CN110165766A - 用于野外机器人的功率平滑器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于野外机器人的功率平滑器，其并联在野外机器人的太阳能板、蓄电池以及电机之间；包括并联的BUCK变换器和超级电容器，所述BUCK变换器的输出端串联功率二极管。所述BUCK变换器包括互补的开关管、滤波电容和储能电感及其等效电阻。所述超级电容器的容量为1.5~2.5F。在天气转晴的情况下，在负载过高或过低的工作过程中，BUCK电路与超级电容端的共同作用，蓄电池一直处于充电的状态，从而避免了电池充放电状态的频繁的切换，起到增加电池寿命的作用。功率平衡器还能削峰填谷，使输出功率波动在合理范围之内，维护电机系统正常工作。

Description

用于野外机器人的功率平滑器

技术领域

本发明涉及一种用于野外机器人的功率平滑器，其并联在野外机器人的太阳能板、蓄电池以及电机之间。

背景技术

野外工作的机器人自身会携带蓄电池供电，在一定情况下还需要配带太阳能板供电。由于机器人在野外工作过程中会经历比较忐忑的地形，电机负载过重或过轻是经常出现的情形，当负载较重的时候，太阳能板提供的功率不足以提供负载，此时则由太阳能板和蓄电池一起输出功率供给负载；当负载较轻的时候，则只需要由太阳能板提供功率输出给电机负载和蓄电池，从而导致蓄电池时而充电，时而放电，充放电状态的频繁的切换会导致蓄电池内部发热，容量衰减，内阻增加，减少蓄电池的寿命。

以上是现有的野外机器人的不足之处。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用于野外机器人的功率平滑器，它可以避免蓄电池充放电状态的频繁的切换，从而增加其寿命。

本发明的用于野外机器人的功率平滑器，其并联在野外机器人的太阳能板、蓄电池以及电机之间；其特征是包括：并联的BUCK变换器和超级电容器，所述BUCK变换器的输出端串联功率二极管。

所述BUCK变换器包括互补的开关管、滤波电容和储能电感及其等效电阻。

所述超级电容器的容量为1.5~2.5F。

所述储能电感的等效电阻为0.15~0.25Ω。

本发明的有益效果是，一、在天气转晴的情况下，主要由太阳能板提供功率，在负载过高或过低的工作过程中，BUCK电路与超级电容端的共同作用，蓄电池一直处于充电的状态， 从而避免了电池充放电状态的频繁的切换，起到增加寿命的作用。二、功率平衡器可起到削峰填谷的作用，从而使输出功率波动在合理范围之内，也起到维护电机系统正常工作的作用。

附图说明

图1是本发明的电路方框图。

图2是图1的电路原理图。

图3是负载功耗图。

图4是电池充电电流图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的实施例作详细说明。

当机器人在比较崎岖的地形运动的时候，负载有时过重，有时过轻。如图3所示，为负载的输出功率。本项目致力于研究一个并在太阳能板1蓄电池2及负载4之间的功率平衡器3，如图1所示。

图2所示为图1的电路原理图，因为太阳能板输出的电压在较短的时间范围内不变，图中用恒压源代替太阳能板；中间为BUCK电路31，并联超级电容组32，其用单个大电容代替，BUCK电路后面连接的是有内阻的蓄电池2，再连接直流电机构成的负载4。

Buck电路中，由频率为100kHz的互补开关管mos1、mos2来控制输出电压，通过调节开关管mos1高电平占空比可改变输出电压与输入电压的比值，取电感值L为500uH，电容C1=500uF，当驱动为高电平时，开关管mos1导通，开关管mos2截止，储能电感被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给滤波电容C1充电，给负载提供能量；当驱动为低电平时，开关管mos1关断，开关管mos2开通，储能电感L通过开关管mos2放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持。

在合适的参数范围内，太阳能板正常工作，太阳能板既给电池供能，又给电机供能，BUCK电路开环控制，调节高端mos管高电平占空比使其输出电压达到电机额定电压，超级电容处于平衡状态，超级电容的容量为2±0.5F；当BUCK电路开环控制时，其内部等效电阻R2取0.2±0.05Ω，随着输出电流的增大，电阻R2上分压会增大，则输出端电压会开始降低，反之也成立。

当负载由正常状态过度到重载（较高频运动）情况下，此时BUCK电路输出功率增大，因而输出电流增大，BUCK电路输出端电压会因为电路内部压降增大而降低，在电流上升过程中，由于超级电容端电压比BUCK电路端电压高，且BUCK电路输出端串联了功率二极管D3，超级电容只能通过负载回路（电池与电机）来放电，此时电池处于充电的状态；

当负载由正常状态过度到比较轻的时候，此时BUCK电路输出功率减少，因而输出电流减少，BUCK电路端电压因内部压降减少而增高，在电流上升过程中，输出端电压比超级电容器电压高，此时太阳能板通过BUCK电路给电池、超级电容充电，由于超级电容器内阻比电池小,太阳能板主要给超级电容充电，超级电容电压上升，直至与BUCK电路输出端电压不变，此时电池依然处于充电的状态；

综上所述，当负载在重载与轻载之间按一定频率切换时，电池依然可以保持充电的状态，电池充电电流图见图4。因此，机器人在比较崎岖的地形运动的时候，即便负载有时过高，有时过低，蓄电池也是一直处于充电的状态，避免了电池充放电状态的频繁的切换，可起到增加电池寿命的作用， 减少了电池的浪费，此功率平衡器对环境等都或有很大的帮助。

同时，功率平衡器可起到削峰填谷的作用，使输出功率波动在合理范围之内，输出功率曲线更加平滑，减少输出电流的波动，在一定程度上减少了BUCK电路输入电流（功率）的波动，维护电机系统正常工作的作用。

用超级电容作为储放能元件，超级电容的功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电；超级电容的寿命更长，充放电可以达到50万次，是锂离子电池的500倍；超级电容可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或是电极物质表面的快速、可逆的化学过程，可采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；超级电容体积小，外形紧凑，便于安装，节省空间，免维护，可密封；可以在完全放电状态下存储，而过度放电对许多充电电池都是有害的；使用安全、方便、绿色环保对环境无害。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种用于野外机器人的功率平滑器，其并联在野外机器人的太阳能板、蓄电池以及电机之间；其特征是包括：并联的BUCK变换器和超级电容器，所述BUCK变换器的输出端串联功率二极管，所述BUCK变换器包括互补的开关管、滤波电容和储能电感及其等效电阻。

2.如权利要求1所述的用于野外机器人的功率平滑器，其特征是：所述超级电容器的容量为1.5~2.5F。

3.如权利要求1所述的用于野外机器人的功率平滑器，其特征是：所述储能电感的等效电阻为0.15~0.25Ω。