CN111987787B - 一种能量可回收水下航行器的电源管理系统 - Google Patents

一种能量可回收水下航行器的电源管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量可回收水下航行器的电源管理系统，该系统包括电池组和电源管理电路；所述电池组为水下航行器提供工作所需的电能，包括两组可充电锂电池；所述电源管理电路用以实现能量的回收和处理，包括能量回收电路、整流电路、升压电路、电压检测电路和自动切换电路。本发明能够将水下航行器在行进过程中由壳体振动和水流摩擦产生的能量，通过整流和升压转化为电能存储在电池组中；电压检测电路实时检测电池组电压，并输出控制信号至自动切换电路，以实现两组电池的轮流充放电。本发明可以保证能量的有效使用，提高水下航行器的续航能力。

Description

一种能量可回收水下航行器的电源管理系统
技术领域
本发明涉及水下航行器领域，尤其涉及一种能量可回收水下航行器的电源管理系统。
背景技术
水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器。无论是在民用还是在军用上，水下航行器都扮演着重要的角色，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。现如今水下航行器已成为人类探索海底空间的重要技术手段。
水下航行器通常采用自带的可充电电池供电，通过电源管理系统实现电源的分配、监测等功能。电源管理系统的重量、体积和续航能力是实际应用中重点考虑的问题，为完成水下复杂的任务，需要尽可能提高水下航行器水下工作的时间，因此续航能力已成为限制水下航行器发展的重要因素之一。
现有的技术中，水下航行器电源充电完成后，按照相应的要求下水工作，但是电源的储能有限，水下航行器需要在有限的时间内完成工作。为了延长电源的续航能力，往往需要增大水下航行器电源体积和重量，这将会占用过多空间，不利于空间利用，价格也比较贵；同时为了更紧凑的分配有限的电能，需要复杂的电源管理系统，增加了设计的难度，也降低了系统的可靠性；水下航行器航行过程中水流压力和摩擦消耗了大量能量，也在一定程度上降低了能量使用的效率。
发明内容
本发明的目的是：为了保证能量的有效使用，提高水下航行器的续航能力，本发明提供一种能量可回收水下航行器的电源管理系统，该系统能够将水下航行器在行进过程中由壳体振动和水流摩擦产生的能量，通过整流和升压转化为电能存储在电池组中；电压检测电路实时检测电池组电压，并输出控制信号至自动切换电路，以实现两组电池的轮流充放电。
本发明的技术方案：一种能量可回收水下航行器的电源管理系统，该系统包括电池组和电源管理电路。其中：
所述电池组为水下航行器提供工作所需的电能，包括两组可充电锂电池，其中一组为主电池，是供电的主要电源；另一组为副电池，主要负责能量回收，同时在主电池能量不足时作为辅助电源供电。两组电池通过电源管理电路实现轮流充放电。
所述电源管理电路用以实现能量的回收和处理，包括能量回收电路、整流电路、升压电路、电压检测电路和自动切换电路。
所述能量回收电路用于收集壳体振动和水流摩擦产生的能量，并将其转化为电能输出。能量回收电路采用PVDF压电材料设计，当压电薄膜在环境中受到一定频率的震动时，电极输出端会产生正弦小电压，该电压作为输入信号进入整流电路中。
所述整流电路用于将所述能量回收电路产生的交流电进行整流并转换为直流电。因为能量回收电路产生的电压很小，采用传统的二极管整流电路功率损耗很大，将导致能量收集的效率非常低，整流电路利用AD8436 AJCP-WP芯片设计，采用单电源模式，能量回收电路输出的正弦小电压连接到整流电路的ACIN输入端，IGND端连接一个额外的旁路以抑制环境噪声，引脚CAVG接一个470pF的电容以使内部环路保持稳定，将3.3μF电容接到输出和FET输入缓冲的同相输入口以得到平均整流值。
所述升压电路用以实现DC-DC升压，将整流电路DC OUT端输出的直流小电压连接到升压电路的输入端口，通过该电路将电压升至电池组充电所需的电压值，为减小体积，升压电路采用非隔离型电感升压模块。
所述电压检测电路用于实时检测电池组中主电池的电压，并输出控制信号至自动切换电路中。电压检测电路采用滞回比较器设计，为使其输出两路合适的控制信号，在比较器输出端加入两只稳压管D1和D2，将它们反向串联后比较器输出电压为Uo＝±5V，采用74门芯片搭建RS触发电路，将比较器输出电压Uo转为两路控制信号。启动航行器时主电池工作，升压电路输出的电压给副电池充电，当电压检测电路检测到主电池的输出电压低于比较器动作阈值的低电压UTL时，电压检测电路的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为低电压和高电压；当电压检测电路检测到主电池的输出电压高于比较器动作阈值的高电压UTH时，电压检测电路的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为高电压和低电压。电压检测电路输出的两路控制信号连接到自动切换电路的输入信号端口。
所述自动切换电路是配合电压检测电路实现主副电池的轮流充放电。P1、P2、P3、P4是自动切换电路的四路输入端，Q1、S1、Q2、S2分别对应自动切换电路的四路输出开关，按接收信号可将输入端分为P1&P4、P2&P3两组，电压检测电路的两路输出信号分别连接到P1&P4、P2&P3端口。由于输入信号中含有干扰，为了提高电路的抗干扰能力，增加系统的稳定性，自动切换电路采用了超小型光耦HCPL-181-000E，它能够将输入信号和输出完全隔离，进而保证输出的可靠性。为最大化的减少功率损耗，开关器件选用NMOS管，负载输出端接高速开关管1N4148，高速开关管可以快速响应同时保护电路。
进一步地，所述电池组中两组可充电锂电池的充电电压为12V，保护电压为9V，工作电压为11V～12V。
进一步地，所述能量回收电路PVDF压电传感器设计成压电阵列，每个压电单元的厚度为1mm，边长为1cm。
进一步地，所述能量回收电路PVDF压电单元贴在水下航行器的外表面，且两个压电单元的间距在1～3mm之间。
进一步地，所述能量回收电路电极引出方式是将导线与薄铜片焊接在一起，通过导电银胶将薄铜片固定在压电单元上。
进一步地，所述电压检测电路比较器动作阈值的低电压UTL为9V，比较器动作阈值的高电压UTH为11V。
进一步地，所述电压检测电路输出的两路控制信号是高电压5V和低电压0V。
进一步地，所述自动切换电路(205)当P1&P4输入端的控制信号为5V时，P2&P3输入端的控制信号为0V，输出端Q1闭合S1断开，同时Q2断开S2闭合，此时电池组的工作状态为主电池放电，副电池充电。
进一步地，所述自动切换电路当P1&P4输入端的控制信号为0V时，P2&P3输入端的控制信号为5V，输出端Q1断开S1闭合，同时Q2闭合S2断开，此时电池组工作状态为主电池充电，副电池放电。
本发明的优点在于：
(1)本电源管理系统能够在不增加系统体积的前提下，提高水下航行器的续航能力，拓宽了水下航行器的使用范围。
(2)本电源管理系统整流电路采用AD8436 AJCP-WP芯片设计，相比于传统的二极管整流电路，降低了功率损耗，提高了能量回收的效率。
(3)本电源管理系统使用NMOS管作为控制的开关，实现主副电池的轮流充放电，节约了空间，同时降低了成本。
(4)本电源管理系统利用壳体自身产生的振动和摩擦，采用PVDF压电材料将这部分能量转化为电能，再次供水下航行器使用，实现了能量的循环使用，提高了能量的利用率。
附图说明
图1为电源管理系统的信号连接框图；
图2为PVDF压电材料的频率测试图；
图3为图1所示的AC/DC整流电路的原理图；
图4为图1所示的主电池电压检测电路的原理图；
图5为图1所示的自动切换电路的原理图；
图6为图1所示的自动切换电路的功能流程图。
图中：电池组1、电源管理电路2、能量回收电路201、整流电路202、升压电路203、电压检测电路204、自动切换电路205。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种能量可回收水下航行器的电源管理系统，该系统包括电池组1和电源管理电路2。其中：
所述电池组1为水下航行器提供工作所需的电能，包括两组可充电锂电池，其中一组为主电池，是供电的主要电源；另一组为副电池，主要负责能量回收，同时在主电池能量不足时作为辅助电源供电，两块电池通过电源管理电路2实现轮流充放电。
所述电源管理电路2用以实现能量的回收和处理，包括能量回收电路201、整流电路202、升压电路203、电压检测电路204和自动切换电路205。
本发明的具体实施过程如下：
①电池组1采用主、副两块锂电池，电池充电电压为12V，保护电压为9V，工作电压为11V～12V，为水下航行器工作提供所需的电能。
②能量回收电路201用于收集壳体振动和水流摩擦产生的能量，并将其转化为电能输出。能量回收电路201采用PVDF压电材料设计压电阵列，每个压电单元设计成厚度为1mm，边长为1cm的正方形，将其贴在水下航行器的外表面，且两个压电单元的间距在1～3mm之间；将导线与薄铜片焊接在一起后，通过导电银胶将薄铜片固定在压电单元上，以此作为引出电极。当压电薄膜在环境中受到一定频率的震动时，电极输出端会产生正弦小电压，该电压作为输入信号进入整流电路202中。
③整流电路202用于将能量回收电路201产生的交流小电压转换为直流电压。图2是面积为40cm2 PVDF压电材料的频率测试结果，其最大峰值仅为0.6V。因此采用传统的二极管整流电路功率损耗很大，将导致能量收集的效率非常低，本发明的整流电路采用AD8436 AJCP-WP芯片设计。如图3所示，整流电路202采用单电源模式，能量回收电路201输出的正弦电压连接到整流电路202的ACIN输入端，IGND端连接一个额外的旁路以抑制环境噪声，引脚CAVG接一个470pF的电容以使内部环路保持稳定，将3.3μF电容接到输出和FET输入缓冲的同相输入口以得到平均整流值。整流电路202DC OUT端输出整流平均值连接到升压电路203中。
④升压电路203将整流电路202输出的直流小电压升至电池组1充电所需的电压值，所研究的水下航行器电池组的充电电压为12V。为减小体积本发明的升压电路203采用非隔离型电感升压模块，能够将较低的直流电压升至充电所需的12V。
⑤电压检测电路204用于实时检测电池组1中主电池的电压，并输出控制信号至自动切换电路205中。启动航行器时主电池工作，升压电路203输出的电压给副电池充电，当电压检测电路204检测到主电池的输出电压低于比较器动作阈值的低电压UTL时，电压检测电路204的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为低电压和高电压；当电压检测电路204检测到主电池的输出电压高于比较器动作阈值的高电压UTH时，电压检测电路204的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为高电压和低电压。
实施例中水下航行器的设计要求为：UTL＝9V，UTH＝11V。启动航行器时主电池工作，升压电路203输出的电压给副电池充电，当主电池的输出电压ui<9V时，电压检测电路204输出两路控制信号分别为0V和5V；当主电池的输出电压ui>11V时，电压检测电路204输出两路控制信号分别为5V和0V。
如图4所示，电压检测电路204采用同相滞回比较器设计，已知阈值电压可由确定电阻R1、R2、R3、R4、R5的阻值：
Figure BDA0002655244640000051
Figure BDA0002655244640000052
其中UO为比较器输出电压，UI为比较器的参考电压，根据实际情况可取R1＝R3＝10kΩ,R2＝1kΩ,R4+R5＝58kΩ。
为使电压检测电路204输出两路合适的控制信号，在比较器输出端加入两只稳压管D1和D2，将它们反向串联后比较器输出电压为Uo＝±5V，采用74门芯片搭建RS触发电路，将比较器输出电压Uo转为两路控制信号，高电压0V和低电压5V，当其中一路为5V输出时，另一路为0V输出。考虑到按照公式计算参数构成实际电路时存在一定的误差，因此取R5＝20kΩ，R4使用50kΩ的电位器，以便在计算值附近进行调试，从而获得满意的结果。
⑥自动切换电路205是配合电压检测电路204实现主副电池的轮流充放电。如图5所示，P1、P2、P3、P4为自动切换电路205的四路输入端，Q1、S1、Q2、S2分别对应自动切换电路205的四路开关，按接收信号可将输入端分为P1&P4、P2&P3两组，电压检测电路204的两路输出信号分别连接到P1&P4、P2&P3端口。由于输入信号中含有干扰，为了提高电路的抗干扰能力，增加系统的稳定性，自动切换电路205采用了超小型光耦HCPL-181-000E，它能够将输入信号和输出完全隔离，进而保证输出的可靠性。为最大化的减少功率损耗，开关器件选用NMOS管，负载输出端接高速开关管1N4148，高速开关管可以快速响应同时保护电路。
如图6所示为自动切换电路的功能流程框图。当P1&P4输入端的控制信号为5V时，P2&P3输入端的控制信号为0V，输出端Q1闭合S1断开，同时Q2断开S2闭合，指示灯LED1和LED4亮起，此时电池组1的工作状态为主电池放电，副电池充电。当P1&P4输入端的控制信号为0V时，P2&P3输入端的控制信号为5V，输出端Q1断开S1闭合，同时Q2闭合S2断开，指示灯LED2和LED3亮起，此时电池组1工作状态为主电池充电，副电池放电。
实施例中水下航行器的长度为150mm，表面积约为150cm2。当水下航行器的输出功率为100W时，能量回收模块的平均输出功率为9.64W～13.2W，整流模块的功耗约为0.62W～0.72W，升压电路的功耗约为0.61W～0.7W，电池模块的充电效率为95.8％，该系统的能量回收效率约为8％～12％。实验表明采用本发明设计的电源管理系统时，在不同工况下，水下航行器的续航能力提升约5％～10.1％。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种能量可回收水下航行器的电源管理系统，其特征在于，该系统包括电池组(1)和电源管理电路(2)，其中：
所述电池组(1)为水下航行器提供工作所需的电能，包括两组可充电锂电池，其中一组为主电池，是供电的主要电源；另一组为副电池，主要负责能量回收，同时在主电池能量不足时作为辅助电源供电，两组电池通过电源管理电路(2)实现轮流充放电；
所述电源管理电路(2)用以实现能量的回收和处理，包括能量回收电路(201)、整流电路(202)、升压电路(203)、电压检测电路(204)和自动切换电路(205)；
所述能量回收电路(201)用于收集壳体振动和水流摩擦产生的能量，并将其转化为电能输出，能量回收电路(201)采用PVDF压电材料设计，当压电薄膜在环境中受到一定频率的震动时，电极输出端会产生正弦小电压，该电压作为输入信号进入整流电路(202)中；
所述整流电路(202)用于将所述能量回收电路(201)产生的交流电进行整流并转换为直流电，整流电路利用AD8436 AJCP-WP芯片设计，采用单电源模式，能量回收电路(201)输出的正弦小电压连接到整流电路(202)的ACIN输入端，IGND端连接一个额外的旁路以抑制环境噪声，引脚CAVG接一个470pF的电容以使内部环路保持稳定，将3.3μF电容接到输出和FET输入缓冲的同相输入口以得到平均整流值；
所述升压电路(203)用以实现DC-DC升压，将整流电路(202)DC OUT端输出的直流小电压连接到升压电路(203)的输入端口，通过该电路将电压升至电池组(1)充电所需的电压值，为减小体积，升压电路(203)采用非隔离型电感升压模块；
所述电压检测电路(204)用于实时检测电池组(1)中主电池的电压，并输出控制信号至自动切换电路(205)中，电压检测电路(204)采用滞回比较器设计，为使其输出两路合适的控制信号，在比较器输出端加入两只稳压管D1和D2，将它们反向串联后比较器输出电压为Uo＝±5V，采用74门芯片搭建RS触发电路，将比较器输出电压Uo转为两路控制信号，启动航行器时主电池工作，升压电路(203)输出的电压给副电池充电，当电压检测电路(204)检测到主电池的输出电压低于比较器动作阈值的低电压UTL时，电压检测电路(204)的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为低电压和高电压；当电压检测电路(204)检测到主电池的输出电压高于比较器动作阈值的高电压UTH时，电压检测电路(204)的输出端1和输出端2输出两路控制信号，分别为高电压和低电压，电压检测电路(204)输出的两路控制信号连接到自动切换电路(205)的输入信号端口；
所述自动切换电路(205)是配合电压检测电路(204)实现主副电池的轮流充放电，P1、P2、P3、P4是自动切换电路(205)的四路输入端，Q1、S1、Q2、S2分别对应自动切换电路(205)的四路输出开关，按接收信号可将输入端分为P1&P4、P2&P3两组，电压检测电路(204)的两路输出信号分别连接到P1&P4、P2&P3端口，由于输入信号中含有干扰，为了提高电路的抗干扰能力，增加系统的稳定性，自动切换电路(205)采用了超小型光耦HCPL-181-000E，它能够将输入信号和输出完全隔离，进而保证输出的可靠性，为最大化的减少功率损耗，开关器件选用NMOS管，负载输出端接高速开关管1N4148，高速开关管可以快速响应同时保护电路。
2.根据权利要求1所述的能量可回收水下航行器的电源管理系统，其特征在于：所述电池组(1)中两组可充电锂电池的充电电压为12V，保护电压为9V，工作电压为11V～12V。
3.根据权利要求1所述的能量可回收水下航行器的电源管理系统，其特征在于：所述能量回收电路(201)PVDF压电传感器设计成压电阵列，每个压电单元的厚度为1mm，边长为1cm；
所述能量回收电路(201)PVDF压电单元贴在水下航行器的外表面，且两个压电单元的间距在1～3mm之间；
所述能量回收电路(201)电极引出方式是将导线与薄铜片焊接在一起，通过导电银胶将薄铜片固定在压电单元上。
4.根据权利要求1所述的能量可回收水下航行器的电源管理系统，其特征在于：所述电压检测电路(204)比较器动作阈值的低电压UTL为9V，比较器动作阈值的高电压UTH为11V；
所述电压检测电路(204)输出的两路控制信号是高电压5V和低电压0V。
5.根据权利要求1所述的能量可回收水下航行器的电源管理系统，其特征在于：所述自动切换电路(205)当P1&P4输入端的控制信号为5V时，P2&P3输入端的控制信号为0V，输出端Q1闭合S1断开，同时Q2断开S2闭合，此时电池组(1)的工作状态为主电池放电，副电池充电；
所述自动切换电路(205)当P1&P4输入端的控制信号为0V时，P2&P3输入端的控制信号为5V，输出端Q1断开S1闭合，同时Q2闭合S2断开，此时电池组(1)工作状态为主电池充电，副电池放电。
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