CN112277710A - 一种直升机野外应急启动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直升机野外应急启动系统，包括依次连接的储能电容模组、管理客户端、充电微控制模块、驱动模块、半导体能量转换模块与充电输出模块。在管理客户端的指令下，通过充电微控制模块控制驱动模块与半导体能量转换模块将储能电容模组输出电流进行放大，实现对直升机的应急驱动。还能够用于对直升机的充电维护。本发明中的直升机野外应急启动系统具有更小的体积和重量，具备更强的环境适用性和更高的效率。

Description

一种直升机野外应急启动系统
技术领域
本发明涉及直升机电源技术领域，特别是涉及一种直升机野外应急启动系统。
背景技术
目前，直升机在地面应急启动时，为保障直升机的机载蓄电池在空中飞行时供电量充足，需要采用外部电源进行启动。而直升机使用的应急启动电源一般多为启动车属牵引车载内置铅酸蓄电池组，设备体积大、运输不便，电能与化学能的转换受到环境因素影响较大，能量转换不稳定，充放电效率低。
针对现有技术中直升机野外应急启动电源存在的问题，本发明提出一种新型的直升机野外应急启动系统，环境适用性更强，效率更高，且体积更小、重量更轻，能够满足不同环境、不同天气下的直升机的应急启动需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有更强的环境适用性和更高的充放电效率的便携式直升机野外应急启动系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种直升机野外应急启动系统，包括依次连接的储能电容模组、管理客户端、充电微控制模块、驱动模块、半导体能量转换模块与充电输出模块；
所述管理客户端用于对所述储能电容模组进行管理和监控，发送应急启动指令控制作为储能单元的所述储能电容模组进行放电；
所述充电微控制器在接收到所述管理客户端的应急启动指令后，控制所述驱动模块与所述半导体能量转换模块对所述储能电容模组输出的电流进行放大，以达到直升机的驱动功率；
所述充电输出模块用于对放大后的电流进行整流滤波，经整流滤波后的电流进入直升机驱动系统驱动直升机应急启动。
可选的，所述充电微控制模块与所述驱动模块之间依次设置有输入滤波器、稳压器、整流器和输出滤波器，所述输入滤波器、稳压器、整流器和输出滤波器用于将所述储能电容模组输出的交流电转换为直流电。
可选的，所述管理客户端包括：
单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块，分别与所述储能电容模组相连，用于对所述储能电容模组的电压、电流与温度参数进行检测；
显示模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，用于实时显示所述储能电容模组的电压、电流与温度参数；
通讯模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，用于将所述储能电容模组的电压、电流及温度参数传输给工作人员，并接收工作人员的应急启动指令。
可选的，所述系统还包括储能检测模块，与充电微控制模块和直升机的机载蓄电池相连，能够对所述机载蓄电池的电压、电流及温度参数进行实时检测，并将采集的参数传输到充电微控制模块。
可选的，所述储能检测模块包括霍尔传感器、电位器、单电源运放和温度传感器；
所述霍尔传感器用于监控所述机载蓄电池的电流；
所述电位器与所述单电源运放相连，用于实现对所述机载蓄电池电压的测量；
所述温度传感器用于实现温度参数的实时采集。
所述管理客户端还用于根据所述机载蓄电池和所述储能电容模组的电量、电压、内阻及温度数据，预设所述机载蓄电池的电量阈值，根据所述电量阈值对所述机载蓄电池进行充电维护；
当所述机载蓄电池电量高于所述电量阈值时，则无需充电；当所述机载蓄电池电量低于所述电量阈值时，所述充电微控制模块根据所述储能检测模块实时检测的所述机载蓄电池的状态参数，通过设置于所述充电微控制模块内的PLC预设模型计算当前时刻所述机载蓄电池的最大可接受电流，控制所述驱动模块和所述半导体能量转换模块输出与当前时刻所述机载蓄电池最大可接受电流一致的脉冲电流，并在充电过程中实时更新所述机载蓄电池的最大可接受电流，直至所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值，实现对所述机载蓄电池的大电流脉冲充电。
可选的，所述充电微控制模块根据所述机载蓄电池的型号特征，设定恒定浮充电压，当充电过程中所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值时，所述充电输出模块继续输出浮充电压，所述浮充电压的输出时间为大电流脉冲充电时间的5％-10％。
所述驱动模块为半导体功率器件驱动模块，采用磁环变压器耦合方波信号。
所述充电输出模块为采用半导体器件构成的桥式整流滤波电路。
可选的，所述系统还包括充电适配器与过冲保护器，通过USB与所述充电输出电路连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种直升机野外应急启动系统，采用储能电容模组作为储能单元，放电电流大，充电效率高；通过半导体能量转换方式实现电力的无物理接触转换，减小了应急启动电源的体积和重量，达到便携可机载，同时使得应急启动电源能够适应不同地形和不同环境，还扩展了电源的适用温域，提高了启动电源的环境实用性，满足野外应急需求。采用驱动保护二合一的驱动方式，降低了传输时延，进一步提升了直升机应急启动效率。本发明中的应急启动系统还可以用于直升机在库中的通电检测与电池充电，采用自适应大电流脉冲充电技术，充电效率高，可短时间内充满，还有效延长了电池的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例提供的直升机野外应急启动系统的结构框图；
图2为图1中所示直升机野外应急启动系统中管理客户端的结构图；
图3为本发明的实施例提供的直升机野外应急启动系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种直升机野外应急启动系统，体积更小、重量更轻，且具有更好的环境适应性和更高的效率，能够很好的解决现有技术中直升机野外应急启动受环境制约，效率不高的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供的直升机野外应急启动系统，包括依次连接的储能电容模组、管理客户端、充电微控制模块、驱动模块、半导体能量转换模块与充电输出模块。
所述管理客户端用于对所述储能电容模组进行管理和监控，发送应急启动指令控制作为储能单元的所述储能电容模组进行放电；
所述充电微控制器在接收到所述管理客户端的应急启动指令后，控制所述驱动模块与所述半导体能量转换模块对所述储能电容模组输出的电流进行放大，以达到直升机的驱动功率；
所述充电输出模块用于对放大后的电流进行整流滤波，经整流滤波后的电流进入直升机驱动系统驱动直升机应急启动。
其中，所述储能电容模组作为直升机野外应急启动系统的动力基础，可循环充放电20000次，电压稳定率≦0.3％，纹波系数≦0.7％，总谐波失真率≦1％，能够在-60℃～70℃的温度、10％～100％的湿度环境下正常工作，介电性能良好，，最后经充电输出模块输出的瞬时电流可达2000A，工作功率最高为150KV，很好的保障了直升机发动机应急启动的安全稳定。
所述管理客户端为自主编写的直升机应急启动系统管理程序，通过USB接口将硬件设备与电脑相连，主要用于对储能电容模组进行管理，监控其工作状态。如图2中，所述管理客户端包括：
单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块，分别与所述储能电容模组相连，用于对所述储能电容模组的电压、电流与温度参数进行检测，管理客户端可通过温度采集模块判断是否需要通风散热；
显示模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，可以为液晶显示屏，用于实时显示所述储能电容模组的电压、电流与温度参数，以供工作人员实时查看；
通讯模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，用于将所述储能电容模组的电压、电流及温度参数传输给工作人员，并接收工作人员的应急启动指令。
所述充电微控制模块能够根据管理客户端的指令调整控制驱动模块的工作模式，所述驱动模块进一步调整能量转换模块的工作状态，相互协作完成直升机的应急启动功能。具体的，充电微控制模块由充电控制软件、管理软件通讯接口软件与硬件平台等部分组成，内置ADC芯片、PWM、信号调整电路，实现对储能电容模组的状态管理、保护，与管理客户端数据传输等功能。
为了将所述储能电容模组输出的交流电转换为直流电，所述充电微控制模块与所述驱动模块之间还依次设置有输入滤波器、稳压器、整流器和输出滤波器，所述直流电的电压范围为20-32V。
所述驱动模块为半导体功率器件驱动模块，由双极型三极管和MOS构成复合全控型高频大电流驱动器，用于将充电微控制模块输出的PWM脉冲放大到足以驱动直升机发动机中高频大功率IGBT器件。采用驱动保护二合一的模式，具备完善的故障检测及保护功能，性能稳定，控制更加精细化。采用磁环变压器耦合方波信号，可获得陡直上升下降的波沿，几乎没有传输延时，提高了直升机野外应急启动的效率。具体的，直升机发动机中的高频大功率IGBT器件作为直接控制直升机驱动系统直交流电转换、决定最大输出功率等核心指标的关键器件，相比于其他设备如电动汽车等的IGBT器件功率更高，性能更加稳定，驱动时所需电流也更大更稳。本实施例中采用的驱动模块与半导体能量转换模块相互配合，能够保证更快、更稳、更高效的驱动直升机的应急启动。
而半导体能量转换模块通过电力能量空间耦合，视空间为无限大磁芯，对两相交流电与储能电容模组之间的能量进行转换，实现了电力能量空间无物理接触传输，与驱动模块相配合，在实现高效率的同时减小了体积和重量，拓展了系统的适用温域。
所述充电输出模块为采用半导体器件构成的低损耗桥式整流滤波电路，对输出的电流进行整流滤波，使得输出指定电压平滑、指定电流稳定，更加精确的实现系统的功能，为更好的实现直升机的应急启动提供了保障。
本实施例的应急启动系统还具有通电检测功能，为实现这一功能，所述系统还包括储能检测模块，与充电微控制模块和直升机的机载蓄电池相连。当本系统与直升机外接电源插口连接后，首先检测机载蓄电池和储能电容模组的状况，储能电容模组的状态参数由管理客户端进行检测采集，所述储能检测模块则对机载蓄电池的电压、电流等参数进行检测，并将采集的参数传输到充电微控制模块。
具体的，所述储能检测模块包括霍尔传感器、电位器、单电源运放和温度传感器；
所述霍尔传感器用于监控所述机载蓄电池的电流，通过测量通电螺旋中的磁场，从而在不与被测电路发生接触的情况下测定电流的大小；
所述电位器与所述单电源运放相连，采用电位器将电池电压衰减10倍后，采用单电源运放LM324进行电压的跟随，最后通过储能检测模块内置单片机的ADC采样端口实现了对所述机载蓄电池电压的测量；
所述温度传感器为封装式小型数字温度传感器，用于实现对温度参数的实时采集，当温度超过安全阈值时进行报警。
所述储能检测模块中还可以包括A/D转换器、微控制器和数据处理软件等，分别与霍尔传感器、电位器、单电源运放和温度传感器相连，相互协作完成数据参数的采集功能。
本实施例的应急启动系统还能够用于直升机在库内维修保养时对机载蓄电池进行充电，如图3所示，所述管理客户端还用于根据所述机载蓄电池和所述储能电容模组的电量、电压、内阻及温度数据，判断机载蓄电池的状态型号，预设所述机载蓄电池的电量阈值，根据所述电量阈值对所述机载蓄电池进行充电维护。
当所述机载蓄电池电量高于所述电量阈值时，则无需充电；当所述机载蓄电池电量低于所述电量阈值时，所述充电微控制模块根据所述储能检测模块实时检测的所述机载蓄电池的状态参数，通过设置于所述充电微控制模块内的PLC预设模型计算当前时刻所述机载蓄电池的最大可接受电流，控制所述驱动模块和所述半导体能量转换模块输出与当前时刻所述机载蓄电池最大可接受电流一致的脉冲电流，并在充电过程中实时更新所述机载蓄电池的最大可接受电流，直至所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值，实现对所述机载蓄电池的大电流脉冲自适应充电。
大电流脉冲充电模式通过充电放电循环进行，放电时间≦0.1s，放电电流1-100A，再通过驱动模块与半导体能量转换模块放大电流进行大电流充电，以超短时间大功率放电来抑制过超电能，并提高机载蓄电池的最大可接受电流。配合对机载蓄电池最大可接受电流的实时更新，自动配置最佳充电电压电流，使充电轨迹实现理想化，精确计算了在当前环境和当前工况下储能电容模组的充电参数值，提高了对机载蓄电池的充电效率，缩短为飞机充电的时间。还能够对因硫化已损坏的蓄电池进行活化，根据电池损耗情况增加能量输出效率和深放电次数，可延长机载蓄电池使用寿命2-3倍以上。
为了补偿机载蓄电池的自放电损失，在大电流脉冲充电模式中，所述充电微控制模块根据所述机载蓄电池的型号特征，设定恒定浮充电压，当充电过程中所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值时，并不立刻停止充电，而是由所述充电输出模块继续输出浮充电压，所述浮充电压的输出时间为大电流脉冲充电时间的5％-10％。进而保证直升机机载蓄电池的电量能够满足系统预设阈值，使得直升机在空中执行任务时的能量支持更加稳定，提升了直升机飞行的安全性。
作为一种可选的实施方式，本发明中的直升机野外应急启动系统，主机体积为400×280×160mm，重量不超过20kg，配备30V输出航插，主机箱体采用PE材料滚塑工艺，材料耐磨、防水、强度高，能够很好的适应各种环境。还配备有充电适配器与过冲保护器，通过USB与所述充电输出电路连接，1.5h即可充满，无需人工保养，进一步保证了电源使用的便捷与安全。
需要说明的是，本发明实施例中所列举的具体数值与型号不应理解为对本发明保护范围的具体限定，任何能够实现与本发明中相同功能的数值与型号均落入本发明的保护范围之内。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，包括依次连接的储能电容模组、管理客户端、充电微控制模块、驱动模块、半导体能量转换模块与充电输出模块；
所述管理客户端用于对所述储能电容模组进行管理和监控，发送应急启动指令控制作为储能单元的所述储能电容模组进行放电；
所述充电微控制器在接收到所述管理客户端的应急启动指令后，控制所述驱动模块与所述半导体能量转换模块对所述储能电容模组输出的电流进行放大，以达到直升机的驱动功率；
所述充电输出模块用于对放大后的电流进行整流滤波，经整流滤波后的电流进入直升机驱动系统驱动直升机应急启动。
2.根据权利要求1所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述充电微控制模块与所述驱动模块之间依次设置有输入滤波器、稳压器、整流器和输出滤波器，所述输入滤波器、稳压器、整流器和输出滤波器用于将所述储能电容模组输出的交流电转换为直流电。
3.根据权利要求1所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述管理客户端包括：
单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块，分别与所述储能电容模组相连，用于对所述储能电容模组的电压、电流与温度参数进行检测；
显示模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，用于实时显示所述储能电容模组的电压、电流与温度参数；
通讯模块，与所述单体电压采集模块、电流采集模块与温度采集模块相连，用于将所述储能电容模组的电压、电流及温度参数传输给工作人员，并接收工作人员的应急启动指令。
4.根据权利要求1所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，还包括储能检测模块，与充电微控制模块和直升机的机载蓄电池相连，能够对所述机载蓄电池的电压、电流及温度参数进行实时检测，并将采集的参数传输到充电微控制模块。
5.根据权利要求4所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述储能检测模块包括霍尔传感器、电位器、单电源运放和温度传感器；
所述霍尔传感器用于监控所述机载蓄电池的电流；
所述电位器与所述单电源运放相连，用于实现对所述机载蓄电池电压的测量；
所述温度传感器用于实现对温度参数的实时采集。
6.根据权利要求4所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述管理客户端还用于根据所述机载蓄电池和所述储能电容模组的电量、电压、内阻及温度数据，预设所述机载蓄电池的电量阈值，根据所述电量阈值对所述机载蓄电池进行充电维护；
当所述机载蓄电池电量高于所述电量阈值时，则无需充电；当所述机载蓄电池电量低于所述电量阈值时，所述充电微控制模块根据所述储能检测模块实时检测的所述机载蓄电池的状态参数，通过设置于所述充电微控制模块内的PLC预设模型计算当前时刻所述机载蓄电池的最大可接受电流，控制所述驱动模块和所述半导体能量转换模块输出与当前时刻所述机载蓄电池最大可接受电流一致的脉冲电流，并在充电过程中实时更新所述机载蓄电池的最大可接受电流，直至所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值，实现对所述机载蓄电池的大电流脉冲充电。
7.根据权利要求6所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述充电微控制模块根据所述机载蓄电池的型号特征，设定恒定浮充电压，当充电过程中所述机载蓄电池的电量达到所述电量阈值时，所述充电输出模块继续输出浮充电压，所述浮充电压的输出时间为大电流脉冲充电时间的5％-10％。
8.根据权利要求1所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，所述驱动模块为半导体功率器件驱动模块，采用磁环变压器耦合方波信号。
9.根据权利要求1所述的一种直升机野外应急启动电源，其特征在于，所述充电输出模块为采用半导体器件构成的桥式整流滤波电路。
10.根据权利要求6所述的一种直升机野外应急启动系统，其特征在于，还包括充电适配器与过冲保护器，通过USB与所述充电输出电路连接。
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