CN114142541A - 一种基于vicor电源模块的无人直升机锂电池隔离充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池充电系统，涉及无人直升机领域，主要目的在于采用高效率、小体积的VICOR电源模块在机上为电池进行充电，在保证安全性的前提下，大大的降低了充电系统的重量。所述系统包括隔离电源单元和输出保护单元两部分：隔离电源单元选择VICOR‑DCM电源模块，采用电压、电流双闭环隔离反馈，并经PI运算后控制电源模块的电压控制脚，实现为电池进行恒流限压充电；输出保护单元通过采用输出控制、硬件电压保护和电源使能三重保护的方式，对充电过程进行保护，可有效防止电池过充。

Description

一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池隔离充电系统
技术领域
本发明涉及无人直升机技术领域，具体的说涉及一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池隔离充电系统。
技术背景
无人直升机具有垂直起降和空中悬停等飞行特性，在农业、电力、交通等方面发挥着重要的作用。尤其是近几年随着动力储能系统、传感器、飞行控制技术的发展，无人直升机得到了迅速的发展。与纯电池驱动的小型无人机不同，大型的无人直升机仍旧采用燃油驱动，并采用锂电池作为应急电源。在飞行过程中，当主电源系统不能正常工作时，必须依靠应急电源为飞行控制系统、测控设备等关键用电设备供电，以确保飞行安全和尽快返航。
专利CN203491696U公开了无人直升机在正常情况下，无人直升机上的主电源电压为28.5V和12V，应急电源至少包括一块24V蓄电池组或12V蓄电池组。当主电源故障时，应急电源保证影响飞行安全的直流基本负载正常工作，从而确保30min应急飞行时间。
现存无人直升机充电系统，多采用非隔离式充电，通过电源芯片设计的斩波电路对电池进行恒流和恒压充电。但是非隔离式充电方式，安全性能较差，尤其是在电源内部关键器件(MOS管等)等损坏时会对电池过充电，发生危险。
发明内容
本发明基于以上问题，提出了一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池隔离充电系统。该系统可以有效的将无人直升机母线与锂电池进行电气隔离，保护电池的安全。
该系统包含隔离电源单元与输出保护单元两部分：
隔离电源单元以VICOR-DCM电源模块为核心，将无人直升机母线的28V恒压源转换为恒流10A限压28.2V电源，为电池进行充电。隔离电源单元包含输入滤波电路、DCM电源电路、输出滤波电路、电压电流采集电路、电压电流反馈电路、使能与故障电路。利用VICOR-DCM电源模块的电压输出控制引脚实时控制电源模块输出电压的特性，搭建输出电压、电流反馈电路，并通过线性光耦将反馈信号回传到电压输出控制脚，从而控制VICOR-DCM电源模块的输出电压。电流环可保证在负载发生变化时输出电压也跟着实时变化，从而达到恒流的目的；电压环保证当电池接近充满电时，充电系统为电池进行恒压充电。
输出保护单元包含输出保护功率电路、硬件电压保护电路和输出控制电路三部分。输出保护功率电路负责充电回路的通断和防止电池的反向充电；硬件电压保护电路在确保隔离电源单元电压高于阈值时，控制硬件切断充电回路；输出控制电路受到外部控制系统控制，当输出控制电路有效时，闭合充电回路。输出保护单元所包含的硬件电压保护、输出控制电路与输入使能电路共同构成了充电系统的三重充电保护。即使在外部系统控制失效的情况下，也可以保证充电系统正常。从而最大可能保证机上锂电池的安全性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了隔离式充电方式，将无人直升机恒压母线电源隔离变换为恒压恒流电源为锂电池进行充电；电气隔离的方式确保在器件发生故障时也不会对电池进行过充电。
(2)通过搭建电压和电流环双闭环电路，将DCM恒压电源模块改造为恒压恒流电源，实现为电池进行恒压限流充电。
(3)针对无人直升机对于充电系统重量非常敏感的特征，本发明采用转换效率高、质量轻的VICOR-DCM电源模块，尽最大可能降低充电模块重量。
(4)为了确保机上充电的安全性，本发明采用了三级充电保护。第一级为充电使能电路，第二级为输出控制电路，第三级为硬件电压保护电路。三级充电保护可以从概率上大大的降低电池过充的概率，保护电池的安全性。
附图说明
图1 本发明实例结构示意图；
图2 本发明实例整体框架示意图；
图3 本发明实例隔离电源单元电路示意图；
图4 本发明实例输出保护单元电路示意图；
图5 本发明实例工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于VICOR电源模块的隔离式无人直升机用锂电池组充电系统，可满足机上为无人直升机锂电池进行恒流10A限压28.2V的安全充电。如图1所示，所述系统包含隔离电源单元11和输出保护单元12。
所述隔离电源单元11，是以VICOR-DCM电源模块为核心，将无人直升机母线的28V恒压源转换为恒流10A限压28.2V电源为电池进行充电。
所述隔离电源单元11包含输入滤波电路、DCM电源电路、输出滤波电路、电压电流采集电路、电压电流反馈电路、使能与故障电路。
所述隔离电源单元11以VICOR-DCM电源模块为核心，利用电源模块的电压输出控制引脚实时控制电源模块输出电压的特性，搭建输出电压、电流反馈电路，并通过线性光耦将反馈信号回传到电压输出控制脚，从而控制VICOR-DCM电源模块的输出电压。电流环可保证在负载发生变化时输出电压也跟着实时变化，从而达到恒流的目的；电压环保证在电池将要充满时，对电池进行恒压充电，保证锂电池的安全性。
所述输出保护单元12，可以保障充电系统的输出的安全性和可控性。其包含输出保护功率电路、硬件电压保护电路和输出控制电路三部分。
所述输出保护单元，可以防止电池电流反灌，并对充电系统的输出回路进行控制。在隔离电源单元发生故障，输出电压高于阈值时，通过比较器硬件关断充电回路保证电池的安全性。另外输出控制电路可以通过外部系统软件控制是否对电池进行充电。
需要说明的是，输出保护单元所包含的硬件电压保护电路、输出控制电路，与输入使能电路共同构成了充电系统的三重充电保护。即使在外部系统控制失效的情况下，也可以保证充电的安全性。
进一步的，本发明实施例提供了另一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池隔离充电系统，如图2所示，所述系统包括：隔离电源单元21、输出保护单元22：
所述隔离电源单元21包括：输入滤波电路211、DCM电源电路212、输出滤波电路213、电压电流采集电路214、电压电流反馈电路215和使能与故障电路216。如图3提供了隔离式无人直升机锂电池充电系统的电路示意图。
所述的输入滤波电路211，具有双向隔离作用，可以抑制无人直升机母线上的干扰信号，同时也防止电源模块工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响无人直升机母线。如图3所示输入滤波电路包含TVS二极管、滤波电容CAP1、共模电感CM1和滤波电容CAP2。其中TVS管滤除电路中的浪涌电压，保护充电电路内部器件免受浪涌脉冲的损坏。共模电感滤除电路中的共模信号，电容CAP1和CAP2滤除电路中的差模信号。
所述的DCM电源电路212，采用VICOR-DCM电源模块进行隔离电源变换。VICOR-DCM电源模块，是一款隔离式DC/DC电源模块，采用高频ZVS拓扑结构，使其转换效率最高可达到93.8%，有效的减少电源模块的发热量，降低系统散热面积，从而达到降低整个充电系统重量的目的。其将母线的18V~36V的不稳定的电压，隔离变换成最大输出电压为28.2V，最大输出电流为10A的电源为电池进行充电。
需要说明的是，VICOR-DCM电源模块的TR脚为电压输出控制脚，其输出电压VOUT与TR脚电压VTR的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，可以通过搭建电压电流双闭环回路来控制TR脚的电压从而达到控制输出电压目的。电源模块的EN脚为使能脚，只有在EN脚有效时电源模块才会进行电源变换；其FT脚为故障报警脚，当电源模块发生故障时，FT脚输出高电平向外部系统报警。
所述输出滤波电路213，可以有效滤除电源模块输出电源中的交流成分，防止交流信号对负载产生电磁干扰等不良影响。输出滤波电路采用ᴨ型LC滤波电路，该电路由C4、L1和C5组成。电感对交流信号的高阻抗和电容对交流信号的低阻抗，有效滤除电源模块输出电源中的交流成分，并保证直流成分顺利通过。
所述电压电流采集电路214：如图3所示，其中电压采集部分通过R10与R11分压后得到电压控制信号，可通过设置R10与R11电阻的大小调节电源模块输出的最高电压。输出电压V OUT 与电阻R10与R11的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如图3所示，电流采集部分采用在输出正级串联一个采样电阻R S 的方式采集输出电流，电流传感放大器U CS 将R S 两端电压放大后输出至电流PI电路。电流采集电路计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
所述电压电流反馈电路215，如图3所示，由运放和电阻电容组成，为标准的比例积分电路。运放的正端连接基准电压V REF =2.5V，负端连接电压/电流采集得到的信号。积分运算的存在保证输出信号可以消除稳态误差，保证输出的电压电流精确追踪到设计值。以电流PI电路为例，其比例系数为R8/R9，积分系数为1/(R 9 ×C 2 )。电压PI电路与电流PI电路输出的信号，经过二极管取或选择后通过线性光耦反馈至DCM输出电压控制脚TR脚。
所述使能与故障电路216，如图3所示，外部使能控制信号通过隔离光耦OP1，控制VICOR-DCM电源模块的使能脚EN脚，从而控制VICOR-DCM电源模块是否进行电源变换。故障电路采用隔离光耦在VICOR-DCM电源模块发生故障或者电源模块不使能时，将FT脚信号通过隔离光耦OP2发送至外部控制系统。
所述输出保护单元22包括：输出功率保护电路221、硬件电压保护电路222和输出控制电路223：
所述功率保护电路221，如图4所示，包含防反向充电二极管D3和由PMOS管及其驱动电路组成的充电开关。防反向充电二极管D3可以对电流的流动方向进行控制，防止电池反向充电对电路内部器件造成损坏。PMOS、R12、R13和OP5组成充电回路开关，当光耦OP5正常导通时，PMOS导通，充电回路导通；当光耦OP5关闭时，PMOS关闭，充电回路断开。
所述硬件电压保护电路222，如图4所示，包括分压电路和比较电路，在输出电压高于硬件电压保护阈值时，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
电压经R16、R17分压后高于基准电压
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，在经过比较器COMP比较后输出低电平，输出的低电平作为与非门NAND一个的输入信号，无论输出控制电路的信号是高电平还是低电平，NAND将输出高电平，强制将光耦OP5关闭从而关断输出回路，保护电池不会产生过压危险。当输出电压低于电压保护阈值时，COMP将输出高电平至与非门NAND，硬件电压保护电路将不起作用，充电回路的通断将受到输出控制电路信号的控制。
所述输出控制电路223，如图4所示，当满足充电条件时光耦OP4导通，输出控制电路输出高电平至与非门NAND，在硬件电压保护电路输出高电平时，与非门NAND输出低电平，使光耦OP5导通从而控制硬件保护功率电路中的PMOS导通。反之当输出控制电路无效时，PMOS关断，断开输出回路。
一种基于VICOR-DCM电源模块的隔离式无人直升机用锂电池组充电系统的工作流程图如图5所示，无人直升机发动机启动后，母线上正常输出28V恒压源输入至充电系统；此时如果外部控制系统使能EN脚，VICOR-DCM电源模块开始进行电源变换，将恒压电源变换为恒流限压源为电池充电做好准备；如果输出控制OutCtrl有效则闭合输出回路，开始为电池进行充电；一般的充电过程为当电池电压较低时先进性恒流充电，当电池快充满时电压与VICOR-DCM电源模块输出最高电压压差较小时，开始进行恒压充电；输出保护单元实时检测VICOR-DCM电源模块是否出现过压状态，如果出现过压则关闭充电回路停止充电；在充电过程中如果电池充满或者出现故障时，外部控制电路首先控制输出控制OutCtrl无效，关闭充电回路；然后控制EN脚无效，使VICOR-DCM电源模块停止工作。
本发明专利与现有技术相比的优点在于：
首先，本发明采用了隔离式充电方式，将无人直升机恒压母线电源隔离变换为恒压恒流电源为锂电池进行充电；电气隔离的方式确保在器件发生故障时也不会对电池进行过充电。
其次，通过搭建电压和电流环双闭环电路，将DCM恒压电源模块改造为恒压恒流电源，实现为电池进行恒压限流充电。
再次，针对无人直升机对于充电系统重量非常敏感的特征，本发明采用转换效率高、质量轻的VICOR-DCM电源模块，尽最大可能降低充电模块重量。
最后，为了确保机上充电的安全性，本发明采用了三级充电保护。第一级为充电使能电路，第二级为输出控制电路，第三级为硬件电压保护电路。三级充电保护可以从概率上大大的降低电池过充的概率，保护电池的安全性。
以上针对本发明专利提供了一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池充电系统的详细介绍，必须指出，以上实施例的说明不用于限制而只是用于帮助理解本发明专利的核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，对本发明专利进行的任何改进以及与本产品等同的替代方案，也属于本发明专利权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种基于VICOR电源模块的无人直升机锂电池充电系统，其特征在于，包括：隔离电源单元和输出保护单元两部分，
所述隔离电源单元以VICOR-DCM电源模块为核心，将无人直升机母线的28V恒压源，隔离转换为恒流10A限压28.2V电源，为电池进行充电；
所述输出保护单元，用于对充电系统输出进行保护控制，采用三重保护的方式，尽最大可能保证机上锂电池的安全性。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的隔离电源单元包含：输入滤波电路、DCM电源电路、输出滤波电路、电压电流采集电路、电压电流反馈电路和使能与故障电路。
3.根据权利要求2所述的输入滤波电路，具有双向隔离作用，可以抑制无人直升机母线上的干扰信号对充电模块产生影响，同时也防止电源模块工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响无人直升机母线。
4.根据权利要求2所述的DCM电源电路，是整个充电系统的核心，采用VICOR-DCM电源模块将无人直升机母线的28V恒压源，隔离转换为恒流10A限压28.2V电源，电压电流反馈电路的反馈信号通过控制电源模块的电压控制脚TR来调节输出的电压和电流，使能电路通过控制EN脚控制电源模块是否工作，故障电路通过采集FT脚的电平来判断电源模块是否正常工作。
5.根据权利要求2所述的输出滤波电路，可以有效滤除电源模块输出电源中的交流成分，防止交流信号对负载产生电磁干扰等不良影响。
6.根据权利要求2所述的电压电流采集电路，其中电压采集电路采用电阻分压和运算放大器相结合的方式采集充电系统的输出电压，并进行运算反馈；其中电流采集电路采用采样电阻和电流传感放大器相结合的方式采集充电系统的输出电流，并进行运算反馈。
7.根据权利要求2所述的电压电流反馈电路，将电压电流采集电路获得的信号输入至PI运算放大器，通过运算后将电压电流信号通过二极管选择后输入至线性光耦，最后反馈至VICOR-DCM电源模块的TR脚，控制电源模块的输出电压和电流。
8.根据权利要求2所述的使能与故障电路，通过隔离光耦为外部控制系统提供输入使能与故障检测接口，可通过使能EN脚控制电源模块进行电源变换，可通过检测FT脚的电压判断电源模块是否正常工作。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的输出保护单元包含：输出保护功率电路、硬件电压保护电路和输出控制电路。
10.根据权利要求9所述的输出保护功率电路，包含防反二极管和由PMOS组成的输出开关，可以防止电池电流的反灌，并且可以控制输出电路是否导通。
11.根据权利要求9所述的硬件电压保护电路，将输出电压与阈值电压进行比较，当输出电压高于阈值电压时，硬件断开输出保护功率电路，停止对电池充电，保障电池的安全。
12.根据权利要求9所述的输出控制电路，可以为外部系统提供输出控制接口，外部系统可以通过输出控制接口控制输出保护功率电路的通断，进而可以控制是否对电池充电。
13.权利要求1所述的电池充电系统采用高效率、轻质量的VICOR-DCM电源模块，将无人直升机母线恒压源变换为恒压限流源为电池进行充电，在保证安全性的同时，又极大的降低了充电系统的重量。
14.权利要求1所述的系统，为了确保机上充电的安全性，采用了三级充电保护，第一级为充电使能电路，第二级为输出控制电路，第三级为硬件电压保护电路，三级充电保护可以从概率上大大的降低电池过充的概率，保护电池的安全性。
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