CN206313483U - 一种无人机锂电池组在线管理装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种无人机锂电池组在线管理装置,包括充电电路、放电电路和检测控制电路;所述充电电路在飞机主电源供电时接通电源母线为电池组充电;所述放电电路在飞机主电源不供电时控制电池组放电,为电源母线上的设备供电;检测控制电路用于检测电池组的放电电流和电池组的电压,并控制所述充电电路和放电电路;检测电池组的放电电流,当放电电流大于5A时,控制MOS管M1导通,电池组通过MOS管M1放电;当放电电流小于5A时,接通电源母线为电池组充电;检测电池组的电压,当电池组的电压达到阈值时,充电电路断开。该装置具有损耗小、安全性好、可靠性高等优点,可以有效地解决无人机机载锂电池组管理中的安全性和可靠性问题。

Description

一种无人机锂电池组在线管理装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种无人机锂电池组在线管理装置,属于电源管理领域。
背景技术
[0002] 锂电池具有单体工作电压高、比能量高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长等 优点。目前,锂电池已成功应用于各类飞行器,无人驾驶飞机广泛使用锂电池作为机载主电 源和备用电源。但是,锂电池在充放电过程有严格的条件限制,过充、过放和过温都会影响 锂电池组的性能和寿命。
[0003] 无人机锂电池组为了得到高电压和大容量,需要将大量锂电池单体串并联起来。 锂电池组长期充放电过程中,单体电池的内阻、充电接受能力、自放电率和容量衰减速率存 在差异,容易造成电池组性能衰减加剧,严重时会威胁飞行安全。
[0004]部分无人机使用锂电池组作为备用电源,直接与主电源并联使用。电池组充放电 电路一般使用二极管、MOS管或继电器等元件将电池组与母线隔开,避免母线电压波动对电 池组造成不良影响。但由于二极管导通压降较大,电池组独立供电时的母线电压会降低;此 夕卜,二极管自身发热严重,造成电池组容量不必要的损失。使用MOS管或继电器虽会降低电 池组充放电电路的压降,但会使电池组接入飞机电源母线出现延时;控制失效时还会造成 机载设备失电,导致飞机坠毁。
[0005]部分无人机锂电池组通过专用管理装置与主电源并联使用。管理装置内部一般具 有充电均衡电路,用于实现各串联级的均衡充电。但该部分电路较为复杂,需要元器件、电 路具有良好的一致性,否则会引起电池组性能下降,甚至损坏。且无人机锂电池组在机上充 放电时间较短,是否需要在机上均衡充电值得商榷,均衡充电完全可以在地面维护阶段实 施。
[0006] 部分无人机锂电池组配备了非在线式电池组管理装置,电池组的充放和放电电路 往往不能同时接通,也容易因为电池组接入飞机电源母线出现延时,造成机载设备失电。 实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足,提出一种符合无人机机载锂电 池组应用特点的锂电池组在线管理装置,该装置具有损耗小、安全性好、可靠性高等优点, 可以有效地解决无人机机载锂电池组管理中的安全性和可靠性问题。
[0008] 本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
[0009] 提供一种无人机锂电池组在线管理装置,包括充电电路、放电电路和检测控制电 路;
[0010] 所述充电电路在飞机主电源供电时接通电源母线为电池组充电;
[0011] 所述放电电路在飞机主电源不供电时控制电池组放电,为电源母线上的设备供 电;所述放电电路包括二极管D1和M0S管Ml,M0S管Ml的漏极连接电池组的正极,M0S管Ml的 源极连接电源母线,M0S管Ml的栅极连接至检测控制电路;二极管D1的阳极连接M0S管Ml的 漏极,二极管D1的阴极连接MOS管Ml的源极;
[0012] 检测控制电路用于检测电池组的放电电流和电池组的电压,并控制所述充电电路 和放电电路;飞机开启后,电池组通过二极管D1放电;所述检测控制电路检测电池组的放电 电流,当放电电流大于5A时,所述检测控制电路控制M0S管Ml导通,电池组通过M0S管Ml放 电;当放电电流小于5A时,所述充电电路接通电源母线为电池组恒流充电;所述检测控制电 路检测电池组的电压,当电池组的电压达到阈值时,所述检测控制电路控制所述充电电路 为电池组恒压充电。
[0013] 优选的,所述充电电路包括M0S管M2、DC/DC模块、滤波模块和二极管D2; M0S管M2的 漏极连接电源母线,M0S管M2的源极连接DC/DC模块,栅极连接检测控制电路;DC/DC模块的 输出连接滤波模块,滤波模块连接二极管D2的阳极,二极管D2的阴极连接电池组的正极;当 放电电流小于5A时,检测控制电路控制M0S管M2导通,接通电源母线为电池组恒流充电,所 述检测控制电路检测电池组的电压,当电池组的电压达到阈值时,所述检测控制电路控制 充电电路为电池组恒压充电。
[0014] 优选的,检测控制电路包括电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路、加热控 制电路、MCU电路、通讯电路;
[0015] 所述电流检测电路用于检测电池组的放电电流并发送给MCU电路;
[0016] 所述电压检测电路用于检测电池组的电压并发送给MCU电路;
[0017] 所述温度检测电路用于检测电池组的温度并发送给MCU电路;
[0018] 所述加热控制电路在MCU电路的控制下控制电池组内加热电源的通断;
[0019] 所述通讯电路用于MCU电路与上位机的通讯;
[0020] MCU电路接收电流检测电路检测的电池组的放电电流,当放电电流大于5A时,所述 检测控制电路控制M0S管Ml导通,电池组通过M0S管Ml放电;当放电电流小于5A时,控制M0S 管M2导通,接通电源母线为电池组充电;M⑶电路接收所述电压检测电路检测的电池组的电 压,当电池组的电压达到阈值时,控制充电电路为电池组恒压充电;接收所述温度检测电路 检测的电池组温度,当温度低于5°C时,开启加热控制电路;当电池组温度高于20°C时,关闭 加热控制电路;通过所述通讯电路将电池组的放电电流、电压、温度发送给上位机。
[0021] 优选的,检测控制电路还包括充电电流检测电路;当充电电流小于600mA时,MCU电 路控制M0S管M2断开。
[0022] 优选的,所述通讯电路包括RS-422通讯电路和CAN通讯电路,二者互相备份。
[0023] 优选的,所述阈值为29.4V。
[0024] 本实用新型与现有技术相比的有益效果是:
[0025] (1)本实用新型与没有管理装置的无人机锂离子电池系统相比,该管理装置有效 地控制了电池组充电电压和电流,提高了电池组的安全性;管理装置对电池组放电电路的 管理降低了放电电路的功率损耗,同时提高了放电电路的可靠性。
[0026] (2)本实用新型与带均衡充电功能的无人机锂电池组管理装置相比,该管理装置 不使用均衡充电功能,避免了均衡电路差异造成的电池组性能下降,在实现电池组充电管 理的前提下,降低了电路的复杂程度,提高了装置的可靠性。
[0027] (3)本实用新型与非在线式无人机锂电池组管理装置相比,该管理装置采用在线 式管理模式,即在保证电池组放电电路不断路的前提下,实现电池组的充电管理,避免了飞 机电源母线瞬间断电的风险,提高了无人机系统的可靠性。
附图说明
[0028] 图1为本实用新型的原理示意图。
[0029] 图2为本实用新型的充电和放电电路原理示意图。
[0030] 图3为本实用新型的检测控制电路原理示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述:
[0032] 如图1所示,本实用新型所介绍的无人机锂电池组在线管理装置由充电和放电电 路、检测控制电路组成。充电电路从飞机电源母线获取电力,采用恒流-恒压模式为电池组 充电,充电电流由检测控制电路采集,充电电路的通断由检测控制电路控制;电池组输出通 过放电电路连接到飞机电源母线,放电电流由检测控制电路采集,放电电路的选择由检测 控制电路控制;检测控制电路从飞机电源母线获取电力,能够采集电池组充电电流、放电电 流和温度,fe制充电电路通断,选择放电电路,控制电池组加热电路通断,还能够通过CAN接 口和RS-422接口与上位机通讯。
[0033](—)充电和放电电路 [0034] 1充电电路
[0035]充电电路采用传统的恒流-恒压充电模式。当充电开关接通时,充电电路对电池组 进行恒流充电,最大充电电流为10A。当电池组电压达到29.4V时,转为恒压充电,充电电流 逐渐减小,电池组的电压将被稳定在29.4V。
[0036]如图2所示。二极管D2可防止电池组能量倒灌回管理装置。M2为充电开关MOS管,当 检测到充电电流过大或电池组温度异常时,可关闭M2,使管理装置的充电电路与母线断开。 当系统检测到电池组放电电流小于5A时,将接通MOS管M2,系统开始对电池组进行充电,当 电池组电压达到29.4V时,开始转为恒压充电,充电电流慢慢减小,电压稳定在29.4V。当充 电电流减小至600mA,系统关闭MOS管M2,充电电路与母线断开,电池组停止充电。
[0037] 2放电电路
[0038] 如图2所示。Ml为放电M0S管,D1为放电二极管。放电电路的接通和关断只取决于母 线电压Vbus和电池组电压Vbat,当Vbus+Vdi<Vbat,二极管D1正向导通,放电电路接通,Vdi为二极 管D1两端的电压;当Vbus+Vd1>VBat,二极管D1反向截止,放电电路关断。正常情况下,电池组最 高电压为29.4V,母线电压为28.5V,二极管的导通压降为IV,满足Vbus+Vd1>Vbat,所以二极管 方向截止,放电电路关断。由于放电电流较大,二极管D1的导通压降为IV,电流流过二极管 D1会产生很大的损耗。所以,当系统检测到放电电流大于5A时,系统会接通放电M0S管Ml。放 电M0S管Ml的导通电阻为毫欧级,这样可以大大降低放电电路的损耗,提高系统效率。
[0039] (二)检测控制电路
[0040] 检测控制电路主要检测电池组电压、充电电流、放电电流、温度等参数,并通过根 据检测数据控制充电、放电和加热;检测控制电路通过通讯接口将电池组电压、充电电流、 放电电流、温度等信息发送至上位机。
[0041] 如图3所示,检测控制电路主要包含MCU电路、电压检测电路、电流检测电路、电池 温度检测电路、电池加热控制电路、CAN和RS-422通讯电路。
[0042] 1 MCU 电路
[0043] M⑶电路采用飞思卡尔MCU芯片作为CPU,MCU电路是管理装置的中央枢纽,实现整 个管理装置的中央控制功能。
[0044] 2电流检测电路
[0045]电流检测电路由信号调理电路、保护电路和AD采样电路组成,信号调理电路采用 高精度运算放大器搭建,将输入的电流模拟信号调整到合理范围后,输入到M⑶内部AD模 块,进行电流信号模拟量采集。在信号调理电路和M⑶内部AD之间加入采样保护电路,通过 一个限流电阻和两个限压二极管将信号调整电路的输出,模拟电流信号限制在(0-+5V) / (2.9mA)以内,有效的保护了由于采样电路故障导致的MCU损坏。信号进入到MCU内部的AD采 样电路,MCU经过计算得出充电与放电电流的大小。
[0046] 3电压检测电路
[0047]电压检测电路采用差分放大的方式,主要包括电阻分压电路、信号放大电路和保 护电路。电阻分压电路将输入的电压分压输入到信号放大电路;信号放大电路采用高精度 的运算放大器,将输入的电压模拟信号差分放大后得到电压的模拟值,输入到MCU内部AD模 块,进行电压信号模拟量采集。在信号放大电路和M⑶内部AD之间加入采样保护电路,通过 一个限流电阻和两个限压二极管将信号调整电路的输出模拟电压信号限制在(0-+5V) / (2.9mA)以内,有效的保护了由于采样电路故障导致的MCU损坏。
[0048] 4温度检测和加热控制电路
[0049]温度检测和加热控制电路在低温时对电池组进行加热,来保障电池组的正常工 作。在电池组温度低于5 °C时,MCU模块输出控制信号开启加热控制电路,并通过温度检测电 路实时对加热状态进行检测,确保加热过程的安全。加热启动后,当电池组温度高于20°C 时,M⑶模块输出控制信号停止加热。加热控制电路采用M0S开关管实现,M⑶模块连接肥5开 关管的栅极控制端,控制其通断。
[0050] 5通讯电路
[0051]管理装置具有两路通讯接口,一路为主CAN通讯接口,另一路为备用RS-422通讯接 口。CAN接口和接收RS-422接口将电池组电压、充电电流、放电电流、温度等信息发送至上位 机。
[0052]本实用新型实现了无人机锂电池组在线充放电管理和状态检测功能。在实际应用 中,无人机锂电池组在线管理装置的功能与性能均符合设计要求,与无人机电源系统匹配 良好。
[0053]以上所述,仅为实用新型最佳的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局 限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的 变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
[0054]本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1. 一种无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,包括充电电路、放电电路和检测控 制电路; 所述充电电路在飞机主电源供电时接通电源母线为电池组充电; 所述放电电路在飞机主电源不供电时控制电池组放电,为电源母线上的设备供电;所 述放电电路包括二极管D1和MOS管M1,MOS管Ml的漏极连接电池组的正极,MOS管Ml的源极连 接电源母线,MOS管Ml的栅极连接至检测控制电路;二极管D1的阳极连接MOS管Ml的漏极,二 极管D1的阴极连接MOS管Ml的源极; 检测控制电路用于检测电池组的放电电流和电池组的电压,并控制所述充电电路和放 电电路;飞机开启后,电池组通过二极管D1放电;所述检测控制电路检测电池组的放电电 流,当放电电流大于5A时,所述检测控制电路控制MOS管Ml导通,电池组通过MOS管Ml放电; 当放电电流小于5A时,所述充电电路接通电源母线为电池组恒流充电;所述检测控制电路 检测电池组的电压,当电池组的电压达到阈值时,所述检测控制电路控制所述充电电路为 电池组恒压充电。
2.如权利要求1所述的无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,所述充电电路包括 MOS管MLDC/DC模块、滤波模块和二极管D2;M0S管M2的漏极连接电源母线,MOS管M2的源极 连接DC/DC模块,栅极连接检测控制电路;DC/DC模块的输出连接滤波模块,滤波模块连接二 极管D2的阳极,二极管D2的阴极连接电池组的正极;当放电电流小于5A时,检测控制电路控 制MOS管M2导通,接通电源母线为电池组恒流充电,所述检测控制电路检测电池组的电压, 当电池组的电压达到阈值时,所述检测控制电路控制充电电路为电池组恒压充电。
3.如权利要求2所述的无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,检测控制电路包括 电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路、加热控制电路、MCU电路、通讯电路; 所述电流检测电路用于检测电池组的放电电流并发送给MCU电路; 所述电压检测电路用于检测电池组的电压并发送给MCU电路; 所述温度检测电路用于检测电池组的温度并发送给MCU电路; 所述加热控制电路在MCU电路的控制下控制电池组内加热电源的通断; 所述通讯电路用于MCU电路与上位机的通讯; MCU电路接收电流检测电路检测的电池组的放电电流,当放电电流大于5A时,所述检测 控制电路控制MOS管Ml导通,电池组通过MOS管Ml放电;当放电电流小于5A时,控制MOS管M2 导通,接通电源母线为电池组充电;MCU电路接收所述电压检测电路检测的电池组的电压, 当电池组的电压达到阈值时,控制充电电路为电池组恒压充电;接收所述温度检测电路检 测的电池组温度,当温度低于5°C时,开启加热控制电路;当电池组温度高于20°C时,关闭加 热控制电路;通过所述通讯电路将电池组的放电电流、电压、温度发送给上位机。
4.如权利要求3所述的无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,检测控制电路还包 括充电电流检测电路;当充电电流小于600raA时,MCU电路控制MOS管M2断开。
5.如权利要求3所述的无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,所述通讯电路包括 RS-422通讯电路和CAN通讯电路,二者互相备份。
6.如权利要求1或2所述的无人机锂电池组在线管理装置,其特征在于,所述阈值为 29.4V。
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CN108011141A (zh) * 2017-12-15 2018-05-08 四川长虹电源有限责任公司 航空用蓄电池系统
WO2021114380A1 (zh) * 2019-12-10 2021-06-17 惠州Tcl移动通信有限公司 电池的充电方法、存储介质和终端

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