CN207200362U - 电池冗余电路及无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池冗余电路及无人飞行器，该电路包括多个并联的供电支路和一电源输出端，每一所述供电支路包括：电池；控制子电路，所述控制子电路包括一场效应管、控制芯片，所述场效应管输入端和输出端分别连接所述电池输出端和所述电源输出端；所述控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；当压差由负压差变为正压差，且所述正压差大于第二阈值，则将所述控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。实现了供电的无缝切换，达到了电池冗余设计的效果。

Description

电池冗余电路及无人飞行器

技术领域

本实用新型涉及无人飞行器领域，特别是涉及一种电池冗余电路及无人飞行器。

背景技术

目前随着无人机在各个领域中的深入应用。人们对无人机的安全性提出了越来越高的要求。而能够为无人机提供稳定可靠的电源无疑是无人机安全最重要的保障。

因此，电池的冗余设计有时候成了一种必要的手段，电池冗余传统的方式是，将多个电池并联，通过隔离、控制电路实现供电。其中一个电池失效的情况下，其它电池能立即补充进来，进而保障无人机的飞行安全。其中冗余电路最简单的办法是在每一个电池输出端串接一个肖特基二极管。然而由于肖特基的压降较大，当负载电流过大时，二极管上的热损耗较大，需要使用很大封装的二极管而且能量转换效率较低。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种能量转换效率更高的电池冗余电路及无人飞行器。

一种电池冗余电路，所述电池冗余电路包括多个并联的供电支路和一电源输出端，每一所述供电支路包括：

电池；

控制子电路，所述控制子电路包括一场效应管、控制芯片，所述场效应管输入端和输出端分别连接所述电池输出端和所述电源输出端；所述控制芯片用于持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；当压差由负压差变为正压差，且所述正压差大于第二阈值，则将所述控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。

在其中一个实施例中，所述场效应管内包括体二极管，所述体二极管正极连接场效应管的源极，所述体二极管负极连接场效应管的漏极。

在其中一个实施例中，所述控制子电路还包括：

控制芯片，包括控制引脚、检测引脚，所述控制引脚连接场效应管控制端，所述检测引脚一端连接电池输出端，另一端连接电源输出端，用于根据本供电支路电池输出端和电源输出端的压差控制场效应管的通断。

在其中一个实施例中，所述场效应管输出端通过串联的第一电阻和第二滤波电容接地，所述控制芯片的芯片供电引脚连接第一电阻和第二滤波电容之间。

在其中一个实施例中，所述控制芯片为硬件控制芯片。

在其中一个实施例中，每一所述供电支路电池输出端通过第一滤波电容接地。

在其中一个实施例中，所述场效应管输出端通过第三滤波电容接地。

在其中一个实施例中，每一所述供电支路电池输出端连接所述场效应管的体二极管的正极，电源输出端与场效应管的体二极管的负极相连。

在其中一个实施例中，所述电池输出端连接第一二极管的负极，所述第一二极管的正极接地。

一种无人飞行器，包括主机系统和如上述任一所述所述的电池冗余电路，所述电池冗余电路的所述电源输出端与所述主机系统连接。

上述电池冗余电路及无人飞行器中，电池冗余电路包括多个并联的供电支路和一电源输出端，每一供电支路都包括：电池和控制子电路，其中控制子电路包括一场效应管、控制芯片，场效应管输入端和输出端分别连接电池输出端和电源输出端；控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电。由于这个关断时间很短，为nS级，对电池的瞬间冲击伤害可以忽略。当压差由负压差变为正压差，且正压差大于第二阈值，则将控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。当电池输出端向电源输出端导通时无延时，确保了电源切换的安全。本实用新型的技术方案实现了供电的无缝切换，达到了电池冗余设计的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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它实施例的附图。

图1为一实施例中电池冗余电路的电路图；

图2为另一实施例中电池冗余电路的电路图；

图3为再一实施例中电池冗余电路的电路图；

图4为一实施例中无人飞行器的示意图；

图5为一实施例中无人飞行器电池供电的控制方法的流程图；

图6为另一实施例中无人飞行器电池供电的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为一实施例中电池冗余电路的电路图，该电池冗余电路包括2个并联的供电支路和一电源输出端，每一供电支路包括：电池和控制子电路。该控制子电路包括场效应管和控制芯片，该场效应管输入端连接电池输出端，场效应管输出端连接电源输出端；控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；当压差由负压差变为正压差，且正压差大于第二阈值，则将控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。

具体的，以其中一个供电支路为例，该供电支路包括：电池BAT1和控制子电路。该控制子电路包括一场效应管Q1和控制芯片，该场效应管Q1源极连接电池BAT1输出端，场效应管Q1漏极连接电源输出端VOUT。

控制芯片持续检测本供电支路电池BAT1输出端和电源输出端VOUT的压差。当压差为负压差，即其它供电支路电池电压高于本供电支路的电池BAT1电压，会产生流向电池BAT1的电流，当该负压差大于第一阈值，则控制子电路断开本供电支路的场效应管Q1，以使其它供电支路不对本供电支路的电池BAT1充电；由于这个关断时间很短，为nS级，对电池BAT1的瞬间冲击伤害可以忽略。当压差由负压差变为正压差，即其它供电支路电池电压低于本供电支路的电池BAT1电压，会产生从电池BAT1流到电源输出端的电流。当该正压差大于第二阈值，则控制子电路将场效应管Q1导通，以使本供电支路的电池BAT1与电源输出端VOUT导通。而后电流会经过场效应管Q1流到电源输出端VOUT。实现了供电的无缝切换，同时避免了二极管的压降，达到了电池冗余设计的效果。其中第一阈值和/或第二阈值可以为25mv、50mv等。

进一步地，场效应管Q1内包括体二极管，该体二极管正极连接场效应管Q1的源极，体二极管负极连接场效应管Q1的漏极。当该供电支路的控制芯片检测到的压差为负压差，断开本供电支路的场效应管Q1后，系统电源由其它供电支路的高电压的电池供电，在此期间如果由于故障或某种原因突然导致其它供电支路的电池不能输出时。本供电支路的电池BAT1的电压会经由场效应管Q1内的体二极管输出到电源输出端VOUT，同时控制子电路检测到一个正压差，并且达到一定阈值之后控制子电路打开场效应管Q1。使电池BAT1输出的电流会经过场效应管Q1流到电源输出端VOUT。由于场效应管Q1内体二极管的存在，保证了电源的无缝切换。而且持续供电后，支路采用场效应管替代肖特基二极管，可以大幅减小封装的体积，减少发热损耗等。由于架构简洁，利于多电池供电冗余系统的构建，可大幅减少开发周期，降低设计、生产成本等。

控制芯片U1包括控制引脚和检测引脚，控制引脚连接场效应管Q1控制端，检测引脚一端连接电池输出端，另一端连接电源输出端，用于根据本供电支路电池BATI输出端和电源输出端VOUT的压差控制场效应管的通断。

在一个实施例中，场效应管输出端通过串联的第一电阻和第二滤波电容接地，所述控制芯片的供电引脚连接第一电阻和第二滤波电容之间。

在一个实施例中，控制芯片为硬件控制芯片。由于采用了纯硬件控制芯片，所以控制的反应时间可以做的很短，如500nS以内。保证了使用不同电压的电池同时供电的安全。该硬件控制芯片是指不需要写程序，不需修改内部设置参数。是相对需要写程序的软件芯片而说的。硬件控制芯片可以采用LTC4353芯片等。由于场效应管的体二极管的存在，保证了电源的无缝切换，同时由于使用的是硬件控制芯片，避免了由程序跑飞等问题带来的干扰。

在一个实施例中，每一所述供电支路电池输出端通过第一滤波电容接地。

在一个实施例中，场效应管输出端通过第三滤波电容接地。其中第三滤波电容的容值尽量的大，可以保证电池切换的时候电压的稳定。

在一个实施例中，供电支路电池输出端连接场效应管的体二极管的正极，电源输出端与场效应管的体二极管的负极相连。

具体的，如图1所示，其中电路包括两个供电支路，两个供电支路分别包括电池BAT1、电池BAT2，其中一个供电支路的电池BAT1通过第一控制子电路连接电源输出端VOUT。电池BAT1输出端通过并联的第一二极管D1和第一电容C1接地，电池BAT1输出端还分别连接场效应管Q1的输入端和控制芯片U1的输入引脚IN脚，场效应管Q1的输出端通过第三电容C3接地，场效应管Q1的输出端还通过并联的第一电阻R1和第二电容C2接地，场效应管Q1的输出端还连接电源输出端VOUT，控制芯片U1的控制引脚GATE脚连接场效应管Q1的控制端，控制芯片U1的输出引脚OUT脚连接场效应管Q1的输出端，控制芯片U1的供电引脚VDD脚连接第一电阻R1和第二电容C2之间。电源输出端VOUT连接后面的主机系统。电池BAT2连接的第二控制子电路具有与第一控制子电路类似的电路。另一个供电支路与本供电支路的电路相似。其中第一二极管D1可以是瞬态抑制(TVS，Transient Voltage Suppressor)二极管。

本实施例中的电池BAT1、BAT2是供电电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6是滤波电容，二极管D1、D2是瞬态抑制二极管用以吸收电池波动的尖峰电压，电阻R1、R2分别为控制芯片U1、U2供电。其中电容C3、C6的容值尽量的大，例如100uf，可以保证电池切换的时候电压的稳定。

当电池BAT1、BAT2分别接入二个供电支路时，二个供电支路的场效应管Q1、Q2是导通的，如果电池BAT1电压比电池BAT2电压高，电流会由电池BAT1流到电池BAT2。控制芯片U2的检测引脚OUT脚和检测引脚IN脚之间检测到一个负压差，并到达一定阈值即大于第一阈值之后控制芯片U2拉低控制引脚GATE脚的驱动电压，进而断开场效应管Q2，使电池BAT2的电压不能经电源输出端VOUT输出到主机系统，由于这个关断时间很短，为nS级，对电池的瞬间冲击伤害可以忽略。此时，只有高电压的电池BAT1供电，在此期间如果由于故障或某种原因突然导致电池BAT1不能输出时，电池BAT2的电压会经由场效应管Q2的体二极管流到电源输出端VOUT输出给主机系统，同时控制芯片U2的检测引脚OUT脚和检测引脚IN脚之间检测到一个正压差，并且达到一定阈值即大于第二阈值之后控制芯片U2拉高控制引脚GATE脚的驱动电压，进而打开场效应管Q2。而后电流会经过场效应管Q2流到主机系统。如上面所讲，控制芯片U1会立刻关掉场效应管Q1进而阻断电流流入BAT1。整个电路实现了供电的无缝切换，达到了电池冗余设计的效果。同样的道理，如果电池BAT2电压比电池BAT1电压高也是一样的效果。如果电池BAT1和电池BAT2的电压接近时，电池BAT1和电池BAT2可以同时供电，电池供电电流的大小根据负载的大小和电池压差的大小自动调整。其中一个电池故障或某种原因突然不能输出时，根据上面的原理可以立刻实现无缝切换供电。

图2为另一实施例中电池冗余电路的电路图，本实施例与上述实施例的主要区别在于，该电池冗余电路中的部分元件可以省略，可以省略的部分元件具体包括上述实施例中的滤波电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，二极管D1、D2，电阻R1、R2中的部分或全部。

图3为再一实施例中电池冗余电路的电路图，本实施例与上述实施例的主要区别在于，该电池冗余电路包括三个并联的供电支路。可以实现三个电池的无缝切换供电，达到了电池冗余设计的效果。本实施例为三个电池的冗余设计，同样的道理，该电池冗余电路可以扩展到多个供电支路的应用中。

在一个实施例中，其中一个或多个供电支路可以是电池输出端直接连接电源输出端。为了防止电流倒流，可以在电池输出端和电源输出端之间设置一个防倒流的电路或元件，如二极管、可控开关等。

图4为一实施例中无人飞行器的示意图，该无人飞行器100包括主机系统和上述实施方式中任一所述的电池冗余电路，电池冗余电路的电源输出端与主机系统连接。该无人飞行器100包括至少两个电池200。无人飞行器还可以包括壳体，电池冗余电路设置在壳体内，壳体内还设有与电池冗余电路连接的电机、与电机连接的旋转机翼或螺旋桨。

图5为一实施例中无人飞行器电池供电的控制方法的流程图，其中该无人飞行器包括主机系统和电池冗余电路，电池冗余电路通过电源输出端给主机系统供电，电池冗余电路包括多个并联的供电支路，供电支路均与电源输出端连接，每一供电支路包括一控制子电路，每一控制子电路包括一场效应管，控制芯片；该控制方法包括步骤S110-S130。其中：

S110：当电池插入供电支路时，将该供电支路的场效应管导通，将该供电支路的电池输出端与电源输出端导通。

S120：控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；当压差由负压差变为正压差，且正压差大于第二阈值，则将所述控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。

本实施例的控制方法可以用上述任一实施方式的电池冗余电路实现。控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差。当压差为负压差，即其它供电支路电池电压高于本供电支路的电池电压，会产生逆向流入电池的电流，当该负压差大于第一阈值，则控制芯片断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；由于这个关断时间很短，为nS级，对电池的瞬间冲击伤害可以忽略。断开该控制子电路的场效应管可以避免高电压电池对低电压电池充电。避免了高电压和低电压电池的压差过大，造成充电的电流很大，进而导致电池过流保护，最终影响对主机系统的供电。当压差由负压差变为正压差，即其它供电支路电池电压低于本供电支路的电池电压，会经由场效应管的体二极管产生从电池流出到电源端的电流。当该正压差大于第二阈值，则控制子电路将场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。而后电流会经过场效应管流到电源输出端。实现了供电的无缝切换，达到了电池冗余设计的效果。其中第一阈值和/或第二阈值可以为25mv、50mv等。

图6为另一实施例中无人飞行器电池供电的控制方法的流程图，其中该无人飞行器包括主机系统和电池冗余电路，电池冗余电路通过电源输出端给主机系统供电，电池冗余电路包括多个并联的供电支路，供电支路均与电源输出端连接，每一供电支路包括一控制子电路，每一控制子电路包括一场效应管和一控制芯片；该控制方法包括步骤S210-S230。其中：

S210：当电池接入供电支路时，将该供电支路的场效应管导通，将该供电支路的电池输出端与电源输出端导通。

S220：控制芯片持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，如果压差为负压差且大于第一阈值，则断开控制子电路的场效应管，以使其它电池不对所述控制子电路对应的电池充电。

S230：当有与电源输出端导通的供电支路的电池不输出时，其它电池输出端的电压经场效应管内的体二极管输出至电源输出端；如果控制子电路对应的压差由负压差变为正压差，且正压差大于第二阈值，则将控制子电路的场效应管导通，以使控制子电路对应的电池与电源输出端端导通。

本实施例的控制方法可以用上述任一实施方式的电池冗余电路实现。第一时间段即初始阶段，其中一个供电支路的控制子电路的场效应管导通，使对应的电池与电源输出端导通，同时还有其它供电支路的电池与电源输出端导通。第二时间段，当该场效应管对应的电池与其它电池的电压不相等时，如果该场效应管对应的电池的电压大于其它电池的电压时，该电池供电；如果该场效应管对应的电池的电压小于其它电池的电压时，该控制子电路的控制芯片的两个检测引脚检测到一个负压差，该负压差大于第一阈值之后控制芯片拉低场效应管控制端的驱动电压，进而断开该场效应管，使该电池的电压不能经电源输出端输出到主机系统，由于这个关断时间很短，为nS级，对电池的瞬间冲击伤害可以忽略。断开该子电路的场效应管可以避免高电压电池对低电压电池充电。避免了高电压和低电压电池的压差过大，造成充电的电流很大，进而导致电池过流保护，最终影响对主机系统的供电。多个电池电压差不多时，同时经电源输出端给主机系统供电。第三时间段，当其它电池由于故障或某种原因突然导致不能输出时，该控制子电路的场效应管的体二极管将对应的电池电压输出给主机系统，同时控制芯片的两个检测引脚之间检测到一个正压差，该正压差达到第二阈值之后控制芯片拉高场效应管控制端的驱动电压，进而打开该场效应管。而后电流会经过场效应管流到主机系统。实现了供电的无缝切换，达到了电池冗余设计的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电池冗余电路，所述电池冗余电路包括多个并联的供电支路和一电源输出端，其特征在于:每一所述供电支路包括：

电池；

控制子电路，所述控制子电路包括一场效应管、控制芯片，所述场效应管输入端和输出端分别连接所述电池输出端和所述电源输出端；所述控制芯片用于持续检测本供电支路电池输出端和电源输出端的压差，当压差为负压差且大于第一阈值，则断开本供电支路的场效应管，以使其它供电支路不对本供电支路的电池充电；当压差由负压差变为正压差，且所述正压差大于第二阈值，则将所述控制子电路的场效应管导通，以使本供电支路的电池与电源输出端导通。

2.根据权利要求1所述的电池冗余电路，其特征在于，所述场效应管内包括体二极管，所述体二极管正极连接场效应管的源极，所述体二极管负极连接场效应管的漏极。

3.根据权利要求1或2所述的电池冗余电路，其特征在于，所述控制子电路还包括：

控制芯片，包括控制引脚、检测引脚，所述控制引脚连接场效应管控制端，所述检测引脚一端连接电池输出端，另一端连接电源输出端，用于根据本供电支路电池输出端和电源输出端的压差控制场效应管的通断。

4.根据权利要求3所述的电池冗余电路，其特征在于，所述场效应管输出端通过串联的第一电阻和第二滤波电容接地，所述控制芯片的芯片供电引脚连接第一电阻和第二滤波电容之间。

5.根据权利要求3所述的电池冗余电路，其特征在于，所述控制芯片为硬件控制芯片。

6.根据权利要求1所述的电池冗余电路，其特征在于，每一所述供电支路电池输出端通过第一滤波电容接地。

7.根据权利要求1所述的电池冗余电路，其特征在于，所述场效应管输出端通过第三滤波电容接地。

8.根据权利要求1所述的电池冗余电路，其特征在于，每一所述供电支路电池输出端连接所述场效应管的体二极管的正极，电源输出端与场效应管的体二极管的负极相连。

9.根据权利要求1所述的电池冗余电路，其特征在于，所述电池输出端连接第一二极管的负极，所述第一二极管的正极接地。

10.一种无人飞行器，其特征在于，包括主机系统和如权利要求1-9任一所述的电池冗余电路，所述电池冗余电路的所述电源输出端与所述主机系统连接。