DE202013000114U1 - Hybrid power supply - Google Patents
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Abstract
Hybride Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugsteuerung eines UAVs aus dem Antriebsakku (oder einem Generator) und einem separaten Energiespeicher versorgt wird, der durch den Flugakku (oder Generator) automatisch geladen wird.Hybrid power supply, characterized in that the flight control of a UAVs from the drive battery (or a generator) and a separate energy storage is supplied, which is automatically charged by the Flugakku (or generator).
Description
Im Bereich der UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) oder der RC-Modellflugzeuge werden immer häufiger umweltschonende und leise Elektroantriebe eingesetzt. Die Elektromotoren werden aus leistungsfähigen Akkus gespeist (i. d. R. auf Lithium basierend, z. B. Lithium Polymer „LiPo” oder Lithium Eisen Phosphat „LiFePO4”). Um die nötige Leistung zu erzeugen und die Ströme im vertretbaren Rahmen zu halten, werden hohe Spannungen eingesetzt (im Bereich von ca. 14 Volt bis zu 60 Volt).In the field of UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) or RC model aircraft, more and more environmentally friendly and quiet electric drives are used. The electric motors are powered by powerful batteries (usually based on lithium, eg lithium polymer "LiPo" or lithium iron phosphate "LiFePO4"). In order to produce the necessary power and keep the currents within reasonable limits, high voltages are used (in the range of about 14 volts up to 60 volts).
Für die Steuerung dieser Flugobjekte werden Komponenten aus dem RC-Modellbau verwendet (Stellmotoren = Servos, Empfänger, Autopiloten), die mit einer niedrigen Spannung arbeiten (im Bereich von 6 Volt bis zu 8,4 Volt). Für die Versorgung der Flugsteuerung werden daher in der Regel eigene Akkus verwendet. Dies treibt das Gewicht nach oben und bedeutet einen zusätzlichen Aufwand beim Laden der Akkus. Um auf zusätzliche Akkus für die Steuerung zu verzichten, werden aktuell sogenannte BEC-Systeme eingesetzt. BEC steht für „Battery Elimination Circuit”. Ein BEC ist ein linearer oder getakteter Spannungsregler, der aus der hohen Flugakkuspannung eine geringere Spannung für die Empfangsanlage bzw. Flugsteuerung generiert.For the control of these flying objects components from the RC model building are used (servomotors = servos, receivers, autopilots), which work with a low voltage (in the range of 6 volts up to 8.4 volts). For the supply of the flight control therefore own batteries are usually used. This drives up the weight and means an extra effort when charging the batteries. In order to dispense with additional batteries for the control, so-called BEC systems are currently used. BEC stands for "Battery Elimination Circuit". A BEC is a linear or clocked voltage regulator that generates a lower voltage for the receiving system or flight control from the high flight battery voltage.
Dabei entstehen signifikante Nachteile:
- 1. Bei Ausfall des Flugakkus (z. B. durch Zellenbruch oder Tiefentladung) ist das Flugobjekt nicht mehr steuerbar, weil das BEC-System keine Energie mehr liefert.
- 2. Ein BEC-System kann nur einen geringen maximalen Strom zur Verfügung stellen. Bei einem Linear-BEC wird die Differenz von Ein- zu Ausgangsspannung in Wärme umgewandelt. Da die Wärmeenergie direkt proportional zum Strom ist, ist der entnehmbare Strom sehr klein (bis max. 3 A).
- 3. Bei einem getakteten BEC entsteht weniger Verlustwärme und das BEC kann mehr Strom liefern. Allerdings ist auch hier der Strom begrenzt und der Wirkungsgrad hängt stark von der entnommenen Leistung ab.
- 4. Die Rudermaschinen in einem Flugobjekt haben einen sehr großen Strombereich. Der mittlere Strom liegt (je nach Modell) z. B. bei nur 4 Ampère. Der Spitzenstrom im Anlaufmoment der Servomotoren liegt in dem Beispiel aber durchaus bei bis zu 30 oder 40 Ampère. Man müsste einen getakteten Regler (BEC) also für hohe Ströme auslegen (30 A–40 A). Beim mittleren Strom von 4 A ist der Wirkungsgrad eines solchen Wandlers aber sehr schlecht. Abgesehen davon wird ein 40 A BEC recht groß und vor allen Dingen teuer.
- 1. If the flight battery fails (eg due to cell breakage or deep discharge), the flying object can no longer be controlled because the BEC system no longer supplies any energy.
- 2. A BEC system can only provide a small maximum current. In a linear BEC, the difference between input and output voltage is converted into heat. Since the heat energy is directly proportional to the current, the removable current is very small (up to a maximum of 3 A).
- 3. With a cycled BEC there is less heat loss and the BEC can deliver more power. However, even here the power is limited and the efficiency depends strongly on the power taken.
- 4. The rudders in a flying object have a very large power range. The average current is (depending on the model) z. B. at only 4 amps. The peak current in the starting torque of the servomotors is in the example but certainly up to 30 or 40 amps. One would have to design a clocked controller (BEC) for high currents (30 A-40 A). At the average current of 4 A, the efficiency of such a converter is very bad. Apart from that, a 40 A BEC will be quite big and, above all, expensive.
ProblemlösungTroubleshooting
Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Flugsteuerung neben dem eigentlichen Antrieb aus dem Flugakku gespeist werden kann (also aus einer hohen Spannung). Trotzdem bleibt die Steuerung bei Ausfall des Flugakkus voll erhalten. Dafür wird ein getakteter DC/DC-Wandler mit verhältnismäßig kleiner Leistung eingesetzt. Dem Wandler ist ein Ladegerät nachgeschaltet, welches einen kleinen hochstromfähigen (z. B. 2-zelligen) LithiumPolymer-Akku lädt. Die Flugsteuerung wird aus diesem Akku versorgt, der durch das vom Flugakku über den DC/DC-Wandler gespeiste Ladegerät ständig nachgeladen wird.With the invention it is achieved that the flight control in addition to the actual drive from the Flugakku can be fed (ie from a high voltage). Nevertheless, the control is fully maintained in the event of failure of the flight battery. For this purpose, a clocked DC / DC converter with relatively low power is used. The converter is followed by a charger, which charges a small high-current capable (eg 2-cell) lithium polymer battery. The flight control is powered by this battery, which is constantly recharged by the charger powered by the flight battery via the DC / DC converter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Skizze 1 erläutert:An embodiment of the invention will be explained with reference to the drawing 1:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Hybride Stromversorgung – Skizze 1
- 1a
- Flugakku oder Generator (z. B. RAM Air Turbine)
- 1b
- Isolierender DC/DC-Wandler
- 1c
- Ausgangsspannung Wandler
- 1d
- LiPo-Ladegerät
- 1e
- Energiespeicher (LiPo-Akku)
- 1f
- Equalizer für Zellen-Balancing
- 1g
- Überwachungselektronik und Anzeige
- 1h
- Flugsteuerung
- 1a
- Flight battery or generator (eg RAM Air Turbine)
- 1b
- Insulating DC / DC converter
- 1c
- Output voltage converter
- 1d
- LiPo charger
- 1e
- Energy storage (LiPo battery)
- 1f
- Equalizer for cell balancing
- 1g
- Monitoring electronics and display
- 1h
- flight control
Aus einer primären Spannungsquelle (Flugakku bzw. Generator (
Erreichte VorteileAchieved benefits
Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Flugsteuerung komplett aus dem Flugakku gespeist werden kann (also aus einer hohen Spannung). Das Gewicht des Gesamtsystems ist sehr gering. Bei Ausfall des Flugakkus kann das Flugobjekt sicher landen, da es während dieser Zeit aus dem Energiespeicher versorgt wird.With the invention it is achieved that the flight control can be completely fed from the flight battery (ie from a high voltage). The weight of the overall system is very low. In case of failure of the flight battery, the flying object can land safely because it is supplied during this time from the energy storage.
Sehr hohe Stromspitzen der Servomotoren werden durch den Energiespeicher ebenfalls ohne Probleme abgedeckt. Ferner sind der Wirkungsgrad und damit die Effektivität des Systems sehr hoch, da der DC/DC-Wandler im optimalen Bereich arbeiten kann.
- 1. Bei Ausfall des Flugakkus (oder eines Generators) bleibt das Flugobjekt voll steuerbar – und zwar so lange, bis der Energiespeicher leer ist.
- 2. Durch den niederohmigen Energiespeicher können sehr hohe Impulsströme abgegeben werden.
- 3. Dadurch, dass der DC/DC-Wandler nur den Grundstrom und nicht die Stromspitzen liefern muss, ist das System klein und leicht und hat einen sehr hohen Wirkungsgrad, da der Wandler immer mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeitet.
- 4. Dadurch, dass der DC/DC-Wandler isoliert ist, können auch Doppelstromversorgungen eingesetzt werden, da die beiden Energiesysteme keine elektrische Verbindung zueinander haben. Durch die Parallelschaltung mehrerer Systeme sind alle zu speisenden Anwendungen elektrisch isoliert.
- 5. Durch die integrierte Ladeschaltung mit Equalizer wird der Energiespeicher optimal überwacht, geschont und ist damit wartungsfrei.
- 6. Durch die Auslegung der Elektronik wird sichergestellt, dass der das Gesamtsystem im inaktiven Zustand (also ohne angeschlossenen Flugakku oder Generator) keinen Strom verbraucht und sich der Energiespeicher daher nicht schleichend entlädt.
- 7. Durch die Auslegung der Elektronik wird weiterhin sichergestellt, dass die Einzelzellen des Energiespeichers nicht zu 100% bis an die maximale Ladeschlussspannung geladen werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Energiespeichers drastisch gesteigert, da der DOD-Wert (Depth Of Discharge) des Akkus sehr niedrig ist.
- 8. Durch die Auslegung der Elektronik kann der Anwender per Knopfdruck jederzeit den Ladezustand des Energiespeichers ablesen.
- 1. In case of failure of the flight battery (or a generator), the flying object remains fully controllable - and that until the energy storage is empty.
- 2. Due to the low-impedance energy storage very high pulse currents can be delivered.
- 3. The fact that the DC / DC converter only has to supply the base current and not the current peaks, the system is small and light and has a very high efficiency, since the converter always works with an optimal efficiency.
- 4. The fact that the DC / DC converter is isolated, double power supplies can be used, since the two energy systems have no electrical connection to each other. By connecting several systems in parallel, all applications to be fed are electrically isolated.
- 5. Thanks to the integrated charging circuit with equalizer, the energy storage device is optimally monitored, protected and thus maintenance-free.
- 6. The design of the electronics ensures that the entire system in the inactive state (ie without connected flight battery or generator) consumes no electricity and the energy storage therefore does not creep slowly.
- 7. The design of the electronics also ensures that the individual cells of the energy storage are not charged to 100% up to the maximum charge end voltage. This drastically increases the life of the energy storage device, as the DOD (Depth Of Discharge) of the battery is very low.
- 8. By designing the electronics, the user can read the charge status of the energy store at any time by pressing a button.
Claims (9)
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Country | Link |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN106628262A (en) * | 2015-05-17 | 2017-05-10 | 邓鑫 | Multi-mode driven carrying system applicable to space flight |
CN108702008A (en) * | 2017-05-10 | 2018-10-23 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | Charge control method, system and the unmanned vehicle of unmanned vehicle |
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2013
- 2013-01-05 DE DE202013000114U patent/DE202013000114U1/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20130425 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R153 | Extension of term of protection rescinded | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned | ||
R153 | Extension of term of protection rescinded |