CN106160117B - 一种用于直升机的动力电源***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电源***，其公开了一种兼顾轻量化和大输出功率并满足直升机使用的动力电源***，其包括组合壳盖及设置于组合壳盖中的锂离子电池组、超级电容器组、监控模块、加热模块、断路器、接触器、第一隔离二极管、第二隔离二极管、输入继电器、输出继电器、霍尔传感器、信号连接器及输出连接器；锂离子电池组通过断路器连接监控模块的电源输入端，通过第一隔离二极管连接霍尔传感器；超级电容器组通过接触器连接第二隔离二极管，第二隔离二极管连接霍尔传感器；霍尔传感器的电流采样信号连接到监控模块，输出电流连接到输出连接器；监控模块通过输出继电器控制接触器；锂离子电池组通过输入继电器连接超级电容器组，监控模块控制输入继电器。
Description
技术领域
本发明涉及电源***，具体涉及一种用于直升机的动力电源***及其控制方法。
背景技术
直升飞机是一种可以垂直起降、悬停的旋转机翼飞行器，被大量使用于空中物质运输、勘探、救灾等的需要，成为应用最广泛的垂直起降和短距离滑跑起飞的飞行器，但是使用环境也较恶劣，如经常在野外恶劣条件下起飞等。
直升机用直流化学电源在使用过程中担负为关键设备应急供电和启动发动机的职能，是直升飞机安全飞行、野外正常使用的可靠保障。目前，机载直流化学电源标称电压通常为二十多伏，种类主要有：镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组、铅酸蓄电池组，其中锌银蓄电池组和铅酸蓄电池组的低温和可靠性较差，已逐渐被镉镍蓄电池组替代。虽然镉镍蓄电池组综合性能较好，但重量重、体积大，比能量较低。
随着直升机整机技术指标的进一步提高，发动机起动要求也不断提高，发动机起动瞬间的起动峰值电流接近1000A，随后起动电流不断降低，尤其是野外执行任务下的发动机起动时，由于没有其它的地面电源可供使用，直升机必须依靠直流化学电源的起动能力才能保证起飞，对直流化学电源提出了更高的要求，而镉镍蓄电池组比能量较低的固有缺点影响了整机技术指标的提高。
锂离子电池是二十世纪九十年代初发展起来的一种新型高能电池，具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、自放电小及免维护等特点，特别是其优越的高比能量性能和自放电小的特性，适应了装备对电源***提出的小型化及轻型化的要求。虽然近年锂离子电池的高功率放电能力有较大的提高，具备大电流放电能力，但是其放电功率仍达不到直接起动直升机发动机的峰值功率要求，并且其放电功率会随着使用时间进一步衰减。
超级电容器作为一种新型的储能器件，其具有高功率输出、大电流快速充电、高低温性能优异、循环寿命次数多等优点，但目前超级电容器的比能量太低、自放电大，从而大大限制了它的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种兼顾轻量化和大输出功率并满足直升机使用的动力电源***及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于直升机的动力电源***，包括：
组合壳盖及设置于组合壳盖中的锂离子电池组、超级电容器组、监控模块、加热模块、断路器、接触器、第一隔离二极管、第二隔离二极管、输入继电器、输出继电器、霍尔传感器、信号连接器及输出连接器；
所述信号连接器与直升机的上位机和充电器相连，并与锂离子电池组、超级电容器组和监控模块相连；所述锂离子电池组通过断路器连接监控模块的电源输入端，通过第一隔离二极管连接输出连接器；所述超级电容器组通过接触器连接第二隔离二极管，通过第二隔离二极管连接输出连接器；所述霍尔传感器的电流采样信号连接到监控模块，输出电流连接到输出连接器；所述输出连接器与直升机应急汇流条连接；所述监控模块通过输出继电器控制接触器；所述锂离子电池组通过输入继电器连接超级电容器组，在锂离子电池组和超级电容器组上均设置有加热模块；监控模块控制输入继电器，并对锂离子电池组和超级电容器组进行监控、加热。
作为进一步优化，所述超级电容器组由11只360F双电层超级电容器串联而成，其能量来源于直升机汇流条或锂离子电池组。
作为进一步优化，所述锂离子电池组由7只60Ah锂离子电池串联而成，其能量来源于直升机汇流条。
作为进一步优化，所述监控模块包括单片机及与其相连的DC/DC变换器、CAN通信模块、采样模块、均衡模块，其工作电源来源于直升机汇流条或锂离子电池组。
作为进一步优化，所述断路器用于接通或断开锂离子电池组提供给监控模块的工作电源，在空中为接通状态，在地面搁置时由人工操作断开。
作为进一步优化，所述输入继电器用于接通或断开锂离子电池组对超级电容器组的充电，正常条件下为断开状态，在空中应急或地面起动发动机时为接通状态。
作为进一步优化，所述锂离子电池组与超级电容器组通过输出继电器进行功率耦合，超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动瞬间的峰值功率输出，锂离子电池组提供除发动机起动瞬间峰值功率外的输出及为应急汇流条的关键设备提供应急输出。
作为进一步优化，所述监控模块与直升机的上位机之间采用CAN通信。
此外，本发明另一目的还在于提出一种基于上述动力电源***的控制方法，其包括：
动力电源***在空中检测到直升机汇流条掉电和接到上位机发出的发动机起动指令或在地面接到上位机发出的发动机启动指令时，监控模块在检测到超级电容器组电压充足的情况下，通过霍尔传感器检测电源***的输出电流达到50A后，通过输出继电器控制接触器接通超级电容器组的输出，由超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动功率，在持续1.5S之后切断超级电容器组的输出。
或者，动力电源***在空中检测到直升机汇流条掉电和接到上位机发出的发动机起动指令或在地面接到上位机发出的发动机启动指令时，监控模块在检测到超级电容器组电压不足的情况下，监控模块控制输入继电器接通，由锂离子电池组在2min内完成对超级电容器组充电，在通过霍尔传感器检测电源***的输出电流达到50A后，通过输出继电器控制接触器接通超级电容器组的输出，由超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动功率，在持续1.5S之后切断超级电容器组的输出。
本发明的有益效果是：结合机载直流化学电源在直升机电源***中的装机应用模式和直升机发动机的起动特性，利用锂离子电池的比能量高、自放电小、大电流放电能力优异及超级电容器的高功率输出特性、大电流快速充电等优点，将低温高功率型锂离子电池和超级电容器进行***集成研究，综合利用锂离子电池的和超级电容器各自优势并形成互补，锂离子电池组与超级电容器组由智能管理***通过监控模块、输出继电器功率耦合后提供起动瞬间峰值功率输出。该直升机用新型动力电源***不仅具备野外单独起动直升机发动机的能力，而且降低了机载直流化学电源的重量，符合直升机装机应用的使用模式和要求，能够实用于大型直升机或其它类似飞行器作为机载应急直流化学电源***。
附图说明
图1为实施例中的动力电源***结构示意图；
图2为实施例中的动力电源***原理框图；
图中，1为锂离子电池组，2为超级电容器组，3为监控模块，4为锂离子电池加热模块，5为超级电容器加热模块，6为断路器，7为接触器，8为隔离二极管，9为输入继电器，10为输出继电器，11为霍尔传感器，12为信号连接器，13为输出连接器，14为组合壳，15为组合盖，16为压块，17为电阻，18为超级电容器固定盖，19为安装板，20为锂离子电池安装底座。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：
实施例：
如图1所示，本例的用于直升机的动力电源***包括锂离子电池组1、超级电容器组2、监控模块3、锂离子电池加热模块4、超级电容器加热模块5、断路器6、接触器7、隔离二极管8、输入继电器9、输出继电器10、霍尔传感器11、信号连接器12、输出连接器13、组合壳14、组合盖15、压块16、电阻17、超级电容器固定盖18、安装板19、锂离子电池安装底座20。
锂离子电池组1为7只60Ah/3.7V锂离子电池采用金属铜板加工的金属板串联连接而成。60Ah锂离子电池采用15只筛选合格、改性钴酸锂、额定容量为4Ah软包装锂离子电池并联增容技术路线，4Ah软包装锂离子电池输出极端打孔后，用螺钉并联在集流柱上，再将并联4Ah软包装锂离子电池的集流柱装入60Ah锂离子电池壳内，再分别装上电池盖、极性片、平垫片及螺母，在电池壳内注入高发泡率的聚氨脂泡沫填缝剂填充，并采用专用夹具使聚氨脂泡沫填缝剂固化而成。锂离子电池组1的充电采用直升机的充电器进行，充电电流为12A，每只60Ah锂离子电池的充电限制电压为4.2V。
超级电容器组2为11只360F/2.7V双电层超级电容器采用金属铜板加工的金属板串联连接而成。超级电容器的充电电流为3A，充电限制电压为2.67V。超级电容器组2的充电来源于直升机的充电器或锂离子电池组1，在直升机发动机正常时采用直升机的充电器进行充电，超级电容器组2的输出由智能管理***通过监控模块3控制输出继电器10、接触器7进行。
监控模块3包括单片机、DC/DC变换器、CAN通信模块、采样模块、均衡模块、加热电路，内嵌智能管理***，其工作电源来源于直升机汇流条或锂离子电池组1。监控模块3具备单体电压采样、总压采样、容量均衡、电流采样、温度采样、加热控制、充电切换、通信功能。监控模块3与直升机的上位机采用CAN通信。监控模块3在空中检测到汇流条掉电和接到上位机发动机起动指令时或地面接到上位机发动机起动指令时，在超级电容器组2电压充足时由智能管理***通过霍尔传感器11检测直升机用新型动力电源***的输出电流，当电流达到50A后，通过输出继电器10控制接触器7接通超级电容器组2的输出，并在持续1.5S后切断超级电容器组2的输出；在超级电容器组2电压不足时由智能管理***接通输入继电器9控制锂离子电池组1在2min内完成对超级电容器组2充电，再通过霍尔传感器11检测直升机用新型动力电源***的输出电流，当电流达到50A后，通过输出继电器10控制接触器7接通超级电容器组2的输出，并在持续1.5S后切断超级电容器组2的输出。
锂离子电池加热模块4由加热膜、加热框体及双面胶组成，加热总功率为180W，加热能量来源于直升机的充电器，当达到启动加热条件时由监控模块3的智能管理***接通加热回路，当达到要求的温度时由监控模块3的智能管理***切断加热回路。
超级电容器加热模块5由加热膜、加热底座及双面胶组成，加热总功率为35W，加热能量来源于直升机的充电器，当达到启动加热条件时由监控模块3的智能管理***接通加热回路，当达到要求的温度时由监控模块3的智能管理***切断加热回路。
断路器6安装在组合壳14的输出面板上，在空中为接通状态；在地面搁置时由人工操作断开。
接触器7安装在安装板19上，在汇流条正常、未接到上位机发动机起动指令时为断开状态；在空中检测到汇流条掉电和接到上位机发动机起动指令时或地面接到上位机发动机起动指令时，由智能管理***通过监控模块3控制输出继电器10接通。
隔离二极管8安装在组合壳14上，分为锂离子电池组1隔离二极管和超级电容器组2隔离二极管，锂离子电池组1隔离二极管用于隔离直升机汇流条对锂离子电池组1的反灌充电；超级电容器组2隔离二极管用于隔离锂离子电池组1通过放电回路对超级电容器组2的反灌充电。
输入继电器9安装在安装板19上，正常条件下为断开状态；接到上位机发动机起动指令时，由智能管理***通过监控模块3控制接通。
输出继电器10安装在安装板19上，在汇流条正常、未接到上位机发动机起动指令时为断开状态；在空中检测到汇流条掉电和接到上位机发动机起动指令时或地面接到上位机发动机起动指令时，由智能管理***通过监控模块3控制接通。
霍尔传感器11安装在安装板19上，用于检测直升机用新型动力电源***的输出电流。
信号连接器12安装在组合壳14的输出面板上，与直升机的上位机和充电器连接。
输出连接器13安装在组合壳14的输出面板上，与直升机的应急汇流条连接。
组合壳14采用铝板机加工成型，四周面板与底部面板采用螺钉紧固连接，在两边侧面板上有与直升机安装紧固的固定孔。
组合盖15采用铝板机加工成型，与组合壳14采用螺钉紧固连接。
压块16采用具备耐高温、阻燃特性的聚苯硫醚工程塑料加工成型。
电阻17为功率型电阻，安装在安装板19上，用于限制监控模块3接通输入继电器9时锂离子电池组1对超级电容器组2的瞬间大电流。
超级电容器固定盖18采用具备耐高温、阻燃特性的聚苯硫醚工程塑料加工成型，与超级电容器加热模块5之间采用螺钉紧固连接。
安装板19采用铝板机加工成型，与组合壳14之间采用螺钉紧固连接。
锂离子电池安装底座20采用具备耐高温、阻燃特性的聚四氟乙烯工程塑料加工成型，安装在组合壳14内。
如图2所示，对于本例中的动力电源***来说，信号连接器与直升机的上位机和充电器相连，信号连接器与锂离子电池组和超级电容器组相连，从而为锂离子电池组和超级电容器组提供充电电源、加热电源；信号连接器还与监控模块相连，从而为其提供工作电源；锂离子电池组通过断路器与监控模块的电源输入端相连，从而也可以在应急情况下为其提供工作电源，锂离子电池组的输出连接到其隔离二极管；超级电容器组的输出连接接触器，监控模块通过输出继电器来控制接触器，从而接通或切断超级电容器组的输出；在锂离电池组和超级电容器组上均设置有加热模块，监控模块可以监控锂离子电池组和超级电容器组的各项指标并提供相应控制，包括：电流采样、电压采样、温度采样、加热控制、均衡控制；此外，若超级电容器组的电压不足，监控模块还可以通过控制锂离子电池组和超级电容器组之间的输入继电器接通，从而实现锂离子电池组对超级电容器组的快速充电；监控模块还通过霍尔传感器采样***的电流输出，从而判断是否达到接通超级电容器组输出条件。
本例直升机用新型动力电源***标称电压为25.9V，额定容量为60Ah，质量比能量达到74.5Wh/kg，瞬间输出功率达到21kW，工作电压高，放电电压稳定，抗冲击振动能力强，质量非常可靠，具备野外单独起动直升机发动机的能力，而且降低了机载直流化学电源的重量，符合直升机装机应用的使用模式和要求，能够实用于大型直升机或其它类似飞行器作为机载应急直流化学电源***。
Claims (10)
1.一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，包括：
组合壳盖及设置于组合壳盖中的锂离子电池组、超级电容器组、监控模块、加热模块、断路器、接触器、第一隔离二极管、第二隔离二极管、输入继电器、输出继电器、霍尔传感器、信号连接器及输出连接器；
所述信号连接器与直升机的上位机和充电器相连，并与锂离子电池组、超级电容器组和监控模块相连；所述锂离子电池组通过断路器连接监控模块的电源输入端，通过第一隔离二极管连接输出连接器；所述超级电容器组通过接触器连接第二隔离二极管，通过第二隔离二极管连接输出连接器；所述霍尔传感器的电流采样信号连接到监控模块，输出电流连接到输出连接器；所述输出连接器与直升机应急汇流条连接；所述监控模块通过输出继电器控制接触器；所述锂离子电池组通过输入继电器连接超级电容器组，在锂离子电池组和超级电容器组上均设置有加热模块；监控模块控制输入继电器，并对锂离子电池组和超级电容器组进行监控、加热。
2.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述超级电容器组由11只360F双电层超级电容器串联而成，其能量来源于直升机汇流条或锂离子电池组。
3.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述锂离子电池组由7只60Ah锂离子电池串联而成，其能量来源于直升机汇流条。
4.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述监控模块包括单片机及与其相连的DC/DC变换器、CAN通信模块、采样模块、均衡模块，其工作电源来源于直升机汇流条或锂离子电池组。
5.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述断路器用于接通或断开锂离子电池组提供给监控模块的工作电源，在空中为接通状态，在地面搁置时由人工操作断开。
6.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述输入继电器用于接通或断开锂离子电池组对超级电容器组的充电，正常条件下为断开状态，在空中应急或地面起动发动机时为接通状态。
7.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述锂离子电池组与超级电容器组通过输出继电器进行功率耦合，超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动瞬间的峰值功率输出，锂离子电池组提供除发动机起动瞬间峰值功率外的输出及为应急汇流条的关键设备提供应急输出。
8.如权利要求1所述的一种用于直升机的动力电源***，其特征在于，所述监控模块与直升机的上位机之间采用CAN通信。
9.应用于如权利要求1-8任意一项所述的动力电源***的控制方法，其特征在于，包括：
动力电源***在空中检测到直升机汇流条掉电和接到上位机发出的发动机起动指令或在地面接到上位机发出的发动机启动指令时，监控模块在检测到超级电容器组电压充足的情况下，通过霍尔传感器检测电源***的输出电流达到50A后，通过输出继电器控制接触器接通超级电容器组的输出，由超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动功率，在持续1.5S之后切断超级电容器组的输出。
10.应用于如权利要求1-8任意一项所述的动力电源***的控制方法，其特征在于，包括：
在空中检测到直升机汇流条掉电和接到上位机发出的发动机起动指令或在地面接到上位机发出的发动机启动指令时，监控模块在检测到超级电容器组电压不足的情况下，监控模块控制输入继电器接通，由锂离子电池组在2min内完成对超级电容器组充电，在通过霍尔传感器检测电源***的输出电流达到50A后，通过输出继电器控制接触器接通超级电容器组的输出，由超级电容器组与锂离子电池组同时提供发动机起动功率，在持续1.5S之后切断超级电容器组的输出。
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