CN108092395A - 一种后备电池切入及浮充控制装置 - Google Patents

一种后备电池切入及浮充控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种后备电池切入及浮充控制装置，安装在系留无人机上，包括一后备电池盒及一机载电源，所述后备电池盒中安装有后备电池及后备电池切换盒，所述后备电池切换盒中安装有一后备电池切换板，该后备电池切换板上设置有一后备电池切换电路及一后备电池浮充控制电路。与现有技术相比，本发明能够提高设备效率，降低功耗、热消耗、电压损耗并减少PCB板面积；而且本发明电源转化效率可高达96％，其具有IC集成度高，体积小，***电路简单等优点，能够有效地降低功耗以及实现输入过压欠压锁死、输出过压保护、过温度保护和过流保护等功能。

Description

一种后备电池切入及浮充控制装置
技术领域
本发明涉及系留无人机供电技术，具体涉及的是一种用于系留无人机的后备电池切入及浮充控制装置。
背景技术
系留无人机地面端电源通过系留线缆给系留无人机***供电，使无人机长时间悬停在空中，从而完成空中作业。当系留无人机***地面端电源异常时，通过并联电源和电池的设计，实现冗余，***可以马上切换成后备电池供电，保证系留无人机安全飞行。
传统的冗余电源***通常采用隔离二极管和分离器件的设计来实现，电路设计较复杂，而且由于二极管的正向压降比较大，在大负载电流的情况下，设备功耗成为主要问题。因此传统的冗余电源***存在功耗大、电压损耗大、电路复杂、发热严重、占用体积大等问题。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种电源转化效率高、体积小，***电路简单，能有效地降低功耗的系留无人机后备电池切入及浮充控制装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种后备电池切入及浮充控制装置，安装在系留无人机上，包括一后备电池盒及一机载电源，所述后备电池盒中安装有后备电池及后备电池切换盒，所述后备电池切换盒中安装有一后备电池切换板，该后备电池切换板上设置有一后备电池切换电路及一后备电池浮充控制电路。
优选地，所述后备电池切换电路为双电源输出，其包括理想二极管控制器U1、理想二极管控制器U2、N沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2；
所述理想二极管控制器U1用于控制MOS管Q1实现机载电源DC25V的输出，理想二极管控制器U1的输入级IN连到MOS管Q1的源极并和机载电源输入正极相连，输出级OUT连到MOS管Q1的漏极并和系留无人机负载输入正极相连，控制极GATE连到MOS管Q1的栅极；
所述理想二极管控制器U2用于控制MOS管Q2实现后备电池电源的输出，理想二极管控制器U2的输入级IN连到MOS管Q2的源极并和后备电池的电源输入正极相连，输出级OUT连到MOS管Q2的漏极并和系留无人机负载输入正极相连，控制极GATE连到MOS管Q2的栅极；
其中系留无人机负载通过DC25V直流电源供电，当直流电源出现异常导致供电异常时，理想二极管控制器U1将MOS管Q1驱动至完全关断状态，理想二极管控制器U2迅速驱动MOS管Q2导通，系留无人机负载在小于500nS的时间内切换为后备电池供电，以实现电源无震荡的平滑切换。
优选地，当系留无人机负载通过DC25V直流电源供电上电时，电流流经MOS管Q1及理想二极管控制器U1，此时在理想二极管控制器U1的IN和OUT引脚上检测到正向电压降，理想二极管控制器U1则驱动GATE引脚使正向压降维持在25mV；当系留无人机负载电流增大，使正向压降大于25mV时，MOS管Q1栅极驱动至完全导通，使正向压降下降到25mV；当系留无人机负载电流减小，导致正向压降低于25m时，MOS管Q1栅极被驱动为低电平，以维持正向压降为25mV；当系留无人机负载电流反向，且理想二极管控制器U1的IN到OUT的电压比-25mV更负，则理想二极管控制器U1将MOS管栅极拉低，在小于500nS的时间里关断MOS管Q1。
优选地，所述理想二极管控制器U1和U2均为LTC4357芯片；N沟道MOS管Q1和Q2均为BSC014N06S芯片。
优选地，所述后备电池浮充控制电路连接在后备电池与机载电源之间，用于对后备电池进行浮充控制，以保持充电电流保持在2A以内，该浮充控制电路包括升压降压稳压器U3，功率电感L1，输入电容C1，输出电容C2，电阻R1、R2、R2、R3、R4、R5；其中，升压降压稳压器U3的输入端VIN通过十个并联的4.7UF/100V电容与机载电源DC25V的输出端连接；输出端VOUT通过十个并联的10UF/50V的电容及采样电阻R1与后备电池的充电端连接，引脚ISP、ISN分别与采样电阻R1的两端连接，IMON、LGH与采样电阻R4、R5连接，通过调节采样电阻R1、R4、R5可控制对后备电池的充电电流；EAIN引脚通过采样电阻R2、R3接到输出端VOUT，通过调节采样电阻R2和R3的阻值可设置对后备电池的充电电压。
优选地，所述升压降压稳压器U3采用输入电压为8-60V，输出电压为10-50V，输出功率为50-140W的PI3740-00-LGIZ芯片。
优选地，所述升压降压稳压器U3的VS1和VS2脚之间连接有功率电感L1。
优选地，所述后备电池切换盒上设置有一电源输出接口，所述后备电池切换板通过该电源输出接口连接系留无人机的控制板。
优选地，所述后备电池切换盒上设置有一连接后备电池切换板的电池接口，所述后备电池盒上设置有一连接后备电池的后备电池接头，所述后备电池接头与所述电池接口连接。
优选地，所述后备电池盒上设置有一电源输入接口，所述后备电池切换板通过该电源输入接口与所述机载电源连接，所述机载电源通过系留线缆与系留无人机地面端电源连接。
本发明提供的后备电池切入及浮充控制装置通过后备电池切换电路，在机载电源为系留无人机供电出现故障或短路时，能够快速关断***，并能迅速将反向电流瞬间最小化，保护电路安全，同时实现从一个通路到另一个通路的平滑电流传输，且无震荡现象。另外，本发明后备电池浮充控制电路通过DC-DC升压降压稳压器设置小于等于2A的充电电流，在设备正常上电时，能够随时对后备电池实现浮充控制，且充电电流随电池饱和度逐渐减小，以保证设备的安全工作。与现有技术相比，本发明能够提高设备效率，降低功耗、热消耗、电压损耗并减少PCB板面积；而且本发明电源转化效率可高达96％，其具有IC集成度高，体积小，***电路简单等优点，能够有效地降低功耗以及实现输入过压欠压锁死、输出过压保护、过温度保护和过流保护等功能。
附图说明
图1为本发明后备电池切入及浮充控制装置的结构示意图；
图2为本发明后备电池切入及浮充控制原理框图；
图3为本发明后备电池切换电路原理图；
图4为本发明后备电池浮充控制电路原理图。
图中标识说明：电池接口1、电源输出接口2、后备电池接头3、电源输入接口4、后备电池切换盒5、后备电池盒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1所示，图1为本发明后备电池切入及浮充控制装置的结构示意图。本实施例提供了一种后备电池切入及浮充控制装置，该装置安装在系留无人机上，其包括有一个后备电池盒6和一个机载电源(图未示)。机载电源通过系留线缆与系留无人机地面端电源连接，地面端电源通过机载电源实现对系留无人机负载供电。
其中后备电池盒6中安装有若干后备电池(图2中2600mAH后备电池1和2600mAH后备电池2)和一个后备电池切换盒5，后备电池盒6底部设置有电源输入接口4，通过该电源输入接口4与机载电源连接(见图2中VIN电源输入接口连接机载电源供电***)。
后备电池切换盒5中安装有一个后备电池切换板(见图2)，该后备电池切换板上设置有一个后备电池切换电路及一个后备电池浮充控制电路。后备电池切换盒5上设置有电池接口1和电源输出接口2，后备电池盒6上设置有连接后备电池的后备电池接头3(图2中电池BAT1接口、电池浮充接口1、电池BAT2接口和电池浮充接口2)。
后备电池切换板上的后备电池切换电路通过电源输出接口2连接系留无人机负载的控制板(见图2中VOUT电源输出接口1和VOUT电源输出接口1连接负载终端)。
机载电源与电源输入接口4连接，电源输入接口4通过图2中VIN电源输入接口接入后备电池切换板，通过后备电池切换板上的后备电池浮充控制电路进行浮充控制，并由电池浮充接口1和电池浮充接口2连接到后备电池接头3，通过后备电池接头3连接到后备电池，对后备电池进行浮充控制。
如图3所示，图3为本发明后备电池切换电路原理图。本实施例后备电池切换电路为双电源输出，通过两个理想二极管控制器分别控制两个N沟道MOS管来实现两路电源的输出。
其中该切换电路包括一个理想二极管控制器U1、一个理想二极管控制器U2、一个N沟道MOS管Q1和一个N沟道MOS管Q2。本实施例中的理想二极管控制器U1和U2均为LTC4357芯片；N沟道MOS管Q1和Q2均为BSC014N06S芯片。
一路电源的输出为：理想二极管控制器U1通过控制MOS管Q1实现机载电源DC25V的输出，其输入级IN连接MOS管Q1的源极，并和机载电源的输入正极25VIN相连；其输出级OUT连到MOS管Q1的漏极，并和系留无人机负载输入正极(电源输出正极)相连；其控制极GATE连到MOS管Q1的栅极。
本实施例中的理想二极管控制器U1为LTC4357芯片，LTC4357芯片能够很容易地对电源进行“或”操作，以提高总体***可靠性。在二极管“或”应用中，LTC4357用于控制MOS管两端的正向电压降，源极和漏极两端的电压由IN和OUT引脚监控，GATE引脚驱动MOS管控制其工作，而且MOS管的源极和漏极可用作理想二极管的阳极和阴极。
当系留无人机负载通过DC25V直流电源供电上电时，电流流经MOS管Q1及理想二极管控制器U1，此时在理想二极管控制器U1的IN和OUT引脚上检测到正向电压降，理想二极管控制器U1则驱动GATE引脚使正向压降维持在25mV；当系留无人机负载电流增大，使正向压降大于25mV时，MOS管Q1栅极驱动至完全导通，使正向压降下降到25mV；当系留无人机负载电流减小，导致正向压降低于25m时，MOS管Q1栅极被驱动为低电平，以维持正向压降为25mV；当系留无人机负载电流反向，且理想二极管控制器U1的IN到OUT的电压比-25mV更负，则理想二极管控制器U1将MOS管栅极拉低，在小于500nS的时间里关断MOS管Q1。
另一路电源的输出为：理想二极管控制器U2通过控制MOS管Q2实现后备电池电源的输出，理想二极管控制器U2的输入级IN连到MOS管Q2的源极并和后备电池的电源输入正极相连，输出级OUT连到MOS管Q2的漏极并和系留无人机负载输入正极相连，控制极GATE连到MOS管Q2的栅极。
其中系留无人机负载通过DC25V直流电源供电，当直流电源出现异常导致供电异常时，理想二极管控制器U1将MOS管Q1驱动至完全关断状态，理想二极管控制器U2迅速驱动MOS管Q2导通，系留无人机负载在小于500nS的时间内切换为后备电池供电，以实现电源无震荡的平滑切换。
本实施例中采用LTC4357芯片控制MOS管的方案做电源冗余，由于MOS管的低导通内阻，因此大大降低了压降的损耗，而且MOS管内部的二极管，还可以抵抗反向电流的突变对冗余电路的冲击。
本发明通过LTC4357芯片实现后备电池切换功能，通过LTC4357控制MOS管的正向压降，实现从一个通路到另一个通路的平滑电流传输，无震荡现象；当电路出现故障或短路时，快速关断***能迅速将反向电流瞬间最小化，保护电路安全。与传统的切换电路相比，本发明能提供一个较低的损耗通路，更少的器件使电路设计也更简单；在大功率应用中，能够提高设备效率，降低功耗、热消耗、电压损耗并减少PCB板面积。
如图4所示，图4为本发明后备电池浮充控制电路原理图。本实施例后备电池浮充控制电路连接在后备电池与机载电源之间，用于对后备电池进行浮充控制，以保持充电电流保持在2A以内。
其中本实施例浮充控制电路包括有升压降压稳压器U3，功率电感L1，输入电容C1，输出电容C2，电阻R1、R2、R2、R3、R4、R5。
升压降压稳压器U3采用输入电压为8-60V，输出电压为10-50V，输出功率为50-140W的PI3740-00-LGIZ芯片，该芯片转换效率最高可达96％，能实现输入过压欠压锁死、输出过压保护、过温度保护和过流保护等功能。
升压降压稳压器U3的输入端VIN通过十个并联的4.7UF/100V电容与机载电源DC25V的输出端连接；输出端VOUT通过十个并联的10UF/50V的电容及采样电阻R1与后备电池的充电端连接。
升压降压稳压器U3的引脚ISP、ISN分别与采样电阻R1的两端连接，IMON、LGH与采样电阻R4、R5连接，通过调节采样电阻R1、R4、R5可控制对后备电池的充电电流。
升压降压稳压器U3的EAIN引脚通过采样电阻R2、R3接到输出端VOUT，通过调节采样电阻R2和R3的阻值可设置对后备电池的充电电压。
升压降压稳压器U3的VS1和VS2引脚之间连接有功率电感L1。
需要说明的是，本实施例地面端供电***通过系留线缆将地面端电源传到机载电源端给负载终端供电，而机载电源同时通过上述升压降压稳压器U3对后备电池进行浮充控制，充电电流保持在2A以内，充电电流会随电池饱和度逐渐减小，满电下为0，从而保证设备安全工作。当地面端供电***出现异常时，通过后备电池切换电路来迅速切换成后备电池供电，保证无人机安全飞行。
本发明通过PI3740芯片实现后备电池浮充控制，其电源转化效率最高可达96％，而且本发明IC集成度高，体积小，***电路简单，能有效地降低功耗，能实现输入过压欠压锁死、输出过压保护、过温度保护和过流保护等功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种后备电池切入及浮充控制装置，安装在系留无人机上，其特征在于，包括一后备电池盒及一机载电源，所述后备电池盒中安装有后备电池及后备电池切换盒，所述后备电池切换盒中安装有一后备电池切换板，该后备电池切换板上设置有一后备电池切换电路及一后备电池浮充控制电路。
2.如权利要求1所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述后备电池切换电路为双电源输出，其包括理想二极管控制器U1、理想二极管控制器U2、N沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2；
所述理想二极管控制器U1用于控制MOS管Q1实现机载电源DC25V的输出，理想二极管控制器U1的输入级IN连到MOS管Q1的源极并和机载电源输入正极相连，输出级OUT连到MOS管Q1的漏极并和系留无人机负载输入正极相连，控制极GATE连到MOS管Q1的栅极；
所述理想二极管控制器U2用于控制MOS管Q2实现后备电池电源的输出，理想二极管控制器U2的输入级IN连到MOS管Q2的源极并和后备电池的电源输入正极相连，输出级OUT连到MOS管Q2的漏极并和系留无人机负载输入正极相连，控制极GATE连到MOS管Q2的栅极；
其中系留无人机负载通过DC25V直流电源供电，当直流电源出现异常导致供电异常时，理想二极管控制器U1将MOS管Q1驱动至完全关断状态，理想二极管控制器U2迅速驱动MOS管Q2导通，系留无人机负载在小于500nS的时间内切换为后备电池供电，以实现电源无震荡的平滑切换。
3.如权利要求2所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，当系留无人机负载通过DC25V直流电源供电上电时，电流流经MOS管Q1及理想二极管控制器U1，此时在理想二极管控制器U1的IN和OUT引脚上检测到正向电压降，理想二极管控制器U1则驱动GATE引脚使正向压降维持在25mV；当系留无人机负载电流增大，使正向压降大于25mV时，MOS管Q1栅极驱动至完全导通，使正向压降下降到25mV；当系留无人机负载电流减小，导致正向压降低于25m时，MOS管Q1栅极被驱动为低电平，以维持正向压降为25mV；当系留无人机负载电流反向，且理想二极管控制器U1的IN到OUT的电压比-25mV更负，则理想二极管控制器U1将MOS管栅极拉低，在小于500nS的时间里关断MOS管Q1。
4.如权利要求3所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述理想二极管控制器U1和U2均为LTC4357芯片；N沟道MOS管Q1和Q2均为BSC014N06S芯片。
5.如权利要求4所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述后备电池浮充控制电路连接在后备电池与机载电源之间，用于对后备电池进行浮充控制，以保持充电电流保持在2A以内，该浮充控制电路包括升压降压稳压器U3，功率电感L1，输入电容C1，输出电容C2，电阻R1、R2、R2、R3、R4、R5；其中，升压降压稳压器U3的输入端VIN通过十个并联的4.7UF/100V电容与机载电源DC25V的输出端连接；输出端VOUT通过十个并联的10UF/50V的电容及采样电阻R1与后备电池的充电端连接，引脚ISP、ISN分别与采样电阻R1的两端连接，IMON、LGH与采样电阻R4、R5连接，通过调节采样电阻R1、R4、R5可控制对后备电池的充电电流；EAIN引脚通过采样电阻R2、R3接到输出端VOUT，通过调节采样电阻R2和R3的阻值可设置对后备电池的充电电压。
6.如权利要求5所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述升压降压稳压器U3采用输入电压为8-60V，输出电压为10-50V，输出功率为50-140W的PI3740-00-LGIZ芯片。
7.如权利要求6所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述升压降压稳压器U3的VS1和VS2脚之间连接有功率电感L1。
8.如权利要求7所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述后备电池切换盒上设置有一电源输出接口，所述后备电池切换板通过该电源输出接口连接系留无人机的控制板。
9.如权利要求8所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述后备电池切换盒上设置有一连接后备电池切换板的电池接口，所述后备电池盒上设置有一连接后备电池的后备电池接头，所述后备电池接头与所述电池接口连接。
10.如权利要求9所述的后备电池切入及浮充控制装置，其特征在于，所述后备电池盒上设置有一电源输入接口，所述后备电池切换板通过该电源输入接口与所述机载电源连接，所述机载电源通过系留线缆与系留无人机地面端电源连接。
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