湯憲宇

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽，110023）

0 引言

無人直升機(jī)具有垂直起降和空中懸停等飛行特性，在農(nóng)業(yè)、電力、交通等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。尤其是近幾年隨著動力儲能系統(tǒng)、傳感器、飛行控制技術(shù)的發(fā)展，無人直升機(jī)得到了迅速的發(fā)展。無人直升機(jī)在飛行過程中鋰電池與無人直升機(jī)的直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，在無人直升機(jī)切換大功率負(fù)載時起到穩(wěn)定母線電壓的作用[2]；在無人直升機(jī)飛行過程中作為應(yīng)急電源，在主電源系統(tǒng)不能正常輸出電能時，為飛行控制系統(tǒng)、測控設(shè)備等關(guān)鍵用電設(shè)備供電，以確保飛行安全和盡快返航[3]。

1 電池充電系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計一款基于Vicor 廠家DCM 電源模塊的隔離式無人直升機(jī)用鋰電池組充電系統(tǒng)?？蓾M足機(jī)上為無人直升機(jī)應(yīng)急28V 鋰電池進(jìn)行恒流10A 限壓28.2V 的充電。該充電系統(tǒng)包含隔離電源單元和輸出保護(hù)單元。隔離電源單元將母線輸入的直流電壓源隔離變換成恒流、限壓源為電池進(jìn)行充電，通過構(gòu)建電壓、電流雙閉環(huán)回路調(diào)節(jié)DCM 電源模塊的輸出電壓控制腳TRIM 的電壓，根從而實現(xiàn)恒流限壓輸出；輸出保護(hù)電路包含硬件電壓保護(hù)電路和輸出控制電路兩部分，在輸出電壓高于電壓保護(hù)閾值時硬件切斷充電回路，保護(hù)電池安全可靠的工作，輸出保護(hù)電路與電源模塊的使能信號構(gòu)成了充電系統(tǒng)的三重充電保護(hù)，保證充電系統(tǒng)的安全性。

2 隔離電源單元

隔離電源單元以DCM 電源模塊為核心，將無人直升機(jī)母線的28V 恒壓源轉(zhuǎn)換為恒流10A 限壓28.2V 電源為電池進(jìn)行充電。利用DCM 電源模塊的電壓輸出控制引腳TR 腳的電壓VTR可實時控制電源模塊輸出電壓的特性，搭建輸出電壓、電流反饋電路，并通過線性光耦將反饋信號回傳到輸入端的TR腳，從而控制DCM 電源模塊的輸出電壓。電流環(huán)可保證在負(fù)載發(fā)生變化時輸出電壓也跟著實時變化，從而達(dá)到恒流的目的；電壓環(huán)保證輸出電壓不高于設(shè)置的閾值電壓，達(dá)到限壓的目的。

如圖1 所示為隔離電源單元電路示意圖，在外部控制系統(tǒng)控制電源模塊工作時，首先控制使能信號EN 有效，DCM電源模塊開始工作，當(dāng)電源模塊輸出電壓高于設(shè)定值時，經(jīng)R10、R11 分壓后的電壓高于VREF，運(yùn)放U1 負(fù)端輸入電壓高于正端VREF，從而導(dǎo)致U1 輸出信號變低，光耦OP3 經(jīng)二極管D1流過的電流變大，導(dǎo)致OP3 輸出端的導(dǎo)通壓降降低，使TR 腳電壓降低，使DCM 電源模塊輸出電壓下降；當(dāng)電源模塊輸出電壓低于設(shè)定值時，經(jīng)反饋可使DCM 電源模塊增加輸出電壓。最終使電源模塊輸出電壓穩(wěn)定到設(shè)定值。當(dāng)電源模塊輸出穩(wěn)定之后，輸出控制回路閉合開始為電池充電，此時由于電池電壓較低，電源模塊工作在恒流階段，電壓反饋電路失效，電流反饋電路起作用。當(dāng)DCM 電源模塊輸出電流大于設(shè)定值時，UCS輸出電壓偏高，運(yùn)放U2 負(fù)端輸入電壓低于正端輸入電壓，U2 輸出電壓變低，導(dǎo)致光耦OP3 導(dǎo)通能力增強(qiáng)，光耦輸出端電阻降低導(dǎo)致TR 腳電壓降低，從而使DCM 電源模塊輸出電壓降低，最終導(dǎo)致輸出電流減??；當(dāng)DCM 電源模塊輸出電流小于設(shè)定值時，經(jīng)反饋使電源模塊輸出電流增大。最終使輸出電流穩(wěn)定到設(shè)定值。

圖1 隔離電源單元示意圖

隔離電源單元包含輸入濾波電路、使能與故障電路、DCM電源模塊、輸出濾波電路、電壓電流采集電路、電壓PI 電路、電流PI 電路和光耦反饋電路。

3 輸出保護(hù)單元

輸出保護(hù)單元電路示意圖如圖2 所示，其包含輸出保護(hù)功率電路、硬件電壓保護(hù)電路和輸出控制電路三部分。輸出保護(hù)功率電路負(fù)責(zé)充電回路的通斷和防止電池的反向充電；硬件電壓保護(hù)電路在確保隔離電源單元電壓高于閾值時，控制硬件切斷充電回路；輸出控制電路受到外部控制系統(tǒng)控制，當(dāng)輸出控制電路有效時，在硬件電壓保護(hù)電路不控制時，閉合充電回路。

圖2 輸出保護(hù)單元電路示意圖

輸出保護(hù)功率電路包含防反向充電二極管D3 和由PMOS管及其驅(qū)動電路組成的充電開關(guān)。防反向充電二極管D3 可以對電流的流動方向進(jìn)行控制，防止電池反向充電對電路內(nèi)部器件造成損壞。PMOS、R12、R13 和OP5 組成充電回路開關(guān)，當(dāng)光耦OP5 正常導(dǎo)通時，PMOS 導(dǎo)通，充電回路導(dǎo)通；當(dāng)光耦OP5 關(guān)閉時，PMOS 關(guān)閉，充電回路斷開。

圖3 鋰電池充電系統(tǒng)工作流程圖

硬件電壓保護(hù)電路包括分壓電路和比較電路，在輸出電壓高于硬件電壓保護(hù)閾值時，Vout+電壓經(jīng)R16、R17 分壓后高于基準(zhǔn)電壓VREF，在經(jīng)過比較器COMP 比較后輸出低電平，輸出的低電平作為與非門NAND 一個的輸入信號，無論輸出控制電路的信號是高電平還是低電平，NAND 將輸出高電平，強(qiáng)制將光耦OP5 關(guān)閉從而關(guān)斷輸出回路，保護(hù)電池不會產(chǎn)生過壓危險。當(dāng)輸出電壓低于電壓保護(hù)閾值時，COMP 將輸出高電平至與非門NAND，硬件電壓保護(hù)電路將不起作用，充電回路的通斷將受到輸出控制電路信號的控制。

4 鋰電池充電系統(tǒng)工作流程圖

鋰電池充電系統(tǒng)工作流程如圖3 所示，無人直升機(jī)發(fā)動機(jī)啟動后，母線上正常輸出28V 恒壓源為鋰電池充電系統(tǒng)供電；此時如果外部控制系統(tǒng)使能EN 腳，DCM 電源模塊開始進(jìn)行電源變換將恒壓電源變換為恒流限壓源為電池充電做好準(zhǔn)備；此時如果輸出控制OutCtrl 有效則閉合輸出回路，開始為電池進(jìn)行充電；一般的充電過程為當(dāng)電池電壓較低時先進(jìn)性恒流充電，當(dāng)電池快充滿時電壓與DCM 電源模塊輸出最高電壓壓差較小時，開始進(jìn)行恒壓充電；在輸出保護(hù)單元實時檢測DCM 電源模塊是否出現(xiàn)過壓狀態(tài)，如果出現(xiàn)過壓則關(guān)閉充電回路停止充電；在充電過程中如果電池充滿或者出現(xiàn)故障時，外部控制電路首先控制輸出控制OutCtrl 無效，關(guān)閉充電回路；然后控制EN 腳無效，使DCM 電源模塊停止工作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于Vicor DCM 電源模塊的隔離式恒流限壓充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將恒壓輸出的電源模塊改造成恒流限壓電源，實現(xiàn)對機(jī)上鋰電池進(jìn)行恒流10A 限壓28.2V 的充電，并在電源模塊輸出端添加輸出硬件電壓保護(hù)電路和輸出控制電路，與輸入使能電路共同構(gòu)成了充電系統(tǒng)的三重充電保護(hù)，確保充電系統(tǒng)的安全性。