無(wú)人機(jī)應(yīng)急電源均衡模塊設(shè)計(jì)與運(yùn)用

丁晟昊

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

當(dāng)前無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與使用，范圍越來(lái)越廣，程度越來(lái)越重要。而無(wú)人機(jī)由于發(fā)動(dòng)機(jī)選用的不同，涉及到機(jī)上電源系統(tǒng)的交聯(lián)，往往存在兩套不同的供電體制的問(wèn)題。

以某型無(wú)人機(jī)為例，依據(jù)GJB181B及機(jī)上設(shè)備使用情況，主電源系統(tǒng)選擇的是28.5V直流構(gòu)型，而由于發(fā)動(dòng)機(jī)限制，發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)供電體制（涉及的設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)采集單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、傳感器、燃油泵等）選用的是12V供電體制。機(jī)上應(yīng)急電源系統(tǒng)均衡功能的設(shè)計(jì)，解決了這兩種不同供電體制在機(jī)上并聯(lián)共存帶來(lái)的問(wèn)題。

1 應(yīng)急電源均衡設(shè)計(jì)

1.1 均衡模塊的設(shè)計(jì)要求

均衡模塊的設(shè)計(jì)，是無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中的一環(huán)，需滿足無(wú)人機(jī)整體電源技術(shù)相關(guān)技術(shù)要求，具體如下：

1.1.1 輸入電壓設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)電源電壓正常范圍內(nèi)波動(dòng)情況，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，將輸入電壓范圍設(shè)計(jì)為8～16V。

1.1.2 額定輸出電壓（均衡調(diào)壓點(diǎn)電壓）

綜合考慮以下因素：

(1)應(yīng)急電源最大應(yīng)急時(shí)間為30mins；

(2)兩塊應(yīng)急電源容量的差異，在該型無(wú)人機(jī)中，24V蓄電池容量為15Ah。12V蓄電池容量為10Ah。

(3)電池的放電曲線。

將該無(wú)人機(jī)均衡模塊輸出調(diào)壓點(diǎn)設(shè)置為22V。

1.1.3 額定功率

依據(jù)公式P=UIη，其中P是輸出功率，U是輸出電壓，I是輸出電流，η是均衡模塊效率。其中U=22V，考慮12V/10Ah電池需供電30mins，所以模塊輸出電流應(yīng)為10A，η=0.85，計(jì)算得P=187W。故選用的均衡模塊功率需大于187W，該無(wú)人機(jī)均衡模塊選用300W。

1.1.4 輸入欠壓保護(hù)

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)電源系統(tǒng)，設(shè)置輸入欠壓保護(hù)，依據(jù)GJB181B，將保護(hù)范圍設(shè)置為：保護(hù)點(diǎn)7±0.5V，自動(dòng)恢復(fù)點(diǎn)10±0.5V。

1.1.5 輸入過(guò)壓保護(hù)

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)電源系統(tǒng)，設(shè)置輸入過(guò)壓保護(hù)，依據(jù)GJB181B，將保護(hù)范圍設(shè)置為：保護(hù)點(diǎn)16±0.5V，自動(dòng)恢復(fù)點(diǎn)14±1V。

1.1.6 輸出過(guò)壓保護(hù)

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)電源系統(tǒng)，設(shè)置輸出過(guò)壓保護(hù)，依據(jù)GJB181B，將保護(hù)范圍設(shè)置為：保護(hù)點(diǎn)28±1V，自動(dòng)重新上電恢復(fù)。

1.1.7 模塊輸出限流

10Ah/12V應(yīng)急時(shí)間為30mins，故模塊輸入電流為10/0.5=20A，進(jìn)行24V/12V折算，模塊輸出電流為10A。為保護(hù)模塊本身，進(jìn)行輸出電流限制，其限制電流需大于10A，在該型號(hào)無(wú)人機(jī)中，設(shè)置模塊輸出電流限制范圍為0～15A。

1.1.8 過(guò)熱保護(hù)

保護(hù)點(diǎn)105±5℃，自動(dòng)恢復(fù)點(diǎn)90±5℃，存在外部手動(dòng)恢復(fù)控制，控制信號(hào)為地/開信號(hào)，輸出告警信號(hào)為地/開信號(hào)。

1.1.9 故障告警

探測(cè)到內(nèi)部故障，輸出告警信號(hào)，信號(hào)類型為地/開信號(hào)。

1.2 均衡模塊電路圖

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)均衡模塊電路圖，如圖1所示。

圖1 均衡模塊電路圖

2 均衡模塊功能與用途

均衡模塊的使用與運(yùn)行，是整個(gè)電源系統(tǒng)不同工作狀態(tài)運(yùn)行的一部分。圖2示出電源系統(tǒng)構(gòu)型框圖?，F(xiàn)結(jié)合電源系統(tǒng)構(gòu)型，詳述均衡模塊的功能與用途。

2.1 電源系統(tǒng)構(gòu)型介紹

電源系統(tǒng)正常供電由一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)通過(guò)電源變換整流器整流輸出2100W/28.5V直流電，應(yīng)急供電又一臺(tái)24V/15Ah的蓄電池組和一臺(tái)12V/8Ah的蓄電池組構(gòu)成，以滿足全機(jī)應(yīng)急負(fù)載供電時(shí)間不小于30mins的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的磁電機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主電源，由于12V蓄電池組在飛行中需要補(bǔ)充能量，考慮到磁電機(jī)額定輸出12V/20A,而發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用電為12V/7.3A，12V蓄電池內(nèi)部設(shè)置7.5A的限流充電電路，正常飛行由磁電機(jī)給12V蓄電池浮充電。

地面供電通過(guò)外電源接口由機(jī)外電源輸入12V、24V直流電源，外電源優(yōu)先機(jī)載發(fā)電機(jī)供電。24V電池和12V電池均由開關(guān)控制供電。具體無(wú)人機(jī)電源構(gòu)型框圖見圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)原理框圖

2.2 直流配電控制盒功能介紹

為滿足上述電源系統(tǒng)構(gòu)型要求，某型無(wú)人機(jī)委托廠家設(shè)計(jì)相應(yīng)的直流配電控制盒，而均衡模塊的設(shè)置，就在直流配電控制盒里，作為它的一件重要器件。直流配電盒具體設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 總體設(shè)計(jì)思路

直流配電控制盒總體設(shè)計(jì)思路：

(1)實(shí)現(xiàn)功能，確保直流配電控制盒工作邏輯正確；

(2)實(shí)現(xiàn)性能，確保直流配電控制盒各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求；

(3)綜合考慮直流配電控制盒的環(huán)境適應(yīng)性、電源特性、電磁兼容性、可靠性、維修性等要求，采用模塊化方式實(shí)現(xiàn)直流配電盒的設(shè)計(jì)。

2.2.2 直流配電控制盒內(nèi)部組成

直流配電控制盒內(nèi)部組成包括：12V/24V電源模塊(300W)、發(fā)電機(jī)繼電器(70A)、12V蓄電池繼電器(70A)、24V蓄電池繼電器(70A)、照明供電繼電器(40A)、任務(wù)設(shè)備供電繼電器(10A)、滑油風(fēng)扇控制繼電器(10A)、離合張緊控制繼電器(5A)、離合收緊控制繼電器(5A)、發(fā)動(dòng)機(jī)左停車控制繼電器(10A)、發(fā)動(dòng)機(jī)右停車控制繼電器(10A)、起動(dòng)控制繼電器(5A)、地面電源優(yōu)先繼電器(1A)、左燃油泵控制繼電器(5A)、右燃油泵控制繼電器(5A)、24V匯流條、12V匯流條、配電保護(hù)斷路器以及二極管若干等。

2.2.3 工作原理

(1)地面時(shí)

地面電源優(yōu)先繼電器、24V蓄電池繼電器接通，24V外電源通過(guò)24V蓄電池繼電器主觸點(diǎn)向24V匯流條供電。12V外電源直接向12V匯流條供電。

(2)正常工作時(shí)

發(fā)電機(jī)繼電器接通，發(fā)電機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)繼電器向24V匯流條供電。12V蓄電池繼電器接通，12V蓄電池通過(guò)隔離二極管向12V匯流條供電。

(3)系統(tǒng)故障時(shí)

發(fā)電機(jī)繼電器斷開，24V蓄電池繼電器、12V蓄電池繼電器接通接通，24V蓄電池、12V蓄電池通過(guò)12V/24V電源模塊聯(lián)合向24V匯流條供電。

2.2.4 功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)組合繼電器狀態(tài)，重組各路電池與匯流條的連接，以構(gòu)成不同狀態(tài)的工作電路，實(shí)現(xiàn)配電控制功能。

輸出各繼電器的輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控;用斷路器實(shí)現(xiàn)全機(jī)用電設(shè)備的配電及保護(hù)。

2.2.5 性能設(shè)計(jì)

2.2.5.1 性能實(shí)現(xiàn)

為了保證產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)，選擇了3只70A的繼電器做功率切換器件，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、24V蓄電池、24V外電源、12V蓄電池與系統(tǒng)的接通與斷開；元器件選用均為同類產(chǎn)品已經(jīng)選用過(guò)的型號(hào)，經(jīng)驗(yàn)證成熟可靠，供貨穩(wěn)定。

具體元器件選型見表1。

表1 直流配電控制盒主要元器件選用表

2.2.5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直流配電控制盒采用模塊組合結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊由箱體的面板和相關(guān)元器件組成，除了頂蓋外，包括以下模塊：

(a)大功率模塊：由底板、3個(gè)70A接觸器、1個(gè)40A接觸器組成；

(b)斷路器和接線柱模塊：由右面板、20個(gè)斷路器、3根匯流條和M6接線柱組件組成；

(c)12/24V電源適配器模塊：由前面板和12/24V電源適配器模塊組成；

(d)連接器、中功率模塊：由后面板、電連接器X1X2、10A繼電器、20A繼電器組成；

(e)小功率模塊：由左面板、小功率電路板（布置9個(gè)5A2Z繼電器、1個(gè)2A4Z繼電器、4個(gè)二極管）組成。

各模塊之間根據(jù)電路關(guān)系通過(guò)線纜束連接，并根據(jù)器件和線路的載流情況選擇合適線徑的電纜。

匯流條截面積為10mm×1.5mm，具備100A載流能力，滿足直流配電盒最高70A要求。

箱體材料選用強(qiáng)度高、質(zhì)輕、導(dǎo)熱良好的航空鋁合金材料（7050），保證產(chǎn)品的重量小、強(qiáng)度高；產(chǎn)品內(nèi)部的器件、電路板與箱體之間連接采用螺釘固定，并采用防松墊圈防止螺絲松脫；配電控制盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3

2.3 均衡模塊功能介紹

(1)當(dāng)發(fā)電機(jī)停止向24V匯流條供電的緊急狀態(tài)下，均衡模塊將機(jī)上12V電池轉(zhuǎn)換為22V后，與機(jī)上24V蓄電池聯(lián)合向24V匯流條供電。

(2)當(dāng)發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，匯流條上電壓為24V，而模塊輸出22V，此時(shí)均衡模塊輸出電壓低于匯流條電壓，均衡模塊不輸出。

(3)當(dāng)發(fā)電機(jī)斷開時(shí)，由機(jī)上24V電池往匯流條上供電，當(dāng)電池電量消耗到一定程度時(shí)，電池電壓降低，即匯流條電壓降低到22V以下，低于均衡模塊輸出電壓，均衡模塊往匯流條上輸出，與24V蓄電池聯(lián)合供電。

3 均衡模塊實(shí)際使用情況介紹

3.1 均衡模塊實(shí)際使用問(wèn)題描述

在均衡模塊實(shí)際使用過(guò)程中，通常在觀察到以下情況，在地面用外電源連接后（未實(shí)際開車）又?jǐn)嚅_外電源的瞬間，均衡模塊會(huì)報(bào)出故障。經(jīng)分析，均衡模塊可能的實(shí)際工況如下：

(a)斷開外電源瞬間，由于匯流條上連接著設(shè)備（主要是舵機(jī)等電機(jī)設(shè)備）用電功率過(guò)大，導(dǎo)致均衡模塊實(shí)際輸出功率超過(guò)設(shè)計(jì)功率，模塊報(bào)出故障碼后進(jìn)入過(guò)載保護(hù)狀態(tài)。按設(shè)計(jì)，停止輸出，10秒后可自恢復(fù)。

(b)進(jìn)一步分析，實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工作方式有偏差，期望效果應(yīng)該是12V蓄電池通過(guò)模塊輸出與24V蓄電池聯(lián)合向24V匯流條供電，而實(shí)際情況是：①當(dāng)24V蓄電池電壓高于22V時(shí)，模塊無(wú)輸出，由24V蓄電池單獨(dú)向匯流條供電；②當(dāng)24V蓄電池輸出電壓持續(xù)下降后，而模塊輸出電壓保持不變，當(dāng)模塊輸出電壓大于24V蓄電池后，實(shí)際工況不是聯(lián)合供電，而是模塊負(fù)擔(dān)匯流條的全部負(fù)載，同時(shí)往24V蓄電池充電。

3.2 均衡模塊升級(jí)

由于設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況存在的偏差，對(duì)均衡模塊的工作邏輯作出以下調(diào)整：

(a)限制均衡模塊的最大輸出功率，按設(shè)計(jì)，輸出22V,最大輸出電流為15A,需求超過(guò)15A后，輸出電流不變大，該情況下不再輸出故障信號(hào)。消除實(shí)際工況中的故障現(xiàn)象，避免該情況下報(bào)出的故障信號(hào)帶來(lái)的困擾。

(b)根據(jù)均衡模塊的實(shí)際工作情況動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡模塊的輸出電壓，由輸入電流變化判斷供電需求，在限輸出功率的情況下，動(dòng)態(tài)調(diào)低輸出電壓，調(diào)高輸出電流，確保均衡模塊的輸出電壓與蓄電池電壓的下降過(guò)程同步，達(dá)到聯(lián)合供電的效果。

選用的12/22 VDC均衡模塊是一個(gè)高度數(shù)字化的均衡模塊，以上調(diào)整無(wú)需對(duì)模塊硬件進(jìn)行改動(dòng)，只需對(duì)模塊固件進(jìn)行調(diào)整即可達(dá)到完成升級(jí)。

3.3 驗(yàn)證

將完成了升級(jí)的2個(gè)均衡模塊產(chǎn)品的固件，替換了原有的均衡模塊。經(jīng)兩次開機(jī)驗(yàn)證，效果達(dá)到要求：

(a)地面聯(lián)接外電源后，不再報(bào)出模塊故障信號(hào)。

(b) 地面開車后，斷開發(fā)電機(jī)，通過(guò)監(jiān)測(cè)J6電纜（12V蓄電池輸出）的電流變化情況，確認(rèn)12V蓄電池在參與聯(lián)合供電。在開啟大功率用電器（冷卻風(fēng)扇）的情況下，聯(lián)合供電時(shí)間持續(xù)達(dá)40多分鐘。供電后期，飛控監(jiān)測(cè)到均衡模塊的報(bào)出的數(shù)次故障，應(yīng)為12V蓄電池輸出電壓過(guò)低，而均衡模塊按設(shè)計(jì)要求因“輸入電壓過(guò)低”而報(bào)出故障，然后12V蓄電池?zé)o輸出后，電壓回升至高于模塊輸入電壓過(guò)低點(diǎn)，1均衡模塊重啟，重新工作，但12V蓄電池電壓再次過(guò)低，重新工作時(shí)間很短再次報(bào)出故障。

4 結(jié)論

無(wú)人直升機(jī)直流電源并聯(lián)構(gòu)型往往存在不同電壓等級(jí)的差異，從而帶來(lái)了設(shè)置均衡功能的必要性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)并均衡模塊，增加了系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)，減少了應(yīng)急設(shè)備重量，增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。通過(guò)在某型無(wú)人機(jī)上均衡模塊的實(shí)際使用情況，說(shuō)明了均衡模塊設(shè)置的合理性和必要性，建議這種設(shè)計(jì)方式能得到進(jìn)一步推廣。