VICOR 电源模块的无人直升机锂电池充电系统

汤宪宇

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁沈阳，110023）

0 引言

无人直升机具有垂直起降和空中悬停等飞行特性，在农业、电力、交通等方面发挥着重要的作用[1]。尤其是近几年随着动力储能系统、传感器、飞行控制技术的发展，无人直升机得到了迅速的发展。无人直升机在飞行过程中锂电池与无人直升机的直流发电机并联工作，在无人直升机切换大功率负载时起到稳定母线电压的作用[2]；在无人直升机飞行过程中作为应急电源，在主电源系统不能正常输出电能时，为飞行控制系统、测控设备等关键用电设备供电，以确保飞行安全和尽快返航[3]。

1 电池充电系统总体设计

本文设计一款基于Vicor 厂家DCM 电源模块的隔离式无人直升机用锂电池组充电系统。可满足机上为无人直升机应急28V 锂电池进行恒流10A 限压28.2V 的充电。该充电系统包含隔离电源单元和输出保护单元。隔离电源单元将母线输入的直流电压源隔离变换成恒流、限压源为电池进行充电，通过构建电压、电流双闭环回路调节DCM 电源模块的输出电压控制脚TRIM 的电压，根从而实现恒流限压输出；输出保护电路包含硬件电压保护电路和输出控制电路两部分，在输出电压高于电压保护阈值时硬件切断充电回路，保护电池安全可靠的工作，输出保护电路与电源模块的使能信号构成了充电系统的三重充电保护，保证充电系统的安全性。

2 隔离电源单元

隔离电源单元以DCM 电源模块为核心，将无人直升机母线的28V 恒压源转换为恒流10A 限压28.2V 电源为电池进行充电。利用DCM 电源模块的电压输出控制引脚TR 脚的电压VTR可实时控制电源模块输出电压的特性，搭建输出电压、电流反馈电路，并通过线性光耦将反馈信号回传到输入端的TR脚，从而控制DCM 电源模块的输出电压。电流环可保证在负载发生变化时输出电压也跟着实时变化，从而达到恒流的目的；电压环保证输出电压不高于设置的阈值电压，达到限压的目的。

如图1 所示为隔离电源单元电路示意图，在外部控制系统控制电源模块工作时，首先控制使能信号EN 有效，DCM电源模块开始工作，当电源模块输出电压高于设定值时，经R10、R11 分压后的电压高于VREF，运放U1 负端输入电压高于正端VREF，从而导致U1 输出信号变低，光耦OP3 经二极管D1流过的电流变大，导致OP3 输出端的导通压降降低，使TR 脚电压降低，使DCM 电源模块输出电压下降；当电源模块输出电压低于设定值时，经反馈可使DCM 电源模块增加输出电压。最终使电源模块输出电压稳定到设定值。当电源模块输出稳定之后，输出控制回路闭合开始为电池充电，此时由于电池电压较低，电源模块工作在恒流阶段，电压反馈电路失效，电流反馈电路起作用。当DCM 电源模块输出电流大于设定值时，UCS输出电压偏高，运放U2 负端输入电压低于正端输入电压，U2 输出电压变低，导致光耦OP3 导通能力增强，光耦输出端电阻降低导致TR 脚电压降低，从而使DCM 电源模块输出电压降低，最终导致输出电流减小；当DCM 电源模块输出电流小于设定值时，经反馈使电源模块输出电流增大。最终使输出电流稳定到设定值。

图1 隔离电源单元示意图

隔离电源单元包含输入滤波电路、使能与故障电路、DCM电源模块、输出滤波电路、电压电流采集电路、电压PI 电路、电流PI 电路和光耦反馈电路。

3 输出保护单元

输出保护单元电路示意图如图2 所示，其包含输出保护功率电路、硬件电压保护电路和输出控制电路三部分。输出保护功率电路负责充电回路的通断和防止电池的反向充电；硬件电压保护电路在确保隔离电源单元电压高于阈值时，控制硬件切断充电回路；输出控制电路受到外部控制系统控制，当输出控制电路有效时，在硬件电压保护电路不控制时，闭合充电回路。

图2 输出保护单元电路示意图

输出保护功率电路包含防反向充电二极管D3 和由PMOS管及其驱动电路组成的充电开关。防反向充电二极管D3 可以对电流的流动方向进行控制，防止电池反向充电对电路内部器件造成损坏。PMOS、R12、R13 和OP5 组成充电回路开关，当光耦OP5 正常导通时，PMOS 导通，充电回路导通；当光耦OP5 关闭时，PMOS 关闭，充电回路断开。

图3 锂电池充电系统工作流程图

硬件电压保护电路包括分压电路和比较电路，在输出电压高于硬件电压保护阈值时，Vout+电压经R16、R17 分压后高于基准电压VREF，在经过比较器COMP 比较后输出低电平，输出的低电平作为与非门NAND 一个的输入信号，无论输出控制电路的信号是高电平还是低电平，NAND 将输出高电平，强制将光耦OP5 关闭从而关断输出回路，保护电池不会产生过压危险。当输出电压低于电压保护阈值时，COMP 将输出高电平至与非门NAND，硬件电压保护电路将不起作用，充电回路的通断将受到输出控制电路信号的控制。

4 锂电池充电系统工作流程图

锂电池充电系统工作流程如图3 所示，无人直升机发动机启动后，母线上正常输出28V 恒压源为锂电池充电系统供电；此时如果外部控制系统使能EN 脚，DCM 电源模块开始进行电源变换将恒压电源变换为恒流限压源为电池充电做好准备；此时如果输出控制OutCtrl 有效则闭合输出回路，开始为电池进行充电；一般的充电过程为当电池电压较低时先进性恒流充电，当电池快充满时电压与DCM 电源模块输出最高电压压差较小时，开始进行恒压充电；在输出保护单元实时检测DCM 电源模块是否出现过压状态，如果出现过压则关闭充电回路停止充电；在充电过程中如果电池充满或者出现故障时，外部控制电路首先控制输出控制OutCtrl 无效，关闭充电回路；然后控制EN 脚无效，使DCM 电源模块停止工作。

5 结论

本文设计了一款基于Vicor DCM 电源模块的隔离式恒流限压充电系统。该系统将恒压输出的电源模块改造成恒流限压电源，实现对机上锂电池进行恒流10A 限压28.2V 的充电，并在电源模块输出端添加输出硬件电压保护电路和输出控制电路，与输入使能电路共同构成了充电系统的三重充电保护，确保充电系统的安全性。