无人机应急电源均衡模块设计与运用

丁晟昊

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333000）

0 引言

当前无人机的设计与使用，范围越来越广，程度越来越重要。而无人机由于发动机选用的不同，涉及到机上电源系统的交联，往往存在两套不同的供电体制的问题。

以某型无人机为例，依据GJB181B及机上设备使用情况，主电源系统选择的是28.5V直流构型，而由于发动机限制，发动机侧供电体制（涉及的设备包括发动机采集单元、发动机控制器、传感器、燃油泵等）选用的是12V供电体制。机上应急电源系统均衡功能的设计，解决了这两种不同供电体制在机上并联共存带来的问题。

1 应急电源均衡设计

1.1 均衡模块的设计要求

均衡模块的设计，是无人机电源系统整体设计中的一环，需满足无人机整体电源技术相关技术要求，具体如下：

1.1.1 输入电压设计

发动机侧电源电压正常范围内波动情况，忽略发动机起动阶段，将输入电压范围设计为8～16V。

1.1.2 额定输出电压（均衡调压点电压）

综合考虑以下因素：

(1)应急电源最大应急时间为30mins；

(2)两块应急电源容量的差异，在该型无人机中，24V蓄电池容量为15Ah。12V蓄电池容量为10Ah。

(3)电池的放电曲线。

将该无人机均衡模块输出调压点设置为22V。

1.1.3 额定功率

依据公式P=UIη，其中P是输出功率，U是输出电压，I是输出电流，η是均衡模块效率。其中U=22V，考虑12V/10Ah电池需供电30mins，所以模块输出电流应为10A，η=0.85，计算得P=187W。故选用的均衡模块功率需大于187W，该无人机均衡模块选用300W。

1.1.4 输入欠压保护

为保护发动机侧电源系统，设置输入欠压保护，依据GJB181B，将保护范围设置为：保护点7±0.5V，自动恢复点10±0.5V。

1.1.5 输入过压保护

为保护发动机侧电源系统，设置输入过压保护，依据GJB181B，将保护范围设置为：保护点16±0.5V，自动恢复点14±1V。

1.1.6 输出过压保护

为保护发动机侧电源系统，设置输出过压保护，依据GJB181B，将保护范围设置为：保护点28±1V，自动重新上电恢复。

1.1.7 模块输出限流

10Ah/12V应急时间为30mins，故模块输入电流为10/0.5=20A，进行24V/12V折算，模块输出电流为10A。为保护模块本身，进行输出电流限制，其限制电流需大于10A，在该型号无人机中，设置模块输出电流限制范围为0～15A。

1.1.8 过热保护

保护点105±5℃，自动恢复点90±5℃，存在外部手动恢复控制，控制信号为地/开信号，输出告警信号为地/开信号。

1.1.9 故障告警

探测到内部故障，输出告警信号，信号类型为地/开信号。

1.2 均衡模块电路图

为满足上述要求，设计均衡模块电路图，如图1所示。

图1 均衡模块电路图

2 均衡模块功能与用途

均衡模块的使用与运行，是整个电源系统不同工作状态运行的一部分。图2示出电源系统构型框图。现结合电源系统构型，详述均衡模块的功能与用途。

2.1 电源系统构型介绍

电源系统正常供电由一台交流发电机通过电源变换整流器整流输出2100W/28.5V直流电，应急供电又一台24V/15Ah的蓄电池组和一台12V/8Ah的蓄电池组构成，以满足全机应急负载供电时间不小于30mins的要求。

发动机自带的磁电机提供发动机控制系统主电源，由于12V蓄电池组在飞行中需要补充能量，考虑到磁电机额定输出12V/20A,而发动机控制系统用电为12V/7.3A，12V蓄电池内部设置7.5A的限流充电电路，正常飞行由磁电机给12V蓄电池浮充电。

地面供电通过外电源接口由机外电源输入12V、24V直流电源，外电源优先机载发电机供电。24V电池和12V电池均由开关控制供电。具体无人机电源构型框图见图2。

图2 无人机电源系统原理框图

2.2 直流配电控制盒功能介绍

为满足上述电源系统构型要求，某型无人机委托厂家设计相应的直流配电控制盒，而均衡模块的设置，就在直流配电控制盒里，作为它的一件重要器件。直流配电盒具体设计如下：

2.2.1 总体设计思路

直流配电控制盒总体设计思路：

(1)实现功能，确保直流配电控制盒工作逻辑正确；

(2)实现性能，确保直流配电控制盒各项性能指标达到要求；

(3)综合考虑直流配电控制盒的环境适应性、电源特性、电磁兼容性、可靠性、维修性等要求，采用模块化方式实现直流配电盒的设计。

2.2.2 直流配电控制盒内部组成

直流配电控制盒内部组成包括：12V/24V电源模块(300W)、发电机继电器(70A)、12V蓄电池继电器(70A)、24V蓄电池继电器(70A)、照明供电继电器(40A)、任务设备供电继电器(10A)、滑油风扇控制继电器(10A)、离合张紧控制继电器(5A)、离合收紧控制继电器(5A)、发动机左停车控制继电器(10A)、发动机右停车控制继电器(10A)、起动控制继电器(5A)、地面电源优先继电器(1A)、左燃油泵控制继电器(5A)、右燃油泵控制继电器(5A)、24V汇流条、12V汇流条、配电保护断路器以及二极管若干等。

2.2.3 工作原理

(1)地面时

地面电源优先继电器、24V蓄电池继电器接通，24V外电源通过24V蓄电池继电器主触点向24V汇流条供电。12V外电源直接向12V汇流条供电。

(2)正常工作时

发电机继电器接通，发电机通过发电机继电器向24V汇流条供电。12V蓄电池继电器接通，12V蓄电池通过隔离二极管向12V汇流条供电。

(3)系统故障时

发电机继电器断开，24V蓄电池继电器、12V蓄电池继电器接通接通，24V蓄电池、12V蓄电池通过12V/24V电源模块联合向24V汇流条供电。

2.2.4 功能的实现

通过组合继电器状态，重组各路电池与汇流条的连接，以构成不同状态的工作电路，实现配电控制功能。

输出各继电器的辅助触点的状态信息实现对系统状态参数的监控;用断路器实现全机用电设备的配电及保护。

2.2.5 性能设计

2.2.5.1 性能实现

为了保证产品性能实现，选择了3只70A的继电器做功率切换器件，实现发电机、24V蓄电池、24V外电源、12V蓄电池与系统的接通与断开；元器件选用均为同类产品已经选用过的型号，经验证成熟可靠，供货稳定。

具体元器件选型见表1。

表1 直流配电控制盒主要元器件选用表

2.2.5.2 结构设计

直流配电控制盒采用模块组合结构，每个模块由箱体的面板和相关元器件组成，除了顶盖外，包括以下模块：

(a)大功率模块：由底板、3个70A接触器、1个40A接触器组成；

(b)断路器和接线柱模块：由右面板、20个断路器、3根汇流条和M6接线柱组件组成；

(d)连接器、中功率模块：由后面板、电连接器X1X2、10A继电器、20A继电器组成；

(e)小功率模块：由左面板、小功率电路板（布置9个5A2Z继电器、1个2A4Z继电器、4个二极管）组成。

各模块之间根据电路关系通过线缆束连接，并根据器件和线路的载流情况选择合适线径的电缆。

汇流条截面积为10mm×1.5mm，具备100A载流能力，满足直流配电盒最高70A要求。

箱体材料选用强度高、质轻、导热良好的航空铝合金材料（7050），保证产品的重量小、强度高；产品内部的器件、电路板与箱体之间连接采用螺钉固定，并采用防松垫圈防止螺丝松脱；配电控制盒内部结构示意见图3。

图3

2.3 均衡模块功能介绍

(1)当发电机停止向24V汇流条供电的紧急状态下，均衡模块将机上12V电池转换为22V后，与机上24V蓄电池联合向24V汇流条供电。

(2)当发电机正常工作时，汇流条上电压为24V，而模块输出22V，此时均衡模块输出电压低于汇流条电压，均衡模块不输出。

(3)当发电机断开时，由机上24V电池往汇流条上供电，当电池电量消耗到一定程度时，电池电压降低，即汇流条电压降低到22V以下，低于均衡模块输出电压，均衡模块往汇流条上输出，与24V蓄电池联合供电。

3 均衡模块实际使用情况介绍

3.1 均衡模块实际使用问题描述

在均衡模块实际使用过程中，通常在观察到以下情况，在地面用外电源连接后（未实际开车）又断开外电源的瞬间，均衡模块会报出故障。经分析，均衡模块可能的实际工况如下：

(a)断开外电源瞬间，由于汇流条上连接着设备（主要是舵机等电机设备）用电功率过大，导致均衡模块实际输出功率超过设计功率，模块报出故障码后进入过载保护状态。按设计，停止输出，10秒后可自恢复。

(b)进一步分析，实际工况与设计工作方式有偏差，期望效果应该是12V蓄电池通过模块输出与24V蓄电池联合向24V汇流条供电，而实际情况是：①当24V蓄电池电压高于22V时，模块无输出，由24V蓄电池单独向汇流条供电；②当24V蓄电池输出电压持续下降后，而模块输出电压保持不变，当模块输出电压大于24V蓄电池后，实际工况不是联合供电，而是模块负担汇流条的全部负载，同时往24V蓄电池充电。

3.2 均衡模块升级

由于设计工况和实际工况存在的偏差，对均衡模块的工作逻辑作出以下调整：

(a)限制均衡模块的最大输出功率，按设计，输出22V,最大输出电流为15A,需求超过15A后，输出电流不变大，该情况下不再输出故障信号。消除实际工况中的故障现象，避免该情况下报出的故障信号带来的困扰。

(b)根据均衡模块的实际工作情况动态调整均衡模块的输出电压，由输入电流变化判断供电需求，在限输出功率的情况下，动态调低输出电压，调高输出电流，确保均衡模块的输出电压与蓄电池电压的下降过程同步，达到联合供电的效果。

选用的12/22 VDC均衡模块是一个高度数字化的均衡模块，以上调整无需对模块硬件进行改动，只需对模块固件进行调整即可达到完成升级。

3.3 验证

将完成了升级的2个均衡模块产品的固件，替换了原有的均衡模块。经两次开机验证，效果达到要求：

(a)地面联接外电源后，不再报出模块故障信号。

(b) 地面开车后，断开发电机，通过监测J6电缆（12V蓄电池输出）的电流变化情况，确认12V蓄电池在参与联合供电。在开启大功率用电器（冷却风扇）的情况下，联合供电时间持续达40多分钟。供电后期，飞控监测到均衡模块的报出的数次故障，应为12V蓄电池输出电压过低，而均衡模块按设计要求因“输入电压过低”而报出故障，然后12V蓄电池无输出后，电压回升至高于模块输入电压过低点，1均衡模块重启，重新工作，但12V蓄电池电压再次过低，重新工作时间很短再次报出故障。

4 结论

无人直升机直流电源并联构型往往存在不同电压等级的差异，从而带来了设置均衡功能的必要性。通过合理的设计并均衡模块，增加了系统的余度设计，减少了应急设备重量，增加了系统的安全性和稳定性。通过在某型无人机上均衡模块的实际使用情况，说明了均衡模块设置的合理性和必要性，建议这种设计方式能得到进一步推广。