无人机应急电源均衡模块设计与运用
2022-04-21丁晟昊
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;
(c)12/24V电源适配器模块:由前面板和12/24V电源适配器模块组成;
(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。