无人机锂电池包均衡并联充电装置及方法、电池维护方法与流程

1.本发明属于锂电池充电技术领域，具体涉及到一种无人机锂电池包均衡并联充电装置及方法。


背景技术：

2.随着电子技术和和航天技术的发展，无人机技术得到了快速发展，其应用领域已经从军事领域拓展到民用领域，尤其是被广泛应用于民用领域的农业、林业、电力、安防等方面。
3.在无人机应用范围越来越广的同时，市场上也出现繁多的无人机种类，按照其飞行原理主要可分为固定翼、直升机、多旋翼三种。但这些无人机都存在一个明显的问题——续航能力有限，影响续航能力的主要因素是无人机电池。目前无人机电池主要采用锂电池，为了可以增强电池的利用效率，杜绝电池发生过多充电和过多放电，增加电池的使用寿命，监管电池的状态，现有无人机的电池包都自带有电池管理系统，这无形中增加了无人机的重量，无人机的重量影响着其最终的性能，无数厂家无不是绞尽脑汁想提升飞机的载荷和续航能力。因此，从每一寸、每一克来精减重量，从而换来无人机较长的续航以及挂载更多的负载。
4.目前，无人机电池充电都是充电器配合无人机电池包内置的电池管理系统对电池进行监管及保护，无人机的电池都是锂离子电池，由于锂离子电池放置一段时间后进入休眠状态，此时容量低于正常值，需要经过正常的充放电循环激活电池，才能恢复正常容量，而现有的无人机充电器均只能进行充电，而不能进行放电，从而不能实现对锂电池日常充放电维护。
5.因此，目前急需一种充电方法及装置实现对锂电池充电的同时进行电池充电状态的监管和保护以及对锂电池日常充放电维护，无人机的电池包就无需再配置电池管理系统，无人机电池包除去电池管理系统，则会大幅减少无人机的重量，从而大幅提高无人机的续航。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、能耗低、精确度高、效率高、实现锂电池充放电维护的无人机锂电池包均衡并联充电装置及方法。
7.解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种无人机锂电池包均衡并联充电装置，包括主控制器、多个采样充电单元，主控制器上并联连接有多个采样充电单元，每个采样充电单元与锂电池包内一个锂电池相连，采样充电单元用于对锂电池进行充电并定时对锂电池电压进行采样，主控制器通过多个并联的采样充电单元控制锂电池包内多个锂电池同时进行充电；
8.所述采样充电单元包括恒流源、恒流源开关、电压采样电路、负载开关、放电负载；所述恒流源与锂电池相连，用于对于锂电池进行充电；所述恒流源开关与恒流源和主控制
器相连，用于控制恒流源打开或关闭；所述电压采样电路与主控制器相连，用于定时对锂电池电压进行采样；所述放电负载并联在恒流源的输出端上，用于电压采样过程中对恒流源进行放电或在电池维护模式下对锂电池进行放电；所述负载开关与放电负载和主控制器相连，用于控制放电负载打开或关闭；所述主控制器，通过恒流源开关控制恒流源打开或关闭、通过负载开关控制放电负载打开或关闭、通过电压采样电路定时对锂电池电压进行采样。
9.作为一种优选的技术方案，所述主控制器上还连接有触摸屏，用于充电过程中实时显示锂电池的状态参数及对锂电池的操作模式进行设置，所述操作模式包括停止充电、启动充电、电池维护模式，所述电池维护模式为对锂电池进行3～5次的充放电循环。
10.作为一种优选的技术方案，所述放电负载的功率≤0.1w。
11.本发明还提供一种无人机锂电池包均衡并联充电装置的充电方法，包括以下步骤：
12.s1.对每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2
13.先对充电装置上电，关闭所有恒流源，通过多路电压采样电路对多个锂电池依次进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为固定值；
14.s2.打开所有恒流源进行充电，单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该锂电池开始采样，同时关闭该锂电池连接的恒流源，打开该锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为固定值，且t3＜t2，放电结束后，关闭放电负载开关，采样结束后，如果采样到的电池电压≥电池充满电压值，则该锂电池充满，关闭恒流源，如果采样到的电池电压＜电池充满电压值，重复本步骤，直至该锂电池充满；
15.s3.多个锂电池都充满电，关闭所有恒流源，电池充电结束。
16.作为一种优选的技术方案，所述充电时间t1与当前电压v0的关系如下：
[0017][0018]
式中，vm为电池充满电压值，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池容量，i为恒定充电电流。
[0019]
一种无人机锂电池包均衡并联充电装置的充电方法，所述电池充满电压值为4.2v。
[0020]
本发明还提供一种无人机锂电池包均衡并联充电装置的电池维护方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0021]
a1.对单个锂电池维护
[0022]
a.对单个锂电池进行放电
[0023]
通过电压采样电路对单个锂电池实时进行电压采样，采样到的该单个锂电池的电压值＞设置的最小电压值，打开该单个锂电池对应的放电负载开关，对该单个锂电池进行放电，直至采样到的该单个锂电池电压值等于设置的最小电压值，关闭该单个锂电池对应的放电负载开关，该单个锂电池放电完成；
[0024]
b.对单个锂电池进行充电
[0025]
关闭该单个锂电池的恒流源，通过电压采样电路对该单个锂电池进行电压采样，
根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给该单个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为固定值；
[0026]
打开该单个锂电池的恒流源进行充电，该单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该单个锂电池开始采样，同时关闭该单个锂电池连接的恒流源，打开该单个锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为固定值，且t3＜t2，放电结束后，关闭放电负载开关，采样结束后，如果采样到的电池电压≥设定的维护电压值，则该单个锂电池电压至设定的维护电压值，关闭恒流源，如果采样到的电池电压＜设定的维护电压值，重复本步骤，直至该单个锂电池电压至设定的维护电压值；
[0027]
c.步骤a、b循环3～5次，完成该单个锂电池维护；
[0028]
a2.对锂电池包内多个锂电池维护
[0029]
对锂电池包内多个锂电池同时按照步骤a1操作，直到锂电池包内所有单个锂电池电压都等于设置的维护电压值，则锂电池包维护完成。
[0030]
作为一种优选的技术方案，所述最小电压值为2.95v～3.05v；所述维护电压值为3.8v～3.9v。
[0031]
本发明的有益效果如下：
[0032]
(1)本发明通过采样充电单元中的电压采样电路定时监测锂电池的电压状况，并输出到控制器，控制器根据锂电池的实时电压控制恒流源打开或关闭，在电压采样过程中，恒流源属于关闭状态，确保采样结果的准确性，从而实现对锂电池快速、精确均衡的充电，相对于传统无人机锂电池充电，无需电池管理系统参与，直接对锂电池进行充电，就能实现对锂电池监管和保护，整个充电装置结构简单，对锂电池要求低，减轻无人机电池因电池管理系统带来的重量，能大幅提高无人机的续航，从而提高无人机的市场竞争力。
[0033]
(2)本发明采用多个采样充电单元对多个锂电池并联充电，实现充电过程中随时关闭任一电压达到充满状态的电池，而不影响其他锂电池的充电，达到精确均衡充电的目的，采用恒流源充电，电缆阻抗影响小，能耗低。
[0034]
(3)本发明的恒流源的输出端上并联有放电负载，用于采样过程中对恒流源的输出电容进行放电，提高采样的准确率，又用于在维护模式下对锂电池进行放电，实现对锂电池的日常维护。
[0035]
(4)本发明的每个采样充电单元连接锂电池包内一个锂电池，可以实现有锂电池充电时其他锂电池也能进行维护，工作效率高的优点。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例1无人机锂电池包均衡并联充电装置的结构示意图。
[0037]
图2是本发明实施例2无人机锂电池包均衡并联充电装置的结构示意图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例以一个锂电池包内串联有24个锂电池充电为例进行说明。
[0041]
在图1中，本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置包括主控制器、采样充电单元、触摸屏，主控制器上并联连接有二十四个采样充电单元，每个采样充电单元与锂电池包内的一个锂电池相连，采样充电单元用于对锂电池进行充电并定时对锂电池电压进行采样，主控制器通过二十四个并联的采样充电单元控制二十四个锂电池同时进行充电，触摸屏与主控制器相连，用于充电过程中实时显示锂电池的状态参数及对锂电池的操作模式进行设置，操作模式包括停止充电、启动充电、电池维护模式，电池维护模式为对锂电池进行3～5次的充放电循环，提高锂电池的使用寿命。
[0042]
采样充电单元包括恒流源、恒流源开关、电压采样电路、负载开关、放电负载；恒流源与锂电池相连，用于对于锂电池进行充电；恒流源开关与恒流源和主控制器相连，用于控制恒流源打开或关闭；电压采样电路与主控制器相连，用于定时对锂电池电压进行采样；放电负载并联在恒流源的输出端上，用于电压采样过程中对恒流源的输出电容进行放电或在电池维护模式下对锂电池进行放电，实现对锂电池的日常维护，放电负载的功率≤0.1w，防止放电负载对电池充电造成放电充不满的结果；负载开关与放电负载和主控制器相连，用于控制放电负载打开或关闭；主控制器，通过恒流源开关控制恒流源打开或关闭、通过负载开关控制放电负载打开或关闭、通过电压采样电路定时对锂电池电压进行采样。
[0043]
本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置的充电方法，包括以下步骤：
[0044]
s1.对每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2[0045]
先对充电装置上电，主控制器控制所有恒流源开关关闭所有恒流源，通过二十四路电压采样电路对二十四个锂电池依次进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为3s；
[0046]
充电时间t1与当前电压v0的关系如下：
[0047][0048]
式中，vm为电池充满电压值，vm＝4.2v，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池总容量，i为恒定充电电流，i＝8a；
[0049]
s2.主控制器控制所有恒流源开关打开所有恒流源进行充电，单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该锂电池进行采样，同时主控制器控制恒流源开关关闭该锂电池连接的恒流源，打开该锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为0.5s，放电结束后，主控制器控制负载开关关闭放电负载，采样结束后，如果采样到的电池电压≥电池充满电压值4.2v，则该锂电池充满，主控制器控制恒流源开关关闭该锂电池连接的恒流源，如果采样到的电池电压＜电池充满电压值4.2v，重复本步骤，直至该锂电池充满；
[0050]
s3.二十四个锂电池都充满电，关闭所有恒流源，锂电池包充电结束。
[0051]
本实施例锂电池包内二十四个锂电池在充电之前的电压数据情况和均衡充电后的电压数据情况如下表1。
[0052]
表1.锂电池包内二十四个锂电池在充电前和均衡充电后的电压值对比表
[0053][0054]
如表1所示，从本实施例锂电池包内二十四个锂电池在充电之前的电压数据情况，可见二十四个锂电池电压具有较大差异，最高电压值为3.738v，最低电压值为3.707v，从本实施例锂电池包内二十四个锂电池通过本发明均衡充电后的电压数据情况，可见二十四个锂电池电压值基本等于4.2v，误差范围为0～0.002v，说明本发明的充电均衡效果好。
[0055]
本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置的电池维护方法，包括以下步骤：
[0056]
a1.对单个锂电池维护
[0057]
a.对单个锂电池进行放电
[0058]
通过电压采样电路对单个锂电池实时进行电压采样，采样到的该单个锂电池的电压值＞设置的最小电压值3v，也可以为2.95v，也可以为3.05v，打开该锂电池对应的放电负载开关，放电负载对该单个锂电池进行放电，直至采样到的该单个锂电池电压值等于设置的最小电压值，关闭该单个锂电池对应的放电负载开关，该单个锂电池放电完成；
[0059]
b.对单个锂电池进行充电
[0060]
关闭该单个锂电池的恒流源，通过电压采样电路对该单个锂电池进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，v0＝3v,也可以为2.95v，也可以为3.05v,给该单个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为3s；
[0061]
充电时间t1与当前电压v0的关系如下：
[0062][0063]
式中，vm为电池充满电压值，vm＝4.2v，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池总容量，i为恒定充电电流，i＝8a；
[0064]
打开该单个锂电池的恒流源进行充电，该单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该单个锂电池开始采样，同时关闭该单个锂电池连接的恒流源，打开该单个锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为0.5s，放电结束后，关闭放电负载开关，采样结束后，如果采样到的电池电压≥设置的维护电压值3.85v，则该单个锂电池充满，关闭恒流源，如果采样到的电池电压＜设置的维护电压值3.85v，重复本
步骤，直至该锂电池电压等于维护电压值3.85v,其中维护电压值也可以是3.8v，也可以是3.9v；
[0065]
c.步骤a、b循环3～5次，完成该单个锂电池维护；
[0066]
a2.对锂电池包内多个锂电池维护
[0067]
对锂电池包内多个锂电池同时按照步骤a1操作，直到锂电池包内所有单个锂电池电压都等于设置的维护电压值，则锂电池包维护完成。
[0068]
本发明并联充电方式且每一个锂电池对应一个采样充电单元，可以实现同一锂电池包内有锂电池充电时其他锂电池也能进行维护的功能，具有工作效率高的优点。
[0069]
实施例2
[0070]
下面以一个锂电池包内串联有7个锂电池充电为例进行说明。
[0071]
在图2中，本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置包括主控制器、采样充电单元、触摸屏，主控制器上并联连接有七个采样充电单元，每个采样充电单元与锂电池包内的一个锂电池相连，采样充电单元用于对锂电池进行充电并定时对锂电池电压进行采样，主控制器通过七个并联的采样充电单元控制七个锂电池同时进行充电，触摸屏与主控制器相连，用于充电过程中实时显示锂电池的状态参数及对锂电池的操作模式进行设置，操作模式包括停止充电、启动充电、电池维护模式，电池维护模式为对锂电池进行3～5次的充放电循环，提高锂电池的使用寿命。
[0072]
采样充电单元包括恒流源、恒流源开关、电压采样电路、负载开关、放电负载；恒流源与锂电池相连，用于对于锂电池进行充电；恒流源开关与恒流源和主控制器相连，用于控制恒流源打开或关闭；电压采样电路与主控制器相连，用于定时对锂电池电压进行采样；放电负载并联在恒流源的输出端上，用于电压采样过程中对恒流源的输出电容进行放电或在电池维护模式下对锂电池进行放电，实现对锂电池的日常维护，放电负载的功率≤0.1w，防止放电负载对电池充电造成放电充不满的结果；负载开关与放电负载和主控制器相连，用于控制放电负载打开或关闭；主控制器，通过恒流源开关控制恒流源打开或关闭、通过负载开关控制放电负载打开或关闭、通过电压采样电路定时对锂电池电压进行采样。
[0073]
本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置的充电方法，包括以下步骤：
[0074]
s1.对每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2[0075]
先对充电装置上电，主控制器控制恒流源开关关闭所有恒流源，通过七路电压采样电路对七个锂电池依次进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为3s；
[0076]
充电时间t1与当前电压v0的关系如下：
[0077][0078]
式中，vm为电池充满电压值，vm＝4.2v，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池总容量，i为恒定充电电流，i＝8a；
[0079]
s2.主控制器控制所有恒流源开关打开所有恒流源进行充电，单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该锂电池进行采样，同时主控制器控制恒流源开关关闭该锂电池连接的恒流源，打开该锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为2s，放电结束后，主控制器控制负载开关关闭放电负载，采样时间t2结束后，如
果采样到的电池电压≥电池充满电压值4.2v，则该锂电池充满，主控制器控制恒流源开关关闭该锂电池连接的恒流源，如果采样到的电池电压＜电池充满电压值4.2v，重复本步骤，直至该锂电池充满；
[0080]
s3.七个锂电池都充满电，关闭所有恒流源，锂电池包充电结束。
[0081]
本实施例锂电池包内七个锂电池在充电之前的电压数据情况和均衡充电后的电压数据情况如下表2。
[0082]
表2.锂电池包内七个锂电池在充电前和均衡充电后的电压值对比表
[0083][0084]
如表2所示，从本实施例锂电池包内七个锂电池在充电之前的电压数据情况，可见七个锂电池电压具有较大差异，最高电压值为3.724v，最低电压值为3.701v，从本实施例锂电池包内七个锂电池通过本发明均衡充电后的电压数据情况，可见七个锂电池电压值基本等于4.2v，误差范围为0～0.002v，说明本发明的充电均衡效果好。
[0085]
本实施例的无人机锂电池包均衡并联充电装置的电池维护方法与实施例1相同。

技术特征：
1.一种无人机锂电池包均衡并联充电装置，其特征在于，包括主控制器、多个采样充电单元，主控制器上并联连接有多个采样充电单元，每个采样充电单元与锂电池包内一个锂电池相连，采样充电单元用于对锂电池进行充电并定时对锂电池电压进行采样，主控制器通过多个并联的采样充电单元控制锂电池包内多个锂电池同时进行充电；所述采样充电单元包括恒流源、恒流源开关、电压采样电路、负载开关、放电负载；所述恒流源与锂电池相连，用于对于锂电池进行充电；所述恒流源开关与恒流源和主控制器相连，用于控制恒流源打开或关闭；所述电压采样电路与主控制器相连，用于定时对锂电池电压进行采样；所述放电负载并联在恒流源的输出端上，用于电压采样过程中对恒流源进行放电或在电池维护模式下对锂电池进行放电；所述负载开关与放电负载和主控制器相连，用于控制放电负载打开或关闭；所述主控制器，通过恒流源开关控制恒流源打开或关闭、通过负载开关控制放电负载打开或关闭、通过电压采样电路定时对锂电池电压进行采样。2.根据权利要求1所述无人机锂电池包均衡并联充电装置，其特征在于，所述主控制器上还连接有触摸屏，用于充电过程中实时显示锂电池的状态参数及对锂电池的操作模式进行设置，所述操作模式包括停止充电、启动充电、电池维护模式，所述电池维护模式为对锂电池进行3～5次的充放电循环。3.根据权利要求1所述无人机锂电池包均衡并联充电装置，其特征在于，所述放电负载的功率≤0.1w。4.根据权利要求1所述充电装置的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.对每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2先对充电装置上电，关闭所有恒流源，通过多路电压采样电路对多个锂电池依次进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给每个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为固定值；s2.打开所有恒流源进行充电，单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该锂电池开始采样，同时关闭该锂电池连接的恒流源，打开该锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为固定值，且t3＜t2，放电结束后，关闭放电负载开关，采样结束后，如果采样到的电池电压≥电池充满电压值，则该锂电池充满，关闭恒流源，如果采样到的电池电压＜电池充满电压值，重复本步骤，直至该锂电池充满；s3.多个锂电池都充满电，关闭所有恒流源，电池充电结束。5.权利要求1所述充电装置的充电方法，其特征在于，所述充电时间t1与当前电压v0的关系如下：式中，v
m
为电池充满电压值，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池容量，i为恒定充电电流。6.权利要求1所述充电装置的充电方法，其特征在于，所述电池充满电压值为4.2v。7.根据权利要求2所述充电装置的电池维护方法，其特征在于，包括以下步骤：a1.对单个锂电池维护a.对单个锂电池进行放电
通过电压采样电路对单个锂电池实时进行电压采样，采样到的该单个锂电池的电压值＞设置的最小电压值，打开该单个锂电池对应的放电负载开关，放电负载对该单个锂电池进行放电，直至采样到的该单个锂电池电压值等于设置的最小电压值，关闭该单个锂电池对应的放电负载开关，该单个锂电池放电完成；b.对单个锂电池进行充电关闭该单个锂电池的恒流源，通过电压采样电路对该单个锂电池进行电压采样，根据采样到的单个锂电池的当前电压v0，给该单个锂电池设置充电时间t1和采样时间t2，t2为固定值；打开该单个锂电池的恒流源进行充电，该单个锂电池充电t1时间后，电压采样电路对该单个锂电池开始采样，同时关闭该单个锂电池连接的恒流源，打开该单个锂电池所对应的放电负载开关，对恒流源输出电容进行放电，放电时间为t3，t3为固定值，且t3＜t2，放电结束后，关闭放电负载开关，采样结束后，如果采样到的电池电压≥设定的维护电压值，则该单个锂电池电压至设定的维护电压值，关闭恒流源，如果采样到的电池电压＜设定的维护电压值，重复本步骤，直至该单个锂电池电压至设定的维护电压值；c.步骤a、b循环3～5次，完成该单个锂电池维护；a2.对锂电池包内多个锂电池维护对锂电池包内多个锂电池同时按照步骤a1操作，直到锂电池包内所有单个锂电池电压都等于设置的维护电压值，则锂电池包维护完成。8.根据权利要求7所述充电装置的电池维护方法，其特征在于，所述最小电压值为2.95v～3.05v；所述维护电压值为3.8v～3.9v。9.根据权利要求7所述充电装置的电池维护方法，其特征在于，所述充电时间t1与当前电压v0的关系如下：式中，v
m
为电池充满电压值，t1为充电池间，v0为当前电压值，c为锂电池容量，i为恒定充电电流。

技术总结
一种无人机锂电池包均衡并联充电装置、充电方法、电池维护方法，包括主控制器、多个采样充电单元，主控制器上并联连接有多个采样充电单元，每个采样充电单元与锂电池包内一个锂电池相连，采样充电单元用于对锂电池进行充电并定时对锂电池电压进行采样，主控制器通过多个并联的采样充电单元控制锂电池包内多个锂电池同时进行充电，本发明通过对锂电池进行3～5次的充放电循环实现对电池维护。本发明无需电池管理系统参与，直接对锂电池进行充电，就能实现对锂电池监管和保护及均衡充电，整个充电装置结构简单，对锂电池要求低，减轻无人机电池因电池管理系统带来的重量，能大幅提高无人机的续航，从而提高无人机的市场竞争力。从而提高无人机的市场竞争力。从而提高无人机的市场竞争力。


技术研发人员：黄诚
受保护的技术使用者：陕西军标科技有限公司
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/4/18