一种无人机电池串联充电平衡电路的制作方法

1.本发明涉及电池充电技术领域，特别涉及一种无人机电池串联充电平衡电路。


背景技术：

2.随着电池及控制技术的进步，无人机技术得到了飞速的发展，在许多领域得到了广泛的应用。无人机具有高灵活性的优点，已经在侦查、勘测、农用、巡检等领域展现出巨大的应用前景。但由于自身负重能力和体积有限，所搭载的电池容量受到限制，通常无人机的续航时间很短(一般是30分钟左右)，在使用过程中无人机需要不断地落到地面进行充电。现有的无人机电池基本是由多个单节锂电池进行串联，组成一个电池组使用。但由于个体存在差异性，电池间的情况也不尽相同，同时由于无人机的充电次数频繁，因此需要对无人机的充电提出更高的要求，以确保充电的效率以及电池的使用寿命得到保障。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种无人机电池串联充电平衡电路。本发明可以实现无人机电池的充电平衡，能够有效的提升电池的使用寿命，而且本发明具有结构简单、实用性好等优点。
4.本发明的技术方案如下：一种无人机电池串联充电平衡电路，包括激活电路、电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路；所述激活电路连接在电池的正负极；所述激活电路分别与电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路连接；所述电压控制电路的输出端与电流控制电路连接，电流控制电路的输出端与电流输出电路连接；所述电压控制电路、电压控制电路和电流输出电路还分别与电池的负极连接；
5.所述激活电路实时监测无人机电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则与之连接的电压控制电路开始工作；所述电压控制电路获取电池电压与最大充电电压之间的差值并得到控制电压；所述电流控制电路将电压控制电路得到的控制电压转换为控制电流；所述电流输出电路对控制电流进行放大，并调控电池实际充电电流的大小，将无人机电池充电电压稳定在最大充电电压，进而实现无人机电池串联充电的平衡控制。
6.上述的无人机电池串联充电平衡电路，所述激活电路包括稳压二极管z1、电阻r1、电阻r2、npn管q1和pnp管q2；所述稳压二极管z1的阴极和pnp管q2的发射极一同连接电池的正极；所述稳压二极管z1的阳极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与npn管q1的基极连接，npn管q1的发射极与电池的负极连接，npn管q1的集电极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与pnp管q2的基极连接，pnp管q2的集电极与电压控制电路、电流控制电路以及电流输出电路连接。
7.前述的无人机电池串联充电平衡电路，所述电压控制电路包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1、可控精密稳压源tl431和光耦op1；所述电阻r3的一端与pnp管q2的集电极连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r3和电阻r4之间，可控精密稳压源
tl431的阳极与电池的负极连接；所述电阻r5的一端连接在电阻r3和电阻r4之间，电阻r5的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与可控精密稳压源tl431的阴极一同与光耦op1的发光二极管阴极连接，光耦op1的发光二极管阳极与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述光耦op1的c极与pnp管q2的集电极连接，光耦op1的e极与电阻r7的一端以及电流控制电路连接；所述电阻r7的另一端与电池的负极连接。
8.4、根据权利要求3所述的无人机电池串联充电平衡电路，其特征在于：所述电流控制电路包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、运算放大器a1和运算放大器a2；所述运算放大器a1的负极与电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端接地；所述运算放大器a1的正极与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端连接在光耦op1的e极和电阻r7之间；所述运算放大器a1的输出端与电阻r12的一端连接，电阻r12的另一端与运算放大器a2的正极以及电流输出电路连接；所述电阻r10的一端连接在运算放大器a1的负极和电阻r9之间，电阻r10的另一端连接在运算放大器a1的输出端和电阻r12之间；所述运算放大器a2的负极以及输出端一同连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接在运算放大器a1的正极和电阻r8之间。
9.前述的无人机串联电池充电平衡电路，所述电流输出电路包括电阻r13和npn管q3；所述npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的基极连接在电阻r12和运算放大器a2的正极之间，npn管q3的集电极与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与pnp管q2的集电极连接。
10.与现有技术相比，本发明的激活电路可以实时监测无人机电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则与之连接的电压控制电路开始工作，本发明的电压控制电路获取电池电压与最大充电电压之间的差值并得到控制电压，然后电流控制电路将电压控制电路得到的控制电压转换为控制电流，电流输出电路再对控制电流进行放大，并调控电池实际充电电流的大小，进而将无人机电池充电电压稳定在最大充电电压，进而实现无人机电池串联充电的平衡控制。此外，本发明具有结构简单，成本低，实用性好，模块化程度高及通用性好的优点。
附图说明
11.图1是本发明的电路示意图。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例可以使本领域普通技术人员更全面的理解本发明。
13.实施例：一种无人机电池串联充电平衡电路，如图1所示，应用于n个串联的无人机电池上，每个电池正极极均设置一个充电平衡电路；本发明所述的充电平衡电路包括激活电路、电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路；所述激活电路连接在电池的正负极；所述激活电路分别与电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路连接；所述电压控制电路的输出端与电流控制电路连接，电流控制电路的输出端与电流输出电路连接；所述电压控制电路、电压控制电路和电流输出电路还分别与电池的负极连接；
14.工作的方法是所述激活电路实时监测无人机电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则与之连接的电压控制电路开始工作；所述电压控制电路获取电池电压与最大充电电压之间的差值并得到控制电压；所述电流控制电路将电压控制电路得到的控制电压转换为控制电流；所述电流输出电路对控制电流进行放大，并调控电池实际充电电流的大小，将无人机电池充电电压稳定在最大充电电压，进而实现无人机电池串联充电的平衡控制。
15.本实施例中，如图1所示，所述激活电路包括稳压二极管z1、电阻r1、电阻r2、npn管q1和pnp管q2；所述稳压二极管z1的阴极和pnp管q2的发射极一同连接电池的正极；所述稳压二极管z1的阳极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与npn管q1的基极连接，npn管q1的发射极与电池的负极连接，npn管q1的集电极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与pnp管q2的基极连接，pnp管q2的集电极与电压控制电路、电流控制电路以及电流输出电路连接。通过合理选择z1、r1和q1的参数，保证电池达到额定电压v
normal
时q1处于导通。由于q2的基极电流为q1的集电极电流，进而能快速进入饱和导通状态，进而起到启动控制作用。
16.依据电池充电规范可知，电池电压低于v
normal
时，电池处于大电流充电阶段。q1在ve＝v
normal
导通可以保证电池在大电流充电时充电控制电路不分流，提高充电速度和效率。另一方面，电池电压达到v
normal
时，接近充满状态，充电控制电路才开始进行工作。由于充电电流较小，充电控制电路工作时分流很小，在实现电池电压钳位的同时能有效减小发热损耗。
17.本实施例中，如图1所示，所述电压控制电路包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1、可控精密稳压源tl431和光耦op1；所述电阻r3的一端与pnp管q2的集电极连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r3和电阻r4之间，可控精密稳压源tl431的阳极与电池的负极连接；所述电阻r5的一端连接在电阻r3和电阻r4之间，电阻r5的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与可控精密稳压源tl431的阴极一同与光耦op1的发光二极管阴极连接，光耦op1的发光二极管阳极与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述光耦op1的c极与pnp管q2的集电极连接，光耦op1的e极与电阻r7的一端以及电流控制电路连接；所述电阻r7的另一端与电池的负极连接。其中，r3和r4组成采样电路，用于采样电池e的电压，得到采样电压vf，满足：ve为电池电压。tl431为求差电路，其原理为通过获取vf与tl431内置2.5v之间的差值v
f-2.5，进而控制tl431阴极与阳极之间的导通程度。r5、c1组成pi补偿电路，对差值电压v
f-2.5进行pi运算，进而得到控制量u
c1
。r6为限流电阻，限制tl431和op1输入侧电流。op1和r7组成反相器，实现u
c1
的反相运算，得到控制量uc，r7为限流电阻。
18.电压控制电路的工作原理为：当时(也就是vf＜2.5)，tl431截止，op1截止，u
c1
＝ve，uc＝0；当时(也就是vf＞2.5)，tl431导通，u
c1
对差值电压v
f-2.5进行pi运算得到u
c1
，v
f-2.5差值越大，对应的tl431越接近饱和导通，u
c1
也越小，u
c1
为v
f-2.5反相pi运算。op1实现对u
c1
的反相运算，得到控制量uc，也就是uc为v
f-2.5的pi运算。
19.本实施例中，如图1所示，所述电流控制电路包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻
r11、电阻r12、运算放大器a1和运算放大器a2；所述运算放大器a1的负极与电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端接地；所述运算放大器a1的正极与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端连接在光耦op1的e极和电阻r7之间；所述运算放大器a1的输出端与电阻r12的一端连接，电阻r12的另一端与运算放大器a2的正极以及电流输出电路连接；所述电阻r10的一端连接在运算放大器a1的负极和电阻r9之间，电阻r10的另一端连接在运算放大器a1的输出端和电阻r12之间；所述运算放大器a2的负极以及输出端一同连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接在运算放大器a1的正极和电阻r8之间。其中：r8＝r9＝r10＝r11。该电路将控制电压uc转换为控制电流ic，满足：ic＝uc/r12。
20.即：
[0021][0022][0023]
本实施例中，如图1所示，所述电流输出电路包括电阻r13和npn管q3；所述npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的基极连接在电阻r12和运算放大器a2的正极之间，npn管q3的集电极与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与pnp管q2的集电极连接。本发明的电流输出电路对ic进行放大，得到输出电流io，满足：io＝βic，β为q3放大系数，β的大小可由电路的动态性能指标确定。
[0024]
本发明的无人机电池串联充电平衡电路的工作原理为：当ve小于时，tl431阴极与阳极之间截止，op1截止，uc等于零，进而控制电流ic等于零，所以q3的分流电流io等于零，电池充电电流不分流，电池保持充电。当电池电压ve大于时，tl431阴极与阳极之间导通，ve越大于则tl431阴极与阳极之间的导通程度越高，u
c1
越小，流过光耦op1输入侧电阻r6的电流越大，r7上的电压uc也越大，经电流控制电路得到的控制电流ic也越大，再经过q3的放大作用得到分流电流io，对电池e的充电电流进行分流。从上分析可知，ve越大于则分流电流io也越大，进而减小电池充电电流，将电池电压维持在
[0025]
综上所述，本发明可以实现无人机电池的充电平衡，能够有效的提升电池的使用寿命，而且本发明具有结构简单、实用性好等优点。

技术特征：
1.一种无人机电池串联充电平衡电路，其特征在于：包括激活电路、电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路；所述激活电路连接在电池的正负极；所述激活电路分别与电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路连接；所述电压控制电路的输出端与电流控制电路连接，电流控制电路的输出端与电流输出电路连接；所述电压控制电路、电压控制电路和电流输出电路还分别与电池的负极连接；所述激活电路实时监测无人机电池充电电压是否达到额定电压，如果达到额定电压则与之连接的电压控制电路开始工作；所述电压控制电路获取电池电压与最大充电电压之间的差值并得到控制电压；所述电流控制电路将电压控制电路得到的控制电压转换为控制电流；所述电流输出电路对控制电流进行放大，并调控电池实际充电电流的大小，将无人机电池充电电压稳定在最大充电电压，进而实现无人机电池串联充电的平衡控制。2.根据权利要求1所述的无人机电池串联充电平衡电路，其特征在于：所述激活电路包括稳压二极管z1、电阻r1、电阻r2、npn管q1和pnp管q2；所述稳压二极管z1的阴极和pnp管q2的发射极一同连接电池的正极；所述稳压二极管z1的阳极与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与npn管q1的基极连接，npn管q1的发射极与电池的负极连接，npn管q1的集电极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与pnp管q2的基极连接，pnp管q2的集电极与电压控制电路、电流控制电路以及电流输出电路连接。3.根据权利要求2所述的无人机电池串联充电平衡电路，其特征在于：所述电压控制电路包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1、可控精密稳压源tl431和光耦op1；所述电阻r3的一端与pnp管q2的集电极连接，电阻r3的另一端与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与电池的负极连接；所述可控精密稳压源tl431的输入端连接在电阻r3和电阻r4之间，可控精密稳压源tl431的阳极与电池的负极连接；所述电阻r5的一端连接在电阻r3和电阻r4之间，电阻r5的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端与可控精密稳压源tl431的阴极一同与光耦op1的发光二极管阴极连接，光耦op1的发光二极管阳极与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与pnp管q2的集电极连接；所述光耦op1的c极与pnp管q2的集电极连接，光耦op1的e极与电阻r7的一端以及电流控制电路连接；所述电阻r7的另一端与电池的负极连接。4.根据权利要求3所述的无人机电池串联充电平衡电路，其特征在于：所述电流控制电路包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、运算放大器a1和运算放大器a2；所述运算放大器a1的负极与电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端接地；所述运算放大器a1的正极与电阻r8的一端连接，电阻r8的另一端连接在光耦op1的e极和电阻r7之间；所述运算放大器a1的输出端与电阻r12的一端连接，电阻r12的另一端与运算放大器a2的正极以及电流输出电路连接；所述电阻r10的一端连接在运算放大器a1的负极和电阻r9之间，电阻r10的另一端连接在运算放大器a1的输出端和电阻r12之间；所述运算放大器a2的负极以及输出端一同连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接在运算放大器a1的正极和电阻r8之间。5.根据权利要求4所述的无人机串联电池充电平衡电路，其特征在于：所述电流输出电路包括电阻r13和npn管q3；所述npn管q3的发射极与锂电池的负极连接，npn管q3的基极连接在电阻r12和运算放大器a2的正极之间，npn管q3的集电极与电阻r13的一端连接，电阻r13的另一端与pnp管q2的集电极连接。

技术总结
本发明公开了一种无人机电池串联充电平衡电路，包括激活电路、电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路；所述激活电路连接在电池的正负极；所述激活电路分别与电压控制电路、电流控制电路和电流输出电路连接；所述电压控制电路的输出端与电流控制电路连接，电流控制电路的输出端与电流输出电路连接；所述电压控制电路、电压控制电路和电流输出电路还分别与电池的负极连接；本发明可以实现无人机电池的充电平衡，能够有效的提升电池的使用寿命，而且本发明具有结构简单、实用性好等优点。实用性好等优点。实用性好等优点。


技术研发人员：赵春
受保护的技术使用者：常州汉姆智能科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/25