一種新型高充電效率的航模外場電源充電器的設計

王曉斌，高爽，李國臣

（東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808 ）

近年來，航模愛好者與無人機愛好者越來越普遍，航模鋰電池需要高功率的特點，使得對電池需求量增大，而使用航模或者無人機等基本場景是在室外無人區，附近很少有電源，另外，航模鋰電池比普通電池成本高，使用者需要花費大量金錢去購買足夠的電池，導致電池成本居高不下。而市面的蓄能電源一般都是使用12V低倍率電池作為電源，再通過逆變器轉換成220V電壓，再通過開關電源把交流電變成直流電供給智能充電器，在此轉換過程中，電量大量損耗掉。作者查閱文獻資料，國內研究充電器的文獻有很多，如為了解決無人值守應用場景無人機動力鋰電池進行機載充電連線復雜、充電數據交互性差的問題，陳帥等設計了一種基于STM32的無人機鋰電池充電器，提出了一種充電模塊和均衡保護模塊分離設計的兩線式充電方法，王聰等設計了一種基于單片機控制的太陽能充電器，文亞輝設計了一個基于單片機的太陽能三段式智能充電器，郭鵬軍等設計了一款基于汽車蓄電池為電源的旋翼飛行器充電器，可以利用車載蓄電池為旋翼飛行器進行快速充電。上述的設計都有其適應環境，與航模室外環境略有差異，同時，上述文獻中的設計方案計制作成本較高或充電效率不高。

1 設計方案

圖1 充電器的原理框圖

因為市面上常見的蓄能電源使用12V低倍率電池作為電源，再通過逆變器轉換成220V電壓，再通過開關電源把交流電變成直流電供給智能充電器，為解決轉換過程中電量大量損耗掉的技術問題，論文設計了一種航模外場電源充電器，主要采用微控制器模塊進行控制電流電壓采集模塊、變器模塊、大功率智能平衡充電模塊、鋰電池充電等模塊實現電池充電，其主要特征包括防爆箱體，防爆箱體內設置有高倍率鋰電池，鋰電池的電源輸出端與電壓及電流采集模塊的輸入端連接，電壓及電流采集模塊的輸出端與主控開關模塊的公共接線端連接，主控開關模塊的第一個分接線端與USB快充模塊的電源輸入端連接，主控開關模塊的第二個分接線端與逆變器模塊的電源輸入端連接，主控開關模塊的第三個分接線端與大功率智能平衡充電模塊的電源輸入端連接，微控制器模塊用于接收電壓及電流采集模塊采集的電流和電壓數據，并控制主控開關模塊的切換。

防爆箱體內還設置有溫度表和散熱風扇，溫度表的信號輸出端與微控制器模塊的信號輸入端連接，散熱風扇的控制端與微控制器模塊的控制信號輸出端連接，當溫度表感應的溫度超過設置的閾值時，微控制器模塊控制散熱風扇工作，對防爆箱體內的器件進行散熱處理。防爆箱體通過碳纖維隔板分隔為上下兩部分，高倍率鋰電池位于防爆箱體的下部空間內。USB快充模塊上設置有四個USB充電接口。逆變器模塊為220V輸出的逆變器模塊。充電器還包括鋰電池充電模塊，鋰電池充電模塊的輸入端連接有充電接口，鋰電池充電模塊的輸出端與鋰電池的電源輸入端連接，鋰電池充電模塊的控制端與微控制器模塊的控制信號輸出端連接。電壓及電流采集模塊包括電流電壓表。充電器針對航模以及無人機使用，配備專業的大功率智能平衡充電設備以及高倍率鋰電池組，最大支持5C充電，15C放電，充電時間大大縮短，能量轉換效率大大提高，與市面帶逆變器的外場應急電源有著明顯區別。

2 實施方式

本設計的充電器原理框圖如圖1所示，主要包括防爆箱體1，防爆箱體1內設置有高倍率鋰電池9，鋰電池的電源輸出端與電壓及電流采集模塊的輸入端連接，電壓及電流采集模塊的輸出端與主控開關模塊6的公共接線端連接，優選的電壓及電流采集模塊包括電流電壓表3。主控開關模塊6的第一個分接線端與USB快充模塊4的電源輸入端連接，主控開關模塊6的第二個分接線端與逆變器模塊2的電源輸入端連接，主控開關模塊6的第三個分接線端與大功率智能平衡充電模塊8的電源輸入端連接，微控制器模塊用于接收電壓及電流采集模塊采集的電流和電壓數據，并控制主控開關模塊的切換。

防爆箱體內還設置有溫度表5和散熱風扇7，溫度表5的信號輸出端與微控制器模塊的信號輸入端連接，散熱風扇7的控制端與微控制器模塊的控制信號輸出端連接，當溫度表5感應的溫度超過設置的閾值時，微控制器模塊控制散熱風扇工作，對防爆箱體內的器件進行散熱處理。主控開關模塊6的輸出分為三路，第一路為USB快充模塊，第二路為逆變器模塊，第三路為大功率智能平衡充電模塊，三者具體使用哪一路通過微控制器模塊進行控制。

設計的充電器的結構示意圖有兩個部分，分別如圖2、圖3所示，主要包括以下10個模塊：1.防爆箱體；2.逆變器模塊；3.電流電壓表；4.USB快充模塊；5.溫度表；6.主控開關模塊；7.散熱風扇；8.大功率智能平衡充電模塊；9、高倍率鋰電池；10.碳纖維隔板。防爆箱體1通過碳纖維隔板10分隔為上下兩部分，高倍率鋰電池9位于防爆箱體1的下部空間內。USB快充模塊4上設置有四個USB充電接口。逆變器模塊2為220V輸出的逆變器模塊。充電器還包括鋰電池充電模塊，鋰電池充電模塊的輸入端連接有充電接口，鋰電池充電模塊的輸出端與鋰電池的電源輸入端連接，鋰電池充電模塊的控制端與微控制器模塊的控制信號輸出端連接。通過鋰電池充電模塊為鋰電池進行充電。

圖2 充電器的結構示意圖（1）

圖3 充電器的結構示意圖（2）

防爆箱體：防水防爆ABS工程塑料箱體；防水級別：IP4；外部尺寸，長56，寬35，高23；內部尺寸，長51，寬28.5，高19.5；高倍率鋰電池：規格：容量：80A；標稱電壓：3.7；放電倍率：15C；數量：6片；連接方式：串聯；電源部分總標稱電壓：22.2V；最大放電電流：1200A；最大充電電流：400A；總功率：1776wh。大功率智能平衡充電模塊：充電通道數量：2；單路充電尺寸電池串數：10；單路充電最大電流：40A；單路充電最大輸出功率：1480wh；雙路總輸出功率：2960wh；逆變器模塊：輸出電壓：AC 220V+-5V；輸出頻率：50Hz；三腳插孔：2；兩腳插孔：2；USB快充模塊：USB輸出接口：4；支持快充協議：QC2.0、QC3.0、BC1.2、MTK、PE1.1、PE2.0、FCP、AFC和SFCP；防爆箱體作為承載體，承載所有組成及零配件，高倍率鋰電池平鋪于防爆箱體內部低層并粘連固定，蓋上碳纖維蓋板，逆變器模塊，放置于碳纖維板右上方，USB快充模塊放置于碳纖維板左上方，電壓表與溫度表放置碳纖維板中上方，以上部分用碳纖維隔板隔開，并留有部分空間放置第三部分大功率平衡充電器。

3 結語

為解決航模外場充電問題，設計了一種航模外場電源充電器，主要采用微控制器模塊進行控制USB快充模塊、逆變器模塊、大功率智能平衡充電模塊實現外場電源充電，同時，采用防爆箱體加散熱裝置作為承載體，承載所有模塊及零配件，確保電池安全使用。充電器具有效率高、成本低、操作方便等優點，有較好的市場應用價值，為做更好的市場推廣應用，后續還將從外觀設計和內部集成等方面繼續開展優化設計研究。