一種用於直升機的動力電源系統的製作方法

2023-10-18 18:06:34

本實用新型涉及電源系統，具體涉及一種用於直升機的動力電源系統。

背景技術：

直升飛機是一種可以垂直起降、懸停的旋轉機翼飛行器，被大量使用於空中物質運輸、勘探、救災等的需要，成為應用最廣泛的垂直起降和短距離滑跑起飛的飛行器，但是使用環境也較惡劣，如經常在野外惡劣條件下起飛等。

直升機用直流化學電源在使用過程中擔負為關鍵設備應急供電和啟動發動機的職能，是直升飛機安全飛行、野外正常使用的可靠保障。目前，機載直流化學電源標稱電壓通常為二十多伏，種類主要有：鎘鎳蓄電池組、鋅銀蓄電池組、鉛酸蓄電池組，其中鋅銀蓄電池組和鉛酸蓄電池組的低溫和可靠性較差，已逐漸被鎘鎳蓄電池組替代。雖然鎘鎳蓄電池組綜合性能較好，但重量重、體積大，比能量較低。

隨著直升機整機技術指標的進一步提高，發動機起動要求也不斷提高，發動機起動瞬間的起動峰值電流接近1000A，隨後起動電流不斷降低，尤其是野外執行任務下的發動機起動時，由於沒有其它的地面電源可供使用，直升機必須依靠直流化學電源的起動能力才能保證起飛，對直流化學電源提出了更高的要求，而鎘鎳蓄電池組比能量較低的固有缺點影響了整機技術指標的提高。

鋰離子電池是二十世紀九十年代初發展起來的一種新型高能電池，具有比能量高、工作電壓高、循環壽命長、自放電小及免維護等特點，特別是其優越的高比能量性能和自放電小的特性，適應了裝備對電源系統提出的小型化及輕型化的要求。雖然近年鋰離子電池的高功率放電能力有較大的提高，具備大電流放電能力，但是其放電功率仍達不到直接起動直升機發動機的峰值功率要求，並且其放電功率會隨著使用時間進一步衰減。

超級電容器作為一種新型的儲能器件，其具有高功率輸出、大電流快速充電、高低溫性能優異、循環壽命次數多等優點，但目前超級電容器的比能量太低、自放電大，從而大大限制了它的應用範圍。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：提出一種兼顧輕量化和大輸出功率並滿足直升機使用的動力電源系統。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：一種用於直升機的動力電源系統，包括：

組合殼蓋及設置於組合殼蓋中的鋰離子電池組、超級電容器組、監控模塊、加熱模塊、斷路器、接觸器、第一隔離二極體、第二隔離二極體、輸入繼電器、輸出繼電器、霍爾傳感器、信號連接器及輸出連接器；

所述信號連接器與直升機的上位機和充電器相連，並與鋰離子電池組、超級電容器組和監控模塊相連；所述鋰離子電池組通過斷路器連接監控模塊的電源輸入端，通過第一隔離二極體連接輸出連接器；所述超級電容器組通過接觸器連接第二隔離二極體，通過第二隔離二極體連接輸出連接器；所述霍爾傳感器的電流採樣信號連接到監控模塊；所述輸出連接器與直升機應急匯流條連接；所述監控模塊通過輸出繼電器控制接觸器；所述鋰離子電池組通過輸入繼電器連接超級電容器組，在鋰離子電池組和超級電容器組上均設置有加熱模塊；監控模塊控制輸入繼電器，並對鋰離子電池組和超級電容器組進行監控、加熱。

作為進一步優化，所述超級電容器組由11隻360F雙電層超級電容器串聯而成，其能量來源於直升機匯流條或鋰離子電池組。

作為進一步優化，所述鋰離子電池組由7隻60Ah鋰離子電池串聯而成，其能量來源於直升機匯流條。

作為進一步優化，所述監控模塊包括單片機及與其相連的DC/DC變換器、CAN通信模塊、採樣模塊、均衡模塊，其工作電源來源於直升機匯流條或鋰離子電池組。

作為進一步優化，所述斷路器用於接通或斷開鋰離子電池組提供給監控模塊的工作電源，在空中為接通狀態，在地面擱置時由人工操作斷開。

作為進一步優化，所述輸入繼電器用於接通或斷開鋰離子電池組對超級電容器組的充電，正常條件下為斷開狀態，在空中應急或地面起動發動機時為接通狀態。

作為進一步優化，所述鋰離子電池組與超級電容器組通過輸出繼電器進行功率耦合，超級電容器組與鋰離子電池組同時提供發動機起動瞬間的峰值功率輸出，鋰離子電池組提供除發動機起動瞬間峰值功率外的輸出及為應急匯流條的關鍵設備提供應急輸出。

作為進一步優化，所述監控模塊與直升機的上位機之間採用CAN通信。

本實用新型的有益效果是：結合機載直流化學電源在直升機電源系統中的裝機應用模式和直升機發動機的起動特性，利用鋰離子電池的比能量高、自放電小、大電流放電能力優異及超級電容器的高功率輸出特性、大電流快速充電等優點，將低溫高功率型鋰離子電池和超級電容器進行系統集成研究，綜合利用鋰離子電池和超級電容器各自優勢並形成互補，鋰離子電池組與超級電容器組由智能管理系統通過監控模塊、輸出繼電器功率耦合後提供起動瞬間峰值功率輸出。該直升機用新型動力電源系統不僅具備野外單獨起動直升機發動機的能力，而且降低了機載直流化學電源的重量，符合直升機裝機應用的使用模式和要求，能夠實用於大型直升機或其它類似飛行器作為機載應急直流化學電源系統。

附圖說明

圖1為實施例中的動力電源系統結構示意圖；

圖2為實施例中的動力電源系統原理框圖；

圖中，1為鋰離子電池組，2為超級電容器組，3為監控模塊，4為鋰離子電池加熱模塊，5為超級電容器加熱模塊，6為斷路器，7為接觸器，8為隔離二極體，9為輸入繼電器，10為輸出繼電器，11為霍爾傳感器，12為信號連接器，13為輸出連接器，14為組合殼，15為組合蓋，16為壓塊，17為電阻，18為超級電容器固定蓋，19為安裝板，20為鋰離子電池安裝底座。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本實用新型的方案作進一步的描述：

實施例：

如圖1所示，本例的用於直升機的動力電源系統包括鋰離子電池組1、超級電容器組2、監控模塊3、鋰離子電池加熱模塊4、超級電容器加熱模塊5、斷路器6、接觸器7、隔離二極體8、輸入繼電器9、輸出繼電器10、霍爾傳感器11、信號連接器12、輸出連接器13、組合殼14、組合蓋15、壓塊16、電阻17、超級電容器固定蓋18、安裝板19、鋰離子電池安裝底座20。

鋰離子電池組1為7隻60Ah/3.7V鋰離子電池採用金屬銅板加工的金屬板串聯連接而成。60Ah鋰離子電池採用15隻篩選合格、改性鈷酸鋰、額定容量為4Ah軟包裝鋰離子電池並聯增容技術路線，4Ah軟包裝鋰離子電池輸出極端打孔後，用螺釘並聯在集流柱上，再將並聯4Ah軟包裝鋰離子電池的集流柱裝入60Ah鋰離子電池殼內，再分別裝上電池蓋、極性片、平墊片及螺母，在電池殼內注入高發泡率的聚氨脂泡沫填縫劑填充，並採用專用夾具使聚氨脂泡沫填縫劑固化而成。鋰離子電池組1的充電採用直升機的充電器進行，充電電流為12A，每隻60Ah鋰離子電池的充電限制電壓為4.2V。

超級電容器組2為11隻360F/2.7V雙電層超級電容器採用金屬銅板加工的金屬板串聯連接而成。超級電容器的充電電流為3A，充電限制電壓為2.67V。超級電容器組2的充電來源於直升機的充電器或鋰離子電池組1，在直升機發動機正常時採用直升機的充電器進行充電，超級電容器組2的輸出由智能管理系統通過監控模塊3控制輸出繼電器10、接觸器7進行。

監控模塊3包括單片機、DC/DC變換器、CAN通信模塊、採樣模塊、均衡模塊、加熱電路，內嵌智能管理系統，其工作電源來源於直升機匯流條或鋰離子電池組1。監控模塊3具備單體電壓採樣、總壓採樣、容量均衡、電流採樣、溫度採樣、加熱控制、充電切換、通信功能。監控模塊3與直升機的上位機採用CAN通信。監控模塊3在空中檢測到匯流條掉電和接到上位機發動機起動指令時或地面接到上位機發動機起動指令時，在超級電容器組2電壓充足時由智能管理系統通過霍爾傳感器11檢測直升機用新型動力電源系統的輸出電流，當電流達到50A後，通過輸出繼電器10控制接觸器7接通超級電容器組2的輸出，並在持續1.5S後切斷超級電容器組2的輸出；在超級電容器組2電壓不足時由智能管理系統接通輸入繼電器9控制鋰離子電池組1在2min內完成對超級電容器組2充電，再通過霍爾傳感器11檢測直升機用新型動力電源系統的輸出電流，當電流達到50A後，通過輸出繼電器10控制接觸器7接通超級電容器組2的輸出，並在持續1.5S後切斷超級電容器組2的輸出。

鋰離子電池加熱模塊4由加熱膜、加熱框體及雙面膠組成，加熱總功率為180W，加熱能量來源於直升機的充電器，當達到啟動加熱條件時由監控模塊3的智能管理系統接通加熱迴路，當達到要求的溫度時由監控模塊3的智能管理系統切斷加熱迴路。

超級電容器加熱模塊5由加熱膜、加熱底座及雙面膠組成，加熱總功率為35W，加熱能量來源於直升機的充電器，當達到啟動加熱條件時由監控模塊3的智能管理系統接通加熱迴路，當達到要求的溫度時由監控模塊3的智能管理系統切斷加熱迴路。

斷路器6安裝在組合殼14的輸出面板上，在空中為接通狀態；在地面擱置時由人工操作斷開。

接觸器7安裝在安裝板19上，在匯流條正常、未接到上位機發動機起動指令時為斷開狀態；在空中檢測到匯流條掉電和接到上位機發動機起動指令時或地面接到上位機發動機起動指令時，由智能管理系統通過監控模塊3控制輸出繼電器10接通。

隔離二極體8安裝在組合殼14上，分為鋰離子電池組1隔離二極體和超級電容器組2隔離二極體，鋰離子電池組1隔離二極體用於隔離直升機匯流條對鋰離子電池組1的反灌充電；超級電容器組2隔離二極體用於隔離鋰離子電池組1通過放電迴路對超級電容器組2的反灌充電。

輸入繼電器9安裝在安裝板19上，正常條件下為斷開狀態；接到上位機發動機起動指令時，由智能管理系統通過監控模塊3控制接通。

輸出繼電器10安裝在安裝板19上，在匯流條正常、未接到上位機發動機起動指令時為斷開狀態；在空中檢測到匯流條掉電和接到上位機發動機起動指令時或地面接到上位機發動機起動指令時，由智能管理系統通過監控模塊3控制接通。

霍爾傳感器11安裝在安裝板19上，用於檢測直升機用新型動力電源系統的輸出電流。

信號連接器12安裝在組合殼14的輸出面板上，與直升機的上位機和充電器連接。

輸出連接器13安裝在組合殼14的輸出面板上，與直升機的應急匯流條連接。

組合殼14採用鋁板機加工成型，四周面板與底部面板採用螺釘緊固連接，在兩邊側面板上有與直升機安裝緊固的固定孔。

組合蓋15採用鋁板機加工成型，與組合殼14採用螺釘緊固連接。

壓塊16採用具備耐高溫、阻燃特性的聚苯硫醚工程塑料加工成型。

電阻17為功率型電阻，安裝在安裝板19上，用於限制監控模塊3接通輸入繼電器9時鋰離子電池組1對超級電容器組2的瞬間大電流。

超級電容器固定蓋18採用具備耐高溫、阻燃特性的聚苯硫醚工程塑料加工成型，與超級電容器加熱模塊5之間採用螺釘緊固連接。

安裝板19採用鋁板機加工成型，與組合殼14之間採用螺釘緊固連接。

鋰離子電池安裝底座20採用具備耐高溫、阻燃特性的聚四氟乙烯工程塑料加工成型，安裝在組合殼14內。

如圖2所示，對於本例中的動力電源系統來說，信號連接器與直升機的上位機和充電器相連，信號連接器與鋰離子電池組和超級電容器組相連，從而為鋰離子電池組和超級電容器組提供充電電源；信號連接器還與監控模塊相連，從而為其提供工作電源、加熱電源；鋰離子電池組通過斷路器與監控模塊的電源輸入端相連，從而也可以在應急情況下為其提供工作電源，鋰離子電池組的輸出連接到其隔離二極體；超級電容器組的輸出連接接觸器，監控模塊通過輸出繼電器來控制接觸器，從而接通或切斷超級電容器組的輸出；在鋰離電池組和超級電容器組上均設置有加熱模塊，監控模塊可以監控鋰離子電池組和超級電容器組的各項指標並提供相應控制，包括：電流採樣、電壓採樣、溫度採樣、加熱控制、均衡控制；此外，若超級電容器組的電壓不足，監控模塊還可以通過控制鋰離子電池組和超級電容器組之間的輸入繼電器接通，從而實現鋰離子電池組對超級電容器組的快速充電；監控模塊還通過霍爾傳感器採樣系統的輸出電流，從而判斷是否達到接通超級電容器組輸出條件。

本例直升機用新型動力電源系統標稱電壓為25.9V，額定容量為60Ah，質量比能量達到74.5Wh/kg，瞬間輸出功率達到21kW，工作電壓高，放電電壓穩定，抗衝擊振動能力強，質量非常可靠，具備野外單獨起動直升機發動機的能力，而且降低了機載直流化學電源的重量，符合直升機裝機應用的使用模式和要求，能夠實用於大型直升機或其它類似飛行器作為機載應急直流化學電源系統。