一种新型高充电效率的航模外场电源充电器的设计

王晓斌，高爽，李国臣

（东莞职业技术学院，广东 东莞 523808 ）

近年来，航模爱好者与无人机爱好者越来越普遍，航模锂电池需要高功率的特点，使得对电池需求量增大，而使用航模或者无人机等基本场景是在室外无人区，附近很少有电源，另外，航模锂电池比普通电池成本高，使用者需要花费大量金钱去购买足够的电池，导致电池成本居高不下。而市面的蓄能电源一般都是使用12V低倍率电池作为电源，再通过逆变器转换成220V电压，再通过开关电源把交流电变成直流电供给智能充电器，在此转换过程中，电量大量损耗掉。作者查阅文献资料，国内研究充电器的文献有很多，如为了解决无人值守应用场景无人机动力锂电池进行机载充电连线复杂、充电数据交互性差的问题，陈帅等设计了一种基于STM32的无人机锂电池充电器，提出了一种充电模块和均衡保护模块分离设计的两线式充电方法，王聪等设计了一种基于单片机控制的太阳能充电器，文亚辉设计了一个基于单片机的太阳能三段式智能充电器，郭鹏军等设计了一款基于汽车蓄电池为电源的旋翼飞行器充电器，可以利用车载蓄电池为旋翼飞行器进行快速充电。上述的设计都有其适应环境，与航模室外环境略有差异，同时，上述文献中的设计方案计制作成本较高或充电效率不高。

1 设计方案

图1 充电器的原理框图

因为市面上常见的蓄能电源使用12V低倍率电池作为电源，再通过逆变器转换成220V电压，再通过开关电源把交流电变成直流电供给智能充电器，为解决转换过程中电量大量损耗掉的技术问题，论文设计了一种航模外场电源充电器，主要采用微控制器模块进行控制电流电压采集模块、变器模块、大功率智能平衡充电模块、锂电池充电等模块实现电池充电，其主要特征包括防爆箱体，防爆箱体内设置有高倍率锂电池，锂电池的电源输出端与电压及电流采集模块的输入端连接，电压及电流采集模块的输出端与主控开关模块的公共接线端连接，主控开关模块的第一个分接线端与USB快充模块的电源输入端连接，主控开关模块的第二个分接线端与逆变器模块的电源输入端连接，主控开关模块的第三个分接线端与大功率智能平衡充电模块的电源输入端连接，微控制器模块用于接收电压及电流采集模块采集的电流和电压数据，并控制主控开关模块的切换。

防爆箱体内还设置有温度表和散热风扇，温度表的信号输出端与微控制器模块的信号输入端连接，散热风扇的控制端与微控制器模块的控制信号输出端连接，当温度表感应的温度超过设置的阈值时，微控制器模块控制散热风扇工作，对防爆箱体内的器件进行散热处理。防爆箱体通过碳纤维隔板分隔为上下两部分，高倍率锂电池位于防爆箱体的下部空间内。USB快充模块上设置有四个USB充电接口。逆变器模块为220V输出的逆变器模块。充电器还包括锂电池充电模块，锂电池充电模块的输入端连接有充电接口，锂电池充电模块的输出端与锂电池的电源输入端连接，锂电池充电模块的控制端与微控制器模块的控制信号输出端连接。电压及电流采集模块包括电流电压表。充电器针对航模以及无人机使用，配备专业的大功率智能平衡充电设备以及高倍率锂电池组，最大支持5C充电，15C放电，充电时间大大缩短，能量转换效率大大提高，与市面带逆变器的外场应急电源有着明显区别。

2 实施方式

本设计的充电器原理框图如图1所示，主要包括防爆箱体1，防爆箱体1内设置有高倍率锂电池9，锂电池的电源输出端与电压及电流采集模块的输入端连接，电压及电流采集模块的输出端与主控开关模块6的公共接线端连接，优选的电压及电流采集模块包括电流电压表3。主控开关模块6的第一个分接线端与USB快充模块4的电源输入端连接，主控开关模块6的第二个分接线端与逆变器模块2的电源输入端连接，主控开关模块6的第三个分接线端与大功率智能平衡充电模块8的电源输入端连接，微控制器模块用于接收电压及电流采集模块采集的电流和电压数据，并控制主控开关模块的切换。

防爆箱体内还设置有温度表5和散热风扇7，温度表5的信号输出端与微控制器模块的信号输入端连接，散热风扇7的控制端与微控制器模块的控制信号输出端连接，当温度表5感应的温度超过设置的阈值时，微控制器模块控制散热风扇工作，对防爆箱体内的器件进行散热处理。主控开关模块6的输出分为三路，第一路为USB快充模块，第二路为逆变器模块，第三路为大功率智能平衡充电模块，三者具体使用哪一路通过微控制器模块进行控制。

设计的充电器的结构示意图有两个部分，分别如图2、图3所示，主要包括以下10个模块：1.防爆箱体；2.逆变器模块；3.电流电压表；4.USB快充模块；5.温度表；6.主控开关模块；7.散热风扇；8.大功率智能平衡充电模块；9、高倍率锂电池；10.碳纤维隔板。防爆箱体1通过碳纤维隔板10分隔为上下两部分，高倍率锂电池9位于防爆箱体1的下部空间内。USB快充模块4上设置有四个USB充电接口。逆变器模块2为220V输出的逆变器模块。充电器还包括锂电池充电模块，锂电池充电模块的输入端连接有充电接口，锂电池充电模块的输出端与锂电池的电源输入端连接，锂电池充电模块的控制端与微控制器模块的控制信号输出端连接。通过锂电池充电模块为锂电池进行充电。

图2 充电器的结构示意图（1）

图3 充电器的结构示意图（2）

防爆箱体：防水防爆ABS工程塑料箱体；防水级别：IP4；外部尺寸，长56，宽35，高23；内部尺寸，长51，宽28.5，高19.5；高倍率锂电池：规格：容量：80A；标称电压：3.7；放电倍率：15C；数量：6片；连接方式：串联；电源部分总标称电压：22.2V；最大放电电流：1200A；最大充电电流：400A；总功率：1776wh。大功率智能平衡充电模块：充电通道数量：2；单路充电尺寸电池串数：10；单路充电最大电流：40A；单路充电最大输出功率：1480wh；双路总输出功率：2960wh；逆变器模块：输出电压：AC 220V+-5V；输出频率：50Hz；三脚插孔：2；两脚插孔：2；USB快充模块：USB输出接口：4；支持快充协议：QC2.0、QC3.0、BC1.2、MTK、PE1.1、PE2.0、FCP、AFC和SFCP；防爆箱体作为承载体，承载所有组成及零配件，高倍率锂电池平铺于防爆箱体内部低层并粘连固定，盖上碳纤维盖板，逆变器模块，放置于碳纤维板右上方，USB快充模块放置于碳纤维板左上方，电压表与温度表放置碳纤维板中上方，以上部分用碳纤维隔板隔开，并留有部分空间放置第三部分大功率平衡充电器。

3 结语

为解决航模外场充电问题，设计了一种航模外场电源充电器，主要采用微控制器模块进行控制USB快充模块、逆变器模块、大功率智能平衡充电模块实现外场电源充电，同时，采用防爆箱体加散热装置作为承载体，承载所有模块及零配件，确保电池安全使用。充电器具有效率高、成本低、操作方便等优点，有较好的市场应用价值，为做更好的市场推广应用，后续还将从外观设计和内部集成等方面继续开展优化设计研究。