本實(shí)用新型涉及電源系統(tǒng)，具體涉及一種用于直升機(jī)的動(dòng)力電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

直升飛機(jī)是一種可以垂直起降、懸停的旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器，被大量使用于空中物質(zhì)運(yùn)輸、勘探、救災(zāi)等的需要，成為應(yīng)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(huán)境也較惡劣，如經(jīng)常在野外惡劣條件下起飛等。

直升機(jī)用直流化學(xué)電源在使用過(guò)程中擔(dān)負(fù)為關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)急供電和啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的職能，是直升飛機(jī)安全飛行、野外正常使用的可靠保障。目前，機(jī)載直流化學(xué)電源標(biāo)稱(chēng)電壓通常為二十多伏，種類(lèi)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(jī)整機(jī)技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求也不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的起動(dòng)峰值電流接近1000A，隨后起動(dòng)電流不斷降低，尤其是野外執(zhí)行任務(wù)下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于沒(méi)有其它的地面電源可供使用，直升機(jī)必須依靠直流化學(xué)電源的起動(dòng)能力才能保證起飛，對(duì)直流化學(xué)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(diǎn)影響了整機(jī)技術(shù)指標(biāo)的提高。

鋰離子電池是二十世紀(jì)九十年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型高能電池，具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電小及免維護(hù)等特點(diǎn)，特別是其優(yōu)越的高比能量性能和自放電小的特性，適應(yīng)了裝備對(duì)電源系統(tǒng)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(dá)不到直接起動(dòng)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率要求，并且其放電功率會(huì)隨著使用時(shí)間進(jìn)一步衰減。

超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，其具有高功率輸出、大電流快速充電、高低溫性能優(yōu)異、循環(huán)壽命次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，但目前超級(jí)電容器的比能量太低、自放電大，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提出一種兼顧輕量化和大輸出功率并滿(mǎn)足直升機(jī)使用的動(dòng)力電源系統(tǒng)。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種用于直升機(jī)的動(dòng)力電源系統(tǒng)，包括：

組合殼蓋及設(shè)置于組合殼蓋中的鋰離子電池組、超級(jí)電容器組、監(jiān)控模塊、加熱模塊、斷路器、接觸器、第一隔離二極管、第二隔離二極管、輸入繼電器、輸出繼電器、霍爾傳感器、信號(hào)連接器及輸出連接器；

所述信號(hào)連接器與直升機(jī)的上位機(jī)和充電器相連，并與鋰離子電池組、超級(jí)電容器組和監(jiān)控模塊相連；所述鋰離子電池組通過(guò)斷路器連接監(jiān)控模塊的電源輸入端，通過(guò)第一隔離二極管連接輸出連接器；所述超級(jí)電容器組通過(guò)接觸器連接第二隔離二極管，通過(guò)第二隔離二極管連接輸出連接器；所述霍爾傳感器的電流采樣信號(hào)連接到監(jiān)控模塊；所述輸出連接器與直升機(jī)應(yīng)急匯流條連接；所述監(jiān)控模塊通過(guò)輸出繼電器控制接觸器；所述鋰離子電池組通過(guò)輸入繼電器連接超級(jí)電容器組，在鋰離子電池組和超級(jí)電容器組上均設(shè)置有加熱模塊；監(jiān)控模塊控制輸入繼電器，并對(duì)鋰離子電池組和超級(jí)電容器組進(jìn)行監(jiān)控、加熱。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述超級(jí)電容器組由11只360F雙電層超級(jí)電容器串聯(lián)而成，其能量來(lái)源于直升機(jī)匯流條或鋰離子電池組。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述鋰離子電池組由7只60Ah鋰離子電池串聯(lián)而成，其能量來(lái)源于直升機(jī)匯流條。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述監(jiān)控模塊包括單片機(jī)及與其相連的DC/DC變換器、CAN通信模塊、采樣模塊、均衡模塊，其工作電源來(lái)源于直升機(jī)匯流條或鋰離子電池組。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述斷路器用于接通或斷開(kāi)鋰離子電池組提供給監(jiān)控模塊的工作電源，在空中為接通狀態(tài)，在地面擱置時(shí)由人工操作斷開(kāi)。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述輸入繼電器用于接通或斷開(kāi)鋰離子電池組對(duì)超級(jí)電容器組的充電，正常條件下為斷開(kāi)狀態(tài)，在空中應(yīng)急或地面起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)為接通狀態(tài)。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述鋰離子電池組與超級(jí)電容器組通過(guò)輸出繼電器進(jìn)行功率耦合，超級(jí)電容器組與鋰離子電池組同時(shí)提供發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的峰值功率輸出，鋰離子電池組提供除發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間峰值功率外的輸出及為應(yīng)急匯流條的關(guān)鍵設(shè)備提供應(yīng)急輸出。

作為進(jìn)一步優(yōu)化，所述監(jiān)控模塊與直升機(jī)的上位機(jī)之間采用CAN通信。

本實(shí)用新型的有益效果是：結(jié)合機(jī)載直流化學(xué)電源在直升機(jī)電源系統(tǒng)中的裝機(jī)應(yīng)用模式和直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(yōu)異及超級(jí)電容器的高功率輸出特性、大電流快速充電等優(yōu)點(diǎn)，將低溫高功率型鋰離子電池和超級(jí)電容器進(jìn)行系統(tǒng)集成研究，綜合利用鋰離子電池和超級(jí)電容器各自?xún)?yōu)勢(shì)并形成互補(bǔ)，鋰離子電池組與超級(jí)電容器組由智能管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控模塊、輸出繼電器功率耦合后提供起動(dòng)瞬間峰值功率輸出。該直升機(jī)用新型動(dòng)力電源系統(tǒng)不僅具備野外單獨(dú)起動(dòng)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，而且降低了機(jī)載直流化學(xué)電源的重量，符合直升機(jī)裝機(jī)應(yīng)用的使用模式和要求，能夠?qū)嵱糜诖笮椭鄙龣C(jī)或其它類(lèi)似飛行器作為機(jī)載應(yīng)急直流化學(xué)電源系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例中的動(dòng)力電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中的動(dòng)力電源系統(tǒng)原理框圖；

圖中，1為鋰離子電池組，2為超級(jí)電容器組，3為監(jiān)控模塊，4為鋰離子電池加熱模塊，5為超級(jí)電容器加熱模塊，6為斷路器，7為接觸器，8為隔離二極管，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(hào)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(jí)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的方案作進(jìn)一步的描述：

實(shí)施例：

如圖1所示，本例的用于直升機(jī)的動(dòng)力電源系統(tǒng)包括鋰離子電池組1、超級(jí)電容器組2、監(jiān)控模塊3、鋰離子電池加熱模塊4、超級(jí)電容器加熱模塊5、斷路器6、接觸器7、隔離二極管8、輸入繼電器9、輸出繼電器10、霍爾傳感器11、信號(hào)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(jí)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只60Ah/3.7V鋰離子電池采用金屬銅板加工的金屬板串聯(lián)連接而成。60Ah鋰離子電池采用15只篩選合格、改性鈷酸鋰、額定容量為4Ah軟包裝鋰離子電池并聯(lián)增容技術(shù)路線(xiàn)，4Ah軟包裝鋰離子電池輸出極端打孔后，用螺釘并聯(lián)在集流柱上，再將并聯(lián)4Ah軟包裝鋰離子電池的集流柱裝入60Ah鋰離子電池殼內(nèi)，再分別裝上電池蓋、極性片、平墊片及螺母，在電池殼內(nèi)注入高發(fā)泡率的聚氨脂泡沫填縫劑填充，并采用專(zhuān)用夾具使聚氨脂泡沫填縫劑固化而成。鋰離子電池組1的充電采用直升機(jī)的充電器進(jìn)行，充電電流為12A，每只60Ah鋰離子電池的充電限制電壓為4.2V。

超級(jí)電容器組2為11只360F/2.7V雙電層超級(jí)電容器采用金屬銅板加工的金屬板串聯(lián)連接而成。超級(jí)電容器的充電電流為3A，充電限制電壓為2.67V。超級(jí)電容器組2的充電來(lái)源于直升機(jī)的充電器或鋰離子電池組1，在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常時(shí)采用直升機(jī)的充電器進(jìn)行充電，超級(jí)電容器組2的輸出由智能管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控模塊3控制輸出繼電器10、接觸器7進(jìn)行。

監(jiān)控模塊3包括單片機(jī)、DC/DC變換器、CAN通信模塊、采樣模塊、均衡模塊、加熱電路，內(nèi)嵌智能管理系統(tǒng)，其工作電源來(lái)源于直升機(jī)匯流條或鋰離子電池組1。監(jiān)控模塊3具備單體電壓采樣、總壓采樣、容量均衡、電流采樣、溫度采樣、加熱控制、充電切換、通信功能。監(jiān)控模塊3與直升機(jī)的上位機(jī)采用CAN通信。監(jiān)控模塊3在空中檢測(cè)到匯流條掉電和接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)或地面接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)，在超級(jí)電容器組2電壓充足時(shí)由智能管理系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器11檢測(cè)直升機(jī)用新型動(dòng)力電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電流達(dá)到50A后，通過(guò)輸出繼電器10控制接觸器7接通超級(jí)電容器組2的輸出，并在持續(xù)1.5S后切斷超級(jí)電容器組2的輸出；在超級(jí)電容器組2電壓不足時(shí)由智能管理系統(tǒng)接通輸入繼電器9控制鋰離子電池組1在2min內(nèi)完成對(duì)超級(jí)電容器組2充電，再通過(guò)霍爾傳感器11檢測(cè)直升機(jī)用新型動(dòng)力電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電流達(dá)到50A后，通過(guò)輸出繼電器10控制接觸器7接通超級(jí)電容器組2的輸出，并在持續(xù)1.5S后切斷超級(jí)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(lái)源于直升機(jī)的充電器，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)加熱條件時(shí)由監(jiān)控模塊3的智能管理系統(tǒng)接通加熱回路，當(dāng)達(dá)到要求的溫度時(shí)由監(jiān)控模塊3的智能管理系統(tǒng)切斷加熱回路。

超級(jí)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(lái)源于直升機(jī)的充電器，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)加熱條件時(shí)由監(jiān)控模塊3的智能管理系統(tǒng)接通加熱回路，當(dāng)達(dá)到要求的溫度時(shí)由監(jiān)控模塊3的智能管理系統(tǒng)切斷加熱回路。

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(tài)；在地面擱置時(shí)由人工操作斷開(kāi)。

接觸器7安裝在安裝板19上，在匯流條正常、未接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)為斷開(kāi)狀態(tài)；在空中檢測(cè)到匯流條掉電和接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)或地面接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)，由智能管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控模塊3控制輸出繼電器10接通。

隔離二極管8安裝在組合殼14上，分為鋰離子電池組1隔離二極管和超級(jí)電容器組2隔離二極管，鋰離子電池組1隔離二極管用于隔離直升機(jī)匯流條對(duì)鋰離子電池組1的反灌充電；超級(jí)電容器組2隔離二極管用于隔離鋰離子電池組1通過(guò)放電回路對(duì)超級(jí)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(kāi)狀態(tài)；接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)，由智能管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)為斷開(kāi)狀態(tài)；在空中檢測(cè)到匯流條掉電和接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)或地面接到上位機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)指令時(shí)，由智能管理系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控模塊3控制接通。

霍爾傳感器11安裝在安裝板19上，用于檢測(cè)直升機(jī)用新型動(dòng)力電源系統(tǒng)的輸出電流。

信號(hào)連接器12安裝在組合殼14的輸出面板上，與直升機(jī)的上位機(jī)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(jī)的應(yīng)急匯流條連接。

組合殼14采用鋁板機(jī)加工成型，四周面板與底部面板采用螺釘緊固連接，在兩邊側(cè)面板上有與直升機(jī)安裝緊固的固定孔。

組合蓋15采用鋁板機(jī)加工成型，與組合殼14采用螺釘緊固連接。

壓塊16采用具備耐高溫、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，用于限制監(jiān)控模塊3接通輸入繼電器9時(shí)鋰離子電池組1對(duì)超級(jí)電容器組2的瞬間大電流。

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

安裝板19采用鋁板機(jī)加工成型，與組合殼14之間采用螺釘緊固連接。

鋰離子電池安裝底座20采用具備耐高溫、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(nèi)。

如圖2所示，對(duì)于本例中的動(dòng)力電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信號(hào)連接器與直升機(jī)的上位機(jī)和充電器相連，信號(hào)連接器與鋰離子電池組和超級(jí)電容器組相連，從而為鋰離子電池組和超級(jí)電容器組提供充電電源；信號(hào)連接器還與監(jiān)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(guò)斷路器與監(jiān)控模塊的電源輸入端相連，從而也可以在應(yīng)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管；超級(jí)電容器組的輸出連接接觸器，監(jiān)控模塊通過(guò)輸出繼電器來(lái)控制接觸器，從而接通或切斷超級(jí)電容器組的輸出；在鋰離電池組和超級(jí)電容器組上均設(shè)置有加熱模塊，監(jiān)控模塊可以監(jiān)控鋰離子電池組和超級(jí)電容器組的各項(xiàng)指標(biāo)并提供相應(yīng)控制，包括：電流采樣、電壓采樣、溫度采樣、加熱控制、均衡控制；此外，若超級(jí)電容器組的電壓不足，監(jiān)控模塊還可以通過(guò)控制鋰離子電池組和超級(jí)電容器組之間的輸入繼電器接通，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組對(duì)超級(jí)電容器組的快速充電；監(jiān)控模塊還通過(guò)霍爾傳感器采樣系統(tǒng)的輸出電流，從而判斷是否達(dá)到接通超級(jí)電容器組輸出條件。

本例直升機(jī)用新型動(dòng)力電源系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓為25.9V，額定容量為60Ah，質(zhì)量比能量達(dá)到74.5Wh/kg，瞬間輸出功率達(dá)到21kW，工作電壓高，放電電壓穩(wěn)定，抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)，質(zhì)量非常可靠，具備野外單獨(dú)起動(dòng)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，而且降低了機(jī)載直流化學(xué)電源的重量，符合直升機(jī)裝機(jī)應(yīng)用的使用模式和要求，能夠?qū)嵱糜诖笮椭鄙龣C(jī)或其它類(lèi)似飛行器作為機(jī)載應(yīng)急直流化學(xué)電源系統(tǒng)。