[發明專利]一種能量可回收水下航行器的電源管理系統

有效

• 申請號: 202010884831.5
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111987787B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 湯繼強;寧夢月;余世城;王浩安
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02J7/36
• 分類號: H02J7/36;H02J7/32;B63G8/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種能量可回收水下航行器的電源管理系統，其特征在于，該系統包括電池組(1)和電源管理電路(2)，其中：

所述電池組(1)為水下航行器提供工作所需的電能，包括兩組可充電鋰電池，其中一組為主電池，是供電的主要電源；另一組為副電池，主要負責能量回收，同時在主電池能量不足時作為輔助電源供電，兩組電池通過電源管理電路(2)實現輪流充放電；

所述電源管理電路(2)用以實現能量的回收和處理，包括能量回收電路(201)、整流電路(202)、升壓電路(203)、電壓檢測電路(204)和自動切換電路(205)；

所述能量回收電路(201)用于收集殼體振動和水流摩擦產生的能量，并將其轉化為電能輸出，能量回收電路(201)采用PVDF壓電材料設計，當壓電薄膜在環境中受到一定頻率的震動時，電極輸出端會產生正弦小電壓，該電壓作為輸入信號進入整流電路(202)中；

所述整流電路(202)用于將所述能量回收電路(201)產生的交流電進行整流并轉換為直流電，整流電路利用AD8436 AJCP-WP芯片設計，采用單電源模式，能量回收電路(201)輸出的正弦小電壓連接到整流電路(202)的ACIN輸入端，IGND端連接一個額外的旁路以抑制環境噪聲，引腳CAVG接一個470pF的電容以使內部環路保持穩定，將3.3μF電容接到輸出和FET輸入緩沖的同相輸入口以得到平均整流值；

所述升壓電路(203)用以實現DC-DC升壓，將整流電路(202)DC OUT端輸出的直流小電壓連接到升壓電路(203)的輸入端口，通過該電路將電壓升至電池組(1)充電所需的電壓值，為減小體積，升壓電路(203)采用非隔離型電感升壓模塊；

所述電壓檢測電路(204)用于實時檢測電池組(1)中主電池的電壓，并輸出控制信號至自動切換電路(205)中，電壓檢測電路(204)采用滯回比較器設計，為使其輸出兩路合適的控制信號，在比較器輸出端加入兩只穩壓管D1和D2，將它們反向串聯后比較器輸出電壓為U_o＝±5V，采用74門芯片搭建RS觸發電路，將比較器輸出電壓U_o轉為兩路控制信號，啟動航行器時主電池工作，升壓電路(203)輸出的電壓給副電池充電，當電壓檢測電路(204)檢測到主電池的輸出電壓低于比較器動作閾值的低電壓U_TL時，電壓檢測電路(204)的輸出端1和輸出端2輸出兩路控制信號，分別為低電壓和高電壓；當電壓檢測電路(204)檢測到主電池的輸出電壓高于比較器動作閾值的高電壓U_TH時，電壓檢測電路(204)的輸出端1和輸出端2輸出兩路控制信號，分別為高電壓和低電壓，電壓檢測電路(204)輸出的兩路控制信號連接到自動切換電路(205)的輸入信號端口；

所述自動切換電路(205)是配合電壓檢測電路(204)實現主副電池的輪流充放電，P1、P2、P3、P4是自動切換電路(205)的四路輸入端，Q1、S1、Q2、S2分別對應自動切換電路(205)的四路輸出開關，按接收信號可將輸入端分為P1P4、P2P3兩組，電壓檢測電路(204)的兩路輸出信號分別連接到P1P4、P2P3端口，由于輸入信號中含有干擾，為了提高電路的抗干擾能力，增加系統的穩定性，自動切換電路(205)采用了超小型光耦HCPL-181-000E，它能夠將輸入信號和輸出完全隔離，進而保證輸出的可靠性，為最大化的減少功率損耗，開關器件選用NMOS管，負載輸出端接高速開關管1N4148，高速開關管可以快速響應同時保護電路。

2.根據權利要求1所述的能量可回收水下航行器的電源管理系統，其特征在于：所述電池組(1)中兩組可充電鋰電池的充電電壓為12V，保護電壓為9V，工作電壓為11V～12V。

3.根據權利要求1所述的能量可回收水下航行器的電源管理系統，其特征在于：所述能量回收電路(201)PVDF壓電傳感器設計成壓電陣列，每個壓電單元的厚度為1mm，邊長為1cm；

所述能量回收電路(201)PVDF壓電單元貼在水下航行器的外表面，且兩個壓電單元的間距在1～3mm之間；

所述能量回收電路(201)電極引出方式是將導線與薄銅片焊接在一起，通過導電銀膠將薄銅片固定在壓電單元上。