技术领域
[0001] 本
发明属于电池系统，涉及一种空投用低温脉冲电池电路。
背景技术
[0002] 随着装备的智能化发展，越来越多的空投空降装备中要使用电池系统来给
电子设备和作动装置供电。空降空投装备使用时，工作的时长较短，从离机到落地解脱最短时间只有90s，最长也只有10min左右，因此对电池系统的容量要求不高，但空投空降装备经历室外准备，空投运输，高空投放，均可能暴露在低温环境中，并且空投空降装备多为单独系统不与飞机有供电交联，所以要完全依靠自身自带的电池系统在低温条件下驱动作动装置，作动装置有电起爆器和
电机，电起爆器一般是分离系统用，电机一般是调整空投系统
姿态使用，而作动装置功率较大，电起爆器工作时功率25W～100W,电机工作时功率600W～2200W，所以对电池系统提出了很高的低温、大
电流放
电能力的要求。
[0003] 目前锂电池按放电倍率可以分为高倍率放电电池、中倍率放电电池、低倍率放电电池。0℃到常温范围，高倍率放电电池都可以以20C倍率放电，-20℃时高倍率放电电池仍可以以10C倍率放电，但-20℃以下高倍率放电电池的放电能力迅速下降，特别是在-30℃～-40℃区间，高倍率放电电池基本都只能以0.3C倍率放电。低倍率放电电池，同等体积、重量的条件下，容量可以做得更大，但低温放电能力非常弱。中倍率放电电池，可以保证在-20℃至常温段以5C倍率放电，-40℃时能以1C倍率短时间放电。
[0004] 空投空降装备需依靠电池本身来完成低温、大电流放电，则电池会设计得既大又重。空投空降装备为多次使用系统，系统对成本关注度较高，同时作为空投装备要求各配套的组件重量尽量轻、小。目前
能量重量比最高的是热电池，但热电池为一次性产品，使用成本高，且热电池不能满足长时间供电和大电流放电的要求。
[0005] 综上所述，空投用电池
现有技术中存在着既大又重，且不能满足低温环境、长时间供电、大电流放电等技术问题。
发明内容
[0006] 发明目的：本发明的目的是提供一种空投用低温脉冲电池电路，此电池系统和同等体积、重量的电池相比具有较好的低温性能，可以长时间供电，同时具备大功率脉冲输出能力。
[0007] 技术方案：一种空投用低温脉冲电池电路，由全
铝外壳密封，采用航空接
插件对外输出电能，其包括：用于给对外输出电能的电池BT和超级电容模
块CB1和CB2，限流
电阻阵列R1和R17、使电流只从电池流进电容模块的整流
二极管D2和D3，使电池可以直接对外输出电能的
整流二极管D4，所述电池BT为电芯串、并联组合而成的电芯组，所述超级电容模块CB1包括由多只串、并联组合的超级电容和电容
电压均衡电路C1，电池BT与超级电容模块CB1并联，在超级电容模块CB1正极
串联有双刀
开关S1，超级电容模块CB1中的电压均衡电路C1将串联中的各个超级电容的电压控制到设定的电压；所述限流电阻阵列R1和R17为2个相同的限流电阻阵列，可以降低单个限流电阻功率；
[0008] 当不需要对外输出电能时，电池BT经过开关，整流二极管D2给超级电容模块CB1充电至设定的电压，当需要对外输出电能时，电池BT经过整流二极管D4对外输出电能，超级电容模块CB1经过放电回路中的整流二极管D5也同时对外输出电能。
[0009] 进一步地，连接电池BT的电路中还包括对电池BT和超级电容模块CB1进行保护的瞬态抑制二极管D1。
[0010] 进一步地，电芯的
负极材料为
磷酸铁锂。
[0011] 进一步地，电芯制成IRF26650圆形，电芯与电芯之间用
铜镀镍片连接，上、下层电芯之间采用固定
支架将其固定。
[0012] 进一步地，连接电芯与电芯之间的铜镀镍片最好为0.2mm。
[0013] 进一步地，所述超级电容模块CB1的个数根据对外输出电能有大小确定。
[0014] 进一步地，所述超级电容模块CB1由25只超级电容串联，每只超级电容外部均有均衡电路，每4只串联的电容取一个电压
节点，依次为GND_A，GND_B，GND_C，GND_D，GND_E，GND_F，超级电容模块对外两个电压节点标记为+、-。
[0015] 进一步地，所述超级电容C1包括分压电阻R21和R22，限流电阻R23和R24，限流电阻阵列R25，滤波电容C26，用于设定电容电压均衡的基准点的稳压管D7，单电源4单元比较器的第一部分为U1A的电源连接到超级电容模块的+，地连接到GND_A，开关管Q1的控制极由U1A的输出端经限流电阻R24控制。
[0016] 进一步地，与超级电容C1串联的还有超级电容C2、C3、C4，超级电容C2、C3、C4外部电压均衡电路与超级电容C1相同，依次采用4单元比较器的第二、第三、第四部分。
[0017] 进一步地，超级电容C5～C8的电压均衡电路与C1～C4的电压均衡电路类似，比较器电源连接到GND_A，地连接到GND_B。
[0018] 技术效果：本发明采用磷酸铁锂电芯与超级电容模块组合而设计出的一种空投用低温脉冲大功率电池系统，具有体积小、重量轻，成本较低，环境适应范围宽，特别是能在低温(-40℃)条件下直接使用，使用方便、维护简单，整体具有很高的可靠性。利用电芯闲时小电流给超级电容模块储能，大电流使用时，超级电容模块对电机放电，对于控制电机启动、短时间转动十分适用，对于间隔一段时间需要操作一下电机的空降空投领域尤其适用。
附图说明
[0019] 图1为本发明电路原理图；
[0020] 图2为图1超级电容模块CB1的串联结构内部连接电路原理图；
[0021] 图3为图2小虚线框中的均衡电路原理图。
具体实施方式
[0022] 下面通过具体实施方式对本发明的一种空投用低温脉冲大功率电池系统作进一步的详细说明：
[0023] 图1中，D1为瞬态抑制二极管，用于抑制电机停止转动时所产生的反向电动势，以防止反向电压或过高的电压对电池频繁的冲击。BT为电芯串并联组合而成的电池。CB1和CB2为超级电容模块，可由多只超级电容串、并联组合，CB1和CB2结构、参数完全一致。D4为整流二极管，保证电池可以直接对外输出电能，同时防止超级电容模块放电时对电池充电。S1为双刀开关。R1和R17为2个相同的限流电阻阵列，以降低对单个限流电阻功率的要求。D2和D3为相同的整流二极管，保证电流只从电池流进电容模块。D5和D6为相同的整流二极管，保证超级电容模块只对外输出电能。
[0024] 图2为图1超级电容模块CB1的一种串联结构内部连接图，由25只超级电容串联，每只超级电容外部均有均衡电路(由小虚线框所框)，每4只串联的电容取一个电压节点，依次为GND_A，GND_B，GND_C，GND_D，GND_E，GND_F，超级电容模块对外两个电压节点标记为+、-。
[0025] 图3为图2中小虚线框中的均衡电路。其中C1为图2中超级电容C1，R21和R22为设定的分压电阻。R23为限流电阻。D7为稳压管，用于设定电容电压均衡的基准点。U1A为单电源4单元比较器的第一部分，其中电源连接到超级电容模块的+，地连接到GND_A。R24为限流电阻。C26为滤波电容。R25为限流电阻阵列。Q1为开关管，Q1控制极由U1A的输出端经限流电阻R24控制。超级电容C2、C3、C4外部电压均衡电路与图3相同，只是依次采用4单元比较器的第2、第3、第4部分。超级电容C5～C8的电压均衡电路与C1～C4的电压均衡电路类似，只是比较器电源连接到GND_A，地连接到GND_B。后续各组超级电容的电压均衡电路以此类推。
[0026] 电芯组经过电芯串、并组合得到。电芯采用具有较好的热
稳定性、中倍率(主要兼顾放电能力和低温特性)和较长
循环寿命的磷酸铁锂作为负极材料，制成IRF26650圆形，电芯与电芯之间采用0.2mm铜镀镍片连接，上、下层电芯之间采用固定支架将其固定。超级电容模块由超级电容串、并联组合和电容电压均衡电路组成。电池系统由全铝外壳密封，采用航空接插件对外输出电能。
[0027] 当电机未转动时，电芯组经过开关，限流电阻阵列、整流二极管给超级电容模块充电，超级电容模块中的电压均衡电路将串联中的各个超级电容的电压控制到设定的电压；当电机需要转动时，电芯组经过另一路整流二极管给电机供电，同时超级电容模块经过放电回路中的整流二极管给电机供电，让电机转动。特别是在低温(如-40℃)条件下，电芯组在电机未转动的时间内以1C的电流给超级电容模块充电，经过约20s左右时间将超级电容充满，当电机转动时，超级电容模块可以以电池容量5～7倍的电流对电机连续放电5s左右，可以支持电机对空投系统做2次大动作的姿态调整。连接电路中还包括对电池和超级电容模块进行保护的瞬态抑制二极管。
[0029] 某空投系统的电机功率约为2200W，额定电压Vd为60V，工作电压范围35V～72V。单次空投使用时间不超过10min，经统计空投过程中，单次控制电机转动时间一般不超过2.5s,电机转动间隔不小于10s。
[0030] 中倍率磷酸铁锂单个电芯标称电压3.2V，IRF26650额定容量3.2Ah。电芯串联后的标称电压Vb为装备或作动装置额定工作电压Vd的0.95～1.1之间，电芯串并联后的额定容量(Ah)大于等于装备或作动装置所需电流(A)的1/5，以此满足在-20℃及以上
温度时，电池可以
直接驱动装备或作动装置。因此需要18～21只电芯串联组成电芯组；同时从方便组装、固定考虑，采用20个
单体串联较为方便、可靠。从所需能量考虑，电机全程所需最大能量E＝2200W×(10/60)×[2.5/(10+2.5)]＝73.3Wh，单串联64V电芯组能量足够；从超级电容模块充电时间和电流考虑，充电电流约为放电电流的1/5，即6.9A，中倍率磷酸铁锂
电池组在-40℃条件下最大可1C短时间给超级电容模块充电，因此，至少需要3组(6.9Ah/3.2Ah＝2.16，取整同时保留余量，至少要3组电池)串联好的磷酸铁锂电芯组(64V)再并联组成BT电池组(64V，9.6Ah)。
[0031] 中倍率磷酸铁锂电池组(64V，9.6Ah)在-20℃条件下可以保证5C放电，电机转动电流约37A，因此常温条件下，电池组可以直接
驱动电机正常转动，因此整流二极管D4的可承受电流大于2倍电机正常转动电流，同时耐
浪涌电流应大于等于6倍的正常转动电流(兼顾二极管的浪涌测试时间考虑，可以测试时间长可以降低耐浪涌电流大小)。
[0032] CB是超级电容模块，单个充满电的超级电容模块也可以驱动电机转动一次，因此，CB连接输出的整流二极管D5，D6同D4型号、参数相同。1个CB所需储存的能量为2200W×2.5s＝5500W.s。单个超级电容耐压一般为2.7V，串联后电容模块耐压升高，容量降低，64V/2.7＝23.7同时为了便于安装，因此选择25个电容串联。电容容量与电容储存能量的关系式，1/2×(U2-U02)×C>5500，U为64V，U0为放电终止电压，结合电机正常工作所需电压，一般U0取
0.574×U，计算得C＝3.84F，因此需要采用25个100F的超级电容串联。
[0033] 考虑到超级电容放电驱动电机时防止超级电容给电池组反充电，电池组和超级电容之间增加整流二极管D2，D3，同时考虑到电池组低温条件下不具备大电流放电能力，电池与超级电容之间同时增加了可短时间耐受大功率冲击的贴片电阻来限流。电阻并联后电阻根据超级电容充电时间和电池组放电电流来决定，当使用2组超级电容模块时，则超级电容模块只需要在20s内完成充电，计算所需充电电流大于等于4.5A，结合电阻功率考虑，使用188Ω的电阻时，则至少需要14只并联，因此设计成16只并联，耐冲击功率大于等于21.8W，因此选用耐冲击功率30W的RM6363-6WMB1880JT。
[0034] 限流电阻阵列和电池组之间采用拨动开关连接，执行任务前，打开开关，防止超级电容一直与电池连接，因超级电容的漏电效应长时间对电池容量造成损耗。
[0035] 一个超级电容模块由25只超级电容串联，如图2所示。
[0036] 超级电容模块中的每只超级电容均采用了相同的电压均衡电路，以保证在充电时，每只电容都能较均衡的充满电，以提高放电时的对外输出功率和能量的能力。均衡电路如图3所示。均衡电路的原理为，当单个超级电容充电至2.5V时，稳压管D7导通，将比较器U1A的基准电压箝位至2.5V；继续给超级电容充电，当充至2.7V时，比较器U1A的正输入端电压10/10.8*2.7V＝2.5V，此时比较器输出高电平，将打开场效应管Q1，之后电容上的电压将保持2.7V，电池组继续给后级未充满的超级电容充电。采用含4比较单元的比较器，将超级电容每4只一组，比较器供电的正极接4只串联超级电容的正极，比较器供电的负极接4只串联超级电容的负极。
