系留气球不间断供电技术研究

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1、系留气球不间断供电技术研究苗颖1，2，姜鲁华1，徐国宁1（1.中国科学院光电研究院，北京100094；2.中国科学院研究生院，北京100190）摘要：供电系统是系留气球的重要组成部分，其正常运行是保证系留气球安全可靠的关键，一些特殊载荷需要不间断供电，即当主供电出现问题时，需要无缝切换到备用电源以实现系统和载荷正常运行。常用主备电切换方式动作缓慢，耗时较长，并且电路复杂可靠性低，结合系留气球供电系统的特点，提出一种简单易实现的不间断供电方式，即在电磁继电器基础上，在备用电源支路上再连接一组开关管并配合小容

2、量电容，当系统检测到电压异常后，开关管在几微秒内快速切换到备用电源，电磁继电器在开关管接通一段时间后也会切换到备份电池，此时备份电池通过两条通路供电给母线，不仅球载电子设备可以稳定工作，而且可靠性大大增加。经过仿真和相关实验，证明这种供电结构实现了不间断供电，并且具有较高的可靠性。.jyqks后就会自动重新启动，所有逻辑都将自动复位，因此切换开关组件的选择对缩短切换时间、保持负载电压稳定具有重要意义。在不改变原先电磁继电器主/备份通路的基础上，采用IGBT或MOS开关器件，作为备用电源的另一通路上的开关，

3、在主母线掉电后迅速接通备用电源。IGBT或MOS开关器件具有无触点、快速、无火花接痕等特点，其开通、关断时间仅为几十微秒[8]，在计算机容许断电的时间内，能够实现无缝切换。电路系统中如果输入信号在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏），故在切换支路中加入滞回比较电路，此比较器采用LM339迟滞比较器，迟滞比较器又可以理解为加正反馈的单限比较器，输出线路带有电压保护模块，加入其目的是为了保护开关管和电子负载设备免受电压突然冲击造成毁坏，主电路切换原理如下：（1）主电源正常时，供电母线2

4、8V正常供电，此时开关管处于断开状态；（2）主电源出现故障，供电母线掉电或电压降低，此时开关管通过电压采集模块检测到主母线掉电或电压降低状态，开关管在几微秒内打开，迅速将备用电源连接到主母线上；（3）电磁继电器在开关管打开一段时间后切换到备用电源，此时备用电源通过两条通路给供电母线供电，即使开关管损坏断开也不影响正常供电；（4）开关管电压采集采用分压形式，电路全部是模拟电路，可靠性高。信号采集模块实时监测供电电压状况，一旦检测到主电源故障立刻切换到备用电源。备用电源采用的是锂电池组，电池长时间频繁切换会导

5、致温度升高，而温度是电池内部化学反应的催化剂，温度高使电池反应加剧。因此需要对电源是否失压进行预测，以防止切换系统频繁动作致使锂电池损坏。球上控制模块工作范围在18~36V，也就是当供电电压低于18V时系统不能正常工作，这个值即为飞控设备所需最低电压值，主电源供电电压为28V，本文中拟采用主电源正常工作电压与飞控设备所需最低电压的算术平均值作为判定有失压趋势的临界电压值。通过进一步判断主电压工作状况，经过一定的延时，排除外界因素或负载扰动引起的电压波动。2电源不间断切换仿真实验及结果2.1电源不间断切换仿

6、真通过对比上述两种切换方式，原理上开关管切换电路能够较好地实现不间断供电。为了进一步分析其可行性，需进行仿真验证，仿真模型的搭建采用Simulink模块，Matlab的Simulink工具是用于各种动态系统建模、分析和仿真的图形交互环境[9]，Simulink仿真具有便利性和真实性，各仿真单元基本可与实物电路对照，此模块具有适应面广，结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际，效率高，灵活等优点，目前Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计中[10]。搭建的模型图和仿真波形图如图5和图

7、6所示。主电源采用脉冲模拟电源正常和掉电的情况，主电源电压设置为28V，外加直流电源为5V，通过比较器判断电压是否断电，根据比较器输出结果控制开关的一端输入，另一端备用电源输入采用25V直流电压（主要在波形图中观察时比较方便对比原电压大小的变化），控制信号控制备用25V电源的投入，在示波器中观察电压的变化，从图6可以看出，电压由28V降到0时瞬间接入备用电源，切换时间非常短暂（约为100μs）且后续电压稳定。2.2实验及结果完成切换电路的仿真模型后认为此种切换电路可实现不间断供电的任务，所以根据切换原理进

8、行实验，所得负载示波器图像如图7所示。实验对开关管两端电压和负载两端电压进行采集实验，实验波形一为主供电线路中未加入电容，通道1为开关管电压采集检测波形，通道2为负载电压波形，根据主/备电切换原理，在主电源掉电瞬间开关管接通备用电源，由备用电源继续为负载供电，由图中可以看出，切换间隙为50μs，时间非常短暂，但切换波形动作之间的波动比较大，出现这样的结果是电压有一定反应时间，不能立即为后续供电造成，经过分析认为在主供电线路母线