Estudo e desenvolvimento de um carregador de baterias de ampla faixa de tensão e potência para aeronaves remotamente pilotadas

Abstract

Drones ou aeronaves remotamente piloatadas (Remotely-Piloted Aircraft ? RPA) estão sendo cada vez mais utilizados para aplicações como mapeamento geográfico, vigilância, marketing digital, delivery, irrigação agrícola, inspeção de infraestrutura, entre outras. A maioria dessas aeronaves são puramente elétricas, sendo a única fonte de energia, bancos de baterias de íon-lítio ou lítio polímero (Lipo). Estas baterias são desenvolvidas pela associação de um número diferente de células em série, geralmente variando entre três (3S) a doze células (12S), o que acarreta em um maior nível de tensão do sistema de armazenamento. A maioria dos carregadores disponíveis comercialmente, no entanto, não lida com a vasta variedade de baterias usadas nessas aeronaves, ou são projetados para carregar bancos de baterias de baixa tensão (até 6S) ou superior (12S a 14S). Com o intuito de superar esse obstáculo, este trabalho apresenta um sistema eletrônico para carregar uma ampla gama de baterias (3S-12S) utilizadas em aeronaves remotamente pilotadas. O sistema é composto por três módulos compostos cada um por um retificador SEPIC PFC e um conversor cc-cc Buck. A depender da potência demandada pelo banco de baterias a ser carregador o carregador utiliza um, dois ou os três módulos de maneira intercalada, o que acarreta na redução das ondulações de corrente tanto da entrada quando da saída. Cada módulo foi projetado para uma potência nominal de 400 W. Para a funcionalidade do sistema se faz necessário que seja forneçido o nível de tensão do banco de baterias e a capacidade do mesmo, com esses dados o carregador, internamente, configura os níveis de tensão do barramento para a pré carga dos capacitores e os níveis de referência para as malhas de controle. O sistema proposto é adequado para carregar bancos de baterias de 3S a 12S (11,1 V a 44,4 V) com corrente de carga de até 10 A.

Abstract: Drones or remotely piloted aircraft (RPA) are increasingly being used for applications such as geographic mapping, surveillance, digital marketing, delivery, agricultural, and infrastructure assessment, among others. The majority of these aircraft are all-electric, with lithium-ion or lithium polymer (Lipo) battery banks serving as the only power source. These batteries are created by connecting a varied number of cells in series, often between three (3S) and twelve (12S), resulting in a greater voltage level in the storage system. Most commercially available chargers, however, do not handle the vast range of batteries used in these aircraft, or are designed to charge lower voltage (up to 6S) or higher (12S to 14S) battery banks. To address this issue, this paper provides an electrical method for charging a wide variety of batteries (3S-12S) used in remotely piloted aircraft. The system consists of three modules, each composed of a SEPIC PFC rectifier and a dc-dc Buck converter. Depending on the power demanded by the battery bank to be charged, the charger uses one, two, or all three modules in an interleaved manner, resulting in reduced current ripples both at the input and output. Each module has been designed for a nominal power of 400 W. For the functionality of the system, it is necessary to provide the voltage level of the battery bank and its capacity. With this information, the charger internally configures the bus voltage levels for capacitor precharging and the reference levels for control loops. The proposed system is suitable for charging battery banks from 3S to 12S (11.1 V to 44.4 V) with a charging current of up to 10 A.