CN109660200B - 太阳能无人机能源管理***及具有其的太阳能无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能无人机能源管理***及具有其的太阳能无人机，能源管理***包括：分线盒、储能电池、多个太阳能电池子阵、多个MPPT控制器、DC‑DC变换器和能源管理单元EMU，储能电池与分线盒连接，各个太阳能电池子阵均由多个太阳能电池片组成，多个太阳能电池子阵与储能电池并联连接在分线盒上，太阳能电池子阵用于为储能电池和用电设备供电，各个太阳能电池子阵之间的功率差值范围为0W至10W，多个MPPT控制器与多个太阳能电池子阵一一对应连接，DC‑DC变换器与分线盒连接，能源管理单元EMU分别与储能电池、多个MPPT控制器以及DC‑DC变换器连接。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中太阳能电池阵的整体发电效率低以及能源***可靠性差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天能源***技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机能源管理***及具有其的太阳能无人机。
背景技术
目前，在太阳能飞行器的相关研究中，以高空长航时太阳能无人机的研究最为广泛。太阳能无人机以太阳能为能源，理论上可以永久飞行，且对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上，太阳能无人机可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控、外星球探测等。在军事上，太阳能无人机可用于边境巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等任务。
但受制于现有技术发展水平，高空长航时太阳能无人机目前还处于理论研究以及试验验证阶段。为了实现高空长航时飞行，高效高可靠性的能源管理***设计是关键之一。太阳能无人机能源管理***能够实现对能源获取、储存和传输变换环节进行有效协调，以满足平台昼夜循环工作的能源需求。目前，对太阳能无人机而言，比较成熟的能源***方案是使用太阳能电池与储能电池协同供能。能源***拓扑结构和管理策略的设计关系到平台能否实现能源闭环。
然而，现有的太阳能无人机能源管理***通过将多个太阳能电池片并联在一起以对负载和储能电池供电，由于不同的太阳能电池片之间所获取的光照存在差异，因此导致不同的太阳能电池片间的输出特性存在较大差异，从而多个太阳能电池片的输出特性曲线会存在多个功率峰值。由于多功率峰值的存在，由多个太阳能电池片构成的太阳能电池阵所产生的功率将低于实际最大可能值，降低了太阳能电池阵的整体发电效率。
发明内容
本发明提供了一种太阳能无人机能源管理***及具有其的太阳能无人机，能够解决现有技术中太阳能电池阵的整体发电效率低以及能源***可靠性差的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种太阳能无人机能源管理***，能源管理***包括：分线盒，分线盒用于实现能源管理***的能源的输入和输出；储能电池，储能电池与分线盒连接，储能电池用于为用电设备供电；多个太阳能电池子阵，各个太阳能电池子阵均由多个太阳能电池片组成，多个太阳能电池子阵与储能电池并联连接在分线盒上，太阳能电池子阵用于为储能电池和用电设备供电，各个太阳能电池子阵之间的功率差值范围为0W至10W；多个MPPT控制器，多个MPPT控制器与多个太阳能电池子阵一一对应连接；DC-DC变换器，DC-DC变换器与分线盒连接，DC-DC变换器用于调节电压；能源管理单元EMU，能源管理单元EMU分别与储能电池、多个MPPT控制器以及DC-DC变换器连接。
进一步地，多个太阳能电池子阵设置在太阳能无人机机翼表面的不同位置，各个太阳能电池子阵所在的机翼表面的弧度不同，构成太阳能电池子阵的多个太阳能电池片在机翼表面的倾角的差值范围为0°至5°。
进一步地，多个太阳能电池子阵分为至少两个并联设置在分线盒上的太阳能电池阵组，各个太阳能电池阵组包括至少两个串联设置的太阳能电池子阵，至少两个太阳能电池子阵分别与相对应的MPPT控制器连接后串联设置。
进一步地，各个MPPT控制器具有正常工作模式、直通工作模式和旁通工作模式，正常工作时，MPPT控制器实现太阳能电池子阵的最大功率输出；当MPPT控制器的输入电压和输出电压之间的差值处于0V至1V时，MPPT控制器处于直通工作模式时，与MPPT控制器相对应的太阳能电池子阵与分线盒直接连接；当太阳能电池子阵发生故障时，MPPT控制器处于旁通工作模式时，与MPPT控制器相对应的太阳能电池子阵与分线盒断开连接。
进一步地，各个MPPT控制器均包括主电路和控制电路，主电路分别与太阳能电池子阵和分线盒连接，控制电路与主电路连接，控制电路根据采集到的输入输出电压值和电流值以控制主电路的工作模式。
进一步地，储能电池具有两阶段充电状态，在第一阶段充电状态下，能源管理单元EMU控制多个太阳能电池子阵以最大功率充电法对储能电池进行充电，储能电池的充电电流在不超过最大充电倍率的情况下维持最大；在第二阶段充电状态下，能源管理单元EMU控制多个太阳能电池子阵以阶梯减小充电电流的方式模拟恒压对储能电池进行充电，储能电池的充电电压先下降后回升，直至储能电池的充电电流小于指定阈值后结束充电。
进一步地，储能电池包括多个储能电池组，多个储能电池组根据太阳能无人机的重心位置要求分散设置在机翼以及机身的不同位置处。
进一步地，能源管理单元EMU为多个，多个能源管理单元EMU与多个储能电池组一一对应连接，储能电池组由多个电池单体构成，能源管理单元EMU通过对储能电池组的状态监测以实现对储能电池组和电池单体的电压的均衡管理。
进一步地，DC-DC变换器为冗余设计，DC-DC变换器包括主通道和备用通道，主通道和备用通道同时工作，DC-DC变换器通过并联设置的主通道和备用通道与分线盒连接。
根据本发明的又一方面，提供了一种具有太阳能无人机能源管理***的太阳能无人机，太阳能无人机能源管理***为上述提供的太阳能无人机能源管理***。
应用本发明的技术方案，通过将发电能力相同的太阳能电池片划分为一个太阳能电池子阵，使得多个太阳能电池子阵之间的功率等级大致相同，各个太阳能子阵之间的功率差值限制在0W至10W，从而避免了太阳能电池子阵中由于太阳能电池片之间的输出特性的差异而导致的太阳能电池子阵的整体输出功率降低，由此能够提高由多个太阳能电池子阵构成的太阳能电池阵的整体发电效率。此外，通过太阳能电池子阵与MPPT控制器分布式设置，能够较好地提高能源***的可靠性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机能源管理***的结构示意图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的太能能电池子阵与MPPT控制器串联的结构示意图；
图3示出了图2中的MPPT控制器工作在直通模式下的结构示意图；
图4示出了图2中的MPPT控制器工作在旁通模式下的结构示意图；
图5示出了根据本发明的具体实施例提供的太阳能无人机能源管理***的工作流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、分线盒；20、储能电池；30、太阳能电池子阵；31、太阳能电池阵组；40、MPPT控制器；41、主电路；42、控制电路；50、DC-DC变换器；60、能源管理单元EMU。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种太阳能无人机能源管理***，该能源管理***包括分线盒10、储能电池20、多个太阳能电池子阵30、多个MPPT控制器40、DC-DC变换器50和能源管理单元EMU60，其中，分线盒10用于实现能源管理***的能源的输入和输出，储能电池20与分线盒10连接，储能电池20用于为用电设备供电，各个太阳能电池子阵30均由多个太阳能电池片组成，多个太阳能电池子阵30与储能电池20并联连接在分线盒10上，太阳能电池子阵30用于为储能电池20和用电设备供电，各个太阳能电池子阵30之间的功率差值范围为0W至10W，多个MPPT控制器40与多个太阳能电池子阵30一一对应连接，DC-DC变换器50与分线盒10连接，DC-DC变换器50用于调节电压，能源管理单元EMU60分别与储能电池20、多个MPPT控制器40以及DC-DC变换器50连接。
应用此种配置方式，通过将发电能力相同的太阳能电池片划分为一个太阳能电池子阵30，使得多个太阳能电池子阵之间的功率等级大致相同，各个太阳能子阵之间的功率差值限制在0W至10W，从而避免了太阳能电池子阵30中由于太阳能电池片之间的输出特性的差异而导致的太阳能电池子阵的整体输出功率降低，由此能够提高由多个太阳能电池子阵构成的太阳能电池阵的整体发电效率。
具体地，在本发明中，多个太阳能电池子阵30在白天能够通过光电转换给机载用电设备供电以及储能电池20充电。MPPT控制器40通过控制算法作用在功率变换电路上实现对太阳能电池子阵30最大输出功率实时跟踪。储能电池20能够满足无人机夜晚用电需求以及峰值功率需求。DC-DC变换器50用于调节电压，以满足机载用电设备不同的用电电压体制需求。分线盒10作为母线上各用电设备的接口，同时兼具地面电源接入功能。分线盒10是能源管理***的能源的输入和输出的接口。多个太阳能电池子阵30和储能电池20并联连接在分线盒10上，实际形成了母线冗余备份供电结构，提高了***的可靠性。电机、低压DC-DC变换器50等设备在分线盒10上取电。能源管理单元EMU60(Energy Management Unit)为能源***的自身工况和运行状态提供遥控与遥测能力，并通过地面站或自主***进行控制。具体而言，能源管理单元EMU60具有电源的分配管理、储能电池充放电控制、***零部件故障检测与隔离等功能。
进一步地，为了使得各个太阳能电池子阵的转化效率、面密度等性能指标满足无人机的任务要求，可根据机翼表面弧度及光照分布设计太阳能电池的排布形式，将多个太阳能电池子阵30设置在太阳能无人机机翼表面的不同位置，各个太阳能电池子阵30所在的机翼表面的弧度不同，构成太阳能电池子阵30的多个太阳能电池片在机翼表面的倾角的差值范围为0°至5°，各个太阳能电池子阵30的功率等级大致相同。此外，构成太阳能电池子阵的太阳能电池片具有一定的柔性，能够满足机翼敷设要求，且其转化效率、面密度等性能指标满足无人机的任务要求。
在本发明中，为了使得太阳能电池子阵能够以最大功率输出，有效减少线损，可将多个太阳能电池子阵30分为至少两个并联设置在分线盒10上的太阳能电池阵组31，各个太阳能电池阵组31包括至少两个串联设置的太阳能电池子阵30，至少两个所述太阳能电池子阵30分别与相对应的所述MPPT控制器40连接后串联设置。
应用此种配置方式，通过将各个太阳能电池子阵30与相对应的MPPT控制器40连接，经过串并联与储能电池20并联在母线上。该种分布式的MPPT控制器的控制方式能够就近将太阳能电池子阵以最大功率输出，可有效减少线损。在本发明中，太阳能无人机能源管理***为一种被动式的母线调压结构，母线电源由储能电池20决定。电机以及DC-DC变换器50通过分线盒10的结构在母线上取电。各个太阳能电池子阵30的遥测信息上传至能源管理单元EMU60。能源管理单元EMU60与各个MPPT控制器40、储能电池20、DC-DC变换器50进行双向通信。同时，能源管理单元EMU60通过CAN总线与飞控计算机通信。
进一步地，在本发明中，为了实现MPPT控制器对储能电池20的充电电流大小的控制，以最大限度地降低故障范围，如图2至图4所示，可将各个MPPT控制器40配置为具有正常工作模式、直通工作模式和旁通工作模式，正常工作时，MPPT控制器40实现太阳能电池子阵30的最大功率输出，当MPPT控制器的输入电压和输出电压之间的差值处于0V至1V时，MPPT控制器40处于直通工作模式，此时与MPPT控制器40相对应的太阳能电池子阵30与分线盒10直接连接。当太阳能电池子阵30发生故障时，MPPT控制器40处于旁通工作模式，此时与MPPT控制器40相对应的太阳能电池子阵30与分线盒10断开连接。
具体地，在本发明中，MPPT控制器40能够使得太阳能电池子阵30以最大功率输出，每一个MPPT控制器40的功率的等级与其所连接的太阳能电池子阵30对应，MPPT控制器40自适应各自的输出端电压。当MPPT控制器40的输入电压和输出端电压接近时，即MPPT控制器的输入电压和输出电压之间的差值处于0V至1V时，MPPT控制器40开启直通模式，即太阳能电池子阵30直接给负载供电，以提高能源利用效率。当太阳能电池子阵30严重损坏或者与其他电路严重失配时，MPPT控制器40工作在旁通模式将故障隔离。
在本发明中，为了实现MPPT控制器的三种工作模式，可将各个MPPT控制器40配置为均包括主电路41和控制电路42，主电路41分别与太阳能电池子阵30和分线盒10连接，控制电路42与主电路41连接，控制电路42根据采集到的输入输出电压值和电流值以控制主电路41的工作模式。
应用此种配置方式，通过将MPPT控制器40配置为包括主电路41和控制电路42，从而能够实现MPPT控制器的直通工作模式和旁通工作模式。此外，当MPPT控制器40的输入电压和输出电压之间的差值大于1V时，MPPT控制器40处于正常工作模式，此时与MPPT控制器40相对应的太阳能电池子阵30通过主电路41与分线盒10连接。
进一步地，在本发明中，为了实现对储能电池20的放电保护功能，可将储能电池20配置为具有两阶段充电状态，在第一阶段充电状态下，能源管理单元EMU60控制多个太阳能电池子阵30以最大功率充电法对储能电池20进行充电，储能电池20的充电电流在不超过最大充电倍率的情况下维持最大。在第二阶段充电状态下，能源管理单元EMU60控制多个太阳能电池子阵30以阶梯减小充电电流的方式模拟恒压对储能电池20进行充电，储能电池20的充电电压先下降后回升，直至储能电池20的充电电流小于指定阈值后结束充电。
具体地，应用此种配置方式，能源管理单元EMU60通过控制每个MPPT控制器40的工作模式，并结合储能电池20的电池电量SOC(State of Charge)和电压来调节充电电流的大小，实现两阶段充电法，此种方式能够使得本发明的能源管理***在不障碍的前提下，最大限度地利用太阳能。其中，第一阶段采用最大功率充电法，通过维持适当数量的MPPT控制器40接通，使储能电池20的充电电流在不超过最大充电倍率的条件下最大，直到储能电池20的电池电量SOC达到一定值或电压达到充电模式转换阈值。第二阶段采用阶梯减小充电电流的方式模拟恒压充电，储能电池20达到阈值电压则关断一路MPPT控制器40，储能电池20的电压先下降后回升，再次达到阈值电压(该阈值电压值大于转换阈值电压值)，再关断一路MPPT控制器40，直至充电电流小于指定阈值后结束充电。
进一步地，在本发明中，储能电池20包括多个储能电池组，多个储能电池组根据太阳能无人机的重心位置要求分散设置在机翼以及机身的不同位置处。其中，储能电池组的能量密度满足太阳能无人机的任务需求，每个储能电池组充放电共用一个端口。
为了实现对多个储能电池组状态的监测，可将能源管理单元EMU60配置为多个，多个能源管理单元EMU60与多个储能电池组一一对应连接，储能电池组由多个电池单体构成，能源管理单元EMU60通过对储能电池组的状态监测以实现对储能电池组和电池单体的电压的均衡管理。
应用此种配置方式，能源管理单元EMU60通过对储能电池组的状态监测以实现对储能电池组和电池单体的电压的均衡管理，使得储能电池组之间和构成储能电池组的电池单体之间具备电压均衡、温度控制、过充过放保护、故障电池隔离等功能。此外，能源管理单元EMU60通过采集太阳能电池子阵30的电压电流和温度、低压DC-DC变换器的输入输出电压电流和温度等、MPPT控制器的输入输出电压电流和温度等、储能电池组及电池单体的电压电流及温度等以实现电源的分配管理、储能电池充放电控制、***零部件故障检测与隔离等功能，应用此种配置方式，通过能源管理单元EMU60集中控制能源管理***的各部件，能够降低***的质量。
进一步地，在本发明中，为了提高能源管理***的可靠性，可将DC-DC变换器50配置为冗余设计，DC-DC变换器50包括主通道和备用通道，且主备通道同时工作，DC-DC变换器50通过并联设置的主通道和备用通道与分线盒10连接。其中，DC-DC变换器50的电压体制根据其后端负载的用电要求来进行设计。能源管理单元EMU60通过对低压DC-DC变换器50的状态监测，以保护主备通道正常工作。同时，能源管理单元EMU60对出现故障的通道进行隔离。
根据本发明的又一方面，提供了一种具有如上所述的太阳能无人机能源管理***的太阳能无人机。由于本发明的太阳能无人机能源管理***以太阳能-储能电池为循环能源主体，通过母线冗余设计、功率设备合理布局来提高能源***的可靠性和综合利用率，采用能源管理单元统一控制各零部件的设计来减轻***质量，从而当将本发明的太阳能无人机能源管理***运用到太阳能无人机时，能够提高太阳能无人机的工作性能。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图5对本发明的太阳能无人机能源管理***的工作流程进行详细说明。
如图1所示，作为本发明的一个具体实施例，太阳能无人机能源管理***包括十八个太阳能电池子阵30、十八个MPPT控制器40、分线盒10、两个储能电池组、一个28V的DC-DC变换器50、两个能源管理单元EMU60。其中，可选择锂电池作为储能电池，分线盒10可选择强电分线盒，DC-DC变换器50可选择低压DC-DC变换器。
根据某型太阳能无人机机翼表面弧度及光照分布，如图1所示，将近似相同倾角的太阳能电池片组成一个太阳能电池子阵30，太阳能无人机能源管理***共具有左右对称的十八个太阳能电池子阵30。每个太阳能电池子阵30与功率相当的MPPT控制器40就近连接，以实现MPPT控制器40的分布式布置。各个MPPT控制器40均包括主电路和控制电路。每三个太阳能电池子阵30分别连接MPPT控制器40后串联在一起以构成一个太阳能电池阵组31，三个太阳能电池阵组31再并联连接，最终每侧机翼的九个MPPT控制器40形成三串三并的形式接入到强电分线盒10，如图2所示。本实施例中共有两个锂电池组，该两个锂电池组分别连接到分线盒10，每个锂电池组对应一个能源管理单元EMU60。采用冗余设计的28V的DC-DC变换器50从分线盒10取电。能源管理单元EMU60分别与MPPT控制器40、锂电池组、28V的DC-DC变换器50通信，并与CAN总线实时通信。强电用电设备通过分线盒上的航插在母线上取电。
能源管理单元EMU60通过检测MPPT控制器40的输入输出电压电流等信息，控制其工作模式。在保障***无故障的前提下，最大限度地提取每个太阳能电池子阵30的能量。若太阳能电池子阵30严重损坏或者与其他电路严重失配时，能源管理单元EMU60通过选择旁通模式将其隔离，即MPPT控制器40的主电路中的旁通二极管开始工作，如图4所示。若MPPT控制器40的输入输出端电压接近，则能源管理单元EMU60通过选择直通模式，使太阳能电池子阵30直接与负载相连，提高能源利用效率，如图3所示。
能源管理单元EMU60监测28V的DC-DC变换器50的状态信息，并对其主备通道工作模式进行控制。能源管理单元EMU60通过对锂电池组的状态监测，实时对储能电池组之间和构成储能电池组的电池单体之间的电压进行均衡管理。当白天辐照充足时，除去动力***耗能外，太阳能多余的能量在不超过充电倍率上限的前提下，最大限度的对锂电池组充电。如图5所示，在充电初期，每个MPPT控制器40通过能源管理单元EMU60中最大功率跟踪算法，最大限度提取太阳能电池子阵30当前的发电功率。充电后期，当储能电池组的SOC达到85％或者电压达到充电模式转换阈值，通过控制MPPT控制器40接入的数量来调节充电电流的大小，实现两阶段充电法则，加强对锂电池组的充电保护。
具体地，如图5所示，在本发明的太阳能无人机能源管理***的初始工作状态下，MPPT控制器40工作在旁通模式，太阳能无人机由锂电池供电。在锂电池的电量不低于警戒值的情况下，锂电池以限流的方式放电。此时，若环境辐照值(或太阳能电池子阵的开路电压)达到MPPT控制器40开启最大功率点跟踪功能阈值时，MPPT控制器40将最大限度的提取当前状态下所对应太阳能电池子阵30的太阳能，否则太阳能无人机能源管理***的供能一直由锂电池来承担。在MPPT控制器40功能开启时，为保证供电效率，能源管理单元EMU60实时监测MPPT控制器40的输入输出电压，若两者近似，MPPT控制器40将工作在直通模式。
进一步地，若由多个太阳能电池子阵30组成的太阳能电池阵的能量除满足母线负载外还有剩余(通过充电电流的正负来判断)，则能源管理单元EMU60将进入充电控制程序，否则，太阳能无人机能源管理***由太阳能电池阵和锂电池联合供电。进入充电程序后，能源管理***将由太阳能电池阵供电，能源管理单元EMU60将通过两阶段充电控制策略来对锂电池充电。
进入充电程序后，若锂电池的电池电量SOC没有达到大电流充电阈值，在不超过最大充电倍率的前提下，***最大限度地以大电流对锂电池充电。若锂电池的电池电量SOC达到了充电阈值，为实现对其充电保护，能源管理单元EMU60通过控制MPPT控制器40接通的数量来控制充电电流，并以充电电流小于指定阈值作为充电终止条件。在充电期间，***实时监测环境辐照值并判断是否具备充电条件。
以上所述为本发明的一个具体实施例而已，本发明不限于太阳能电池子阵、MPPT控制器数量为18个，不限于储能电池为锂电池且不限于储能电池组的个数为2个，不限于EMU控制器的数量为2个，不限于低压DC-DC变换器的电压为28V，不限于电池电量SOC的控制阈值为85％。
综上所述，本发明的太阳能无人机能源管理***通过母线冗余设计、设备布局优化设计等技术，合理控制和分配能源的使用，提高能源的综合利用率，同时本发明的能源管理***结构简单，易于工程实现，能够满足太阳能无人机长航时飞行的能源需求。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能无人机能源管理***，其特征在于，所述能源管理***包括：
分线盒(10)，所述分线盒(10)用于实现能源管理***的能源的输入和输出；
储能电池(20)，所述储能电池(20)与所述分线盒(10)连接，所述储能电池(20)用于为用电设备供电；
多个太阳能电池子阵(30)，各个所述太阳能电池子阵(30)均由多个太阳能电池片组成，多个所述太阳能电池子阵(30)与所述储能电池(20)并联连接在所述分线盒(10)上，所述太阳能电池子阵(30)用于为所述储能电池(20)和所述用电设备供电，各个所述太阳能电池子阵(30)之间的功率差值范围为0W至10W；
多个MPPT控制器(40)，多个所述MPPT控制器(40)与多个所述太阳能电池子阵(30)一一对应连接；
DC-DC变换器(50)，所述DC-DC变换器(50)与所述分线盒(10)连接，所述DC-DC变换器(50)用于调节电压；
能源管理单元EMU(60)，所述能源管理单元EMU(60)分别与所述储能电池(20)、多个所述MPPT控制器(40)以及所述DC-DC变换器(50)连接；
多个所述太阳能电池子阵(30)分为至少两个并联设置在所述分线盒(10)上的太阳能电池阵组(31)，各个所述太阳能电池阵组(31)包括至少两个串联设置的所述太阳能电池子阵(30)，至少两个所述太阳能电池子阵(30)分别与相对应的所述MPPT控制器(40)连接后串联设置；
各个所述MPPT控制器(40)具有正常工作模式、直通工作模式和旁通工作模式，正常工作时，所述MPPT控制器(40)实现所述太阳能电池子阵(30)的最大功率输出；当所述MPPT控制器的输入电压和输出电压之间的差值处于0V至1V时，所述MPPT控制器(40)处于直通工作模式，与所述MPPT控制器(40)相对应的太阳能电池子阵(30)与所述分线盒(10)直接连接；当所述太阳能电池子阵(30)发生故障时，所述MPPT控制器(40)处于旁通工作模式，与所述MPPT控制器(40)相对应的太阳能电池子阵(30)与所述分线盒(10)断开连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，多个所述太阳能电池子阵(30)设置在太阳能无人机机翼表面的不同位置，各个所述太阳能电池子阵(30)所在的机翼表面的弧度不同，构成所述太阳能电池子阵(30)的多个太阳能电池片在所述机翼表面的倾角的差值范围为0°至5°。
3.根据权利要求1所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，各个所述MPPT控制器(40)均包括主电路(41)和控制电路(42)，所述主电路(41)分别与所述太阳能电池子阵(30)和所述分线盒(10)连接，所述控制电路(42)与所述主电路(41)连接，所述控制电路(42)根据采集到的输入输出电压值和电流值以控制所述主电路(41)的工作模式。
4.根据权利要求1所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，所述储能电池(20)具有两阶段充电状态，在第一阶段充电状态下，所述能源管理单元EMU(60)控制多个所述太阳能电池子阵(30)以最大功率充电法对所述储能电池(20)进行充电，所述储能电池(20)的充电电流在不超过最大充电倍率的情况下维持最大；在第二阶段充电状态下，所述能源管理单元EMU(60)控制多个所述太阳能电池子阵(30)以阶梯减小充电电流的方式模拟恒压对所述储能电池(20)进行充电，所述储能电池(20)的充电电压先下降后回升，直至所述储能电池(20)的充电电流小于指定阈值后结束充电。
5.根据权利要求1所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，所述储能电池(20)包括多个储能电池组，多个储能电池组根据所述太阳能无人机的重心位置要求分散设置在机翼以及机身的不同位置处。
6.根据权利要求5所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，所述能源管理单元EMU(60)为多个，多个所述能源管理单元EMU(60)与多个所述储能电池组一一对应连接，所述储能电池组由多个电池单体构成，所述能源管理单元EMU(60)通过对所述储能电池组的状态监测以实现对所述储能电池组和所述电池单体的电压的均衡管理。
7.根据权利要求1所述的太阳能无人机能源管理***，其特征在于，所述DC-DC变换器(50)为冗余设计，所述DC-DC变换器(50)包括主通道和备用通道，所述主通道和所述备用通道同时工作，所述DC-DC变换器(50)通过并联设置的所述主通道和所述备用通道与所述分线盒(10)连接。
8.一种具有太阳能无人机能源管理***的太阳能无人机，其特征在于，所述太阳能无人机能源管理***为权利要求1至7中任一项所述的太阳能无人机能源管理***。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105242741A (zh) * | 2015-10-16 | 2016-01-13 | 王水平 | 基于太阳能优化器的太阳能发电功率控制装置及方法 |
| CN205005037U (zh) * | 2015-09-30 | 2016-01-27 | 深圳光启空间技术有限公司 | 分线盒及分线装置 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN205005037U (zh) * | 2015-09-30 | 2016-01-27 | 深圳光启空间技术有限公司 | 分线盒及分线装置 |
| CN105242741A (zh) * | 2015-10-16 | 2016-01-13 | 王水平 | 基于太阳能优化器的太阳能发电功率控制装置及方法 |
| CN106685337A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-05-17 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种太阳能无人机用分布式能源*** |
| CN106953525A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-07-14 | 上海交通大学 | 阻抗型多模块串联式光伏直流升压变换器 |
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