CN111619360B - 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法 - Google Patents

一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111619360B
CN111619360B CN202010737563.4A CN202010737563A CN111619360B CN 111619360 B CN111619360 B CN 111619360B CN 202010737563 A CN202010737563 A CN 202010737563A CN 111619360 B CN111619360 B CN 111619360B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
circuit
esc
unmanned aerial
aerial vehicle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010737563.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111619360A (zh
Inventor
郑耀
陈俊胤
杜昌平
宋广华
杨睿
叶志贤
张泽坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202010737563.4A priority Critical patent/CN111619360B/zh
Publication of CN111619360A publication Critical patent/CN111619360A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111619360B publication Critical patent/CN111619360B/zh
Priority to US17/347,226 priority patent/US11318847B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L8/00—Electric propulsion with power supply from forces of nature, e.g. sun or wind
    • B60L8/003—Converting light into electric energy, e.g. by using photo-voltaic systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/353—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using solar cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/30—Supply or distribution of electrical power
    • B64U50/31—Supply or distribution of electrical power generated by photovoltaics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/10—Air crafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2260/00—Operating Modes
    • B60L2260/20—Drive modes; Transition between modes
    • B60L2260/24—Coasting mode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D2221/00—Electric power distribution systems onboard aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/44—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for aircrafts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/50—On board measures aiming to increase energy efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能无人机的能源管理***及控制方法，用于航空航天器能源***。本发明的***包括光伏模块、MPPT控制器、第一DC‑DC电路、电池组、第一防反电路、第二DC‑DC电路、第二防反电路、ESC、BLDC、机载控制器、通讯链路和稳压模块。巡航时，电池组经第一防反电路直接给ESC供电；需要大功率动力输出时，电池组依次经第二DC‑DC电路，第二防反电路给ESC供电；其中第二DC‑DC电路的输出电压，ESC的油门信号输入均由机载控制器来控制。本发明的能源管理***适用于太阳能无人机的飞行工况，即保证巡航段的能量高效传递，又可以满足无人机机动飞行或爬升状态下的大功率需求。

Description

一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法
技术领域
本发明属于航空航天器能源***技术领域，尤其涉及一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法。
背景技术
太阳能无人机具有工作时间长、覆盖范围广、运行成本低和无环境污染等优点，具有广阔的应用前景。通常，对于具备24小时不间断飞行能力的太阳能无人机来说，其优化设计点即其巡航工作点，其典型飞行任务剖面中，绝大部分的时间都处在巡航的状态，而涉及大功率动力输出的起飞，爬升，机动飞行等环节只占很少的一部分，因此，太阳能无人机能源管理***及动力***在该工作点的效率高低，直接影响其最关键的续航性能。传统的太阳能无人机的能源管理***及动力***在设计过程中，也将重点侧重于提高设计点的效率问题，但是，由于动力输出需要兼顾大功率输出的工作状态，在传统恒压变油门量的思路下，势必要采用较高的电池组电压及动力组工作电压，由于***本身的电气特性，该类动力***在高的工作电压下，可以满足短时间内的大功率输出需求，但是，在设计点（巡航工作点），由于此时工作功率小于额定功率的1/4，偏离动力***的高效区间；但若依巡航工作点作为设计点匹配动力***，动力***最大输出功率往往达不到起飞、爬升或机动飞行等环节所需。此为传统控制方案下，难以解决的矛盾之处。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法，采用单电池组双输出的电源管理方案，可以实现一定电压范围的电源输出，并通过相应的控制策略，对ESC的输入电压和ESC的油门输入量进行联调控制，可以提高动力***的整体效率，从而可以提高无人机的续航时间。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种适用于太阳能无人机的能源管理***，其特征在于，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、ESC、BLDC、第二DC-DC电路、第二防反电路、机载控制器、通讯链路；其中：
所述MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器的输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；
所述电池组经由第一防反电路给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；同时，所述电池组还连接第二DC-DC电路的输入端，再经由第二防反电路并联至ESC的供电端；所述第二DC-DC电路采用可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值；且在***初始状态下，第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；
所述通讯链路用于传递飞控***输出的原始油门信息给机载控制器；
所述机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息，用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力***的功率需求进行对应，根据当前动力***的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。
上述技术方案中，进一步的，所述的***还包括稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源。
进一步的，所述的第一DC-DC电路可以为BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。
进一步的，所述的第二DC-DC电路优选采用升压DC-DC电路。
一种适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，基于上述的***实现，所述的控制方法包含以下步骤：
1）所述机载控制器通过通讯链路接收由飞控***输出的原始油门信号，将原始油门信号与动力***的功率需求进行映射，从而获得此时动力***的功率需求；
2）对动力***的功率需求进行判定：
当动力***的功率需求小于或等于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制器输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，同时第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；
当动力***的功率需求高于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制器按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。
上述控制方法中，所述的巡航功率阈值根据无人机在巡航状态下的目标功率值进行设定，取值大于所述目标功率值。
进一步的，所述的联调策略为查询预先获得的动力匹配表，从而输出与所需功率对应的ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值，所述的动力匹配表记录有不同功率需求下，可使***达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量。更进一步的，所述的动力匹配表可以通过风洞试验获得，首先获取动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，再将曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小一一记录；不同的等功率输出分别对应有相应效率曲线，将每条效率曲线中最高点对应的工作电压、油门量、以及功率记录，则获得动力匹配表。
或者所述的联调策略也可以是通过在动力组上加装相应的力传感器，以追踪动力***实时最高效率为目标的动态追踪算法，该方法具体可参考CN 108791819A。
进一步的，所述的将原始油门信号与动力***的功率需求进行映射，可以采用线性映射，将原始油门信号唯一映射到功率区间。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
不同于传统恒压变油门量的方案需要采用较高的电池组电压以保证最大功率输出，本发明的方案设计中，因为采用特定的电池组供电方案，可以匹配太阳能无人机的设计点（巡航工作点），提升太阳能无人机巡航阶段下的动力***效率，进而提高飞行器的飞行性能；而在***判断需要大功率动力需求时，机载控制器控制第二DC-DC电路输出高于电池组的电压供电给ESC，结合对ESC的油门量的控制，可以使动力***在大功率输出时仍然保持高的***效率。
值得特别说明的是，本发明的方案与直接在电池组后加一可调DC-DC电路，同时控制其输出电压及ESC的油门量的方案相比，虽然这一方案也可实现在大的工作域内（涵盖低功率巡航到大功率机动等状态）提高动力***效率，但本发明方案的设计过程中，特别考虑到太阳能无人机存在着巡航状态这一特殊的工作点，所以采用了电池组直接向动力组供电的方案设计，本发明方案可在前述方案的基础上进一步提高***效率。具体而言，可调变压DC-DC电路工作时候的转换效率在92%-96%，前述方案中，无论太阳能无人机处于低功率巡航还是大功率机动状态，***电能均经过可调DC-DC电路至ESC，会有4%-8%的电能损耗，而采用电池组直接向动力组供电的方式，在低功率巡航阶段，***电能不经过可调DC-DC电路至ESC，从而避免了在可调DC-DC电路上的电能损耗。而太阳能无人机的巡航状态占据了总飞行任务时间的绝大部分，所以，本发明的设计，可以显著提高太阳能无人机的动力***的效率，从而提升飞行器的飞行性能。
附图说明
图1是本发明的适用于太阳能无人机的能源管理***的结构示意图。
图2是本发明的适用于太阳能无人机的能源管理***的工作流程图。
图3是本发明中用于建立动力匹配表所需要的一条等功率输出***效率曲线。
图4是本发明中对应于太阳能无人机巡航功率下的等功率输出***效率曲线。
图中标号含义：
1-光伏模块；2-MPPT控制器；3-第一DC-DC电路；4-电池组；
5-第一防反电路；6-第二DC-DC电路；7-第二防反电路；8-ESC（电子调速器）；
9-BLDC（无刷直流电机）；10-机载控制器；11-通讯链路；12-稳压模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本实例主要提供一种适用于太阳能无人机的能源管理***，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、第二DC-DC电路、第二防反电路、ESC、BLDC、机载控制器、通讯链路、稳压模块；其中，
MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；
在一具体实施例中，MPPT控制器可以采用LT8490芯片作为核心芯片，该芯片采用扰动观察法，实现光伏模块的最大功率输出，同时，LT8490具有电池管理功能，配合第一DC-DC电路，充电控制采用多阶段充电管理，即涓流充电、恒流充电、恒压充电，涓流充电电流可调节。具体的充电阶段为：
阶段0：涓流充电，以设置的最大充电电流的20-30%进行充电，直到电池电压高于设置的充电电压的70%为止。
阶段1：恒流充电，以设置的最大充电电流进行充电，直到电池电压高于设置的充电电压的98%为止。
阶段2：恒定电压，以设置的充电电压进行充电，直到充电电流低于C/10为止，其中C为电池组的充放电倍率，如一组30Ah容量的电池，C/10充电电流代表3A的充电电流。
在一具体实施例中，光伏模块的最大功率输出电压约为28V，随光伏电池片表面温度及光照强度改变而上下浮动，MPPT的输出电压为12.6V，最大充电电流为30A。相匹配的，所采用的电池组，满电电压为12.6V，电池容量为30Ah。
所述电池组经由第一防反电路，给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；此外，所述电池组还连接第二DC-DC电路，经由第二防反电路并联至ESC的供电端，初始状态下第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；其中第一DC-DC电路可以采用BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路，如：可以采用BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路，如：可采用LM2577升压数显模块，DSN6000AUD自动升降压模块，LM317降压电路板，AP-D5830A可调降压模块等型号；第二DC-DC电路为可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值，采用升压DC-DC电路，如：可采用LM2577可调升压电路板；所述的第一、第二防反电路可以采用相同结构，主要用于防反接，采用常规的防反电路即可，如采用麦克斯低压差理想二极管，最大工作电流15A，当导通时，MOSFET两端的压降仅为20毫伏；也可采用嘉迪100V 50A的理想二极管，其静态工作电流为0.6-1.5毫安，双MOS的设计，仅0.75毫欧的导通内阻；或采用如下：包括至少一MOS管及一二极管控制器，所述MOS管内部包括至少一二极管， 所述MOS管的S极设置于所述防反电路的输入端，所述MOS管的D极设置于所述防反电路的输出端，所述二极管控制器的输入端与所述MOS管的S极连接，所述二极管控制器的输出端与所述MOS管的D极连接，所述二极管控制器的驱动端与所述MOS管的G极连接。
所述通讯链路传递飞控***输出的原始油门值给机载控制器；
所述的机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力***的功率需求进行对应，根据当前动力***的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。其中预先设定的巡航功率阈值通常可根据无人机在巡航状态下的目标功率值来设置，如取值大于所述目标功率值即可，在具体实施例中，可设置巡航功率阈值为无人机在巡航状态下的目标功率值的120%。
所述的稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源，可以采用集成电路，将电池组的输出电压通过LT8632芯片转换为 12V电压和5V电压，并带有滤波电路和隔离电路等保护电路，使各输出电压线性稳定。
如图2所示为采用本实例***所实现的工作流程图，用于描述太阳能无人机的能源管理***的动力控制方法的主要流程：
1） 机载控制器通过通讯链路接收飞控***输出的原始油门信号，并将原始油门信号与动力***的功率需求进行对应；此处可直接采用线性映射，由原始油门信号唯一映射到功率区间，如在一具体实施例中，在10m/s的来流工况下，直接将0-100%的原始油门信号，线性映射到0-200W的功率区间，即0%的原始油门信号对应0W的功率需求；30%油门信号，对应60W的功率需求；60%的原始油门信号对应120W的功率需求；100%的原始油门信号，对应200W的功率需求。
2） 对动力***的功率需求进行判定：
当功率需求小于或等于设定的巡航功率阈值时，机载控制器仅输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，第二DC-DC电路不向ESC供电；
当动力需求高于设定的巡航功率阈值时，机载控制器按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。
在一具体实施例中，无人机巡航状态下的巡航功率约为30W，故设置巡航功率阈值为36W，略大于实际所需的巡航功率，这是因为考虑到巡航阶段油门控制量会围绕实际值上下波动。
上述太阳能无人机能源管理***的动力控制方法，其中所述的联调策略，可以是通过查询已知的动力匹配表，从而对应输出ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值；也可以是通过在动力组上加装相应的力传感器，以追踪动力***实时最高效率为目标的动态追踪算法；
上述的动力匹配表，记录了不同功率需求下，可使***达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量，可以提前通过风洞试验获得动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，记录该功率下曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小，对不同功率下效率曲线均做上述操作，即可获得动力匹配表。
下面结合图3 等功率输出***效率图来详细说明动力匹配表的建立流程：
将动力测试架放置在风洞中并模拟不同来流速度的工况，在不同的工况下，不断调节动力***的输入电压及ESC油门量以保证等功率输出。在一具体实施例中，如图3的效率表，对应来流速度为10m/s的工况，此工况下，使动力***始终保持等功率60W输出，得到动力***在不同工作电压下的效率图。在图3中，***的工作电压从10.5V变化至24V，虽然输出的功率不变，但是可以看到动力***的最大效率点在工作电压为12.2V的时候出现，***效率超过了80%。那么，即可记录：在10m/s来流的工况下，动力***60W等功率输出时，最优的工作电压应当为12.2V，此时的***效率为80.5%。重复类似的工作，可以得到不同的工况下，不同的动力***输出功率时，最优的工作电压分别是多少，由此即可得到上述的动力匹配表。所述的动态追踪算法，可以参见CN 108791819A中的相关内容，在上述专利中，公开了适用于无人机的动态拉力检测装置与检测方法，通过自动变距的方式实现追踪***的最佳效率值，实质是追踪整个动力***的最佳桨效值，即每瓦的功率输出可以带来多少的动拉力。同样的思路可以用于本发明的动态追踪算法的建立，因为动力***不断变化工作电压及油门输出量并保证输出功率基本稳定，此时由于不同的工作电压下动力***的效率存在差异，动态拉力检测装置检测到的实时动拉力也会有所差异，从中不断趋近同一功率下，实时拉力最大的值即可实现动态追踪***最高效率的功能。
在具体实施例中，动力***的巡航功率阈值设置为36W，为了得到上述的动力匹配表只需要绘制36W以上的等功率输出***效率图即可，这里，为了进一步说明，本发明的能源管理***特别适合于用在太阳能无人机上，所以额外给出了动力***30W等功率输出时的***效率图，对应于具体实施例中某型太阳能无人机巡航状态下的目标功率值。由图4的数据可以看出，不同于60W等功率输出时动力***的效率存在唯一的极大值，30W等功率输出时，***效率曲线存在一个范围约为10V-13V的高效区间，在该区间范围内，动力***的效率均大于80%且效率值变化平缓。 具体实施例中，选择3串锂电的电池组，其工作时的电压范围与上述高效区间有大部分的重合，说明采用本发明的方案设计，太阳能无人机巡航状态下，动力***直接由电池组进行供电，即可满足巡航段的高效动力匹配。
本发明中所控制ESC的油门量，其值所在范围优选为全油门的10%-95%，这是因为对于常规的DC-DC电路和ESC来说，变压的响应速度低于ESC油门响应的速度，所以留有一定的余量以使动力***可以在一定的范围内实现快速的响应。
对***的各环节的典型效率值进行分析。其中，MPPT控制器输入侧，最大效率可达到99%以上，而在输出侧，经由第一DC-DC电路给电池组充电的环节，由于参数匹配，工作状态下的效率最高可达96%左右。由于太阳能无人机大部分的工作时间里都是处于巡航状态，则主要的供电方式为不经过第二DC-DC电路，直接由电池组供电。由于第二DC-DC电路的实际工作效率在92%-96%，所以直接由电池组提供巡航阶段能量的方式可以减少由于第二DC-DC电路接入升压所带来的能量损失，进一步提高***的效率。而在占总任务时间中比例较低的大机动、爬升等需要大功率输出的环节，电池组经第二DC-DC升压供电，可以实现大功率供电的需求。上述两个供电方案结合，可以同时实现巡航功率的高效供给与大功率输出的有效补充。

Claims (10)

1.一种适用于太阳能无人机的能源管理***，其特征在于，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、ESC、BLDC、第二DC-DC电路、第二防反电路、机载控制器、通讯链路；其中：
所述MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器的输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；
所述电池组经由第一防反电路给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；同时，所述电池组还连接第二DC-DC电路的输入端，再经由第二防反电路并联至ESC的供电端；所述第二DC-DC电路采用可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值；且在***初始状态下，第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；
所述通讯链路用于传递飞控***输出的原始油门信息给机载控制器；
所述机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力***的功率需求进行对应，根据当前动力***的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。
2.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理***，其特征在于，所述的***还包括稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源。
3.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理***，其特征在于，所述的第一DC-DC电路为BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。
4.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理***，其特征在于，所述的第二DC-DC电路为升压DC-DC电路。
5.一种适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的***实现，所述的控制方法包含以下步骤：
1）所述机载控制器通过通讯链路接收由飞控***输出的原始油门信号，将原始油门信号与动力***的功率需求进行映射，从而获得此时动力***的功率需求；
2）对动力***的功率需求进行判定：
当动力***的功率需求小于或等于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制器输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，同时第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；
当动力***的功率需求高于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制器按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。
6.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的巡航功率阈值根据无人机在巡航状态下的目标功率值进行设定，取值大于所述目标功率值。
7.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的联调策略为查询预先获得的动力匹配表，从而输出与所需功率对应的ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值，所述的动力匹配表记录有不同功率需求下，可使***达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量。
8.根据权利要求7所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的动力匹配表通过风洞试验获得，首先获取动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，再将曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小一一记录；不同的等功率输出分别对应有相应效率曲线，将每条效率曲线中最高点对应的工作电压、油门量、以及功率记录，则获得动力匹配表。
9.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的联调策略是通过在动力组上加装相应的力传感器，并结合以追踪动力***实时最高效率为目标的动态追踪算法实现。
10.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的将原始油门信号与动力***的功率需求进行映射，采用线性映射。
CN202010737563.4A 2020-07-28 2020-07-28 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法 Active CN111619360B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010737563.4A CN111619360B (zh) 2020-07-28 2020-07-28 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法
US17/347,226 US11318847B2 (en) 2020-07-28 2021-06-14 Energy management control system suitable for solar-powered unmanned aerial vehicle and control method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010737563.4A CN111619360B (zh) 2020-07-28 2020-07-28 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111619360A CN111619360A (zh) 2020-09-04
CN111619360B true CN111619360B (zh) 2020-12-11

Family

ID=72257758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010737563.4A Active CN111619360B (zh) 2020-07-28 2020-07-28 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11318847B2 (zh)
CN (1) CN111619360B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11767108B2 (en) * 2018-11-30 2023-09-26 Vladimir Aleksandrovich Davidoff Aircraft (drone)
CN113830312B (zh) * 2021-09-03 2023-12-26 北京航空航天大学苏州创新研究院 一种用于无人机的混动***及供电控制方法
CN114030620B (zh) * 2021-11-15 2023-08-08 长沙航空职业技术学院 一种太阳能无人机电源管理方法
CN115940317B (zh) * 2022-09-07 2023-07-14 中国科学院空天信息创新研究院 空间飞行器能源控制电路、光伏供电***和供电控制方法
CN117208259B (zh) * 2023-05-18 2024-04-16 河北建筑工程学院 一种混合动力无人机

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101222176B (zh) * 2008-01-10 2010-06-23 晨星半导体股份有限公司 直流电源转换电路及模式切换方法
US8448898B1 (en) * 2012-04-30 2013-05-28 Sunlight Photonics Inc. Autonomous solar aircraft
US20170137138A9 (en) * 2012-08-29 2017-05-18 John William Hunter Solar relay aircraft powered by ground based solar concentrator mirrors in dual use with power towers
CA2996844A1 (en) * 2014-08-29 2016-06-16 Tzunum, Inc. Power train for a hybrid-electric aircraft
US20170158320A1 (en) * 2015-09-20 2017-06-08 Daniel Bosch Unmanned aerial system
US20180208321A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-26 Ascent Solar Technologies, Inc. Photovoltaic-based integrated power systems for airborne vehicles
US20180273170A1 (en) * 2017-03-21 2018-09-27 Regents Of The University Of Minnesota Transformable unmanned aerial vehicle
CN109110141A (zh) * 2017-06-26 2019-01-01 深圳市道通智能航空技术有限公司 油门控制方法、装置、动力***及无人飞行器
CN108062108A (zh) * 2017-12-11 2018-05-22 郑宏远 一种基于机载计算机的智能多旋翼无人机及其实现方法
CN209088813U (zh) * 2018-09-21 2019-07-09 深圳市道通智能航空技术有限公司 一种供电电路及电子设备
CN109264005A (zh) * 2018-10-30 2019-01-25 佛山市神风航空科技有限公司 一种多旋翼飞行器的电子调速器
US10759540B2 (en) * 2018-11-08 2020-09-01 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Hybrid propulsion systems
CN109194112A (zh) * 2018-11-09 2019-01-11 深圳市云威物联科技有限公司 电源电路、电源电路供电方法及智能门锁***
EP3891066A4 (en) * 2018-12-07 2022-08-10 Joby Aero, Inc. ROTATING AIRFORCE AND DESIGN METHOD THEREFORE
US11462918B2 (en) * 2019-02-22 2022-10-04 Aurora Flight Sciences Corporation Battery switch with current control
US11133534B2 (en) * 2019-02-22 2021-09-28 Aurora Flight Sciences Corporation Programmable battery pack
US20210123741A1 (en) * 2019-10-29 2021-04-29 Loon Llc Systems and Methods for Navigating Aerial Vehicles Using Deep Reinforcement Learning
CN111082686B (zh) * 2020-01-13 2022-04-08 阳光电源股份有限公司 一种多路mppt逆变器及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11318847B2 (en) 2022-05-03
CN111619360A (zh) 2020-09-04
US20220032780A1 (en) 2022-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111619360B (zh) 一种适用于太阳能无人机的能源管理控制***及控制方法
CN102420440B (zh) 一种车载太阳能充电器控制***及其控制方法
CN105450168B (zh) Mppt统一控制电路及其控制方法
CN106100096A (zh) 一种微纳卫星低压高效电源***
CN106532897A (zh) 用于太阳能无人机的供电管理***
CN105449822A (zh) 一种用于高空飞艇的能源***及供电控制方法
TWI460963B (zh) 具適應性電能控制之太陽光伏發電系統及其操作方法
CN106385231A (zh) 基于改进型h桥dc‑dc拓扑的mppt控制电路
CN109660200B (zh) 太阳能无人机能源管理***及具有其的太阳能无人机
CN107612333A (zh) 一种基于双管升降压变换器的控制电路及方法
CN111409836B (zh) 一种用于多旋翼无人机的航空混合动力***发电整流控制方法
CN107215472A (zh) 太阳能无人机能源管理***
CN110103768A (zh) 一种电动汽车自动补电方法与装置
CN103970178A (zh) 一种s4r电路拓扑的混合式控制方法
CN110571906A (zh) 具有多种工作模式的电站的工作状态自适应控制方法
CN111628677B (zh) 一种宽工作域无刷电机高效控制***及控制方法
CN205407378U (zh) 基于风光互补以及热能回收的航拍机电源***以及航拍机
He et al. Design of energy management system for a small solar-powered unmanned aerial vehicle
CN209561544U (zh) 一种具有太阳能辅助供电的车载燃料电池发电***
CN109204005B (zh) 一种光伏增程式车载复合电源控制***及方法
Chung et al. A maximum power point tracking and voltage regulated dual-chip system for single-cell photovoltaic energy harvesting
CN218877622U (zh) 一种用于燃料电池飞行器的新型电源管理模块
CN116395164B (zh) 一种应用于无人机的微波无线传能与电池组合供电方法
CN114030620B (zh) 一种太阳能无人机电源管理方法
CN115416857B (zh) 具有双向电源电机控制器的无人机***及其电能控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zheng Yao

Inventor after: Chen Junyin

Inventor after: Du Changping

Inventor after: Song Guanghua

Inventor after: Yang Rui

Inventor after: Ye Zhixian

Inventor after: Zhang Zekun

Inventor before: Zheng Yao

Inventor before: Chen Junyin

Inventor before: Du Changping

Inventor before: Yang Rui

Inventor before: Ye Zhixian

Inventor before: Zhang Zekun

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant