一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，包括太陽能電池組件、DC?DC變換器、鋰電池組件、鋰電池保護電路、能源管理控制模塊、無人機主控制模塊、無人機供電單元，能源管理控制模塊包括最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、能源管理控制器；太陽能電池組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，鋰電池組件為無人機的儲能元件，能源管理控制模塊可以實時監(jiān)測太陽能電池和鋰電池的運行狀態(tài)，控制無人機能量分配，并結(jié)合不同情況選擇合適的供能模式；本發(fā)明結(jié)合了太陽能電池和鋰電池的優(yōu)點，合理控制和分配能源使用，提高太陽能電池和鋰電池的利用率，有效克服了現(xiàn)有無人機儲能有限的不足，增加了無人機的航時。
【專利說明】
一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利設(shè)計一種太陽能無人機的能源管理系統(tǒng)，屬于航空飛行器的能源管理和控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機已經(jīng)在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、安防等領(lǐng)域獲得大力發(fā)展。但目前無人機基本是以鋰電池、蓄電池、燃料電池等作為燃料。受限于無人機的設(shè)計尺寸，無人機所攜帶的能源是有限的，這就限制了無人機的留空時間、航程等，影響無人機有限載荷和任務(wù)要求。太陽能作為一種全新的能源，其清潔無污染、來源永不枯竭、維護措施簡單等特點，使其越來越受到廣泛關(guān)注，這也促使了太陽能無人機產(chǎn)生和發(fā)展。太陽能無人機作為未來無人機的發(fā)展方向，如果單純采用太陽能供能，則會受光照、外界環(huán)境等影響，會降低太陽能無人機的適應(yīng)性。因此，設(shè)計一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，結(jié)合太陽能電池和鋰電池的優(yōu)勢，合理控制和分配能源使用，提高無人機能源的利用率，從而實現(xiàn)無人機的長航飛行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明提供了一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)。利用太陽能發(fā)電技術(shù)，結(jié)合儲能較高的鋰電池，設(shè)計合理的能源分配，實現(xiàn)無人機能源的最大化利用。同時結(jié)合太陽能電池的特性、鋰電池的特性以及無人機的飛行環(huán)境，設(shè)計不同情況下，無人機能源供應(yīng)的不同模式，提高無人機能源的利用率。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，包括太陽能電池組件、DC-DC變換器、鋰電池組件、鋰電池保護電路、能源管理控制模塊、無人機主控制模塊、無人機供電單元，能源管理控制模塊包括最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、能源管理控制器;其特征在于，太陽能電池組件與DC-DC變換器相連，DC-DC變換器分別與最大功率跟蹤模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，鋰電池組件與鋰電池保護電路相連，鋰電池保護電路分別與智能充放電模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，能源管理控制器分別與最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、無人機主控制模塊、無人機供電單元相連，無人機主控制模塊與無人機供電單元相連。
[0005]所述太陽能電池組件一般為柔性薄膜太陽能電池片，可根據(jù)無人機的機型合理鋪設(shè)在無人機的機翼、機身等地方;所述鋰電池組件為無人機的儲能元件，其能量密度應(yīng)滿足無人機的任務(wù)需要;所述最大功率跟蹤模塊可使太陽能電池組件以最大功率輸出，以提高太陽能電池組件的利用效率;所述智能充放電模塊可以根據(jù)所述能源管理器指令完成對鋰電池組件的充電和放電任務(wù)，可具備快速充電、保護鋰電池、安全放電等功能;所述電池狀態(tài)檢測模塊實時監(jiān)測太陽能電池組件和鋰電池組件的電壓、電流等參數(shù)，準(zhǔn)確、實時傳送給能源管理控制器;所述能源管理控制器綜合能源管理控制模塊中各部分的信息，以及無人機主控制模塊的相關(guān)信息和指令，完成對太陽能電池組件和鋰電池組件的能源管理、分配和利用，保證無人機供電單元正常運行;所述無人機主控制模塊控制無人機的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他的無人機相關(guān)模塊，并將無人機的運行狀態(tài)相關(guān)信息及相關(guān)控制指令實時傳送給能源管理控制器;所述無人機供電單元包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他無人機運行所需的供電單元。
[0006]能源管理控制模塊接收能源管理系統(tǒng)中各部分的信息，包括太陽能電池組件運行狀態(tài)、鋰電池組件運行狀態(tài)、無人機供電單元的運行信息、以及無人機主控制模塊的信號和指令，在綜合各種信息后，按照預(yù)定控制模式，完成能源分配;其中，太陽能電池組件的運行狀態(tài)，可由與太陽能電池組件相連的DC-DC變換器輸出狀態(tài)檢測，鋰電池組件的運行狀態(tài)，可由與鋰電池組件相連的鋰電池保護電路中檢測。
[0007]能源管理系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下，實現(xiàn)不同的控制模式，包括:太陽能電池組件向鋰電池組件充電模式、太陽能電池組件直接向無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件同時向鋰電池組件和無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件和鋰電池組件聯(lián)合向無人機供電單元供電模式、鋰電池組件向無人機供電單元供電模式。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:能源管理系統(tǒng)作為無人機能源系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)中心，可以實現(xiàn)太陽能電池組件和鋰電池組件共同對無人機供能，可以實現(xiàn)太陽電池組件輸出功率調(diào)節(jié)，對鋰電池組件進行智能管理。在太陽能電池組件功率輸出充足的情況下，盡可能保留更多鋰電池組件的能量;在太陽能電池組件輸出功率不足的情況下，則由鋰電池組件進行補充。本發(fā)明還設(shè)計了完整的無人機能源控制流程，可以保證能源控制系統(tǒng)在不同情況下，均可以為無人機提供穩(wěn)定、充足的能量；同時，本發(fā)明可以最大化利用太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量，增加無人機的航程。本發(fā)明還具有易于實現(xiàn)、應(yīng)用方便等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明能源管理系統(tǒng)原理框圖。
[0010]圖2為本發(fā)明能源管理系統(tǒng)控制模式選擇流程圖。
[0011]附圖標(biāo)號說明:1.太陽能電池組件2.DC-DC變換器3.鋰電池組件4.鋰電池保護電路5.能源管理控制模塊6.無人機主控制模塊7.無人機供電單元8.能源管理控制器9.電池狀態(tài)檢測模塊10.智能充放電模塊11.最大功率跟蹤模塊
【具體實施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
[0013]參見圖1，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:包括太陽能電池組件1、DC-DC變換器2、鋰電池組件3、鋰電池保護電路4、能源管理控制模塊5、無人機主控制模塊6、無人機供電單元7，能源管理控制模塊5包括能源管理控制器8、電池狀態(tài)檢測模塊9、智能充放電模塊10、最大功率跟蹤模塊11;其特征在于，太陽能電池組件I與DC-DC變換器2相連，DC-DC變換器2分別與最大功率跟蹤模塊11和電池狀態(tài)檢測模塊9相連，鋰電池組件3與鋰電池保護電路4相連，鋰電池保護電路4分別與智能充放電模塊1和電池狀態(tài)檢測模塊9相連，能源管理控制器8分別與電池狀態(tài)檢測模塊9、智能充放電模塊10、最大功率跟蹤模塊11、無人機主控制模塊6、無人機供電單元7相連，無人機主控制模塊6與無人機供電單元7相連。
[0014]參見圖1，所述太陽能電池組件I一般為柔性薄膜太陽能片，可根據(jù)無人機的機型合理鋪設(shè)在無人機的機翼、機身等地方;所述鋰電池組件3為無人機的儲能元件，其能量密度應(yīng)滿足無人機的任務(wù)需要;所述最大功率跟蹤模塊11可使太陽能電池組件I以最大功率輸出，可提高太陽能電池組件I的利用效率;所述智能充放電模塊10可以根據(jù)能源管理控制器8的指令完成對鋰電池組件3的充電和放電任務(wù)，可具備快速充電、保護鋰電池、安全放電等功能;所述電池狀態(tài)檢測模塊9實時監(jiān)測太陽能電池組件I和鋰電池組件3的電壓、電流等參數(shù)，準(zhǔn)確、實時傳送給能源管理控制器8;所述能源管理控制器8綜合能源管理控制模塊5各部分的信息、無人機供電單元7的運行信息及無人機主控制模塊6的相關(guān)信息和指令，完成對太陽能電池組件I和鋰電池組件3的能源管理、分配和利用，保證無人機供電單元正常運行;所述無人機主控制模塊6控制無人機的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他的無人機相關(guān)模塊，將無人機的相關(guān)運行狀態(tài)實時傳送給能源管理控制器8，并根據(jù)需要將控制指令送至能源管理控制器8;所述無人機供電單元7包括動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他無人機所需的供電單元。
[0015]參見圖1，能源管理控制模塊5接收能源管理系統(tǒng)中各部分的信息，包括太陽能電池組件I運行狀態(tài)、鋰電池組件3運行狀態(tài)、無人機供電單元7的運行信息、以及無人主控制模塊6的信號和指令，在綜合各種信息后，按照預(yù)定工作模式，完成能源分配;其中，太陽能電池組件I的運行狀態(tài)，可由與太陽能電池組件I相連的DC-DC變換器2輸出狀態(tài)檢測，鋰電池組件3的運行狀態(tài)，可由與鋰電池組件3相連的鋰電池保護電路4中檢測。
[0016]太陽能電池組件I的輸出能量在該能源管理系統(tǒng)中具有兩個流向，一是充入鋰電池組件3作為儲備能量，二是直接供給無人機供電單元9。能源管理控制模塊5采用動態(tài)電源路徑管理技術(shù)(Dynamic Power Path Management，DPPM)，將太陽能電池組件I所獲取的電能在充入鋰電池組件3和供向無人機供電單元7之間進行動態(tài)調(diào)度，以最大化利用太陽能電池的輸出功率。
[0017]參見圖2，能源管理系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下，實現(xiàn)不同的能源控制模式，包括:太陽能電池組件向鋰電池組件充電模式、太陽能電池組件直接向無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件同時向鋰電池組件和無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件和鋰電池組件聯(lián)合向無人機供電單元供電模式、鋰電池組件向無人機供電單元供電模式。
[0018]太陽能無人機能源管理系統(tǒng)控制模式的選擇判斷單元包括，無人機供電單元供電狀態(tài)判斷單元、太陽能電池組件輸出狀態(tài)判斷單元、鋰電池組件電量狀態(tài)判斷單元；
[0019]太陽能無人機能源管理系統(tǒng)各種模式的選擇，首先需要滿足無人機供電單元的能源供給，特別是無人機動力系統(tǒng)負(fù)載的安全平穩(wěn)運行和控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；同時，不同能源控制模式的切換應(yīng)滿足快速、平穩(wěn)，不能影響無人機的正常運行;不同控制模式的選擇應(yīng)該以最大化利用太陽能電池功率輸出和鋰電池安全高效的利用為基礎(chǔ)。
[0020]參見圖2，一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)的控制模式選擇流程圖，詳細(xì)說明無人機各種模式選擇的條件;在無人機無運行時，即不需要向無人機供電單元7供電，太陽能電池組件I應(yīng)及時對鋰電池組件3充電；無人機正常運行時，當(dāng)光照充足、太陽能電池組件I的輸出功率可以滿足無人機供電單元7需求的情況下，可以直接向無人機供電單元7提供能量，由于太陽能電池組件I的輸出功率并不穩(wěn)定，需要根據(jù)無人機供電單元7的能量需要，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出功率;無人機正常運行時，當(dāng)光照充足、太陽能電池組件I輸出功率可以滿足無人機供電單元7能量需求的情況下，當(dāng)檢測到鋰電池組件3的電量不滿時，在保證無人機供電單元7正常運行的情況下，可以通過動態(tài)電源路徑管理技術(shù)，對鋰電池組件3的進行充電；無人機正常運行時，當(dāng)光照不足、太陽能電池組件I輸出功率不能完全滿足無人機供電單元7的能量需求時，需要通過鋰電池組件3補充輸出能量，滿足無人機供電單元7正常運行；當(dāng)無人機正常運行時，太陽能電池組件I無輸出功率時，啟動鋰電池組件2單獨對無人機供電單元7供電；無人機正常運行時，鋰電池組件3單獨供電的情況下，當(dāng)鋰電池組件3電量低于預(yù)設(shè)電量值，啟動警報。
[0021]參見圖2，一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，控制模式的選擇流程包括如下步驟:
[0022](I)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)，判斷無人機供電單元是否運行，若無人機供電單元運行，則執(zhí)行步驟2;若無人機供電單元沒有運行，則執(zhí)行步驟3;
[0023](2)根據(jù)太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件是否有功率輸出，若太陽能電池組件有功率輸出，則執(zhí)行步驟4;若太陽能電池組件沒有功率輸出，則執(zhí)行步驟5;
[0024](3)根據(jù)鋰電池組件電量狀態(tài)，判斷鋰電池組件電量是否為滿，若鋰電池組件電量為滿，則無人機能源管理系統(tǒng)執(zhí)行待機狀態(tài);若鋰電池組件電量不滿，則執(zhí)行步驟6;
[0025](4)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)和太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件輸出功率是否滿足無人機供電單元正常運行，若太陽能電池組件輸出功率滿足無人機供電單元正常運行，則執(zhí)行步驟7;若太陽能電池組件輸出功率不能滿足無人機供電單元正常運行，則執(zhí)行太陽能電池組件和鋰電池組件聯(lián)合向無人機供電單元供電模式；
[0026](5)根據(jù)鋰電池組件電量狀態(tài)，判斷鋰電池組件電量是否低于警戒值，若鋰電池組件電量低于警戒值，報警并啟動降落準(zhǔn)備;若鋰電池組件電量沒有低于警戒值，則執(zhí)行鋰電池組件對無人機供電單元供電模式；
[0027](6)根據(jù)太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件是否有功率輸出，若太陽能電池組件有功率輸出，則執(zhí)行太陽能電池組件向鋰電池組件充電模式;若太陽能電池組件沒有功率輸出，則無人機能源管理系統(tǒng)執(zhí)行待機狀態(tài)；
[0028](7)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)和太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件輸出功率是否有余量，若太陽能電池組件輸出功率有余量，執(zhí)行太陽能電池組件同時向鋰電池組件和無人機供電單元供電模式;若太陽能電池組件輸出功率沒有余量，則執(zhí)行太陽能電池組件直接向無人機供電單元供電模式。
【主權(quán)項】
1.一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，包括太陽能電池組件、DC-DC變換器、鋰電池組件、鋰電池保護電路、能源管理控制模塊、無人機主控制模塊、無人機供電單元，能源管理控制模塊包括最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、能源管理控制器;其特征在于，太陽能電池組件與DC-DC變換器相連，DC-DC變換器分別與最大功率跟蹤模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，鋰電池組件與鋰電池保護電路相連，鋰電池保護電路分別與智能充放電模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，能源管理控制器分別與最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、無人機主控制模塊、無人機供電單元相連，無人機主控制模塊與無人機供電單元相連； 一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，能源管理控制模式包括:太陽能電池組件向鋰電池組件充電模式、太陽能電池組件直接向無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件同時向鋰電池組件和無人機供電單元供電模式、太陽能電池組件和鋰電池組件聯(lián)合向無人機供電單元供電模式、鋰電池組件向無人機供電單元供電模式； 一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，能源管理控制模式的選擇判斷單元包括，無人機供電單元供電狀態(tài)判斷單元、太陽能電池組件輸出狀態(tài)判斷單元、鋰電池組件電量狀態(tài)判斷單元； 一種太陽能無人機能源管理系統(tǒng)，能源管理控制模式的選擇流程包括如下步驟: (I)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)，判斷無人機供電單元是否運行，若無人機供電單元運行，則執(zhí)行步驟2;若無人機供電單元沒有運行，則執(zhí)行步驟3; ⑵根據(jù)太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件是否有功率輸出，若太陽能電池組件有功率輸出，則執(zhí)行步驟4;若太陽能電池組件沒有功率輸出，則執(zhí)行步驟5; (3)根據(jù)鋰電池組件電量狀態(tài)，判斷鋰電池組件電量是否為滿，若鋰電池組件電量為滿，則無人機能源管理系統(tǒng)執(zhí)行待機狀態(tài);若鋰電池組件電量不滿，則執(zhí)行步驟6; (4)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)和太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件輸出功率是否滿足無人機供電單元正常運行，若太陽能電池組件輸出功率滿足無人機供電單元正常運行，則執(zhí)行步驟7;若太陽能電池組件輸出功率不能滿足無人機供電單元正常運行，則執(zhí)行太陽能電池組件和鋰電池組件聯(lián)合向無人機供電單元供電模式； (5)根據(jù)鋰電池組件電量狀態(tài)，判斷鋰電池組件電量是否低于警戒值，若鋰電池組件電量低于警戒值，報警并啟動降落準(zhǔn)備;若鋰電池組件電量沒有低于警戒值，則執(zhí)行鋰電池組件對無人機供電單元供電模式； (6)根據(jù)太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件是否有功率輸出，若太陽能電池組件有功率輸出，則執(zhí)行太陽能電池組件向鋰電池組件充電模式;若太陽能電池組件沒有功率輸出，則無人機能源管理系統(tǒng)執(zhí)行待機狀態(tài)； (7)根據(jù)無人機供電單元供電狀態(tài)和太陽能電池組件輸出狀態(tài)，判斷太陽能電池組件輸出功率是否有余量，若太陽能電池組件輸出功率有余量，執(zhí)行太陽能電池組件同時向鋰電池組件和無人機供電單元供電模式;若太陽能電池組件輸出功率沒有余量，則執(zhí)行太陽能電池組件直接向無人機供電單元供電模式。
【文檔編號】B64D47/00GK105905305SQ201610268611
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】李孝祿, 王鑫, 黃建鋒
【申請人】中國計量大學(xué)