CN102060107B - 一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统 - Google Patents

Abstract

一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，它以太阳能电池阵为主供电源，再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池组为辅助电源，直流无刷电动机及其驱动控制器为驱动装置，能源监控器为能源分配系统，单向和双向高压DC/DC变换器为电压调节装置的电-电混合能源供给系统。太阳能电池阵通过电缆与带最大功率跟踪的单向高压DC/DC变换器相连；单向高压DC/DC变换器经电缆与直流无刷电机驱动控制器相连，可控制直流无刷电动机驱动高空螺旋桨；单向高压DC/DC变换器通过电缆与双向高压DC/DC变换器相连；单向高压DC/DC变换器通过电缆与高能动力蓄电池组的充电调节器相连；基于能源监控器可实现电源功率的合理分配，保证平流层电-电混合太阳能飞艇的机动安全性及较高的使用寿命。

Description

一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统

一、技术领域：

本发明涉及一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，属于航空航天器能源系统技术领域。

二、背景技术：

飞艇是利用艇体充满小于空气比重的气体，如氦气或氢气，利用浮力而升空，能量消耗较少。按飞行高度可划分为对流层和平流层飞艇。平流层飞艇一般在25000米左右的高空飞行或悬停，该飞行区域气温不随高度变化，几乎没有水汽凝结，没有雷、电等气象，也没有大气的上下对流。因此人们利用平流层飞艇作为长期驻空的平台进行通信、对地观测、国土资源监测和预警等。现有的飞艇技术方案自带能源提供动力，体积较大，操纵不便。近年来，随着轻质、高效柔性薄膜太阳能电池的发展，在艇体表面覆贴太阳能电池阵，作为飞艇白天的主动力源；采用新技术不断取得突破，并能常温快速启动的质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为飞艇夜间的动力源；该再生式燃料电池由电解池、燃料电池反应堆、高压储氢罐、高压储氧罐、燃料电池控制器及水箱组成。同时，采用高能动力蓄电池作为再生式燃料电池的补充电源，可在特殊需求的情况下单独供电，并作为再生式燃料电池的启动电源；在能源不足的情况下，也可与其它能源设备联合供电；在其它能源设备出现故障时，作为应急电源，提供飞艇返回地面所需能量。

采用电-电混合型动力系统可有效提高系统的效率和可靠性，目前的技术关键在于如何确定作为白天主动力源的太阳能电池阵容量、夜间动力源再生式氢氧燃料电池及作为辅助动力源之一的高能动力蓄电池组间的最佳功率分配，使动力系统在满足任务需求的条件下，各项配置及工作性能达到最优。

三、发明内容：

（1）目的：本发明的目的在于提供一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，该系统联合使用太阳能电池阵、再生式氢氧燃料电池及高能动力蓄电池三种电源系统，并可根据负载需求合理分配这三种能源的功率输出。

（2）技术方案：本发明一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，该系统以太阳能电池阵为主供电源，再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池组为辅助电源，直流无刷电动机和电机驱动控制器为驱动装置，艇载能源监控器为能源分配系统，单向及双向高压DC/DC变换器为电压调节装置的电-电混合能源供给系统。它们之间的位置连接关系是：太阳能电池阵通过电缆与带最大功率跟踪的单向高压DC/DC变换器相连，以获得太阳能最大输出功率；单向高压DC/DC变换器经由电缆与直流无刷电机驱动控制器相连，该控制器控制直流无刷电动机驱动高空螺旋桨推进器；单向高压DC/DC变换器通过电缆与双向高压DC/DC变换器相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为燃料电池反应堆的电解池提供能量电解水产生氢、氧气；单向高压DC/DC变换器通过电缆与高能动力蓄电池组的充电调节器相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为高能动力蓄电池充电。

所述太阳能电池阵由铜铟镓硒薄膜太阳能单体电池组成，具体制作方法是：把许多铜铟镓硒薄膜太阳能单体电池以串、并联方式用互连片连接起来构成电池组件，电池组件通过汇流条将能量汇流到扁平电缆母线，作为飞艇白天的主要电源。该铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件选自深圳市知育光电科技有限公司，产品型号ZY-100W；该汇流条选自西安三高光伏电子科技有限公司的太阳能光伏组件集成软式汇流条，产品型号OS-1524AV-2D；该扁平电缆母线选自戈尔(Gore)公司的高柔性扁平电缆，产品型号Gore^TMFireWire GSC-17-24653-077。

所述再生式氢氧燃料电池主要由高压储氢罐、高压储氧罐、电解池、燃料电池反应堆、燃料电池控制器、水箱组成，作为飞艇夜间的主供电源。该再生式氢氧燃料电池由大连化学物理研究所研制并提供。

所述高能动力蓄电池组由方形结构的锂电池单体串并联组成，该蓄电池组采用新式的拉杆式结构，即排列整齐的锂电池单体用前后端板夹住，用螺杆拉紧固定，包括锂电池单体、前后端板、中间支架和散热片及电连接器，其间的位置连接关系是：由锂电池单体组成的蓄电池组由前后端板和中间支架通过钛合金拉杆紧固；多个L型散热片安置在串联锂电池单体之间；电连接器安装在蓄电池组前后端板上，用于实现蓄电池组功率输出、充电输入、热控、均衡电路信号传输和地面测试等功能；蓄电池组通过前后端板和中间支架的安装角紧固在飞艇吊舱内壁；它可作为再生式燃料电池的补充电源和在其它能源设备出现故障时作为应急电源。

所述艇载能源监控器主要由硬件和软件两部分组成。其中的硬件主要是一块集成电路板，由监控器主芯片，Flash存储器和RAM存储器及相关电路组成，监控器主芯片的输出与Flash存储器和RAM存储器的输入相连。监控器主芯片采用MC68376单片机，Flash存储器和RAM存储器采用AM29F040。该软件是根据既定的飞艇飞行方案编制的能量供给控制程序，图2是该控制程序的流程框图。

所述直流无刷电动机是由定子、转子、电枢、永磁磁极和转子位置传感器构成，其中电枢和转子位置传感器固定在定子上，永磁磁极固定在转子上。转子位置传感器用于检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发送信号，由此控制功率器件对定子绕组中的电流进行换向。

所述直流无刷电机驱动控制器包括数字信号处理单元、三相全桥功率驱动器、保护模块、通信接口和电源管理单元。数字信号处理单元以TMS320LF2808为核心，完成对转子位置、电枢电流、母线电压和电流、通信接口、电机转速等信号的实时检测和处理，并根据设定的转矩和转速需求，输出脉宽调制信号（PWM）控制电枢绕组中的电流，实现转矩和转速的闭环控制；三相全桥功率驱动器由智能功率模块（IPM）和相关辅助电路构成，具有运行可靠、保护灵敏等特点；它们实现相关的欠压、过压和过流保护，接收用户指令，并提供可靠的逻辑控制和功率驱动电源。

所述单向及双向高压DC/DC变换器，由北京昂华伟业科技有限公司专门定制，主电路由输入滤波电路、桥式逆变电路、高频变压器、谐振电感、箝位二极管、隔直电路及输出整流、滤波电路等组成。直流输入电压220-400V，直流输出电压270V±10%，并具有过压、欠压、过热、输出短路、防反接保护功能。

白天，由覆盖在飞艇表面的柔性薄膜太阳能电池阵为艇载负载提供能量，当太阳能辐射量较大时，在优先保证负载功率需求的前提下，将多余的电能传输给再生式氢氧燃料电池电解水，产生氢气和氧气，并储存在各自的高压储罐中。在保证再生氢氧燃料电池正常电解水的前提下，若电池阵的电能仍有富余，通过高能动力蓄电池组充电调节器给高能蓄电池组充电。由于太阳能电池阵输出功率受天气变化影响较大，而再生式氢氧燃料电池质量比功率较低、输出特性较软并且响应较慢，不能满足飞艇机动飞行及姿态调整等工况时瞬时大功率需求。为此，本发明采用了高能动力蓄电池组作为另外一种辅助电源，起到调节峰值功率的作用。为了实现上述各器件的功率平衡控制，本发明采用的方法如下：⑴白天，利用带最大功率跟踪装置的单向高压DC/DC变换器，保证太阳能电池阵始终工作在最大功率状态，艇载能源监控器将根据既定的系统飞行方案，控制直流无刷电机驱动控制器（优先级高）、双向高压DC/DC变换器的控制电路（优先级中）以及蓄电池管理电路（BMU，优先级低）按优先级高低进行需求能量的提取。⑵夜间，再生式氢氧燃料电池的输出电流给定值将跟随平均负载的缓慢变化和高能动力蓄电池组充电调节器的充电需求，由艇载能源监控器控制。⑶高能动力蓄电池组充电调节器根据SOC（荷电状态）的状态采用不同充电电流限幅的方法。母线电压采用半调节方式，该方式无需蓄电池放电调节器，可提高放电效率，在飞艇处于高功率工况时，由高能动力蓄电池组提供一定的功率，起到峰值调节功率的作用。⑷保证高能动力蓄电池组大部分时间处于浮充状态，艇载能源监控器可分别计算太阳能电池阵（白天）或再生式氢氧燃料电池（夜间）的期望输出功率，协调控制MPPT（最大功率点跟踪变换器）、单向和双向高压DC/DC变换器，控制高能动力蓄电池组的充电调节器输入/输出电流，实现整个系统的功率平衡。

（3）优点及功效：本发明一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，它可以实现太阳能电池阵、再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池组之间功率的合理分配，从而保证平流层电-电混合太阳能飞艇的机动性、安全性及较高的使用寿命。在本发明的能源供给系统中，考虑到太阳能电池阵的输出功率间歇性，再生式氢氧燃料电池的输出特性偏软，且响应较慢等特点，配以高能动力蓄电池组，实现直流无刷电动机的转矩闭环控制。在平流层电-电混合飞艇处于机动飞行及姿态调整工况时，为满足动力性的要求，白天，一般通过太阳能电池阵和高能动力蓄电池混合提供能量；但当太阳能电池阵输出功率较小时，通过太阳能电池阵、再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池混合提供能量；夜间，通过再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池组混合提供能量；其它工况，主要是：白天，由太阳能电池阵提供能量，但当太阳能辐射量较小时，由太阳能电池阵和再生式氢氧燃料电池提供能量；夜间由再生式氢氧燃料电池提供能量。

四、附图说明：

图1是本发明的平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统的结构示意图。

图2是根据既定的飞艇飞行方案编制的能量供给控制流程图。

图1中符号说明如下：

1高空螺旋桨推进器；2直流无刷电动机；3直流无刷电机驱动控制器；4艇载能源监控器；5高能动力蓄电池组；6BMU（蓄电池管理单元）；7高能动力蓄电池组的充电调节器；8单向高压DC/DC变换器；9双向高压DC/DC变换器；10MPPT（最大功率点跟踪变换器）；11太阳能电池阵；12再生式氢氧燃料电池；12-1燃料电池反应堆；12-2电解池；12-3燃料电池控制器。

五、具体实施方式：

见图1，本发明一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，该系统以太阳能电池阵11为主供电源，再生式氢氧燃料电池12和高能动力蓄电池组5为辅助电源，直流无刷电动机2和直流无刷电机驱动控制器3为驱动装置，艇载能源监控器4为能源分配系统，单向和双向高压DC/DC变换器8、9为电压调节装置的电-电混合能源供给系统。它们之间的位置连接关系是：太阳能电池阵11通过电缆与带最大功率跟踪的单向高压DC/DC变换器相连8，以获得太阳能最大输出功率；单向高压DC/DC变换器8经由电缆与直流无刷电机驱动控制器3相连，该直流无刷电机驱动控制器3控制直流无刷电动机2驱动高空螺旋桨推进器1；单向高压DC/DC变换器8通过电缆与双向高压DC/DC变换器9相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为燃料电池反应堆12-1的电解池12-2提供能量电解水产生氢、氧气；单向高压DC/DC变换器8通过电缆与高能动力蓄电池组的充电调节器7相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为高能动力蓄电池5充电。

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

—直流无刷电动机2及与之通过电缆相连接的直流无刷电机驱动控制器3，所述直流无刷电动机2采用转矩闭环控制，驱动高空螺旋桨推进器1。

—太阳能电池阵11，在白天，为整艇负载提供能量，并在太阳能辐射强度高时，电解水产生氢、氧气储存于各自的高压储罐中。

—与太阳能电池阵11通过高压电缆相连的MPPT10（最大功率点跟踪变换器），其采用脉宽调制技术，使太阳能电池阵11输出功率跟踪最大功率点。

—再生式氢氧燃料电池12，其主要包括：高压储氢罐、高压储氧罐、电解池12-2、燃料电池反应堆12-1、燃料电池控制器12-3、水箱。

—通过高压电缆与太阳能电池阵11相连的单向高压DC/DC变换器8，其采用输出电流闭环控制，单向高压DC/DC变换器8不断检测输出侧高压母线上的输出电流，并与艇载能源监控器4的设定输出电流进行实时比较，保证输出侧的电流跟踪艇载能源监控器4的给定规律变化。同时，控制算法保证了太阳能电池阵11（白天）或再生氢氧燃料电池12（夜间）的输出电流跟随飞艇的平均负载变化，并兼顾高能蓄电池组5当前的充放电需要，于是可以得到太阳能电池阵11或再生式氢氧燃料电池12的期望输出功率，基于该期望功率，白天，艇载能源监控器4可通过MPPT 10（最大功率点跟踪变换器）调节太阳能电池阵列的输出功率；夜间，艇载能源监控器4可通过燃料电池控制器12-2调节再生式氢氧燃料电池12的输出功率。再生式氢氧燃料电池12输出的大电流、高电压通过双向高压DC/DC变换器9提供给直流无刷电机驱动控制器3。

—高能动力蓄电池组5，由单体锰锂电池串并联组成，通过高能动力蓄电池组的充电调节器7与高压母线相连，长期保持浮充状态。可为再生式燃料电池12启动时提供能量，一旦启动后，再生式氢氧燃料电池12控制用耗能由再生式氢氧燃料电池自身提供。同时，高能动力蓄电池组5在飞艇做机动飞行或姿态调整时为直流无刷电机驱动控制器3提供一定峰值功率。在再生式氢氧燃料电池12或太阳能电池阵11出现故障时，由高能动力蓄电池组5提供该飞艇紧急下降阶段所需能量。

—双向高压DC/DC变换器9，采用电流闭环控制，即双向高压DC/DC变换器9不断检测流入/流出再生式氢氧燃料电池12的电流大小，并与艇载能源监控器4的设定电流进行实时比较，保证流入/流出再生式氢氧燃料电池12的电流跟踪艇载能源监控器4的给定规律变化。白天，通过双向高压DC/DC变换器9从高压母线上取电，为燃料电池反应堆12-1的电解池12-2提供能量电解水，产生氢气和氧气。夜间，通过双向高压DC/DC变换器9将燃料电池反应堆12-1氢氧化学反应产生的电能提供给直流无刷电动机2，满足不同工况所需能量需求。

—BMU 6（蓄电池管理单元），提供关于蓄电池荷电状态(SOC)，并控制充、放电接触器的闭合与断开，以提供功率平衡控制策略的有效实施。

—艇载能源监控器4，控制太阳能电池阵11、再生式氢氧燃料电池12、高能动力蓄电池组5、直流无刷电机驱动控制器3及直流无刷电动机2，并实现上述各器件的功率平衡控制：⑴白天，保证太阳能电池阵的电流给定值跟随平均负载的变化、高能动力蓄电池组5充电电流控制及再生式氢氧燃料电池12流入电流控制。⑵夜间，再生式氢氧燃料电池12的输出电流给定值跟随平均负载的缓慢变化和高能动力蓄电电池组5充电电流控制。⑶高能动力蓄电池组的充电调节器7根据SOC的状态采用不同充电电流限幅的方法。母线电压采用半调节方式，该方式无蓄电池放电调节器，可提高放电效率，在飞艇处于高功率工况时，由高能动力蓄电池组5提供一定的功率，起到峰值调节功率的作用。⑷保证高能动力蓄电池组5大部分时间处于浮充状态，艇载能源监控器4可分别计算太阳能电池阵11（白天）或再生式氢氧燃料电池12（夜间）的期望输出功率，协调控制MPPT 10、单向高压DC/DC变换器8和双向高压DC/DC变换器9，控制高能动力蓄电池组5的充电调节器输入/输出电流，实现整个系统的功率平衡。

图2是根据既定的飞艇飞行方案编制的能量供给控制流程图，针对地面紧急状况和高空紧急状况给出了合理的处理方式。

Claims (2)

1.一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，其特征在于：该系统以太阳能电池阵为主供电源，再生式氢氧燃料电池和高能动力蓄电池组为辅助电源，直流无刷电动机和电机驱动控制器为驱动装置，艇载能源监控器为能源分配系统，单向及双向高压DC/DC变换器为电压调节装置的电-电混合能源供给系统；太阳能电池阵通过电缆与带最大功率跟踪的单向高压DC/DC变换器相连，以获得太阳能最大输出功率；单向高压DC/DC变换器经由电缆与直流无刷电机驱动控制器相连，该控制器控制直流无刷电动机驱动高空螺旋桨推进器；单向高压DC/DC变换器通过电缆与双向高压DC/DC变换器相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为燃料电池反应堆的电解池提供能量电解水产生氢、氧气；单向高压DC/DC变换器通过电缆与高能动力蓄电池组的充电调节器相连，以便在太阳能辐射强度高或负载能耗较小时，为高能动力蓄电池充电；

所述太阳能电池阵由铜铟镓硒薄膜太阳能单体电池组成，铜铟镓硒薄膜太阳能单体电池以串、并联方式用互连片连接起来构成电池组件，电池组件通过汇流条将能量汇流到扁平电缆母线，作为飞艇白天的主供电源；

所述再生式氢氧燃料电池主要由高压储氢罐、高压储氧罐、电解池、燃料电池反应堆、燃料电池控制器、水箱组成，作为飞艇夜间的主供电源；

所述高能动力蓄电池组由方形结构的锂电池单体串并联组成，该蓄电池组采用新式的拉杆式结构，即排列整齐的锂电池单体用前后端板夹住，用螺杆拉紧固定，包括锂电池单体、前后端板、中间支架和散热片及电连接器，其间的位置连接关系是：由锂电池单体组成的蓄电池组由前后端板和中间支架通过钛合金拉杆紧固；多个L型散热片安置在串联锂电池单体之间；电连接器安装在蓄电池组前后端板上，用于实现蓄电池组功率输出、充电输入、热控、均衡电路信号传输和地面测试等功能；蓄电池组通过前后端板和中间支架的安装角紧固在飞艇吊舱内壁；它可作为再生式燃料电池的补充电源和在其它能源设备出现故障时作为应急电源；

所述艇载能源监控器主要由硬件和软件两部分组成；该硬件是一块集成电路板，由监控器主芯片，Flash存储器和RAM存储器及相关电路组成，监控器主芯片的输出与Flash存储器和RAM存储器的输入相连；该软件是根据既定的飞艇飞行方案编制的能量供给控制程序；

所述直流无刷电动机是由定子、转子、电枢、永磁磁极和转子位置传感器构成，电枢和转子位置传感器固定在定子上，永磁磁极固定在转子上；转子位置传感器用于检测转子磁场相对于定子绕组的位置，并在确定的相对位置上发送信号，由此控制功率器件对定子绕组中的电流进行换向；

所述直流无刷电机驱动控制器包括数字信号处理单元、三相全桥功率驱动器、保护模块、通信接口和电源管理单元；数字信号处理单元以TMS320LF2808为核心，完成对转子位置、电枢电流、母线电压和电流、通信接口、电机转速等信号的实时检测和处理，并根据设定的转矩和转速需求，输出脉宽调制信号即PWM控制电枢绕组中的电流，实现转矩和转速的闭环控制；三相全桥功率驱动器由智能功率模块即IPM和辅助电路构成，具有运行可靠、保护灵敏等特点；它们实现相关的欠压、过压和过流保护，接收用户指令，并提供可靠的逻辑控制和功率驱动电源；

所述单向高压DC/DC变换器及双向高压DC/DC变换器，主电路由输入滤波电路、桥式逆变电路、高频变压器、谐振电感、箝位二极管、隔直电路及输出整流、滤波电路组成；直流输入电压220-400V，直流输出电压270V±10%，并具有过压、欠压、过热、输出短路、防反接保护功能。

2.根据权利要求1构建的平流层电-电混合太阳能飞艇能源供给系统，其特征在于可按照既定的能量供给控制流程图实现对平台的长时、稳定供电，并对故障做出合理处理。

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