CN104659900A - 无人直升机电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无人直升机技术领域，特别是涉及一种无人直升机的电源系统。本系统包括主电源、应急电源、外电源连接模块以及直流配电控制转换器，其中，主电源包括机载交流或直流发电机、与发电机配套的控制器、第一发电机接触器以及第二发电机接触器；应急电源包括能同时输出12V和24V电源的组合蓄电池组、12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器；外电源连接模块包括外电源组合插座和外电源接触器。本发明简化了供配电环节，能极大提升我国电源系统的工程技术水平，赶超国际前沿技术，提高整机可靠性、生存率，扩展直升机使用环境；该系统针对的是目前在研的超轻无人直升机，其技术同样可推广至中型、重型无人直升机，以及所有有人直升机系列。
Description
技术领域
本发明涉及机载电源技术领域，特别是涉及一种用于无人直升机的电源系统。
背景技术
无人直升机既具有有人驾驶直升机那样的独特的垂直起落和空中悬停等飞行性能，又具有无人员伤亡、体积小、造价低等有人驾驶直升机不可比拟的优点。
无人直升机既能向有人直升机一样，执行诸如侦察、武装攻击等所有任务，同时，也能执行生化环境探测、雷场探雷、超视距目标定位和指示、打击效果评估等对有人直升机存在风险的任务。因此，国外发达国家普遍重视无人机的发展，无人机在军民领域的应用越发普及。
无人直升机的电源系统与有人直升机相比，要求：
1）供配电环节最优化，尽快能简单，以减少因环节带来的不可靠因素；
2）充分利用发动机自带电机的功率输出；
3）提升电能利用效率，以达到重量最优；
4）改变了配电保护方式，对飞控计算机等关键设备采用直接供电。
发明内容
本发明的目的：
为无人直升机提供一种构型简单、有效的电源系统，其主电源包括12V和28V两种，12V和28V之间采用DC/DC电源模块转换，应急电源采用组合蓄电池组，组合蓄电池组内部采用抽引方式，能同时输出12V和24V电源。
本发明的方案：
无人直升机电源系统，本系统包括主电源、应急电源、外电源连接模块以及直流配电控制转换器，其中，
主电源包括机载交流或直流发电机、与发电机配套的控制器、第一发电机接触器以及第二发电机接触器，正常飞行情况下，无人机上所有用电设备由主电源提供电能，主电源的机载交流或直流发电机由发动机驱动，通过与发电机配套的控制器的调节，同时通过第一发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出28.5V直流电，通过第二发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出12V直流电。
应急电源包括能同时输出12V和24V电源的组合蓄电池组、12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器；当主电源故障的飞行情况下，应急电源的组合蓄电池组通过12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器连接，向无人机上影响飞行安全的用电设备提供直流电能，确保无人机30min应急飞行时间。
外电源连接模块包括外电源组合插座和外电源接触器；当处于地面时，24V的外电源通过外电源组合插座接入直流配电控制转换器，12V的外电源通过外电源组合插座和外电源接触器接入直流配电控制转换器，用于启动发动机和/或为用电设备提供电能。
直流配电控制转换器用于主电源、应急电源、外电源连接模块与机上电网的连接和转换控制。
所述的用电设备包括任务负载、第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。其中，影响飞行安全的用电设备包括第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。
所述的直流配电控制转换器与第一关键负载、第二关键负载直接相连。
与发电机配套的控制器用于调节机载交流或直流发电机的输出电压。同时，在负载突变情况下，能够稳定和调节机载交流或直流发电机的电压。
此外，与发电机配套的控制器还能在馈线短路或反流时、在机载交流或直流发电机过热时、过压或欠压时，对机载交流或直流发电机进行断开保护。断开后，与发电机配套的控制器还能通过接收飞控计算机的指令对机载交流或直流发电机进行远程复位，使其重新接入电网。
与发电机配套的控制器还采集并输出发电机相关信息，将信息输出给数据采集/传输器和飞控计算机。进一步，输出信息包括：电流参数、电压参数、故障代码。信息输出通过总线方式，总线可为RS422、ARINC429、1553B。
组合蓄电池组内部具有独立保护器件，具有过热、工作异常保护保护功能。同时，该组合蓄电池组具有能满足发动机5次连续起动要求的容量，并能输出电压、电流参数。
直流配电控制转换器包括：12V汇流条、24V汇流条、汇流条连接接触器、12V/24V电源模块、卸载继电器、第一断路器、数据采集/传输器、汇流条短路保护装置，其中，12V汇流条与12V/24V电源模块直接连接，24V汇流条通过汇流条连接接触器与12V/24V电源模块连接，数据采集/传输器与12V/24V电源模块直接连接，卸载继电器通过第一断路器与24V汇流条连接，汇流条短路保护装置分别与12V汇流条和24V汇流条连接，24V汇流条上还连有第二断路器，12V汇流条上还连有第三断路器。
第一发电机接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，第二发电机接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，12V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源组合插座与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，发动机内部的起动机与直流配电控制转换器的12V汇流条连接。
12V/24V电源模块用于将12V输入电源转换为24V输出电源，具有电压调节、稳定作用，同时，能实现短路和过流保护，并具有远程复位功能。
汇流条短路保护装置用于检测24V汇流条和12V汇流条工作状态，在24V汇流条和/或12V汇流条出现短路时，断开汇流条连接接触器。
数据采集/传输器实时与12V/24V电源模块、与发电机配套的控制器、组合蓄电池组、外电源组合插座进行数据采集和交换，并将数据传输给飞控计算机。数据采集/传输器还具有存储功能，能记录1h以内的当前数据，并实时更新。
数据采集/传输器实时采集的数据包括发电机电压、发电机电流、发电机频率、发电机功率因数、发电机相位、发电机过热信息、发电机过压信息、发电机欠压信息、发电机反流信息、馈线短路信息、组合蓄电池组输出24V电源时的电压、组合蓄电池组输出24V电源时的电流、组合蓄电池组输出12V电源时的电压、组合蓄电池组输出12V电源时的电流、组合蓄电池组输出24V电源时的故障信息、组合蓄电池组输出12V电源时的故障信息、12V的外电源的电压、12V的外电源电流、24V的外电源的电压、24V的外电源电流、12V的外电源过压信息、12V的外电源欠压信息、12V的外电源反极性信息、24V的外电源过压信息、24V的外电源欠压信息、24V的外电源反极性信息。
外电源组合插座具有外电源过压、欠压和反极性保护功能。
本发明的技术效果：
本发明简化了供配电环节，对电源系统实现了数字化，能极大提升我国电源系统的工程技术水平，赶超国际前沿技术，提高整机可靠性、生存率，扩展直升机使用环境；该系统针对的是目前在研的超轻无人直升机，包括：150kg、350kg及1吨以下，其技术同样可推广至中型、重型无人直升机，以及所有有人直升机系列。
附图说明
图1是无人机电源系统原理框图。
具体实施方式
无人直升机电源系统，本系统包括主电源、应急电源、外电源连接模块以及直流配电控制转换器，其中，
主电源包括机载交流或直流发电机、与发电机配套的控制器、第一发电机接触器以及第二发电机接触器，正常飞行情况下，无人机上所有用电设备由主电源提供电能，主电源的机载交流或直流发电机由发动机驱动，通过与发电机配套的控制器的调节，同时通过第一发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出28.5V直流电，通过第二发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出12V直流电。
应急电源包括能同时输出12V和24V电源的组合蓄电池组、12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器；当主电源故障的飞行情况下，应急电源的组合蓄电池组通过12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器连接，向无人机上影响飞行安全的用电设备提供直流电能，确保无人机30min应急飞行时间。
外电源连接模块包括外电源组合插座和外电源接触器；当处于地面时，24V的外电源通过外电源组合插座接入直流配电控制转换器，12V的外电源通过外电源组合插座和外电源接触器接入直流配电控制转换器，用于启动发动机和/或为用电设备提供电能。
直流配电控制转换器用于主电源、应急电源、外电源连接模块与机上电网的连接和转换控制。
所述的用电设备包括任务负载、第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。其中，影响飞行安全的用电设备包括第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。
所述的直流配电控制转换器与第一关键负载、第二关键负载直接相连。
与发电机配套的控制器用于调节机载交流或直流发电机的输出电压。同时，在负载突变情况下，能够稳定和调节机载交流或直流发电机的电压。
此外，与发电机配套的控制器还能在馈线短路或反流时、在机载交流或直流发电机过热时、过压或欠压时，对机载交流或直流发电机进行断开保护。断开后，与发电机配套的控制器还能通过接收飞控计算机的指令对机载交流或直流发电机进行远程复位，使其重新接入电网。
与发电机配套的控制器还采集并输出发电机相关信息，将信息输出给数据采集/传输器和飞控计算机。进一步，输出信息包括：电流参数、电压参数、故障代码。信息输出通过总线方式，总线可为RS422、ARINC429、1553B。
组合蓄电池组内部具有独立保护器件，具有过热、工作异常保护保护功能。同时，该组合蓄电池组具有能满足发动机5次连续起动要求的容量，并能输出电压、电流参数。
直流配电控制转换器包括：12V汇流条、24V汇流条、汇流条连接接触器、12V/24V电源模块、卸载继电器、第一断路器、数据采集/传输器、汇流条短路保护装置，其中，12V汇流条与12V/24V电源模块直接连接，24V汇流条通过汇流条连接接触器与12V/24V电源模块连接，数据采集/传输器与12V/24V电源模块直接连接，卸载继电器通过第一断路器与24V汇流条连接，汇流条短路保护装置分别与12V汇流条和24V汇流条连接，24V汇流条上还连有第二断路器，12V汇流条上还连有第三断路器。
第一发电机接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，第二发电机接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，12V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源组合插座与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，发动机内部的起动机与直流配电控制转换器的12V汇流条连接。
12V/24V电源模块用于将12V输入电源转换为24V输出电源，具有电压调节、稳定作用，同时，能实现短路和过流保护，并具有远程复位功能。
汇流条短路保护装置用于检测24V汇流条和12V汇流条工作状态，在24V汇流条和/或12V汇流条出现短路时，断开汇流条连接接触器。
数据采集/传输器实时与12V/24V电源模块、与发电机配套的控制器、组合蓄电池组、外电源组合插座进行数据采集和交换，并将数据传输给飞控计算机。数据采集/传输器还具有存储功能，能记录1h以内的当前数据，并实时更新。
数据采集/传输器实时采集的数据包括发电机电压、发电机电流、发电机频率、发电机功率因数、发电机相位、发电机过热信息、发电机过压信息、发电机欠压信息、发电机反流信息、馈线短路信息、组合蓄电池组输出24V电源时的电压、组合蓄电池组输出24V电源时的电流、组合蓄电池组输出12V电源时的电压、组合蓄电池组输出12V电源时的电流、组合蓄电池组输出24V电源时的故障信息、组合蓄电池组输出12V电源时的故障信息、12V的外电源的电压、12V的外电源电流、24V的外电源的电压、24V的外电源电流、12V的外电源过压信息、12V的外电源欠压信息、12V的外电源反极性信息、24V的外电源过压信息、24V的外电源欠压信息、24V的外电源反极性信息。
外电源组合插座具有外电源过压、欠压和反极性保护功能。
Claims (19)
1.无人直升机电源系统，本系统包括主电源、应急电源、外电源连接模块以及直流配电控制转换器，其特征是，
主电源包括机载交流或直流发电机、与发电机配套的控制器、第一发电机接触器以及第二发电机接触器，正常飞行情况下，无人机上所有用电设备由主电源提供电能，主电源的机载交流或直流发电机由发动机驱动，通过与发电机配套的控制器的调节，同时通过第一发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出28.5V直流电，通过第二发电机接触器与直流配电控制转换器连接，向用电设备输出12V直流电；
应急电源包括能同时输出12V和24V电源的组合蓄电池组、12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器；当主电源故障的飞行情况下，应急电源的组合蓄电池组通过12V蓄电池接触器和24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器连接，向无人机上影响飞行安全的用电设备提供直流电能，确保无人机30min应急飞行时间；
外电源连接模块包括外电源组合插座和外电源接触器；当处于地面时，24V的外电源通过外电源组合插座接入直流配电控制转换器，12V的外电源通过外电源组合插座和外电源接触器接入直流配电控制转换器，用于启动发动机和/或为用电设备提供电能；
直流配电控制转换器用于主电源、应急电源、外电源连接模块与机上电网的连接和转换控制。
2.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，所述的用电设备包括任务负载、第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。
3.如权利要求2无人直升机电源系统，所述的影响飞行安全的用电设备包括第一关键负载、第二关键负载、第一重要负载、第二重要负载。
4.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，所述的直流配电控制转换器与第一关键负载、第二关键负载直接相连。
5.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，与发电机配套的控制器用于调节机载交流或直流发电机的输出电压。
6.如权利要求5无人直升机电源系统，其特征是，所述的与发电机配套的控制器在负载突变情况下，能够稳定和调节机载交流或直流发电机的电压。
7.如权利要求5无人直升机电源系统，其特征是，所述的与发电机配套的控制器还能在馈线短路或反流时、在机载交流或直流发电机过热时、过压或欠压时，对机载交流或直流发电机进行断开保护，断开后，与发电机配套的控制器还能通过接收飞控计算机的指令对机载交流或直流发电机进行远程复位，使其重新接入电网。
8.如权利要求5无人直升机电源系统，其特征是，所述的与发电机配套的控制器还采集并输出发电机相关信息，将信息输出给数据采集/传输器和飞控计算机。
9.如权利要求8无人直升机电源系统，其特征是，所述的输出信息包括：电流参数、电压参数、故障代码，信息输出通过总线方式，总线可为RS422、ARINC429、1553B。
10.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，所述的组合蓄电池组内部具有独立保护器件，具有过热、工作异常保护保护功能。
11.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，所述的组合蓄电池组具有能满足发动机5次连续起动要求的容量。
12.如权利要求1无人直升机电源系统，其特征是，所述的直流配电控制转换器包括：12V汇流条、24V汇流条、汇流条连接接触器、12V/24V电源模块、卸载继电器、第一断路器、数据采集/传输器、汇流条短路保护装置，其中，12V汇流条与12V/24V电源模块直接连接，24V汇流条通过汇流条连接接触器与12V/24V电源模块连接，数据采集/传输器与12V/24V电源模块直接连接，卸载继电器通过第一断路器与24V汇流条连接，汇流条短路保护装置分别与12V汇流条和24V汇流条连接，24V汇流条上还连有第二断路器，12V汇流条上还连有第三断路器。
13.如权利要求12无人直升机电源系统，其特征是，所述的第一发电机接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，第二发电机接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，12V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，24V蓄电池接触器与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源组合插座与直流配电控制转换器的24V汇流条连接，外电源接触器与直流配电控制转换器的12V汇流条连接，发动机内部的起动机与直流配电控制转换器的12V汇流条连接。
14.如权利要求12无人直升机电源系统，其特征是，所述的汇流条短路保护装置用于检测24V汇流条和12V汇流条工作状态，在24V汇流条和/或12V汇流条出现短路时，断开汇流条连接接触器。
15.如权利要求12无人直升机电源系统，其特征是，所述的数据采集/传输器实时与12V/24V电源模块、与发电机配套的控制器、组合蓄电池组、外电源组合插座进行数据采集和交换，并将数据传输给飞控计算机。
16.如权利要求12无人直升机电源系统，其特征是，所述的12V/24V电源模块用于将12V输入电源转换为24V输出电源，具有电压调节、稳定作用，同时，能实现短路和过流保护，并具有远程复位功能。
17.如权利要求15无人直升机电源系统，其特征是，所述的数据采集/传输器实时采集的数据包括发电机电压、发电机电流、发电机频率、发电机功率因数、发电机相位、发电机过热信息、发电机过压信息、发电机欠压信息、发电机反流信息、馈线短路信息、组合蓄电池组输出24V电源时的电压、组合蓄电池组输出24V电源时的电流、组合蓄电池组输出12V电源时的电压、组合蓄电池组输出12V电源时的电流、组合蓄电池组输出24V电源时的故障信息、组合蓄电池组输出12V电源时的故障信息、12V的外电源的电压、12V的外电源电流、24V的外电源的电压、24V的外电源电流、12V的外电源过压信息、12V的外电源欠压信息、12V的外电源反极性信息、24V的外电源过压信息、24V的外电源欠压信息、24V的外电源反极性信息。
18.如权利要求15无人直升机电源系统，其特征是，所述的数据采集/传输器还具有存储功能，能记录1h以内的当前数据，并实时更新。
19.如权利要求12无人直升机电源系统，其特征是，所述的外电源组合插座具有外电源过压、欠压和反极性保护功能。
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