CN105059523A - 一种平流层飞艇能源管理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平流层飞艇能源管理器，包括：四组蓄电池组；两组太阳能电池；功率驱动单元；下位机单元；信号变换单元；以及28V稳压模块和270V升压模块；其中：所述28V稳压模块、270V升压模块用于对一次母线进行二次变换，将母线电压变换为飞艇负载所需要的电压；地面供电接口用于飞艇在地面停留时地面供电电源28V接入，为飞艇各负载供电。平流层飞艇国际上虽有众多国家在进行研究，但针对平流层飞艇能源管理的相关技术研究报道很少。本申请专利提出了200Ah大功率锂离子蓄电池组智能管理系统在平流层能源管理器上的应用，同时解决了大功率母线传输和电源模块设计在平流层低气压环境下的应用问题，具有历史性的突破意义。

Description

一种平流层飞艇能源管理器

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别是涉及一种平流层飞艇能源管理器。

背景技术

目前，人们将包裹地球的空气分布的空间总称为大气层，由地面上数，大气层一般分为对流层、平流层、中间层、高温层、外层大气和逸散层六层。从海拔11公里起到32公里止为平流层，这层大气质量占总量的20％。平流层飞艇能源管理器应用于平流层飞艇这种特定的浮空平台中。对于平流层飞行器的开发，在我国以及全世界均属前沿技术。与其它飞行器相比，平流层飞艇能源管理器的设计条件存在着很大的差异和不同，主要表现在：上升过程中承受风向压力，有很大不可控因素；长期工作于低温环境，要求可运行温度范围宽；首次进入平流层空间、未知因素较多等多个方面。与此同时，基于飞艇本身可滞空时间长、能耗小等优势，飞艇必会成为未来的发展趋势，广泛应用于军用和民用领域。

发明专利CN102060107A公开了一种平流层电-电混合太阳能飞艇的能源供给系统，其特征是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DC/DC变换器为电压调节装置的电-电混合能源供给系统。该能源供给系统主要供电及控制对象为直流无刷电动机，从而驱动高空螺旋桨推进器，所带负载单一化；该发明未描述如何对能源进行管理；该发明未有工程化应用证明。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种平流层飞艇能源管理器；针对平流层这种特殊的环境条件，设计用于平流层飞艇的能源管理系统。平流层飞艇预期的升空高度为20～22km，其上升、运行过程中所需电源需稳定供给。能源管理器的功能是协调锂电池、光伏电池等能源设备，将其输出的能量调节成飞艇负载所需的母线电压。其功能包括电源电压变换，采集所有能源系统参数，并将信息传送至飞艇测控计算机。它实现了平流层飞艇能源供给的正常运行，保证了锂离子蓄电池安全工作、有效管理和能源系统内部指标安全监控。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种平流层飞艇能源管理器，包括：

四组蓄电池组，每组蓄电池组由N个锂离子蓄电池单体串联组成；

两组太阳能电池；

功率驱动单元，所述功率驱动单元由功率开关、功率开关驱动电路、太阳电池信号变换电路组成；所述功率开关由功率开关驱动电路控制，执行下位机的遥控指令，所述太阳电池信号变换电路实现对太阳电池开路电压、短路电流、背板温度信号变换；所述功率开关驱动单元用于执行下位机单元的遥控指令，实现能源管理器的能源管理工作；

下位机单元，所述下位机单元用于接收能源管理器各单元遥测参数进行数据分析实现自主控制，同时与飞艇测控计算机通信，传递能源分系统内部遥测参数和执行飞艇测控计算机遥控指令，实现能源供给分系统的测控要求；

信号变换单元，所述信号变换单元用于对锂离子蓄电池单体的电压、总电压、温度等信号进行变换，同时实现对太阳能电池电压、电流、背板温度信号进行变换；信号变换部分对能源系统内各种不共地的共模信号或高压信号进行变换；

28V稳压模块和270V升压模块；其中：

所述28V稳压模块、270V升压模块用于对一次母线进行二次变换，将母线电压变换为飞艇负载所需要的电压；地面供电接口用于飞艇在地面停留时地面供电电源28V接入，为飞艇各负载供电。

本发明具有的优点和积极效果是：

本申请专利采用28V供电体制，在飞艇飞行的全程配置4组锂离子蓄电池组作为艇上的主要能量来源。太阳能电池作为演示验证使用，用于测量其背面温度及验证在平流层环境的工作性能。能源管理器运用新型的锂离子电池管理技术，实现了单体电池的采集和能量管理，设计蓄电池组欠压、过压和过流等一系列保护功能，从而实现了给平流层飞艇集成试验艇所有用电设备安全、可靠供电；本专利提及的能源管理器功率大，所供能量多，采用独特的大功率传输技术和变换技术实现了在平流层环境下大功率能源的正常供给。本项目已完成老练试验、温循试验、温度冲击试验、低气压试验、振动试验、冲击试验、EMC试验等各项平流层环境模拟试验，证实可在平流层环境中工作，系统联试工作正常。

平流层飞艇国际上虽有众多国家在进行研究，但针对平流层飞艇能源管理的相关技术研究报道很少。本申请专利提出了200Ah大功率锂离子蓄电池组智能管理系统在平流层能源管理器上的应用，同时解决了大功率母线传输和电源模块设计在平流层低气压环境下的应用问题，具有历史性的突破意义。

附图说明：

图1是本发明优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种平流层飞艇能源管理器，包括：

四组蓄电池组，每组蓄电池组由N个锂离子蓄电池单体串联组成；

两组太阳能电池；

功率驱动单元，所述功率驱动单元由功率开关、功率开关驱动电路、太阳电池信号变换电路组成；所述功率开关由功率开关驱动电路控制，执行下位机的遥控指令，所述太阳电池信号变换电路实现对太阳电池开路电压、短路电流、背板温度信号变换；所述功率开关驱动单元用于执行下位机单元的遥控指令，实现能源管理器的能源管理工作；

下位机单元，所述下位机单元用于接收能源管理器各单元遥测参数进行数据分析实现自主控制，同时与飞艇测控计算机通信，传递能源分系统内部遥测参数和执行飞艇测控计算机遥控指令，实现能源供给分系统的测控要求；

信号变换单元，所述信号变换单元用于对锂离子蓄电池单体的电压、总电压、温度等信号进行变换，同时实现对太阳能电池电压、电流、背板温度信号进行变换；信号变换部分对能源系统内各种不共地的共模信号或高压信号进行变换；如单体电池电压、母线电压、蓄电池组电压、温度等信号进行变换、放大后处理为下位机可接受的0V～10V范围的电压信号。

28V稳压模块和270V升压模块；28V稳压模块和270V升压模块均由锂电池作为初始能源，稳压后供电给28V艇务负载和270V艇务负载。其中：

所述28V稳压模块、270V升压模块用于对一次母线进行二次变换，将母线电压变换为飞艇负载所需要的电压；地面供电接口用于飞艇在地面停留时地面供电电源28V接入，为飞艇各负载供电。

本发明的关键技术为在平流层环境下，实现以下目标：

能源管理器母线采用28V的供电体制，母线电压较低，输出电流达300A，如何做好大电流的传输，尽可能降低传输损耗，如何做好对能源的管理，对能源管理器的热设计和可靠性、安全性设计都有着直接的影响。

(1)功率开关单元大电流传输

设计中通过采用铜bar汇流技术，供电母线、蓄电池供电、功率地线全部采用铜条连接，大大降低了功率传输损耗。所有传输大电流的导线全部采用多股导线和低接触电阻的功率开关器件，结合有效的热设计和散热措施，解决了该问题。

(2)锂离子蓄电池组智能管理系统的应用

针对平流层飞艇能源管理器配置了四组200Ah锂离子蓄电池组，采用光电隔离的电路设计方案解决了高共模电压和浮地技术测量电池端电压问题，避免了大功率电池对控制器可能造成的损害，相比于运放直接采样，有效消除了各单体采样电路受电池串联位置影响所造成的精度偏移。同时，对电池组进行欠压、过压和过流保护等一系列功能，从而实现了给平流层飞艇所有用电设备安全供电。

(3)电源模块设计

电源模块采用“boost电路+最大电流自动均流”方式，实现了低电压、大功率高效电源模块的设计，实现了对飞艇负载的正常供电。28.5V/8kW稳压电源模块满载功率8kW，工作于平流层环境(-40℃及3kPa低气压)，在确保可靠性和安全性的情况下，在热设计、结构设计及效率中寻找平衡点，8kW电源模块采用冗余技术、配合有效的均流设计，使电源效率达93％以上，有效解决热设计问题。270V/1.5kW升压模块将最低20V电压升至270V，功率1.5kW，过载能力3kW，效率达90％以上，满足平流层环境工作要求。由于平流层飞艇集成试验艇的整艇供电特性，艇上环控设备、测控设备等与功率负载同接于电源模块输出端，这就要求电源输出端具有高的稳定度。28.5V/8kW稳压电源模块纹波小于200mV,负载调整率达到≤2％，270V/1.5kW升压模块纹波小于0.5％Vout，两电源瞬态小于0.5％Vout。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种平流层飞艇能源管理器，其特征在于：包括：

四组蓄电池组，每组蓄电池组由N个锂离子蓄电池单体串联组成；

两组太阳能电池；

功率驱动单元，所述功率驱动单元由功率开关、功率开关驱动电路、太阳电池信号变换电路组成；所述功率开关由功率开关驱动电路控制，执行下位机的遥控指令，所述太阳电池信号变换电路实现对太阳电池开路电压、短路电流、背板温度信号变换；所述功率开关驱动单元用于执行下位机单元的遥控指令，实现能源管理器的能源管理工作；

下位机单元，所述下位机单元用于接收能源管理器各单元遥测参数进行数据分析实现自主控制，同时与飞艇测控计算机通信，传递能源分系统内部遥测参数和执行飞艇测控计算机遥控指令，实现能源供给分系统的测控要求；

信号变换单元，所述信号变换单元用于对锂离子蓄电池单体的电压、总电压、温度等信号进行变换，同时实现对太阳能电池电压、电流、背板温度信号进行变换；信号变换部分对能源系统内各种不共地的共模信号或高压信号进行变换；

28V稳压模块和270V升压模块；其中：

所述28V稳压模块、270V升压模块用于对一次母线进行二次变换，将母线电压变换为飞艇负载所需要的电压；地面供电接口用于飞艇在地面停留时地面供电电源28V接入，为飞艇各负载供电。