CN105438483A - 一种适用于太阳能飞行器的动力总成及其输出控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于太阳能飞行器的动力总成及其输出控制方法，其中，动力总成包括太阳能电池板、电源管理器、电源切换开关、蓄电池、电压分配器、机载设备和多组动力执行单元，所述电源管理器分别连接太阳能电池板、电源切换开关和蓄电池，所述蓄电池与电源切换开关连接，所述电源切换开关通过电压分配器分别连接机载设备和动力执行单元，所述机载设备与动力执行单元通信连接。与现有技术相比，本发明实现将太阳能吸收的能源以最大效率的提供给用电设备，提高飞行器动力输出和功耗转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器动力系统领领域，尤其是涉及一种适用于太阳能飞行器的动力总成及其输出控制方法。
背景技术
飞行器是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械飞行物。现有的飞行器多是采用化石燃料作为能源。使用化石燃料作为能源有以下几种缺点：首先，化石燃料是不可再生能源；其次，化石燃料燃烧后会造成环境污染；第三，飞行器整体重量会随着化石燃料的燃烧变轻，飞行器的质心也会变化，这会影响飞行器飞行的稳定性，给飞行器的设计、控制带来困难，增加了相应的研发成本；第四，飞行器的续航能力会受到化石燃料的限制，燃料带少了，续航能力较短，燃料带多了，又会增加飞行器的总重量。
因此，为了解决上述现有技术的诸多不足和缺陷，出现了太阳能飞行器。但是，以太阳能作为能源的飞行器，对于其要求最高的是能源转化的效率，而现有飞行器使用的电动动力总成输出使用布局相对单一，不能满足在不同飞行状态下能耗转换效率的最大化，不适合于太阳能飞行器在有限功率下的能耗转换需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于太阳能飞行器的动力总成及其输出控制方法，实现将太阳能吸收的能源以最大效率的提供给用电设备，提高飞行器动力输出和功耗转化效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于太阳能飞行器的动力总成，包括太阳能电池板、电源管理器、电源切换开关、蓄电池、电压分配器、机载设备和多组动力执行单元，所述电源管理器分别连接太阳能电池板、电源切换开关和蓄电池，所述蓄电池与电源切换开关连接，所述电源切换开关通过电压分配器分别连接机载设备和动力执行单元，所述机载设备与动力执行单元通信连接。
所述机载设备包括飞控，该飞控分别与多组动力执行单元连接，控制各动力执行单元的状态。
所述动力执行单元包括依次连接的无刷电调、无刷电机和螺旋桨，所述无刷电调分别与机载设备和电压分配器连接。
还包括监视器，监测太阳能电池板和蓄电池的状态发回地面接收站。
所述监视器包括与太阳能电池板连接的第一监视器和与蓄电池连接的第二监视器。
一种适用于太阳能飞行器的动力总成的输出控制方法，包括：
1)飞行器在白天飞行时，电源管理器获取太阳能电池板输出的电能，判断该电能是否大于设定值，若是，则将电能分为两个部分输出：一路经过电源切换开关输出到电压分配器，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元，另一路对蓄电池进行充电；若否，则直接将电能经过电源切换开关输出到电压分配器，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元；
2)飞行器在夜晚飞行时，电源管理器控制电源切换开关切换至与蓄电池导通，蓄电池的电能输出到电压分配器中，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元；
其中，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元时，飞控获取飞行器的飞行姿态，同步计算出在当前飞行姿态下飞行所需要的基本拉力和基本功率，控制各动力执行单元的开启或关闭，或控制螺旋桨折叠。
所述电源管理器跟踪太阳能电池板中每个光伏模块的电压、电流，使太阳能电池板输出最大功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过电源管理器，将太阳能电池板中每个光伏模块最大的电压、电流进行跟踪并输出，以输出最大的功率；
2)本发明根据飞行器在白天或夜晚的飞行，通过电源管理器控制太阳能电池板和蓄电池的输出，使太阳能得到最大转化；
3)本发明飞行器的飞行姿态的不同，通过飞控关闭单组动力执行单元，同时折叠螺旋桨，减少截面阻力，从而提高能耗效率和空气动力效率；
4)本发明设置有监视器，可监视太阳能电池板的转化状况和蓄电池的充电、放电、电压、电流以及容量的状况，并将实时信息传回到地面，通过信息处理进行飞机飞行状况的实时判断。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为地面接收站的人机界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种适用于太阳能飞行器的动力总成，包括太阳能电池板1、电源管理器2、电源切换开关3、蓄电池4、电压分配器5、机载设备6和多组动力执行单元7，电源管理器2分别连接太阳能电池板1、电源切换开关3和蓄电池4，蓄电池4与电源切换开关3连接，电源切换开关3通过电压分配器5分别连接机载设备6和动力执行单元7，机载设备6包括飞控61及GPS、航拍、数传电台、伺服控制、图传电台等弱电设备，其中，飞控61分别与多组动力执行单元7通信连接，控制各动力执行单元的状态。本实施例中设有四组动力执行单元7，各动力执行单元7包括依次连接的无刷电调71、无刷电机72和螺旋桨73，无刷电调71分别与飞控61和电压分配器5连接。本实施例采用气动效率优化点上特定动力执行单元的布局方式以匹配各种飞行状态，这一布局在飞行器处于不同飞行状态时，可以通过调整动力输出方式，达到飞行中功耗转换效率最大化的目的。
该动力总成还包括与太阳能电池板连接的第一监视器81和与蓄电池连接的第二监视器82，分别监测太阳能电池板的转化状况和蓄电池的充电、放电、电压、电流以及容量的状况，发回地面接收站，通过信息处理进行飞机飞行状况的判断，地面接收站的人机界面如图2所示。
由于太阳能飞行器能源非常有限，发动机针对特定飞行状态下的合理布局，是提高能耗转换的有效方法。上述动力总成可针对太阳能飞行器不同飞行状态下的功率需求，和飞行器空气动力最高效率点来布局动力总成数量，对每单组动力执行单元的转换效率进行最优化配置。当面对不同飞行状态功率需求时，单独或组合启动动力总成，为飞行器提供动力，针对飞器不需要的空气动力效率状态，可以选择关闭单组动力总成，同时折叠螺旋桨，减少截面阻力，从而提高能耗效率和空气动力效率。
上述适用于太阳能飞行器的动力总成的输出控制方法，包括：
1)飞行器在白天飞行时，电源管理器接收太阳能电池板的电能并分为两个部分输出：一路对蓄电池进行充电，另一路经过电源切换开关输出到电压分配器，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元；
2)飞行器在夜晚飞行时，电源管理器控制电源切换开关切换至与蓄电池导通，蓄电池的电能输出到电压分配器中，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元。
当太阳能电池板1吸收到阳光后，将太阳能转化为电能，电源管理器2跟踪太阳能电池板1中每个光伏模块的电压、电流，使太阳能电池板输出最大功率。
电压分配器5将电能分配给机载设备6和动力执行单元7时，飞控61获取飞行器的飞行姿态，使用现有公式同步计算出在当前飞行姿态下飞行所需要的基本拉力和基本功率，控制各动力执行单元的开启或关闭，可以选择关闭单组动力执行单元或两组同时关闭，或控制螺旋桨折叠，减少截面阻力，从而提高能源的利用率和气动效率。
Claims (7)
1.一种适用于太阳能飞行器的动力总成，其特征在于，包括太阳能电池板、电源管理器、电源切换开关、蓄电池、电压分配器、机载设备和多组动力执行单元，所述电源管理器分别连接太阳能电池板、电源切换开关和蓄电池，所述蓄电池与电源切换开关连接，所述电源切换开关通过电压分配器分别连接机载设备和动力执行单元，所述机载设备与动力执行单元通信连接。
2.根据权利要求1所述的适用于太阳能飞行器的动力总成，其特征在于，所述机载设备包括飞控，该飞控分别与多组动力执行单元连接，控制各动力执行单元的状态。
3.根据权利要求2所述的适用于太阳能飞行器的动力总成，其特征在于，所述动力执行单元包括依次连接的无刷电调、无刷电机和螺旋桨，所述无刷电调分别与机载设备和电压分配器连接。
4.根据权利要求1所述的适用于太阳能飞行器的动力总成，其特征在于，还包括监视器，监测太阳能电池板和蓄电池的状态发回地面接收站。
5.根据权利要求4所述的适用于太阳能飞行器的动力总成，其特征在于，所述监视器包括与太阳能电池板连接的第一监视器和与蓄电池连接的第二监视器。
6.一种如权利要求3所述的适用于太阳能飞行器的动力总成的输出控制方法，其特征在于，包括：
1)飞行器在白天飞行时，电源管理器获取太阳能电池板输出的电能，判断该电能是否大于设定值，若是，则将电能分为两个部分输出：一路经过电源切换开关输出到电压分配器，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元，另一路对蓄电池进行充电；若否，则直接将电能经过电源切换开关输出到电压分配器，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元；
2)飞行器在夜晚飞行时，电源管理器控制电源切换开关切换至与蓄电池导通，蓄电池的电能输出到电压分配器中，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元；
其中，电压分配器将电能分配给机载设备和动力执行单元时，飞控获取飞行器的飞行姿态，同步计算出在当前飞行姿态下飞行所需要的基本拉力和基本功率，控制各动力执行单元的开启或关闭，或控制螺旋桨折叠。
7.根据权利要求6所述的输出控制方法，其特征在于，所述电源管理器跟踪太阳能电池板中每个光伏模块的电压、电流，使太阳能电池板输出最大功率。
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