CN105680554A - 一种无人机的供配电控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无人机的供配电控制装置,其能够可靠供电，并且能够实现高效率、智能化、通用化和小型化。其包括电源控制模块、机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源；机载发电机，其配置来在发动机的转速高于指定阈值时，由机载发电机为无人机的机载电子设备提供电能，并为未充满电的备用电池组充电；备用电池组，其配置来在发动机的转速低于指定阈值时或在发动机故障情况下，由备用电池组为无人机的机载电子设备提供电能；地面直流稳压电源，其配置来在进行地面调试时，由地面直流稳压电源供电，并为未充满电的备用电池组充电；电源控制模块，其配置来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并进行串口通信。

Description

一种无人机的供配电控制装置
技术领域
本发明涉及一种无人机上的电源设备，具体地涉及一种无人机的供配电控制装置，主要用于无人机上各机载电子设备的供、配电控制。
背景技术
供、配电技术是机载电气系统最主要的研究内容，能够拥有高效能的供、配电系统对于无人机整体性能的提升具有重要意义。
但是，目前大多数无人机仍然采用单一的锂聚合物电池组的供电方案。一旦锂聚合物电池组出现故障，必将导致不可想象的后果。此外，由于能量密度所限，电池组占用整个飞行平台重量的比重较大，供电效能相对较低，并且供电时间受电池组容量限制，续航时间较短。
近年来，通过机载发电机供电系统为无人机整机供电，在国外已广泛、深入地开展；而国内也有多家公司进行了这方面的研制工作，但在高可靠性、智能化、通用化等方面均有所欠缺。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种无人机的供配电控制装置,其能够可靠供电，并且能够实现高效率、智能化、通用化和小型化。
本发明的技术解决方案是：这种无人机的供配电控制装置，其包括电源控制模块、机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源；
机载发电机，其配置来在发动机的转速高于指定阈值时，由机载发电机为无人机的机载电子设备提供电能，并为未充满电的备用电池组充电；
备用电池组，其配置来在发动机的转速低于指定阈值时或在发动机故障情况下，由备用电池组为无人机的机载电子设备提供电能；
地面直流稳压电源，其配置来在进行地面调试时，由地面直流稳压电源供电，并为未充满电的备用电池组充电；
电源控制模块，其配置来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并进行串口通信，串口通信包括：向无人机的自动驾驶仪发送电压监测值及切换状态信息、接收自动驾驶仪发送的供电模式指令从而完成相应的电源切换。
本发明通过电源控制模块来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并向无人机的自动驾驶仪发送电压监测值及切换状态信息、接收自动驾驶仪发送的供电模式指令从而完成相应的电源切换，从而不但能够可靠供电，而且能够实现无人机供配电的高效率、智能化、通用化和小型化。
附图说明
图1是根据本发明的无人机的供配电控制装置的电路原理图。
图2是根据本发明的电源控制模块的功能组成框图。
图3是根据本发明的无人机的供配电控制装置的一个优选实施例的电路方框图。
图4是根据本发明的HW-270无人机供电关系图。
图5是根据本发明的发电机功率计算图。
图6是根据本发明的电气综合部分示意图。
具体实施方式
如图1所示，这种无人机的供配电控制装置，其包括电源控制模块、机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源；
机载发电机，其配置来在发动机的转速高于指定阈值时，由机载发电机为无人机的机载电子设备提供电能，并为未充满电的备用电池组充电；
备用电池组，其配置来在发动机的转速低于指定阈值时或在发动机故障情况下，由备用电池组为无人机的机载电子设备提供电能；
地面直流稳压电源，其配置来在进行地面调试时，由地面直流稳压电源供电，并为未充满电的备用电池组充电；
电源控制模块，其配置来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并进行串口通信，串口通信包括：向无人机的自动驾驶仪发送电压监测值及切换状态信息、接收自动驾驶仪发送的供电模式指令从而完成相应的电源切换。
本发明通过电源控制模块来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并向无人机的自动驾驶仪发送电压监测值及切换状态信息、接收自动驾驶仪发送的供电模式指令从而完成相应的电源切换，从而不但能够可靠供电，而且能够实现无人机供配电的高效率、智能化、通用化和小型化。
此外，如图3所示，所述电源控制模块通过RS232串口分别与自动驾驶仪、北斗短报文设备、动力装置连接，所述电源控制模块通过A/D转换器与油量传感器连接，所述电源控制模块通过RS422串口与任务设备连接，任务设备通过RS422串口与机载数据终端连接，所述电源控制模块通过集线器与伺服舵机连接。
此外，如图2所示，所述电源控制模块包括整流滤波电路，整流滤波电路包括整流部分和滤波部分，整流部分由6只二极管组成桥式全波整流电路，滤波部分采用LC滤波。
此外，所述电源控制模块还包括充电控制电路，充电控制电路包括地面快充单元、机载慢充单元。充电管理电路根据充电电压大小自动进行切换：充电电压为29～30VDC时，以0.5C充电；充电电压为27～29VDC时，以0.1C充电。更进一步地，所述充电控制电路还包括过充保护单元和放电短路保护单元。
此外，如图4所示，所述电源控制模块还包括切换电路，切换电路包括第一切换单元(图中切换电路1)和第二切换单元(图中切换电路2)；第一切换单元的输入端接机载发电机(图中发电机28V)、备用电池组(图中应急用蓄电池)、地面直流稳压电源(图中地面电源)，且输出端通过隔离DC/DC接自动驾驶仪、北斗短报文设备、动力装置、伺服舵机、机载数据终端；第二切换单元的输入端接机载发电机、地面直流稳压电源，且输出端接有效载荷、为备用电池组充电的在线充电器。
此外，所述机载发电机在巡航转速下的输出功率至少大于161W。结合某型无人机各机载电气设备的功能及特点，构建机载电气系统，如图3所示。其中，电气管理与控制盒是整个机载电气系统的核心，主要完成电源管理、电气控制、电气综合等几项功能。机上各用电设备的用电情况如表1所示。
表1机载电子设备用电情况
制定具体的供电方案，如图4所示。
结合上述供电方案，再考虑到各模块的转换效率，可以得到如图5所示的功率计算图。由图5可知，发电机在巡航转速(约4200rpm)下的输出功率至少需要大于161W。
所述机载发电机为Sullivan公司的S676-300F-01圆盘式发电机。依据性能指标满足使用要求、重量轻、价格低、安装方便、供货稳定等原则，进行发电机的产品选型，最终选择Sullivan公司的S676-300F-01圆盘式发电机作为某型无人机的标配发电机，其主要性能指标如下：
尺寸：76mm(Ф)×21mm(d)
重量：350g(不含安装结构件)
额定输出功率：120W2500rpm，180W3500rpm
此外，所述备用电池组的容量至少为2.45Ah，重量至少为354g。关于备用电池组选型，满电状态下的备用电池组应该保证机载电子设备(有效载荷除外)60min的供电，在这段时间内，无人机应该能够完成安全降落。如上所述，在不包含有效载荷情况下，其它机载电子设备的总功耗(折算到电池组输出端)约为53W，因此需要电量53Wh。选取3.6V电芯平台6S锂离子电池组，则电池组的容量至少为53Wh/21.6V＝2.45Ah，电池组的重量约为53Wh/(150Wh/kg)＝354g。
另外，在该型无人机上，电气控制主要体现在若干路供电控制方面，实现方式上有机械开关控制和电子开关控制两种方式。电气综合部分主要包括串口扩展/AD采样、串口转换和系统集线三项功能，如图6所示。
该无人机智能电源管理系统设计了如下六种工作模式：
(1)单纯充电模式
由地面直流稳压电源供电，此时，地面电源仅以最大0.5C的充电电流为备用电池组充电。
(2)地面调试模式
由地面直流稳压电源供电，此时，地面电源为包括有效载荷在内的所有机载电子设备供电，并以最大0.5C的充电电流为备用电池组充电(如果备用电池组未满电)。
(3)常规供电模式
当发动机的转速高于巡航转速时，由发电机为包括有效载荷在内的所有机载电子设备提供电能，并以最大0.1C的充电电流为备用电池组充电(如果备用电池组未满电)；
(4)降级供电模式
当发动机的转速低于巡航转速但同时又高于某一阈值时，由发电机为除有效载荷之外的其它机载电子设备提供电能，并以最大0.1C的充电电流为备用电池组充电(如果备用电池组未满电)；
(5)应急供电模式
当发动机的转速低于某一阈值或者发动机故障情况下，由备用电池组为除有效载荷之外的其它机载电子设备供电。
(6)特殊供电模式
自动驾驶仪根据某一特殊飞行阶段的需要，通过串口通信向电源管理模块发送电源切换指令，电源管理模块接收来自自动驾驶仪的指令，并相应完成供电方式的切换。
设计时，几种工作模式之间切换遵循如下规则进行：
◆地面电源具有最高的优先级，在接通地面电源情况下，系统自动切换到由地面电源为整机电子设备供电；
◆特殊供电模式具有次高的优先级，在不接地面电源时，电源管理模块优先根据自动驾驶仪的指令进行电源切换控制；
◆发电机供电具有第三优先级，在不接地面电源、驾驶仪未发送特殊供电模式指令、发动机着车并且转速达某一阈值以上时，自动切换到发电机供电；
◆当发动机故障或者发动机转速低于某一阈值时，自动切换到备用电池组供电；
◆当发动机转速恢复到某一阈值以上时，能够再次切回发电机供电；
◆几种电源之间的切换均是无缝切换。
本发明所述的无人机智能电源管理系统能够很好的解决无人机在各种工况下的供、配电问题，并且具备很高的可靠性、较强的通用性和一定的智能化，在具体实施上能够做到高效率和小型化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种无人机的供配电控制装置，其特征在于：其包括电源控制模块、机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源；
机载发电机，其配置来在发动机的转速高于指定阈值时，由机载发电机为无人机的机载电子设备提供电能，并为未充满电的备用电池组充电；
备用电池组，其配置来在发动机的转速低于指定阈值时或在发动机故障情况下，由备用电池组为无人机的机载电子设备提供电能；
地面直流稳压电源，其配置来在进行地面调试时，由地面直流稳压电源供电，并为未充满电的备用电池组充电；
电源控制模块，其配置来在机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源这三种电源之间切换，并进行串口通信，串口通信包括：向无人机的自动驾驶仪发送电压监测值及切换状态信息、接收自动驾驶仪发送的供电模式指令从而完成相应的电源切换。
2.根据权利要求1所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述电源控制模块通过RS232串口分别与自动驾驶仪、北斗短报文设备、动力装置连接，所述电源控制模块通过A/D转换器与油量传感器连接，所述电源控制模块通过RS422串口与任务设备连接，任务设备通过RS422串口与机载数据终端连接，所述电源控制模块通过集线器与伺服舵机连接。
3.根据权利要求2所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述电源控制模块包括整流滤波电路，整流滤波电路包括整流部分和滤波部分，整流部分由6只二极管组成桥式全波整流电路，滤波部分采用LC滤波。
4.根据权利要求3所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述电源控制模块还包括充电控制电路，充电控制电路包括地面快充单元、机载慢充单元。
5.根据权利要求4所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述充电控制电路还包括过充保护单元和放电短路保护单元。
6.根据权利要求1-5任一项所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述电源控制模块还包括切换电路，切换电路包括第一切换单元和第二切换单元；第一切换单元的输入端接机载发电机、备用电池组、地面直流稳压电源，且输出端通过隔离DC/DC接自动驾驶仪、北斗短报文设备、动力装置、伺服舵机、机载数据终端；第二切换单元的输入端接机载发电机、地面直流稳压电源，且输出端接有效载荷、为备用电池组充电的在线充电器。
7.根据权利要求6所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述机载发电机在巡航转速下的输出功率至少大于161W。
8.根据权利要求7所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述机载发电机为Sullivan公司的S676-300F-01圆盘式发电机。
9.根据权利要求7所述的无人机的供配电控制装置，其特征在于：所述备用电池组的容量至少为2.45Ah，重量至少为354g。
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