CN105799941A - 一种适于无人机的小型油电混合动力系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于无人机的小型油电混合动力系统及其控制方法，系统包括发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器、电能存储控制器和减振模块。方法包括：通过发动机将燃料的化学能转化为动能；通过旋转电机将动能转化为电能，并实时提供当前的电机转速；利用效率跟踪算法将发动机和旋转电机的工作效率控制在最佳效率点，并将电能输出至电量存储装置进行储存。本发明能有效控制系统工作在最佳效率点，从而能在不显著增加系统重量的情况下，大幅度延长无人机的续航时间，大大提高能源的利用率，绿色环保，且可以与传统电力驱动无人机兼容使用。本发明可广泛应用于无人机动力系统中。
Description
技术领域
本发明涉及混合动力能源技术领域，尤其涉及一种适于无人机的小型油电混合动力系统及其控制方法。
背景技术
电力驱动无人机在航拍、地质探测以及军事应用等场合应用广泛。然而电力驱动无人机耗电迅速，常规电池只能满足半小时左右的续航时间，且使用不当时电池衰老加快。燃油驱动的直升机油耗较大，且噪声较大，稳定性和续航能力较差，且能量利用率不高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能延长续航时间，且能提高能源利用率的一种适于无人机的小型油电混合动力系统及其控制方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种适于无人机的小型油电混合动力系统，包括发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器、电能存储控制器和减振模块，所述发动机的输出轴通过变速架构与旋转电机的输入轴机械连接，所述旋转电机的第一输出端与电能存储控制器的输入端连接，所述旋转电机的第二输出端与发动机控制器的输入端连接，所述发动机控制器的输出端与发动机的输入端连接，所述电能存储控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述电能存储装置的输出端于发动机控制器的电源输入端连接，所述发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器和电能存储控制器均安装在减振模块上。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统的进一步改进，所述电能存储控制器包括开关电源控制器、均衡控制器、温度控制器和充放电控制器，所述发动机的输出端通过开关电源控制器进而连接至电能存储装置的输入端，所述均衡控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述温度控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述充放电控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，包括以下步骤：
A、通过发动机将燃料的化学能转化为动能；
B、通过旋转电机将动能转化为电能，并实时提供当前的电机转速；
C、利用效率跟踪算法将发动机和旋转电机的工作效率控制在最佳效率点，并将电能输出至电量存储装置进行储存。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤C包括：
C1、获取发动机在不同负载下的最佳效率点所对应的转速，并形成效率查找表；
C2、在线计算储能系统的剩余能量；
C3、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C4、根据储能系统的初始能量、剩余能量和系统功耗，在线计算电动机负载；
C5、根据电动机负载，在效率查找表中查询其对应的最佳转速；若查找表中没有该电动机负载对应的数据，则采用插值法获取其对应的最佳转速；
C6、通过控制发动机输出的动能从而控制旋转电机在最佳转速上进行工作。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤C还包括发动机保护检测步骤，其具体包括：
C11、获取发动机在不同油耗下的最佳效率点所对应的转速，并形成油耗查找表；
C12、在线测量旋转电机的转速；
C13、根据旋转电机的转速换算出对应的发动机转速，并判断是否与油耗查找表中的转速相匹配，若是，则返回执行步骤C12；反之，则控制发动机停止工作，并向电能存储控制器发送报告。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤C还包括飞行器保护检测步骤，其具体包括：
C21、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C22、判断系统功耗是否小于发动机在最佳效率点时的实际输出功率，若是，则返回执行步骤C21；反之，则执行步骤C23；
C23、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警下限值，若是，则控制发动机工作在最佳效率点；反之，则控制发动机工作在大功率输出点上，直到电能存储装置中的电量高于低电量报警上限值；
C24、判断燃料是否耗尽，若是，则发出警报；反之，则返回执行步骤C21。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤C还包括温度保护检测步骤，其具体包括：
C31、检测发动机、旋转电机、电能存储装内部和开关电源表面的温度；
C32、判断检测到的温度是否均低于温度保护阈值，若是，则返回执行步骤C31；反之，则执行步骤C33；
C33、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警上限值，若是，则控制发动机停止工作并返回执行步骤C31；反之，则控制发动机工作在低速输出状态并返回执行步骤C31。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤C还包括充放电控制步骤，其具体包括：
C41、获取电能存储装置的剩余电量与开路电压的对应关系，形成电量查找表；
C42、获取供电电路的内阻，并根据当前电能存储装置的端电压值和电流值，结合电量查找表计算得出当前的剩余电量；
C43、根据剩余电量的状态执行对应的操作，若剩余电量达到充电上限，则控制发电机停止工作，并控制电能存储系统对无人机供电；若剩余电量在充电上限与低电压报警上限之间，则控制发电机保持当前工作状态；如果若剩余电量达到低电压报警上限，则控制发电机开始工作，对电能存储装置充电，且电能存储装置在充电同时对无人机供电；若剩余电量达到低电压报警下限，则发出报警信号，并通知用户控制无人机下落。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，还包括：
D、根据最佳效率点时的振动频率，进行振动消除处理。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤D包括：
D1、获取发动机工作在最佳效率点时的振动频率；
D2、对振动信号进行相位检测，并施加与该振动信号相位相差180°且幅度和频率相同的信号。
本发明的有益效果是：
本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统通过发动机控制器和电能存储控制器能有效控制系统工作在最佳效率点，从而能在不显著增加系统重量的情况下，大幅度延长无人机的续航时间，大大提高能源的利用率，绿色环保，且可以与传统电力驱动无人机兼容使用。
本发明的另一个有益效果是：
本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法通过效率跟踪算法能有效控制系统工作在最佳效率点，从而能在不显著增加系统重量的情况下，大幅度延长无人机的续航时间，大大提高能源的利用率，绿色环保，且可以与传统电力驱动无人机兼容使用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统的原理方框图；
图2是本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
参考图1，本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统，包括发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器、电能存储控制器和减振模块，所述发动机的输出轴通过变速架构与旋转电机的输入轴机械连接，所述旋转电机的第一输出端与电能存储控制器的输入端连接，所述旋转电机的第二输出端与发动机控制器的输入端连接，所述发动机控制器的输出端与发动机的输入端连接，所述电能存储控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述电能存储装置的输出端于发动机控制器的电源输入端连接，所述发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器和电能存储控制器均安装在减振模块上。
进一步作为优选的实施方式，所述电能存储控制器包括开关电源控制器、均衡控制器、温度控制器和充放电控制器，所述发动机的输出端通过开关电源控制器进而连接至电能存储装置的输入端，所述均衡控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述温度控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述充放电控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接。
本实施例中，所述发动机，用于将燃料的化学能转化为动能；所述带编码器的旋转电机，用于将所获得的动能转化为电能，并实时提供当前电机转速；所述的电能存储装置，用于将所产生的电能进行存储，并且能从外接电源直接充电；所述的发电机控制器，用于控制发动机与旋转电机始终工作在最佳效率点，同时完成温度控制、自动打火以及保护功能；所述的减振模块，用于减小发动机工作时的振动；所述的电能存储控制器，包括开关电源控制器、均衡控制器、温度控制器和充放电控制器，其中，开关电源控制器用于将旋转电机输出的电能调整到适合的电压后，以较高的效率充入电池；均衡控制器，用于在充放电时完成电能存储装置的容量均衡；温度控制器，用于确保电能存储装置在工作过程中温度维持相对恒定；充放电控制器，用于控制当前能量存储装置的充放电状态，电能存储控制器还具有电池保护功能和报警功能；所述的发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器和电能存储控制器，被固定在减振模块上；所述的发动机的输出轴与旋转电机的输入轴，通过变速结构机械地相连；所述的旋转电机的输出端与电能存储装置的输入端相连，并受到电能存储控制器的控制；所述的发动机与旋转电机，受到发动机控制器的控制；所述的发动机控制器，可以与电能存储控制器进行信息交互，并决定当前时刻的控制状态；电能存储装置可以在充电的同时可以为无人机系统供电。
进一步，所述的发动机通过燃烧燃料做功，使燃料化学能转化为电能，优选地，发动机采用15级甲醇发动机；所述的旋转电机始终工作在发电机状态，通过电磁感应，将机械能转化成电能，并利用编码器实时提供当前电机转速，优选地，旋转电机可以选用545大扭力直流电机；所述的电能存储装置可以接受旋转电机产生的电能或外界直接提供的电能，并可以在充电过程中直接对无人机系统和发动机控制器、电能存储控制器供电，优选地，电能存储装置可以选择14.8V，2000mAh钴酸锂电池包；所述的发动机控制器利用效率跟踪算法，将发动机与旋转电机的在不同温度、老化程度下的工作效率始终控制在最佳效率点，同时具有自动打火，温度控制以及电机保护功能，并可以根据油箱状态，向电能存储控制器发出消息；所述的减振模块针对发动机在最佳效率点工作时的振动频率，设计的有带阻特性的减振机构，优选地，减振机构可以采用含有柔性材料的被动减振机构；所述的电能存储控制器包括开关电源控制器、均衡控制器、温度控制器和充放电控制器，所述的开关电源控制器，利用开关电源稳压技术，将发动机产生的电压稳定在适于电池充电的状态，并能以较高的效率充入电池，优选地，开关电源选择升降压大功率的开关电源，如LTC7812；所述的均衡控制器，用于控制电能存储装置在由外部充电、发电机充电和放电过程中的均衡问题，优选地，选用LTC6804芯片实现；所述的温度控制器，检测并通过限流和静置的手段控制电能存储装置的温度在合理范围内，优选地，温度控制器可以选用LM335芯片；所述的充放电控制器，通过当前电能存储装置的工作状态和剩余电量，决定电池存储系统工作在充电或放电状态；电能存储控制器可以根据电能存储系统状态异常进行对其进行保护或报警。
优选地，减振模块中主动减震的执行器可以选用振动电机。当采用被动减振的方式时，减振模块应采用柔性材料设计网状结构的支架，带阻地消除最佳工作点附近频率的振动，优选地，被动减震的支架材料可以选择轻型的耐热环氧树脂。
参考图2，本发明一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，包括以下步骤：
A、通过发动机将燃料的化学能转化为动能；
B、通过旋转电机将动能转化为电能，并实时提供当前的电机转速；
C、利用效率跟踪算法将发动机和旋转电机的工作效率控制在最佳效率点，并将电能输出至电量存储装置进行储存。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C包括：
C1、获取发动机在不同负载下的最佳效率点所对应的转速，并形成效率查找表；
C2、在线计算储能系统的剩余能量；
C3、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C4、根据储能系统的初始能量、剩余能量和系统功耗，在线计算电动机负载；
C5、根据电动机负载，在效率查找表中查询其对应的最佳转速；若查找表中没有该电动机负载对应的数据，则采用插值法获取其对应的最佳转速；
C6、通过控制发动机输出的动能从而控制旋转电机在最佳转速上进行工作。
本实施例中，系统工作时可按照一定的时间间隔循环执行步骤C2至步骤C6.
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C还包括发动机保护检测步骤，其具体包括：
C11、获取发动机在不同油耗下的最佳效率点所对应的转速，并形成油耗查找表；
C12、在线测量旋转电机的转速；
C13、根据旋转电机的转速换算出对应的发动机转速，并判断是否与油耗查找表中的转速相匹配，若是，则返回执行步骤C12；反之，则控制发动机停止工作，并向电能存储控制器发送报告。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C还包括飞行器保护检测步骤，其具体包括：
C21、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C22、判断系统功耗是否小于发动机在最佳效率点时的实际输出功率，若是，则返回执行步骤C21；反之，则执行步骤C23；
C23、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警下限值，若是，则控制发动机工作在最佳效率点；反之，则控制发动机工作在大功率输出点上，直到电能存储装置中的电量高于低电量报警上限值；
C24、判断燃料是否耗尽，若是，则发出警报；反之，则返回执行步骤C21。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C还包括温度保护检测步骤，其具体包括：
C31、检测发动机、旋转电机、电能存储装内部和开关电源表面的温度；
C32、判断检测到的温度是否均低于温度保护阈值，若是，则返回执行步骤C31；反之，则执行步骤C33；
C33、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警上限值，若是，则控制发动机停止工作并返回执行步骤C31；反之，则控制发动机工作在低速输出状态并返回执行步骤C31。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C还包括充放电控制步骤，其具体包括：
C41、获取电能存储装置的剩余电量与开路电压的对应关系，形成电量查找表；
C42、获取供电电路的内阻，并根据当前电能存储装置的端电压值和电流值，结合电量查找表计算得出当前的剩余电量；
C43、根据剩余电量的状态执行对应的操作，若剩余电量达到充电上限，则控制发电机停止工作，并控制电能存储系统对无人机供电；若剩余电量在充电上限与低电压报警上限之间，则控制发电机保持当前工作状态；如果若剩余电量达到低电压报警上限，则控制发电机开始工作，对电能存储装置充电，且电能存储装置在充电同时对无人机供电；若剩余电量达到低电压报警下限，则发出报警信号，并通知用户控制无人机下落。
优选地，充电上限可以设置为总电量的80%所对应电压，低电压报警上限可以设置为总电量的45%所对应电压，低电压报警下限可以设置为总电量的30%所对应电压。
进一步作为优选的实施方式，还包括：
D、根据最佳效率点时的振动频率，进行振动消除处理。
作为所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法的进一步改进，所述步骤D包括：
D1、获取发动机工作在最佳效率点时的振动频率；
D2、对振动信号进行相位检测，并施加与该振动信号相位相差180°且幅度和频率相同的信号。
优选地，减振模块中主动减震的执行器可以选用振动电机。当采用被动减振的方式时，减振模块应采用柔性材料设计网状结构的支架，带阻地消除最佳工作点附近频率的振动，优选地，被动减震的支架材料可以选择轻型的耐热环氧树脂。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种适于无人机的小型油电混合动力系统，其特征在于：包括发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器、电能存储控制器和减振模块，所述发动机的输出轴通过变速架构与旋转电机的输入轴机械连接，所述旋转电机的第一输出端与电能存储控制器的输入端连接，所述旋转电机的第二输出端与发动机控制器的输入端连接，所述发动机控制器的输出端与发动机的输入端连接，所述电能存储控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述电能存储装置的输出端于发动机控制器的电源输入端连接，所述发动机、旋转电机、电能存储装置、发动机控制器和电能存储控制器均安装在减振模块上。
2.根据权利要求1所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统，其特征在于：所述电能存储控制器包括开关电源控制器、均衡控制器、温度控制器和充放电控制器，所述发动机的输出端通过开关电源控制器进而连接至电能存储装置的输入端，所述均衡控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述温度控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接，所述充放电控制器分别与发动机控制器和电能存储装置连接。
3.一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、通过发动机将燃料的化学能转化为动能；
B、通过旋转电机将动能转化为电能，并实时提供当前的电机转速；
C、利用效率跟踪算法将发动机和旋转电机的工作效率控制在最佳效率点，并将电能输出至电量存储装置进行储存。
4.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤C包括：
C1、获取发动机在不同负载下的最佳效率点所对应的转速，并形成效率查找表；
C2、在线计算储能系统的剩余能量；
C3、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C4、根据储能系统的初始能量、剩余能量和系统功耗，在线计算电动机负载；
C5、根据电动机负载，在效率查找表中查询其对应的最佳转速；若查找表中没有该电动机负载对应的数据，则采用插值法获取其对应的最佳转速；
C6、通过控制发动机输出的动能从而控制旋转电机在最佳转速上进行工作。
5.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤C还包括发动机保护检测步骤，其具体包括：
C11、获取发动机在不同油耗下的最佳效率点所对应的转速，并形成油耗查找表；
C12、在线测量旋转电机的转速；
C13、根据旋转电机的转速换算出对应的发动机转速，并判断是否与油耗查找表中的转速相匹配，若是，则返回执行步骤C12；反之，则控制发动机停止工作，并向电能存储控制器发送报告。
6.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤C还包括飞行器保护检测步骤，其具体包括：
C21、根据当前系统电源的电压和电流，在线计算系统功耗；
C22、判断系统功耗是否小于发动机在最佳效率点时的实际输出功率，若是，则返回执行步骤C21；反之，则执行步骤C23；
C23、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警下限值，若是，则控制发动机工作在最佳效率点；反之，则控制发动机工作在大功率输出点上，直到电能存储装置中的电量高于低电量报警上限值；
C24、判断燃料是否耗尽，若是，则发出警报；反之，则返回执行步骤C21。
7.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤C还包括温度保护检测步骤，其具体包括：
C31、检测发动机、旋转电机、电能存储装内部和开关电源表面的温度；
C32、判断检测到的温度是否均低于温度保护阈值，若是，则返回执行步骤C31；反之，则执行步骤C33；
C33、判断当前电能存储装置中的电量是否高于低电量报警上限值，若是，则控制发动机停止工作并返回执行步骤C31；反之，则控制发动机工作在低速输出状态并返回执行步骤C31。
8.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤C还包括充放电控制步骤，其具体包括：
C41、获取电能存储装置的剩余电量与开路电压的对应关系，形成电量查找表；
C42、获取供电电路的内阻，并根据当前电能存储装置的端电压值和电流值，结合电量查找表计算得出当前的剩余电量；
C43、根据剩余电量的状态执行对应的操作，若剩余电量达到充电上限，则控制发电机停止工作，并控制电能存储系统对无人机供电；若剩余电量在充电上限与低电压报警上限之间，则控制发电机保持当前工作状态；如果若剩余电量达到低电压报警上限，则控制发电机开始工作，对电能存储装置充电，且电能存储装置在充电同时对无人机供电；若剩余电量达到低电压报警下限，则发出报警信号，并通知用户控制无人机下落。
9.根据权利要求3所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：还包括：
D、根据最佳效率点时的振动频率，进行振动消除处理。
10.根据权利要求9所述的一种适于无人机的小型油电混合动力系统控制方法，其特征在于：所述步骤D包括：
D1、获取发动机工作在最佳效率点时的振动频率；
D2、对振动信号进行相位检测，并施加与该振动信号相位相差180°且幅度和频率相同的信号。
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