CN105905305A - 一种太阳能无人机能源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能无人机能源管理系统，包括太阳能电池组件、DC‑DC变换器、锂电池组件、锂电池保护电路、能源管理控制模块、无人机主控制模块、无人机供电单元，能源管理控制模块包括最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、能源管理控制器；太阳能电池组件将太阳能转换为电能，锂电池组件为无人机的储能元件，能源管理控制模块可以实时监测太阳能电池和锂电池的运行状态，控制无人机能量分配，并结合不同情况选择合适的供能模式；本发明结合了太阳能电池和锂电池的优点，合理控制和分配能源使用，提高太阳能电池和锂电池的利用率，有效克服了现有无人机储能有限的不足，增加了无人机的航时。

Description

一种太阳能无人机能源管理系统

技术领域

本发明专利设计一种太阳能无人机的能源管理系统，属于航空飞行器的能源管理和控制领域。

背景技术

随着无人机技术的发展，无人机已经在军事、工业、农业、交通、安防等领域获得大力发展。但目前无人机基本是以锂电池、蓄电池、燃料电池等作为燃料。受限于无人机的设计尺寸，无人机所携带的能源是有限的，这就限制了无人机的留空时间、航程等，影响无人机有限载荷和任务要求。太阳能作为一种全新的能源，其清洁无污染、来源永不枯竭、维护措施简单等特点，使其越来越受到广泛关注，这也促使了太阳能无人机产生和发展。太阳能无人机作为未来无人机的发展方向，如果单纯采用太阳能供能，则会受光照、外界环境等影响，会降低太阳能无人机的适应性。因此，设计一种太阳能无人机能源管理系统，结合太阳能电池和锂电池的优势，合理控制和分配能源使用，提高无人机能源的利用率，从而实现无人机的长航飞行。

发明内容

本发明提供了一种太阳能无人机能源管理系统。利用太阳能发电技术，结合储能较高的锂电池，设计合理的能源分配，实现无人机能源的最大化利用。同时结合太阳能电池的特性、锂电池的特性以及无人机的飞行环境，设计不同情况下，无人机能源供应的不同模式，提高无人机能源的利用率。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种太阳能无人机能源管理系统，包括太阳能电池组件、DC-DC变换器、锂电池组件、锂电池保护电路、能源管理控制模块、无人机主控制模块、无人机供电单元，能源管理控制模块包括最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、能源管理控制器；其特征在于，太阳能电池组件与DC-DC变换器相连，DC-DC变换器分别与最大功率跟踪模块和电池状态检测模块相连，锂电池组件与锂电池保护电路相连，锂电池保护电路分别与智能充放电模块和电池状态检测模块相连，能源管理控制器分别与最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、无人机主控制模块、无人机供电单元相连，无人机主控制模块与无人机供电单元相连。

所述太阳能电池组件一般为柔性薄膜太阳能电池片，可根据无人机的机型合理铺设在无人机的机翼、机身等地方；所述锂电池组件为无人机的储能元件，其能量密度应满足无人机的任务需要；所述最大功率跟踪模块可使太阳能电池组件以最大功率输出，以提高太阳能电池组件的利用效率；所述智能充放电模块可以根据所述能源管理器指令完成对锂电池组件的充电和放电任务，可具备快速充电、保护锂电池、安全放电等功能；所述电池状态检测模块实时监测太阳能电池组件和锂电池组件的电压、电流等参数，准确、实时传送给能源管理控制器；所述能源管理控制器综合能源管理控制模块中各部分的信息，以及无人机主控制模块的相关信息和指令，完成对太阳能电池组件和锂电池组件的能源管理、分配和利用，保证无人机供电单元正常运行；所述无人机主控制模块控制无人机的动力系统、控制系统、通信系统以及其他的无人机相关模块，并将无人机的运行状态相关信息及相关控制指令实时传送给能源管理控制器；所述无人机供电单元包括动力系统、控制系统、通信系统以及其他无人机运行所需的供电单元。

能源管理控制模块接收能源管理系统中各部分的信息，包括太阳能电池组件运行状态、锂电池组件运行状态、无人机供电单元的运行信息、以及无人机主控制模块的信号和指令，在综合各种信息后，按照预定控制模式，完成能源分配；其中，太阳能电池组件的运行状态，可由与太阳能电池组件相连的DC-DC变换器输出状态检测，锂电池组件的运行状态，可由与锂电池组件相连的锂电池保护电路中检测。

能源管理系统在不同运行状态下，实现不同的控制模式，包括：太阳能电池组件向锂电池组件充电模式、太阳能电池组件直接向无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件同时向锂电池组件和无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件和锂电池组件联合向无人机供电单元供电模式、锂电池组件向无人机供电单元供电模式。

与现有技术相比，本发明的优点在于：能源管理系统作为无人机能源系统的控制调节中心，可以实现太阳能电池组件和锂电池组件共同对无人机供能，可以实现太阳电池组件输出功率调节，对锂电池组件进行智能管理。在太阳能电池组件功率输出充足的情况下，尽可能保留更多锂电池组件的能量；在太阳能电池组件输出功率不足的情况下，则由锂电池组件进行补充。本发明还设计了完整的无人机能源控制流程，可以保证能源控制系统在不同情况下，均可以为无人机提供稳定、充足的能量；同时，本发明可以最大化利用太阳能电池组件所产生的能量，增加无人机的航程。本发明还具有易于实现、应用方便等优点。

附图说明

图1为本发明能源管理系统原理框图。

图2为本发明能源管理系统控制模式选择流程图。

附图标号说明：1.太阳能电池组件 2.DC-DC变换器 3.锂电池组件 4.锂电池保护电路 5.能源管理控制模块 6.无人机主控制模块 7.无人机供电单元 8.能源管理控制器 9.电池状态检测模块 10.智能充放电模块 11.最大功率跟踪模块

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案为：包括太阳能电池组件1、DC-DC变换器2、锂电池组件3、锂电池保护电路4、能源管理控制模块5、无人机主控制模块6、无人机供电单元7，能源管理控制模块5包括能源管理控制器8、电池状态检测模块9、智能充放电模块10、最大功率跟踪模块11；其特征在于，太阳能电池组件1与DC-DC变换器2相连，DC-DC变换器2分别与最大功率跟踪模块11和电池状态检测模块9相连，锂电池组件3与锂电池保护电路4相连，锂电池保护电路4分别与智能充放电模块10和电池状态检测模块9相连，能源管理控制器8分别与电池状态检测模块9、智能充放电模块10、最大功率跟踪模块11、无人机主控制模块6、无人机供电单元7相连，无人机主控制模块6与无人机供电单元7相连。

参见图1，所述太阳能电池组件1一般为柔性薄膜太阳能片，可根据无人机的机型合理铺设在无人机的机翼、机身等地方；所述锂电池组件3为无人机的储能元件，其能量密度应满足无人机的任务需要；所述最大功率跟踪模块11可使太阳能电池组件1以最大功率输出，可提高太阳能电池组件1的利用效率；所述智能充放电模块10可以根据能源管理控制器8的指令完成对锂电池组件3的充电和放电任务，可具备快速充电、保护锂电池、安全放电等功能；所述电池状态检测模块9实时监测太阳能电池组件1和锂电池组件3的电压、电流等参数，准确、实时传送给能源管理控制器8；所述能源管理控制器8综合能源管理控制模块5各部分的信息、无人机供电单元7的运行信息及无人机主控制模块6的相关信息和指令，完成对太阳能电池组件1和锂电池组件3的能源管理、分配和利用，保证无人机供电单元正常运行；所述无人机主控制模块6控制无人机的动力系统、控制系统、通信系统以及其他的无人机相关模块，将无人机的相关运行状态实时传送给能源管理控制器8，并根据需要将控制指令送至能源管理控制器8；所述无人机供电单元7包括动力系统、控制系统、通信系统以及其他无人机所需的供电单元。

参见图1，能源管理控制模块5接收能源管理系统中各部分的信息，包括太阳能电池组件1运行状态、锂电池组件3运行状态、无人机供电单元7的运行信息、以及无人主控制模块6的信号和指令，在综合各种信息后，按照预定工作模式，完成能源分配；其中，太阳能电池组件1的运行状态，可由与太阳能电池组件1相连的DC-DC变换器2输出状态检测，锂电池组件3的运行状态，可由与锂电池组件3相连的锂电池保护电路4中检测。

太阳能电池组件1的输出能量在该能源管理系统中具有两个流向，一是充入锂电池组件3作为储备能量，二是直接供给无人机供电单元9。能源管理控制模块5采用动态电源路径管理技术(Dynamic Power Path Management，DPPM)，将太阳能电池组件1所获取的电能在充入锂电池组件3和供向无人机供电单元7之间进行动态调度，以最大化利用太阳能电池的输出功率。

参见图2，能源管理系统在不同运行状态下，实现不同的能源控制模式，包括：太阳能电池组件向锂电池组件充电模式、太阳能电池组件直接向无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件同时向锂电池组件和无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件和锂电池组件联合向无人机供电单元供电模式、锂电池组件向无人机供电单元供电模式。

太阳能无人机能源管理系统控制模式的选择判断单元包括，无人机供电单元供电状态判断单元、太阳能电池组件输出状态判断单元、锂电池组件电量状态判断单元；

太阳能无人机能源管理系统各种模式的选择，首先需要满足无人机供电单元的能源供给，特别是无人机动力系统负载的安全平稳运行和控制系统、通讯系统的稳定运行；同时，不同能源控制模式的切换应满足快速、平稳，不能影响无人机的正常运行；不同控制模式的选择应该以最大化利用太阳能电池功率输出和锂电池安全高效的利用为基础。

参见图2，一种太阳能无人机能源管理系统的控制模式选择流程图，详细说明无人机各种模式选择的条件；在无人机无运行时，即不需要向无人机供电单元7供电，太阳能电池组件1应及时对锂电池组件3充电；无人机正常运行时，当光照充足、太阳能电池组件1的输出功率可以满足无人机供电单元7需求的情况下，可以直接向无人机供电单元7提供能量，由于太阳能电池组件1的输出功率并不稳定，需要根据无人机供电单元7的能量需要，动态调节输出功率；无人机正常运行时，当光照充足、太阳能电池组件1输出功率可以满足无人机供电单元7能量需求的情况下，当检测到锂电池组件3的电量不满时，在保证无人机供电单元7正常运行的情况下，可以通过动态电源路径管理技术，对锂电池组件3的进行充电；无人机正常运行时，当光照不足、太阳能电池组件1输出功率不能完全满足无人机供电单元7的能量需求时，需要通过锂电池组件3补充输出能量，满足无人机供电单元7正常运行；当无人机正常运行时，太阳能电池组件1无输出功率时，启动锂电池组件2单独对无人机供电单元7供电；无人机正常运行时，锂电池组件3单独供电的情况下，当锂电池组件3电量低于预设电量值，启动警报。

参见图2，一种太阳能无人机能源管理系统，控制模式的选择流程包括如下步骤：

(1)根据无人机供电单元供电状态，判断无人机供电单元是否运行，若无人机供电单元运行，则执行步骤2；若无人机供电单元没有运行，则执行步骤3；

(2)根据太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件是否有功率输出，若太阳能电池组件有功率输出，则执行步骤4；若太阳能电池组件没有功率输出，则执行步骤5；

(3)根据锂电池组件电量状态，判断锂电池组件电量是否为满，若锂电池组件电量为满，则无人机能源管理系统执行待机状态；若锂电池组件电量不满，则执行步骤6；

(4)根据无人机供电单元供电状态和太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件输出功率是否满足无人机供电单元正常运行，若太阳能电池组件输出功率满足无人机供电单元正常运行，则执行步骤7；若太阳能电池组件输出功率不能满足无人机供电单元正常运行，则执行太阳能电池组件和锂电池组件联合向无人机供电单元供电模式；

(5)根据锂电池组件电量状态，判断锂电池组件电量是否低于警戒值，若锂电池组件电量低于警戒值，报警并启动降落准备；若锂电池组件电量没有低于警戒值，则执行锂电池组件对无人机供电单元供电模式；

(6)根据太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件是否有功率输出，若太阳能电池组件有功率输出，则执行太阳能电池组件向锂电池组件充电模式；若太阳能电池组件没有功率输出，则无人机能源管理系统执行待机状态；

(7)根据无人机供电单元供电状态和太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件输出功率是否有余量，若太阳能电池组件输出功率有余量，执行太阳能电池组件同时向锂电池组件和无人机供电单元供电模式；若太阳能电池组件输出功率没有余量，则执行太阳能电池组件直接向无人机供电单元供电模式。

Claims (1)

1.一种太阳能无人机能源管理系统，包括太阳能电池组件、DC-DC变换器、锂电池组件、锂电池保护电路、能源管理控制模块、无人机主控制模块、无人机供电单元，能源管理控制模块包括最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、能源管理控制器；其特征在于，太阳能电池组件与DC-DC变换器相连，DC-DC变换器分别与最大功率跟踪模块和电池状态检测模块相连，锂电池组件与锂电池保护电路相连，锂电池保护电路分别与智能充放电模块和电池状态检测模块相连，能源管理控制器分别与最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、无人机主控制模块、无人机供电单元相连，无人机主控制模块与无人机供电单元相连；

一种太阳能无人机能源管理系统，能源管理控制模式包括：太阳能电池组件向锂电池组件充电模式、太阳能电池组件直接向无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件同时向锂电池组件和无人机供电单元供电模式、太阳能电池组件和锂电池组件联合向无人机供电单元供电模式、锂电池组件向无人机供电单元供电模式；

一种太阳能无人机能源管理系统，能源管理控制模式的选择判断单元包括，无人机供电单元供电状态判断单元、太阳能电池组件输出状态判断单元、锂电池组件电量状态判断单元；

一种太阳能无人机能源管理系统，能源管理控制模式的选择流程包括如下步骤：

(1)根据无人机供电单元供电状态，判断无人机供电单元是否运行，若无人机供电单元运行，则执行步骤2；若无人机供电单元没有运行，则执行步骤3；

(2)根据太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件是否有功率输出，若太阳能电池组件有功率输出，则执行步骤4；若太阳能电池组件没有功率输出，则执行步骤5；

(3)根据锂电池组件电量状态，判断锂电池组件电量是否为满，若锂电池组件电量为满，则无人机能源管理系统执行待机状态；若锂电池组件电量不满，则执行步骤6；

(4)根据无人机供电单元供电状态和太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件输出功率是否满足无人机供电单元正常运行，若太阳能电池组件输出功率满足无人机供电单元正常运行，则执行步骤7；若太阳能电池组件输出功率不能满足无人机供电单元正常运行，则执行太阳能电池组件和锂电池组件联合向无人机供电单元供电模式；

(5)根据锂电池组件电量状态，判断锂电池组件电量是否低于警戒值，若锂电池组件电量低于警戒值，报警并启动降落准备；若锂电池组件电量没有低于警戒值，则执行锂电池组件对无人机供电单元供电模式；

(6)根据太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件是否有功率输出，若太阳能电池组件有功率输出，则执行太阳能电池组件向锂电池组件充电模式；若太阳能电池组件没有功率输出，则无人机能源管理系统执行待机状态；

(7)根据无人机供电单元供电状态和太阳能电池组件输出状态，判断太阳能电池组件输出功率是否有余量，若太阳能电池组件输出功率有余量，执行太阳能电池组件同时向锂电池组件和无人机供电单元供电模式；若太阳能电池组件输出功率没有余量，则执行太阳能电池组件直接向无人机供电单元供电模式。