CN107800194A - 一种基于内总线的分布式能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于内总线的分布式能源系统，适用于太阳能无人机，包含若干个通过内总线和功率母线相互连接的分布式功率节点；各个所述的分布式功率节点通过向功率母线输出功率，为太阳能无人机供电，并通过功率母线实现分布式能源系统的功率互通；各个所述的分布式功率节点通过内总线实现功率优化调度和分布式遥测通信。本发明实现能源系统与无人机的功率匹配，能够优化能源系统的功率流，降低能源系统的传输损耗，提高能源系统的可靠性和供电品质。

Description

一种基于内总线的分布式能源系统
技术领域
本发明涉及一种分布式能源系统，具体是指一种适用于太阳能无人机的基于内总线的分布式能源系统，属于能源系统直流变换电路控制技术。
背景技术
长航时无人机因巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广，在空间国防、资源勘测、自然灾害防治等各方面均具有重要作用，具有常规飞行器不可替代的优点，也是我国目前临近空间发展的重要平台。
现有技术中，长航时无人机的能源系统大多采用光伏-蓄电池供电体系，主要由翼形太阳电池阵、能源管理单元和蓄电池组成。其中，翼形太阳电池阵、蓄电池（储能装置）和推进电机之间的供电配置关系，主要由能源管理单元进行协调控制。在光照期通过对翼形太阳电池阵的输出功率进行调节，满足无人机的供电要求，并将多余能量为蓄电池充电进行储能。当翼形太阳电池阵的输出功率不满足无人机的供电要求时，由翼形太阳电池阵和蓄电池联合供电。在夜间无光照期则仅由蓄电池供电，以满足无人机的供电需求。
但是，利用太阳能进行供电的无人机，其工作模式及功率的需求分配比较复杂，具有超大规模、超高功率、多能源综合等特点。在此种情况下，能源系统需要面临太阳电池的最大功率跟踪、联合供电、太阳电池能量多余等多种工作状态互相切换的复杂工况。由于传统的能源系统采用集中控制的方式，存在着传输损耗大，供电品质差，配置不灵活等问题，无法适应利用太阳能的无人机分布式供电需求。
基于上述，本发明提出一种适用于太阳能无人机的基于内总线的分布式能源系统，由若干个分布式功率节点组成；在每个分布式功率节点中，由太阳电池阵负责光电转换，为无人机的推进系统和平台设备提供能量；由锂离子蓄电池组负责在光照期（白天）将太阳电池阵的多余功率储存，并在无光照期（夜间）放电为无人机供电；分布式管理单元采用MPPT技术实现太阳电池阵功率调节并实现锂离子蓄电池组的充放电管理；从而有效解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于内总线的分布式能源系统，实现能源系统与无人机的功率匹配，能够优化能源系统的功率流，降低能源系统的传输损耗，提高能源系统的可靠性和供电品质。
为实现上述目的，本发明提供一种基于内总线的分布式能源系统，适用于太阳能无人机，包含若干个通过内总线和功率母线相互连接的分布式功率节点；各个所述的分布式功率节点通过向功率母线输出功率，为太阳能无人机供电，并通过功率母线实现分布式能源系统的功率互通；各个所述的分布式功率节点通过内总线实现功率优化调度和分布式遥测通信。
每个分布式功率节点包含：太阳电池阵，在光照期进行光电转换后输出功率，为太阳能无人机供电；锂离子蓄电池组，在光照期通过太阳电池阵充电，并在非光照期放电输出功率，为太阳能无人机供电；若干个分布式管理单元，分别与太阳电池阵、锂离子蓄电池组和功率母线连接，通过内总线实现分布式管理单元间的功率调度，采用MPPT技术对太阳电池阵的输出功率进行调节，并对锂离子蓄电池组的充电放电进行管理，使得太阳电池阵和锂离子蓄电池组通过分布式管理单元向功率母线输出功率进行供电。
每个所述的分布式管理单元包含：功率控制电路，与太阳电池阵串联连接，且与锂离子蓄电池组并联连接，对太阳电池阵的输出功率进行调节，并在光照期利用太阳电池阵的多余功率对锂离子蓄电池组充电；功率优化电路，分别与功率控制电路以及内总线和功率母线连接，对太阳电池阵进行峰值功率跟踪，并实现锂离子蓄电池组的限流恒压充电。
在每个所述的分布式功率节点中，其中一个分布式管理单元作为主控制器，其余各个分布式管理单元均作为从控制器。
所述的主控制器与各个从控制器之间通过内总线连接进行通信，实现对各个分布式管理单元的遥测信息采集和遥控指令传输。
所述的主控制器通过内总线采集各个从控制器的分布式管理单元的状态，并根据采集到的状态信息进行分布式功率节点的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配。
各个所述的分布式功率节点的输出功率固定，通过多个分布式功率节点的并联进行分布式能源系统输出功率的扩展。
各个所述的分布式功率节点通过内总线进行节点间的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配；并通过内总线实现节点间的运行状态上传和遥控指令接收。
所述的基于内总线的分布式能源系统，还包含功率匹配管理电路，其通过内总线分别与各个分布式功率节点连接，根据各个分布式功率节点向其发送的运行状态，调节各分布式功率节点的工作状态。
所述的功率匹配管理电路还通过外部总线与飞控计算机连接通信，将分布式能源系统的运行状态上传并接收遥控指令。
综上所述，本发明提供的基于内总线的分布式能源系统，满足太阳能无人机对高效、高功率密度的分布式能源系统的需求，采用分布式架构满足分布式供电场合下的系统架构设计。同时，本发明采用内总线技术实现分布式功率节点的标准化设计，通过内总线完成分布式遥测采集、遥控指令传输以及功率优化调度等功能。另外，本发明采用分布式主从控制策略，实现分布式能源系统的功率优化匹配，确保功率母线的输出品质满足无人机推进系统的需求，实现太阳能无人机高效、高品质的供电。
附图说明
图1为本发明中的基于内总线的分布式能源系统的结构示意图；
图2为本发明中的分布式功率节点的结构示意图。
具体实施方式
通过阅读参照图1和图2所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1和图2，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。
如图1所示，为本发明所提供的基于内总线的分布式能源系统，适用于太阳能无人机，包含若干个通过内总线和功率母线相互连接的分布式功率节点1；各个所述的分布式功率节点1通过向功率母线输出功率，为太阳能无人机供电，并通过功率母线实现分布式能源系统的功率互通；各个所述的分布式功率节点1通过内总线实现功率优化调度和分布式遥测通信。
如图2所示，每个分布式功率节点1包含：太阳电池阵102，在光照期进行光电转换后输出功率，为太阳能无人机供电，具体是为太阳能无人机的推进系统和平台设备提供能量；锂离子蓄电池组104，在光照期通过太阳电池阵102充电，即储存太阳电池阵102的多余功率，并在非光照期放电输出功率，为太阳能无人机供电；若干个分布式管理单元，分别与太阳电池阵102、锂离子蓄电池组104和功率母线连接，通过内总线实现分布式管理单元间的功率调度，采用MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）技术对太阳电池阵102的输出功率进行调节，并对锂离子蓄电池组104的充电放电进行切换管理，使得太阳电池阵102和锂离子蓄电池组104通过分布式管理单元向功率母线输出功率进行供电。
其中，每个所述的分布式管理单元包含：功率控制电路103，与太阳电池阵102串联连接，且与锂离子蓄电池组104并联连接，对太阳电池阵102的输出功率进行调节，实现太阳电池阵峰值功率输出，并在光照期利用太阳电池阵102的多余功率对锂离子蓄电池组104充电；该功率控制电路103作为最底层的功率执行单元，确保分布式功率节点1的内部功率匹配；功率优化电路101，分别与功率控制电路103以及内总线和功率母线连接，对太阳电池阵102进行峰值功率跟踪，并实现锂离子蓄电池组104的限流恒压充电；该功率优化电路101能够确保太阳电池阵102输出功率的利用最大化，以及锂离子蓄电池组104安全可靠的充电放电。
每个所述的分布式功率节点1中，其中一个分布式管理单元作为主控制器，其余各个分布式管理单元均作为从控制器。
所述的主控制器与各个从控制器之间通过内总线连接进行通信，实现对各个分布式管理单元的遥测信息采集和遥控指令传输。
所述的主控制器通过内总线采集各个从控制器的分布式管理单元的状态，并根据采集到的状态信息进行分布式功率节点1的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配。
各个所述的分布式功率节点1的输出功率固定，因此可以根据功率母线的电压设定分布式功率节点1的最大输出功率，并通过多个分布式功率节点1的并联进行分布式能源系统输出功率的扩展。本实施例中，所述的功率母线的电压为60V，设定分布式功率节点1的最大输出功率为500W。
各个所述的分布式功率节点1通过内总线进行节点间的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配；并通过内总线实现节点间的运行状态上传和遥控指令接收。
所述的基于内总线的分布式能源系统，还包含功率匹配管理电路2，其通过内总线分别与各个分布式功率节点1连接，根据各个分布式功率节点1向其发送的运行状态，调节各分布式功率节点1的工作状态，从而提升分布式能源系统的功率母线的输出能力和供电品质，确保太阳能无人机的供电安全性。
在本发明的多个优选实施例中，所述的内总线可采用CAN总线实现，或者采用LVDS总线实现高速实时通信功能。
所述的功率匹配管理电路2还通过外部总线与飞控计算机3连接通信，将分布式能源系统的运行状态上传并接收遥控指令。
在本发明的多个优选实施例中，所述的外部总线采用CAN总线，或485总线等通信方式，确保通信的可靠性。
综上所述，本发明提供的基于内总线的分布式能源系统，满足太阳能无人机对高效、高功率密度的分布式能源系统的需求，采用分布式架构替代传统的集中式架构，以满足分布式供电场合下的系统架构设计。同时，本发明采用内总线技术代替传统的母板连接方式，实现分布式功率节点的标准化设计，使得输出功率能够扩展，更加符合太阳能无人机推进系统的分布式供电特点，通过内总线完成分布式遥测采集、遥控指令传输以及功率优化调度等功能。另外，为了解决分布式架构高效控制难题，本发明提出一种分布式主从控制策略，实现分布式能源系统的功率优化匹配，确保功率母线的输出品质满足无人机推进系统的需求，实现太阳能无人机高效、高品质的供电。
因此，本发明提供的基于内总线的分布式能源系统，实现能源系统与无人机推进系统的功率匹配，能够优化能源系统的功率流，降低能源系统的传输损耗，提高能源系统的可靠性和供电品质，具有重要的工程应用价值。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于内总线的分布式能源系统，适用于太阳能无人机，其特征在于，包含若干个通过内总线和功率母线相互连接的分布式功率节点；
各个所述的分布式功率节点通过向功率母线输出功率，为太阳能无人机供电，并通过功率母线实现分布式能源系统的功率互通；
各个所述的分布式功率节点通过内总线实现功率优化调度和分布式遥测通信。
2.如权利要求1所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，每个分布式功率节点包含：
太阳电池阵，在光照期进行光电转换后输出功率，为太阳能无人机供电；
锂离子蓄电池组，在光照期通过太阳电池阵充电，并在非光照期放电输出功率，为太阳能无人机供电；
若干个分布式管理单元，分别与太阳电池阵、锂离子蓄电池组和功率母线连接，通过内总线实现分布式管理单元间的功率调度，采用MPPT技术对太阳电池阵的输出功率进行调节，并对锂离子蓄电池组的充电放电进行管理，使得太阳电池阵和锂离子蓄电池组通过分布式管理单元向功率母线输出功率进行供电。
3.如权利要求2所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，每个所述的分布式管理单元包含：
功率控制电路，与太阳电池阵串联连接，且与锂离子蓄电池组并联连接，对太阳电池阵的输出功率进行调节，并在光照期利用太阳电池阵的多余功率对锂离子蓄电池组充电；
功率优化电路，分别与功率控制电路以及内总线和功率母线连接，对太阳电池阵进行峰值功率跟踪，并实现锂离子蓄电池组的限流恒压充电。
4.如权利要求2所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，在每个所述的分布式功率节点中，其中一个分布式管理单元作为主控制器，其余各个分布式管理单元均作为从控制器。
5.如权利要求4所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，所述的主控制器与各个从控制器之间通过内总线连接进行通信，实现对各个分布式管理单元的遥测信息采集和遥控指令传输。
6.如权利要求4所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，所述的主控制器通过内总线采集各个从控制器的分布式管理单元的状态，并根据采集到的状态信息进行分布式功率节点的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配。
7.如权利要求2所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，各个所述的分布式功率节点的输出功率固定，通过多个分布式功率节点的并联进行分布式能源系统输出功率的扩展。
8.如权利要求2所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，各个所述的分布式功率节点通过内总线进行节点间的功率优化调度，使得分布式能源系统与太阳能无人机的载荷功率匹配；并通过内总线实现节点间的运行状态上传和遥控指令接收。
9.如权利要求8所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，还包含功率匹配管理电路，其通过内总线分别与各个分布式功率节点连接，根据各个分布式功率节点向其发送的运行状态，调节各分布式功率节点的工作状态。
10.如权利要求8所述的基于内总线的分布式能源系统，其特征在于，所述的功率匹配管理电路还通过外部总线与飞控计算机连接通信，将分布式能源系统的运行状态上传并接收遥控指令。
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