CN108023399B - 一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置，含2个以上结构相同的供配电子系统，每个供配电子系统包括2套组件，组件中各相同部件之间可通过开关控制以实现电连接与断开。本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置采用了集中—分布式设计，其中，每个供配电子系统采用集中式安装方式，具备独立的供电、供配电功能，均可独立工作；多个供配电子系统采用分布式安装方式，非常适合太阳能飞机翼展大、推进系统分布的特性，可有效减小集中应力。同时，每个供配电子系统的2套组件间通过可控并联的方式实现子系统内邻近互补、冗余备份，实现了组件级的故障隔离和供配电子系统内部的冗余备份，解决了备份远距离损耗大的问题，提高了装置的工作可靠性。

Description

一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置

技术领域

本发明属于航空飞行器技术领域，涉及一种用于太阳能飞行器邻近互补供配电装置。

背景技术

太阳能飞行器具有功能强大、适应性强、灵活性好、成本低廉的优势，得到了日益广泛的应用。为了提高太阳能飞行器的气动效率，通常采用大展弦比机翼和分布式推进系统设计，这对飞行器配电系统的重量分布和长时间稳定工作等方面提出了新的需求，传统的集中式飞行器配电设计已难以满足要求。此前提出的一种太阳能飞行器供配电装置，采用供配电子系统的各相同组件之间直接并联备份的方式，存在组件距离供配电子系统越远，损耗越大；以及太阳能电池、锂电池故障时，不能保证推进功率足额保持的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种质量分布均匀、发电效率高、推进足额保持、备份距离近损耗小、冗余度及可靠性高的太阳能飞行器邻近互补供配电装置。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置，包括2个以上结构相同的供配电子系统，每个供配电子系统包括2套组件，每套组件中的多个组件之间可通过开关控制以断开电连接，2套组件中的各相同组件之间可通过开关控制以实现电连接。

进一步，所述供配电子系统的每套组件包括依次电连接的太阳能电池子阵、单向DC/DC变换器、推进系统、双向DC/DC变换器和储能锂电池堆。

进一步，所述供配电子系统的两套组件中的各相同名称组件参数性能一致，可实现两两间相互备份。

进一步，所述供配电装置正常工作时，每个供配电子系统有且仅有一套组件处于工作状态。

进一步，所述临近互补供配电装置出现组件故障时，优先采用供配电子系统内部第二套组件中的相同组件替代相应故障组件工作的模式，实现“临近互补”概念。该模式可保证太阳能电池和/或锂电池组件故障时推进功率的足额保持，同时，供配电子系统内部组件互补距离近，功率消耗小。

进一步，所述临近互补供配电装置同一供配电子系统内部两套组件中的同一组件同时出现故障时，仍可采用供配电子系统外其它供配电子系统相同备份组件替代，保证装置工作的可靠性。

进一步，所述太阳能飞行器临近互补供配电装置每套组件外部连接关键部件，关键部件包括关键单向DC/DC变换器、载荷系统和飞控系统等。进一步，所述每个供配电子系统的太阳能电池子阵安装在机翼上表面；所述推进系统安装在机翼前方与太阳能电池子阵相应的位置；所述储能锂电池放置在太阳能电池子阵相应的下方机翼中的独立设备舱中或储能锂电池不成堆分散布置在太阳能电池模块下方机翼中；所述单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器放置在太阳能电池子阵相应的下方机翼中的独立设备舱中，所述关键单向DC/DC变换器安装机身中。

本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置采用了集中—分布式的设计，其中，每个供配电子系统采用集中式安装方式，具备独立的供电、供配电功能，均可独立工作；多个供配电子系统采用分布式安装方式，非常适合太阳能飞机翼展大、推进系统分布的特性，有效地减小集中应力。同时，每个供配电子系统的2套组件之间通过可控并联的方式实现子系统内邻近互补、冗余备份，实现了组件级的故障隔离功能和供配电子系统内部的组件备份功能，解决了备份的远距离损耗大问题，保证了推进的足额保持，提高了装置的工作可靠性。

附图说明

图1是本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置的功能结构示意图；

图2是本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置的安装结构示意图；

图3是图2中机翼组件的侧视剖面图。

具体实施方式

以下结合实施例，进一步说明本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置的具体实施方式。本发明提出的一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置不限于以下实施例的描述。

实施例1：

如图1所示，是本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置的整体功能结构示意图，包括2个结构相同的供配电子系统(也可以是3个或者更多)，每个供配电子系统包括2套相同的组件，每套组件包括依次电连接的太阳能电池子阵、单向DC/DC变换器、推进系统、双向DC/DC变换器和储能锂电池堆。本装置采用直流供电方式，各组件之间通过两根导线(正极、负极)实现电连接，假设图中实线为正极导线，虚线为负极导线。

每个供配电子系统每套组件的多个组件之间设置有控制开关(S1-S4、S9-S12)，以断开组件之间的电连接，这些开关均设置在负极导线(虚线)上。同时，每个供配电子系统2套组件的各相同组件之间也设置有控制开关(S5-S8)，以实现相同组件之间的电连接，这些开关均设置在正极导线(实线)上。这样设计的好处在于，可以简化电路结构，更容易实现多个开关的逻辑控制。

每个供配电子系统在驱动各自推进系统工作的同时，还通过关键单向DC/DC变换器进行电压转换和滤波整流后，为飞行器的载荷系统和飞控系统等关键部件提供能源。当阳光充足、太阳能电池子阵输出功率足够时，太阳能电池子阵输出能量经单向DC/DC变换器驱动推进系统和关键部件工作，并经双向DC/DC变换器为储能锂电池堆充电。当阳光不足时，储能锂电池堆提供的能量经双向DC/DC变换器驱动推进系统和关键部件工作。

所述控制开关采用继电器结构，通过控制单元进行逻辑控制，实现系统工作状态设定、故障组件的隔离，以及系统供配电功能重构等功能，以维持太阳能飞行器邻近互补供配电装置始终工作在合适的状态。具体的控制逻辑参见实施例3。

实施例2：

如图2和图3所示，是本发明一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置采用集中—分布式安装在飞行器上的结构示意图。所述飞行器包括机身11和机翼12，所述机翼上分布安装有结构相同的4套供配电子系统(21、22、23、24)，每套供配电子系统的太阳能电池子阵25安装在机翼12的上表面，推进系统26安装在机翼前方与太阳能电池子阵25相应的位置；所述单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器和储能锂电池堆放置在太阳能电池子阵相应的下方机翼中的独立设备舱28中；关键部件的关键单向DC/DC变换器安装在机身11的关键设备舱27中。

实施例3：

本实施例给出本发明一种太阳能飞行器临近互补供配电装置采用集中—分布式安装在飞行器上的另一种结构示意图。

实施例3采用与实施例2相似和结构，不同之处仅在于，所述机翼12中的多个独立设备舱28中安装所述4套配电子系统的单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，储能锂电池堆则采用分布式结构，分成多个模块对应的安装在每个太阳能电池模块的下方，最大限度的实现重量分布布置。

实施例4：

本实施例给出实施例1中所述太阳能飞行器邻近互补供配电装置的多个开关的逻辑控制方式。由于多个供配电子系统结构和工作原理相同，本实施例中仅以图1中第1供配电子系统的第1套组件和第2套组件为例进行说明。

1、正常工作模式

如图1所示，各组件状态正常时，各个供配电子系统的开关S1-S4处于闭合状态，开关S5-S8、S9-S12处于断开状态。即示例第1供配电子系统的第1套组件各组件正常工作。各供配电子系统中太阳能电池子阵通过单向DC/DC变换器向推进系统供电，并且通过双向DC/DC变换器与储能锂电池堆连接。此时，装置的工作模式如下：

(1)白天光照充足，且储能锂电池堆电量未充满，此时为MPPT模式；储能锂电池堆充满电后，单向DC/DC变换器工作在恒压模式，维持母线电压的稳定，双向DC/DC变换器工作在buck充电工作模式。此外，通过设置Buck控制电路的目标电流，可以改变锂电池充电电流的大小，在最大限度利用当前状态太阳能的同时达到保护锂电池的功能；若储能锂电池堆充满电，双向DC/DC变换器不工作，系统只由太阳能提供能量。

(2)若光照不足，或者负载突然增大，此时单向DC/DC变换器切换到MPPT模式，双向DC/DC变换器工作在Boost放电模式，母线电压由双向变换器控制电路来维持，即通过太阳能和储能锂电池堆联合提供能量，维持系统正常工作。

(3)在夜晚，单向DC/DC变换器不工作，由储能锂电池堆提供能量，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，维持母线电压的稳定。

2、带故障工作模式

当某个组件出现故障时，装置的工作模式如下：

1)太阳能电池子阵出现故障

以第1-1太阳能电池子阵故障、第1-2太阳能电池子阵作为备份为例，此时控制电路将在正常工作模式的开关序列基础上，断开开关S1将第1-1太阳能电池子阵隔离，并闭合开关S5、S9，通过足额使用保持本装置仍能正常运行。典型的太阳能电池故障为供电线路损坏。

(2)单向DC/DC变换器出现故障

若某个单向DC/DC变换器故障，需要将发生故障的组件隔离，并进行系统重构，以维持能源系统正常工作。以第1-1单向DC/DC变换器出现故障、第1-2单向DC/DC变换器作为备份为例，此时控制电路将在正常工作模式的开关序列基础上，断开开关S2将故障组件隔离，与此同时闭合开关S5、S6和S10，使第1-1太阳能电池子阵输出端与第1-2太阳能电池子阵输出端并联，并由第1-2单向DC/DC变换器来实现电能变换。典型的单向DC/DC变换器出现故障为无输出或输出不受控。

(3)双向DC/DC变换器出现故障

若某个双向DC/DC变换器出现故障，同样采用上述思路实现系统故障隔离以及功能重构。以第1-1双向DC/DC变换器出现故障、第1-2双向DC/DC变换器作为备份为例，此时需要在正常工作模式的开关序列基础上，断开开关S3，将故障组件隔离，与此同时闭合开关S7、S8和S11，使第1-1储能锂电池堆与第1-2储能锂电池堆并联，并由第1-2双向DC/DC变换器实现电能变换。典型的双向DC/DC变换器出现故障为无输出或输入、输出不受控。

(4)储能锂电池堆出现故障

以第1-1储能锂电池堆出现故障、第1-2储能锂电池堆作为备份为例，此时需要在正常工作模式的开关序列基础上，断开开关S4，将故障组件隔离，与此同时闭合开关S8、S12，使第1-1双向DC/DC变换器与第1-2双向DC/DC变换器并联后与第1-2储能锂电池连接。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种太阳能飞行器邻近互补供配电装置，其特征在于：包括2个以上结构相同的供配电子系统，每个供配电子系统包括2套组件，所述供配电子系统的每套组件包括依次电连接的太阳能电池子阵、单向DC/DC变换器、推进系统、双向DC/DC变换器和储能锂电池堆，2套组件之间通过可控并联的方式连接，每套组件中的多个组件之间可通过开关控制以断开电连接，2套组件中的各相同组件之间可通过开关控制以实现电连接；

所述供配电装置正常工作时，每个供配电子系统有且仅有一套组件处于工作状态；

所述邻近互补供配电装置出现组件故障时，优先采用供配电子系统内部第二套组件中的相同组件替代相应故障组件工作的模式，实现“邻近互补”概念，该模式可保证太阳能电池子阵和/或储能锂电池堆故障时推进功率的足额保持，同时，供配电子系统内部组件互补距离近，功率消耗小；

所述邻近互补供配电装置同一供配电子系统内部两套组件中的同一组件同时出现故障时，仍可采用供配电子系统外其它供配电子系统相同备份组件替代，保证装置工作的可靠性。

2.根据权利要求1所述的太阳能飞行器邻近互补供配电装置，其特征在于：所述供配电子系统的两套组件中的各相同名称组件参数性能一致，可实现两两间相互备份。

3.根据权利要求1所述的太阳能飞行器邻近互补供配电装置，其特征在于：所述太阳能飞行器邻近互补供配电装置每套组件外部连接关键部件，关键部件包括关键单向DC/DC变换器、载荷系统和飞控系统。

4.根据权利要求3所述的太阳能飞行器邻近互补供配电装置，其特征在于：所述每个供配电子系统的太阳能电池子阵安装在机翼上表面；所述推进系统安装在机翼前方与太阳能电池子阵相应的位置；所述储能锂电池堆放置在太阳能电池子阵相应的下方机翼中的独立设备舱中或储能锂电池堆不成堆分散布置在太阳能电池子阵下方机翼中；所述单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器放置在太阳能电池子阵相应的下方机翼中的独立设备舱中，所述关键单向DC/DC变换器安装机身中。

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