CN110127063B - 无人机动力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一无人机动力系统，所述无人机动力系统包括至少一燃料供给单元、至少一燃料电池供电模块、至少一锂电池供电模块、至少一系统控制模块、至少一电路调节单元以及至少一无人机动力源，其中所述燃料供给单元的输出端与所述燃料电池供电模块连接，所述燃料电池供电模块的输出端与所述电路调节单元连接，所述电路调节单元的输出端分别与所述锂电池供电模块及所述无人机动力源连接，所述系统控制模块的两端分别与所述燃料电池供电模块的电压电流采样点及所述锂电池供电模块的电压电流采样点连接。

Description

无人机动力系统及其控制方法
技术领域
本发明属于无人机动力系统领域，具体涉及一种基于燃料电池的动力系统及其控制方法。
背景技术
固定翼无人机的特点是飞行时间长、机身长、质量重、体积大。它的起飞是其整个飞行过程中需要能量最大的时候。大多数的固定翼无人机都是通过跑道滑翔助跑起飞，这个起飞过程对起飞的场地有特殊的要求，这个要求就会限制固定翼无人机的应用场合。垂直起降的方式就可以让固定翼无人机能在很简单的平地就能起飞和降落。垂直起降需要它的动力系统提供非常大的能量。目前能够提供长航时，体积小重量轻的最好的动力源就是氢燃料电池。
现有技术中的固定翼无人机的动力系统是锂电池供电或者氢燃料电池或者氢氧燃料电池供电。而锂电池动力系统的续航能力是目前制约无人机发展的重大障碍，所以进行户外飞行不得不携带多块电池备用，因此会造成使用操作的诸多不便。此外，锂电池在固定翼无人机垂直起飞时能够提供很大的功率，但是在垂直起飞时就浪费了很大一部分能量且能量又得不到补充。燃料电池的动力系统的续航时间比较长，而中型固定翼无人机起飞时需要1800～4500W左右的功率，如果单独使用燃料电池为其提供动力，那么能够提供这种固定翼无人机起飞或降落的燃料电池动力系统重量重且体积大，固定翼无人机的机舱很难装得下。此外，固定翼无人机的螺旋桨产生的能量回馈会损毁燃料电池，只有把这部分的能量旁路掉才能保护燃料电池，但是被旁路掉的能源就被白白浪费了。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，所述无人机动力系统能够提高无人机的续航能力或航程，从而适合续航能力要求高的应用场合。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统能够调节系统输出的电流和电压，因此能够适应非常多的无人机类型和应用场合。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统的通用性强，适合固定翼、倾转翼、多旋翼等多种类型的无人机。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括一燃料电池供电模块和一锂电池供电模块，所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块能够同时为所述无人机动力系统中的无人机动力源提供动力。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述锂电池供电模块能够回收所述无人机动力系统在起飞时螺旋桨产生的巨大能量而不会损坏所述燃料电池供电模块。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括至少一温度传感器，用于监测所述燃料电池供电模块在工作过程中的温度。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括至少一压力传感器，所述无人机动力系统通过所述压力传感器监测所述燃料电池供电模块的进气压力。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括至少一系统控制模块，通过所述系统控制模块控制调节系统输出电压和电流，从而使所述无人机动力系统的航程得到提高。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括至少一无人机飞控，通过所述无人机飞控去保证所述无人机的正常飞行。
本发明的一个目的在于提供一种无人机动力系统，其中所述无人机动力系统可以根据实际情况调节系统输出的电流和电压，从而使所述无人机动力系统能够包括无人机机载设备，因此能够进一步提高本发明所述的无人机动力系统的使用范围。
换言之，本发明主要提供一无人机动力系统，所述无人机动力系统包括至少一燃料供给单元、至少一燃料电池供电模块、至少一锂电池供电模块、至少一系统控制模块、至少一电路调节单元以及至少一无人机动力源，其中所述燃料供给单元的输出端与所述燃料电池供电模块连接，所述燃料电池供电模块的输出端与所述电路调节单元连接，所述电路调节单元的输出端分别与所述锂电池供电模块及所述无人机动力源连接，所述系统控制模块的两端分别与所述燃料电池供电模块的电压电流采样点及所述锂电池供电模块的电压电流采样点连接。
在其中一些实施例中，其中所述电路调节单元包括一DC/DC模块和一防反电路，所述DC/DC模块连接于所述燃料电池供电模块的输出端与所述防反电路之间，所述防反电路的输出端与所述锂电池供电模块及所述无人机动力源连接。
在其中一些实施例中，其中所述燃料供给单元包括至少一燃料供给模块、至少一进气通道以及至少一排气通道，其中所述进气通道的输入端与所述燃料供给模块连接，所述进气通道的输出端与所述燃料电池供电模块连接，所述进气通道与所述系统控制模块连接，从而使所述系统控制模块能够控制所述进气通道将所述燃料供给模块向所述燃料电池供电模块提供燃料，所述排气通道的一端连接所述燃料电池供电模块连接，另一端与外部连接，从而通过所述排气通道将所述燃料电池供电模块产生的多余气体排出。
在其中一些实施例中，其中所述燃料电池供电模块包括一空气进口，空气能够通过所述空气进口进入所述燃料电池供电模块，从而与所述燃料供给模块提供的燃料发生反应而使所述燃料电池供电模块正常工作。
在其中一些实施例中，其中所述燃料供给单元进一步包括一压力传感器，所述压力传感器的控制端与所述系统控制模块连接，另一端与所述进气通道连接，所述系统控制模块通过所述压力传感器监测所述进气通道内的压力。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统包括一温度传感器，所述温度传感器的两端分别与所述燃料电池供电模块以及所述系统控制模块连接，以使所述系统控制模块能够通过所述温度传感器监测所述燃料电池供电模块的温度。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统进一步包括一控制系统调节电路，所述控制系统调节电路的两端分别连接所述燃料电池供电模块和所述无人机动力源，且所述控制系统调节电路与所述系统控制模块连接。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统包括至少一第一控制系统防反模块和一控制系统DC/DC模块，其中所述第一控制系统防反模块和所述控制系统DC/DC串联于所述系统控制模块和所述无人机动力源之间。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统包括至少一第二控制系统防反模块，所述第二控制系统防反模块的两端分别与所述系统控制模块及所述燃料电池供电模块连接，从而使所述燃料电池供电模块向所述系统控制模块提供动力并且避免所述燃料电池供电模块被损坏。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统进一步包括至少一燃料电池风扇，所述燃料电池风扇的两端分别与所述燃料电池供电模块及所述系统控制模块连接，所述燃料电池风扇的脉冲宽度调制接口与所述系统控制模块连接，所述系统控制模块通过所述脉冲宽度调制接口控制所述燃料电池风扇的转速。
在其中一些实施例中，其中所述系统控制模块包括至少一信号采集处理模块，所述信号采集处理模块电性设置于所述系统控制模块，其中所述信号采集处理模块用于采集和处理信号。
在其中一些实施例中，其中所述系统控制模块包括至少一电力转换模块，所述电力转换模块电性设置于所述系统控制模块，所述电力转换模块用于将所述系统控制模块输入的电力转换为所述燃料电池风扇所需的电力。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统进一步包括一无人机附属系统和一无人机附属DC/DC模块，所述无人机附属DC/DC模块的一端分别连接所述电路调节单元、所述锂电池供电模块及所述无人机动力源，所述无人机附属DC/DC模块的另一端连接所述无人机附属系统，从而为所述无人机附属系统提供动力。
在其中一些实施例中，其中所述无人机附属系统包括至少一无人机云台，所述无人机云台连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
在其中一些实施例中，其中所述无人机附属系统包括至少一第一无人机飞控，所述无人机飞控连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
在其中一些实施例中，其中所述飞行附属系统包括至少一无人机机载设备，所述无人机机载设备连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统进一步包括一第二无人机飞控，所述第二无人机飞控的输入端与所述系统控制模块连接，所述第二无人机飞控的输出端与所述无人机动力源以及所述无人机附属DC/DC模块连接。
在其中一些实施例中，其中所述燃料供给模块提供的燃料包括但不限于硼氢化钠和水、硅酸钠和水、氢化锂和水、氢化镁和水、硼氢化锂和水、氢化锂铝和水、氢化铝、氨硼烷络合物、烃、氢化锂铝、硼氢化镁、硼氢化镁-胺络合物、压缩氢气或液态氢。
在其中一些实施例中，其中所述无人机动力系统无人机动力源为电机或电调。
在其中一些实施例中，其中所述无人机包括但不限于固定翼无人机、倾转翼无人机或多旋翼无人机。
在其中一些实施例中，其中所述防反电路包括至少一MOS管及一二极管控制器，所述MOS管内部包括至少一二极管，所述MOS管的S极设置于所述防反电路的输入端，所述MOS管的D极设置于所述防反电路的输出端，所述二极管控制器的输入端与所述MOS管的S极连接，所述二极管控制器的输出端与所述MOS管的D极连接，所述二极管控制器的驱动端与所述MOS管的G极连接。
在其中一些实施例中，其中所述MOS管为包括多个MOS管并联的MOS管组。
在其中一些实施例中，其中所述第一控制系统防反电路和所述第二控制系统防反电路与所述防反电路的结构相同。
在其中一些实施例中，其中所述DC/DC模块为BUCK型电路、同步BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。
在其中一些实施例中，其中所述控制系统DC/DC模块和所述无人机附属DC/DC模块与所述DC/DC模块结构相同。
在其中一些实施例中，其中所述锂电池供电模块能够提供的动力范围为200-500W。
本发明进一步提高一种无人机动力系统的控制方法，用于控制所述的无人机动力系统，所述无人机动力系统的控制方法包括以下步骤：
1001：设定所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块的极限工作参数；
1002：检测所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块的工作参数；
1003：所述系统控制模块控制所述DC/DC模块的开启数量。
在其中一些实施例中，其中所述步骤1001进一步包括以下步骤：
10011：设定所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min；
10012：设定所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min；
10013：设定所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max；
10014：设定所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max。
在其中一些实施例中，其中所述步骤1002进一步包括以下步骤：
10021：检测所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC；
10022：检测燃料电池供电模块发电单元电流IFC；
10023：检测所述锂电池供电模块的电压VLi；
10024：检测所述锂电池供电模块的充电电流ILi。
在其中一些实施例中，其中所述步骤1003进一步包括以下步骤：
10031：所述系统控制模块将所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭；
10032：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi与所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max及所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min分别进行比较，并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭；
10033：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的充电电流ILi与所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭。
在其中一些实施例中，其中所述步骤10031进一步包括以下步骤：
100311：所述系统控制模块将所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min进行比较；
100312：若所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC<所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述调节单元(1009121)；若所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC>所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块输出控制信号开启一组或多组所述调节单元(1009122)。
在其中一些实施例中，其中所述步骤10032进一步包括以下步骤：
100321：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi与所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max进行比较；
100322：若系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi>所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元(1003221)；若系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi<所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min，则所述系统控制模块通过输出信号开启一组或多组所述电路调节单元(1003222)。
在其中一些实施例中，其中所述步骤10033进一步包括以下步骤：
100331：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的充电电流ILi与所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max进行比较；
100332：若所述锂电池供电模块的充电电流ILi与>所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元。
附图说明
图1为本发明所述的无人机动力系统的一具体实施例的结构示意图。
图2为图1中所述的无人机动力系统的一优选实施方式的结构示意图。
图3为图2中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图4为图3中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图5为图4中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图6为图5中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图7为图6中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图8为图7中所述的无人机动力系统的进一步优选实施方式的结构示意图。
图9为本发明所述的无人机动力系统控制方法的一实施例的步骤示意图。
图10为图9中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图11为图10中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图12为图11中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图13为图12中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图14为图13中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图15为图14中的无人机动力系统的控制方法的优选实施方式的步骤示意图。
图16为本发明所述的无人机动力系统中的防反模块的结构示意图。
图17为本发明所述的无人机动力系统中的DC/DC模块的结构示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，本发明主要提供一种无人机动力系统，所述无人机动力系统包括一动力系统10为其提供动力，所述动力系统10包括至少一燃料电池供电模块101和至少一锂电池供电模块102，所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102分别装设于所述无人机动力系统以为所述无人机动力系统提供动力。
如图1至图8所示，为本发明所述的无人机动力系统的工作原理结构框图。其中所述无人机动力系统包括至少一燃料供给单元20、至少一燃料电池供电模块101、至少一锂电池供电模块102、至少一系统控制模块30、至少一电路调节单元40以及至少一无人机动力源50，其中所述燃料供给单元20的输出端与所述燃料电池供电模块101连接，从而为所述燃料电池供电模块101提供燃料，所述燃料电池供电模块101的输出端与所述电路调节单元40连接，所述电路调节单元40的输出端分别与所述锂电池供电模块102及所述无人机动力源50连接，因此，所述通过所述燃料电池供电模块101和/或所述锂电池供电模块102为所述无人机动力源50进行供电，并且通过所述电路调节单元40防止所述锂电池供电模块102为所述燃料电池供电模块101进行供电，所述系统控制模块30的两端分别与所述燃料电池供电模块101的电压电流采样点及所述锂电池供电模块102的电压电流采样点连接，从而通过所述燃料电池供电模块或所述锂电池供电模块为所述系统控制模块供电，并且所述系统控制模块30能够采集所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的电压和电流。
优选地，所述任一电路调节单元40包括一DC/DC模块401和一防反模块402，所述DC/DC模块401连接于所述燃料电池供电模块101的输出端与所述防反模块402之间，所述防反模块402的输出端与所述锂电池供电模块102及所述无人机动力源50连接。因此，所述锂电池供电模块102不仅能够根据需要为所述无人机动力源50供电，而且可以将无人机的螺旋桨产生的能量回馈及时回收，同时由于所述防反模块402的存在，无人机的螺旋桨产生的能量不会进入所述燃料电池供电模块101，从而避免所述燃料电池供电模块101的损坏。
需要注意的是，所述电路调节单元40的数量由所述燃料电池供电模块101以及所述无人机动力源50的功率决定，当所述燃料电池供电模块101的输出功率越大，所述电路调节单元40的数量越多，相应地，若所述无人机动力源50的功率越小，所述锂电池供电模块102的充电电流就越大，则所述电路调节单元40的数量就越少。
所述燃料供给单元20进一步包括至少一燃料供给模块201、至少一进气通道202以及至少一排气通道203，其中所述燃料供给模块201与所述进气通道202连接，所述进气通道202的输出端与所述燃料电池供电模块102以及所述系统控制模块30连接，因此所述系统控制模块30能够控制所述燃料供给模块201通过所述进气通道202向所述燃料电池供电模块101提供燃料。
所述燃料供给单元20进一步包括一压力传感器204，所述压力传感204的控制端与所述系统控制模块30连接，所述压力传感器204的另一端与所述进气通道202连接，因此，所述系统控制模块30能够通过所述压力传感器204采集所述进气通道202的压力。所述排气通道203的控制端与所述系统控制模块30连接，所述排气通道203的一端与所述燃料电池供电模块101连接，另一端对外连接，所述系统控制模块30通过所述排气通道203控制所述燃料电池供电模块101对外排气。
所述燃料电池供电模块101包括至少一空气进口1011，空气能够通过所述空气进口1011进入所述燃料电池供电模块101，从而与所述燃料供给模块201输送的燃料一起发生化学反应，从而使所述燃料电池供电模块101能够正常工作。
所述无人机动力系统包括至少一温度传感器60和至少一控制系统调节电路70，其中所述温度传感器60与所述燃料电池供电模块101连接，用于检测所述燃料电池供电模块101的温度，所述控制系统调节电路70的两端分别连接所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102，且所述控制系统调节电路70与所述系统控制模块30连接，从而一方面所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102能够对所述系统控制模块30供电，另一方面，通过所述控制系统调节电路70阻止了所述系统控制模块30向所述燃料电池供电模块101充电，从而避免所述燃料电池供电模块101的损坏。
如图6所示，具体而言，所述控制系统调节电路70包括至少一第一控制系统防反模块701和一控制系统DC/DC模块702，其中，所述第一控制系统防反模块701的一端与所述系统控制模块30连接，所述第一控制系统防反模块701的另一端与所述控制系统DC/DC模块702连接，所述控制系统DC/DC模块702与所述电路调节单元40及所述锂电池供电模块102连接，从而通过所述锂电池供电模块102及所述电路调节单元40为所述控制系统DC/DC模块702供电。
所述控制系统调节电路70进一步包括一第二控制系统防反模块703，所述第二控制系统防反模块703的一端与所述系统控制模块30及所述第一控制系统防反模块701连接，所述第二控制系统防反模块703的另一端与所述燃料电池供电模块101连接，从而使所述燃料电池供电模块101能够为所述系统控制模块30供电而阻止了所述系统控制模块30向所述燃料电池供电模块101放电，从而保护所述燃料电池供电模块101不会被损坏。
更进一步地，所述无人机动力系统进一步包括至少一燃料电池风扇80，所述燃料电池风扇80的一端与所述燃料电池供电模块101连接，所述燃料电池风扇80的另一端与所述系统控制模块30连接，从而由所述系统控制模块30为所述燃料电池风扇80供电。所述燃料电池风扇80的脉冲宽度调制(PWM，下同)与FB1与所述系统控制模块30连接，当所述系统控制模块30通过所述温度传感器60采集到所述燃料电池供电模块101的温度后能够通过调整PWM信号来控制所述燃料电池风扇80的转速，从而调整所述燃料电池供电模块101的温度。
更进一步地，所述系统控制模块30包括至少一信号采集处理模块301和至少一电力转换模块302，所述信号采集处理模块301和所述电力转换模块302分别电性设置于所述系统控制模块30，其中所述信号采集处理模块301用于采集和处理信号，所述电力转换模块302用于将所述系统控制模块30输入的电力转换为所述燃料电池风扇80所需的电力。
在本发明所述的燃料供给模块中，所述燃料包括但不限于：硼氢化钠和水、硅酸钠和水、氢化锂和水、氢化镁和水、硼氢化锂和水、氢化锂铝和水、氢化铝、氨硼烷络合物、烃、氢化锂铝、硼氢化镁、硼氢化镁-胺络合物、压缩氢气或液态氢。
更进一步地，本发明所述的无人机动力系统进一步包括一无人机附属系统90和一无人机附属DC/DC模块91，所述无人机附属DC/DC模块91的一端分别连接所述电路调节单元30、所述锂电池供电模块102以及所述无人机动力源50，所述无人机附属DC/DC模块91的另一端连接所述无人机附属系统90，从而为所述无人机附属系统90提供电力支持。
所述无人机附属系统90包括至少一无人机云台92，所述无人机云台92连接于所述无人机附属DC/DC模块91的输出端，从而通过所述无人机附属DC/DC模块91为其供电。
所述无人机附属系统90进一步包括至少一第一无人机飞控93，所述第一无人机飞控93连接于所述无人机附属DC/DC模块91的输出端，从而通过所述无人机附属DC/DC模块91为其供电。
所述无人机附属系统90进一步包括至少一无人机机载设备94，所述无人机机载设备94连接于所述无人机附属DC/DC模块91的输出端，从而通过所述无人机附属DC/DC模块91为其供电。
所述无人机动力系统进一步包括一第二无人机飞控95，所述第二无人机飞控95的输入端与所述系统控制模块30连接，所述第二无人机飞控95的输出端与所述无人机动力源50及所述无人机附属DC/DC模块91连接，因此，所述系统控制模块30能够通过所述第二无人机飞控95来控制所述无人机动力源50及所述无人机附属DC/DC模块91。当所述燃料电池供电模块101或所述锂电池供电模块102的电力不足或性能不佳时，所述系统控制模块30给所述第二无人机飞控95发送一个控制信号，所述第二无人机飞控95根据所述控制信号将所述无人机动力源50和所述无人机附属DC/DC模块91的输出功率降低来限制所述无人机的性能，所述无人机通过关闭其非主要性能来保证它的正常飞行及其他功能运作。
接下来，对本发明所述的无人机动力系统的工作原理进行进一步的说明。
所述系统控制模块30控制控制所述燃料供给模块101通过所述进气通道202为所述燃料电池供电模块101提供燃料从而使所述燃料电池供电模块101能够正常供电，所述电路调节单元40中的DC/DC模块41将所述燃料电池供电模块101提供的固定的直流电压转换为可变的直流电压为所述无人机动力源50进行供电，所述锂电池供电模块102也能够为所述无人机动力源50进行供电。
所述锂电池供电模块102能够回收所述无人机的螺旋桨的高速旋转产生的能量，并且由于所述电路调节单元40中的所述防反模块42的设置，所述无人机的螺旋桨高速旋转产生的能量不会流入所述燃料电池供电模块101，从而避免了所述燃料电池供电模块101被损坏。
在所述无人机动力系统的工作过程中，所述系统控制模块30通过随时监测所述燃料电池供电模块101的电压电流以及所述锂电池供电模块102的电压电流来确定所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的工作性能，并通过发送信号至所述第二无人机飞控95，以使所述第二无人机飞控95及时控制所述无人机动力源50以及所述无人机附属系统90的正常运行。
同时，由于所述防反模块42、所述第一控制系统防反模块71及所述第二控制系统防反模块73的设置，所述燃料电池供电模块101能够为所述系统控制模块30供电，却不会因为电力的反向输送而损坏所述燃料电池供电模块101。
所述系统控制模块30通过所述温度传感器60采集所述燃料电池供电模块101的工作温度，如果所述燃料电池供电模块101的工作温度过高或过低，则所述系统控制模块30通过调整所述PWM信号来调整所述燃料电池风扇80的转速来调整所述燃料电池供电模块101的工作温度。
所述系统控制模块30通过所述压力传感器204检测所述燃料电池供电模块101的工作压力，若所述燃料电池供电模块101的工作压力过高，则所述系统控制模块30通过控制所述排气通道203对所述燃料电池供电模块101进行排气，从而降低所述燃料电池供电模块101的工作压力。
在本发明所述的无人机动力系统中，所述无人机动力源50包括固定翼无人机、倾转翼无人机或多旋翼无人机的电机/电调。
本领域技术人员也可以在本发明上述揭露的基础上将所述无人机动力系统应用于其他类型的无人机，只要采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
相应地，如图9所示，本发明进一步提供一无人机动力系统的控制方法，用于控制本发明所述的无人机动力系统，所述无人机动力系统的控制方法包括以下步骤：
1001：设定所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的极限工作参数；
1002：检测所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的工作参数；
1003：所述系统控制模块30控制所述DC/DC模块41的开启数量。
需要注意的是，所述步骤1001与所述步骤1002并无先后顺序之分。在所述步骤1003中，所述DC/DC模块41的开启数量由所述步骤1001中的设定值与所述步骤1002中的监测值进行比较后得到。换句话说，在所述步骤1003中，所述系统控制模块30是通过将所述步骤1001中的所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的极限工作参数与所述1002中所述燃料电池供电模块101和所述锂电池供电模块102的工作参数分别进行比对后决定所述DC/DC模块41的开启数量。
如图10所示，作为本发明的一种优选，所述步骤1001进一步包括以下步骤：
10011：设定所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min；
10012：设定所述锂电池供电模块102的最低电压VLi-min；
10013：设定所述锂电池供电模块102的最高电压VLi-max；
10014：设定所述锂电池供电模块102的充电最高电流ILi-max。
相应地，如图11所示，所述步骤1002进一步包括以下步骤：
10021：检测所述燃料电池供电模块101的发电单元电压VFC；
10022：检测燃料电池供电模块101发电单元电流IFC；
10023：检测所述锂电池供电模块102的电压VLi；
10024：检测所述锂电池供电模块102的充电电流ILi。
需要强调的是，所述步骤10011至所述步骤10014并无先后顺序之分，所述步骤10021至所述步骤10024也没有先后顺序之分。
在所述步骤10011至所述步骤10014中，所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min由所述燃料电池供电模块101的具体组成决定，所述锂电池供电模块102的最低电压VLi-min、所述锂电池供电模块102的最高电压VLi-max及锂电池供电模块102的充电最高电流ILi-max也是由所述锂电池供电模块102的具体组成决定。换句话说，不同的燃料电池供电模块101的发电单元的最低电压VFC-min是不同的，不同的锂电池供电模块102的最低电压VLi-min、最高电压VLi-max及充电最高电流ILi-max也是不一样的。
详细而言，如图12所示，所述步骤1003进一步包括以下步骤：
10031：所述系统控制模块30将所述燃料电池供电模块101的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元40的开启或关闭；
10032：所述系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的电压VLi与所述锂电池供电模块102的最高电压VLi-max及所述锂电池供电模块102的最低电压VLi-min分别进行比较，并根据比较结果控制所述电路调节单元40的开启或关闭；
10033：所述系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的充电电流ILi与所述锂电池供电模块102的充电最高电流ILi-max进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元40的开启或关闭。
需要强调的是，所述步骤10031至所述步骤10033并无先后顺序之分。
作为本发明的一种优选，如图13所示，其中所述步骤10031进一步包括以下步骤：
100311：所述系统控制模块30将所述燃料电池供电模块101的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min进行比较；
100312：若所述燃料电池供电模块101的发电单元电压VFC<所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块30通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元40(1009121)；若所述燃料电池供电模块101的发电单元电压VFC>所述燃料电池供电模块101发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块30输出控制信号开启一组或多组所述电路调节单元40(1009122)；
如图14所示，所述步骤10032进一步包括以下步骤：
100321：所述系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的电压VLi与所述锂电池供电模块102的最高电压VLi-max进行比较；
100322：若系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的电压VLi>所述锂电池供电模块102的最高电压VLi-max，则所述系统控制模块30通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元40(1003221)；若系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的电压VLi<所述锂电池供电模块102的最低电压VLi-min，则所述系统控制模块30通过输出信号开启一组或多组所述电路调节单元40(1003222)。
相应地，如图15所示，所述步骤10033进一步包括以下步骤：
100331：所述系统控制模块30将所述锂电池供电模块102的充电电流ILi与所述锂电池供电模块102的充电最高电流ILi-max进行比较；
100332：若所述锂电池供电模块102的充电电流ILi与>所述锂电池供电模块102的充电最高电流ILi-max，则所述系统控制模块30通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元40；
在所述无人机动力系统的控制方法中，可以通过所述系统控制模块30对所述无人机动力系统的输出电流和电压进行动态调整，也可以通过检测所述无人机动力系统输出电流(电压)的变化，从而防止过载时所述燃料电池供电模块101被损坏。
此外，通过本发明所述的无人机动力系统的控制方法，还可以对所述无人机动力系统的能量通过计算进行管理，从而对所述无人机动力系统的航程做出进一步的控制。
如图16所示，为本发明所述的防反电路，所述防反电路42包括了一个或者多个MOS管4211并联的MOS管组421以及一个智能二极管控制器422。如图9所示的电路，MOS管组421由一个MOS管4211或者由多个MOS管4211并联组成，每个MOS管4211内部集成了二极管4211，防反电路42的输入端与MOS管组421的S极连接，防反电路41的输出端与MOS管组421的D极连接；智能二级管控制器422的输入与MOS管组421的S端连接，智能二级管控制器422的输出端与MOS管组421的D端连接,智能二极管控制器422的驱动端与MOS管组421的G极连接，智能二极管控制器422为一款集成芯片，当输入电压高于输出电压一定值时，该芯片能够通过采样无人机电机电流来控制MOS管组421驱动电压的大小，使MOS管组421两端电压小于等于芯片设定开通阀值，保证MOS管组421的导通压降足够小，以减小损耗。当输出端电压高于输入端电压时，该芯片可以在极短的时间内关闭MOS管组421，防止输出端电能流入入端。
如图17所示，在本发明中，所述DC/DC模块41为BUCK型电路的结构框图。所述BUCK电路为降压斩波器，也称降压式变换器，其输出电压小于输入电压。如图17所示，开关管为所述MOS管组421，其驱动电压为充电芯片中的PWM(Pusle width modulation)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f＝1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期为Ts＝Ton+Toff，占空比Dy＝Ton/Ts(即半导体场效应晶体管的导通时间)，其输出电压Vo＝Vi*Dy，因此其输出电压Vo小于输入电压Vi。除此以外，所述DC/DC模块41也可以为同步BUCK型或者BUCK-BOOST型等，只要在本发明的基础上采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
本发明通过将燃料电池供电模块101与锂电池供电模块102混合使用，从而可以持续地为无人机动力系统的垂直起降等需要很大能量的瞬间提供200～5000W左右的动力。
此外，本发明可以通过所述系统控制模块30调节本发明所述的动力系统10的输出电流和电压，从而使本发明所述的动力系统10的适用面以及所述动力系统的通用性得到提高，使之能够适应各种无人机电机类型和应用场合。
本发明所述的无人机动力系统由于集合了燃料电池供电模块101和锂电池供电模块102的优势，因此能够大幅提高无人机等无人机动力系统的续航能力以及航程，因此本发明所述的无人机动力系统能够应用于续航能力要求很高的应用场合。
本发明所述的无人机动力系统相对于现有技术中的动力系统而言，由于其在续航能力和航程方面都得到了很大的提高，因此本发明所述的无人机动力系统能够作为固定翼、倾转翼、多旋翼等多种类型的无人机动力系统中的动力系统。
本领域技术人员也可以在本发明上述揭露的基础上将所述无人机动力系统的控制方法应用于其他类型的无人机，只要采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (30)

1.一种 无人机动力系统，其特征在于，所述无人机动力系统包括至少一燃料供给单元、至少一燃料电池供电模块、至少一锂电池供电模块、至少一系统控制模块、至少一电路调节单元以及至少一无人机动力源，其中所述燃料供给单元的输出端与所述燃料电池供电模块连接，所述燃料电池供电模块的输出端与所述电路调节单元连接，所述电路调节单元的输出端分别与所述锂电池供电模块及所述无人机动力源连接，所述系统控制模块的两端分别与所述燃料电池供电模块的电压电流采样点及所述锂电池供电模块的电压电流采样点连接，其中所述电路调节单元包括一DC/DC模块和一防反电路，所述DC/DC模块连接于所述燃料电池供电模块的输出端与所述防反电路之间，所述防反电路的输出端与所述锂电池供电模块及所述无人机动力源连接，其中所述防反电路包括多个MOS管并联的MOS管组以及一个智能二极管控制器，其中每个MOS管内部集成了二极管，其中所述防反电路的输入端与MOS管组的S极连接，所述防反电路的输出端与MOS管组的D极连接；所述智能二级管控制器的输入与MOS管组的S端连接，所述智能二级管控制器的输出端与MOS管组的D端连接，所述智能二极管控制器的驱动端与MOS管组的G极连接，其中所述智能二极管控制器被控制能够在输入电压高于输出电压一定值时，通过采样无人机电机电流来控制MOS管组的驱动电压的大小，使MOS管组两端电压小于等于芯片设定开通阀值；和在输出端电压高于输入端电压时，在极短的时间内关闭MOS管组，防止输出端电能流入。
2.根据权利要求1所述的无人机动力系统，其中所述燃料供给单元包括至少一燃料供给模块、至少一进气通道以及至少一排气通道，其中所述进气通道的输入端与所述燃料供给模块连接，所述进气通道的输出端与所述燃料电池供电模块连接，所述进气通道与所述系统控制模块连接，从而使所述系统控制模块能够控制所述进气通道将所述燃料供给模块向所述燃料电池供电模块提供燃料，所述排气通道的一端连接所述燃料电池供电模块连接，另一端与外部连接，从而通过所述排气通道将所述燃料电池供电模块产生的多余气体排出。
3.根据权利要求2所述的无人机动力系统，其中所述燃料电池供电模块包括一空气进口，空气能够通过所述空气进口进入所述燃料电池供电模块，从而与所述燃料供给模块提供的燃料发生反应而使所述燃料电池供电模块正常工作。
4.根据权利要求3所述的无人机动力系统，其中所述燃料供给单元进一步包括一压力传感器，所述压力传感器的控制端与所述系统控制模块连接，另一端与所述进气通道连接，所述系统控制模块通过所述压力传感器监测所述进气通道内的压力。
5.根据权利要求3所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力系统包括一温度传感器，所述温度传感器的两端分别与所述燃料电池供电模块以及所述系统控制模块连接，以使所述系统控制模块能够通过所述温度传感器监测所述燃料电池供电模块的温度。
6.根据权利要求5所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力系统进一步包括一控制系统调节电路，所述控制系统调节电路的两端分别连接所述燃料电池供电模块和所述无人机动力源，且所述控制系统调节电路与所述系统控制模块连接。
7.根据权利要求6所述的无人机动力系统，其中所述控制系统调节电路包括至少一第一控制系统防反模块和一控制系统DC/DC模块，其中所述第一控制系统防反模块和所述控制系统DC/DC串联于所述系统控制模块和所述无人机动力源之间。
8.根据权利要求7所述的无人机动力系统，其中所述控制系统调节电路包括至少一第二控制系统防反模块，所述第二控制系统防反模块的两端分别与所述系统控制模块及所述燃料电池供电模块连接，从而使所述燃料电池供电模块向所述系统控制模块提供动力并且避免所述燃料电池供电模块被损坏。
9.根据权利要求8所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力系统进一步包括至少一燃料电池风扇，所述燃料电池风扇的两端分别与所述燃料电池供电模块及所述系统控制模块连接，所述燃料电池风扇的脉冲宽度调制接口与所述系统控制模块连接，所述系统控制模块通过所述脉冲宽度调制接口控制所述燃料电池风扇的转速。
10.根据权利要求9所述的无人机动力系统，其中所述系统控制模块包括至少一信号采集处理模块，所述信号采集处理模块电性设置于所述系统控制模块，其中所述信号采集处理模块用于采集和处理信号。
11.根据权利要求10所述的无人机动力系统，其中所述系统控制模块包括至少一电力转换模块，所述电力转换模块电性设置于所述系统控制模块，所述电力转换模块用于将所述系统控制模块输入的电力转换为所述燃料电池风扇所需的电力。
12.根据权利要求11所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力系统进一步包括一无人机附属系统和一无人机附属DC/DC模块，所述无人机附属DC/DC模块的一端分别连接所述电路调节单元、所述锂电池供电模块及所述无人机动力源，所述无人机附属DC/DC模块的另一端连接所述无人机附属系统，从而为所述无人机附属系统提供动力。
13.根据权利要求12所述的无人机动力系统，其中所述无人机附属系统包括至少一无人机云台，所述无人机云台连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
14.根据权利要求13所述的无人机动力系统，其中所述无人机附属系统包括至少一第一无人机飞控，所述无人机飞控连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
15.根据权利要求13或14所述的无人机动力系统，其中所述无人机附属系统包括至少一无人机机载设备，所述无人机机载设备连接于所述无人机附属DC/DC模块的输出端。
16.根据权利要求15所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力系统进一步包括一第二无人机飞控，所述第二无人机飞控的输入端与所述系统控制模块连接，所述第二无人机飞控的输出端与所述无人机动力源以及所述无人机附属DC/DC模块连接。
17.根据权利要求16所述的无人机动力系统，其中所述燃料供给模块提供的燃料包括但不限于硼氢化钠和水、硅酸钠和水、氢化锂和水、氢化镁和水、硼氢化锂和水、氢化锂铝和水、氢化铝、氨硼烷络合物、烃、氢化锂铝、硼氢化镁、硼氢化镁-胺络合物、压缩氢气或液态氢。
18.根据权利要求17所述的无人机动力系统，其中所述无人机动力源为电机或电调。
19.根据权利要求18所述的无人机动力系统，其中所述无人机包括但不限于固定翼无人机、倾转翼无人机或多旋翼无人机。
20.根据权利要求1所述的无人机动力系统，其中第一控制系统防反电路和第二控制系统防反电路与所述防反电路的结构相同。
21.根据权利要求20所述的无人机动力系统，其中所述DC/DC模块为BUCK型电路、同步BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。
22.根据权利要求12所述的无人机动力系统，其中所述控制系统DC/DC模块和所述无人机附属DC/DC模块与所述DC/DC模块结构相同。
23.根据权利要求22所述的无人机动力系统，其中所述锂电池供电模块能够提供的动力范围为200-500W。
24.一种无人机动力系统的控制方法，用于控制权利要求1-23中任一所述的无人机动力系统，其特征在于，所述无人机动力系统的控制方法包括以下步骤：
1001：设定所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块的极限工作参数；
1002：检测所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块的工作参数；
1003：所述系统控制模块控制所述DC/DC模块的开启数量。
25.根据权利要求24所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤1001进一步包括以下步骤：
10011：设定所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min；
10012：设定所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min；
10013：设定所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max；
10014：设定所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max。
26.根据权利要求25所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤1002进一步包括以下步骤：
10021：检测所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC；
10022：检测燃料电池供电模块发电单元电流IFC；
10023：检测所述锂电池供电模块的电压VLi；
10024：检测所述锂电池供电模块的充电电流ILi。
27.根据权利要求26所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤1003进一步包括以下步骤：
10031：所述系统控制模块将所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭；
10032：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi与所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max及所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min分别进行比较，并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭；
10033：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的充电电流ILi与所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max进行比较并根据比较结果控制所述电路调节单元的开启或关闭。
28.根据权利要求27所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤10031进一步包括以下步骤：
100311：所述系统控制模块将所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC与所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min进行比较；
100312：若所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC<所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述调节单元(1009121)；若所述燃料电池供电模块的发电单元电压VFC>所述燃料电池供电模块发电单元的最低电压VFC-min，则所述系统控制模块输出控制信号开启一组或多组所述调节单元(1009122)。
29.根据权利要求28所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤10032进一步包括以下步骤：
100321：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi与所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max进行比较；
100322：若系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi>所述锂电池供电模块的最高电压VLi-max，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元(1003221)；若系统控制模块将所述锂电池供电模块的电压VLi<所述锂电池供电模块的最低电压VLi-min，则所述系统控制模块通过输出信号开启一组或多组所述电路调节单元(1003222)。
30.根据权利要求29所述的无人机动力系统的控制方法，其中所述步骤10033进一步包括以下步骤：
100331：所述系统控制模块将所述锂电池供电模块的充电电流ILi与所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max进行比较；
100332：若所述锂电池供电模块的充电电流ILi与>所述锂电池供电模块的充电最高电流ILi-max，则所述系统控制模块通过输出控制信号关闭一组或多组所述电路调节单元。
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