CN110182389B - 临近空间无人机组合动力系统全自动能量控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，包括太阳能发电装置、内燃机（或燃料电池）发电装置、机载蓄电池组和电能分配装置、安装在机载计算机上的临近空间无人机全自动能量控制子系统；其特点是：所述机载蓄电池组重量等于或略大于太阳能高峰期储存剩余电能所需要的电池重量：当太阳能高峰期发电满足用电时，该发电装置把多余的发电用来给机载蓄电池组充电；还包括以下步骤：飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量；飞行中实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量：飞行中实时储存等于该用电设备即时电能消耗量的电能。本发明飞机重量只有500到600公斤重，重量只是美国的十分之一，极大地降低了飞机造价成本和维护成本。

Description

临近空间无人机组合动力系统全自动能量控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种临近空间无人机动力系统技术领域，尤其涉及一种临近空间无人机组合动力系统全自动能量控制系统和方法。

背景技术

离地球表面高度20公里到100公里的大气范围称为临近空间。临近空间飞行器是指在或能在近空间作长期、持续飞行的飞行器。与卫星相比，临近空间飞行器的优点是：效费比高、机动性好、易于更新和维护。此种飞行器距目标的距离一般只是低轨卫星的1/10～1/20，可收到卫星不能监听到的低功率传输信号，容易实现高分辨率对地观测。这样，临界空间无论于军事、于民用将具备巨大的利用价值。

临近空间有一个突出特点：高幅射和阳光充足，由于高而且空气稀薄，因此阳光直射的时间比地面长。由于这个特点并且太阳能是一个取之不竭的能源，因此世界上许多科学家和工程师致力于太阳能能源的纯电动太阳能无人机。然而，从太阳能得到的最大可能能量由于现在太阳能转换技术的限制远远不足以提供无人机24小时的飞行，因此实际可以利用的太阳能能量是很低的。图1显示了24小时太阳能可用能量。太阳能实际上可用不到八小时，灰色是保持平飞最起码需要能量，因此实现无人机净利用太阳能在天空飞时不可能的。有人说增加面积，但增加面积增加重量，恶性循环。结论是：如果仅仅靠太阳能电池，在那个空中保证24小时水平飞是不可能的。实际证明也是这样，全世界搞了20多年都做不到。

美国人所以走了另外一条路，采用了氢燃料内燃机的临近空间无人机ARORA，5吨重，很成功。但是飞机造价昂贵、维护复杂。

发明内容

本发明针对现有利用太阳能或利用燃料能在临近空间无人机技术上的不足，提出一种临近空间无人机组合动力系统全自动能量控制系统和方法，目的在于解决现有技术无人机成本大和效率低的问题。

本发明为解决其技术问题，采用以下技术方案。

一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，包括太阳能发电装置、内燃机(或燃料电池)发电装置、机载蓄电池组和电能分配装置、安装在机载计算机上的临近空间无人机全自动能量控制子系统；所述太阳能发电装置和内燃机(或燃料电池)发电装置分别向所述机载电池组充电、所述机载计算机全自动能量控制子系统分别接收太阳能发电装置和机载电池组信息，并且分别控制所述内燃机(或燃料电池)发电装置、所述机载电池组、所述电能分配装置；所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统的输入端为环境信息采集系统、输出端为临近空间无人机组合用电系统；所述的机载蓄电池组为锂电池组；

其特点是：

所述机载蓄电池组重量等于或略大于太阳能高峰期储存剩余电能所需要的电池重量：当太阳能高峰期发电满足包括驱动电动机和机载设备用电时，太阳能发电装置把多余的发电用来给机载蓄电池组充电。

所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统包括中央数据处理模块、飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压数值监测模块；所述的中央数据处理模块与飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压监测模块单向连接，所述的中央数据处理模块与太阳能即时剩余电量监测模块双向连接。

所述机载电池组与电能分配装置包括：用于太阳能即时发电的太阳能平衡充电器、用于机载共享蓄电池组的机载蓄电池平衡充电器、用于将太阳能即时发电直流电、以及将机载共享蓄电池组直流电转变为三相电的机载蓄电池直流电变三相电模块、以及单相电设备供电模块；还包括分别从太阳能即时发电模块、机载共享蓄电池组取电的电能分配模块。

所述机载共享蓄电池组储电量的电池重量是太阳能高峰期所发电能超过无人机当时需用电量后的剩余电能的最大可能储电量的所必须电池重量的1.1-1.05倍。

所述机载共享蓄电池组为太阳能即时发电电池高峰期剩余电能充电和内燃机(或燃料电池)发电装置的共用蓄电池组。

所述飞行中实时用电量信息采集模块包括采集飞行中动力消耗实时信息、采集飞行中机载设备消耗实时信息、采集飞行中通讯设备消耗实时信息。

所述中央数据处理模块包括飞行中实时用电量计算单元、太阳能即时发电剩余电能判断单元、机载蓄电池电量电压预警单元、启动内燃机(或燃料电池)发电装置充电单元、停止内燃机(或燃料电池)发电装置充电单元。

一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统的能量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量；

所述机载用电设备包括驱动电机和机载设备；

步骤二、飞行中实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量：

步骤三、飞行中实时储存等于该用电设备即时电能消耗量的电能。

所述步骤一的具体过程如下：

⑴飞行中实时采集机载用电设备的即时能量消耗信息；所述即时能量消耗信息包括飞行中即时动力消耗能量、飞行中即时机载设备消耗能量、飞行中即时通讯设备消耗能量；

⑵飞行中实时根据能量消耗信息计算所需要的即时发电量；

⑶判断太阳能发电是否满足驱动电机和机载设备用电，如果满足则转入过程⑷，如果太阳能发电不满足驱动电机和机载设备用电，则缺乏的电能从机载蓄电池组提供；

⑷判断太阳能发电是否还有多余的电能，如果有则多余的电给机载共享蓄电池组充电。

所述步骤三的具体过程如下：

⑴飞行中实时监测机载共享蓄电池组的电压和电量；

⑵如果该电压和电量低于额定值，则启动内燃(或燃料电池)发电装置向所述机载共享蓄电池组充电；

⑶判断机载共享蓄电池组充电能量是否等于即时机载用电设备的电能消耗量，如果等于则停止充电，如果不等于则继续充电。

本发明的优点效果

本发明临近空间无人机全自动能量控制子系统，通过采用：飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量、飞行中实时提供等于该用电设备电能消耗量的发电量，飞行中实时储存等于该用电设备即时能量消耗量的电能的能量管理手段，尽大可能的高效率利用太阳能薄膜发电动力和燃料发电机发电的组合动力系统提高了临近空间无人机的实际高空平飞的有效留空时间、航程和完成任务的能力。该组合动力系统发电所带来的第一个效果是：可以在2万米高度上24小时始终保持平飞状态，而不是说像现在西风美国西风那样波浪形飞行(西风-S最近在19000米高度左右飞了一个26天。然后它是波浪形飞行，它在高空2万米飞行只能维持三小时不到，大量时间太阳下山了就要下降，下降到比较低1万米左右，在太阳出来了再上升)。

该组合动力发电所带来的第二个效果是：机载蓄电池的重量相对非常小，机载蓄电池重量只是满足太阳能高峰期多余电能向机载蓄电池组充电的蓄能重量而已，因此飞机重量只有500到600公斤重，相比美国5吨重的飞机，重量只是美国的十分之一，极大地降低了飞机造价成本和维护成本

附图说明

图1为太阳能电池发电功率随时间变化曲线以及太阳能与临近空间无人机所需能源的关系图；

图2为本发明临近空间无人机全自动能量控制系统应用效果图一；

图3为本发明临近空间无人机全自动能量控制系统应用效果图二；

图4为本发明临近空间无人机全自动能量控制系统应用效果图三；

图5为本发明机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统；

图6为本发明全自动能量控制模块的中央数据处理模块功能图；

图7为本发明本发明全自动能量控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图进行具体说明：

本发明设计原理：

1、无人机能源管理的主要任务：临近空间无人机需要在空中长时间持续飞行，因此除了太阳能电池提供飞行能量外，维持没有太阳时的飞行所需要的很大部分能量主要由燃料发电机提供，因此合理使用燃料是无人机动力系统能源管理的一大任务，具体为要求能量在空中节省每一滴油，进行整体的管理，集聚的能量就能在空中多飞点时间，要把所有的飞机的每时每刻每分钟每秒钟所用到的能量的总值，正好是我们补充的能量。补充能量的方法是或者启动发动机，或者用太阳能电池。

2、本发明燃料控制原理：无人机在飞行中，动力消耗能源是不断随飞行速度、姿态、机动过载和气象条件而变化，不是一个定常值；无人机飞控和机载设备执行部件的能量消耗随飞行和地面指令而发生变化变化。因此可见，所有消耗能量是一个变量。理论上用太阳能和燃料发电机发电时应当做到发电值相当于消耗值，多发的电能都应当贮存起来。当储存电能的电池组达到满存贮时，应当停止燃料发动机工作或维持在一个非常低的许可状态。

3、本发明能量控制方法：控制方法一、在太阳能发电处于高峰状态时，如图1所示，太阳能在上午9点到下午3点时的能量从1300W到2000W超出无人机平飞所需要的能量1300W，因此，从1300W到2000W超出的部分为太阳能多余电能。太阳能发电处于高峰状态阶段的多余的电能需要储存到机载共享蓄电池中，要求机载共享蓄电池的储电重量不能小于太阳能多余电能的储电重量。由于这种储能所需要的电池是不可以省去的，因此重量是某种不可减轻的值。并且，太阳能发电处于高峰状态阶段应尽量限止使用燃料发电机重启动，只有电池组达到亏电临界值时才可以重启动燃料发电机；控制方法二、在夜间，太阳能发电处于停止发电时(如图1所示：18点到24点为太阳能停止发电时间段)，而且电池组处于临界亏电量时，应当即启动燃料发电机充电，一旦电池组满电时，燃料发电机即停止工作；控制方法三、起飞前的能量控制：本发明临近空间无人机最大起飞重量520公斤无人机，到达20000米高空有可能仍然保持520公斤重量。在此高度保持平飞所需功率大约12000瓦，起飞前给机载电池组充足全电量。在上升过程中仅利用太阳能电池供全机用电。所以全部贮存燃料都会保留在20000米以上高空使用。

4、全自动控制过程：能量控制是全自动过程，是智能过程：所有耗能信息由各种传感器收集，再由中央计算机集成处理形成执行指令控制能量管理。

5、最少机载蓄电池组储电重量原理：本发明的机载蓄电池组储电重量等于或略大于太阳能多余电能的储电重量，相对于现有技术采用机载最大容量的电池组，本发明的机载蓄电池组的储电重量相对是很小的。其原理在于：内燃(或燃料电池)发电装置所产生的能量(也就是机载共享蓄电池组每次充电的能量)是无人机即时所消耗的能量，最好是发电装置所产生的能量与无人机即时所消耗的能量完全相同。这当然是有差别的，不会十分准确，所以为了保险起见，提供安全系数1.1或1.05。这个系数是太阳能最大可能储电量的电池重量的1.1-1.05倍。这样二种动力系数的关系因此确立，而且共用机载蓄电池组，无需机载蓄电池组增加额外重量。而现有技术采用的机载蓄电池组的充电容量是全部容量而不是即时充电容量。

基于以上发明原理，本发明设计了一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统。

一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，如图2、图3、图4所示，包括太阳能发电装置、内燃机(或燃料电池)发电装置、机载蓄电池组和电能分配装置、安装在机载计算机上的临近空间无人机全自动能量控制子系统；所述太阳能发电装置和内燃机(或燃料电池)发电装置分别向所述机载电池组充电、所述机载计算机全自动能量控制子系统分别接收太阳能发电装置和机载电池组信息，并且分别控制所述内燃机(或燃料电池)发电装置、所述机载电池组、所述电能分配装置；所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统的输入端为环境信息采集系统、输出端为临近空间无人机组合用电系统；所述的机载蓄电池组为锂电池组；

补充说明：

1、燃料发动机发电有二种方式：燃料发动机、燃料可以使柴油、航空煤油、压缩氢气和液氢，相应配套是液氧或压缩氧气。氢燃料电池、燃料是压缩氢气或液氢，相应配置是压缩氧气或液氧。

2、二种电能的充电关系：太阳能和燃料发电是二种发电系统。这二个系统都必需向工作电压为400伏输出电流不小于200安培的直流蓄电池组充电。由蓄电池通过三相模块转变成三相电向包括二台电动机的用电设备供电，驱动二具五叶桨推进无人机的飞行。这里利用氢燃料+氧气经比例混合供一台内燃发动机发电，经整流后，经平衡充电器给电池组充电。太阳能电池模块是由太阳能薄膜公司按要求提供100伏工作电压的直流电，经平衡充电器给电池组充电。二种电源可共用一个充电器。有时候是二个系统单独给电池组充电，有时二个系统同时给电池组充电。对于太阳能而论，只要太阳能在发电，就应当给太阳能即时发电电池充电，而对于内燃(或燃料电池)发电装置而言，始终是太阳能电源供电不足的一种补偿电源。只有当其电池组的电压或者电量值低于标定值时，即起动内燃(或燃料电池)发电装置发电给电池组充电。

其特点是：

所述机载蓄电池组重量等于或略大于太阳能高峰期储存剩余电能所需要的电池重量：当太阳能高峰期发电满足包括驱动电动机和机载设备用电时，太阳能发电装置把多余的发电用来给机载蓄电池组充电。

如图5所示，所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统包括中央数据处理模块、飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压数值监测模块；所述的中央数据处理模块与飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压监测模块单向连接，所述的中央数据处理模块与太阳能即时剩余电量监测模块双向连接。

如图4所示，所述机载电池组与电能分配装置包括：用于太阳能即时发电的太阳能平衡充电器、用于机载共享蓄电池组的机载蓄电池平衡充电器、用于将太阳能即时发电直流电、以及将机载共享蓄电池组直流电转变为三相电的机载蓄电池直流电变三相电模块、以及单相电设备供电模块；还包括分别从太阳能即时发电模块、机载共享蓄电池组取电的电能分配模块。

所述机载共享蓄电池组储电量的电池重量是太阳能高峰期所发电能超过无人机当时需用电量后的剩余电能的最大可能储电量的所必须电池重量的1.1-1.05倍。

如图4所示，所述机载共享蓄电池组为太阳能即时发电电池高峰期剩余电能充电和内燃机(或燃料电池)发电装置的共用蓄电池组。

所述飞行中实时用电量信息采集模块包括采集飞行中动力消耗实时信息、采集飞行中机载设备消耗实时信息、采集飞行中通讯设备消耗实时信息。

如图6所示，所述中央数据处理模块包括飞行中实时用电量计算单元、太阳能即时发电剩余电能判断单元、机载蓄电池电量电压预警单元、启动内燃机(或燃料电池)发电装置充电单元、停止内燃机(或燃料电池)发电装置充电单元。

补充说明：如图5所示，中央数据处理模块将“飞行中实时用电量计算”信息发送给图4的电能分配模块；如图6所示，所述飞行中实时用电量计算为实施动态计算，如发明原理所述：动力消耗能源是不断随飞行速度、姿态、机动过载和气象条件而变化，不是一个定常值；无人机飞控和机载设备执行部件的能量消耗随飞行和地面指令而发生变化变化。因此可见，所有消耗能量是一个变量。

本发明基于以上所述临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统的能量控制方法流程图如图7所示，包括以下步骤：

步骤一、飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量；

所述机载用电设备包括驱动电机和机载设备；

补充说明：

1、关于驱动电机用电：所述飞行中动力消耗包括驱动电机用电消耗。所述驱动电机为2个螺旋浆推进电机，该电机的功率是保持平飞功率的1.2倍，用于机动飞行，此时使用功率为14400瓦。

2、关于机载设备用电：机载设备用电包括加热用电和冷却用电。现在氢燃料电池最佳工作温度是有要求的，所以在低空要冷却，在高空要加热。同样其他设备在高空也要加热。加热则需要用电。机载加热系统加热包括，氢燃料电池加热、煤油燃料加热、液氢和液氧气化和混气要加热、光电设备加热、飞控机械系统设备加热；冷却系统主要是低空时给氢燃料电池冷却，发电机冷却。冷却和加热同等重要，发动机工作的废热量将充分用作在高空的加热的能源，不足部分由机载电池组供应。

步骤二、飞行中实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量：

补充说明：

所述即时电能消耗量即为步骤一实时计算机载用电设备电能消耗量，飞行中实时提供的发电量恰好等于飞行中即时电能消耗量，这样提供的电能一点都不浪费。

步骤三、飞行中实时储存等于该用电设备即时电能消耗量的电能。

补充说明：

所述飞行中实时储存的电能既是内燃机(或燃料电池)发电装置向机载共享蓄电池组的充电电能，当充电电能等于即时电能消耗量时即停止充电。

所述步骤一的具体过程如下：

⑴飞行中实时采集机载用电设备的即时能量消耗信息；所述即时能量消耗信息包括飞行中即时动力消耗能量、飞行中即时机载设备消耗能量、飞行中即时通讯设备消耗能量；

⑵飞行中实时根据能量消耗信息计算所需要的即时发电量；

⑶判断太阳能发电是否满足驱动电机和机载设备用电，如果满足则转入过程⑷，如果太阳能发电不满足驱动电机和机载设备用电，则缺乏的电能从机载蓄电池组提供；

⑷判断太阳能发电是否还有多余的电能，如果有则多余的电给机载共享蓄电池组充电。

所述步骤三的具体过程如下：

⑴飞行中实时监测机载共享蓄电池组的电压和电量；

⑵如果该电压和电量低于额定值，则启动内燃(或燃料电池)发电装置向所述机载共享蓄电池组充电；

⑶判断机载共享蓄电池组充电能量是否等于即时机载用电设备的电能消耗量，如果等于则停止充电，如果不等于则继续充电。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (3)

1.一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，包括太阳能发电装置、内燃机发电装置、机载蓄电池组和电能分配装置、安装在机载计算机上的临近空间无人机全自动能量控制子系统；所述太阳能发电装置和内燃机发电装置分别向所述机载蓄电池组、所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统分别接收太阳能发电装置和机载蓄电池组信息，并且分别控制所述内燃机发电装置、所述机载蓄电池组、所述电能分配装置；所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统的输入端为环境信息采集系统、输出端为临近空间无人机组合用电系统；所述的机载蓄电池组为锂电池组；所述的机载蓄电池组包括太阳能即时发电电池和机载共享蓄电池组；

其特征在于：

当太阳能高峰期发电满足包括驱动电动机和机载设备用电时，太阳能发电装置把多余的发电用来给机载蓄电池组充电；

所述机载计算机临近空间无人机全自动能量控制子系统包括中央数据处理模块、飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压数值监测模块；所述的中央数据处理模块与飞行中实时用电量信息采集模块、氢发电即时信息模块、机载储能电池电量电压监测模块单向连接，所述的中央数据处理模块与太阳能即时剩余电量监测模块双向连接；

所述中央数据处理模块包括飞行中实时用电量计算单元、太阳能即时发电剩余电能判断单元、机载蓄电池电量电压预警单元、启动内燃机发电装置充电单元、停止内燃机发电装置充电单元；

所述机载共享蓄电池组的电池重量是太阳能高峰期所发电能超过无人机当时需用电量后的剩余电能的最大可能储电量的所必须电池重量的1.05-1.1倍；

所述飞行中实时用电量信息采集模块包括采集飞行中动力消耗实时信息、采集飞行中机载设备消耗实时信息、采集飞行中通讯设备消耗实时信息；

所述机载蓄电池组和电能分配装置包括：用于太阳能即时发电的太阳能平衡充电器、用于机载共享蓄电池组的机载蓄电池平衡充电器、用于将太阳能即时发电直流电、以及将机载共享蓄电池组直流电转变为三相电的机载蓄电池直流电变三相电模块、以及单相电设备供电模块；还包括分别从太阳能即时发电模块、机载共享蓄电池组取电的电能分配模块；

对于太阳能而论，只要太阳能在发电，就应当给太阳能即时发电电池充电，而对于内燃机发电装置而言，始终是太阳能电源供电不足的一种补偿电源，只有当机载蓄电池组的电压或者电量值低于标定值时，即起动内燃机发电装置发电给机载蓄电池组充电；所述内燃机发电装置发电给机载蓄电池组充电，当充电电能等于即时电能消耗量时即停止充电；

所述中央数据处理模块的飞行中实时用电量计算单元，实时计算机载用电设备电能消耗量；所述机载蓄电池组和电能分配装置的电能分配模块，实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量；所述飞行中实时用电量计算为实时动态计算，动力消耗能源是不断随飞行速度、姿态、机动过载和气象条件而变化，不是一个定常值；无人机飞控和机载设备执行部件的能量消耗随飞行和地面指令而发生变化，所有消耗能量是一个变量，所述实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量，既是飞行中实时提供的发电量恰好等于飞行中即时电能消耗量。

2.根据权利要求1所述一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统，其特征在于：所述机载共享蓄电池组为太阳能即时发电电池高峰期剩余电能充电和内燃机发电装置的共用蓄电池组。

3.基于权利要求1至2任意一种临近空间无人机组合动力全自动能量控制系统的能量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、飞行中实时计算机载用电设备电能消耗量；

所述机载用电设备包括驱动电机和机载设备；

具体过程如下：

飞行中实时采集机载用电设备的即时能量消耗信息；所述即时能量消耗信息包括飞行中即时动力消耗能量、飞行中即时机载设备消耗能量、飞行中即时通讯设备消耗能量；

飞行中实时根据能量消耗信息计算所需要的即时发电量；

判断太阳能发电是否满足驱动电机和机载设备用电，如果满足则转入过程

，如果太阳能发电不满足驱动电机和机载设备用电，则缺乏的电能从机载蓄电池组提供；

判断太阳能发电是否还有多余的电能，如果有则多余的电给机载共享蓄电池组充电；

步骤二、飞行中实时提供等于该用电设备即时电能消耗量的发电量：

飞行中实时提供的发电量恰好等于飞行中即时电能消耗量；

步骤三、飞行中实时储存等于该用电设备即时电能消耗量的电能；

具体过程如下：

飞行中实时监测机载共享蓄电池组的电压和电量；

如果该电压和电量低于额定值，则启动内燃机发电装置向所述机载共享蓄电池组充电；

判断机载共享蓄电池组充电能量是否等于即时机载用电设备的电能消耗量，如果等于则停止充电，如果不等于则继续充电。

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