CN110311461A - 一种太阳能无人机电气系统 - Google Patents

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孙立志
张妍
白杰
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • B64C39/028—Micro-sized aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/30—Supply or distribution of electrical power
    • B64U50/34—In-flight charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Abstract

本发明实施例公开的一种太阳能无人机电气系统，涉及太阳能无人机电气技术，能够解决现有太阳能无人机电气系统设计过程复杂、可靠性低的问题。该系统包括并联的动力母线和设备母线，所述设备母线用于连接用电设备，所述动力母线用于连接用电设备以外的其它设备，相互并联的多个DC‑DC变换器连接在所述设备母线和所述动力母线之间；所述动力母线连接以下设备：太阳能电池；第一电机及其相应的第一驱动控制器MC；第二电机及其相应的第二驱动控制器MC；多个太阳能电池及分别与每个太阳能电池相应的MPPT。

Description

一种太阳能无人机电气系统
技术领域
本发明涉及太阳能无人机电气技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机电气系统。
背景技术
电气系统作为太阳能无人机的一个重要系统，其架构的设计影响无人机的整体性能。太阳能无人机的电能来自于太阳能电池和储能电池，电能的产生、变换和传输由机上电气装置实现。现有太阳能无人机多采用分布式动力系统，即多台驱动电机分布于机翼，该种架构为柔性结构，空气动力性能存在未解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种太阳能无人机电气系统，能够解决现有太阳能无人机电气系统设计过程复杂、可靠性低的问题。
本发明的技术解决方案：
一种太阳能无人机电气系统，该系统包括并联的动力母线和设备母线，所述设备母线用于连接用电设备，所述动力母线用于连接用电设备以外的其它设备，相互并联的多个DC-DC变换器连接在所述设备母线和所述动力母线之间；
所述动力母线连接以下设备：太阳能电池；第一电机及其相应的第一驱动控制器MC；第二电机及其相应的第二驱动控制器MC；多个太阳能电池及分别与每个太阳能电池相应的MPPT。
进一步可选的，所述第一电机、第二电机和DC-DC变换器的功率遵循总电功率与无人机飞行所需功率相匹配的原则。
进一步可选的，所述第一电机和所述第二电机机械上同轴连接，所述第一驱动控制器MC、第二驱动控制器MC机械上串联连接的并等速运行。
进一步可选的，所述太阳能电池及相应的MPPT的组数为偶数，左右对称分布于无人机，将太阳能转换为电能并传输至动力母线。
进一步可选的，所述太阳能电池组数为偶数，左右对称分布于无人机，用于储存电能。
进一步可选的，所述DC-DC为偶数，左右对称分布于无人机，将高压直流电转换为低压直流电。
进一步可选的，其特征在于，n个DC-DC的总功率与低压用电设备所需功率相匹配。
本发明实施例提供的一种太阳能无人机电气系统，将太阳能无人机电气系统通用架构定型，可实现太阳能无人机电气系统的可靠设计；同时充分协调某些电气设备重量和冗余间的关系，有效增加太阳能无人机航时。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能无人机电气系统拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中设备母线拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供一种太阳能无人机电气系统，所涉及的无人机为刚性机体，能够解决现有无人机没有统一的电气系统架构、设计过程复杂、可靠性低、且没有充分协调某些电气设备重量和冗余间的关系的问题。
参见图1，该系统包括双动力电机架构，即电机Ⅰ及相应的驱动控制器MCⅠ(电机控制器Ⅰ)，电机Ⅱ及相应的驱动控制器MCⅡ；太阳能电池Ⅰ及相应的MPPTⅠ(最大功率点追踪控制器Ⅰ)，太阳能电池n及相应的MPPTn，所述太阳能电池及相应的MPPT可以拓展为多组；电池Ⅰ，电池n，所述电池可以拓展为多组；DC-DCⅠ，DC-DCn，所述DC-DC可以拓展为多组；双供电母线架构，即动力母线和设备母线；电气控制装置；以及用电设备Ⅰ，用电设备Ⅱ，用电设备Ⅲ、用电设备Ⅳ，用电设备n，用电设备可以拓展为多个。所述电机和DC-DC的功率按用电设备重量和冗余间的协调方法设计，遵循总电功率与无人机飞行所需功率相匹配的原则。
进一步可选的，所述电机Ⅰ和电所述机Ⅱ在机械上同轴连接，所述驱动控制器MCⅠ、MCⅡ连接在动力母线上，独立运行，分别驱动控制所述电机Ⅰ和电机Ⅱ，组成双动力电机架构。机械上串联连接的两电机等速运行，共同提供螺旋桨所需的机械功率，组成集中式动力系统。
进一步可选的，所述电机Ⅰ和电机Ⅱ的功率考虑设备重量和冗余备份间的协调关系，按两电机总功率与无人机螺旋桨所需功率相匹配的原则进行设计。
进一步可选的，所述太阳能电池及相应的MPPT的组数为偶数，左右对称分布于无人机，连接在动力母线上，将太阳能转换为电能并传输至动力母线。动力母线为高压直流母线，单独设置的动力母线可提高电能利用率，简化动力子系统的设计。
进一步可选的，所述电池组数为偶数，左右对称分布于无人机，连接在动力母线上，用于储存电能，且设计为可拓展架构，利于无人机能源子系统的升级，增加无人机的航时。
进一步可选的，所述DC-DC为偶数，左右对称分布于无人机，连接动力母线和设备母线，将高压直流电转换为低压直流电。
进一步可选的，所述DC-DCⅠ到DC-DCn的功率考虑设备重量和冗余备份间的协调关系，按n个DC-DC的总功率与低压用电设备所需功率相匹配的原则进行设计设计。
进一步可选的，电气系统中有两条直流母线，包括所述动力母线和设备母线，动力母线为电机供电，组成双供电母线架构。设备母线为所述低压用电设备Ⅰ、用电设备Ⅱ供电，用电设备可以拓展为多个。双供电母线架构可提高电能利用率，增加系统可靠性，减小系统设计难度。
进一步可选的，所述电气系统中的电气控制装置控制所述用电设备Ⅲ、用电设备Ⅳ的供电，用电设备可以拓展为多个。
本实施例提供的一种太阳能无人机电气系统，将太阳能无人机电气系统通用架构定型，可实现太阳能无人机电气系统的可靠设计；同时充分协调某些电气设备重量和冗余间的关系，有效增加太阳能无人机航时。
为了便于读者理解，下面详述一具体实例：
参见图1，该电气系统由电机、电机驱动控制器、太阳能电池、MPPT、电池、DC-DC、动力母线、设备母线、电气控制装置、用电设备组成。应用本发明，可设计太阳能无人机电气系统架构。该电气系统由电机、DC-DC按设备重量和冗余备份间的协调方法进行设计。
优选的，电机Ⅰ(1)和电机Ⅱ(2)结构相同，分别由电机驱动控制器MCⅠ(3)和MCⅡ(4)进行驱动控制，二者功率之和大于等于无人机螺旋桨所需最大机械功率值，二者同轴连接，工作时输出相同转矩。在其中一台电机故障时，另一台可保证无人机有一定的动力进行返航。同时没有过度增加无人机的重量，保证太阳能无人机长航时飞行。
优选的，太阳能电池(5)和MPPTⅠ(6)直到太阳能电池(7)和MPPTn(8)，代表n个相同功率的能源单元。太阳能电池的敷设数量综合无人机结构和电气系统所需电功率权衡而定。
优选的，电池Ⅰ(10)直到电池n(11)，代表n个相同功率的电池单元，电池单元包含电池管理系统BMS。电池单元的安装数量综合无人机重量和航时权衡而定。
优选的，电源模块DC-DCⅠ(12)直到DC-DCn(13)，代表n个相同功率的电源模块，其功率大于等于机上用电设备所需最大功率之和。在其中一个电源模块故障时，其它模块正常工作，同时控制任务设备断电，保证无人机在最小系统情况下返航。同时没有过度增加无人机的重量，保证无人机长航时飞行。
优选的，动力母线(9)为能源子系统和动力子系统间电能传递的通路，设备母线(14)为机上各低压用电设备的电能传递的通路。
参见图2，设备母线(14)为电气控制装置(18)和用电设备Ⅰ(15)、用电设备Ⅱ(16)供电、用电设备n(17)，电气控制装置控制用电设备Ⅲ(20)、用电设备Ⅳ(21)的供电，用电设备均可拓展为多个。电气控制装置通过所述信号线(19)检测用电设备供电状态。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种太阳能无人机电气系统，其特征在于，该系统包括并联的动力母线和设备母线，所述设备母线用于连接用电设备，所述动力母线用于连接用电设备以外的其它设备，相互并联的多个DC-DC变换器连接在所述设备母线和所述动力母线之间；
所述动力母线连接以下设备：太阳能电池；第一电机及其相应的第一驱动控制器MC；第二电机及其相应的第二驱动控制器MC；多个太阳能电池及分别与每个太阳能电池相应的MPPT。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电机、第二电机和DC-DC变换器的功率遵循总电功率与无人机飞行所需功率相匹配的原则。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机机械上同轴连接，所述第一驱动控制器MC、第二驱动控制器MC机械上串联连接的并等速运行。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述太阳能电池及相应的MPPT的组数为偶数，左右对称分布于无人机，将太阳能转换为电能并传输至动力母线。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述太阳能电池组数为偶数，左右对称分布于无人机，用于储存电能。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述DC-DC为偶数，左右对称分布于无人机，将高压直流电转换为低压直流电。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，n个DC-DC的总功率与低压用电设备所需功率相匹配。
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