CN110350649B - 一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略 - Google Patents

一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，系留无人机电机选用高压直接驱动的无刷电机；系留无人机系统工作在高压输电直接供给电机的模式，同时机载端保留低压后备电池；机载端保留有高压转低压双向电源模组；电源模组的输出用于后备电池组件充电及系留无人机系统航电部分供电，充电功率可控；当高压输入异常，电源迅速切换工作模式，低压转换为高压的反向工作模式，这种逆向工作模式下，转换的电能用于高压电机供电；本方案，将高压直接供给电机的系留无人机系统中，实现低压后备电池无缝切入，电能利用效率较高；实现系留无人机系统在地面供电系统异常及系留缆破损的的情况下安全迫降的方案。

Description

一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略
技术领域
本发明涉及系留无人机后备电池保护策略、系留无人机及系统供电策略，本发明并不局限系留无人机，其他高压输电动力设备，系留缆传输电能的安全供电系统均属于本发明涉及范畴。
背景技术
系留无人机系统是一种采用地面供电，机载大功率电源完成高压转低压的系统。为了降低线损，通常采用的方式是地面AC220V或者AC380V输入转换为DC400-DC1000V或者以上电压，该电压通过系留缆传输至无人机机载端，传输距离可达100米至300米。
系留无人机系统搭载了机载大功率电源模组，通常电源模组功率为3KW至20KW之间，该电源模组的输入电压为地面端的输出电压，通常为DC300-DC1000V。机载大功率电源输出电压为6s/12s(25.2V、50.4V)。输出的低压直接供给无人机低压电机。
这种应用方式下，系留无人机是处于8小时以上的滞空飞行状态，对机载电源的可靠性要求非常高，一旦机载电源异常，直接发生坠机事故，所以一般机载端备有后备电池组件，电池电压常规为25.2V或者50.4V(6s/12s串联电池组)。由于这种应用方式下，属于机载高压转低压，可以兼容常规后备电池，具有一定的安全性，但是机载电源的工作在大功率输出模式，散热设计带来的重量超标对系统的影响较大，为此我们考虑去掉大功率机载电源。去除高压机载电源，地面输送的高压电直接驱动高压电机，这种方式下可以一定程度提高系统可靠性，带来的问题是高压电机无法使用后备电池，因为电池从安全性考虑，机载端不会搭载超过400V至1000V的电池组件，即便有这种电池组件，充电管理也属于非常规。所以此种去除高压机载电源的应用方式直接导致系统无后备电池运行，安全性降低。
无论上述两种哪一种情况，都存在地面升压电源故障无输出或者系留线缆断裂的情况，这种情况如果机载没有后备电池进行短时间供电迫降，也会直接发生坠机事故。
为了解决高压系留无人机系统无法利用常规后备电池的弊端，我们亟需一种能够搭载低压后备电池，且工作方式兼容高压系留无人机系统的实现方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，在高压直接供给电机的系留无人机系统中，实现低压后备电池无缝切入。实现系留无人机系统在地面供电系统异常及系留缆破损的的情况下安全迫降的方案。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，具体包括如下步骤：
S1.系留无人机电机选用高压直接驱动的无刷电机；
S2.系留无人机系统工作在高压输电直接供给电机的模式；同时机载端保留低压后备电池；机载端保留有高压转低压双向电源模组；
S3.电源模组的输出用于后备电池组件充电及系留无人机系统航电部分供电，充电功率可控；
S4.当高压输入异常，电源迅速切换工作模式，低压转换为高压的反向工作模式，这种逆向工作模式下，转换的电能用于高压电机供电；
S5.系留无人机地面供电异常无法输出的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态；
S6.系留无人机系留缆破损的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态。
优选的，为了兼容市面可以安全使用的后备电池，所述系留无人机系统机载端搭载6s-12s后备电池。
优选的，为了实现6s-12s后备电池组件充电，所述双向电源模组具备小电流充电能力。
优选的，为了实现逆变电能，所述双向电源模组可以工作在大功率逆变输出模式。
优选的，所述双向电源模组在系留无人机系统飞行过程中，仅仅以小电流方式给低压后备电池进行充电。
优选的，所述系留无人机系统瞬态超功率情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，逆向输出补充电能。
优选的，所述双向电源模组具有状态输出及模式切换功能，具备输出自身状态功能，能够给无人机飞控部件提供目前工作模式及状态信息，提高系统可靠性；当地面供电异常及系留缆破损，能够无缝切换及输出紧急降落信息给无人机飞控部件。
本发明提供的一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，与现有技术相比：
本发明将高压直接供给电机的系留无人机系统中，实现低压后备电池无缝切入；实现系留无人机系统在地面供电系统异常及系留缆破损的的情况下安全迫降的方案；降低双向电源模组的热设计难度，实现了双向电源模组轻型化，电源工作时间较短，散热设计可以定量轻型化，电能利用效率较高。
附图说明：
图1为现有技术中常规系留无人机供电系统框图；
图2为现有技术中无后备电池的高压系留无人机系统框图；
图3为本发明搭载双向电源模组的高压系留无人机系统框图；
图4为本发明正常情况下的系统电能输送图；
图5为本发明异常情况下的系统电能输送图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例和说明书附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，系留无人机系统去除高压转低压的大功率机载电源模组，系留无人机电机选用高压直接驱动的无刷电机；系留无人机系统工作在高压输电直接供给电机的模式，这种模式下，电能利用效率较高；同时机载端保留低压后备电池；机载端保留有高压转低压双向电源模组；电源模组的输出用于后备电池组件充电及系留无人机系统航电部分供电，充电功率可控；当高压输入异常，电源迅速切换工作模式，低压转换为高压的反向工作模式，这种逆向工作模式下，转换的电能用于高压电机供电。
为了提高系统可靠性，系留无人机系统去除高压机载电源，减轻系统重量，机载端不再搭载需要长期工作的高压机载电源，去除高压电源，提高了无人机载荷量。
下面结合说明书附图，对本发明的方案和现有技术的方案，进行进一步说明：
如附图1：为现有技术中常规的系留无人机系统供电框图，地面高压电源输出DC400-DC1000v电压。经过系留缆输送至无人机，随后无人机机载电源转换为6s/12s系统供电电压，直接供给无人机电机及航电部件。
如附图2：为现有技术中为现有技术中高压直接供电系留无人机系统框图，这种常规用途有无法选用高压电池及电池充电管理无法实现，系留无人机缺失后备电池，当地面供电异常，直接坠机。
如附图3：为本发明搭载双向电源模组的高压系留无人机系统，这种系统仍然保持高压直接给无人机电机供电，电机选用高压电机，可以降低线损提升拉力，无人机机载端搭载了双向电源模组，且同时保留了后备电池。
如附图4：为本发明正常情况下的电能输送图，高压电直接供给高压电池，双向电源模组工作在正向模式，通过小电流给后备电池充电
如附图5：为本发明异常情况下的系统电能输送图，这种情况即为系缆破损或者地面供电电源损坏，无法输送高压电能。此时双向机载电源逆向工作，低压后备电池电能以反向方式通过双向电源模组升压，输出高压系统电压，实现系统紧急迫降供电。
为了兼容市面可以安全使用的后备电池，高压系留无人机系统机载端搭载6s-12s后备电池。
为了实现6s-12s后备电池组件电能反向使用，无人机搭载双向电源模组。
为了实现6s-12s后备电池组件充电，双向电源模组具备小电流充电能力。
为了实现逆变电能，双向电源模组可以工作在大功率逆变输出模式。
双向电源模组在系留无人机系统飞行过程中，仅仅以小电流方式给低压后备电池进行充电。这种小功率应用场景，降低双向电源模组的热设计难度，实现了双向电源模组轻型化。
系留无人机地面供电异常无法输出的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态。
系留无人机系留缆破损的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态。
系留无人机系统瞬态超功率情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，逆向输出补充电能。
安全的紧急迫降仅仅需要2-5分钟，相对来说，双向电源模组大功率逆变模式工作时间非常短，这种场景下，双向电源模组的热设计难度小，散热部件可以轻量化。
双向电源模组具有状态输出及模式切换功能，具备输出自身状态功能，能够给无人机飞控部件提供目前工作模式及状态信息，提高系统可靠性。当地面供电异常及系留缆破损，能够无缝切换及输出紧急降落信息给无人机飞控部件。
双向电源模组实现方式不局限于正弦波能量逆变器及BUCK-BOOST拓扑结构。
本发明将高压直接供给电机的系留无人机系统中，实现低压后备电池无缝切入；实现系留无人机系统在地面供电系统异常及系留缆破损的的情况下安全迫降的方案；降低双向电源模组的热设计难度，实现了双向电源模组轻型化，电源工作时间较短，散热设计可以定量轻型化，电能利用效率较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高压系留无人机系统的机载后备电池保护策略，其特征在于，具体包括如下步骤：系留无人机电机选用高压直接驱动的无刷电机；系留无人机系统工作在高压输电直接供给电机的模式；同时机载端保留低压后备电池；机载端保留有高压转低压双向电源模组；电源模组的输出用于后备电池组件充电及系留无人机系统航电部分供电，充电功率可控；当高压输入异常，电源迅速切换工作模式，低压转换为高压的反向工作模式，这种逆向工作模式下，转换的电能用于高压电机供电；系留无人机地面供电异常无法输出的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态；其中地面高压电源输出DC400-DC1000v电压，经过系留缆输送至无人机，随后无人机机载电源转换为6s/12s系统供电电压，直接供给无人机电机及航电部件；电机为高压电机，可以降低线损提升拉力，无人机机载端搭载了双向电源模组，且同时保留了后备电池；高压电直接供给高压电池，双向电源模组工作在正向模式，通过小电流给后备电池充电；其中当系缆破损或者地面供电电源损坏，无法输送高压电能时，双向机载电源逆向工作，低压后备电池电能以反向方式通过双向电源模组升压，输出高压系统电压，实现系统紧急迫降供电；为了兼容市面可以安全使用的后备电池，高压系留无人机系统机载端搭载6s-12s后备电池；当系留无人机地面供电异常无法输出的情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，切换为电池电能逆向升压输出，供给系留无人机高压电机，同时输出告警信号，无人机进入紧急迫降状态；当系留无人机系统瞬态超功率情况下，双向电源模组迅速切换工作模式，逆向输出补充电能。
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