CN110370992A - 一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统，包括1个DSP能量管理控制器和3个电源变换器，3个电源变换器均通过信号线连接到能量管理控制器，能量管理控制器是一个基于DSP28335的最小系统，能够在监测系统状态的同时控制电源变换器的输出，即控制燃料电池和锂电池的功率。采用基于状态机的控制策略，根据每一时刻负载的功率需求和电池SOC来判定当前的工作状态，根据该状态下的功率分配规则实时控制两种电池的输出功率。燃料电池作为主电源提供大部分的负载功率，锂电池则在负载变化时起功率补偿的作用，在大功率时弥补燃料电池输出功率的不足，并对燃料电池多余的输出功率进行回收，起到了“削峰填谷”的作用。

Description

一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统

技术领域

本发明属于一种能量管理控制装置，用于新能源燃料电池无人机，控制其混合电源系统的输出功率。可以根据负载的功率需求和锂电池的荷电状态(State ofCharge,SOC)等系统变量的不同来调节燃料电池和锂电池的输出功率，同时稳定负载的母线电压。

背景技术

随着社会的发展，能源危机和环境污染等问题的日益严峻，人们正努力寻找替代传统化石燃料的解决方案。近年来，新能源正成为研究的热点，太阳能、风能、氢能等新型能源由于储量大、无污染而备受关注。

传统的活塞式无人机工作时噪音较大，震动较为剧烈同时会排放气体污染空气，新能源无人机能够很好地解决了上述问题。目前的新能源无人机中关于太阳能无人机和燃料电池无人机的研究最为广泛，太阳能无人机的续航时间较长但受环境的影响较大，且需要在机身和机翼上铺设薄膜光伏材料，导致太阳能无人机的翼展较大，降低了结构强度。燃料电池无人机则受制于目前燃料电池技术的限制。

目前燃料电池的所有种类中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)最适用于无人机，其能量密度较高，可以为无人机提供较长的续航时间，同时还具有零排放、无污染的特点。但PEMFC的功率密度较低，无法为无人机提供短时的脉冲功率，因而通常需要和辅助电源组成混合电源系统来弥补其功率密度的不足。一般使用锂离子电池作为辅助电源和燃料电池组成混合电源系统，锂离子电池的功率密度较大，而燃料电池的能量密度较大，两者的优势互补使混合电源系统具有较好的特性。

由于两种电池的动态特性不同，实际应用中需要根据不同工况下负载功率的变化对两种电池的输出功率进行实时控制，使系统保持稳定。因此需要用到能量管理系统(EMS,Energy Management System)。EMS包含数据采集和监控以及能量分配调度的作用。已经广泛应用于新能源发电、新能源分布式微电网、新能源电动汽车等领域。

上述的新能源领域对EMS的体积和重量并没有特别的要求，因而可以在高性能的计算机上来实现EMS的算法，其优点是精度较高，控制效果好，但相应的系统设计较为复杂，控制变量较多，导致了整个系统的设计难度和复杂度上升且系统的体积与重量较大。

无人机对载荷有严格的要求，因此需要限制EMS的重量和体积，从而满足无人机的起飞重量要求。但目前对无人机混合电源EMS的研究大多针对的是控制策略，目的是为了优化控制算法，以达到降低氢耗量，提高经济性的要求，通常只是仿真验证，实验往往借助于半物理平台进行，并没有考虑到EMS的实现。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统。

技术方案

一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统，其特征在于包括1个能量管理控制器和3个电源变换器，燃料电池通过一个电源变换器连接到负载母线，仅单向输出功率，锂电池通过两个电源变换器连接到负载母线，两个电源变换器分别起到了充电和放电的作用，即锂电池的功率为双向流动，既能充电也能放电；所述的能量管理控制器包括DSP28335、ADC和DAC；所述的电源变换器包括可编程DC-DC模块、电压传感器和电流传感器；3个电源变换器均通过信号总线将各自的电压值和电流值输出给ADC，ADC进行转化后输出给DSP28335，DSP28335根据各自的电压值和电流值计算各个电池的电池功率，根据电池功率得到负载功率Pload；DSP28335根据锂电池的电压和电流的积分计算得到电池的SOC，再根据SOC和负载功率Pload这两个参数的大小判定工作区间：工作在状态1：Pload大于400W，SOC大于50％，则燃料电池功率PFC占总功率Pload的2/3，锂电池功率Pbatt占总功率的1/3；工作在状态2：225W≤Pload≤400W，30％≤SOC≤50％，则燃料电池功率PFC占总功率Pload的3/4，锂电池功率Pbatt占总功率的1/4；工作在状态3：0W＜Pload≤225W，30％≤SOC≤50％，则锂电池功率Pbatt以3A电流充电，燃料电池功率PFC总功率与锂电池功率Pbatt相加；工作在状态4：0W＜Pload≤225W，50％≤SOC≤100％，则燃料电池功率PFC为150W，锂电池功率Pbatt为总功率减去燃料电池功率PFC；工作在状态5：225W≤Pload≤400W，0＜SOC≤30％，则燃料电池功率PFC等于负载功率Pload，锂电池功率Pbatt为0；DSP28335采用PI控制策略产生控制信号经过DAC后输送到各个电源变换器的可编程DC-DC模块来控制其输出电压和输出电流，进而通过电源变换器控制电池的输出功率。

所述的可编程DC-DC的输出电压Vout与控制信号设置的模拟电压信号Vset的关系如下：

其中，Vmax＝60V，通过调节Vset的值可以得到期望的输出电压Vout的大小；

所述的可编程DC-DC的输出电流Iout与控制信号设置的模拟电流信号Iset的关系如下：

其中，Imax＝40A，通过调节Iset的值可以得到期望的输出电流Iout的大小。

有益效果

本发明提出的一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统，可以看到控制器根据负载功率的变化实时调整燃料电池和锂电池的输出功率，反应迅速且精确，输出电压的纹波较小，系统整体效率为93.2％,工作状态十分稳定，达到了期望的效果。

附图说明

图1为混合电源及其能量管理控制控制系统结构图，能量管理控制系统由一个DSP能量管理系统和三个电源变换器组成。

图2为基于规则的控制策略示意图。

图3为能量管理控制器的整体电路原理图。

图4为能量管理系统电源管理模块电路图，用来提供DSP系统的工作电压。

图5为AD采样模块电路图，将电压、电流传感器产生的模拟信号转化为数字信号。

图6为DAC模块电路图，将DSP的控制信号转化为模拟量作用于电源变换器。

图7为信号总线连接端口，负责能量管理控制器和电源变换器之间的信号传输。

图8为电源变换器的整体电路原理图

图9为电源变换器主功率部分原理图，电池通过一个可编程DC-DC模块连接到负载。

图10为可编程DC-DC模块的实物图和相应的引脚名称。

图11为电压传感器和电流传感器的接线图，用于测量经过电源变换器输出的电压和电流大小。

图12量管理控制器PCB图

图13电源变换器PCB图

图14实验结果图，使用电子负载模拟无人机的真实负载，实验后得到的电池功率，锂电池SOC和输出母线电压的示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明设计了一款小型、轻量化的能量管理系统，适用于对EMS体积、重量有严格要求的场合，例如在小型新能源无人机上使用。该能量管理系统的结构简单，采用了模块化的设计，由一块能量管理控制器和若干电源变换器组成，可以根据系统的实际需要增减电源变换器的数量，能够应用于多种场合。

能量管理控制器的重量约为100g，电源变换器的重量约为500g，电路板的长为20cm，宽为8.5cm,两块电路板上下叠加后的体积约为1L，能够满足无人机的起飞要求。

整个系统的结构如图1所示，边框加粗的4个模块为本发明所设计的能量管理系统，包括1个DSP能量管理控制器和3个电源变换器，燃料电池通过一个电源变换器连接到负载母线，仅单向输出功率，锂电池通过两个电源变换器连接到负载母线，两个电源变换器分别起到了充电和放电的作用，即锂电池的功率为双向流动，既能充电也能放电。3个电源变换器均通过信号线连接到能量管理控制器，能量管理控制器是一个基于DSP28335的最小系统，能够在监测系统状态的同时控制电源变换器的输出，即控制燃料电池和锂电池的功率。采用基于状态机的控制策略，根据每一时刻负载的功率需求和电池SOC来判定当前的工作状态，根据该状态下的功率分配规则实时控制两种电池的输出功率。燃料电池作为主电源提供大部分的负载功率，锂电池则在负载变化时起功率补偿的作用，在大功率时弥补燃料电池输出功率的不足，并对燃料电池多余的输出功率进行回收，起到了“削峰填谷”的作用。

具体的工作流程：电源变换器上的传感器将其输出电压和电流信号通过数据总线输送到DSP的ADC(模\数转换器)进行采样，DSP通过计算得到负载功率Pload和电池功率：根据每个电源变换器计算其对应的电池功率，如果锂电池为放电状态，则计算对应放电的电源变换器的电压和电流得到锂电池的功率，再将锂电池功率与燃料功率相加得到负载功率；如果锂电池为充电状态，则计算对应充电的电源变换器的电压和电流得到锂电池的功率，再将锂电池功率与燃料功率相减得到负载功率，并根据锂电池电压和电流的积分计算得到电池的SOC(荷电状态)。再根据SOC和负载功率Pload这两个参数的大小判定工作区间，具体的判规则如图2所示，之后根据对应工作区间中不同的规则来控制电池输出功率的大小。举例来说，如果Pload大于400W，SOC大于50％，则工作在状态1，对应的规则是燃料电池功率PFC占总功率Pload的2/3，锂电池功率Pbatt占总功率的1/3。DSP采用PI控制策略，通过信号总线将外接DAC(数\模转换器)产生的控制信号输送到电源变换器，进而通过电源变换器控制电池的输出功率。

下面将分别对能量管理控制器和电源变换器的整体设计进行详细介绍：

能量管理系统的能量管理控制器是一个基于DSP的最小系统，其原理图如图3所示，使用了TI公司的TMS320F28335浮点型DSP。该芯片具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC，以上的这些功能使其能够满足控制策略计算量的需要。

能量管理控制器的设计包括DSP芯片、电源模块、信号采集模块、信号输出模块、信号总线连接端口。电源模块为DSP芯片和片上用电设备进行供电。信号采集模块是DSP的片上ADC，负责将采集的电压和电流信号传输给DSP芯片。芯片经过计算后通过PI控制来控制电源变换器的输出功率，控制信号由信号输出模块产生，使用DSP芯片外接DAC输出控制信号。控制信号和采样信号均通过信号总线进行数据传输。

为芯片的供电设计了电源管理模块，电路图如图4所示。使用TPS767D301芯片将输入的5V直流电源转化为3.3V和1.9V，提供给DSP28335和一些其余的元器件与芯片。可以直接用5V直流电源或者电源适配器来提供5V直流电，这种方式适用于实验阶段，除此之外，还可以将燃料电池作为能量管理系统的电源，通过一个U4805电源模块，可以将18V-75V范围内的输入电压转化为5V的输出电压。因此，使用燃料电池作为输入电源能够得到5V的直流电，再经过转换得到3.3V和1.9V的直流电便可以使DSP28335正常工作。

燃料电池、锂电池混合电源系统的电压、电流等系统变量均为模拟量，而DSP控制芯片只能处理数字量，因此需要设计ADC(模\数转换)模块，将模拟量转换为数字量。电池输出电压和电流的大小由相应的霍尔传感器得到，霍尔传感器安装在电源变换器电路板上。DSP28335内部带有ADC模块，可以直接将0-3.3V范围内的模拟电压信号转换为数字信号并储存在寄存器当中。AD采样电路如图5所示，在信号进入DSP的采集端口之前设置了RC滤波电路用于消除掉高频干扰信号，TMS320F28335系列DSP具有12位带流水线结构的ADC，由前段模拟多路复用器、采样保持电路、转换内核稳压器及其他相关电路构成。ADC具有16个通道，分为A、B两组各8个通道，使用A组当中A0～A5共6个通道分别作为三个电源变换器输出电压和电流的采集通道，通过信号总线将信号输送给DSP内核。

电源变换器的控制端口需要用电压模拟量信号来驱动，因此需要控制器输出模拟量作为控制信号。而DSP28335芯片并不具备模拟量输出的功能，因此需要使用外设芯片来完成此功能。选择了型号为TLV5638的DAC芯片，该芯片是双通道12位电压输出的DAC，具有灵活的3线串行接口。串行接口允许与TMS320和SPIE，QSPIE，MicrowireE通信协议的串行端口进行无缝连接。它是通过16位串行字符串来完成编程的，其中包含4位控制字和12个数据位。电路图如图6所示，引脚DIN是数字信号串行输入口，SCLK是时钟信号，CS是低通片选信号，VDD是电压正极，AGND接地，REF是片外的模拟量参考信号。输出的模拟电压信号经过一个接地的电容滤波后便可作用于电源变换器从而控制电池的输出功率。

为了方便将能量管理控制器和电源变换器连接，简化接线流程，提高整个控制器的便捷性和易操作性，专门设计了一个通用连接端口，如图7中所示。能量管理控制器有4个DAC芯片，通过电路板上的4个通用接口最多支持同时控制4路电源变换器。与此对应的每一块电源变换器的电路板上也有相同的通用接口，使用6X2的排线便可以将能量管理控制器和电源变换器相连，排线的端口采用了防误操作设计，以确保连线不会接错。

燃料电池和锂电池均通过电源变换器连接到负载母线之上，其中燃料电池通过一个电源变换器放电，而锂电池需要两块电源变换器分别用于充电和放电。电源变换器的整体原理图如图8所示，由主功率部分和数据采集部分组成。主功率部分是一个可编程DC-DC模块，能够对电池的输出电压和电流进行控制，数据采集部分由一个电压传感器和电流传感器组成，对输出电压和电流进行采集，并将信号传输给能量管理控制器。

能量管理控制器在通过信号总线接收到电源变换器输出的电压和电流信号后进行计算，之后得到控制电源变换器的控制信号，经由信号总线作用于电源变换器的控制端口，控制电源变换器的输出功率。

主功率部分的电路原理图如图9所示，电池连接到可编程DC-DC模块的输入端子，其中Vin_1为输入电压，Vout_1为输出电压，输出连接到负载母线上，可编程DC-DC模块的控制端口有4路，分别是开关信号on/off，时钟信号Syn，输出电压设置信号Vset和输出电流设置信号Iset。on/off和Syn由TTL电平信号控制，当on/off信号低电平时DC-DC模块开通，Syn的额定值为250KHZ，Vset和Iset是控制信号连接到能量管理系统的输出端。可编程DC-DC模块引脚示意图如图10所示。其引脚的定义如表1所示。

表1可编程DC-DC模块引脚定义

可编程DC-DC的输出电压由Vset上模拟电压信号的大小来确定，其关系式如(1-1所示)，其中Vmax＝60V，通过调节Vset的值可以得到期望的输出电压Vout的大小。

输出电流的大小由Iset上模拟电压信号的大小来确定，关系式如(1-2)所示，其中Imax＝40A，Iout表示在输出电流可控时的电流上限值，在给电池充电时，可以通过设置Iset的值，来限定充电时电流的上限。

此外，电源变换器上还装有电压传感器和电流传感器分别用来测量电池的输出电压和电流，其接线图如图11所示，电压传感器的型号为LV25-P，输出电压Vout_1和传感器输出端M的电压Vsense的关系式由(1-3)给出。

其中R8＝10000Ω，R10＝100Ω，计算得到Vsense/Vout_1＝1/40，则传感器的变比为K1＝1/40。后级电路选择运算放大器OPA2300作为电压跟随器，起到隔离和防止干扰的作用，测量信号UoutAD＝Vsense＝Vout/40(V)。

电流传感器的型号为LA25-NP，变比为1/1000，电源模块的输出电流为Iout，输出的测量信号为IoutAD，关系式如(1-4)所示。

其中R94＝100Ω，则IoutAD/Iout＝1/10，变比K2＝1/10。后级电路选择运算放大器OPA2300作为电压跟随器，起到隔离和防止干扰的作用，测量信号IoutAD＝Iout/10。

电源变换器上还有一个接线端口，与5.1.4中所述的接口相同,通过6X2的排线可以将电源变换器和能量管理控制器相连，其中DAC1_OUTA和DAC1_OUTB是控制信号，来自TLV5638输出的两路模型电压信号，分别连接到可编程DC-DC模块的Vset和Iset，Syn_1和on/off1是可编程DC-DC模块的时钟信号和开关信号,由DSP28335的GPIO来提供。DGND和AGND分别是数字地和模拟地。Uout_1AD和Iout_1AD是电源变换器上电压传感器和电流传感器的输出，反馈回能量管理控制器。

以上就是能量管理控制系统的详细介绍。

整个工作的流程首先是能量管理控制器对电池输出电压、电流进行采样。电池的电压、电流采样信号由上述图11所示的电压传感器和电流传感器输出，经过图12的信号接线端口输入到能量管理控制器。能量管理控制中已提前导入了控制算法，使用基于规则的控制策略，共有5种不同的工作区间。控制策略根据采样信号得到的电池功率和SOC判定系统工作区间，通过对电源变换器的控制使电池的输出功率满足对应工作区间中已提前设置好的分配比例，完成能量管理的作用。

将燃料电池和锂电池通过能量管理系统连接到负载进行了实验，燃料电池选择了Horizon公司的FCS-C1000，最大输出功率1000W，锂电池使用了18650锂离子单体电池(3.7V/2.5AH)串并联(10*4)形成锂电池组(37V/10AH),电池输出电压范围为34-42V，内嵌有保护电路。使用可编程电子负载模拟无人机的实际负载，编写了一段30分钟的负载序列模拟无人机的飞行剖面。输出电压的额定值选择为50V，运行了整个工况，实验结果如图14示，其中Pfc是燃料电池输出功率，Pbat是锂电池输出功率，可以看到控制器根据负载功率的变化实时调整燃料电池和锂电池的输出功率，反应迅速且精确，输出电压的纹波较小，系统整体效率为93.2％,工作状态十分稳定，达到了期望的效果。

能量管理控制器和电源变换器的PCB图分别如图13和图14所示。

单个电源变换器最大可以输出60V*40A即2400W的功率，因而系统的最大输出功率约为4800W，出于安全和稳定的考虑，建议燃料电池最大功率2KW,锂电池功率1KW，系统总功率为3KW。

系统输出电压范围为0-60V，可以根据负载的需要使输出电压稳定在一个额定值，波动约为±1V。

Claims (2)

1.一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统，其特征在于包括1个能量管理控制器和3个电源变换器，燃料电池通过一个电源变换器连接到负载母线，仅单向输出功率，锂电池通过两个电源变换器连接到负载母线，两个电源变换器分别起到了充电和放电的作用，即锂电池的功率为双向流动，既能充电也能放电；所述的能量管理控制器包括DSP28335、ADC和DAC；所述的电源变换器包括可编程DC-DC模块、电压传感器和电流传感器；3个电源变换器均通过信号总线将各自的电压值和电流值输出给ADC，ADC进行转化后输出给DSP28335，DSP28335根据各自的电压值和电流值计算各个电池的电池功率，根据电池功率得到负载功率Pload；DSP28335根据锂电池的电压和电流的积分计算得到电池的SOC，再根据SOC和负载功率Pload这两个参数的大小判定工作区间：工作在状态1：Pload大于400W，SOC大于50％，则燃料电池功率PFC占总功率Pload的2/3，锂电池功率Pbatt占总功率的1/3；工作在状态2：225W≤Pload≤400W，30％≤SOC≤50％，则燃料电池功率PFC占总功率Pload的3/4，锂电池功率Pbatt占总功率的1/4；工作在状态3：0W＜Pload≤225W，30％≤SOC≤50％，则锂电池功率Pbatt以3A电流充电，燃料电池功率PFC总功率与锂电池功率Pbatt相加；工作在状态4：0W＜Pload≤225W，50％≤SOC≤100％，则燃料电池功率PFC为150W，锂电池功率Pbatt为总功率减去燃料电池功率PFC；工作在状态5：225W≤Pload≤400W，0＜SOC≤30％，则燃料电池功率PFC等于负载功率Pload，锂电池功率Pbatt为0；DSP28335采用PI控制策略产生控制信号经过DAC后输送到各个电源变换器的可编程DC-DC模块来控制其输出电压和输出电流，进而通过电源变换器控制电池的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种新能源无人机燃料电池混合电源能量管理控制系统，其特征在于所述的可编程DC-DC的输出电压Vout与控制信号设置的模拟电压信号Vset的关系如下：

其中，Vmax＝60V，通过调节Vset的值可以得到期望的输出电压Vout的大小；

所述的可编程DC-DC的输出电流Iout与控制信号设置的模拟电流信号Iset的关系如下：

其中，Imax＝40A，通过调节Iset的值可以得到期望的输出电流Iout的大小。