CN111003189A - 一种混动无人机的动力控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混动无人机的动力控制系统，包括燃油发电系统、锂电池、充放电电路和控制器，所述燃油发电系统通过燃烧油气提供三相交流电，并通过AC/DC整流电路输出稳定的直流电，直流母线连接电动机作为无人机主要动力源；所述锂电池通过充放电电路连接直流母线，用于实现锂电池充电蓄能或放电作为无人机辅助动力源，所述锂电池还向控制器供电；所述控制器用于判定无人机的动力运行模式并发出控制信号改变无人机的动力来源：小于2kW时，仅锂电池向电动机供电，2～5kW时，燃油发电系统向电动机供电并向锂电池充电，大于5kW时，燃油发电系统和锂电池同时向电动机供电。本发明提高了无人机的动力稳定性和动力系统反应速度。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别地，涉及一种采用混合动力的无人机的动力控制系统，以及基于该系统的动力控制方法。
背景技术
目前市场上保有量大的无人机大多为纯电动产品，其次是通过燃烧油汽作为动力源的产品。纯电动无人机的优点是体积小、重量轻，方便携带，并且充放电性能稳定，缺点则是电池容量小，续航能力严重不足，考虑到纯电动无人机本身的体积和重量受限，如果为了提升续航能力而增加锂电池组的数量，就不得不降低可携带任务设备的重量，牺牲产品性能。相反，燃油无人机的优点是载重大和续航能力强，缺点则是结构复杂，维护和使用成本高，而且由于燃油无人机的动力产生是通过机械传动将内能转化为机械能，所以在控制的反应上有延迟，尤其是在刚起飞阶段，存在动力响应不足、操作难度大的问题。
由于稳定可靠的动力来源是无人机能完成任务的根本保障，因此近年来，随着油电混合动力技术的不断发展，无人机的动力供应方式也由单一动力来源供应逐渐发展成多动力来源供应，基于混合动力推进的无人机设计与应用必将得到迅猛发展。
现有的油电混动无人机在动力系统的设计上并不完善，大多采用燃油动力和电池动力并联的形式，且包含机械传动结构，结构复杂，且燃油动力和纯电池动力的配合难度大，不利于无人机轻量化设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混动无人机的动力控制系统和动力控制方法，具体方案如下：
一种混动无人机的动力控制系统，包括燃油发电系统、AC/DC整流电路、电动机、辅助动力模块和控制器；
所述燃油发电系统包括燃油发动机和发电机，用于通过燃烧油气提供三相交流电，所述发电机通过AC/DC整流电路输出稳定的直流电，直流母线连接电动机作为无人机的主要动力源；
所述辅助动力模块包括锂电池和充放电电路，所述锂电池通过充放电电路连接直流母线，用于实现锂电池充电蓄能或放电作为无人机的辅助动力源，所述锂电池还通过充放电电路向所述控制器供电；
所述控制器用于判定无人机的动力运行模式，并根据判定结果向燃油发电系统、AC/DC整流电路和充放电电路发出控制信号以改变无人机的动力来源。
优选地，所述控制器还包括信号调理模块和无线通信模块，所述信号调理模块用于采集无人机飞行过程中各部件的运行数据，所述无线通信模块用于实现地面与无人机之间的信号传输。
优选地，所述电动机的输入侧设有调速器，所述调速器连接所述信号调理模块和直流母线。
优选地，所述锂电池带有BMS电池管理系统。
一种基于上述系统的混动无人机的动力控制方法，包括如下过程：
1)所述控制器通过无线通信模块接收来自地面的控制指令；
2)对无人机的动力需求进行判定：
当动力需求小于第一功率且锂电池电量充足时，判定无人机进入纯电模式，燃油发电系统处于怠速工作状态，锂电池通过充放电电路和直流母线向电动机供电；
当锂电池电量不足，或当动力需求处于第一功率和第二功率之间时，判定无人机进入充电模式，燃油发电系统处于额定转速工作状态，发电机通过AC/DC整流电路和直流母线向电动机供电，同时还通过充放电电路向锂电池充电；
当动力需求大于第二功率时，判定无人机进入混动模式，燃油发电系统处于额定转速工作状态，发电机和锂电池同时向电动机供电；
3)根据具体判定结果，所述控制器反馈转速信号给燃油发电系统以控制发电机的发电量，同时向AC/DC整流电路和锂电池充放电电路输出PWM信号以调整二者的工作状态。
优选地，还包括对无人机飞行状态的实时监控；所述控制器通过信号调理模块采集无人机飞行过程中各部件的运行数据，然后对采集到的数据参数进行处理，最后通过无线通信模块将数据传回地面进行展示并存储。
优选地，在无人机动力需求的判定过程中，当需求功率大于极限功率(在数值上大于第二功率)时，所述控制器发出报警信号。
优选地，还包括在开始工作前对动力控制系统的初始化过程。
本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
本发明以燃油发电系统作为无人机的主动力源，以可充电锂电池作为辅助动力源，在无人机启动以及短时大负载情况下提供辅助动力，并为控制器供电，确保无人机动力来源的稳定可靠，飞行动力不中断，续航能力强，反应速度快，相比于传统的并联式混动动力系统，简化了无人机动力结构、减轻了无人机重量，且维护更简单便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述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它的附图，其中：
图1是本发明实施例1中动力控制系统的动力供应及信号传输示意图；
图2是本发明实施例1中动力控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1和图2，一种混动无人机的动力控制系统，包括燃油发电系统、AC/DC整流电路、电动机、辅助动力模块和控制器。
所述燃油发电系统包括燃油发动机和发电机，用于通过燃烧油气提供三相交流电，所述发电机通过AC/DC整流电路输出稳定的直流电，直流母线(即前述稳定直流电的输出线路)连接电动机作为无人机的主要动力源。
所述辅助动力模块包括锂电池和充放电电路，所述锂电池通过充放电电路连接直流母线，用于实现锂电池充电蓄能或放电作为无人机的辅助动力源，所述锂电池还通过充放电电路向所述控制器供电。
所述控制器包括控制模块、信号调理模块和无线通信模块，所述信号调理模块连接AC/DC整流电路、锂电池和电动机，用于采集无人机飞行过程中各部件的运行数据；所述无线通信模块用于实现地面与无人机之间的信号传输，包括接收来自地面的控制指令以及发送无人机的实时飞行参数等；所述控制模块作为整个动力控制系统的核心，用于判定无人机的动力运行模式，并依照运行模式向燃油发电系统、AC/DC整流电路和充放电电路发出控制信号以改变无人机的动力来源，所述控制模块还作为通信核心，配合完成无人机与外部的通信功能。
在本实施例中，所述电动机的输入侧设有调速器，所述调速器连接所述信号调理模块和直流母线。
在本实施例中，所述锂电池带有BMS电池管理系统。
无人机的动力供应过程如下：
燃油发动机通过燃烧油气带动发电机产生三相交流电，经过AC/DC整流电路对三相交流电进行整流，然后经过稳压电路，得到稳定的直流电，该直流电作为直流母线连接电动机，为无人机提供主要动力。锂电池通过充放电电路连接在直流母线上，可作为动力电池也可作为储能电池，为控制器供电的同时也为无人机提供辅助动力。
本实施例中混动无人机的动力控制系统的工作过程如下：
1)对系统进行初始化；
2)所述控制器通过无线通信模块接收来自地面的控制指令；
3)对无人机的动力需求进行判定：
当动力需求小于2kW且锂电池电量充足时，判定无人机进入纯电模式，燃油发电系统处于怠速工作状态，锂电池作为动力来源，锂电池通过充放电电路和直流母线向电动机供电；
当锂电池电量不足，或当动力需求处于2kW和5kW之间时，判定无人机进入充电模式，燃油发电系统作为动力来源，发电机处于额定转速工作状态并通过AC/DC整流电路和直流母线向电动机供电，同时还通过充放电电路向锂电池充电，保证锂电池电量充足；
当动力需求处于5kW和9kW之间时，判定无人机进入混动模式，燃油发电系统和锂电池共同作为动力来源，发电机处于额定转速工作状态，发电机和锂电池同时向电动机供电；
当动力需求大于9kW时，所述控制器发出报警信号；
3)根据判定结果对应设定无人机动力运行模式，所述控制器反馈转速信号给燃油发电系统以控制发电机的发电量，同时控制器通过数字输出端口输出PWM信号，该PWM信号通过功率半导体器件驱动板控制AC/DC整流电路和锂电池充放电电路的工作状态；
4)在飞行过程中，所述控制器通过信号调理模块采集无人机各部件的运行数据，然后对采集到的数据参数进行处理，最后通过无线通信模块将数据传回地面进行展示并存储。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种混动无人机的动力控制系统，其特征在于，包括燃油发电系统、AC/DC整流电路、电动机、辅助动力模块和控制器；
所述燃油发电系统包括燃油发动机和发电机，用于通过燃烧油气提供三相交流电，所述发电机通过AC/DC整流电路输出稳定的直流电，直流母线连接电动机作为无人机的主要动力源；
所述辅助动力模块包括锂电池和充放电电路，所述锂电池通过充放电电路连接直流母线，用于实现锂电池充电蓄能或放电作为无人机的辅助动力源，所述锂电池还通过充放电电路向所述控制器供电；
所述控制器用于判定无人机的动力运行模式，并根据判定结果向燃油发电系统、AC/DC整流电路和充放电电路发出控制信号以改变无人机的动力来源。
2.根据权利要求1所述混动无人机的动力控制系统，其特征在于，所述控制器还包括信号调理模块和无线通信模块，所述信号调理模块用于采集无人机飞行过程中各部件的运行数据，所述无线通信模块用于实现地面与无人机之间的信号传输。
3.根据权利要求2所述混动无人机的动力控制系统，其特征在于，所述电动机的输入侧设有调速器，所述调速器连接所述信号调理模块和直流母线。
4.根据权利要求2所述混动无人机的动力控制系统，其特征在于，所述锂电池带有BMS电池管理系统。
5.一种基于权利要求2～4中任意一项所述系统的混动无人机的动力控制方法，其特征在于，包括如下过程：
1)所述控制器通过无线通信模块接收来自地面的控制指令；
2)对无人机的动力需求进行判定：
当动力需求小于第一功率且锂电池电量充足时，判定无人机进入纯电模式，燃油发电系统处于怠速工作状态，锂电池通过充放电电路和直流母线向电动机供电；
当锂电池电量不足，或当动力需求处于第一功率和第二功率之间时，判定无人机进入充电模式，燃油发电系统处于额定转速工作状态，发电机通过AC/DC整流电路和直流母线向电动机供电，同时还通过充放电电路向锂电池充电；
当动力需求大于第二功率时，判定无人机进入混动模式，燃油发电系统处于额定转速工作状态，发电机和锂电池同时向电动机供电；
3)根据具体判定结果，所述控制器反馈转速信号给燃油发电系统以控制发电机的发电量，同时向AC/DC整流电路和锂电池充放电电路输出PWM信号以调整二者的工作状态。
6.根据权利要求5所述混动无人机的动力控制方法，其特征在于，还包括对无人机飞行状态的实时监控；所述控制器通过信号调理模块采集无人机飞行过程中各部件的运行数据，然后对采集到的数据参数进行处理，最后通过无线通信模块将数据传回地面进行展示并存储。
7.根据权利要求6所述混动无人机的动力控制方法，其特征在于，在无人机动力需求的判定过程中，当需求功率大于极限功率时，所述控制器发出报警信号。
8.根据权利要求7所述混动无人机的动力控制方法，其特征在于，还包括在开始工作前对动力控制系统的初始化过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200414 |