CN112706929B - 一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法，包括：第一推进电机、第一螺旋桨、第一ISG电机、第一ISG电机离合器、第二螺旋桨、功率控制器、电池包、传动轴、第三螺旋桨、第二ISG电机离合器、第二ISG电机、第四螺旋桨、第二推进电机、第一小锥齿轮组、传动轴锥齿轮组、第二小锥齿轮组、主螺旋桨、主螺旋桨离合器、燃油发动机、传动轴离合器；本发明结合了燃油推进和纯电推进的优点，具有多种混合推进模式，能有效提高固定翼无人机的整机航程。

Description

一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法

技术领域

本发明属于混合动力系统技术领域，具体指代一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法。

背景技术

随着新能源技术的不断发展，涌现出了较多形式的以新能源为基础的动力形式，如采用电化学电池的纯电动驱动系统、采用内燃机和电机协同工作的混合驱动系统、采用以氢能源为储能形式的燃料电池驱动系统等；其中混合驱动系统发展最为成熟，其又分为了串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力。上述新能源驱动形式近十年在车辆上得到了较为广泛的应用和发展，但是作为飞行器尤其是固定翼无人机仍然是以内燃机推进为最主要的驱动形式，所以以新能源动力为推进形式的固定翼无人机较有较大的研究前景。

对于固定翼无人机而言，机身重量严重影响无人机的整机性能，而目前电化学电池虽然得到了一定的发展，但是在能量密度仍然和燃油存在较大差距，所以若采用纯电动推进，在相同航程的情况下纯电动无人机的重量会较燃油无人机大大增加，所以就现阶段而言采用纯电推进不是一个较为优秀的方案。

目前无人机一般以侦查和搜救为主，所以机身体积较小，但是现阶段燃料电池反应堆栈的体积仍然较大，所以并不能很好地适用于固定翼无人机。混合动力系统能较好地使内燃机和电动机协同工作，在保证内燃机工作在高效区间的同时提供较大的推进力，并且还能在电池电量充足的情况下以纯电进行推进，兼具了内燃机和电动机的驱动特点，因为混合动力系统的电池容量较小，所以整套系统质量增加不大，能较好地适配于固定翼无人机。目前适配于车辆的混合动力系统较多，但是以固定翼无人机为平台的混合动力系统研究较少，且因为汽车和飞机的驱动形式不同，不能照搬车载混合动力系统结构，所以设计一种固定翼无人机用混合动力系统结构及推进模式显得至关重要。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种固定翼无人机用混合动力系统及推进方法，以提高固定翼无人机动力系统的能量利用效率；本发明结合了燃油推进和纯电推进的优点，具有多种混合推进模式，能有效提高固定翼无人机的整机航程。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种固定翼无人机用混合动力系统，包括：第一推进电机、第一螺旋桨、第一ISG电机、第一ISG电机离合器、第二螺旋桨、功率控制器、电池包、传动轴、第三螺旋桨、第二ISG电机离合器、第二ISG电机、第四螺旋桨、第二推进电机、第一小锥齿轮组、传动轴锥齿轮组、第二小锥齿轮组、主螺旋桨、主螺旋桨离合器、燃油发动机、传动轴离合器；

所述第一推进电机、第二推进电机分别设于左、右机翼的端部，且二者的前端分别与第一螺旋桨、第四螺旋桨连接；

所述功率控制器通过电线分别与第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机、第二ISG电机和电池包相连接，功率控制器根据当前无人机状态和需求功率控制电池包的充放电功率和电机推进功率；

第一ISG电机、第二ISG电机分别设于左、右机翼内靠近机身侧，第一ISG电机的一端通过第一ISG电机离合器与第二螺旋桨连接，另一端与第一小锥齿轮组的一端连接；第二ISG电机的一端通过第二ISG电机离合器与第三螺旋桨连接，另一端与第二小锥齿轮组的一端连接；所述第一小锥齿轮组、第二小锥齿轮组的另一端分别与传动轴刚性连接；

所述传动轴锥齿轮组的输入齿轮与传动轴离合器一端相连，传动轴锥齿轮组的输出齿轮与传动轴刚性连接，传动轴离合器的另一端与燃油发动机的曲轴前端连接，燃油发动机的曲轴后端与主螺旋桨离合器的一端相连接，主螺旋桨离合器的另一端与主螺旋桨相连接；所述功率控制器、电池包、传动轴锥齿轮组、传动轴离合器、主螺旋桨离合器、燃油发动机均设于机身中；所述主螺旋桨位于机身尾部。

进一步地，主螺旋桨离合器接合时，燃油发动机传输动力给主螺旋桨，从而产生推进力。

进一步地，传动轴离合器接合时，燃油发动机动力传输给传动轴。

进一步地，当第一、第二ISG电机离合器接合时，第二、第三螺旋桨与第一、第二ISG电机同速转动，当第一、第二ISG电机离合器断开时，第一、第二ISG电机用作发电机，发出电量经功率控制器输送给第一、第二推进电机或/及电池包，且第二、第三螺旋桨停止转动。

进一步地，所述第一小锥齿轮组、第二小锥齿轮组的转速相同。

本发明的一种固定翼无人机用混合动力系统的推进方法，包括：

并联式混合推进模式：传动轴离合器断开，实现ISG电机与燃油发动机结构上解耦，功率控制器根据当前无人机所需功率大小从电池包获取能量，并对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，同时第一、第二ISG电机离合器结合，四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，燃油发动机处于工作状态，主螺旋桨离合器接合，驱动主螺旋桨转动，无人机处于最大功率输出状态；

串联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机通过传动轴和传动轴锥齿轮组驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨不转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器给第一推进电机、第二推进电机供电，以驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨转动；

混联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器接合，主螺旋桨转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器一起给第一推进电机、第二推进电机供电，驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨；

纯电推进模式：传动轴离合器断开，ISG电机与燃油发动机在结构上进行解耦，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器接合，电池包的电能通过功率控制器对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，此时四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，同时燃油发动机停止，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨停止转动；

纯燃油推进模式：主螺旋桨离合器结合，燃油发动机驱动主螺旋桨转动以提供推进力；第一推进电机、第二推进电机停止工作，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第一、第二、第三、第四螺旋桨停止转动，传动轴离合器根据发动机需求功率控制接合和断开，当燃油发动机需求功率大时，传动轴离合器断开，不驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动发电，当燃油发动机需求功率小时，传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动以提高负荷率，发出电量通过功率控制器给电池包充电。

在并联式混合推进模式下，无人机的动力由燃油和电能供给，燃油发动机的输出功率小于无人机所需功率，燃油消耗量有所减少，从而达到节能的目的(适用于起飞等大功率需求阶段)；

串联式混合推进模式下，燃油发动机可以控制在高效工作区间内平稳运行，从而减少燃油消耗量(此模式适用于电池电量中等且无人机需求功率不高的情况)；

混联式混合推进模式下，燃油发动机驱动主螺旋桨转动满足无人机较高的需求功率，且因为燃油发动机驱动主螺旋桨转动的同时驱动ISG电机转动，负荷率较高，运行效率也较高；且可通过控制主螺旋桨离合器的接合和断开切换无人机混合推进系统的串/混联推进模式，在实现上较为容易(此模式适用于电池电量中等且无人机需求功率较高的情况)；

纯电推进模式下，采用纯电进行推进，可使无人机具有零排放和小噪声的飞行特点(此模式适用于电池电量较高的情况)；

纯燃油推进模式适用于电池电量较低的情况。

本发明的有益效果：

1、本发明采用了燃油发动机和电机双能量驱动供给方式给无人机提供推进力，其中燃油发动机和电机既可单独工作又能协同工作，纯燃油驱动时可以为电池充电，增加发动机的负荷率以提高燃油经济性，纯电驱动时达到零燃油消耗和零排放效果，协同工作时能使电机和发动机在最佳工作区间运行且能提供较大推进力保证飞机的功率需求。本发明兼顾了无人机的动力性、燃油经济性。

2、本发明采用了两个ISG电机，通过离合器的结合和断开，在驱动模式下可以和发动机实现解耦，减小阻力从而减小电量消耗，在发电模式下可以和第二、第三螺旋桨解耦，从而减小发动机的阻力，减小发动机的燃油消耗量。

3、本发明结构较为简单，只需控制推进电动机、ISG电机、发动机以及四个离合器的结合和断开即可实现推进模式的高效切换，并且由于系统零部件较少，可以有效降低混合动力系统的重量和提高运行可靠性。

附图说明

图1为本发明混合动力系统结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种固定翼无人机用混合动力系统，包括：第一推进电机1、第一螺旋桨2、第一ISG电机3、第一ISG电机离合器4、第二螺旋桨5、功率控制器6、电池包7、传动轴8、第三螺旋桨9、第二ISG电机离合器10、第二ISG电机11、第四螺旋桨12、第二推进电机13、第一小锥齿轮组14、传动轴锥齿轮组15、第二小锥齿轮组16、主螺旋桨17、主螺旋桨离合器18、燃油发动机19、传动轴离合器20；

所述第一推进电机1、第二推进电机13分别设于左、右机翼的端部，且二者的前端分别与第一螺旋桨2、第四螺旋桨12连接；

所述功率控制器6通过电线分别与第一推进电机1、第二推进电机13、第一ISG电机3、第二ISG电机11和电池包7相连接，功率控制器根据当前无人机状态和需求功率控制电池包的充放电功率和电机推进功率；

第一ISG电机3、第二ISG电机11分别设于左、右机翼内靠近机身侧，第一ISG电机3的一端通过第一ISG电机离合器4与第二螺旋桨5连接，另一端与第一小锥齿轮组14的一端连接；第二ISG电机11的一端通过第二ISG电机离合器10与第三螺旋桨9连接，另一端与第二小锥齿轮组16的一端连接；所述第一小锥齿轮组14、第二小锥齿轮组16的另一端分别与传动轴8刚性连接；

所述传动轴锥齿轮组15的输入齿轮与传动轴离合器20一端相连，传动轴锥齿轮组15的输出齿轮与传动轴8刚性连接，传动轴离合器20的另一端与燃油发动机19的曲轴前端连接，燃油发动机19的曲轴后端与主螺旋桨离合器18的一端相连接，主螺旋桨离合器18的另一端与主螺旋桨17相连接；所述功率控制器6、电池包7、传动轴锥齿轮组15、传动轴离合器20、主螺旋桨离合器18、燃油发动机19均设于机身中；所述主螺旋桨17位于机身尾部。

其中，主螺旋桨离合器18接合时，燃油发动机19传输动力给主螺旋桨17，从而产生推进力。

传动轴离合器20接合时，燃油发动机19动力传输给传动轴8。

当第一、第二ISG电机离合器接合时，第二、第三螺旋桨与第一、第二ISG电机同速转动，当第一、第二ISG电机离合器断开时，第一、第二ISG电机用作发电机，发出电量经功率控制器输送给第一、第二推进电机或/及电池包，且第二、第三螺旋桨停止转动。

其中，所述第一小锥齿轮组14、第二小锥齿轮组16的转速相同。

本发明的一种固定翼无人机用混合动力系统的推进方法，基于上述系统，包括：

并联式混合推进模式：传动轴离合器断开，实现ISG电机与燃油发动机结构上解耦，功率控制器根据当前无人机所需功率大小从电池包获取能量，并对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，同时第一、第二ISG电机离合器结合，四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，燃油发动机处于工作状态，主螺旋桨离合器接合，驱动主螺旋桨转动，无人机处于最大功率输出状态；在并联式混合推进模式下，无人机的动力由燃油和电能供给，燃油发动机的输出功率小于无人机所需功率，燃油消耗量有所减少，从而达到节能的目的(适用于起飞等大功率需求阶段)；

串联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机通过传动轴和传动轴锥齿轮组驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨不转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器给第一推进电机、第二推进电机供电，以驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨转动；串联式混合推进模式下，燃油发动机可以控制在高效工作区间内平稳运行，从而减少燃油消耗量(此模式适用于电池电量中等且无人机需求功率不高的情况)；

混联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器接合，主螺旋桨转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器一起给第一推进电机、第二推进电机供电，驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨；混联式混合推进模式下，燃油发动机驱动主螺旋桨转动满足无人机较高的需求功率，且因为燃油发动机驱动主螺旋桨转动的同时驱动ISG电机转动，负荷率较高，运行效率也较高；且可通过控制主螺旋桨离合器的接合和断开切换无人机混合推进系统的串/混联推进模式，在实现上较为容易(此模式适用于电池电量中等且无人机需求功率较高的情况)；

纯电推进模式：传动轴离合器断开，ISG电机与燃油发动机在结构上进行解耦，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器接合，电池包的电能通过功率控制器对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，此时四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，同时燃油发动机停止，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨停止转动；纯电推进模式下，采用纯电进行推进，可使无人机具有零排放和小噪声的飞行特点(此模式适用于电池电量较高的情况)；

纯燃油推进模式：主螺旋桨离合器结合，燃油发动机驱动主螺旋桨转动以提供推进力；第一推进电机、第二推进电机停止工作，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第一、第二、第三、第四螺旋桨停止转动，传动轴离合器根据发动机需求功率控制接合和断开，当燃油发动机需求功率大时，传动轴离合器断开，不驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动发电，当燃油发动机需求功率小时，传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动以提高负荷率，发出电量通过功率控制器给电池包充电；纯燃油推进模式适用于电池电量较低的情况。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固定翼无人机用混合动力系统，其特征在于，包括：第一推进电机、第一螺旋桨、第一ISG电机、第一ISG电机离合器、第二螺旋桨、功率控制器、电池包、传动轴、第三螺旋桨、第二ISG电机离合器、第二ISG电机、第四螺旋桨、第二推进电机、第一小锥齿轮组、传动轴锥齿轮组、第二小锥齿轮组、主螺旋桨、主螺旋桨离合器、燃油发动机、传动轴离合器；

所述第一推进电机、第二推进电机分别设于左、右机翼的端部，且二者的前端分别与第一螺旋桨、第四螺旋桨连接；

所述功率控制器通过电线分别与第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机、第二ISG电机和电池包相连接，功率控制器根据当前无人机状态和需求功率控制电池包的充放电功率和电机推进功率；

第一ISG电机、第二ISG电机分别设于左、右机翼内靠近机身侧，第一ISG电机的一端通过第一ISG电机离合器与第二螺旋桨连接，另一端与第一小锥齿轮组的一端连接；第二ISG电机的一端通过第二ISG电机离合器与第三螺旋桨连接，另一端与第二小锥齿轮组的一端连接；所述第一小锥齿轮组、第二小锥齿轮组的另一端分别与传动轴刚性连接；

所述传动轴锥齿轮组的输入齿轮与传动轴离合器一端相连，传动轴锥齿轮组的输出齿轮与传动轴刚性连接，传动轴离合器的另一端与燃油发动机的曲轴前端连接，燃油发动机的曲轴后端与主螺旋桨离合器的一端相连接，主螺旋桨离合器的另一端与主螺旋桨相连接；所述功率控制器、电池包、传动轴锥齿轮组、传动轴离合器、主螺旋桨离合器、燃油发动机均设于机身中；所述主螺旋桨位于机身尾部。

2.根据权利要求1所述的固定翼无人机用混合动力系统，其特征在于，主螺旋桨离合器接合时，燃油发动机传输动力给主螺旋桨，从而产生推进力。

3.根据权利要求1所述的固定翼无人机用混合动力系统，其特征在于，传动轴离合器接合时，燃油发动机动力传输给传动轴。

4.根据权利要求1所述的固定翼无人机用混合动力系统，其特征在于，当第一、第二ISG电机离合器接合时，第二、第三螺旋桨与第一、第二ISG电机同速转动，当第一、第二ISG电机离合器断开时，第一、第二ISG电机用作发电机，发出电量经功率控制器输送给第一、第二推进电机或/及电池包，且第二、第三螺旋桨停止转动。

5.根据权利要求1所述的固定翼无人机用混合动力系统，其特征在于，所述第一小锥齿轮组、第二小锥齿轮组的转速相同。

6.一种固定翼无人机用混合动力系统的推进方法，其特征在于，包括：

并联式混合推进模式：传动轴离合器断开，实现ISG电机与燃油发动机结构上解耦，功率控制器根据当前无人机所需功率大小从电池包获取能量，并对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，同时第一、第二ISG电机离合器结合，四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，燃油发动机处于工作状态，主螺旋桨离合器接合，驱动主螺旋桨转动，无人机处于最大功率输出状态；

串联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机通过传动轴和传动轴锥齿轮组驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨不转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器给第一推进电机、第二推进电机供电，以驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨转动；

混联式混合推进模式：传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动用以发电，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第二螺旋桨、第三螺旋桨停止转动，主螺旋桨离合器接合，主螺旋桨转动，此时第一ISG电机、第二ISG电机和电池包的电能通过功率控制器一起给第一推进电机、第二推进电机供电，驱动第一螺旋桨、第四螺旋桨；

纯电推进模式：传动轴离合器断开，ISG电机与燃油发动机在结构上进行解耦，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器接合，电池包的电能通过功率控制器对第一推进电机、第二推进电机、第一ISG电机及第二ISG电机供电，此时四个电机驱动各自连接的螺旋桨转动，同时燃油发动机停止，主螺旋桨离合器断开，主螺旋桨停止转动；

纯燃油推进模式：主螺旋桨离合器结合，燃油发动机驱动主螺旋桨转动以提供推进力；第一推进电机、第二推进电机停止工作，第一ISG电机离合器、第二ISG电机离合器断开，第一、第二、第三、第四螺旋桨停止转动，传动轴离合器根据发动机需求功率控制接合和断开，当燃油发动机需求功率大时，传动轴离合器断开，不驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动发电，当燃油发动机需求功率小时，传动轴离合器接合，燃油发动机驱动第一ISG电机及第二ISG电机转动以提高负荷率，发出电量通过功率控制器给电池包充电。

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