CN112821537A - 一种新型的无人机标准模块与拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
一种新型的无人机标准模块与拓扑结构，包括：光伏、PVCM、蓄电池、POM、稳压母线和负载，其中，所述光伏和所述PVCM连接，所述PVCM与所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述POM连接，所述稳压母线分别与所述POM和所述负载连接。本申请益处为：长时间滞空型无人机为凝视监控、通讯中继等行业带来颠覆性的发展，本系统着力于新型无人机能源供给与调配的研究，促进这方面的发展；兼顾了不同工作状况的要求，飞行器飞行过程中，环境因素是复杂多变的，工作环境的改变、光伏和负荷功率波动、参数摄动、传感器测量误差等因素均会影响飞行器的正常飞行。本系统采用稳定性高的硬件设施，为不同工况的下使用增加了稳定性。
Description
技术领域
本发明属于能源系统技术领域，具体涉及一种新型的无人机标准模块与拓扑结构。
背景技术
能源系统是太阳能无人飞行器的“心脏”，是保障飞行器高效运行、充分发挥其功能的基础。可再生能源动力系统由于可利用外部环境自制能量，理论上续航时间几乎不受限制，这就为凝视监控、通讯中继等行业带来颠覆性的发展。太阳能无人飞行器白天的能量来源为太阳能，夜间能量来源为储能电池白天存储的能量，但储能电池组供电能力不足、应对多变条件能力不足、边界条件限制、随机干扰因素过多等原因限制了系统跨昼夜运行时间。同时整套系统还面临着各式各样扰动的影响，在飞行器飞行过程中，环境因素是复杂多变的，工作环境的改变、光伏和负荷功率波动、参数摄动、传感器测量误差等因素均会影响飞行器的正常飞行。大多数系统为单路设计或串联设计，在其中一项损坏后会导致整个系统停机，容错率非常低。现有系统同时存在输出功率范围不够广、输出功率调节精度不够高等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新型的无人机标准模块与拓扑结构，包括：光伏、PVCM、蓄电池、POM、稳压母线和负载，其中，所述光伏和所述PVCM连接，所述PVCM与所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述POM连接，所述稳压母线分别与所述POM和所述负载连接。
优选地，所述光伏的数量为3。
优选地，所述PVCM的数量为3。
优选地，所述POM的数量为3。
优选地，所述PVCM包括：输入滤波电路、Boost电路、EMI滤波电路、采样电路、驱动IC、MCU和辅助电源，其中，所述Boost电路分别和所述输入滤波电路、所述EMI滤波电路、所述采样电路和所述驱动IC连接，所述驱动IC分别与所述采样电路和所述辅助电源连接，所述MCU分别与所述采样电路和所述辅助电源连接。
优选地，所述POM的电压范围为125V-150V。
优选地，所述采样电路包括ACS730采样器。
本申请突破外界干扰与内部元件不确定性共存条件下的系统能量在线分配问题，实现了不同负载条件下的功率自动分配，保证能源系统长时间可靠运行，其益处如下：长时间滞空型无人机为凝视监控、通讯中继等行业带来颠覆性的发展，本系统着力于新型无人机能源供给与调配的研究，促进这方面的发展；兼顾了不同工作状况的要求，飞行器飞行过程中，环境因素是复杂多变的，工作环境的改变、光伏和负荷功率波动、参数摄动、传感器测量误差等因素均会影响飞行器的正常飞行。本系统采用稳定性高的硬件设施，为不同工况的下使用增加了稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种新型的无人机标准模块与拓扑结构的示意图；
图2为本发明提供的一种新型的无人机标准模块与拓扑结构中PVCM硬件结构框图；
图3为本发明提供的一种新型的无人机标准模块与拓扑结构中扰动观察法控制流程示意图；
图4为本发明提供的一种新型的无人机标准模块与拓扑结构中POM功率均分控制框图；
图5为本发明提供的一种新型的无人机标准模块与拓扑结构中ACS730采样器原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-5，在本申请实施例中，本发明提供了一种新型的无人机标准模块与拓扑结构，包括：光伏、PVCM、蓄电池、POM、稳压母线和负载，其中，所述光伏和所述PVCM连接，所述PVCM与所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述POM连接，所述稳压母线分别与所述POM和所述负载连接。
在本申请实施例中，所述光伏的数量为3。
在本申请实施例中，所述PVCM的数量为3。
在本申请实施例中，所述POM的数量为3。
在本申请实施例中，所述PVCM包括：输入滤波电路、Boost电路、EMI滤波电路、采样电路、驱动IC、MCU和辅助电源，其中，所述Boost电路分别和所述输入滤波电路、所述EMI滤波电路、所述采样电路和所述驱动IC连接，所述驱动IC分别与所述采样电路和所述辅助电源连接，所述MCU分别与所述采样电路和所述辅助电源连接。
在本申请实施例中，所述POM的电压范围为125V-150V。
在本申请实施例中，所述采样电路包括ACS730采样器。
本发明通过系统拓扑设计、能源管理模块研发以及功率均衡控制策略研究，突破外界干扰与内部元件不确定性共存条件下的系统能量在线分配问题，实现了不同负载条件下的功率自动分配，保证能源系统长时间可靠运行。
针对PVCM输入电压较低，且输入电压范围较宽的应用特点，其功率开关管的电流应力较大，如何在高频化应用时，特别是采用GaN功率器件之后，提高功率开关管的可靠性和降低其损耗是需要解决的核心问题，为此，开展相关高频高效率的电路拓扑研究，从理论上解决高频化、小型化带来的一系列问题，为后续开展工程化样机研究提供理论基础。
前级PVCM的硬件电路框图如图2所示件，电路主要包括：Boost升压主电路、输入输出滤波电路、采样电路、PWM驱动控制电路、处理器控制电路和辅助电源电路，输入电压≥20V范围内可调，实际输入电压为光伏电压，考虑实际光伏温度±70℃，输入电压范围内62-86V；输出电压为蓄电池电压，根据储能设计结果为70-96.8V。PVCM给储能电池充电时，PVCM可实时监测电池电压，当电池电压达到96.8V，软件自动控制PVCM停止工作。PVCM限制电池充电电流不超过3.5A，防止电池过冲。接口采用三路独立输入、三路独立输出，通讯通道双485，对三路的输入输出电压以及输入电流分别进行采样。
太阳能电池阵列在原有的基础上进行了改进，子阵列数量原来为18个，现在合并为12个，每2个或3个子阵接一个PVCM的单通道，太阳电池阵面密度520g/m2。
储能电池最低电压为70V。储能电池总重18.35kg；总能量7.2kWh，输出功率为1.44kW。六通道总电流21A(单通道3.5A)。单体电池比能量450wh/kg，单体容量15Ah。组合比能量395Wh/kg，循环次数不少于15圈，15圈后能量保持率95％。
为保证电流采样输出电压满足控制MCU的ADC采样通道电压范围要求，电流采样芯片输出电压经过差分放大电路进行电压范围调整，最后再传送至控制MCU的ADC采样通道。ACS730采样典型应用原理图如附图5所示。
为了保证开关器件的性能，采用型宽禁带开关管代替传统硅管。GaN材料饱和电子漂移速度快、临界击穿电场大、化学性质稳定，基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快等特点，适合高频应用场景。具有可靠散热、可靠驱动。
对于光伏电池的控制，为了实现MPPT功能，采用了扰动观察法。其流程如附图3所示。可通过控制电压的方法让光伏电池达到最大功率点。依据了以下公式：
当dP>dU时，工作点在最大功率点左边，需要增加工作电压；
当dP<dU时，工作点在最大功率点右边，需要减少工作电压；
当dP＝dU时，达到最大功率点。
后级硬件情况(基于高频、高效、高可靠应用需求的POM电源模块拓扑研究)
针对POM输出电压固定，电池电压和电流波动较大等问题，解决双向宽电压/电流范围下的高效变换问题，为此，研究适用于较高电压和功率下的高效高频化电路拓扑，特别是针对高电压差、隔离应用需求，构建新型LLC隔离软开关类拓扑应用并寻找存在的问题。
本项目从标准化、模块化的设计理念出发，制作了前级PVCM和后级POM通用板，其主功率回路、采样电路以及驱动电路与前级PVCM类似。
为便于无人机飞行控制系统对底层电源系统的电气参数进行实时监测并针对异常情况采取相应的应急措施，通用板设计了485通讯模块以及CAN通讯模块，为保证数据帧传输的稳定性，设计外围共模干扰信号抑制电路，保证数据传输的正确性及可靠性。
为实现后级POM在不同输入电压条件下的功率均分，本项目采用电压电流双PI闭环控制结构，外部电压环设定参考电压基准Vref，通过采样检测输出电压Vout，基准电压Vref与实际电压Vout的误差信号Verr作为PI控制的输入信号；电压外环的输出信号Pref作为内环的给定信号，通过采样检测三路独立模块的输入电压Vin1、Vin2、Vin3，将Pref/Vin1、Pref/Vin2、Pref/Vin3分别作为三路电流内环的给定，通过分别检测三路输入电流信号Iin1、Iin2、Iin3，电流内环给定信号与电流检测信号的误差作为PI控制的输入信号，三个电流内环的输出信号分别作为三路模块的占空比D控制信号，从而实现了POM三个模块在不同输入电压条件下的功率均分功能。控制系统的结构框图如附图4所示。
数字控制由于具有结构灵活、系统可升级、可适应不同硬件平台等优点成为电源系统的核心技术，本课题拟开展高频下的实时数字控制方法研究，并进一步提高数字控制实时性和可靠性的数字控制方法，为后续相关系统的数字化、智能化提供理论基础。
在主拓补结构图中可以看到，考虑到模块发生故障的可能性，本新型无人机
标准模块与拓扑结构技术在原来系统单路或串联的基础上采用了三路并联的系统设计。从图中可以看到，对光伏电池进行分组，分为三组，每组分别接一个PVCM半桥模块，PVCM半桥模块采用标准化制造，每个模块相同可以通用。三个PVCM半桥模块采用扰动观察法对光伏电池进行控制，以实现MPPT功能。输入的电能共同为蓄电池充电或者为整套系统供电。同时后级模块中，三个POM半桥模块并联，三进一出，为135V稳压母线供电，实现不同输入电压下的功率均分。
本专利的有益效果：
本发明的主要目的是研发一套多模块并联式能源管理系统(POM)，通过系统拓扑设计、能源管理模块研发以及功率均衡控制策略研究，突破外界干扰与内部元件不确定性共存条件下的系统能量在线分配问题，实现了不同负载条件下的功率自动分配，保证能源系统长时间可靠运行，其益处如下：长时间滞空型无人机为凝视监控、通讯中继等行业带来颠覆性的发展，本系统着力于新型无人机能源供给与调配的研究，促进这方面的发展；兼顾了不同工作状况的要求，飞行器飞行过程中，环境因素是复杂多变的，工作环境的改变、光伏和负荷功率波动、参数摄动、传感器测量误差等因素均会影响飞行器的正常飞行。本系统采用稳定性高的硬件设施，为不同工况的下使用增加了稳定性。
在兼顾成本考虑的情况下，采用三路并联的前后级设置。提高了整套系统的容错率，即使在一个模块发生故障的情况下，整套系统依然能在其他两套模块的供给下工作，不至于造成设备的停机以至于损坏，发生潜在的生命财产安全问题。
整套系统兼顾了维护保养的便捷性，前后级采用模块化制造，相同作用的模块内部结构相同，这样维护起来更加方便。
系统在设计过程中考虑了不同功率器件接入功能系统的功率分配问题，实现不同输入电压条件下的功率均分功能。
本申请突破外界干扰与内部元件不确定性共存条件下的系统能量在线分配问题，实现了不同负载条件下的功率自动分配，保证能源系统长时间可靠运行，其益处如下：长时间滞空型无人机为凝视监控、通讯中继等行业带来颠覆性的发展，本系统着力于新型无人机能源供给与调配的研究，促进这方面的发展；兼顾了不同工作状况的要求，飞行器飞行过程中，环境因素是复杂多变的，工作环境的改变、光伏和负荷功率波动、参数摄动、传感器测量误差等因素均会影响飞行器的正常飞行。本系统采用稳定性高的硬件设施，为不同工况的下使用增加了稳定性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (7)
1.一种新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，包括：光伏、PVCM、蓄电池、POM、稳压母线和负载，其中，所述光伏和所述PVCM连接，所述PVCM与所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述POM连接，所述稳压母线分别与所述POM和所述负载连接。
2.根据权利要求1所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述光伏的数量为3。
3.根据权利要求1所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述PVCM的数量为3。
4.根据权利要求1所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述POM的数量为3。
5.根据权利要求1所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述PVCM包括：输入滤波电路、Boost电路、EMI滤波电路、采样电路、驱动IC、MCU和辅助电源，其中，所述Boost电路分别和所述输入滤波电路、所述EMI滤波电路、所述采样电路和所述驱动IC连接，所述驱动IC分别与所述采样电路和所述辅助电源连接，所述MCU分别与所述采样电路和所述辅助电源连接。
6.根据权利要求1所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述POM的电压范围为125V-150V。
7.根据权利要求5所述的新型的无人机标准模块与拓扑结构，其特征在于，所述采样电路包括ACS730采样器。
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