CN114172251B - 一种中小型无人直升机配电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中小型无人直升机的配电系统，包括供电单元和配电管理机；供电单元由发电机、蓄电池和地面电源组成，配电管理机对配电系统进行一次分配，将供电单元的电能分配到汇流条，并对配电系统进行二次分配，将汇流条的电能分配到相应的负载。本发明的一种中小型无人直升机的配电系统，克服了中小型无人直升机配电系统中一次配电以及二次配电无集成性的缺点，实现了汇流条间转电的一次配电与负载控制的二次配电集成化的目的。

Description

一种中小型无人直升机配电系统
技术领域
本发明为一种中小型无人直升机的配电系统，属于配电系统领域。
背景技术
配电系统是从飞机电源汇流条到用电设备输入端的部分，飞机的配电系统由电网、保护装置和配电装置组成，它的作用是将飞机中各不同电源产生的电能传输和分配到各个用电设备上去。
随着飞机的复杂程度逐渐提升，用电设备逐步完善，对飞机配电系统的安全性、可靠性要求不断提高，进而使得配电系统的组成与结构形式越发复杂。目前飞机的配电系统通常分为常规式配电、遥控式配电以及固态式配电三种。
常规式配电系统在技术上已经成熟，应用较为广泛。缺点为电网重量大，空勤人员负担重；遥控式配电系统由于大部分电力线不需要设置在驾驶舱，因而可减轻电网重量，但其缺点是离散控制线过多，自动化程度不高。固态式配电系统采用分布式汇流条和负载自动管理技术，用电设备可以就近与配电汇流条相连，由计算机通过总线传递控制信号和状态信息，经过相关控制器对负载进行控制和保护，可减轻导线重量以及飞行人员的负担，自动化程度较高，缺点是只能单独对负载供电进行二次配电控制，无法将汇流条间的转电过程进行一次配电的控制。
发明内容
本发明的目的在于，克服了中小型无人直升机配电系统中一次配电以及二次配电无集成性的缺点，设计一种中小型无人直升机的配电系统，达到了汇流条间转电的一次配电与负载控制的二次配电集成化的目的。
本发明技术方案：
一种中小型无人直升机的配电系统，包括供电单元和配电管理机；
其特征在于，所述中小型无人直升机的配电系统的供电单元，由发电机、蓄电池和地面电源组成，配电管理机对配电系统进行一次分配，将供电单元的电能分配到汇流条，并对配电系统进行二次分配，将汇流条的电能分配到相应的负载；
所述配电管理机内部包括内部机械组件、SSPC板、CPU板、模拟离散量采集输出板和电源板，所述配电管理机的内部机械组件由转换接触器BTB、蓄电池接触器KM1、发电机接触器GB、二极管V1、V2、蓄电池汇流条以及主电源汇流条组成，所述电源板包括二极管V3、V4、V5；
所述地面电源与中小型无人直升机内部的地面电源接触器EPC正端连接，EPC负端与主电源汇流条连接；蓄电池与KM1正端连接，KM1负端与蓄电池汇流条连接；BTB正端与KM1正端连接，BTB负端与二极管V2正端连接，二极管V2负端与GB的正端连接；发电机与GB的正端连接，GB的负端与主电源汇流条连接；主电源汇流条连接二极管V1的正端，二极管V1的负端连接到蓄电池汇流条；
配电管理机取电连线分别由电源板的V3正端连接到主电源汇流条，电源板的V4正端连接到EPC正端，电源板的V5正端连接到蓄电池汇流条，V3、V4、V5的负端取或，向电源板供电；
CPU板内部由处理器单元、总线通讯单元、模拟离散量采集输出控制单元、数据存储单元和电源部分五个部分，实现逻辑运算、总线通讯、模拟离散量采集、数据记录和供电功能；
模拟离散量采集输出板，将采集的模拟量和离散量发送给CPU板，并接收CPU板发来的模拟离散量采集输出控制信号，实现对各个接触器和SSPC板的控制；
中小型无人直升机的核心负载直接与蓄电池汇流条连接，无人直升机的重要负载通过SSPC板与蓄电池汇流条连接，两种负载均由地面电源、发电机以及蓄电池中的任意一种并网后进行供电，保证负载供电可靠；中小型无人直升机的一般负载经过SSPC板与主电源汇流条连接，由地面电源或发电机并网后进行供电。
其特征在于，所述中小型无人直升机的核心负载为需要直接供电，不能断电的负载；重要负载为由SSPC板控制，允许断电的负载；一般负载为由SSPC控制，允许断电的负载。
其特征在于，配电管理机设有多个电压电流检测点，检测蓄电池汇流条和主电源汇流条的电流，并检测发电机电压，蓄电池汇流条、主电源汇流条的电压，根据检测到的电压和电流数据向飞控机上报电源并网状态，飞控机与配电管理机通过外部CAN总线进行控制命令的下发与数据上报。
其特征在于，所述配电管理机中SSPC板由多路不同额定电流规格的SSPC模块组合而成，每个SSPC模块内部通过MOSFET开关管实现对不同功率负载的通断控制、过流保护控制以及短路保护控制功能，SSPC板通过CAN总线与CPU板进行数据交换。
其特征在于，所述配电系统具有地面工作模式、机上起动工作模式、机上电源正常供电工作模式和应急供电工作模式。
其特征在于，所述地面工作模式为：在地面检查时，由地面电源向配电系统供电，地面电源、蓄电池经过线缆与配电管理机连接，配电管理机通电后通过模拟离散量采集输出板向EPC发出地/开信号，控制EPC接通，地面电源向主电源汇流条供电，主电源汇流条向一般负载供电，V1导通，主电源汇流条向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电。
其特征在于，所述机上起动工作模式为：飞控机向配电管理机下发控制指令，配电管理机断开与EPC的连接，飞机外部发出蓄电池接触器控制信号，闭合KM1，蓄电池向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电，飞控机向配电管理机下发控制指令，使配电管理机向BTB发出地信号，BTB接通，蓄电池向发电机提供励磁电压，发电机励磁发电启动。
其特征在于，所述机上电源正常供电工作模式：当发电机正常运行时，配电管理机控制GB接通，发电机向配电系统供电，飞控机向配电管理机下发起动完成指令，配电管理机断开与BTB的连接，保持KM1接通，发电机向蓄电池充电，使蓄电池处于浮充状态，主电源汇流条向一般负载供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。
其特征在于，所述应急供电工作模式：当发电机不能正常运行时，即配电管理机检测发电机电压异常时，配电管理机将GB断开，保持KM1接通，由蓄电池向配电系统供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。
发明的有益效果：
本发明的一种中小型无人直升机的配电系统，克服了中小型无人直升机配电系统中一次配电以及二次配电无集成性的缺点，实现了汇流条间转电的一次配电与负载控制的二次配电集成化的目的。
附图说明
图1是本发明无人直升机的配电系统结构框图
图2是本发明无人直升机地面工作模式架构图
图3是本发明无人直升机机上起动工作模式架构图
图4是本发明无人直升机机上电源正常供电工作模式架构图
图5是本发明无人直升机应急供电工作模式架构图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。
本发明的中小型无人直升机负载功率的配置需求如表1所示。
表1负载统计表
本发明设计蓄电池容量为1900W，安全飞行时间为0.5小时以上，输出电压为25VDC±1V，因此选取蓄电池的容量为38安时，充电电压为28VDC±0.5V，最大充电电流12A。蓄电池容量计算公式为：
本发明设计选取直流发动机容量为3.0kW，额定转速为3500r/min，转速范围为(2500～6000)r/min，额定电压为28VDC，稳态电压范围为(26～30)VDC，脉动电压＜1.5V。
本发明设计选取地面电源仅在地面维护时使用，地面电源能够提供28V直流电。地面电源为AC/DC转换电源，输入为交流220V/50Hz，输出28VDC，额定功率为2800W。
如图1-2所示，本发明的中小型无人直升机的配电系统，包括发电机、蓄电池、地面电源和配电管理机；中小型无人直升机的配电系统的供电单元由发电机、蓄电池和地面电源组成，配电管理机对配电系统进行一次分配，将供电单元的电能分配到汇流条，并对配电系统进行二次分配，将汇流条的电能分配到相应的负载；所述配电管理机内部包括SSPC板、CPU板、模拟离散量采集输出板和电源板，所述配电管理内部机械组件由转换接触器BTB、蓄电池接触器KM1、发电机接触器GB、二极管V1、V2、蓄电池汇流条以及主电源汇流条组成，所述电源板包括二极管V3、V4、V5；所述地面电源与无人直升机内部的地面电源接触器EPC正端连接，EPC负端与主电源汇流条连接；蓄电池与KM1正端连接，KM1负端与蓄电池汇流条连接；BTB正端与KM1正端连接，BTB负端与二极管V2正端连接，二极管V2负端与GB的正端连接；发电机与GB的正端连接，GB的负端与主电源汇流条连接；主电源汇流条连接二极管V1的正端，二极管V1的负端连接到蓄电池汇流条；配电管理机取电连线分别由电源板的V3正端连接到主电源汇流条，电源板的V4正端连接到EPC正端，电源板的V5正端连接到蓄电池汇流条，V3、V4、V5的负端取或，向电源板供电；
CPU板通过处理器单元、总线通讯单元、模拟离散量采集输出控制单元、数据存储单元和电源部分五个部分，实现逻辑运算、总线通讯、模拟离散量采集、数据记录和供电功能。
模拟离散量采集输出板，将采集的模拟量和离散量发送给CPU板，并接收CPU板发来的模拟离散量采集输出控制信号，实现对各个接触器和SSPC板的控制。
无人直升机的核心负载由直接与蓄电池汇流条连接，无人直升机的重要负载通过SSPC板与蓄电池汇流条连接，两种负载均可由地面电源、发电机以及蓄电池中的任意一种并网后进行供电，保证负载供电可靠；一般负载经过SSPC板与主电源汇流条连接，由地面电源或发电机并网后进行供电。
无人直升机的核心负载为需要直接供电，不能断电的负载；重要负载为由SSPC板控制，可以断电的负载；一般负载为由SSPC控制，可以断电的负载
配电管理机设有多个电压电流检测点，检测蓄电池汇流条和主电源汇流条的电流，并检测发电机电压，蓄电池汇流条、主电源汇流条的电压，根据检测到的电压和电流数据向飞控机上报电源并网状态，飞控机与配电管理机通过外部CAN总线进行控制命令的下发与数据上报。
所述配电管理机中SSPC板由多路不同额定电流规格的SSPC模块组合而成，每个SSPC模块内部通过MOSFET开关管实现对不同功率负载的通断控制、过流保护控制以及短路保护控制功能，SSPC板通过CAN总线与CPU板进行数据交换。
配电系统具有地面工作模式、机上起动工作模式、机上电源正常供电工作模式和应急供电工作模式。
如图2，表2所示，所述地面工作模式为：在地面检查时，由地面电源向配电系统供电，地面电源、蓄电池经过线缆与配电管理机连接，配电管理机通电后通过模拟离散量采集输出板向EPC发出地/开信号，控制EPC接通，地面电源向主电源汇流条供电，主电源汇流条向一般负载供电，V1导通，主电源汇流条向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电。地面电源额定功率为2800W，核心负载、重要负载和一般负载的总功率为1292W，满足总体负载功耗的需求。
表2地面工作模式接触器通断状态
序号 接触器名称 通断状态 备注
1 GB接触器 断开
2 BTB接触器 断开
3 KM1接触器 断开
4 EPC接触器 接通
如图3，表3所示，所述机上起动工作模式为：飞控机向配电管理机下发控制指令，配电管理机断开与EPC的连接，飞机机身外部发出蓄电池接触器控制信号，闭合KM1，蓄电池向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电，飞控机向配电管理机下发控制指令，使配电管理机向BTB发出地信号，BTB接通，蓄电池向发电机提供励磁电压，发电机励磁发电启动。蓄电池容量为1900W，核心负载和重要负载的功率为892W，满足核心负载和重要负载功耗的需求。
表3起动模式接触器通断状态
序号 接触器名称 通断状态 备注
1 GB接触器 断开 发电机启动完成后接通
2 BTB接触器 接通
3 KM1接触器 接通
4 EPC接触器 断开
如图4和表4所示，所述机上电源正常供电工作模式：当发电机正常运行时，即转速达到2500r/min，电平电压达到28VDC。配电管理机控制GB接通，发电机向配电系统供电，飞控机向配电管理机下发起动完成指令，配电管理机断开与BTB的连接，保持KM1接通。由于蓄电池输出电压为25VDC±1V，充电电压为28VDC±0.5V，发电机输出额定电压为28VDC，此工作模式下发电机向蓄电池充电，使蓄电池处于浮充状态，主电源汇流条向一般负载供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。发电机容量为3.0kW，核心负载、重要负载和一般负载的总功率为1292W，满足总体负载功耗的需求。
表4正常供电工作模式接触器通断状态
序号 接触器名称 通断状态 备注
1 GB接触器 接通
2 BTB接触器 断开
3 KM1接触器 接通
4 EPC接触器 断开
如图5和表5所示，所述应急供电工作模式：当发电机不能正常运行时，即配电管理机检测发电机电压异常，不满足转速达到2500r/min，电平电压达到28VDC的条件要求，配电管理机将GB断开，保持KM1接通，由蓄电池向配电系统供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。
表5应急供电工作模式接触器通断状态
序号 接触器名称 通断状态 备注
1 GB接触器 断开
2 BTB接触器 断开
3 KM1接触器 接通
4 EPC接触器 断开

Claims (6)

1.一种中小型无人直升机的配电系统，包括供电单元和配电管理机；
其特征在于，所述中小型无人直升机的配电系统的供电单元，由发电机、蓄电池和地面电源组成，配电管理机对配电系统进行一次分配，将供电单元的电能分配到汇流条，并对配电系统进行二次分配，将汇流条的电能分配到相应的负载；
所述配电管理机内部包括内部机械组件、SSPC板、CPU板、模拟离散量采集输出板和电源板，所述配电管理机的内部机械组件由转换接触器BTB、蓄电池接触器KM1、发电机接触器GB、二极管V1、V2、蓄电池汇流条以及主电源汇流条组成，所述电源板包括二极管V3、V4、V5；
所述地面电源与中小型无人直升机内部的地面电源接触器EPC正端连接，EPC负端与主电源汇流条连接；蓄电池与KM1正端连接，KM1负端与蓄电池汇流条连接；BTB正端与KM1正端连接，BTB负端与二极管V2正端连接，二极管V2负端与GB的正端连接；发电机与GB的正端连接，GB的负端与主电源汇流条连接；主电源汇流条连接二极管V1的正端，二极管V1的负端连接到蓄电池汇流条；
配电管理机取电连线分别由电源板的V3正端连接到主电源汇流条，电源板的V4正端连接到EPC正端，电源板的V5正端连接到蓄电池汇流条，V3、V4、V5的负端取或，向电源板供电；
CPU板内部由处理器单元、总线通讯单元、模拟离散量采集输出控制单元、数据存储单元和电源部分五个部分，实现逻辑运算、总线通讯、模拟离散量采集、数据记录和供电功能；
模拟离散量采集输出板，将采集的模拟量和离散量发送给CPU板，并接收CPU板发来的模拟离散量采集输出控制信号，实现对各个接触器和SSPC板的控制；
中小型无人直升机的核心负载直接与蓄电池汇流条连接，无人直升机的重要负载通过SSPC板与蓄电池汇流条连接，两种负载均由地面电源、发电机以及蓄电池中的任意一种并网后进行供电，保证负载供电可靠；中小型无人直升机的一般负载经过SSPC板与主电源汇流条连接，由地面电源或发电机并网后进行供电；
所述中小型无人直升机的核心负载为需要直接供电、不能断电的负载；重要负载为由SSPC板控制、允许断电的负载；一般负载为由SSPC控制、允许断电的负载；
配电管理机设有多个电压电流检测点，检测蓄电池汇流条和主电源汇流条的电流，并检测发电机电压，蓄电池汇流条、主电源汇流条的电压，根据检测到的电压和电流数据向飞控机上报电源并网状态，飞控机与配电管理机通过外部CAN总线进行控制命令的下发与数据上报；
所述配电管理机中SSPC板由多路不同额定电流规格的SSPC模块组合而成，每个SSPC模块内部通过MOSFET开关管实现对不同功率负载的通断控制、过流保护控制以及短路保护控制功能，SSPC板通过CAN总线与CPU板进行数据交换。
2.如权利要求1所述的一种中小型无人直升机的配电系统，其特征在于，所述配电系统具有地面工作模式、机上起动工作模式、机上电源正常供电工作模式和应急供电工作模式。
3.如权利要求2所述的一种中小型无人直升机的配电系统，其特征在于，所述地面工作模式为：在地面检查时，由地面电源向配电系统供电，地面电源、蓄电池经过线缆与配电管理机连接，配电管理机通电后通过模拟离散量采集输出板向EPC发出地/开信号，控制EPC接通，地面电源向主电源汇流条供电，主电源汇流条向一般负载供电，V1导通，主电源汇流条向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电。
4.如权利要求3所述的一种中小型无人直升机的配电系统，其特征在于，所述机上起动工作模式为：飞控机向配电管理机下发控制指令，配电管理机断开与EPC的连接，飞机外部发出蓄电池接触器控制信号，闭合KM1，蓄电池向蓄电池汇流条供电，蓄电池汇流条实现对核心负载和重要负载的供电，飞控机向配电管理机下发控制指令，使配电管理机向BTB发出地信号，BTB接通，蓄电池向发电机提供励磁电压，发电机励磁发电启动。
5.如权利要求4所述的一种中小型无人直升机的配电系统，其特征在于，所述机上电源正常供电工作模式：当发电机正常运行时，配电管理机控制GB接通，发电机向配电系统供电，飞控机向配电管理机下发起动完成指令，配电管理机断开与BTB的连接，保持KM1接通，发电机向蓄电池充电，使蓄电池处于浮充状态，主电源汇流条向一般负载供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。
6.如权利要求5所述的一种中小型无人直升机的配电系统，其特征在于，所述应急供电工作模式：当发电机不能正常运行时，即配电管理机检测发电机电压异常时，配电管理机将GB断开，保持KM1接通，由蓄电池向配电系统供电，蓄电池汇流条对核心负载和重要负载供电。
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