CN114552751A - 适用于系留飞艇的能源供电系统及系留飞艇 - Google Patents

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CN114552751A CN202210074627.6A CN202210074627A CN114552751A CN 114552751 A CN114552751 A CN 114552751A CN 202210074627 A CN202210074627 A CN 202210074627A CN 114552751 A CN114552751 A CN 114552751A
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Abstract

本发明公开了适用于系留飞艇的能源供电系统和系留飞艇，能源供电系统包括：太阳能电池阵，太阳能电池阵设置于艇体和/或锚泊平台上；发电机；直流电源，直流电源的输入端与发电机的输出端电连接；配电器，配电器的输入端与直流电源的输出端电连接；能源管理器，能源管理器与太阳能电池阵电连接，且能源管理器与直流电源电连接；发电机、直流电源、能源管理器和配电器组成第一供电子系统；太阳能电池阵、能源管理器和配电器组成第二供电子系统；以及储能电池组，储能电池组与能源管理器电连接；储能电池组、能源管理器及配电器组成第三供电子系统；配电器用于自动切换供电模式，供电模式包括单一供电模式和/或复合供电模式。

Description

适用于系留飞艇的能源供电系统及系留飞艇
技术领域
本发明属于航空航天能源系统技术领域，具体涉及适用于系留飞艇的能源供电系统及系留飞艇。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
系留飞艇作为一种新概念空中平台，由于其具有驻空时间长、覆盖面积大、使用成本低、机动性能强、能耗代价少的特点，特别适合搭载大功率、大重量的各类载荷设备执行长时驻空任务，可用于应急通讯、地质测绘、低空预警、空中监视、灾害救援和5G通信基站等领域，在军事和民用方面都具有广阔的应用前景，有效填补了卫星和无人机在低空长时定点任务领域的空白。
系留飞艇是一种依靠气囊内浮升气体获得浮力，并通过线缆栓系固定，以实现在特定高度、空域范围内长时驻留的浮空器。系留飞艇主要包括艇体、吊舱、锚泊平台、复合缆绳和地面控制系统五部分，其中，艇体作为长时稳定驻空平台，用于搭载吊舱和保持系统稳定性；吊舱用于搭载一个或多个有效的载荷设备，载荷设备用于通讯、侦查以及监视等；锚泊平台主要用于固定、操纵和控制艇体升降及区域驻留；复合缆绳用于将艇体栓系在锚泊平台，同时进行艇载设备通信及供电；地面控制系统主要用于遥测遥控载荷设备、并对艇体的工作状态进行数据监测，还可作为中心站完成任务设备信息的储存和转发。
系留飞艇的锚泊平台主要分为三种：地面固定式、车载移动式及舰载移动式。其中车载移动式锚泊平台具有机动性强、灵活度高的特点，飞艇可随锚泊车快速机动部署任务区域，执行长时工作任务，尤其可在应急突发事件中发挥重要作用。目前车载移动式的系留飞艇多采用发电机和直流电源的模式为载荷设备及地面辅助设备供电，其发电量受限且经济性较差，严重限制了单次任务的驻空时间，提高了单次任务执行成本；另外，整个工作过程中完全通过发电机进行发电会对环境造成一定程度的污染。
发明内容
本发明的目的是至少解决现有技术中的系留飞艇由于采用发电机进行供电导致的发电量受限的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一方面提出了一种适用于系留飞艇的能源供电系统，所述系留飞艇包括艇体和锚泊平台，包括：
太阳能电池阵，所述太阳能电池阵设置于所述艇体和/或所述锚泊平台上；
发电机；
直流电源，所述直流电源的输入端与所述发电机的输出端电连接；
能源管理器，所述能源管理器的输入端与所述太阳能电池阵的输出端电连接；
配电器，所述配电器的输入端与所述能源管理器的输出端电连接；
所述发电机、所述直流电源、所述能源管理器和所述配电器组成第一供电子系统；
所述太阳能电池阵、所述能源管理器和所述配电器组成第二供电子系统；以及
储能电池组，所述储能电池组与所述能源管理器电连接；所述储能电池组、所述能源管理器与所述配电器组成第三供电子系统；
所述配电器用于从所述第一供电子系统、所述第二供电子系统和所述第三供电子系统中自动切换供电模式，所述供电模式包括单一供电模式和/或复合供电模式。
根据本发明的适用于系留飞艇的能源供电系统，除了采用发电机和直流电源供电的第一供电子系统外，增加了太阳能电池阵、能源管理器和配电器组成的第二供电子系统，还增加了储能电池组、能源管理器和配电器组成的第三供电子系统，引入了可循环能源中的太阳能，可以实现单一供电模式供电或者多种供电模式同时供电，避免了采用单一的发电机进行供电导致的发电量受限的问题。
另外，根据本发明的适用于系留飞艇的能源供电系统，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述太阳能电池阵包括第一太阳能电池阵和第二太阳能电池阵；所述第一太阳能电池阵设置于所述艇体的表面，所述第二太阳能电池阵设置于所述锚泊平台上。
在本发明的一些实施例中，适用于系留飞艇的能源供电系统还包括：复合线缆和输出总线，所述复合线缆连接所述艇体和所述锚泊平台，所述输出总线与所述复合线缆连接；所述第一太阳能电池阵通过所述输出总线以及所述复合线缆实现与所述能源管理器电连接。
在本发明的一些实施例中，所述能源管理器包括第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的两端分别与所述太阳能电池阵以及所述配电器电连接。
在本发明的一些实施例中，所述能源管理器还包括第二DC(Direct Current，直流)/DC变换器，所述第二DC/DC变换器的两端分别与所述储能电池组，以及所述配电器电连接。
在本发明的一些实施例中，所述第二DC/DC变换器为双向DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器为单向DC/DC变换器。
在本发明的一些实施例中，适用于系留飞艇的能源供电系统还包括应急电池组，所述应急电池组设置于所述艇体上，并与所述配电器电连接。
在本发明的一些实施例中，所述配电器包括继电器，通过所述继电器的连通或者断开实现不同供电模式的切换。
在本发明的一些实施例中，所述复合供电模式为多个供电主体同时工作的模式。
本发明的第二方面提出了一种系留飞艇，所述系留飞艇包括艇体和锚泊平台，还包括如上面所述的适用于系留飞艇的能源供电系统。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的适用于系留飞艇的能源供电系统的结构示意图；
图2示意性地示出了根据本发明实施方式的适用于系留飞艇的能源供电系统的具体结构示意图；
图3示意性地示出了根据本发明实施方式的系留飞艇的结构示意图。
附图标记如下：
100-系留飞艇；
101-艇体；
102-锚泊平台；
10-太阳能电池阵；
11-第一太阳能电池阵；
12-第二太阳能电池阵；
13-载荷设备；
14-输出总线；
15-吊挂绳；
16-复合线缆；
17-吊舱；
18-应急电池组；
21-直流电源；
22-配电器；
221-第一继电器；
222-第二继电器；
223-第三继电器；
224-第四继电器；
225-第五继电器；
23-储能电池组；
24-能源管理器；
241-第一DC/DC变换器；
242-第二DC/DC变换器；
30-发电机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1至图3所示，根据本发明的实施方式，提出了一种适用于系留飞艇的能源供电系统，系留飞艇100包括艇体101和锚泊平台102，能源供电系统包括：
太阳能电池阵10，太阳能电池阵10设置于艇体101和/或锚泊平台102上；
发电机30；
直流电源21，直流电源21的输入端与发电机30的输出端电连接；
能源管理器24，能源管理器24的输入端与太阳能电池阵10的输出端电连接；
配电器22，配电器22的输入端与能源管理器24的输出端电连接；
发电机30、直流电源21、能源管理器24和配电器22组成第一供电子系统；
太阳能电池阵10、能源管理器24和配电器22组成第二供电子系统；以及
储能电池组23，储能电池组23与能源管理器24电连接；储能电池组23、能源管理器24与配电器22组成第三供电子系统；
配电器22用于从第一供电子系统、第二供电子系统和第三供电子系统中自动切换供电模式，供电模式包括单一供电模式和/或复合供电模式。
本发明在能源供电系统中除了采用发电机30和直流电源21供电的第一供电子系统外，增加了太阳能电池阵10、能源管理器24和配电器22组成的第二供电子系统，还增加了储能电池组23、能源管理器24和配电器22组成的第三供电子系统，引入了可循环能源中的太阳能，可以实现单一供电模式供电或者多种供电模式同时供电，避免了采用单一的发电机30进行供电导致的发电量受限的问题。
另外，由于太阳能是可循环再生能源，可提高整个能源供电系统的环保性，减少对环境的污染。
太阳能电池阵10包括第一太阳能电池阵11和第二太阳能电池阵12；第一太阳能电池阵11设置于艇体101的表面，第二太阳能电池阵12设置于锚泊平台102上。
其中，第一太阳能电池阵11设置于艇体101的表面，优选上表面和/或者侧面，这两个位置是容易吸收太阳能的，能够提高对第一太阳能电池阵11的利用率，将更多的太阳能转化为电能，当第一太阳能电池阵11设置于艇体101的上表面时，可沿艇体101的轴向随形布置，充分利用艇体101的上表面的面积。第二太阳能电池阵12设置时，可充分利用锚泊平台102的空间，以硅基电池片为基础，经过二次封装后适合移动车辆时使用，不使用时，处于叠置状态收纳于车厢的内部，不影响锚泊平台102的机动部署，执行长时任务时于锚泊平台102宽度方向的两侧展开，根据地形空间控制展开的角度。
适用于系留飞艇的能源供电系统还包括：复合线缆16和输出总线14，复合线缆16连接艇体101和锚泊平台102，输出总线14与复合线缆16连接；第一太阳能电池阵11通过输出总线14以及复合线缆16实现与能源管理器24电连接。其中，输出总线14设置于艇体101的内部，起到电传输的功能，复合线缆16为系留及光电复合线缆，一方面，机械地连接艇体101和锚泊平台102，另一方面，实现光电信号的传输功能。
能源管理器24包括第一DC/DC变换器241，第一DC/DC变换器241的两端分别与太阳能电池阵10以及配电器22电连接。第一DC/DC变换器241具有最大功率跟踪功能、恒压功能和恒流功能，第一DC/DC变换器241的内部设有DC/DC1电路和DC/DC2电路，DC/DC1电路用于追踪第一太阳能电池阵11和第二太阳能电池阵12的最大功率，通过调整输入端电压使得太阳能电池阵10处于最大功率点。恒压模式下使母线电压稳定在设置值，恒流模式防止出现瞬时大功率输出。DC/DC1电路和DC/DC2电路处于独立工作模式，适配两种不同电压体制的太阳能电池阵10，保证两个电路处于最大功率点的同时，输出端的母线电压一致。
第一DC/DC变换器241为单向DC/DC变换器。将太阳能电池阵10转化为的电能进行单方向的恒压输出。
能源管理器24还包括第二DC/DC变换器242，第二DC/DC变换器242的两端分别与储能电池组23，以及配电器22电连接。第二DC/DC变换器242为双向DC/DC变换器。在工作时，可以实现双方向的电路传递。第二DC/DC变换器242有两个工作模式：Buck降压充电模式和Boost升压供电模式。在Buck充电模式下，双向DC/DC变换器相当于一个充电器，可以设置充电电压和电流，给后端的储能电池组23充电。在Boost放电模式下，储能电池组23经过双向DC/DC变换器升压后向母线的负载供电。储能电池组23采用锂离子电池，其特点是能量密度高，循环特性好，可靠性较高。储能电池组23主要用于将白天时候的太阳能电池阵10生产的冗余电能进行储存，作为阴影期，主要是夜晚或阴雨天气的供电电源。
适用于系留飞艇的能源供电系统还包括应急电池组18，应急电池组18设置于艇体101上，并与配电器22电连接。通过设置应急电池组18，可以在能源供电系统发生异常故障后的应急通讯和供电，保证艇体101的安全回收。其中，应急电池组18和载荷设备13均可以设置在吊舱17中，吊舱17设置于艇体101的下方，并和艇体101机械连接。
这里的应急电池组18也可以采用单个电池来代替，储能电池组23也可以采用单个锂电池来代替。
配电器22包括继电器，通过继电器的连通或者断开实现不同供电模式的切换。继电器的数量为多个，多个继电器包括第一继电器221、第二继电器222、第三继电器223、第四继电器224和第五继电器225。通过不同的继电器的连通或者断开实现不同供电模式的切换。
复合供电模式为多个供电主体同时工作的模式。
发电机30可采用现有技术中的燃油发电机30进行发电，放置于地面上或者放置于锚泊平台102上均可。
能源供电系统在使用时，可以实现单一供电模式和复合供电模式两种方式进行供电，下面分情况进行阐述。
第一种供电模式
在白天太阳的辐照充足时，第一继电器221和第二继电器222均处于闭合状态，通过配电器22中的电流电压传感器检测到第一DC/DC变换器241的输出功率大于负载所需功率，且储能电池组23的SOC(State of Charge，荷电状态)小于99％时，第四继电器224闭合，第一DC/DC变换器241工作在最大功率跟踪模式，第二DC/DC变换器242工作在BUCK降压电路模式，为储能电池组23充电，同时根据储能电池组23的SOC状态反馈改变充电电流的大小，最大程度利用辐照能量，同时保护储能电池组23。
第二种供电模式
当能源供电系统检测到储能电池组23的SOC≥99％时，第四继电器224断开，第二DC/DC变换器242处于待机状态，储能电池组23停止充放电，此时载荷设备13由第一太阳能电池阵11和第二太阳能电池阵12同时供电，第一DC/DC变换器241工作在恒压模式，保证输出端的母线电压稳定。
第三种供电模式
当能源供电系统处于第二种供电模式时，通过配电器22中的电流电压传感器检测到第一DC/DC变换器241的输出功率小于负载所需功率，且储能电池组23的SOC大于10％时，第四继电器224闭合，第一DC/DC变换器241由恒压模式转为最大功率跟踪模式，第二DC/DC变换器242工作在BOOST升压模式，此时载荷设备13由太阳能电池阵10和储能电池组23联合供电，太阳能电池阵10输出功率不足的部分由储能电池组23补足。
第四种供电模式
当能源供电系统处于第二种供电模式时，载荷设备13的短时功率突增，第二DC/DC变换器242处于限流状态，载荷设备13的需求功率超过太阳能电池阵10和储能电池组23联合的最大供电能力，则闭合第三继电器223，发电机30工作，直流电源21的输出电压为母线电压，此时载荷设备13由太阳能电池阵10、储能电池组23、发电机30联合供电。
第五种供电模式
当能源供电系统处于第三种工作模式时，通过配电器22中的电流电压传感器检测到第一DC/DC变换器241的两个电路皆无输出电流，且储能电池组23的SOC大于10％时，第一继电器221和第二继电器222皆断开，第一DC/DC变换器241处于待机状态，第二DC/DC变换器242工作在BOOST升压模式，此时载荷设备13由储能电池组23独立供电。
第六种供电模式
当能源供电系统处于第五种工作模式时，通过配电器22中的电流电压传感器检测到第二DC/DC变换器242处于限流状态，发电机30工作，直流电源21的输出电压为母线电压，此时载荷设备13由储能电池组23和发电机30联合供电。
第七种供电模式
能源供电系统处于第五种供电模式，当系统检测到储能电池组23的SOC≤10％，第四继电器224断开，第三继电器223闭合，第一DC/DC变换器241处于待机状态，发电机30工作，直流电源21的输出电压为母线电压，此时载荷设备13由发电机30独立供电。
第八种供电模式
当太阳的辐照强度不足时，第一继电器221和第二继电器222均处于闭合状态，通过配电器22中的电流电压传感器检测到第一DC/DC变换器241的两路电路均无输出电流，同时储能电池组23的SOC≤10％，且发电机30的剩余燃油≤10％时，能源供电系统进入应急供电模式，同时断开第一继电器221、第二继电器222、第三继电器223和第四继电器224，闭合第五继电器225，载荷设备13由应急电池组18直接供电，同时收拉复合线缆16，保证系留飞艇的艇体101安全回收且回收过程中载荷设备13保持正常通讯。
这里的负载主要是指载荷设备13。
一种系留飞艇100，系留飞艇包括艇体101和锚泊平台102，还包括上面提到的适用于系留飞艇100的能源供电系统。艇体101的底面上设有吊挂绳15，吊挂绳15的数量为多个，其另一端与复合线缆16机械连接，用于实现艇体101的稳定设置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于系留飞艇的能源供电系统，所述系留飞艇包括艇体和锚泊平台，其特征在于，包括：
太阳能电池阵，所述太阳能电池阵设置于所述艇体和/或所述锚泊平台上；
发电机；
直流电源，所述直流电源的输入端与所述发电机的输出端电连接；
能源管理器，所述能源管理器的输入端与所述太阳能电池阵的输出端电连接；
配电器，所述配电器的输入端与所述能源管理器的输出端电连接；
所述发电机、所述直流电源、所述能源管理器和所述配电器组成第一供电子系统；
所述太阳能电池阵、所述能源管理器和所述配电器组成第二供电子系统；以及
储能电池组，所述储能电池组与所述能源管理器电连接；所述储能电池组、所述能源管理器与所述配电器组成第三供电子系统；
所述配电器用于从所述第一供电子系统、所述第二供电子系统和所述第三供电子系统中自动切换供电模式，所述供电模式包括单一供电模式和/或复合供电模式。
2.根据权利要求1所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述太阳能电池阵包括第一太阳能电池阵和第二太阳能电池阵；所述第一太阳能电池阵设置于所述艇体的表面，所述第二太阳能电池阵设置于所述锚泊平台上。
3.根据权利要求2所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，还包括：
复合线缆和输出总线，所述复合线缆连接所述艇体和所述锚泊平台，所述输出总线与所述复合线缆连接；所述第一太阳能电池阵通过所述输出总线以及所述复合线缆实现与所述能源管理器电连接。
4.根据权利要求2所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述能源管理器包括第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的两端分别与所述太阳能电池阵以及所述配电器电连接。
5.根据权利要求4所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述能源管理器还包括第二DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器的两端分别与所述储能电池组，以及所述配电器电连接。
6.根据权利要求5所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述第二DC/DC变换器为双向DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器为单向DC/DC变换器。
7.根据权利要求1所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，还包括应急电池组，所述应急电池组设置于所述艇体上，并与所述配电器电连接。
8.根据权利要求1所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述配电器包括继电器，通过所述继电器的连通或者断开实现不同供电模式的切换。
9.根据权利要求1所述的适用于系留飞艇的能源供电系统，其特征在于，所述复合供电模式为多个供电主体同时工作的模式。
10.一种系留飞艇，所述系留飞艇包括艇体和锚泊平台，其特征在于，还包括如权利要求1至9中任一项所述的适用于系留飞艇的能源供电系统。
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