CN206712533U - 一种基于太阳能无人机的能源管理系统 - Google Patents

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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

本实用新型是一种基于太阳能无人机的能源管理系统，用于航空航天器能源系统。本能源管理系统包括主控模块、MPPT模块、RS232接口、输入控制端、输出控制端、电压传感器、电流传感器和温度传感器。输入控制端连接太阳能阵列电池，输出控制端连接储能电池和DC‑DC。MPPT模块追踪太阳能阵列电池输入的最高电压电流值，输出最大功率点电压。输出控制端以最大功率点电压输出。主控模块通过扰动分析法输出脉冲宽度调制信号给MPPT模块，整理各传感器采集的实时数据，通过RS232接口发送到任务控制计算机。本实用新型的能源管理系统集成化程度更高，重量更轻，体积更小，能根据飞机要求实现定制化，并且本身实现芯片级设计。

Description

一种基于太阳能无人机的能源管理系统
技术领域
本实用新型属于航空航天器能源系统技术领域，涉及一种基于太阳能无人机的能源管理系统。
背景技术
随着太阳能技术的进步，太阳能无人机技术也随之有了很大的发展，其中ERAST和Zepsyr已经实现首飞，但是结构和储能电池的重量依然是它们最大的制约，以当前的技术水平，电池的重量几乎占据了太阳能无人机重量的40％，因此，如太阳能单元、储能电池、能源管理系统等新一代能源技术是太阳能无人机完成长时间航行的关键因素。
目前需要一种为整机提供能源并且监测整机的能源供给状况的管理系统，并且在尽可能提高太阳能阵列电池的利用率的同时，降低设备的重量和体积。
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种基于太阳能无人机的能源管理系统，实现MPPT功能、监测功能、控制功能和通讯功能等功能，并与太阳能阵列电池结合以最大功率转化能量为整机提供能源，监测整机能源使用情况，同时，具有集成化程度高、体积小、重量轻的特点。
本实用新型的基于太阳能无人机的能源管理系统，包括：主控模块、MPPT模块、RS232接口、输入控制端、输出控制端、电压传感器、电流传感器和温度传感器。输入控制端连接太阳能阵列电池，输出控制端连接储能电池和DC-DC。
在输入控制端连接有输入端电压传感器和输入端电流传感器，输入端电压传感器将输入端电压实时传输给主控模块，输入端电流传感器将输入端电流实时传输给MPPT模块。在输出控制端连接有输出端电压传感器和输出端电流传感器。
MPPT模块追踪太阳能阵列电池输入的最高电压和电流值，以最大功率跟踪点的电压为输出电压，并传输给主控模块和输出控制端。输出控制端以最大功率跟踪点的电压为输出电压。
主控模块输出脉冲宽度调制信号给MPPT模块，整理各电流传感器、电压传感器和温度传感器采集的实时数据，通过RS232接口发送到任务控制计算机。
温度传感器采集太阳能阵列电池所在的机翼翼面温度、机舱内温度和储能电池温度，并发送给主控模块。
本实用新型的优点与积极效果在于：本实用新型的能源管理系统相比其他能源系统，集成化程度更高，重量更轻，体积更小，能根据飞机要求实现定制化，并且本身实现芯片级设计。同时，本实用新型的能源管理系统可以实现MPPT的跟踪效率达到99.5％以上。
附图说明
图1是本实用新型的基于太阳能无人机能源管理系统的结构示意图。
图中：
1-主控模块；2-MPPT模块；3-RS232接口；4-输入控制端；5-输出控制端；
6-输入端电压传感器；7-输入端电流传感器；8-输出端电流传感器；9-输出端电压传感器；
10-温度传感器；11-单体电池电压传感器。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
太阳能阵列电池为整机提供能源，根据太阳能阵列电池的特性，需要寻找其最大功率点，最大程度将太阳能阵列电池提供的能源利用，本实用新型提供的基于太阳能无人机的能源管理系统，将MPPT功能、监测功能和通讯功能结合在一起，太阳能阵列电池连接在能源管理系统的MPPT上，并通过电流传感器和电压传感器测量能源管理系统输入端的电压和电流，并通过对能源管理系统输入端的继电器控制来控制能源管理系统输入端的通断，通过实验，本实用新型的MPPT功能其跟踪效率始终保持在99.5％以上。
如图1所示，本实用新型的基于太阳能无人机的能源管理系统，包括主控模块1、MPPT模块2、RS232接口3、输入控制端4、输出控制端5、电压传感器6,9、电流传感器7,8和温度传感器10。
本实用新型的能源管理系统的输入控制端连接太阳能阵列电池，输出控制端连接储能电池和DC-DC。在能源管理系统的输入端和输出端均通过电压传感器和电流传感器测量电压和电流。DC-DC模块为整个机载设备供电，存储电池连接直流电机，并通过电机通断模块控制电机通断，在无人机失联或其他极端条件下，可通过将直流电机断电来实现无人机自毁功能。
如图1所示，太阳能阵列电池连接在输入控制端4，输入控制端4控制继电器通断来控制太阳能阵列电池能量的输入。输出控制端5连接储能电池和DC-DC，输出控制端5控制继电器通断来控制电压的输出。在输入控制端4和输出控制端5均连接有电压传感器和电流传感器。输入控制端4连接有输入端电流传感器7和输入端电压传感器6，通过输入端电流传感器7和输入端电压传感器6测试输入端的电压和电流。输入端电压传感器6将输入端电压实时传输给主控模块1。输入端电流传感器7将输入端电流实时传输给MPPT模块2。在输出控制端5连接有输出端电流传感器8和输出端电压传感器9。
所述能源管理系统通过输出端电流传感器8和输出端电压传感器9监测输出端的电压电流，可以将监测到的电压电流数据通过RS232接口实时传输到地面端。
所述能源管理系统的输入端和输出端的电流传感器使用ACS758电流传感器，电压监测采取高精电阻分压测试方法。
所述输入控制端4和输出控制端5采用HFE-2固态继电器，控制动力电通断。
MPPT模块2追踪太阳能阵列电池输入的最高电压和电流值，以最大功率跟踪点的电压为输出电压，传输给主控模块1和输出控制端5。输出控制端5以最大功率跟踪点的电压为输出电压。通过能源管理系统的MPPT模块2实现太阳能阵列电池输入能源的最大化利用。MPPT模块2是采用MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)方法实现的太阳能控制模块，能够实时侦测太阳能阵列电池的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使能源管理系统以最大功率输出对蓄电池充电。
所述主控模块1采用Atmega8AVR芯片为MCU(微控制单元)，通过扰动分析法，输出PWM(脉冲宽度调制)信号给MPPT模块2，控制MPPT模块2追踪最高电压电流值，使输出控制端5以最大功率跟踪点的电压输出。主控模块1还整理各电流传感器、电压传感器和温度传感器采集的实时数据，通过RS232接口3发送到任务控制计算机。主控模块1将PWM信号发送给芯片IRS2184，IRS2184的作用是控制MOS管实现谐波整流，最终实现MPPT功能。此处所述的IRS2184和MOS管都是MPPT模块中的元件。
单体电池电压传感器11监测储能电池的单体电池电压，防止单体电压出现过充和过放。单体电池电压传感器11将监测的电压结果实时发送给主控模块1。
温度传感器10采集太阳能阵列电池所在的机翼翼面温度、机舱内温度和储能电池温度，并发送给主控模块1。所述温度传感器10采用K型电阻，通过温度传感器10可实现对太阳能阵列电池、能源管理系统等的温度监测。
所述能源管理系统通过RS232接口3与任务控制计算机通讯，将主控模块1采集的温度、电压信息发送到任务控制计算机，任务控制计算机可以通过RS232接口3发送命令给输入控制端4和输出控制端5，控制固态继电器通断，实现对能源管理系统输入端和对电池到电机端的通断控制。所述的主控模块1采用MAX232芯片将MCU输出的TTL电平转换为RS232串口信号。
本实用新型实现的一种高度集成化的能源管理系统，它将MPPT功能，监测功能，通讯功能结合在一起，实现了与太阳能阵列电池结合以最大功率转化能量为整机提供能源，通过实验，本发面的MPPT功能其跟踪效率始终保持在99.5％以上。本实用新型的能源管理系统还能监测整机能源使用情况，并将信息传递给任务控制计算机的同时，实现小型化与轻型化。

Claims (6)

1.一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，包括：主控模块、MPPT模块、RS232接口、输入控制端、输出控制端、电压传感器、电流传感器和温度传感器；输入控制端连接太阳能阵列电池，输出控制端连接储能电池和DC-DC；
在输入控制端连接有输入端电压传感器和输入端电流传感器，输入端电压传感器将输入端电压实时传输给主控模块，输入端电流传感器将输入端电流实时传输给MPPT模块；在输出控制端连接有输出端电压传感器和输出端电流传感器；
MPPT模块追踪太阳能阵列电池输入的最高电压和电流值，以最大功率跟踪点的电压为输出电压，并传输给主控模块和输出控制端；输出控制端以最大功率跟踪点的电压为输出电压；
主控模块输出脉冲宽度调制信号给MPPT模块，整理各电流传感器、电压传感器和温度传感器采集的实时数据，通过RS232接口发送到任务控制计算机；
温度传感器采集太阳能阵列电池所在的机翼翼面温度、机舱内温度和储能电池温度，并发送给主控模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的输入控制端和输出控制端采用HFE-2固态继电器。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的能源管理系统还包括单体电池电压传感器，用于监测储能电池的单体电池电压，并将监测的电压实时发送给主控模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的主控模块采用MAX232芯片将微控制单元输出的TTL电平转换为RS232串口信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的输入端和输出端的电流传感器使用ACS758电流传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的主控模块采用Atmega8AVR芯片为微控制单元。
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CN106972613A (zh) * 2017-05-18 2017-07-21 北京昶远科技有限公司 一种基于太阳能无人机的能源管理系统
CN114030620A (zh) * 2021-11-15 2022-02-11 长沙航空职业技术学院 一种太阳能无人机电源管理方法

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