CN207631503U - 一种长航时无人机油电混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种长航时无人机油电混合动力系统，该系统包括传感器组、飞控系统、机载蓄电池组、发电控制系统、重启动系统、发电系统以及推力螺旋桨电动机；飞控系统根据传感器组提供的信息，控制机载蓄电池组、发电控制系统为飞机提供电能，发电控制系统控制发电系统为推力螺旋桨电动机和机载蓄电池组提供电能；飞控系统还包括起飞子系统、正常飞行子系统、充电子系统以及大高度飞行子系统，通过对飞子系统、正常飞行子系统、充电子系统以及大高度飞行子系统增加长航时的续航能力。

Description

一种长航时无人机油电混合动力系统

技术领域

本实用新型涉及无人机动力控制领域，特别涉及一种长航时无人机油电混合动力系统。

背景技术

目前无人机采用的动力系统分成三大类：喷气动力、燃油活塞发动机和推力螺旋桨电动机。喷气动力分成：燃油喷气发动机和燃油涡轴输出发动机。由于重量和配套系统复杂、价格昂贵原因，主要用于大型无人机领域，已经有小型涡喷发动机和涡轴发动机投入市场，对于中小型无人机但由于其较大耗油率，应用效果不佳并不广泛采用。

燃油活塞发动机也分成二大类：一是活塞连杆式发动机和三角活塞汪克尔发动机。这二种发动机在中小型无人机得以广泛应用，但此类发动机在大高度上使用，效率大幅下降，即便采用空气增压器，实用使用高度也不超过4000米，随着高度增加耗油率急剧增加，并且不能正常工作。

推力螺旋桨电动机是近年来得到快速发展的无人机动力系统，全电动力系统近年来应用于车辆、舰船，尤其是潜艇。但是纯蓄能电池供电方时，由于蓄能电池蓄电容量的限制，纯电动动力系统可以单次持续工作时间比较短。因此大多数纯电动动力系统都是采用油-电混合动力系统，即采用燃油发动机发电，作为推力螺旋桨电动机的电源来驱动车辆、舰船、潜艇，但这种工作方式效率低于常规燃油发动机动力系统。

由于电动力的快速动力响应，功率调节范围大，受高度影响小，控制简单、功率控制精确等优点是纯燃油发动机所不可替代的，所以如何有效提高油-电混合动力系统的工作效率就是当前电驱动动力系统的一大课题。

通常油-电混合动力系统原动力是一台燃油发动机，带动交流发电机发电，经过整流器由交流电变成直电流。整个效率是发动机效率、发电效率和整流效率三种效率的总结果，显然整体效率低于纯燃油发动机的工作效率，常规来说是不经济的一种动力系统。

但是对于应用环境复杂的车辆、舰船、飞机来讲，他们不是一个单一工况下的设备。例如汽车，有启动、刹车、减速等状态，如果可以利用减速、刹车、下坡等工况来发电，那么油-电混合动力汽车是一种节能的车辆，此时低效的油-电混合动力系统变成高效的系统。

无人机的工况变化更为特殊，采用油-电混合更为有利。飞机在起飞时所需要的功率大约是保持中低速平飞功率的3-4倍，对于长航时为主要目标的长航时无人机尤其重要。为了正常起降，因此飞机配置了较大功率发动机用于起飞，而在空中用一台大功率发动机在小功率状态下工作，显然有二大不利之处：一是较大功率发动机的重量较大和相应维持发动机工作的系统重量较大，成为无人机飞行中的赘重。另外一个是大功率燃油发动机在较小功率下运行的热效率低下、耗油率大，对于长航时飞机来讲是致命的。

实用新型内容

本实用新型的目的一在于提供一种长航时无人机油电混合动力系统，具有重量轻，且续航能力强的特点。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种长航时无人机油电混合动力系统，包括传感器组、飞控系统、机载蓄电池组、发电控制系统、重启动系统、发电系统以及推力螺旋桨电动机；所述飞控系统根据传感器组提供的信息，控制机载蓄电池组、发电控制系统为飞机提供电能，所述发电控制系统控制发电系统为推力螺旋桨电动机和机载蓄电池组提供电能；所述的飞控系统还包括起飞子系统、正常飞行子系统、充电子系统、大高度飞行子系统，

所述的起飞子系统，检测到无人机处于起飞状态时，通过飞控系统控制发电系统和机载蓄电池组同时工作以提供起飞过程中的电能；所述机载蓄电池组提供飞机起飞过程中的电能是发电系统提供电能的至少一倍；所述发电系统提供的电能包括发电系统在飞机起飞过程中的极限超载电能；

所述的正常飞行子系统，检测到无人机处于正常飞行时，所述飞控系统同时控制发电系统提供推力螺旋浆需要的电能和对机载蓄电池组充电；

所述的重启动系统，检测到飞机从大高度下降为普通高度时，通过飞控系统控制发电系统的重启动，并由发电系统再次为推力螺旋桨电动机和机载蓄电池组供电；

所述的大高度飞行子系统，检测到高度高于额定值时，通过飞控系统控制发电系统停止工作，由机载蓄电池组提供大高度飞行时的动力。

通过采用上述技术方案，由于飞机正常起飞时，起飞所需要的功率比空中飞行要高许多，无论采用何种方式离地，所需要的能量和功率远远大于正常飞行所需要的功率，约3-4倍，因此，当无人机处于起飞子系统时，发动机的动力由发电机组和机载蓄电池组同时提供，其原理为起飞能=蓄电池电能+发电机供电，这样可以采用较小功率的发电机和较小输出功率的机载蓄电池组，利用发电机能够短时间超载工作的特性，完全能够满足无人机的正常起飞，同时小功率的发电机和机载蓄电池组，在体积也能够适应性的减少，减少了无人机的整体重量；当飞机处于正常飞行子系统时，由发电系统对其供电，由于无人机在正常飞行时，其所需要的电能小于起飞时的电能，所以较佳发电机的额定输出功率可选用适用无人机在正常飞行时的发电机，这样发电机在正常飞行时处于额定功率下工作能够相应的减少油料的消耗；当处于高空飞行时，由于高空氧气缺乏，则发电机无法正常工作，此时由蓄电池进行供电。

进一步的，所述的发电系统包括发动机、发电机、整流器，所述的发动机为4冲程定常转速低油耗汽油发动机，所述的发电机为带有发电-再启动模块的发电机；所述推力螺旋桨电动机采用在某个定常速度范围内功率/重量比大于1的电动机。

通过采用上述技术方案，这种发动机在最高效率下运行，由于有很窄的定常转速范围，油耗很低，十分有利于长航时，并且相对重量小。

进一步的，所述传感器组包括

高度传感器，连接飞控系统用于检测当前高度并输出高度信号；

环境传感器，连接飞控系统，所述环境传感器包括空气温湿度传感器、空气粘度传感器、风速传感器。

通过采用上述技术方案，通过高度传感器可以实时监测无人机的当前高度情况，从而判断当前无人机时处于大高度还是普通高度飞行，便于飞控系统控制，环境传感器用于检测空气中的温湿度、风速等信息从而输出信号给飞控系统，通过飞控系统控制无人机的飞行姿态。

进一步的，所述起飞子系统包括超载判断单元，所述超载判断单元用于判断飞机起飞过程中发电系统提供推力螺旋桨电动机所需要的电能是否达到超载极限，如果未达到超载极限电能，则由发电系统继续提供起飞电能，如果发电系统达到超载极限电能，则启动机载蓄电池组为飞起提供起飞电能。

通过采用上述技术方案，通过超载判断单元判断推力螺旋桨电动机所需要的功率，当超载判断单元大于发电机组或机载蓄电池组任一最大功率时，则表明单一的发电机组或机载蓄电池组不足以对发动机供电，因此由飞控系统控制发电机组和机载蓄电池组同时对其供电。

进一步的，所述大高度飞行子系统包括

比较单元，当飞行高度大于额定值时，所述比较单元输出高空信号；

所述飞控系统接收高空信号后控制发电系统停止工作，由所述机载蓄电池组提供飞行时的电能。

通过采用上述技术方案，利用高度传感器来检测飞行的高度并输出高度信号，当高度信号大于预设值时，表明无人机当前处于大高度飞行子系统，则由飞控系统控制蓄电池充电，预设值可根据当地环境进行调节。

进一步的，所述飞控系统包括充电子系统，所述充电子系统包括

电量采集单元，用于采集机载蓄电池组的当前电量；

电量判断单元，当无人机处于正常飞行状态时，电量判断单元被启动，电量判断单元判断当前电量处于非满电状态时输出充电信号；

执行单元，响应充电信号控制发电系统对机载蓄电池组进行充电。

通过采用上述技术方案，充电子系统对机载蓄电池组进行充电，当无人机处于正常飞行子系统时，通过电量采集单元对电量采集、电量判断单元对电量进行判断是否满电，当不满电时通过执行单元控制发电系统中的平衡充电器对蓄电池进行充电，保持机载蓄电池组能量的充足，从而保持长航时飞行。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1.在无人机起飞时，通过采用起飞能 = 部分蓄电池电能 + 发电机供电的技术，使得起飞过程中选择较小功率的电机，从而能够从整体上较小发电机组的体积与重量，并且在平飞时能够节省能耗。

2.在大高度飞行时，能够在发电系统和蓄电池组之间自动切换，解决无人机大高度飞行时发电系统失控的难题。

3.在无人机在处于正常飞行状态时，发电系统还具有对蓄电池组再充电的功能，使得机载蓄电池组始终保持飞行过程中电量充沛的状态以及持续性的续航能力，达到了长航时飞行的效果。

附图说明

图1是油电混合动力系统工作原理图；

图2是油电混合动力系统控制方式原理图；

图3是起飞子系统工作原理图；

图4是正常飞行子系统原理图；

图5是充电子系统原理图；

图6是重启动子系统原理图；

图7是大高度飞行子系统原理图；

图8发电系统原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型一种长航时无人机油电混合动力系统是基于以下设计原理实现的:

1、长航时飞行系统首先要解决长航时而带来的飞机负载过重不能起飞的矛盾。例如纯燃油飞行动力系统或者纯蓄电池飞行动力系统，要达到20个小时的长航时，其超重的负载使得飞机不能起飞。

2、长航时飞行系统还要解决现有技术的油电混合系统效率低于纯油动力系统的问题，原理如下：例如从发动机到发电机效率为0.9，发电机发电效率为0.8，从发电机到整流器，效率为0.95，总效率为：0.9*0.8*0.95=0.684；

综上，本实用新型的长航时无人机油电混合动力系统要解决轻载问题和高效率问题。

本实用新型解决轻载问题的方法之一是采用功率/重量比很优、相对重量小的电动机。由于长航时无人机不是一种机动性飞行器，在飞行包线内飞行过载变化很小，也就是说在保持平飞长航时范围内动力变化很小，能耗是相对稳定的，因此长航时电动无人机可以采用在某个定常速度范围内功率/重量比很优的电动机。当采用油-电混合动力时，用于发电用的发动机可采用特殊的燃油发动机。这种发动机在最高效率情况下运行，很窄的定常转速范围，油耗最低，十分有利于长航时。

本实用新型解决轻载问题的方法之二是采用油耗最低的发动机。当采用油-电混合动力时，用于发电用的发动机可采用特殊的燃油发动机。这种发动机在最高效率情况下运行，很窄的定常转速范围，油耗最低，十分有利于长航时。

本实用新型解决轻载问题的方法之三是飞机起飞时，充分利用直流电机的短时超载能力，而降低起飞蓄能锂电池组件的重量。在无人机起飞时，驱动螺旋桨推进的电动机的功率显然要求比平飞时大。直流电动机的功率特征曲线显示，电机功率是电压和电流的乘积，当输入电压增加电极功率增大、转速提高。螺旋桨转速提高所产生拉力的提高是转速平方成正比的关系。而高效设计的直流电机都具备短时功率提升超载约100%的能力，直流电机超载大功率短时允许时间约2-4分钟，直到过热停车。无人机起飞时间仅10-20秒，而整个超载运行的过程少于30秒。这样无人机可以选用适合平飞的小而轻的电机动力，同时也满足起飞时的短时大功率，这是一个十分明显的特征。

本实用新型解决轻载问题的方法之四是解决起飞时的电动机所需要功率大于发电机的输出功率。无人机用油-电混合动力系统采用的蓄能电池也是飞行中必需的具备的环节。由图1和图2可以看到蓄能锂电池的放电特征正是符合我们需要的无人机高起飞功率的特点。起飞时所消耗的电能是蓄能锂电池在起飞前已经充满的电能，同时和燃油发电机发电产生电能的总和。显然可以采用较小功率的电动机，即减轻了飞机总重，又节约了油料的消耗。而起飞所消耗的蓄电池的电能在无人机执行任务过程又可以再次充电。

则：起飞能=部分蓄电池电能+发电机供电

本实用新型解决高效率问题的方法之一是发电系统的再启动功能。发电系统在一定条件下被关闭、在一定条件下再启动，从而节省功耗，举例为：大高度飞行即飞行高度大于4500米时，此时燃油发动机发电系统已经不能正常工作而停止，这时的蓄能电池源也是无人机飞行高度大于4500米时，驱动推进螺旋桨的能源。从4500米飞到6000米高度飞行中消耗的电能应全部由蓄能锂电池供应。

本实用新型解决高效率问题的方法之二是飞机处于正常飞行状态时对蓄能锂电池组件的再充电功能。本实用新型对蓄能锂电池组件的再充电功能分为两个阶段，第一个阶段是从起飞到平飞的阶段，起飞前机载蓄电池的电能最在地面完成的，起飞过程中消耗了大量的电能，当进入平飞状态后，飞行控制系统控制发电系统再次给蓄电池组充电，从而补充了起飞过程中蓄能锂电池组件消耗掉的能量损失；第二个阶段是飞机从大高度飞行到正常飞行状态，当飞机下降到4500米以上，机载发电控制系统按设定程序重新自动启动发电系统，对蓄能电池再充电，驱动推进螺旋桨保持无人机飞行。发电系统发电能力是维持飞机正常飞行所需电能和再次给蓄能电池充电的总和。而起飞前的电池的能量是在地面已经充足的。机载蓄电池在地面充电后的电量。电能保持4次无人机起降的电能。蓄能电池的总量是由从4500米飞到6000米以上以及完成任务的总电能决定的。在此系统中，充分合理设计发电系统，优化的电动机和蓄能电池的总量是他们相互关联的重量因素。

基于以上实用新型原理，

一种长航时无人机油电混合动力系统，参照图1所示，包括飞行高度仪、环境传感器、飞行控制系统、发电控制系统、重启动系统、发电系统、整流器、蓄电池组、蓄能锂电池组件以及推力螺旋桨电动机，其中，飞行高度仪和环境传感器用于传感器当前的位置以及环境信息，环境传感器又包括空气温湿度传感器、空气粘度传感器、风速传感器等，将采集到的信号输送至飞行控制系统，该飞行控制系统控制无人机处于多种飞行系统下工作，包括起飞子系统、正常飞行子系统、充电子系统、大高度飞行子系统以及控制无人机在上述多个子系统之间切换的飞控系统；发电控制系统由飞行控制系统输出指令控制，具体的，发电控制系统控制重启动系统是否对发电系统重启动，参照图8所示，发电系统包括发动机、发电机以及整流器，上述的发动机为4冲程定常转速的低油耗燃油发动机；发电机采用带有发电再启动模块的发电机，并受控于重启动系统控制，整流器通过平衡充电器连接蓄电池组，本领域技术人员可以知道，该蓄电池组属于蓄能锂电池组件的一部分，通过飞行控制系统能够控制蓄能锂电池组件输出电功率，由蓄能锂电池组件控制推力螺旋桨和无人机系统用电（包括传感器用电、指示灯用电等），由于推力螺旋桨电动机通过蓄能锂电池组件供电所以该推力螺旋桨电动机选用直流电动机。

参照图2所示，图2为该系统整体控制方式原理图，飞行高度仪输出当前高度信号到飞控系统，由飞控系统切换飞机处于何种飞行状态，起飞子系统包括超载判断单元，由超载判断单元检测推力螺旋桨电动机需要电能，当推力螺旋桨电动机需要功率大于充电子系统或蓄能锂电池组件最大输出功率时，则判定为超载，否则不超载，当不超载时，无人机处于正常飞行，发电控制系统控制发电系统对推力螺旋桨电动机供电，此时在正常飞行子系统中；当超载时，处于超载飞行，则由发电控制系统控制发电系统和蓄能锂电池组件同时对推力螺旋桨电动机供电，以满足无人机的起飞能 = 部分蓄电池电能 + 发电机供电。在处于正常飞行状态时，则飞控系统切换至正常飞行子系统中，飞控系统判断蓄能锂电池组件电量是否满电，不满电时通过发电系统控制平衡充电器对蓄能锂电池组充电；当飞控系统切换至大高度飞行子系统时，飞控系统控制发电系统停止工作，此时由发电控制系统控制发电系统对推力螺旋桨电动机供电；而当无人机由大高度下降到到普通高度时，飞控系统控制重启动系统对发电系统重启动，并由大高度飞行子系统切换至正常飞行子系统。

为了更清楚的说明上述原理，因此将每种飞行状态拆分成图3至图7。

参照图3所示，为起飞子系统的飞行状态图，其原理为，由飞行高度仪实时检测当前无人机的飞行状态，飞控系统将飞行状态切换至起飞子系统，此时需要对推力螺旋桨电动机进行判别是否超载，当超载时，由蓄能锂电池组件和发电系统同时对推力螺旋桨电动机供电。在起飞时，驱动螺旋桨推进的电动机的功率显然要求比平飞时大。根据推力螺旋桨电动机的功率特征曲线显示，电机功率是电压和电流的乘积，当输入电压增加电极功率增大、转速提高。螺旋桨转速提高所产生拉力的提高是转速平方成正比的关系。而发电机具备短时功率提升超载约100%的能力，直流电机超载大功率短时允许时间约2-4分钟，直到过热停车。无人机起飞时间仅10-20秒，而整个超载运行的过程少于30秒。这样无人机可以选用适合平飞的小而轻的发电机。并且蓄能锂电池组件提供飞机起飞过程中的电能是发电系统提供电能的至少一倍。这样既可满足起飞时是平飞的3-4倍的要求。

参照图4所示，为正常飞行子系统飞行状态图，当无人机起飞完成后，进入正常状态，因此正常飞行子系统启动，此时，根据正常飞行子系统的信号反馈，飞控系统控制由发电系统对推力螺旋桨供电，长航时无人机不是一种机动性飞行器，在飞行包线内飞行过载变化很小，也就是说在保持平飞长航时范围内动力变化很小，能耗是相对稳定的，因此，推力螺旋桨电动机采用在某个定常速度范围内功率/重量比很优的推力螺旋将电动机，十分有利于长航时。

参照图5所示，在正常飞行状态时，蓄电池组包括对蓄电池的电量采集模块和电量判断模块，来判断蓄能锂电池组件是否满电，当不满电时，有连接发电系统的平衡充电器对蓄能锂电池组件进行充电，以保证蓄能锂电池组件在平飞时时刻保持满电状态。

参照图6和图7所示，当飞行高度仪检测到无人机超过4500米（可根据具体的地址位置设置）时，大高度飞行子系统启动，由于此时环境不利于发电系统工作，因此，由蓄能锂电池组件供电，并且有重启动系统控制发电系统停止工作，减少能耗。而无人机下降至4500米以下时，重启动系统对发电系统重启动，此时回归至正常飞行状态。

一种长航时无人机油电混合动力系统的控制方法，包括以下步骤：

S1. 起飞前对蓄能锂电池组件充电；机载蓄电池充满电后，能够保持至少4次无人机起降的电能。

S2.检测到无人机处于起飞状态时，通过飞行控制系统控制发电系统和蓄能锂电池组件同时工作以提供起飞过程中的电能；所述蓄能锂电池组件提供飞机起飞过程中的电能是发电系统提供电能的至少一倍；所述发电系统提供的电能包括发电系统在飞机起飞过程中的极限超载电能；

S3.当无人机起飞完成后处于正常飞行状态时，所述飞行控制系统同时控制发电系统提供推力螺旋浆需要的电能和对蓄能锂电池组件充电；

S4.当无人机由正常飞行状态上升至大高度飞行时，所述飞行控制系统控制发电系统停止工作，由蓄能锂电池组件提供飞行时的动力；

S5.当无人机从大高度下降为普通高度时，通过飞行控制系统控制发电系统的重启动，并由发电系统再次为推力螺旋桨电动机和蓄能锂电池组件供电。

所述飞行控制系统包括对蓄电池的充电模块，所述充电模块包括用于检测蓄能锂电池组件当前电量的电量采集模块和电量判断模块；

在步骤S3中，当电量判断模块判断当前电量不满时，通过充电子系统对蓄电池充电；

在步骤S5中，当电量判断模块判断蓄能锂电池组件电量不足时，通过飞行控制系统控制无人机从大高度下降为普通高度。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种长航时无人机油电混合动力系统，包括传感器组、飞控系统、机载蓄电池组、发电控制系统、重启动系统、发电系统以及推力螺旋桨电动机；所述飞控系统根据传感器组提供的信息，控制机载蓄电池组、发电控制系统为飞机提供电能，所述发电控制系统控制发电系统为推力螺旋桨电动机和机载蓄电池组提供电能；所述的飞控系统还包括起飞子系统、正常飞行子系统、充电子系统、大高度飞行子系统，

其特征在于：

所述的起飞子系统，检测到无人机处于起飞状态时，通过飞控系统控制发电系统和机载蓄电池组同时工作以提供起飞过程中的电能；所述机载蓄电池组提供飞机起飞过程中的电能是发电系统提供电能的至少一倍；所述发电系统提供的电能包括发电系统在飞机起飞过程中的极限超载电能；

所述的正常飞行子系统，检测到无人机处于正常飞行时，所述飞控系统同时控制发电系统提供推力螺旋浆需要的电能和对机载蓄电池组充电；

所述的重启动系统，检测到飞机从大高度下降为普通高度时，通过飞控系统控制发电系统的重启动，并由发电系统再次为推力螺旋桨电动机和机载蓄电池组供电；

所述的大高度飞行子系统，检测到高度高于额定值时，通过飞控系统控制发电系统停止工作，由机载蓄电池组提供大高度飞行时的动力。

2.根据权利要求1所述的一种长航时无人机油电混合动力系统，其特征在于：所述的发电系统包括发动机、发电机、整流器，所述的发动机为4冲程定常转速低油耗汽油发动机，所述的发电机为带有发电-再启动模块的发电机；所述推力螺旋桨电动机采用在某个定常速度范围内功率/重量比大于1的电动机。

3.根据权利要求1所述的一种长航时无人机油电混合动力系统，其特征在于：所述传感器组包括

高度传感器，连接飞控系统用于检测当前高度并输出高度信号；

环境传感器，连接飞控系统，所述环境传感器包括空气温湿度传感器、空气粘度传感器、风速传感器。

4.根据权利要求1所述的一种长航时无人机油电混合动力系统，其特征在于：所述起飞子系统包括超载判断单元，所述超载判断单元用于判断飞机起飞过程中发电系统提供推力螺旋桨电动机所需要的电能是否达到超载极限，如果未达到超载极限电能，则由发电系统继续提供起飞电能，如果发电系统达到超载极限电能，则启动机载蓄电池组同时为飞起提供起飞电能。

5.根据权利要求3所述的一种长航时无人机油电混合动力系统，其特征在于：所述大高度飞行子系统包括

比较单元，当飞行高度大于额定值时，所述比较单元输出高空信号；

所述飞控系统接收高空信号后控制发电系统停止工作，由所述机载蓄电池组提供飞行时的电能。

6.根据权利要求1所述的一种长航时无人机油电混合动力系统，其特征在于：所述飞控系统包括充电子系统，所述充电子系统包括

电量采集单元，用于采集机载蓄电池组的当前电量；

电量判断单元，当无人机处于正常飞行状态时，电量判断单元被启动，电量判断单元判断当前电量处于非满电状态时输出充电信号；

执行单元，响应充电信号控制发电系统对机载蓄电池组进行充电。