CN207947693U - 用于垂直起降无人机的油电混合供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，该系统包括依次连接的用于转换为动能的燃油发动机模块、用于转换为电能的发电模块以及用于进行能量存储的电池模块，还包括分别与燃油发动机模块、发电模块连接的供电控制模块，用于监测发电模块的输出电压，以及在输出电压达到指定阈值时，控制调整燃油发动机模块的输出以调整发电模块的输出电量。本实用新型具体结构简单、成本低、续航时间长，能够支持垂直起降无人机在巡航飞行过程中悬停等优点。

Description

用于垂直起降无人机的油电混合供电系统

技术领域

本实用新型涉及垂直起降无人机技术领域，尤其涉及一种用于垂直起降无人机的油电混合供电系统。

背景技术

现有的垂直起降无人机在旋翼垂直起降过程中，通常是以电动旋翼的方式实现垂直起降，即垂直起降过程中使用单一的电池作为动力系统供电，而垂直起降所需的耗电量非常大，且由于大容量的电池会大大增加无人机的载重量，无人机中搭载电池的容量有限，因而垂直起降无人机在设计时必须使得垂直起降阶段的时间尽可能短，通常不会超过10分钟，这会增加设计难度。

在无人机巡航飞行过程中，经常需要在执行任务途中进行悬停观察，而对于纯电动的垂直起降无人机，由于续航能力差，通常不支持在巡航飞行过程中悬停，无法在巡航飞行过程中执行悬停任务。如对于垂直起降固定翼无人机，基于多旋翼结构实现垂直起降，无人机巡航过程中依靠固定翼飞行，旋翼可以在某一点悬停，固定翼则只能在某一点附近盘旋而不能悬停，而采用上述纯电动供电方式，由于无人机搭载电池的电量通常仅能够支持无人机起飞与降落阶段，因而垂直起降固定翼无人机通常都不支持悬停或仅能支持非常短时间的悬停，不能满足无人机在巡航过程中长时间悬停的需求。又如倾转旋翼无人机，通常在垂起和平飞阶段都是使用纯电动供电方式，续航时间短，也难以在无人机平飞过程中支持长时间的悬停。

中国专利申请CN206968978U公开一种混合动力倾转机翼无人机，通过在无人机起飞、降落阶段，使用电池供电，在平飞状态时由油动力系统驱动，但是采用该类无人机，由于是独立使用电池供电、油动系统驱动，无法实现两套系统的充分利用，使用电池供电时，仍然存在上述续航时间短等问题，而油动系统也仍然存在上述体积重量大、响应速度慢以及噪声大等问题，并未实现真正的油电混合供电。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单、成本低、供电性能好，能够支持垂直起降无人机在巡航飞行过程中悬停供电的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，包括依次连接的用于转换为动能的燃油发动机模块、用于转换为电能的发电模块以及用于进行能量存储的电池模块，还包括分别与所述燃油发动机模块、发电模块连接的供电控制模块，用于监测所述发电模块的输出电压，以及在输出电压达到指定阈值时，控制调整所述燃油发动机模块的输出以调整所述发电模块的输出电量。

作为本实用新型系统的进一步改进：当无人机在垂直起降或悬停过程中，所述供电控制模块监测到所述发电模块的输出电压小于第一预设阈值时，控制增大所述燃油发动机模块的输出，以增加所述发电模块的输出电量；当无人机在巡航飞行过程中，所述供电控制模块监测到所述发电模块的输出电压大于第二预设阈值时，控制减少所述燃油发动机模块的输出，以减小所述发电模块的输出电量。

作为本实用新型系统的进一步改进：所述发电机模块包括相互连接的交流发电机以及电能转换单元，所述交流发电机将所述燃油发动机提供的动能转换为交流电，经所述电能转换单元转换为直流电输出。

作为本实用新型系统的进一步改进：所述电能转换单元包括依次连接的整流单元、滤波单元以及稳压单元，所述整流单元将输入的交流电转换为直流电，经过所述滤波单元进行滤波后输出给所述稳压单元，由所述稳压单元对滤波后电压进行稳压，输出所需直流电。

作为本实用新型系统的进一步改进：所述整流单元包括三个并联连接的两相桥式整流电路。

作为本实用新型系统的进一步改进：还包括分别与所述燃油发动机模块、发电模块、电池模块连接的监控模块，用于实时监测所述燃油发动机模块、发电模块、电池模块的状态。

作为本实用新型系统的进一步改进：所述监控模块包括用于监测油箱油量的油量传感器、用于监测发动机油缸温度的缸温传感器、用于监测发动机转速的转速传感器以及用于监控发动机排气氧浓度的氧传感器、用于监测所述发电模块的温度的发电模块温度传感器以及用于监测所述电池模块剩余电量的检测电路中任意一种或多种。

作为本实用新型系统的进一步改进：还包括用于监测环境参数的环境参数监测传感器和/或用于监测无人机中散热系统的散热状态数据的散热系统监测传感器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型通过燃油发动机模块提供动能给发电模块，再由发电模块转换为直流电输出，由电池模块存储多余的能量，将燃油最终转换为电能为无人机供电，能够实现油电混合式发电，有效提高无人机续航时间的时间，减少系统的重量，能够为无人机提供持续的供电，同时通过供电控制模块控制燃油发动机模块的输出，使得能够满足无人机垂直起降、悬停以及巡航飞行各阶段的不同电量需求，可以支持在巡航飞行过程悬停以执行悬停任务，还可以有效提高发电效率及利用率，降低无人机对于垂直起降的设计难度。

2)本实用新型通过供电控制模块控制调整燃油发动机模块的输出，使得在无人机垂直起降或悬停过程中时，由发电模块、电池模块共同为无人机供电，通过控制调整燃油发动机模块的输出，能够保证垂直起降或悬停过程中所需的大容量电量，可以降低无人机对于垂直起降的设计难度，同时可以支持在巡航飞行过程悬停，在巡航飞行过程中发电模块对电池模块充电，通过控制调整燃油发动机模块的输出，使得在电量需求量少时减少发电量，将多余的电量可以进行存储，可以实现电能的循环使用，有效延长了无人机的续航时间，从而可以满足无人机长时间续航以及长时间悬停等的需求。

3)本实用新型进一步采用三个两相桥式整流方式，输出电压稳定性好，且当其中任意一相整流电路出现故障时系统仍可以正常工作，有效提高了系统的冗余度以及安全可靠性，确保无人机供电的稳定可靠性。

4)本实用新型进一步通过设置监控模块能够实时监测整个供电系统的运行状态，可以方便的了解供电系统的运行状态，实现对供电系统生命周期的管理，当各模块出现突发或异常状态时能够及时发现及处理该突发、异常状况，进一步提高无人机供电的安全可靠性，且基于监测到的各运行状态数据，能够实时根据发电系统的运行状态来进行自动控制调节。

附图说明

图1是本实施例用于垂直起降无人机的油电混合供电系统的结构示意图。

图2是本实施例中电能转换单元的结构示意图。

图3是本实施例采用的两相桥式整流电路的结构示意图。

图4是本实施例监控模块的具体结构原理示意图。

图例说明：1、燃油发动机模块；2、发电模块；21、交流发电机；22、电能转换单元；221、整流单元；222、滤波单元；223、稳压单元；3、电池模块；4、供电控制模块；5、监控模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实施例用于垂直起降无人机的油电混合供电系统包括依次连接的用于转换为动能的燃油发动机模块1、用于转换为电能的发电模块2以及用于进行能量存储的电池模块3，还包括分别与燃油发动机模块1、发电模块连接的供电控制模块4，用于监测发电模块2的输出电压，以及在输出电压达到指定阈值时，控制调整燃油发动机模块1的输出以调整发电模块2的输出电量。

本实施例由油箱为燃油发动机模块1提供燃油，燃油发动机模块1通过传动轴与交流发电机模块2连接，由燃油发动机模块1提供动能给发电模块2，再由发电模块2转换为直流电输出，由电池模块3存储多余的能量，由燃油最终转换为电能进行供电，能够实现油电混合式发电，有效提高无人机续航时间的时间，同时减少系统的重量，能够为无人机提供持续的供电。

无人机在垂直起降以及悬停过程中时所需的电量较大，而巡航飞行过程中所需的电量较小，通常约为垂直起降所需电量的1/6，本实施例通过考虑无人机上述各飞行阶段的特点，通过供电控制模块4控制燃油发动机模块1的输出以调整系统的发电量，使得能够满足无人机垂直起降、悬停以及巡航飞行各阶段的不同电量需求，可以支持在巡航飞行过程悬停以执行悬停任务，还可以有效提高发电效率及利用率，降低无人机对于垂直起降的设计难度。

本实施例中，当无人机在垂直起降或悬停过程中，供电控制模块4监测到发电模块2的输出电压小于第一预设阈值时，控制增大燃油发动机模块1的输出，以增加发电模块2的输出电量；当无人机在巡航飞行过程中，供电控制模块4监测到发电模块2的输出电压大于第二预设阈值时，控制减少燃油发动机模块1的输出，以减小发电模块2的输出电量。

本实施例利用上述供电系统进行供电时，实时监测发电模块2的输出电压，当无人机在垂直起降或悬停过程中时，由发电模块2、电池模块3共同输出电能给无人机供电，若监测到的输出电压小于第一预设阈值，控制增大燃油发动机模块1的输出；

当无人机在巡航飞行过程中时，发电模块2输出电能提供给无人机供电以及提供给电池模块3充电，若监测到的输出电压大于第二预设阈值，控制减小燃油发动机模块1输出，电池被动被充电直至达到预设高电压值，完成充电。

具体在无人机垂直起降中时，由于所需垂直起降所需的耗电量大，发电模块2不能满足供电量需求，上述方法由发电模块2为无人机供电的同时，电池模块3释放存储的能量与发电模块2一起进行供电，同时在发电模块2的输出电压逐渐减小至小于预设阈值时，控制增大燃油发动机模块1的输出，保证垂直起降过程中所需的大容量电量，降低无人机对于垂直起降的设计难度；在巡航飞行过程中，由于所需的耗电量较小，发电模块2提供的能量会大于无人机飞行所需的电量，上述方法由发电模块2对电池模块3充电，同时在发电模块2的输出电压逐渐增大至大于预设阈值时，控制减少燃油发动机模块1的输出，使得在电量需求量少时减少发电量并进行能量的存储，从而可以实现电能的循环使用，有效延长了无人机的续航时间；当无人机需要执行悬停任务时，由于悬停所需的耗电量大，上述方法发电模块2与电池模块3共同给无人机供电，同时在在发电模块2的输出电压逐渐减小至小于第一预设阈值时，控制增大燃油发动机模块1的输出，使得可以满足悬停所需的电量，从而支持巡航飞行过程中悬停，满足无人机长时间续航以及长时间悬停等的需求。

本实施例中，若监测到的输出电压小于第一预设阈值(具体可取48V)，具体控制大燃油发动机模块1的输出，使得发电模块2的输出电量达到预设最大值；若监测到的输出电压大于第二预设阈值(具体可取50V)，具体控制减小调整燃油发动机模块1的输出，使得发电模块2的输出电量减小至预设最小值。

如图2所示，本实施例中发电机模块2包括相互连接的交流发电机21以及电能转换单元22，交流发电机21将燃油发动机模块1提供的动能转换为交流电，经电能转换单元22转换为直流电输出。滤波单元222具体可使用电容滤波电路、电感滤波电路或由电容与电感构成的组合滤波电路等，稳压单元223具体可采用如包括稳压管的稳压电路。

本实施例中，电能转换单元22包括依次连接的整流单元221、滤波单元2222以及稳压单元223，整流单元221将输入的交流电转换为直流电，经过滤波单元2222进行滤波后输出给稳压单元223，由稳压单元223对滤波后电压进行稳压，输出所需直流电，能够输出稳定的直流电。

本实施例中，整流单元221包括三个并联连接的两相桥式整流电路，采用三个两相桥式整流方式，相比于传统的如三相桥式整流方式，输出电压稳定性好，且当其中任意一相整流电路出现故障时系统仍可以正常工作，有效提高了系统的冗余度以及安全可靠性，确保无人机供电的稳定可靠性。

本实施例采用的两相桥式整流电路具体如图3所示，每个两相桥式整流电路为由四个二极管构成桥式结构，三个两相桥式整流电路相互并联连接，交流发电机21输出的交流电分别经过三个两相桥式整流电路进行整流后，输出所需的直流电，当三个两相桥式整流电路中任意一个输出故障时，由于各两相桥式整流电路并联连接，仍然能够正常转换输出直流电。

本实施例中，还包括分别与燃油发动机模块1、发电模块2、电池模块3连接的监控模块5，用于实时监测燃油发动机模块1、发电模块2、电池模块3的状态。通过设置监控模块5，能够实时监测燃油发动机模块1、发电模块2以及电池模块3的状态，从而实时监测整个供电系统的运行状态，使得可以方便的了解供电系统的运行状态，实现对供电系统生命周期的管理，当各模块出现突发或异常状态时能够及时发现该突发、异常状况，从而可以及时进行异常处理，进一步提高无人机供电的安全可靠性，且基于监测到的各运行状态数据，能够实时根据发电系统的运行状态来进行自动控制调节，无需人工参与控制调节，智能化程度高，能够有效提高发电系统的发电效率及发电性能，从而节省油耗，进一步延长无人机的续航时间。

如图4所示，本实施例中监控模块5包括用于监测油箱油量的油量传感器、用于监测发动机油缸温度的缸温传感器、用于监测发动机转速的转速传感器以及用于监控发动机排气氧浓度的氧传感器等，以监测发动机的运行状态，其中缸温传感器设置在发动机缸体内，转速传感器设置在燃油发动机模块1与发电模块2之间的传动轴上，氧传感器设置在发动机缸体的排气管输出端；监控模块5还包括用于交流发电机模块2的温度的发电机温度传感器以及监测元器件损坏状态的检测电路，以监测发电模块2的运行状态；监控模块5还包括用于监测电池模块3剩余电量的检测电路等。通过设置多种传感器，可以全面监测发动系统的运行情况，根据各传感器反馈的数据还可以实现各项参数的自动调节，有效提高发电系统的智能化程度以及供电系统性能。

监控模块5实时监测到的运行状态数据后进行判断，若判断到为异常状态，控制调整发动机的进油量、散热系统的散热量等以调整异常的参数或进行故障报警，其中当监测到各模块的温度参数超过预设阈值时，控制调整散热系统的散热量，当监测到其他状态时，控制发出故障报警。以实现监控发动机缸温为例，监控模块5接收到缸温传感器检测到的温度后与预设阈值进行比较，若检测到的温度值超过预设阈值时，产生控制指令发送给散热系统，控制增加散热系统的风量以提高冷却效果，如果提高到最高风量仍然无法使缸温在允许的范围内，则进行报警或者与飞控交互执行降落或者返航指令；当监测到其他如油箱油量少于预设阈值、电池模块3的剩余电量小于预设阈值时，产生控制指令给报警设备，控制报警设备发出报警信息。还可以实时监测电能转换模块22的电压输出，当监测到电压大于预设阈值时，产生控制指令发送给发动机的喷射体，使喷射体按照指令地缩小开度以降低喷油量，以减小发电量。

当处于不同温度、气压环境时可能会对发动机的运行状态造成影响，尤其是高温、高压等恶劣环境。本实施例中，监控模块5还包括用于监测环境参数的环境参数监测传感器，具体可使用于监测大气温度的气温传感器以及用于监测大气气压的气压传感器等，使得可以根据环境参数的实时状态调整散热系统的散热量。监控模块5还可设置用于监测无人机中散热系统的散热状态数据的散热系统监测传感器等，如采用检测散热系统的散热温度的温度传感器等，以对散热系统的散热状态进行实时监控。

本实施例中，电池模块3具体采用存储容量小于无人机垂直起降过程中所需能量的电池。由于在无人机垂直起降或悬停过程中是由发电模块2以及电池模块3共同供电，巡航飞行过程中所需电量远小于垂直起降过程中所需电量，电池模块3选择小能量的电池即可满足无人机的供电需求，相比于传统的纯电动垂直起降无人机必须使用大能量电池，可以有效减少无人机的载重，从而进一步延长续航时间。

本实施例无人机可以为固定翼垂直起降无人机，相比于传统的垂直起降固定翼、无人机，可以延长续航时间，且能够支持巡航飞行过程悬停，也可以应用在倾转旋翼无人机上，相比于传统的倾转旋翼在垂起和平飞阶段只能使用纯电动力，续航时间长，且可实现任务途中悬停。

本实用新型上述供电系统中所需燃油也可以使用汽油、甲醇等各类型燃油料。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：包括依次连接的用于转换为动能的燃油发动机模块(1)、用于转换为电能的发电模块(2)以及用于进行能量存储的电池模块(3)，还包括分别与所述燃油发动机模块(1)、发电模块(2)连接的供电控制模块(4)，用于监测所述发电模块(2)的输出电压，以及在输出电压达到指定阈值时，控制调整所述燃油发动机模块(1)的输出以调整所述发电模块(2)的输出电量。

2.根据权利要求1所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：当无人机在垂直起降或悬停过程中，所述供电控制模块(4)监测到所述发电模块(2)的输出电压小于第一预设阈值时，控制增大所述燃油发动机模块(1)的输出，以增加所述发电模块(2)的输出电量；当无人机在巡航飞行过程中，所述供电控制模块(4)监测到所述发电模块(2)的输出电压大于第二预设阈值时，控制减少所述燃油发动机模块(1)的输出，以减小所述发电模块(2)的输出电量。

3.根据权利要求2所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：所述发电模块(2)包括相互连接的交流发电机(21)以及电能转换单元(22)，所述交流发电机(21)将所述燃油发动机模块(1)提供的动能转换为交流电，经所述电能转换单元(22)转换为直流电输出。

4.根据权利要求3所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：所述电能转换单元(22)包括依次连接的整流单元(221)、滤波单元(222)以及稳压单元(223)，所述整流单元(221)将输入的交流电转换为直流电，经过所述滤波单元(222)进行滤波后输出给所述稳压单元(223)，由所述稳压单元(223)对滤波后电压进行稳压，输出所需直流电。

5.根据权利要求4所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：所述整流单元(221)包括三个并联连接的两相桥式整流电路。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：还包括分别与所述燃油发动机模块(1)、发电模块(2)、电池模块(3)连接的监控模块(5)，用于实时监测所述燃油发动机模块(1)、发电模块(2)、电池模块(3)的状态。

7.根据权利要求6所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：所述监控模块(5)包括用于监测油箱油量的油量传感器、用于监测发动机油缸温度的缸温传感器、用于监测发动机转速的转速传感器以及用于监控发动机排气氧浓度的氧传感器、用于监测所述发电模块(2)的温度的发电模块温度传感器以及用于监测所述电池模块(3)剩余电量的检测电路中任意一种或多种。

8.根据权利要求7所述的用于垂直起降无人机的油电混合供电系统，其特征在于：还包括用于监测环境参数的环境参数监测传感器和/或用于监测无人机中散热系统的散热状态数据的散热系统监测传感器。