CN208040526U - 用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，包括：燃油发动机模块，用于将燃油的化学能转换为动能，提供给交流发电机模块；交流发电机模块，用于将燃油发动机模块提供的动能转换为交流电，输出给电能转换模块；电能转换模块，用于将交流发电机模块输出的交流电转换为直流电提供给无人机供电；监控模块，用于实时监测所述燃油发动机模块、交流发电机模块以及电能转换模块的状态，并在监测到故障状态时控制进行故障报警。本实用新型基于油电混合式供电系统，能够实现无人机供电的监控管理，提高无人机供电的智能化程度、稳定可靠性及效率。

Description

用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统。

背景技术

目前大多数小型无人机通常都是采用单一动力系统供电，如采用锂电池或采用甲醇、汽油等燃料的内燃机给无人机供电。而采用锂电池供电，由于无人机本身要求载重重量尽可能小，因而对电池的重量具有一定限制，小重量的电池能提供的能量非常有限，使得无人机供电的续航时间短，无法满足无人机长时间、长距离续航的需求；采用汽油、甲醇等内燃机的油动无人机，内燃机通过燃油转化提供机械能，带动桨叶旋转而提供升力，但是装置的体积重量大、响应速度慢，还会产生较大的噪声，且通常仅能用于固定翼无人机上，难以适用于旋翼及倾转翼无人机中。

为解决上述问题，有从业者提出使用电池与燃油两套动力系统结合的方式为无人机供电，但是通常都是将两套动力系统分别独立使用，使得既有电动供电系统，又有油动供电系统。如中国专利申请CN204264457U，通过将燃油发动机作为主动力系统，电动机、锂电池作为副动力系统，主旋翼使用主动力系统驱动，副旋翼使用副动力系统供电；以及中国专利申请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，使用电动系统，在平飞状态时由油动力系统驱动无人机飞行。但是无人机采用上述类型电池与油动混合供电方式，仅仅是电动与油动两种模式的混合使用，由于是独立使用电动系统供电、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。

同时现有的无人机中通常仅是简单的对发电系统中电压或油量进行监测，当电压低时控制油门舵机提高发动机转速以提高发电系统的发电量，当电压高时再控制油门舵机降低发动机转速以减少发电系统的发电量，当返回的油量显示低油量时，由人工控制无人机返航。但是发电系统在运行过程中各部件的运行状态均会不断发生变化，如发电系统中发动机缸体可能出现温度过高、转速异常等状况，发电机可能出现温度过高等状况，仅仅通过电压或油量的监控方式无法获取整个发电系统的运行状态，当发电系统内某部件出现突发或异常状态时无法及时发现而及时处理该突发、异常状况，且基于电压、油量的监控方式也仅能够简单的实现电压、油量的控制调节，不能依据整个发电系统的运行状态进行实时调整，发电系统的发电性能依然不高。

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能够实现无人机供电的监控管理，提高无人机供电的智能化程度、稳定可靠性及效率的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，包括：

燃油发动机模块，用于将燃油的化学能转换为动能，提供给交流发电机模块；

交流发电机模块，用于将所述燃油发动机模块提供的动能转换为交流电，输出给电能转换模块；

电能转换模块，用于将所述交流发电机模块输出的交流电转换为直流电提供给无人机供电；

监控模块，用于实时监测所述燃油发动机模块、交流发电机模块以及电能转换模块的状态，并在监测到故障状态时控制进行故障报警。

作为本实用新型的进一步改进：所述监控模块包括依次连接的数据检测单元、异常判断单元、控制单元以及数据发送单元，所述数据检测单元实时检测上述各模块的状态数据，输出给所述异常判断单元，所述异常判断单元判断到异常状态时，通过所述控制单元控制进行故障报警，由所述数据发送单元发送异常数据。

作为本实用新型的进一步改进：所述数据检测单元包括用于监测所述燃油发动机模块的状态数据的第一检测子单元、用于监测所述交流发电机模块的状态数据的第二检测子单元以及用于检测所述电能转换模块的状态数据的第三检测子单元。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一检测子单元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中的任意一种或多种；所述第二检测子单元包括用于检测所述交流发电机模块的温度的发电机温度传感器；所述第三检测子单元包括用于检测所述电能转换模块的温度的转换模块温度传感器和/或用于检测所述电能转换模块中元器件损坏状态的检测电路。

作为本实用新型的进一步改进：所述电能转换模块包括用于将输入的交流电转换为直流电的整流单元以及用于对所述整流单元输出的直流电进行滤波的滤波单元，所述转换模块温度传感器具体与所述整流单元连接，用于实时检测所述整流单元的温度，所述检测电路与所述滤波单元连接，用于检测所述滤波单元的损坏状态。

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

作为本实用新型的进一步改进：所述数据检测单元还包括第四检测子单元，用于实时监测环境参数以及控制调整散热系统的散热量大小。

作为本实用新型的进一步改进：所述数据检测单元还包括第五监测子单元，用于实时监测散热系统的散热状态数据以及控制调整当前散热量大小。

作为本实用新型的进一步改进：所述数据发送单元与无人机的飞控系统连接，以控制在异常状态时启动飞控系统返航程序或飞控系统降落程序。

作为本实用新型的进一步改进：还包括与所述监控模块连接的数据记录存储模块，用于存储所述监控模块实时获取到的监控数据以及故障数据。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型发电系统包括燃油发动机模块与交流发电机模块以及电能转换模块，由燃油发动机模提供动能给交流发电机模块，再由交流发电机模块转换为交流电后通过电能转换模块转换为直流电，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，给无人机提供持续供电，相比于传统的混合使用油电两种供电方式，能够实现真正的油电混合发电，有效提高无人机续航时间，同时减少系统的重量，保证无人机长时间、长距离飞行。

2)本实用新型发电系统通过设置监控模块，实时监测燃油发动机模块、交流发电机模块以及电能转换模块的状态，能够实时监测整个发电系统的运行状态，可以方便的了解发电系统的运行状态，实现对发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，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；

3)本实用新型进一步监控模块设置有多种传感器，分别监测发动机中缸体温度、发动机转速、发动机排气氧浓度、油箱油量、发电机温度、整流单元的温度、大气温度及压力等环境参数、散热系统运行情况等，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发电性能。

附图说明

图1是本实施例用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统的结构示意图。

图2是本实施例中监控模块的结构示意图。

图3是本实施例中数据检测单元的结构示意图。

图4是本实施例中电能转换模块的结构示意图。

图例说明：1、燃油发动机模块；2、交流发电机模块；3、电能转换模块；31、整流单元；32、滤波单元；33、稳压单元；4、监控模块；41、数据检测单元；42、异常判断单元；43、控制单元；44、数据发送单元。

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，本实施例用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于，包括：

燃油发动机模块1，用于将燃油的化学能转换为动能，提供给交流发电机模块2；

交流发电机模块2，用于将燃油发动机模块1提供的动能转换为交流电，输出给电能转换模块3；

电能转换模块3，用于将交流发电机模块2输出的交流电转换为直流电提供给无人机供电；

监控模块4，用于实时监测燃油发动机模块1、交流发电机模块2以及电能转换模块3的状态，并在监测到故障状态时控制进行故障报警。

本实施例由油箱为汽油发动机提供燃油，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提供动能给交流发电机模块2，再由交流发电机模块2转换为交流电后通过电能转换模块3转换为直流电，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，给无人机提供持续供电，相比于传统的混合使用油电两种供电方式，能够实现真正的油电混合发电，有效提高无人机续航时间，同时减少系统的重量，保证无人机长时间、长距离飞行。

同时本实施例发电系统还设置有监控模块4，通过监控模块4实时监测燃油发动机模块1、交流发电机模块2以及电能转换模块3的状态，能够实时监测整个发电系统的运行状态，可以方便的了解发电系统的运行状态，实现对发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，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2所示，本实施例中监控模块4具体包括依次连接的数据检测单元41、异常判断单元42、控制单元43以及数据发送单元44，数据检测单元41实时检测上述各模块的状态数据，输出给异常判断单元42，异常判断单元42判断到异常状态时，通过控制单元43控制进行故障报警，由数据发送单元44发送异常数据。通过上述结构，可以实时监测燃油发动机模块1、交流发电机模块2以及电能转换模块3的运行状态，在监测到异常状态时进行故障报警，保证各模块的运行状态能够维持在正常状态。

如图3所示，本实施例中数据检测单元41包括用于监测燃油发动机模块1的状态数据的第一检测子单元、用于监测交流发电机模块2的状态数据的第二检测子单元以及用于检测电能转换模块3的状态数据的第三检测子单元，由第一检测子单元、第二检测子单元、第三检测子单元分别监测发电系统中发动机、发电机以及电能转换模块的状态数据，实现发电系统整个运行状态的监控管理。具体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。

参见图3，本实施例中第一检测子单元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，以分别监测油箱的剩余油量、发动机缸体的缸温、发动机转速以及排气氧浓度等状态，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11的排气管输出端。

第一检测子单元实时监测到的发动机状态数据发送给异常判断单元42，异常判断单元42根据实时监测数据判断是否为异常状态，当判断到为异常状态时，控制调整散热系统的散热量或进行故障报警，其中当监测到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，异常判断单元42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时，产生控制指令给报警设备，控制报警设备发出报警信息。

上述第一检测子单元当然也可以根据实际需求采用上述一种或几种传感器的组合，还可以采用检测发动机其他运行状态数据的传感器，以进一步提高控制精度。

参见图3，本实施例中第二检测子单元具体包括用于检测交流发电机模块2的温度的发电机温度传感器，即通过发电机温度传感器监测发电机的温度，以在发电机的温度超过预设阈值时，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时，产生控制指令给报警设备，控制报警设备发出报警信息，避免发电机出现温度过高的状况。当然第二检测子单元也可以根据实际需求采用其他状态参数监测传感器，以进一步提高发电机的监控性能。

参见图3，本实施例中第三检测子单元包括用于检测电能转换模块3的温度的转换模块温度传感器以用于检测电能转换模块3中元器件损坏状态的检测电路，即通过第三检测子单元监测电能转换模块3的温度及元器件损坏状态，以在电能转换模块3的温度过高时控制调整散热系统的散热量，或出现元器件损坏时进行故障报警，避免电能转换模块3发生温度过高以及确保转换的可靠性。

如图4所示，本实施例电能转换模块3具体包括用于将输入的交流电转换为直流电的整流单元31以及用于对整流单元31输出的直流电进行滤波的滤波单元32，转换模块温度传感器具体与整流单元31连接，用于实时检测整流单元31的温度，检测电路与滤波单元32连接，用于检测滤波单元32的损坏状态。还可以实时监测电能转换模块3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。

本实施例中，整流单元31具体包括三个并联连接的两相桥式整流电路，每个两相桥式整流电路为由四个二极管构成桥式结构，交流发电机模块2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。传统的如三相桥式整流电路进行整流后仍然存在电压波动，且当电路中任意一相输出故障时即无法正常工作，本实施例整流单元31通过使用两相桥式整流方式，能够减小无人机的载重，且输出电压性能好，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，从而进一步提高无人机供电的安全可靠性。

本实施例滤波单元32具体使用电容滤波电路，通过第三检测子单元监测滤波电容是否损坏，当然也可以采用如电感滤波电路或由电容与电感构成的组合滤波电路等，组合滤波电路具体可采用如π形滤波电路等。

本实施例中还包括与电能转换模块3的输出端设置有电池模块，用于将电能转换模块3输出的电能进行稳压后储存以及将储存的电能提供给无人机供电。通过设置电池模块，可以在电能转换模块3输出的能量充足时进行储能充电，在电能转换模块3输出的能量不足时释放能量以补充不足的电能，实现稳压功能，同时由电池模块还可以实现多余能量的存储，以及在能量不足时提供补充能量或在异常状态时提供应急电源等，有效提高供电系统的能源利用率，同时进一步提高了供电系统的供电稳定性，以及延长无人机的续航时间。

本实施例中具体当电能转换模块3输出的电压大于电池模块的电压时，控制电能转换模块3给无人机供电，同时给电池模块充电；当电能转换模块3输出的电压小于电池模块的电压时，控制电能转换模块3与电池模块同时给无人机供电，当电能转换模块3处于异常状态时，控制电池模块单独给无人机供电以提供应急电源，能够充分利用电能，保证无人机实时稳定的供电。

本实施例中，电能转换模块3的输出端还设置有稳压单元33，稳压单元33将经过滤波单元32滤波后的电压进一步进行稳压，结合电池模块4能够确保输出高稳定性的电压。稳压单元33具体可采用如包括稳压管的稳压电路，也可以根据实际需求采用其他的稳压电路结构。

本实施例中，数据检测单元41还包括用于监测环境参数的第四检测子单元，用于实时监测环境参数以及控制调整散热系统的散热量大小。第四检测子单元具体包括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。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，本实施例通过设置第二检测子单元以检测环境参数，通过第四检测子单元实时检测环境参数，异常判断单元42将实时检测环境参数与预设阈值进行比较，通过控制单元43控制调整散热量大小，使得在各种环境工况下均能够获得最佳性能。第四检测子单元还可以采用其他环境参数检测传感器以进一步提高控制精度。本实施例中，数据检测单元41还包括第五监测子单元，用于实时监测散热系统的散热状态数据以及控制调整当前散热量大小，具体可使用检测散热系统的散热温度的温度传感器。当第五监测子单元监测到的散热状态数据超过预设阈值时，通过控制单元43控制减小当前散热量，当监测到的散热状态数据小于预设阈值时，通过控制单元43控制增大当前散热量，从而可以根据散热效果对散热系统的散热状态进行实时调整。

采用本实施例上述监控模块4，通过设置多种传感器分别监测发动机中缸体温度、发动机转速、发动机排气氧浓度、油箱油量、发电机温度、电能转换模块3中整流单元31的温度、大气温度及压力等环境参数、散热系统运行情况等，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发电性能。

本实施例中，数据发送单元44与无人机的飞控系统连接，以控制在异常状态时启动飞控系统返航程序或飞控系统降落程序，使得发电系统能够根据不同的环境条件输出稳定的电量供无人机使用，与飞行控制系统交互自动处理异常情况，具体的，如当油量低于一定量时，启动飞行控制系统返航程序，当监测到缸温过高时增加散热系统的散热，若温度仍然很高且超过指定阈值时启动飞行控制系统降落程序。

本实施例中，还包括与监控模块4连接的数据记录存储模块，用于存储监控模块4实时获取到的监控数据以及故障数据，记录的数据具体可包括系统运行时间、发电系统的出现过的故障等，还可以存储维护保养建议、故障排除方法等，在监测到发生异常状态时，可以从数据记录存储模块中获取对应的维护保养建议、故障排除方法。基于记录的数据可形成大数据库信息，后续基于该大数据库即可实现对发电系统生命周期管理，可方便的获取该发电系统的运行及维护保养情况等。

本实用新型上述供电系统可以适用于多旋翼、固定翼的各类型无人机中，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 (10)

1.一种用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于，包括：

燃油发动机模块(1)，用于将燃油的化学能转换为动能，提供给交流发电机模块(2)；

交流发电机模块(2)，用于将所述燃油发动机模块(1)提供的动能转换为交流电，输出给电能转换模块(3)；

电能转换模块(3)，用于将所述交流发电机模块(2)输出的交流电转换为直流电提供给无人机供电；

监控模块(4)，用于实时监测所述燃油发动机模块(1)、交流发电机模块(2)以及电能转换模块(3)的状态，并在监测到故障状态时控制进行故障报警。

2.根据权利要求1所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述监控模块(4)包括依次连接的数据检测单元(41)、异常判断单元(42)、控制单元(43)以及数据发送单元(44)，所述数据检测单元(41)实时检测上述各模块的状态数据，输出给所述异常判断单元(42)，所述异常判断单元(42)判断到异常状态时，通过所述控制单元(43)控制进行故障报警，由所述数据发送单元(44)发送异常数据。

3.根据权利要求2所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述数据检测单元(41)包括用于监测所述燃油发动机模块(1)的状态数据的第一检测子单元、用于监测所述交流发电机模块(2)的状态数据的第二检测子单元以及用于检测所述电能转换模块(3)的状态数据的第三检测子单元。

4.根据权利要求3所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述第一检测子单元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中的任意一种或多种；所述第二检测子单元包括用于检测所述交流发电机模块(2)的温度的发电机温度传感器；所述第三检测子单元包括用于检测所述电能转换模块(3)的温度的转换模块温度传感器和/或用于检测所述电能转换模块(3)中元器件损坏状态的检测电路。

5.根据权利要求4所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述电能转换模块(3)包括用于将输入的交流电转换为直流电的整流单元(31)以及用于对所述整流单元(31)输出的直流电进行滤波的滤波单元(32)，所述转换模块温度传感器具体与所述整流单元(31)连接，用于实时检测所述整流单元(31)的温度，所述检测电路与所述滤波单元(32)连接，用于检测所述滤波单元(32)的损坏状态。

6.根据权利要求5所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述整流单元(31)具体包括三个并联连接的两相桥式整流电路。

7.根据权利要求2～6中任意一项所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述数据检测单元(41)还包括第四检测子单元，用于实时监测环境参数以及控制调整散热系统的散热量大小。

8.根据权利要求2～6中任意一项所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述数据检测单元(41)还包括第五监测子单元，用于实时监测散热系统的散热状态数据以及控制调整当前散热量大小。

9.根据权利要求2～6中任意一项所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：所述数据发送单元(44)与无人机的飞控系统连接，以控制在异常状态时启动飞控系统返航程序或飞控系统降落程序。

10.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于无人机中具备监控功能的油电混合发电系统，其特征在于：还包括与所述监控模块(4)连接的数据记录存储模块，用于存储所述监控模块(4)实时获取到的监控数据以及故障数据。