CN214154140U

CN214154140U - 一种无人机智能供配电系统

Info

Publication number: CN214154140U
Application number: CN202022297232.1U
Authority: CN
Inventors: 汪雷; 郭一凡; 刘瑞瑞; 孙钢
Original assignee: Rainbow UAV Technology Co Ltd
Current assignee: Rainbow UAV Technology Co Ltd
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2030-10-15

Abstract

本实用新型一种无人机智能供配电系统，包括：交流发电机，电源装置，蓄电池，配电中心，二次电源装置，供电系统处理机，固态功率控制器、CAN总线；针对目前无人机电气系统电源品质差，无冗余，无监测系统，拓展性差的问题，该系统解决了无人机电源品质问题，充分利用电源之间以及蓄电池的备份关系，提供多余度的供电，运用实时监测系统，监测系统的工作状态，使无人机在飞行过程中防止因供电问题导致无人机工作异常。在不同任务剖面时，选择不同配型，拓展性性能较好。

Description

一种无人机智能供配电系统

技术领域

本实用新型涉及一种无人机智能供配电系统，属于无人机智能技术领域。

背景技术

无人机在飞行过程中，供电系统高电源品质，监测系统的实时性，且具有良好的冗余度，是无人机安全飞行的重要保障，现在的无人机系统供电多为简单整流桥直接输出电路，电源品质较低；多为单路供电，一旦出现故障，很难进行补救，容易造成飞行事故；无监测系统，不能实时的将电源系统参数传回地面，地面操作人员很难根据实时状态对无人机进行应急操作，无人机的飞行安全性大打折扣。在挂载不同载荷时，可选用不同配置设备，拓展性较强。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种无人机智能供配电系统，针对目前无人机电气系统电源品质差，无冗余，无监测系统，拓展性差的问题，提供一种无人机智能供配电系统，该系统解决了无人机电源品质问题，充分利用电源之间以及蓄电池的备份关系，提供多余度的供电，运用实时监测系统，监测系统的工作状态，使无人机在飞行过程中防止因供电问题导致无人机工作异常。在不同任务剖面时，选择不同配型，拓展性性能好。

本实用新型解决的技术方案为：一种无人机智能供配电系统，包括：交流发电机，电源装置，蓄电池，配电中心，二次电源装置，供电系统处理机，固态功率控制器、CAN总线；

交流发电机为永磁交流发电机，与外部发动机连接，将外部发动机的动能转换为电能，交流发电机输出的交流电1输入至电源装置中。交流发电机将其自身的交流发电机的温度信息送至供电系统处理机；

电源装置，能够对交流发电机输出的交流电进行整流、滤波和电源变换，输出直流电2，送至配电中心；每台电源装置均可输出两路相同电压的直流电2；电源装置作为机上主电源；电源装置能够将其自身的状态信息，送至CAN总线；

配电中心，实现与其连接的用电设备的电源回流，以及对电源装置的输出、蓄电池的输出或地面电源的输出的直流电进行一次分配，得到多路直流电3，分别送至用电设备、二次电源装置，固态功率控制器；配电中心将蓄电池电流信息送至供电系统处理机；

二次电源装置，二次电源装置，将配电中心输出的直流电3进行电压转换变为14V直流电4，以满足负载的用电需求，并将二次电源装置的输出状态送至CAN总线和供电系统处理机；

固态功率控制器能够接收供电系统处理机通过CAN总线发来的控制指令，每台固态功率控制器内部设置多路不同电流等级的可控电源通道，固态功率控制器，在控制指令控制下，能够通过多路不同电流等级的可控电源通道实现对配电中心输出的28V直流电进行二次分配，给外部可控电源；并能够实现将自身多路不同电流等级的可控电源通道的配电参数通过CAN总线送至供电系统处理机；

供电系统处理机，接收固态功率控制器通过CAN总线送来的配电参数、二次电源装置送来的二次电源装置的输出状态、配电中心送来的蓄电池电流信息、交流发电机的温度信息；以及从CAN总线提取电源装置的状态信息；供电系统处理机还能够接收飞控计算机的控制指令；供电系统处理机还能够接收外部数据记录仪和地面监测接口输出的数据；

供电系统处理机还能够将系统运行状态通过RS-422接口，传送至飞控计算机和数据记录仪。

优选的，交流发电机输出的交流电1的电压为22V～60V。

优选的，电源装置实现对交流发电机输出的交流电进行整流、滤波和电源变换，输出的直流电2的电压为28V。

优选的，电源装置将其自身的状态信息，送至CAN总线，其中状态信息是指：电压信息、电流信息和故障信息。

优选的，配电中心，包括：汇流条A、汇流条B、电流传感器、汇流条并联控制器；

配电中心内部设置汇流条A和汇流条B；蓄电池的输出通过开关直接接入配电中心装置内的汇流条A；电源装置为两个，分别为电源装置1和电源装置2，电源装置1的输出分别接到汇流条A和汇流条B，外部地面电源的输出分别通过地面电源接口连接到汇流条A和汇流条B；配电中心内还设有电流传感器，负责实现蓄电池电流采集，还设有汇流条并联控制器，控制汇流条A和B的并联或不并联。

优选的，直流电3的电压为28V。

优选的，直流电4的电压为14V，以满足14V负载的用电需求。

优选的，二次电源装置的输出状态，包括输出电压信息和输出电流信息。

优选的，每台固态功率控制器内部设置多路不同电流等级的可控电源通道数量为6路。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本实用新型所述对的一种无人机智能供配电系统，输出电源品质高，纹波小，且在负载发生较大变化的情况下，汇流条电源依然能保持在稳定状态。

(2)本实用新型采用多冗余供电模式，当主电源A路出现故障时，主电源B可作为A路备份，当主电源A、B均出现故障时，蓄电池可实时作为备份电源为整个无人机进行不间断供电。真正实现了多余度供电。

(3)本实用新型中的各设备均设置有RS-422接口和CAN总线接口，用于实现各个部件与供电系统处理机通信，供电系统处理机可通过RS-422接口实现与飞控计算机、数据记录仪和外部测试设备进行通信，上传系统运行状态，并执行控制指令。此外，供电系统处理机还能采集设备电压、电流等温度参数作为监测参数，实现了对整个系统运行状态进行实时监控，确保了出现问题及时发现，及时采取措施。

(4)本实用新型可根据配型的不同，将电源装置和固态功率控制器进行选配配置，若需更大功率，可选用两台电源装置，增大整个系统的功率；若需多路可控电源通道，可选用多台固态功率控制器，实现多路电源的可控操作。根据不同配置，对系统进行不同设备配置，增加了整个系统的拓展性。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种无人机智能供配电系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。

本实用新型是一种无人机智能供配电系统，无人机在飞行过程中为其提供充足电力，保障无人机关键用电设备的供电不间断。无人机在飞行过程中，能够实时的对供电系统进行监测和管理，保障系统的良好运行。主电源故障时，配电系统能够优先保证飞行平台关键用电设备的供电，提高系统的可靠性和稳定性，防止因供配电系统故障导致无人机系统工作异常。

如图1所示，本实用新型一种无人机智能供配电系统，包括：交流发电机，电源装置，蓄电池，配电中心，二次电源装置，供电系统处理机，固态功率控制器、CAN总线；

供电系统处理机还能够将系统运行状态通过RS-422接口，传送至飞控计算机和数据记录仪；

优选的，交流发电机输出的交流电1的电压为22V～60V。

优选的，直流电3的电压为28V。

优选的，直流电4的电压为14V，以满足14V负载的用电需求。

优选的，可控电源是指无人机在飞行过程中，需要对其供电与断电发送指令进行控制，每台固态功率控制器可接入6路可控电源，无人机在飞行过程中，地面操控人员通过发送控制指令对可控电源进行上电与下点操作。

优选的，多路不同等级的可控电源通道配电参数包括，各通道的关断与导通状态、电流信息、故障状态以及各通道是否处于过流状态。

优选的，外部数据记录仪，功能为记录无人机工作过程中各系统的工作状态参数监测，本实用新型中，供配电系统的电压、电流以及各设备的状态信息均实时的通过RS422总线通信方式传送至外部数据记录仪，该数据记录仪具备存储功能，如需读取供配电系统运行参数可通过数据记录仪的下载接口进行读取。

优选的，地面检测接口，用于供电系统处理机地面调试时使用，测试时，通过RS422总线与供电系统处理机测试设备连接，用于测试供配电系统是否处于正常工作状态。

优选的，系统运行状态，主要包括供电系统中汇流条的电压、电流信息，蓄电池电压、电流信息；电源装置以及固态功率控制器的故障信息(通道状态，是否过流或过压)；二次电源装置电压、电流信息；固态功率控制器通道开通情况，以上系统运行状态信息均可通过RS422总线方式传送至飞控计算机，便于操作人员进行系统状态监测。

交流发电机，优选方案具体为：永磁交流发电机，配置了强制风冷风扇，保证其恶劣环境下的连续功率输出，发电机内置一个PT-1000型温度传感器，便于系统实时监测发电机运行温度，交流发电机与外部发动机通过联轴器连接，发动机在正常转速工况下，实现交流发电机满功率输出，以保证平台的用电需求。

电源装置，优选方案具体为：电源装置采用模块化设计，每台电源装置内部装有3个相同的额定功率为1kW的高功率密度电源模块。电源装置机箱上装有散热风扇，保证其恶劣环境下的连续功率输出。电源装置具备输入欠压、过压，输出欠压、过压、过流保护功能，能够有效地隔离故障，并可以及在故障消除后恢复输出。每台电源装置通过CAN总线与供电系统处理机通信，上传各自运行参数和故障信息。

蓄电池，优选方案具体为：蓄电池采用锂离子电池，锂电池具有比能量高，平均放电电压高，自放电率低，循环寿命长，工作温度范围宽，无记忆效应等优点，锂离子电池设计容量可满足飞机至少1小时的用电需求，保证飞机安全回收。为了满足环境适应性要求，电池组内部有加热电路，加热电路的接通和断开受电池组内部温度继电器控制，保证电池组能够在低温环境下可靠工作。

配电中心，优选方案具体为：配电中心主要实现各类电源的汇流，以及电源的一次分配和部分二次分配，其内部设置主汇流条A和主汇流条B。蓄电池A和B的输出通过开关分别接入配电中心内的汇流条A和汇流条B，机上主电源A路和B路输出分别接到汇流条A和汇流条B，地面电源的A路和B路输出分别通过地面电源上的开关接到汇流条A和汇流条B。此外，配电中心还负责实现蓄电池和地面电源电流采集，控制汇流条A和B并联。

二次电源装置，优选方案具体为：二次电源装置可安装在14V用电设备附近，做到就近取电原则，以满足电气负载的用电需求。

供电系统处理机，优选方案具体为：供电系统处理机，实现了供配电系统的智能管理和BIT功能，以及与飞控计算机的数据交换，将系统运行状态通过RS-422接口传送至飞控计算机，接收飞控计算机指令实现负载控制。

固态功率控制器，优选方案具体为：固态功率控制器主要实现电源的二次分配、电源控制和状态反馈，输出可控电源。每台固态功率控制器内部设置6路不同电流等级的可控电源通道。控制器通过CAN总线与供电系统处理机通信，执行控制指令并反馈配电参数。

CAN总线，优选方案具体为：CAN总线可通过数据处理单元将此供配电系统具有智能化、网络功能的模块有机组合起来，起到连接纽带的作用，供电系统处理机通过CAN总线接口与电源装置和固态功率控制器进行通信。

本实用新型进一步的优选方案为：电源装置主要实现整流、滤波和电源变换，输出两路28V直流电，分别为汇流条A和汇流条B上的用电设备提供电力，每台电源装置均可输出两路28V直流电，若所用总功率较低时，可选用1台电源装置；当使用2台电源装置时，需并联使用，每台电源装置可通过CAN总线接口形式与供电系统处理机通信，上传各自运行状态。

蓄电池作为应急电源，当汇流条A和B主电源断电或失效时，蓄电池和作为备用电源为汇流条A和B提供电能。

配电中心，主要实现各类电源的回流和电源的一次分配，其内部主要设置主汇流条A和主汇流条B。蓄电池的输出通过开关直接接入配电中心装置内的汇流条A，机上主电源A路和B路分别接到汇流条A和汇流条B，地面电源的A路和B路分别通过地面电源接口连接到汇流条A和汇流条B。此外，配电中心还负责实现蓄电池电流采集，控制汇流条A和B的并联。

固态功率控制器，主要实现电源的二次分配、电源控制的和状态反馈，。每台固态功率控制器内部设置6路不同电流等级的可控电源通道。控制器通过CAN总线与供电系统处理机通信，执行控制指令并反馈配电参数。固态功率控制器分为A型和B型两种，A型和B型的硬件接口完全相同，可通过外部跳线选择不同的程序，设置不同的电流容量值。

供电系统处理机，主要通过CAN总线、模拟量接口和开关量接口供电系统各部件进行管理，将系统运行状态通过RS-422接口传送至飞控计算机和数据记录仪，接收飞控计算机指令实现负载控制，供电系统处理机还设置了用于地面检测的RS-422接口，提高了电气系统测试性。

如图1所示，本实用新型是一种无人机智能供配电系统，是应用于无人机的多冗余供电与分配，为无人机各机载设备提供安全有效的电能。

具体的说，如图所示，包括交流发电机、电源装置、蓄电池、配电中心，二次电源装置，固态功率控制器和供电系统处理机。

本实用新型的优选共工作方式为：

发电机产生单路三相交流电，通过每台电源装置整流、滤波和变换后输出双路28V直流电，两台电源装置产生双路直流电分别连接到配电中心内的汇流条A和汇流条B，为汇流条A和汇流条B上的负载设备提供电力。应急电源为蓄电池，蓄电池连接到汇流条A、B，直接为汇流条A、B上负载供电。二次电源装置从汇流条A获取电力，产生的14V直流电供动力、燃油系统设备使用，其输出电压和电流信号由供电系统处理机采集。系统设置了两台固态功率控制器，用于B路可控电源的管理。电源装置和各固态功率控制器均设置了RS-422接口和CAN总线接口，用于实现各个部件与供电系统处理机的通信。供电系统处理机通过RS-422接口实现与飞控计算机、数据记录仪和外部测试设备通信，上传系统运行状态，并执行控制指令。此外，供电系统处理机还能够采集发电机温度、蓄电池电流。

优选的，所述发电机为三相交流发电机，其通过外部发动机转动带动发电机产生的电能，将发动机的一部分动能转换为电能。

优选的，电源装置为两台并联使用，其中A路和B路分别从两台电源中取电进入汇流条A和B，两台电源设置均流功能，在工作时，两台电源的均流度不超过10％。

优选的，本系统在飞行过程中，采用冗余供电体质，电源装置和蓄电池A和B同时作用在汇流条A和B上，当主电源出现故障时，蓄电池能够及时A路和B路的用电需求。

优选的，二次电源装置从汇流条A获取电力，实现机上28V直流转14V直流的转换工作，以满足动力和燃油系统供电需求；

优选的，采用固态功率控制器模拟传统机械式断路器，过载保护功能基于I²T保护原理。A、B路备用电源在正常工作时，其功率回路在发热的同时还要散热，当功率回路电流小于等于额定电流时，发热量小于等于散热量，热累积量不会超过热量上限，因此不会产生保护，当回路电流大于额定电流时，发热量大于散热量，热量累积量随着运行时间的增长最终会超过热量上限而产生保护，保护时间的长短与过载电流有关：在轻微的过载时，可以延时跳闸保护，在有限的时间内实现过载工作；过载电流越大，跳闸保护的动作越快。SSPC模块均设有短路保护功能。当出现保护情况后需要断电重启恢复。

优选的，采用供电系统处理机，通过CAN总线，将供电系统处理机与系统内部各设备进行通信，上报各设备的状态的同时，供电系统处理机通过RS422接口与飞控计算机、数据记录仪进行通信，向上位机报告整个系统的工作状态。

优选的，电源装置固态功率控制器均预留RS422接口，便于后期系统拓展。

本实用新型专利提供的一种无人机智能供配电系统，能够提供高品质电源，小纹波，智能的供配电方式的配电系统，提高无人机的工作稳定性。本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

本实用新型实现供配电系统中电源效率提高的进一步方案为：设电源整体的转换效率为η，发电机的输出电压、电流分别为U_IN和I_IN，电源装置的输出电压、电流分别为U_O和I_O，则满足

该约束条件，可以系统电源转换效率的进一步提高。

本实用新型实现供配电可靠性提高的进一步方案为：供配电系统由交流发电机、电源装置1，电源装置2，蓄电池A，蓄电池B，配电中心，供电系统处理机，固态功率控制器1，固态功率控制器2，二次电源装置组成，各单机的功能无法互相替代，所以电气子系统是一个串联模型。因此相应的可靠性模型为：

i＝1～10，n为i的最大值。

根据以上可靠性模型，采用以下措施可进一步提高供配电系统的可靠性。

本实用新型采用简化设计：采用蓄电池组与主电源直接并联的方式，中间不设置切换器件，实现应急类负载不间断供电。

本实用新型采用冗余设计方式：28V汇流条设置蓄电池，主电源完全失效时，蓄电池可向所有应急类负载供电，提供飞机安全返航所需的电力；设置两个28V汇流条A和B，主电源A路出现故障时，B可作为A的备份，优先保障应急类负载的供电；主电源系统设置两台电源装置，两台电源装置的输出并联，分别向28V汇流条A和B提供电力，提高了系统稳定性。

本实用新型采用环境防护设计方式：确定设备、零部件等的使用环境条件，在此基础上慎重地选择设计方案和材料，以减少或消除环境对它们的有害影响来提高产品的可靠性；设备、零部件本体及安装根据环境条件采取防冲击和振动保护措施；设计中应考虑盐雾、潮湿、霉菌、砂尘、灰尘对产品可靠性的影响，采取相应的设计措施以减少或消除其影响。

Claims

1.一种无人机智能供配电系统，其特征在于包括：交流发电机，电源

装置，蓄电池，配电中心，二次电源装置，供电系统处理机，固态功率控制器、CAN 总线；交流发电机为永磁交流发电机，与外部发动机连接，将外部发动机的动能转换为电能，交流发电机输出的交流电输入至电源装置中；交流发电机将其自身的交流发电机的温度信息送至供电系统处理机；

电源装置，能够对交流发电机输出的交流电进行整流、滤波和电源变换，

输出直流电2，送至配电中心；每台电源装置均可输出两路相同电压的直流

电2；电源装置作为机上主电源；电源装置能够将其自身的状态信息，送至

CAN 总线；

配电中心，实现与其连接的用电设备的电源回流，以及对电源装置的输

出、蓄电池的输出或地面电源的输出的直流电进行一次分配，得到多路直流

电3，分别送至用电设备、二次电源装置，固态功率控制器；配电中心将蓄

电池电流信息送至供电系统处理机；

二次电源装置将配电中心输出的直流电3 进行电压转

换变为14V 直流电4，以满足负载的用电需求，并将二次电源装置的输出状

态送至CAN 总线和供电系统处理机；

固态功率控制器能够接收供电系统处理机通过CAN 总线发来的控制指

令，每台固态功率控制器内部设置多路不同电流等级的可控电源通道，固态

功率控制器在控制指令控制下，能够通过多路不同电流等级的可控电源通

道实现对配电中心输出的28V 直流电进行二次分配，给外部可控电源；并能

够实现将自身多路不同电流等级的可控电源通道的配电参数通过CAN 总线

送至供电系统处理机；

供电系统处理机，接收固态功率控制器通过CAN 总线送来的配电参数、

二次电源装置送来的二次电源装置的输出状态、配电中心送来的蓄电池电流

信息、交流发电机的温度信息，以及从CAN 总线提取电源装置的状态信息；

供电系统处理机还能够接收飞控计算机的控制指令；供电系统处理机还能够

接收外部数据记录仪和地面监测接口输出的数据；

供电系统处理机还能够将系统运行状态通过RS-422 接口，传送至飞控

计算机和数据记录仪。

2.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

交流发电机输出的交流电1 的电压为22V~60V。

3.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

电源装置实现对交流发电机输出的交流电进行整流、滤波和电源变换，输出

的直流电2 的电压为28V。

4.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

电源装置将其自身的状态信息，送至CAN 总线，其中状态信息是指：电压

信息、电流信息和故障信息。

5.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

配电中心，包括：汇流条A、汇流条B、电流传感器、汇流条并联控制器；

配电中心内部设置汇流条A 和汇流条B；蓄电池的输出通过开关直接接

入配电中心装置内的汇流条A；电源装置为两个，分别为电源装置1 和电源

装置2，电源装置1 的输出分别接到汇流条A 和汇流条B，外部地面电源的

输出分别通过地面电源接口连接到汇流条A 和汇流条B；配电中心内还设有

电流传感器，负责实现蓄电池电流采集，还设有汇流条并联控制器，控制汇

流条A 和B 的并联或不并联。

6.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

直流电3 的电压为28V。

7.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

直流电4 的电压为14V，以满足14V 负载的用电需求。

8.根据权利要求5 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

二次电源装置的输出状态，包括输出电压信息和输出电流信息。

9.根据权利要求1 所述的一种无人机智能供配电系统，其特征在于：

每台固态功率控制器内部设置多路不同电流等级的可控电源通道数量为65 路。