CN215753045U - 一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，包括有导航飞控系统、气体燃料电池组、锂离子电池组、锂电池管理系统、DC‑DC转换器、储气罐、压力传感器和锂电池电量检测电路；锂电池电量检测电路分别与锂离子电池组、锂电池管理系统连接，气体燃料电池组与储气罐连接，压力传感器设置于储气罐内，压力传感器、锂电池管理系统均与导航飞控系统连接；气体燃料电池组通过DC‑DC转换器与锂离子电池组连接，气体燃料电池组的电源输出端与无人机的前拉动力机构连接，锂离子电池组的电源输出端与无人机的垂直起降动力机构连接。本实用新型采用气体燃料电池组和锂离子电池组结合供电驱动无人机飞行，显著延长无人机的续航时间。

Description

一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统

技术领域

本实用新型涉及垂直起降固定翼无人机技术领域，具体是一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统。

背景技术

垂直起降固定翼无人机，是一种结合了多旋翼无人机和固定翼无人机优点的技术。

多旋翼无人机都是靠螺旋桨旋转产生升力，克服无人机自身重力实现飞行。多旋翼机型的螺旋桨产生的升力必须大于其自身重力，因而其能耗很高，一般飞行时间较短，航程比较近。优点是可以悬停，容易操控。

而固定翼无人机，是根据空气动力学原理来设计机翼的形状，靠动力装置产生推力或者拉力，使无人机获得一定速度后，会导致空气在飞机上下表面的压力不同，进而产生升力，其升力主要来源于固定的机翼。显然，有速度才有升力，因而固定翼无人机是不能够悬停的。由于其推重比可以小于1，所以相对能耗不高，飞行速度可以更快，飞行时间可以更长。

垂直起降固定翼无人机同时具有产生升力的垂直起降旋翼和固定翼，通过垂直起降旋翼产生升力，从而能够实现垂直起降和悬停。而在升空产生一定速度后，通过固定翼产生升力，从而实现更长的续航时间。因此，垂直起降固定翼无人机结合了多旋翼无人机和固定翼无人机的优点，在具有垂直起降和悬停功能的同时，也具备较长的续航时间。

现有的电动垂直起降固定翼无人机的动力系统主要为锂离子电池，锂离子电池具有较高的功率密度，但是能量密度一般仅有150-300Wh/kg。燃料电池具有能量密度高的特点，能量密度可达500Wh/kg以上，但是功率密度不足，而垂直起降固定翼无人机的起降阶段通常需要较高的功率，通常会超出燃料电池的输出能力。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，采用气体燃料电池组和锂离子电池组结合供电从而驱动无人机飞行，显著延长无人机的续航时间。

本实用新型的技术方案为：

一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，包括有导航飞控系统、气体燃料电池组、锂离子电池组、锂电池管理系统、DC-DC转换器、储气罐、压力传感器和锂电池电量检测电路；所述的锂电池电量检测电路分别与锂离子电池组、锂电池管理系统连接，锂电池电量检测电路用于将检测的锂离子电池组剩余电量数据并发送给锂电池管理系统；气体燃料电池组的燃料输入端与储气罐连接，所述的压力传感器设置于储气罐内，所述的压力传感器、锂电池管理系统均与导航飞控系统连接；所述的气体燃料电池组通过DC-DC转换器与锂离子电池组连接，用于将气体燃料电池组的电能转换充电电压后给锂离子电池组充电；所述的气体燃料电池组的电源输出端与无人机的前拉动力机构连接，锂离子电池组的电源输出端与无人机的垂直起降动力机构连接，所述的前拉动力机构、垂直起降动力机构均与导航飞控系统连接。

所述的气体燃料电池组为氢燃料电池组，氢燃料电池组的氢气输入端与氢气罐连接。

所述的前拉动力机构包括有前拉电机和前拉旋翼，前拉旋翼由前拉电机驱动旋转，所述的气体燃料电池组的电源输出端与前拉电机连接。

所述的垂直起降动力机构包括有垂直起降电机和垂直起降旋翼，垂直起降旋翼由垂直起降电机驱动旋转，所述的锂离子电池组的电源输出端与垂直起降电机连接。

本实用新型的优点：

本实用新型将气体燃料电池组和锂离子电池组的优点相结合，气体燃料电池组的能量密度较高，功率密度较低，用于向前拉电机供电，能延长无人机续航的时间。而锂离子电池组的能量密度较低、功率密度较高，用于向垂直起降电机供电，进行短时间、高功率的放电，能实现短时间的起飞、降落、悬停等。同时在巡航过程中，气体燃料电池组向锂离子电池组充电，使锂离子电池组始终有充足的电量应对起飞、降落、悬停等需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图,其中，“——”为能源驱动链路，“---”为信号链路。

图2是本实用新型的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

见图1，一种40kg混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，包括有导航飞控系统1、氢燃料电池组2(1.5kW)、锂离子电池组3(16Ah 12S)、锂电池管理系统BMS 4、DC-DC转换器5、两瓶氢气罐6(12L 35MPa)、压力传感器7和锂电池电量检测电路8；

锂电池电量检测电路8分别与锂离子电池组3、BMS 4连接，锂电池电量检测电路8用于将检测的锂离子电池组剩余电量数据SOC并发送给BMS 4；氢燃料电池组2的氢气输入端与氢气罐6连接，压力传感器7设置于氢气罐6内，压力传感器7、BMS 4均与导航飞控系统1连接；

氢燃料电池组2通过DC-DC转换器5与锂离子电池组3连接，用于将氢燃料电池组2的电能转换充电电压后给锂离子电池组3充电；

前拉动力机构包括有前拉电机9和前拉旋翼10，前拉旋翼10由前拉电机9驱动旋转，氢燃料电池组2的电源输出端与前拉电机9连接，垂直起降动力机构包括有垂直起降电机11和垂直起降旋翼12，垂直起降旋翼12由垂直起降电机11驱动旋转，锂离子电池组3的电源输出端与垂直起降电机11连接，前拉电机9、垂直起降电机11均与导航飞控系统1连接实现控制启动。

本实用新型的工作原理：

当垂直起降固定翼无人机起飞、降落或悬停时，由锂离子电池组3向垂直起降电机11供电，带动垂直起降旋翼12运转，产生升力；当垂直起降固定翼无人机平飞时，由氢燃料电池组2向前拉电机9供电，带动前拉旋翼10产生推力；

见图2，锂电池电量检测电路8用于将检测的锂离子电池组剩余电量数据SOC并发送给BMS 4，当检测的SOC低于设定的充电SOC阈值(设置为80％)时，氢燃料电池组2电池将通过DC-DC转换器5向锂离子电池组3充电；

见图2，当检测的SOC低于设定的最低SOC阈值(设置为30％)，则导航飞控系统1判定锂锂离子电池组3电量不足，导航飞控系统1控制垂直起降固定翼无人机就近降落；

见图2，当压力传感器7检测两瓶氢气罐6中氢气气压均低于最低气压阈值(设置为3.5MPa)，则导航飞控系统1判定燃料不足，导航飞控系统1控制垂直起降固定翼无人机就近降落。

飞机悬停时，锂离子电池组3的放电功率为5.0kW，锂离子电池组3满电时可以支持长达7分钟的悬停。垂直起降固定翼无人机巡航时放电功率为1.5kW，在2瓶12L氢气罐6的帮助下，垂直起降固定翼无人机的巡航时间约为8.0小时。

如果行将2瓶12L氢气罐6和氢燃料电池组2替换为等重量的锂离子电池组，那么在相同使用功率下，续航时间仅为2.2小时。因此，相比现有的锂离子电池组动力系统，本实施例的续航时间是使用锂离子电池组的3.6倍，很大程度上增长了垂直起降固定翼无人机的续航时间。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，其特征在于：包括有导航飞控系统、气体燃料电池组、锂离子电池组、锂电池管理系统、DC-DC转换器、储气罐、压力传感器和锂电池电量检测电路；所述的锂电池电量检测电路分别与锂离子电池组、锂电池管理系统连接，锂电池电量检测电路用于将检测的锂离子电池组剩余电量数据并发送给锂电池管理系统；气体燃料电池组的燃料输入端与储气罐连接，所述的压力传感器设置于储气罐内，所述的压力传感器、锂电池管理系统均与导航飞控系统连接；所述的气体燃料电池组通过DC-DC转换器与锂离子电池组连接，用于将气体燃料电池组的电能转换充电电压后给锂离子电池组充电；所述的气体燃料电池组的电源输出端与无人机的前拉动力机构连接，锂离子电池组的电源输出端与无人机的垂直起降动力机构连接，所述的前拉动力机构、垂直起降动力机构均与导航飞控系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，其特征在于：所述的气体燃料电池组为氢燃料电池组，氢燃料电池组的氢气输入端与氢气罐连接。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，其特征在于：所述的前拉动力机构包括有前拉电机和前拉旋翼，前拉旋翼由前拉电机驱动旋转，所述的气体燃料电池组的电源输出端与前拉电机连接。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力垂直起降固定翼无人机动力系统，其特征在于：所述的垂直起降动力机构包括有垂直起降电机和垂直起降旋翼，垂直起降旋翼由垂直起降电机驱动旋转，所述的锂离子电池组的电源输出端与垂直起降电机连接。

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