太阳能无人机能源管理系统的制作方法

本发明主要涉及太阳能技术领域，特指一种太阳能无人机能源管理系统。

背景技术：

太阳能无人机利用太阳能提供能源，锂离子电池、锂硫电池等二次电池存储电能，使多组电机螺旋桨进行推进，可以实现无人机的长航时高空飞行。在军事侦察、高空通信中继、环境监测、林区管理、科学研究等领域具有广阔的应用前景，是高空长航时无人机的一个重要发展方向之一。其中能源管理系统作为太阳能无人机能源系统的控制调节中心，主要功能是实现太阳电池阵输出功率控制，以及对电源系统中的储能电池组进行充放电管理，为无人机电机螺旋桨及飞控、传感器等航电设备提供可靠、充足的能量。

现有的太阳能无人机能源管理系统的技术方案有两种。（1）采用单向或双向dc-dc电源转换器以恒压输出方式来对机载储能电池进行充电或对机载电子设备供电，此种方式不能最大限度输出无人机太阳能组件的功率，其系统能量利用效率低。如专利文献cn201620704501，一种用于高空无人机的新能源混合供电系统；（2）以dc-dc电源转换器、能源管理控制模块、太阳能电池组件、锂电池组件与锂电池保护电路等构成的太阳能无人机能源管理系统，该技术方案中太阳能电池组件通过dc-dc电源转换器后再与能源管理控制模块连接，由于dc-dc电源转换器的输出电压是恒定电压，而太阳能无人机在飞行工作过程中，受光照变化与自身姿态变化，其太阳能组件的发电功率与输出电压随时处于动态变化过程，因此连接dc-dc电源转换器后的能源管理器并不能使太阳能电池组件最大功率获得输出。例如cn201610268611-一种太阳能无人机能源管理系统，公开了：太阳能电池组件与dc-dc电源转换器相连，dc-dc电源转换器分别与最大功率跟踪模块和电池状态检测模块相连，锂电池组件与锂电池保护电路相连，锂电池保护电路分别与智能充放电模块和电池状态检测模块相连，能源管理器分别与最大功率跟踪模块、电池状态检测模块、智能充放电模块、无人机主控制模块、无人机供电单元相连，无人机主控制模块与无人机供电单元相连。该方案中太阳能电池组件通过dc-dc电源转换器后再与能源管理控制模块连接，尽管能源管理器包含有最大功率跟踪模块，但碍于dc-dc电源转换器阻隔，并不能有效调节太阳能组件的发电功率与输出电压，连接dc-dc电源转换器后的能源管理器并不能使太阳能电池组件最大功率获得输出，不能实现太阳能无人机较高的转换效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种电能转换效率高的太阳能无人机能源管理系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种太阳能无人机能源管理系统，包括无人机光伏阵列、能源管理单元、储能单元和电源转换单元，所述无人机光伏阵列与能源管理单元的输入端相连，所述能源管理单元的输出端与所述储能单元的输入端和电源转换单元的输入端相连，所述储能单元的输出端与所述电源转换单元的输入端相连，所述电源转换单元的输出端用于与无人机负载相连；所述能源管理单元包括多个mppt模块，各mppt模块均与无人机上同一受光曲面的光伏阵列对应相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述能源管理单元包括采集模块，所述采集模块分别与mppt模块和储能单元相连，用于采集mppt模块的输出电压、输出电流、以及储能单元的电压、电流、温度和容量数据。

还包括信号处理单元和飞行控制中心，所述信号处理单元与所述采集模块和飞行控制中心相连，用于将采集模块采集的数据发送至飞行控制中心。

所述信号处理单元与所述飞行控制中心通过串口通讯或can总线通讯方式连接。

所述无人机光伏阵列包括相互串并联方式连接的柔性晶硅电池或柔性砷化镓太阳能电池。

所述无人机光伏阵列的输出电压为90～130v。

所述能源管理单元的输出电压为90～130v。

所述储能单元包括多个锂电池，多个锂电池相互串并联。

所述电源转换单元为dc/dc电源转换器。

所述能源管理单元内置有电子开关，用于控制无人机动力电机和电子负载的通断。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的太阳能无人机能源管理系统，无人机光伏阵列与能源管理单元相连，能源管理单元能够直接有效调节光伏阵列的输出电压和发电功率，使光伏阵列最大功率输出，提高电能转换效率；无人机上同一受光曲面构成一个独立的发电单元，并与独立的mppt模块相连，各发电单元相互独立，互不影响，能够极大的提高光伏阵列的整体发电效率。

附图说明

图1为本发明的方框结构图。

图2为本发明中无人机光伏阵列分布图。

图中标号表示：1、光伏阵列；2、能源管理单元；21、mppt模块；22、采集模块；3、储能单元；4、电源转换单元；5、信号处理单元；6、飞行控制中心。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的太阳能无人机能源管理系统，包括无人机光伏阵列1、能源管理单元2、储能单元3和电源转换单元4，无人机光伏阵列1与能源管理单元2的输入端相连，能源管理单元2的输出端与储能单元3的输入端和电源转换单元4的输入端相连，储能单元3的输出端与电源转换单元4的输入端相连，电源转换单元4的输出端用于与无人机负载相连；能源管理单元2包括多个mppt模块21，各mppt模块21均与无人机上同一受光曲面的光伏阵列1对应相连。光伏阵列1通过能源管理单元2相连，以获得最大的输出功率，能源管理单元2输出电压至电源转换单元4，电源转换单元4将电源转换成合适电压供给无人机负载使用；能源管理单元2也同时将输出电压至储能单元3，进行电能的储存，在能源管理单元2无法满足负载时，储能单元3也经电源转换单元4给无人机负载供电。本发明的太阳能无人机能源管理系统，无人机光伏阵列1与能源管理单元2相连，能源管理单元2能够直接有效调节光伏阵列1的输出电压和发电功率，使光伏阵列1最大功率输出，提高电能转换效率；如图2所示，由于无人机机翼上表面为太阳光照射面，且机翼表面通常为上凸的曲面，因此称为机翼上表面为受光曲面，而太阳光照射到受光曲面的角度随无人机的飞行姿态动态变化，在某一特定时刻，a区域的太阳光照射角基本一致可称为同一受光曲面，b区域的太阳光照射角基本一致也可称为同一受光曲面，但a区域和b区域的太阳光照射角差别较大，因此导致这两个区域发电功率不一致。无人机上同一受光曲面构成一个独立的发电单元（如图2中的a、b、c、d面均构成一个发电单元），并与独立的mppt模块21相连，各发电单元相互独立，互不影响，能够极大的提高光伏阵列1的整体发电效率。

本实施例中，能源管理单元2包括采集模块22，采集模块22分别与mppt模块21和储能单元3相连，用于采集mppt模块21的输出电压、输出电流、以及储能单元3的电压、电流、温度和容量等实时数据。另外，本系统还包括信号处理单元5和飞行控制中心6，信号处理单元5与采集模块22和飞行控制中心6相连，用于将采集模块22采集的实时数据发送至飞行控制中心6（简称飞控，下同），保证飞控对所有部件的信息实时监控，确保无人机的安全。另外能源管理单元2内置电子开关，能够根据储能单元3容量与无人机实际工况智能判断并控制无人机动力电机或电子负载的通断，确保储能单元3电量能够使无人机关键负载正常工作；另外飞控会将无人机的相关的监控数据再传输至地面数管。信号处理单元5与飞行控制中心6通过串口通讯（rs232/422/485）或can总线通讯方式连接。

本实施例中，无人机光伏阵列1型包括相互串并联方式连接的柔性晶硅电池或柔性砷化镓太阳能电池，该电池与机翼蒙皮一体化，具有重量轻，输出功率高、可弯曲、能与机翼结构共形等特点。其中光伏阵列1包括多个电池组件单元以及分别与各个电池组件单元连接的航空对接插头，用于与能源管理单元2连接。有光照时，光伏阵列1为无人机负载提供能量，并将多余的电量储存至储能单元3中；在光照不足时，光伏阵列1与储能单元3共同向无人机负载供电，并根据实际工况需求而关闭部分电子负载，以确保储能单元3的容量能支撑无人机重要电子负载的正常工作。

本实施例中，无人机光伏阵列1和能源管理单元2的输出电压为90～130v，相应连接电缆则采用可承受此电压的电缆，因此可以采用截面积较小的电缆传输电能。因为光伏阵列1有数十米长的传输电缆至无人机舱内，采用截面积较小的电缆能有效降低电缆的重量，减少发热，保障无人机安全。

本实施例中，储能单元3包括多个高能量密度的单体锂电池，多个单体锂电池相互串并联，因此储能单元3也称储能电池组，单体锂电池容量达到3500mah。采用保温与隔热材料、内置加热电路板的方式实现锂电池的环控功能，采用0.5kwh（额定电压22.2v）高能量密度的锂电池组，满足无人机负载对能源的需求，保障太阳能无人机的长时间飞行。在其它实施例中，也可以采用锂硫电池或铝空气电池。其中mppt模块21通过反馈电路调节其输出电压，确保其给储能单元3正常充电，并在检测到储能单元3处于电量饱和状态时，降低mppt模块21的输出功率，实现过充保护，保证储能单元3的充电安全。

本实施例中，电源转换单元4为dc/dc电源转换器。储能单元3的输出端经过直流母线连接到动力电机和dc-dc电源转换器，dc-dc电源转换器将高压直流电转换为12v或24v的低压直流电，为无人机上的传感器、摄像设备、数传设备等电子负载供电，负载供电端采用低压输出方式，可以匹配现有负载的电压需求，并且可以有效的降低电缆重量，减少发热，保护太阳能无人机与负载的安全。

本实施例中，能源管理单元2内置有电子开关，用于控制无人机动力电机和电子负载的通断。能源管理单元2中的mppt模块21采用stm32芯片作为主控芯片，使用高频变压器驱动一个升-降型dc-dc桥式逆变电路，采用扰动跟踪算法与周期性全局扫描技术，使光伏阵列1输出功率跟踪最大功率点，并有效避免陷入局部功率最优点，减少阴影遮挡对光伏阵列1的发电影响。

本发明的太阳能无人机的能源管理系统，可以实现光伏阵列1和储能单元3之间功率的合理分配，从而保证太阳能无人机的长航时飞行；考虑到光伏阵列1的输出功率间歇性的特点，配以高能量密度的大容量储能电池组，实现无人机动力电机与电子负载的用电需求，在太阳能无人机处于机动飞行及姿态调整工况时，为满足动力性的要求，白天阳光充足时，一般通过光伏阵列1独自提供能量；但当光伏阵列1输出功率较小时，通过光伏阵列1和大容量储能电池组联合提供能量；其它工况，如有云层遮挡或夜晚无阳光照射到太阳能无人机时，由储能电池组单独提供能量。采用能源管理单元2进行太阳能发电功率跟踪与对储能电池组充电，采用dc-dc电源转换器完成母线电压二次转换，系统自动管理能源的供给，整个系统的发电效率与利用效率高，可以解决太阳能无人机的组件功率最大程度输出问题，满足太阳能无人机能源系统的用电需求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。