用于太阳能无人机的供电管理系统的制作方法

本发明涉及一种供电管理系统，特别涉及无人机研究领域的一种用于太阳能无人机的供电管理系统。

背景技术：

太阳能无人机指以太阳能为动力的无人驾驶飞机，通过光伏电池将太阳能转化为电能储存在储能电池中，白天使用太阳能电池板维持机上各系统工作并对机上储能电池进行充电；晚上通过释放储能电池中储存的电能来维持整个无人机系统的运转。

高空长航时太阳能无人机具有飞行高度高、工作时间长、覆盖区域广、使用灵活、运行成本低和无环境污染等优点，是未来无人机的发展方向之一。而要保证太阳能无人机长时间不间断的持续飞行，设计一个可靠的供电管理系统来对所获取的太阳能源进行合理分配，以期在保证飞行的条件下最大限度的利用能源，减少因为各种原因产生的电能损耗以延长飞行时间是十分重要的。

现有的太阳能无人机的供电管理系统大多为太阳能向储能电池充电再通过储能电池向动力系统供电的单一模式，经过中间环节产生的电能损耗较多，且不能根据光照情况灵活变换供电方式，不利于节约能源以达到长时间飞行的目的。

现有系统多为单纯的供电管理系统，只对接收的太阳能进行分配管理，无法根据光照及电源情况及时调整飞行策略，以节约能源保证长时间飞行。光照条件较差且储能电池电量不足的情况下，易因为动力不足而增加飞机坠毁的危险。

技术实现要素：

针对现有系统的缺陷，本发明提供了一种用于太阳能无人机的供电管理系统，本着应尽可能的直接利用太阳能电池板供电以提高整个供电管理系统的效率的原则进行设计。

本发明实现目的而采用的技术方案为：

一、一种用于太阳能无人机的供电管理系统：

系统包括MPPT最大功率追踪模块、光照传感器、直流升压模块(DC-DC模块)、库仑计、多个继电器和主控模块，光照传感器置于太阳能无人机的机身中部，光照传感器与主控模块相连，MPPT最大功率追踪模块的输入端与太阳能电池板连接，MPPT最大功率追踪模块的一个输出端经第一继电器后与太阳能无人机的动力系统连接，MPPT最大功率追踪模块的另一个输出端依次经第三继电器、直流升压模块后与储能电池连接，储能电池经第二继电器和动力系统连接，储能电池经库仑计和主控模块相连接，主控模块分别与储能电池、光照传感器、第一继电器、第二继电器和第三继电器连接。

本发明的主控模块是太阳能无人机以外的部件，采用的是在原有飞控外独立搭建的一个单片机。所述主控模块采用单片机，单片机分别与光照传感器和库仑计相连，将得到数据进行分析并判断选择供电方式，并且将电源信息回传至地面站。动力系统是机上飞控设备。

所述直流升压模块包括直流升压充电电路和用于可调节输出电流的数字电位器，第三继电器依次经直流升压充电电路、数字电位器后与储能电池连接，数字电位器与主控模块连接，主控模块通过数字电位器调节由直流升压充电电路输出到储能电池的输出电流。

所述MPPT最大功率追踪模块用于检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率并实现对最大功率点的追踪，以达到使太阳能电池板输出功率最大的目的；光照传感器用于采集太阳能无人机飞行环境下的光照数据并发送到主控模块，库仑计用于将当前检测到的储能电池电量数据发送到主控模块；主控模块根据光照数据经由相应数据处理后得到太阳能电池板单独供电下的可输出最大功率，结合检测到的飞控输出给动力电机的油门控制信号、储能电池的当前电量数据进行处理，然后输出控制信号到第一继电器、第二继电器、第三继电器和数字电位器，控制第一继电器、第二继电器和第三继电器的通断实现太阳能电池板和储能电池对动机电机供电的切换。

太阳能电池板单独供电是指太阳能电池板经MPPT最大功率追踪模块和动力系统直接连接情况下的供电。

上述模块中：

光照传感器：置于机身中部，与主控模块相连，用于检测当前光照强度并提供给主控模块，主控模块进行相应数据处理获得太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率，通过和当前电机功率进行比较以选择不同的供电方式。

MPPT最大功率追踪模块：分别与太阳能电池板和直流升压模块相连。检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率并实现对最大功率点的追踪，以达到使太阳能电池板输出功率最大的目的。

直流升压模块(DC-DC模块)：分别与MPPT最大功率追踪模块和储能电池相连。用于对MPPT最大功率追踪模块输出的电压进行升压和稳压操作，来对储能电池进行充电，具有充电保护功能。其中包含一个可用于调节充电电流的数字电位器，其对储能电池充电的充电电流通过主控模块经计算得到。

库仑计：分别与储能电池及主控模块相连，用于检测当前储能电池电量信息(包括充电电压、电流、剩余电量等)，并将信息传给主控模块，由主控模块回传给地面站。

主控模块：用于根据检测到的飞控输出给动力电机的油门控制信号获取当前动力系统所需功率，并通过光照传感器所得光照度经由数据处理后得太阳能电池板当前最大可输出功率，将二者进行比较选择供电方式，并将电池信息回传至地面站，紧急情况下接受到地面站信号可手动切换供电方式。

二、一种用于太阳能无人机的供电管理方法：

通过与储能电池连接的库仑计采集储能电池当前电量数据，通过光照传感器采集太阳能无人机飞行环境下的光照提供给主控模块，主控模块进行相应数据处理获得太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率，在主控模块中采用以下方式进行处理：

当太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率大于动力系统所需功率时，则控制第一继电器和第三继电器导通，控制第二继电器断开，使得太阳能电池板向动力系统供电，并将供电后的剩余电能供给储能电池充电；

当储能电池当前电量高于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率时，则控制第一继电器和第二继电器导通，控制第三继电器断开，使得太阳能电池板和储能电池同时向动力系统供电；

若储能电池当前电量等于不高于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率，或检测遇到紧急情况时，通过主控模块发送控制信号到机身的飞控和地面站，通过飞控控制动力系统在低于运行功率阈值下进行飞行，由地面站向飞控发出信号或者由地面操作人员通过手动模式操控飞机控制飞机的油门(即动力系统)，用以禁止飞机进行大功率的动作。

所述的动力电机所需功率为主控模块检测道的飞控发送给机上电机的油门控制信号所对应的功率。

所述的紧急情况为发生大风、正在降落、遇到障碍物、发生故障等飞行情况。

所述主控模块根据光照数据进行相应数据处理，获得太阳能电池板当前最大可输出功率具体指主控模块通过采集到的光照数据和实验拟合的光照度-最大功率曲线进行比对，计算得出太阳能电池板当前可提供最大功率。

本发明采取太阳能优先向动力系统供电的方式，剩余电能供给储能电池，若检测到动力系统功率要求较高才采用两路供电的方式以增加供电电源系统提供的电能。同时，在电源管理的基础上增加了电源信息回传功能，地面站可通过回传数据了解当前储能电池信息，结合电池信息更好地对飞机进行控制。

一般情况下：当太阳能电池板单独供电可提供最大功率大于动力系统所需功率时，太阳能电池板向动力系统供电，同时剩余功率向储能电池充电。

当储能电池当前电量不低于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率时，即太阳能电池板和储能电池同时向动力系统供电以保证其需要。

特殊情况下：若储能电池当前电量低于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率，或遇到紧急情况(大风，降落，障碍物，故障等)时，通过主控模块向地面站报警或由地面站向主控模块发出信号，地面操作人员可通过手动模式操控飞机，禁止飞机进行大功率的动作。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本发明采用两路供电的方式以增加供电电源系统提供的电能，避免了中间环节产生的电源损耗，提高了太阳能的利用率。

且本本发明方案的切换条件为动力系统要求功率和当前光照度的大小，判断条件灵活，反应迅速，能更好的适应复杂多变的地形和剧烈变化的光照度，减少飞机意外损毁的可能性。

本发明能更好地对飞机进行控制，增强长航时飞机的稳定性，使得飞机具有更强的适应性。

本系统的主控模块为独立于飞控存在的单片机，不需更改原飞控，可以与不同型号的太阳能无人机配合使用。

综合来说，本发明通用性强，能够实现不间断供电，储能电池持续充电及不同条件下供电电源切换选择的功能，在保证飞行的条件下最大限度的利用太阳能能源，减少因为各种原因产生的电能损耗，能延长太阳能无人机的飞行时间。

附图说明

图1是本系统的总体框图。

图2是本系统的供电方式一框图。

图3是本系统的供电方式二框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括MPPT最大功率追踪模块、光照传感器、直流升压模块(DC-DC模块)、库仑计、多个继电器和主控模块，光照传感器置于太阳能无人机机身顶面的中部，光照传感器与主控模块相连，MPPT最大功率追踪模块的输入端与太阳能电池板连接，MPPT最大功率追踪模块的一个输出端经第一继电器后与太阳能无人机的动力系统连接，MPPT最大功率追踪模块的另一个输出端依次经第三继电器、直流升压模块后与储能电池连接，储能电池经第二继电器和动力系统连接，储能电池经库仑计和主控模块相连接，主控模块分别与储能电池、光照传感器、第一继电器、第二继电器和第三继电器连接。

直流升压模块包括升压电路和用于可调节输出电流的数字电位器，第三继电器依次经升压电路、数字电位器后与储能电池连接，数字电位器与主控模块连接，主控模块通过数字电位器调节由升压电路输出到储能电池的输出电流，数字电位器输出电流由主控模块进行调节。

MPPT最大功率追踪模块用于检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率并实现对最大功率点的追踪，光照传感器用于采集太阳能无人机飞行环境下的光照数据并发送到主控模块，库仑计将储能电池当前电量数据发送到主控模块，主控模块检测飞控发送给机上电机的油门控制信号。

主控模块根据光照数据经由相应数据处理后得到太阳能电池板单独供电下的可输出最大功率，结合检测到的飞控输出给动力电机的油门控制信号、储能电池的当前电量数据进行处理，然后输出控制信号到第一继电器、第二继电器、第三继电器和数字电位器，控制第一继电器、第二继电器和第三继电器的通断实现太阳能电池板和储能电池对动机电机供电的切换。

控制第一继电器的通断实现光照传感器和动机电机之间的电连接，控制第二继电器的通断实现储能电池和动机电机之间的电连接，控制第三继电器的通断实现MPPT最大功率追踪模块和直流升压模块之间的电连接。

具体实施的主控模块采用单片机，单片机分别与光照传感器和库仑计相连，将得到数据进行分析并判断选择供电方式，并且将电源信息回传至地面站。

本发明是在当检测到太阳能充足时太阳能优先向动力系统供电，剩余电能供给储能电池；检测到动力系统功率要求较高而太阳能供电无法满足其要求时采用太阳能和储能电池两路供电的方式向动力系统供电。

本发明的实施例如下：

具体实施中，将机身铺设的太阳能电池板接入本发明的供电管理系统，供电管理系统负责对储能电池进行充电管理并回传当前电量情况，同时动力系统由供电管理系统选择供电方式进行供电。

具体的供电方式判断如下：主控模块通过检测飞控发送给机上电机的油门控制信号获得动力电机当前所需功率，动力电机当前所需功率＝7.78*(油门控制信号占空比-55)，同时通过光照传感器得出MPPT最大功率输出模块当前最大可输出功率，将二者进行比较并判断，然后通过控制继电器开合的组合来选择不同的供电方式。主要分为以下两种情况：

当太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率大于动力系统所需功率(设此时接收到油门控制信号占空比为69％，光照传感器测得光照度为52.1klux，则经由主控模块计算得动力电机当前所需功率为108.9w，由实验数据得MPPT最大功率输出模块当前最大可输出功率为130w,则判定太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率大于动力系统所需功率，并计算得蓄电池充电的功率为21.1w)时，则控制第一继电器和第三继电器导通，控制第二继电器断开，使得太阳能电池板向动力系统供电，并将供电后的剩余电能供给储能电池充电，供电电流大小通过DC-DC直流升压模块上的数字电位器进行调节(供电电流为0.35*电位器电阻，因为蓄电池采用的是6S锂电池，满电电压为25.2v，所以DC-DC直流升压模块对电池充电的电压为25.2V，计算得电位器电阻为200欧姆。

当储能电池当前电量高于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率(设此时接收到油门控制信号占空比为76％，光照传感器测得光照度为52.1klux，则经由主控模块计算得动力电机当前所需功率为163.4w，由实验数据得MPPT最大功率输出模块当前最大可输出功率为130w，则判定太阳能电池板单独供电下的可提供最大功率小于动力系统所需功率)时，则控制第一继电器和第二继电器导通，控制第三继电器断开，使得太阳能电池板和储能电池同时向动力系统供电，以保证其需要，如图2所示；

若储能电池当前电量等于不高于30％且太阳能电池板单独供电可提供最大功率小于等于动力系统所需功率，或机载风速计检测遇到风力超过6m/s的大风紧急情况时，通过主控模块发送控制信号到机身的飞控和地面站，通过飞控控制动力系统在低于运行功率阈值下进行飞行，由地面站向飞控发出信号。或者也可以是由地面操作人员通过手动模式操控飞机控制飞机的油门(即动力系统)，各个继电器开合情况均可通过地面遥控装置手动切换(可通过地面站向主控模块发送控制信号实现)，以禁止飞机进行大功率的动作，以增加地面操纵人员对飞机的可控性。

在实际飞行过程中，当太阳能光照条件不佳或电池剩余电量不足时整个供电管理系统无法支持飞机作出大功率的动作(即太阳能电池板和蓄电池同时供电都不能满足动力电机的需要时)，此时就需要地面操纵人员即时掌握飞机各项信息，结合电源实际情况操纵飞机。所以本系统在电源管理的基础上增加了信息回传功能，地面站可通过回传数据了解当前储能电池信息及光照信息，以便更好地对飞机进行控制，增强长航时飞机的稳定性。

若遇到恶劣的飞行环境(大风，降落，障碍物，故障等)，此时飞机向地面站报警或由地面站向飞机发出信号，供电方式可通过地面遥控装置手动切换，以增加地面操纵人员对飞机的可控性，也使得飞机具有更强的适应性。

实际测试中，本系统在9月正午12点至下午2点晴朗无云，光照度为50klux左右的条件下盘旋2小时，总消耗的能量为82wh，比改进之前的太阳能电池板—MPPT最大功率追踪模块—蓄电池—动力电机的单一供电方式总消耗的能量94wh，提高了13.04％。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。