用于多旋翼飞行器的混合动力系统及多旋翼飞行器的制作方法

本发明涉及航天航空领域，具体而言，涉及一种用于多旋翼飞行器的混合动力系统及具有该混合动力系统的多旋翼飞行器。

背景技术：

多旋翼飞行器是一种结构简单、操控灵活、携带方便、飞行姿态稳定、安全危害性低的飞行器。常见的有四轴、六轴、八轴多旋翼飞行器等不同种类。不但在军事领域发挥着日益重要的作用，也在灾害救援、评估，危险环境调查，交通巡视及空中摄影等多个民用领域得到了广泛的应用。

但受到目前电池技术的限制，使用电池为动力的多旋翼飞行器普遍续航时间短、载重量有限，需频繁更换电池，运行效率低，成本较高，这大大限制了多旋翼飞行器的性能表现和应用领域。

由于动力能源的能量密度远远低于生物燃料，人们考虑通过燃料发动机作为动力。但燃料发动机与电机相比，由于活塞发动机转速调节相比电机迟缓，这无法满足迅速控制多旋翼飞行器飞行姿态的要求。除此之外，油动多旋翼飞行器自身重量大、机械传送效率低、结构复杂，可靠性低。

现有的混合动力多轴飞行器虽然可以解决上述多旋翼飞行器出现的部分问题，但是发动机的重量以及相应机械装置仍然占了很大比例。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本发明提出一种控制灵活、减重节能的用于多旋翼飞行器的混合动力系统。

为了增大续航时间和载重量，本发明提出了带有氢气球减重装置的用于多旋翼飞行器的混合动力系统。

本发明还提供了一种节能、安全性高的多旋翼飞行器。

为此，本发明可以包括如下技术方案。

提供一种用于多旋翼飞行器的混合动力系统，其包括：

发动机；

动力电池；

启发一体电机，所述启发一体电机与所述动力电池电气连接，且与所述发动机机械连接，所述发动机和所述启发一体电机中的至少一者输出的动力用于提供给所述多旋翼飞行器的主旋翼；

辅旋翼电机，所述辅旋翼电机与所述动力电池电气连接，所述辅旋翼电机的输出用于与所述多旋翼飞行器的辅旋翼机械连接；

氢气球，其位于所述多旋翼飞行器的重心中轴线的上方与所述多旋翼飞行器机械连接；以及

离合装置，所述离合装置与所述启发一体电机和所述主旋翼相连，所述离合装置能选择性地将所述发动机和所述启发一体电机中的至少一者输出的动力输出给所述主旋翼。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有快速起动模式；

所述混合动力系统处于所述快速起动模式时，所述离合装置断开，所述动力电池给所述启发一体电机供电，所述启发一体电机驱动所述发动机起动。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有第一混联驱动模式；

所述混合动力系统处于所述第一混联驱动模式且所述动力电池的剩余电量大于或等于第一阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述启发一体电机为发电机，且所述启发一体电机输出的电能全部用于驱动所述辅旋翼电机，所述辅旋翼电机所需电力的不足部分由所述动力电池提供。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有第二混联驱动模式；

所述混合动力系统处于所述第二混联驱动模式且所述动力电池的剩余电量大于或等于第二阈值且小于所述第一阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述启发一体电机为发电机，且所述启发一体电机输出的电能全部用于驱动所述辅旋翼电机，且正好满足所述辅旋翼电机所需。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有第三混联驱动模式；

所述混合动力系统处于所述第三混联驱动模式且所述动力电池的剩余电量小于所述第二阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述启发一体电机为发电机，且所述启发一体电机输出的电能用于驱动所述辅旋翼电机和为所述动力电池充电。

在至少一个实施方式中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有第一并联驱动模式；

所述混合动力系统处于所述第一并联驱动模式，且动力电池的剩余电量大于或等于第三阈值时，所述发动机工作，所述离合装置接合，所述发动机输出的动力全部用于驱动所述多旋翼飞行器的主旋翼，所述启发一体电机进入休眠状态，所述动力电池给所述辅旋翼电机供电。

在至少一个实施方式中，所述混合动力系统具有纯电动模式；

所述混合动力系统处于所述纯电动模式时，所述发动机不工作，所述离合装置接合，所述动力电池为所述启发一体电机和所述辅旋翼电机供电，所述启发一体电机为电动机，所述启发一体电机驱动所述多旋翼飞行器的主旋翼。

提供一种多旋翼飞行器，其包括根据本发明的用于多旋翼飞行器的混合动力系统。

氢气球可以位于多旋翼飞行器的上端竖直安装，用于减轻整个多旋翼飞行器的重量，进而增加续航时间或者有效载荷量。

根据本发明的实施例的用于多旋翼飞行器的混合动力系统，可根据多旋翼飞行器的具体工况，控制发动机、启发一体电机和辅旋翼电机处于不同的工作状态，控制灵活，重量轻，利于节油。

根据本发明的一个实施例，离合装置与发动机相连，离合装置与启发一体电机相连，以可选择性地将发动机和启发一体电机中的至少一者输出的动力输出给多旋翼飞行器的主旋翼。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的用于多旋翼飞行器的混合动力系统的结构示意图。

附图标记说明

1000飞行器

100混合动力系统、200辅旋翼、300主旋翼

1油箱、2发动机、3电子控制单元、4控制器、5动力电池、6逆变器/整流器、7启发一体电机、10辅旋翼电机、11氢气球、12离合装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，飞行器1000包括主旋翼300、辅旋翼200和氢气球11，主旋翼300和辅旋翼200用于驱动飞行器1000飞行，氢气球11位于飞行器1000的重心中轴线的上方与飞行器1000机械连接，用于给飞行器减重，提高有效载荷。

下面参照图1描述根据本发明的一个实施例的用于飞行器1000的混合动力系统100。如图1所示，用于飞行器1000的混合动力系统100包括发动机2、动力电池5、启发一体电机7、辅旋翼电机10和氢气球11。

启发一体电机7与动力电池5电气连接，且启发一体电机7与发动机2机械连接，可以理解的是，发动机2可以为活塞发动机，启发一体电机7既可以作为电动机带动发动机2起动，也可以作为发电机，在发动机2的带动下发电。当启发一体电机7作为电动机时，动力电池5为其提供电能，当启发一体电机7作为发电机时，启发一体电机7所发电能也可以为动力电池5充电。

发动机2和启发一体电机7中的至少发动机2输出的动力适于输出给飞行器1000的主旋翼300，也就是说，发动机2输出的动力可以单独驱动飞行器1000的主旋翼300，发动机2输出的动力和启发一体电机7输出的动力耦合后也可驱动飞行器1000的主旋翼300。

辅旋翼电机10与动力电池5电气连接，辅旋翼电机10与启发一体电机7电气连接，且辅旋翼电机10输出的动力适于输出给飞行器1000的辅旋翼200，也就是说，动力电池5可以为辅旋翼电机10提供电能，以便辅旋翼电机10驱动辅旋翼200，启发一体电机7作为发电机时，启发一体电机7也可以为辅旋翼电机10提供电能，以便辅旋翼电机10驱动辅旋翼200。辅旋翼200的数量可以为一个或多个。

飞行器1000工作时，飞行器1000的控制器4(可以称为“飞控”)，可以根据飞行器1000的工作状态，以及动力电池5的soc值(stateofcharge，电池荷电状态，也叫剩余电量)，控制发动机2、启发一体电机7以及辅旋翼电机10的工作状态。具体地，辅旋翼电机10所需电能可以通过启发一体电机7从发动机2获取功率发电得到，也可以直接由动力电池5提供；发动机2的功率可以提供给主旋翼300，也可以通过启发一体电机7发电提供给辅旋翼电机10或者为动力电池5充电。

在根据本发明的实施例的用于飞行器1000的混合动力系统100中，发动机2由启发一体电机7快速起动，避开了发动机2起动时的恶劣工况，能提高燃油经济性，通过辅旋翼电机10驱动辅旋翼200，无需设置传动机构，重量轻，满足轻量化需求，节能效果好。

此外，辅旋翼200通过辅旋翼电机10驱动，将可以采用变转速的形式为飞行器1000提供机动拉力，控制更加灵活，能够根据飞行器1000实际工况，采用动力电池5或者启发一体电机7供电，保证发动机2工作在经济性最优的工况，从而实现节油。

进一步地，飞行器1000采用辅旋翼电机10驱动辅旋翼200后，当需要进行快速机动时，可以暂时停止启发一体电机7发电以保证发动机2对主旋翼300产生足够动力，而辅旋翼200采用动力电池5供电，从而提高飞行器1000的机动性。

因此，根据本发明的实施例的用于飞行器1000的混合动力系统100，可以根据飞行器1000面临的不同工况，实现主旋翼300通过发动机2和启发一体电机7中的至少一个驱动，动力电池5或启发一体电机7为辅旋翼电机10提供电能，以实现辅旋翼200的驱动，最终完成飞行器1000的快速起动、正常平飞、快速机动飞行，控制灵活、重量轻、安全性能好且节能节油。

如图1所示，用于飞行器1000的混合动力系统100还包括离合装置12、变速器(图未示出)、逆变器/整流器6。

发动机2与启发一体电机7机械连接，启发一体电机7与离合装置12相连，以可选择性地将发动机2和启发一体电机7中的至少一个输出的动力输出给飞行器1000的主旋翼300。可选地，离合装置12为离合器。

可以理解的是，离合装置12的接合和断开，可以实现启发一体电机7与主旋翼300的机械连接的连接和切断，从而飞行器1000可以根据飞行器1000的具体工况，可选择性地驱动主旋翼300。由此，控制更加精确，且更加节省能源。

进一步地，为了更好地控制主旋翼300的速度，离合装置12与主旋翼300之间可以连接有变速器，也就是说，启发一体电机7通过离合装置12与变速器可选择性地相连。

优选地，发动机2的飞轮与启发一体电机7的转子集成为一体，也就是说，发动机2的飞轮布置在启发一体电机7的转子上，从而简化了发动机2的结构，既能减少发动机2的扭矩波动，还能完成发动机2的机械能与启发一体电机7的电能的双向转换，且启发一体电机7直接安装于发动机2的曲轴，减重效果好，同时可提高发电效率。

动力电池5分别与启发一体电机7和辅旋翼电机10电气相连，动力电池5与启发一体电机7之间可以设置有逆变器/整流器6，也就是说，启发一体电机7通过逆变器/整流器6与动力电池5电气连接，并通过pwm(脉冲宽度调制)控制，从而实现起动和恒压发电的功能。

下面参照图1详细描述根据本发明的实施例的用于飞行器1000的混合动力系统100的工作过程及工作模式。

其中，发动机2、动力电池5、启发一体电机7、辅旋翼电机10、离合装置12、变速器、逆变器/整流器6均与控制器4相连，以将各自的工作状态输出给控制器4，以便控制器4根据工况，判断并控制混合动力系统100的工作模式。

根据飞行器1000的不同工况，用于飞行器1000的混合动力系统100具有如下工作模式：快速起动模式、第一混联驱动模式、第二混联驱动模式、第三混联驱动模式、第一并联驱动模式、第二并联驱动模式和纯电动模式。

1)快速起动模式

混合动力系统100处于快速起动模式时，动力电池5给启发一体电机7供电，启发一体电机7驱动发动机2起动，也就是说，此时离合装置12可以断开，启发一体电机7作为电动机使用。

具体地，当飞行器1000的操纵员发出起动指令时，控制器4根据指令控制启发一体电机7快速起动发动机2，使发动机2达到怠速转速，可以理解的是，当发动机2达到怠速转速后，启发一体电机7可以由电动状态转换为发电状态。

2)第一混联驱动模式

混合动力系统100处于第一混联驱动模式，且动力电池5的soc值大于或第于第一阈值时，发动机2工作，离合装置12接合，启发一体电机7为发电机。

发动机2输出的功率的一部分用于驱动启发一体电机7发电，且启发一体电机7输出的电能全部用于驱动辅旋翼电机10，辅旋翼电机10输出的动力驱动辅旋翼200工作。此时动力电池5的电量充足，启发一体电机7发出的电能无需为动力电池5充电。辅旋翼电机10所需的电力的不足部分可以由动力电池5提供。

发动机2输出的功率的另一部分通过离合装置12输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现飞行器1000的飞行。

该模式适用于飞行器1000正常平飞时，即适用于飞行器1000基本在同一高度飞行时，且适用于发动机2处于慢车或者额定工作状态时。

3)第二混联驱动模式

混合动力系统100处于第二混联驱动模式且动力电池5的剩余电量大于或等于第二阈值且小于第一阈值时，发动机2工作，离合装置12接合，启发一体电机7为发电机，且启发一体电机(7)输出的电能全部用于驱动辅旋翼电机10，且正好满足辅旋翼电机(10)所需。

4)第三混联驱动模式

混合动力系统100处于第二混联驱动模式，且动力电池5的soc值小于第二阈值时，发动机2工作，离合装置12接合，启发一体电机7为发电机。

发动机2输出的功率的一部分用于驱动启发一体电机7发电，且启发一体电机7输出的电能一部分用于驱动辅旋翼电机10，辅旋翼电机10输出的动力驱动辅旋翼200工作，且启发一体电机7输出的电能的另一部分用于为动力电池5充电，此时动力电池5的电量不充足，启发一体电机7发出的电能不仅需要为辅旋翼电机10供电，还需为动力电池5充电。

发动机2输出的功率的另一部分通过离合装置12输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现飞行器1000的飞行。

该模式，适用于飞行器1000正常平飞时，即适用于飞行器1000基本在同一高度飞行时，且适用于发动机2处于慢车或者额定工作状态时。

优选地，第二阈值小于第一阈值，通过上面的描述可知，启发一体电机7作为发电机，即启发一体电机7工作在发电状态时，启发一体电机7是否为动力电池5充电需要根据动力电池5的soc值进行滞环控制，即当动力电池5的soc值低于第二阈值时，启发一体电机7给动力电池5充电，直到soc值超过第一阈值时，启发一体电机7停止给动力电池5充电，启发一体电机7发出的电能全部提供给辅旋翼电机10，此过程需要控制器4调节发动机2的喷油量以满足功率切换。可以额外设置电子控制单元(ecu)3，其连接到控制器4和发动机2并用于控制发动机2。

5)第一并联驱动模式

混合动力系统100处于第一并联驱动模式，且动力电池5的soc大于或等于第三阈值时，发动机2工作，离合装置12接合，发动机2输出的动力全部用于驱动飞行器1000的主旋翼300，动力电池5给辅旋翼电机10供电，辅旋翼电机10输出的动力驱动辅旋翼200工作。

该模式适用于飞行器1000的快速机动工况，可提高飞行器1000的机动性能。

该模式下，电子控制单元3控制发动机2进入额定工况，并且为主旋翼300提供足够功率，此时若动力电池5的soc值大于或等于第三阈值时，启发一体电机7停止发电，启发一体电机7随发动机2空转，辅旋翼电机10所需的电能全部由动力电池5提供。

6)第二并联驱动模式

混合动力系统100处于第二并联驱动模式，且动力电池5的soc值小于第三阈值时，发动机2工作，离合装置12接合，启发一体电机7为发电机。

发动机2输出的功率的一部分用于驱动启发一体电机7发电，且启发一体电机7输出的电能全部用于驱动辅旋翼电机10，无需为动力电池5充电，辅旋翼电机10输出的动力驱动辅旋翼200工作。

发动机2输出的功率的另一部分通过离合装置12输出给主旋翼300，驱动主旋翼300工作，实现飞行器1000的飞行。

该模式，适用于飞行器1000的快速机动工况，可提高飞行器1000的机动性能。

该模式下，电子控制单元3控制发动机2进入额定工况，并且为主旋翼300提供足够功率，此时若动力电池5的soc值小于第三阈值时，启发一体电机7发电，且辅旋翼电机10所需的电能全部由启发一体电机7提供。

7)纯电动模式

混合动力系统100处于纯电动模式时，发动机2不工作，离合装置12接合，动力电池5同时为启发一体电机7和辅旋翼电机10供电，启发一体电机7适于带动发动机2起动且适于驱动飞行器1000的主旋翼300。

该模式适用于发动机2发生故障，发生空中停车时，此时将直接由动力电池5为辅旋翼电机10和启发一体电机7供电，辅旋翼电机10输出的动力驱动辅旋翼200工作，为了保证飞行器1000的安全，此时启发一体电机7一边尝试再次起动发动机2，一边直接驱动主旋翼300为飞行器1000提供一定的升力保证其安全降落，当多次起动失败后，发动机2的气门全开以减少阻力矩，便于启发一体电机7驱动主旋翼300工作，使飞行器1000能够以较小的速度平稳着陆。

通过上面的描述可知，第一阈值是动力电池5的停止充电的soc值，第二阈值是动力电池5的开始充电的soc值，第三阈值是动力电池5的保护的soc值。由于在不同工况，混合动力系统100对于是否为动力电池5充电的需求是不一样的，而不完全由三个阈值决定，因此在控制器4调度控制过程中，规定飞行器1000工况的优先级排序从高到低如下：1、飞行器1000起飞爬坡或快速机动；2、额定工作状态；3、怠速、暖车、慢车等地面状态。

下面简单描述根据本发明的实施例的飞行器1000，该飞行器1000包括上述的用于飞行器1000的混合动力系统100，从而具有节能环保，燃油经济性高，安全性能高，且重量轻，控制灵活等优点。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。