一种系留球能源系统及控制方法与流程

本发明涉及能源控制技术领域，尤其涉及一种系留球能源系统及控制方法。

背景技术：

系留球是一种将系留气球在系留绳的牵引作用下实现空中稳定漂浮的空中载体，被广泛应用于军事、科学、商业等领域，其中军事领域的系留球根据其上所载传感器不同主要应用于侦查、监视、通讯和武器检测等用途。其主要由系留气球、设备舱、系留绳组成。工作原理如下：系留气球内部充有轻比重气体，由于密度低于空气，系留气球会在浮力的作用下上升，同时由于风的存在，这样在浮力、牵引力、重力的综合作用下，系留球实现高空静漂浮，从而可以利用高空优势进行通讯、侦查、监视等任务，与其他飞行载体相比，系留球空中载体具有成本低、使用方便等优点。

但是现有的系留球主要是通过系留绳内置的电缆由地面传输电力，从而实现对于系留球的电力供应，系留球所载设备用电要依赖于地面供应，因此必须与发电车配对使用，十分麻烦，因此地面供应电力的方式很难为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

因此，如何为系留球长时驻空提供可靠能源保证，已经成为业界亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种系留球能源系统及控制方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种系留球能源系统，包括负载装置，还包括：太阳能电池、垂直轴风力发电装置、地面供电装置、电源控制器、can总线和锂电池组；

其中，所述垂直轴风力发电装置与电源控制器电连接，所述太阳能电池与所述电源控制器电连接，所述地面供电装置与所述电源控制器电连接；

所述锂电池组和所述负载装置分别与所述电源控制器电连接，所述can总线与所述电源控制器电连接；

其中，所述can总线获取系留气球工作模式信息，所述电源控制器从所述负载装置获取负载功率信息，并根据所述系留气球工作模式信息和所述负载功率信息对所述太阳能电池、垂直轴风力发电装置和地面供电装置进行供电调节。

更具体的，所述垂直轴风力发电装置具体包括：叶轮、发电机、传动机构、塔架和整流器；

其中，所述叶轮设置于传动机构上，所述传动机构与所述发电机连接，所述整流器与所述发电机电连接，所述整流器与所述电源控制器电连接；

其中所述塔架用于固定所述传动机构。

更具体的，述锂电池组由8个电池子模块串联组成，其中，每个电子模块由35个三元锂电池单体并联组成。

第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面系留球能源系统的系留球，包括系留气球，还包括第一直流电缆、第二直流电缆、第三直流电缆、第四直流电缆、第一交流电缆和系缆；

所述太阳能电池固定于所述系留气球上方，所述垂直轴风力发电装置竖向设置于系留气球底部，所述地面供电装置、所述电源控制器、所述锂电池组、can总线和所述负载装置均设置于所述系留气球内部；

所述系缆与所述地面供电装置电连接，所述地面供电装置通过第一直流电缆与所述电源控制器电连接，所述垂直轴风力发电装置通过第二直流电缆与所述电源控制器电连接，所述太阳能电池通过第三直流电缆与所述电源控制器电连接，所述锂电池通过第四直流电缆与所述电源控制器电连接；

所述can总线用于获取系留气球工作模式信息。

第三方面，本发明实施例提供一种基于第一方面留球能源系统的系留球能源控制方法，包括：

通过所述can总线获取系留气球工作模式信息，并根据所述负载装置获取负载功率信息；

根据所述系留气球工作模式信息和所述负载功率信息对所述太阳能电池、垂直轴风力发电装置和地面供电装置进行供电调节。

更具体的，所述系留气球工作模式信息具体包括：锚泊状态信息和非锚泊状态信息。

更具体的，若所述can总线获取系留气球工作模式信息为锚泊状态信息，则相应地：

获取太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息，得到第一发电功率信息；

若所述第一发电功率信息大于所述负载功率信息；

则对所述负载功率信息与所述锂电池组最大充电功率之和与第一发电功率信息进行比较；

当所述负载功率信息与所述锂电池组最大充电功率之和小于第一发电功率信息时，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

更具体的，若所述can总线获取系留气球工作模式信息为锚泊状态信息，则相应地：

获取太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息，得到第一发电功率信息；

若所述第一发电功率信息小于或等于所述负载功率信息；且太阳能电池发电功率、垂直轴风力发电装置发电功率和地面供电装置发电功率之和等于负载功率信息与锂电池组充电最大功率之和，则在满足负载的情况下，同时对锂电池组进行充电。

更具体的，若所述can总线获取系留气球工作模式信息为非锚泊状态信息，则相应地：

获取太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息，得到第一发电功率信息；

若所述负载功率信息大于或等于第一发电功率信息，获取锂电池组放电最大功率；

若锂电池组放电最大功率和第一发电功率信息之和大于或等于负载功率信息，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

更具体的，所述方法还包括：

若所述负载功率信息小于第一发电功率信息，获取锂电池组放电最大功率；

若所述负载功率信息和所述锂电池组放电最大功率之和大于第一发电功率信息，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

本发明实施例提供的一种系留球能源系统及控制方法，通过增加太阳能电池，充分利用高空太阳光照强度高的情况，通过太阳能电池产生一定的发电量，同时，针对高空风速大，风力分布广，风力稳定性高的特点，增加了垂直轴风力发电装置，有效利用高空风能和太阳能，产生更多的电量，并通过对太阳能电池、垂直轴风力发电装置和供电装置的高效供电管理，在满足系留球负载的前提下，有效利用太阳能电池和垂直轴风力发电装置进行发电，将多余的电量存储到锂电池组中，从而尽量减少系留球供电系统对于地面电力的依赖，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中所描述的系留球能源系统结构示意图；

图2为本发明一实施例所描述的系留球结构示意图；

图3为本发明一实施例所描述的系留球能源控制方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例中所描述的系留球能源系统结构示意图，如图1所示，包括负载装置170，还包括：太阳能电池110、垂直轴风力发电装置120、地面供电装置130、电源控制器140、can总线150和锂电池组160；其中，所述垂直轴风力发电装置120与电源控制器140电连接，所述太阳能电池110与所述电源控制器140电连接，所述地面供电装置130与所述电源控制器140电连接；

所述锂电池组160和所述负载装置170分别与所述电源控制器140电连接，所述can总线150与所述电源控制器140电连接；

其中，所述can总线150获取系留气球工作模式信息，所述电源控制器140从所述负载装置170获取负载功率信息，并根据所述系留气球工作模式信息和所述负载功率信息对所述太阳能电池110、垂直轴风力发电装置120和地面供电装置130的发电功率进行调节，然后对所述锂电池组160进行充电。

具体的，本发明实施例中所描述的电源控制器140作为能源系统的核心单元，负责将地面供电、风力发电以及太阳能发电所产生的能量和锂电池组的存储能量进行功率变换和分配，供系留球负载使用，并可对锂电池组进行充电。

本发明实施例中所描述的垂直轴风力发电装置120包括风轮机、齿轮传动机构、发电机以及整流器，整流器将发电机输出交流电转换为直流电，将直流电输入电源控制器140。

本发明实施例中的地面供电装置130包括了升压器、降压器以及ac/dc变换器，升压器将地面市电220v交流电升压至3000v交流电，然后经过系缆输入球载降压器，降压器将3000v交流电降压至220v交流电，最后通过ac/dc变换器转换为直流电压35v，最终输入电源控制器。

本发明实施例中所描述的can总线150与系留球飞控系统通讯接口连接，以获取系留气球工作模式信息，并将所述系留气球工作模式信息传输到电源控制器140。

本发明实施例中所描述的锂电池组160的充放电接口通过两根电联与电源控制器140电连接。

本发明实施例通过增加太阳能电池，充分利用高空太阳光照强度高的情况，通过太阳能电池产生一定的发电量，同时，针对高空风速大，风力分布广，风力稳定性高的特点，增加了垂直轴风力发电装置，有效利用高空风能和太阳能，产生更多的电量，并通过对太阳能电池、垂直轴风力发电装置和供电装置的高效供电管理，在满足系留球负载的前提下，有效利用太阳能电池和垂直轴风力发电装置进行发电，将多余的电量存储到锂电池组中，从而尽量减少系留球供电系统对于地面电力的依赖，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

在上述实施例的基础上，所述垂直轴风力发电装置具体包括：风轮机、发电机、齿轮传动机构、塔架和整流器；

其中，所述风轮机设置于齿轮传动机构上，所述齿轮传动机构与所述发电机连接，所述整流器与所述发电机电连接，所述整流器与所述电源控制器电连接；

其中所述塔架用于固定所述传动机构。

具体的，其中风轮机在高空风吹是开始转动，带动齿轮转动机构将旋转的速度提升，然后结合发电机发电，此时发电机输出为交流电，在通过整流器将交流电转换为直流电，然后将转换后的直流电输入电源控制器。

在一具体实施例中，垂直轴风力发电额定功率为300w，额定电压24v，额定风速10m/s。太阳能发电装置包括太阳电池组件和太阳能控制器，将太阳能转化为电能并进行最大功率跟踪，输出最大功率。发电装置峰值功率300w，峰值电压36v，开路电压43.2v，峰值电流8.33a，短路电流9.17a。电源控制器则对风力发电功率和太阳能发电功率进行变换和控制，并控制输出的充电功率大小，包括3路输入，2路输出和1路通讯总线，输出母线电压24v～33.6v，额定功率1000w,最大功率1200w。储能锂电池组被用来存储从地面、风能以及太阳能得到的电量，并为系留球其它设备供电。

本发明实施例通过垂直轴风力发电装置有效利用高空条件下风力资源丰富的自然条件，通过风力带动风轮机叶片旋转，再通过带动齿轮转动机构将旋转的速度提升，来促使发电机发电，垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，从而有效利用高空风能进行发电，并通过与太阳能电池的结合，并结合高效的供电管理方法方式，可以减少对于地面供电的依赖，为系留球长期驻空提供了有效保证。

在上述实施例的基础上，所述地面供电装置具体包括：交流升压器、降压器和ac/dc变换器

所述交流升压器分别与地面市电交流220v输电线和高压输电线电连接，所述交流升压器与所述高压输电线电连接，所述ac/dc变换器分别与所述电源控制器和所述降压器电连接。

具体的，本发明实施例中所描述的ac/dc包括2路输入，1路来自降压器输出，1路来自地面220v市电，输入电压均为ac220v/50hz,主要对地面输电进行降压，并转换为直流供电。

本发明实施例中所描述的地面供电装置通过系缆与将交流升压器分别与地面市电交流220v输电线连接，从而获取从地面保证供电，在太阳能电池、垂直轴风力发电装置无法提供足够电量的情况下，对系留球的电力供应提供保证。

在上述实施例的基础上，所述锂电池组由8个电池子模块串联组成，其中，每个电子模块由35个三元锂电池单体并联组成。

具体的，每个三元锂电池的标称电压为28.8v，能量为2000wh。

本发明实施例中所描述的锂电池组可以保证电力系统的持续供应，有利于系留球长时驻空。

图2为本发明一实施例所描述的系留球结构示意图，如图2所示，包括：系留气球、第一直流电缆7、第二直流电缆8、第三直流电缆9、第四直流电缆10和系缆6。

所述太阳能电池5固定于所述系留气球上方，所述垂直轴风力发电装置2竖向设置于系留气球底部，所述地面供电装置、所述电源控制器3、所述锂电池组4、can总线和所述负载装置均设置于所述系留气球内部，该地面供电装置包括降压器1和ac/dc变换器11,降压器1通过交流输电线12电连接ac/dc变换器11的输入。

系缆6与地面供电装置中降压器1的电连接，所述地面供电装置中的ac/dc变换器11通过第一直流电缆7与所述电源控制器3电连接，所述垂直轴风力发电装置2通过第二直流电缆8与所述电源控制器3电连接，所述太阳能电池5通过第三直流电缆9与所述电源控制器3电连接，所述锂电池4通过第四直流电缆10与所述电源控制器3电连接.

本发明实施例中所描述的太阳能电池5采用法兰支撑，并固定于系留气球的顶部。

本发明实施例中所描述的垂直轴风力发电装置2竖向设置于系留气球底部，且深处的长度超过系留气球的底面。

本发明实施例通过增加太阳能电池，充分利用高空太阳光照强度高的情况，通过太阳能电池产生一定的发电量，同时，针对高空风速大，风力分布广，风力稳定性高的特点，增加了垂直轴风力发电装置，有效利用高空风能和太阳能，产生更多的电量，在满足系留球负载的前提下，将多余的电量存储到锂电池组中，从而尽量减少系留球供电系统对于地面电力的依赖，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

图3为本发明一实施例所描述的系留球能源控制方法流程示意图，如图3所示，包括：

步骤s1，通过所述can总线获取系留气球工作模式信息，并根据所述负载装置获取负载功率信息；

步骤s2，根据所述系留气球工作模式信息和所述负载功率信息对所述太阳能电池、垂直轴风力发电装置和地面供电装置进行供电调节。

具体的，本发明实施例中所描述的can总线与系留球飞控系统通讯接口连接，以获取系留气球工作模式信息。

本发明实施例中所描述的负载装置获取的负载功率信息是指系留球中其它装置的负载。

本发明实施例中所描述的系留气球工作模式信息具体包括：锚泊状态信息和非锚泊状态信息，在锚泊状态下，在满足负载功率的同时，不使用锂电池组供电，优先对锂电池组进行充电。系留球处于上升、下降或驻空状态：

非锚泊状态下，以满足负载功率为优先，尽量使用太阳能发电、风力发电以及锂电池组作为供电来源，尽量少用或不使用地面供电。

本发明实施例通过系留气球工作模式信息和负载功率信息将地面供电、风力发电以及太阳能发电所产生的能量和锂电池组的存储能量进行功率变换和分配，供系留球负载使用，并可对锂电池组进行充电，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

在上述实施例的基础上，所述系留气球工作模式信息具体包括：锚泊状态信息和非锚泊状态信息。

具体的，非锚泊状态信息具体包括上升、下降或驻空状态。

在上述实施例的基础上，若所述can总线获取系留气球工作模式信息为锚泊状态信息，则相应地：

获取太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息，得到第一发电功率信息；

若所述第一发电功率信息大于所述负载功率信息；

则对所述负载功率信息与所述锂电池组最大充电功率之和与第一发电功率信息进行比较；

当所述负载功率信息与所述锂电池组最大充电功率之和小于第一发电功率信息时，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

本发明实施例中所描述的太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息分别可以通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置获取；

设定负载功率为pl，太阳能电池发电功率为pp，风力发电功率为pw，地面供电功率为pg，太阳能电池发电最大功率为ppmax，风力发电最大功率为pwmax，锂电池充电功率为pcb,锂电池放电功率为pdb,锂电池最大充电功率为pcbmax,锂电池放电功率为pdbmax。

锚泊状态信息状态下，在满足负载功率的同时，不使用锂电池组供电，优先对锂电池组进行充电。

当pl＜ppmax+pwmax，若ppmax+pwmax＞pl+pcbmax，电源控制器此时对太阳能发电和风力发电处于非mppt模式，pp+pw<ppmax+pwmax，且满足pp+pw＝pl+pcbmax，地面供电输入功率pg＝0w。

还包括若ppmax+pwmax<pl+pcbmax，电源控制器此时对太阳能发电和风力发电处于mppt模式，pp＝ppmax，pw＝pwmax，且满足pp+pw+pg＝pl+pcbmax。

若所述第一发电功率信息小于等于所述负载功率信息，电源控制器此时对太阳能发电和风力发电处于mppt模式，pp＝ppmax，pw＝pwmax。并且从地面供电中取得功率pg，满足pp+pw+pg＝p1+pcbmax，保证负载功率需求的同时，同时对锂电池组进行最大功率充电。

本发明实施例设定在满足负载功率的同时，不使用锂电池组供电，优先对锂电池组进行充电，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

在上述实施例的基础上，若所述can总线获取系留气球工作模式信息为非锚泊状态信息，则相应地：

获取太阳能电池最大发电功率信息和垂直轴风力发电装置最大发电功率信息，得到第一发电功率信息；

若所述负载功率信息大于或等于第一发电功率信息，获取锂电池组放电最大功率；

若锂电池组放电最大功率和第一发电功率信息之和大于或等于负载功率信息，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

若所述负载功率信息小于第一发电功率信息，获取锂电池组放电最大功率；

若所述负载功率信息和所述锂电池组放电最大功率之和大于第一发电功率信息，且太阳能电池发电功率和垂直轴风力发电装置功率之和能满足负载时，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

具体为，当负载功率信息大于或等于第一发电功率信息，电源控制器此时对太阳能发电和风力发电处于mppt模式，pp＝ppmax，pw＝pwmax。并且从锂电池组取得放电功率pdmax，若pl>ppmax+pwmax+pdbmax，则需要从地面取得功率pg，pg＞0w。满足ppmax+pwmax+pdbmax+pg＝pl。若pl≤

ppmax+pwmax+pdbmax,则ppmax+pwmax+pdb＝pl。pdb≤pdbmax，pg＝0w，停止通过地面供电装置对锂电池组进行充电，仅通过太阳能电池和垂直轴风力发电装置对所述锂电池组进行充电。

若所述负载功率信息小于第一发电功率信息若ppmax+pwmax＞

pl+pcbmax，且pp+pw<ppmax+pwmax，满足pp+pw＝pl+pcbmax，地面供电输入功率pg＝0w。

若ppmax+pwmax<pl+pcbmax，电源控制器此时对太阳能发电和风力发电处于mppt模式，pp＝ppmax，pw＝pwmax，对锂电池组充电功率小于pcbmax，且满足pp+pw＝pl+pcb，地面供电输入功率pg＝0w。

本发明实施例通过系留气球工作模式信息和负载功率信息将地面供电、风力发电以及太阳能发电所产生的能量和锂电池组的存储能量进行功率变换和分配，供系留球负载使用，并可对锂电池组进行充电，为系留球长时驻空提供可靠能源保证。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。