专利摘要

本发明公开了一种适用于太阳能无人机的能源管理系统及控制方法，用于航空航天器能源系统。本发明的系统包括光伏模块、MPPT控制器、第一DC‑DC电路、电池组、第一防反电路、第二DC‑DC电路、第二防反电路、ESC、BLDC、机载控制器、通讯链路和稳压模块。巡航时，电池组经第一防反电路直接给ESC供电；需要大功率动力输出时，电池组依次经第二DC‑DC电路，第二防反电路给ESC供电；其中第二DC‑DC电路的输出电压，ESC的油门信号输入均由机载控制器来控制。本发明的能源管理系统适用于太阳能无人机的飞行工况，即保证巡航段的能量高效传递，又可以满足无人机机动飞行或爬升状态下的大功率需求。

权利要求

1.一种适用于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、ESC、BLDC、第二DC-DC电路、第二防反电路、机载控制器、通讯链路；其中：

所述MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器的输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；

所述电池组经由第一防反电路给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；同时，所述电池组还连接第二DC-DC电路的输入端，再经由第二防反电路并联至ESC的供电端；所述第二DC-DC电路采用可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值；且在系统初始状态下，第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；

所述通讯链路用于传递飞控系统输出的原始油门信息给机载控制器；

所述机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力系统的功率需求进行对应，根据当前动力系统的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。

2.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的系统还包括稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源。

3.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的第一DC-DC电路为BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。

4.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，所述的第二DC-DC电路为升压DC-DC电路。

5.一种适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的系统实现，所述的控制方法包含以下步骤：

1）所述机载控制器通过通讯链路接收由飞控系统输出的原始油门信号，将原始油门信号与动力系统的功率需求进行映射，从而获得此时动力系统的功率需求；

2）对动力系统的功率需求进行判定：

当动力系统的功率需求小于或等于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制系统输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，同时第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；

当动力系统的功率需求高于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制系统按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。

6.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的巡航功率阈值根据无人机在巡航状态下的目标功率值进行设定，取值大于所述目标功率值。

7.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的联调策略为查询预先获得的动力匹配表，从而输出与所需功率对应的ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值，所述的动力匹配表记录有不同功率需求下，可使系统达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量。

8.根据权利要求7所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的动力匹配表通过风洞试验获得，首先获取动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，再将曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小一一记录；不同的等功率输出分别对应有相应效率曲线，将每条效率曲线中最高点对应的工作电压、油门量、以及功率记录，则获得动力匹配表。

9.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的联调策略是通过在动力组上加装相应的力传感器，并结合以追踪动力系统实时最高效率为目标的动态追踪算法实现。

10.根据权利要求5所述的适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，其特征在于，所述的将原始油门信号与动力系统的功率需求进行映射，采用线性映射。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天器能源系统技术领域，尤其涉及一种适用于太阳能无人机的能源管理控制系统及控制方法。

背景技术

太阳能无人机具有工作时间长、覆盖范围广、运行成本低和无环境污染等优点，具有广阔的应用前景。通常，对于具备24小时不间断飞行能力的太阳能无人机来说，其优化设计点即其巡航工作点，其典型飞行任务剖面中，绝大部分的时间都处在巡航的状态，而涉及大功率动力输出的起飞，爬升，机动飞行等环节只占很少的一部分，因此，太阳能无人机能源管理系统及动力系统在该工作点的效率高低，直接影响其最关键的续航性能。传统的太阳能无人机的能源管理系统及动力系统在设计过程中，也将重点侧重于提高设计点的效率问题，但是，由于动力输出需要兼顾大功率输出的工作状态，在传统恒压变油门量的思路下，势必要采用较高的电池组电压及动力组工作电压，由于系统本身的电气特性，该类动力系统在高的工作电压下，可以满足短时间内的大功率输出需求，但是，在设计点（巡航工作点），由于此时工作功率小于额定功率的1/4，偏离动力系统的高效区间；但若依巡航工作点作为设计点匹配动力系统，动力系统最大输出功率往往达不到起飞、爬升或机动飞行等环节所需。此为传统控制方案下，难以解决的矛盾之处。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于太阳能无人机的能源管理控制系统及控制方法，采用单电池组双输出的电源管理方案，可以实现一定电压范围的电源输出，并通过相应的控制策略，对ESC的输入电压和ESC的油门输入量进行联调控制，可以提高动力系统的整体效率，从而可以提高无人机的续航时间。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种适用于太阳能无人机的能源管理系统，其特征在于，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、ESC、BLDC、第二DC-DC电路、第二防反电路、机载控制器、通讯链路；其中：

所述MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器的输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；

所述电池组经由第一防反电路给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；同时，所述电池组还连接第二DC-DC电路的输入端，再经由第二防反电路并联至ESC的供电端；所述第二DC-DC电路采用可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值；且在系统初始状态下，第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；

所述通讯链路用于传递飞控系统输出的原始油门信息给机载控制器；

所述机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息，用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力系统的功率需求进行对应，根据当前动力系统的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。

上述技术方案中，进一步的，所述的系统还包括稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源。

进一步的，所述的第一DC-DC电路可以为BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路。

进一步的，所述的第二DC-DC电路优选采用升压DC-DC电路。

一种适用于太阳能无人机的能源管理控制方法，基于上述的系统实现，所述的控制方法包含以下步骤：

1）所述机载控制器通过通讯链路接收由飞控系统输出的原始油门信号，将原始油门信号与动力系统的功率需求进行映射，从而获得此时动力系统的功率需求；

2）对动力系统的功率需求进行判定：

当动力系统的功率需求小于或等于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制系统输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，同时第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；

当动力系统的功率需求高于预先设定的巡航功率阈值时，机载控制系统按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。

上述控制方法中，所述的巡航功率阈值根据无人机在巡航状态下的目标功率值进行设定，取值大于所述目标功率值。

进一步的，所述的联调策略为查询预先获得的动力匹配表，从而输出与所需功率对应的ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值，所述的动力匹配表记录有不同功率需求下，可使系统达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量。更进一步的，所述的动力匹配表可以通过风洞试验获得，首先获取动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，再将曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小一一记录；不同的等功率输出分别对应有相应效率曲线，将每条效率曲线中最高点对应的工作电压、油门量、以及功率记录，则获得动力匹配表。

或者所述的联调策略也可以是通过在动力组上加装相应的力传感器，以追踪动力系统实时最高效率为目标的动态追踪算法，该方法具体可参考CN 108791819A。

进一步的，所述的将原始油门信号与动力系统的功率需求进行映射，可以采用线性映射，将原始油门信号唯一映射到功率区间。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

不同于传统恒压变油门量的方案需要采用较高的电池组电压以保证最大功率输出，本发明的方案设计中，因为采用特定的电池组供电方案，可以匹配太阳能无人机的设计点（巡航工作点），提升太阳能无人机巡航阶段下的动力系统效率，进而提高飞行器的飞行性能；而在系统判断需要大功率动力需求时，机载控制器控制第二DC-DC电路输出高于电池组的电压供电给ESC，结合对ESC的油门量的控制，可以使动力系统在大功率输出时仍然保持高的系统效率。

值得特别说明的是，本发明的方案与直接在电池组后加一可调DC-DC电路，同时控制其输出电压及ESC的油门量的方案相比，虽然这一方案也可实现在大的工作域内（涵盖低功率巡航到大功率机动等状态）提高动力系统效率，但本发明方案的设计过程中，特别考虑到太阳能无人机存在着巡航状态这一特殊的工作点，所以采用了电池组直接向动力组供电的方案设计，本发明方案可在前述方案的基础上进一步提高系统效率。具体而言，可调变压DC-DC电路工作时候的转换效率在92%-96%，前述方案中，无论太阳能无人机处于低功率巡航还是大功率机动状态，系统电能均经过可调DC-DC电路至ESC，会有4%-8%的电能损耗，而采用电池组直接向动力组供电的方式，在低功率巡航阶段，系统电能不经过可调DC-DC电路至ESC，从而避免了在可调DC-DC电路上的电能损耗。而太阳能无人机的巡航状态占据了总飞行任务时间的绝大部分，所以，本发明的设计，可以显著提高太阳能无人机的动力系统的效率，从而提升飞行器的飞行性能。

附图说明

图1是本发明的适用于太阳能无人机的能源管理系统的结构示意图。

图2是本发明的适用于太阳能无人机的能源管理系统的工作流程图。

图3是本发明中用于建立动力匹配表所需要的一条等功率输出系统效率曲线。

图4是本发明中对应于太阳能无人机巡航功率下的等功率输出系统效率曲线。

图中标号含义：

1-光伏模块；2-MPPT控制器；3-第一DC-DC电路；4-电池组；

5-第一防反电路；6-第二DC-DC电路；7-第二防反电路；8-ESC（电子调速器）；

9-BLDC（无刷直流电机）；10-机载控制器；11-通讯链路；12-稳压模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实例主要提供一种适用于太阳能无人机的能源管理系统，包括：光伏模块、MPPT控制器、第一DC-DC电路、电池组、第一防反电路、第二DC-DC电路、第二防反电路、ESC、BLDC、机载控制器、通讯链路、稳压模块；其中，

MPPT控制器由光伏模块供电，用于调节光伏模块的输出电压与电流，使其达到最大功率输出；所述MPPT控制器输出端与第一DC-DC电路的输入端相连，第一DC-DC电路的输出端与电池组相连，用于电池组的充电控制；

在一具体实施例中，MPPT控制器可以采用LT8490芯片作为核心芯片，该芯片采用扰动观察法，实现光伏模块的最大功率输出，同时，LT8490具有电池管理功能，配合第一DC-DC电路，充电控制采用多阶段充电管理，即涓流充电、恒流充电、恒压充电，涓流充电电流可调节。具体的充电阶段为：

阶段0：涓流充电，以设置的最大充电电流的20-30%进行充电，直到电池电压高于设置的充电电压的70%为止。

阶段1：恒流充电，以设置的最大充电电流进行充电，直到电池电压高于设置的充电电压的98%为止。

阶段2：恒定电压，以设置的充电电压进行充电，直到充电电流低于C/10为止，其中C为电池组的充放电倍率，如一组30Ah容量的电池，C/10充电电流代表3A的充电电流。

在一具体实施例中，光伏模块的最大功率输出电压约为28V，随光伏电池片表面温度及光照强度改变而上下浮动，MPPT的输出电压为12.6V，最大充电电流为30A。相匹配的，所采用的电池组，满电电压为12.6V，电池容量为30Ah。

所述电池组经由第一防反电路，给ESC供电，ESC驱动BLDC转动；此外，所述电池组还连接第二DC-DC电路，经由第二防反电路并联至ESC的供电端，初始状态下第二DC-DC电路不工作，不向ESC供电；其中第一DC-DC电路可以采用BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路，如：可以采用BUCK型电路、 同步 BUCK型电路或者是BUCK-BOOST型电路，如：可采用LM2577升压数显模块，DSN6000AUD自动升降压模块，LM317降压电路板，AP-D5830A可调降压模块等型号。；第二DC-DC电路为可调DC-DC电路，可根据输入的信号改变输出的电压值，采用升压DC-DC电路，如：可采用LM2577可调升压电路板；所述的第一、第二防反电路可以采用相同结构，主要用于防反接，采用常规的防反电路即可，如采用麦克斯低压差理想二极管，最大工作电流15A，当导通时，MOSFET两端的压降仅为20毫伏；也可采用嘉迪100V 50A的理想二极管，其静态工作电流为0.6-1.5毫安，双MOS的设计，仅0.75毫欧的导通内阻；或采用如下：包括至少一MOS管及一二极管控制器，所述MOS管内部包括至少一二极管， 所述MOS管的S极设置于所述防反电路的输入端，所述MOS管的D极设置于所述防反电路的输出端，所述二极管控制器的输入端与所述MOS管的S极连接，所述二极管控制器的输出端与所述MOS管的D极连接，所述二极管控制器的驱动端与所述MOS管的G极连接。

所述通讯链路传递飞控系统输出的原始油门值给机载控制器；

所述的机载控制器，接收来自MPPT控制器的输入输出电压电流信息、第一DC-DC电路的输出电压电流信息用于电路状态监测；并可将通讯链路传递的原始油门信息与动力系统的功率需求进行对应，根据当前动力系统的功率需求与设定的巡航功率阈值的关系，同时输出两路控制信号，第一路用于控制ESC的油门量，第二路用于控制第二DC-DC电路的通断以及其工作时的输出电压值。其中预先设定的巡航功率阈值通常可根据无人机在巡航状态下的目标功率值来设置，如取值大于所述目标功率值即可，在具体实施例中，可设置巡航功率阈值为无人机在巡航状态下的目标功率值的120%。。

所述的稳压模块，用于给机载设备提供稳定的电源，可以采用集成电路，将电池组的输出电压通过LT8632芯片转换为 12V电压和5V电压，并带有滤波电路和隔离电路等保护电路，使各输出电压线性稳定。

如图2所示为采用本实例系统所实现的工作流程图，用于描述太阳能无人机的能源管理系统的动力控制方法的主要流程：

1） 记载控制器通过通讯链路接收飞控系统输出的原始油门信号，并将原始油门信号与动力系统的功率需求进行对应；此处可直接采用线性映射，由原始油门信号唯一映射到功率区间，如在一具体实施例中，在10m/s的来流工况下，直接将0-100%的原始油门信号，线性映射到0-200W的功率区间，即0%的原始油门信号对应0W的功率需求；30%油门信号，对应60W的功率需求；60%的原始油门信号对应120W的功率需求；100%的原始油门信号，对应200W的功率需求。

2） 对动力系统的功率需求进行判定：

当功率需求小于或等于设定的巡航功率阈值时，机载控制系统仅输出ESC的控制信号以改变实际的油门值，第二DC-DC电路不向ESC供电；

当动力需求高于设定的巡航功率阈值时，机载控制系统按照联调策略，同时改变ESC的油门量及第二DC-DC电路的输出电压值，以实现大功率动力输出。

在一具体实施例中，无人机巡航状态下的巡航功率约为30W，故设置巡航功率阈值为36W，略大于实际所需的巡航功率，这是因为考虑到巡航阶段油门控制量会围绕实际值上下波动。

上述太阳能无人机能源管理系统的动力控制方法，其中所述的联调策略，可以是通过查询已知的动力匹配表，从而对应输出ESC的油门量及第二DC-DC的输出电压值；也可以是通过在动力组上加装相应的力传感器，以追踪动力系统实时最高效率为目标的动态追踪算法；

上述的动力匹配表，记录了不同功率需求下，可使系统达到最佳效率所对应的工作电压及ESC油门量，可以提前通过风洞试验获得动力装置在目标工况下等功率输出时的效率曲线，记录该功率下曲线上效率最高点所对应的工作电压及对应的油门量大小，对不同功率下效率曲线均做上述操作，即可获得动力匹配表。

下面结合图3 等功率输出系统效率图来详细说明动力匹配表的建立流程：

将动力测试架放置在风洞中并模拟不同来流速度的工况，在不同的工况下，不断调节动力系统的输入电压及ESC油门量以保证等功率输出。在一具体实施例中，如图3的效率表，对应来流速度为10m/s的工况，此工况下，使动力系统始终保持等功率60W输出，得到动力系统在不同工作电压下的效率图。在图3中，系统的工作电压从10.5V变化至24V，虽然输出的功率不变，但是可以看到动力系统的最大效率点在工作电压为12.2V的时候出现，系统效率超过了80%。那么，即可记录：在10m/s来流的工况下，动力系统60W等功率输出时，最优的工作电压应当为12.2V，此时的系统效率为80.5%。重复类似的工作，可以得到不同的工况下，不同的动力系统输出功率时，最优的工作电压分别是多少，由此即可得到上述的动力匹配表。所述的动态追踪算法，可以参见CN 108791819A中的相关内容，在上述专利中，公开了适用于无人机的动态拉力检测装置与检测方法，通过自动变距的方式实现追踪系统的最佳效率值，实质是追踪整个动力系统的最佳桨效值，即每瓦的功率输出可以带来多少的动拉力。同样的思路可以用于本发明的动态追踪算法的建立，因为动力系统不断变化工作电压及油门输出量并保证输出功率基本稳定，此时由于不同的工作电压下动力系统的效率存在差异，动态拉力检测装置检测到的实时动拉力也会有所差异，从中不断趋近同一功率下，实时拉力最大的值即可实现动态追踪系统最高效率的功能。

在具体实施例中，动力系统的巡航功率阈值设置为36W，为了得到上述的动力匹配表只需要绘制36W以上的等功率输出系统效率图即可，这里，为了进一步说明，本发明的能源管理系统特别适合于用在太阳能无人机上，所以额外给出了动力系统30W等功率输出时的系统效率图，对应于具体实施例中某型太阳能无人机巡航状态下的目标功率值。由图4的数据可以看出，不同于60W等功率输出时动力系统的效率存在唯一的极大值，30W等功率输出时，系统效率曲线存在一个范围约为10V-13V的高效区间，在该区间范围内，动力系统的效率均大于80%且效率值变化平缓。 具体实施例中，选择3串锂电的电池组，其工作时的电压范围与上述高效区间有大部分的重合，说明采用本发明的方案设计，太阳能无人机巡航状态下，动力系统直接由电池组进行供电，即可满足巡航段的高效动力匹配。

本发明中所控制ESC的油门量，其值所在范围优选为全油门的10%-95%，这是因为对于常规的DC-DC电路和ESC来说，变压的响应速度低于ESC油门响应的速度，所以留有一定的余量以使动力系统可以在一定的范围内实现快速的响应。

对系统的各环节的典型效率值进行分析。其中，MPPT控制器输入侧，最大效率可达到99%以上，而在输出侧，经由第一DC-DC电路给电池组充电的环节，由于参数匹配，工作状态下的效率最高可达96%左右。由于太阳能无人机大部分的工作时间里都是处于巡航状态，则主要的供电方式为不经过第二DC-DC电路，直接由电池组供电。由于第二DC-DC电路的实际工作效率在92%-96%，所以直接由电池组提供巡航阶段能量的方式可以减少由于第二DC-DC电路接入升压所带来的能量损失，进一步提高系统的效率。而在占总任务时间中比例较低的大机动、爬升等需要大功率输出的环节，电池组经第二DC-DC升压供电，可以实现大功率供电的需求。上述两个供电方案结合，可以同时实现巡航功率的高效供给与大功率输出的有效补充。

一种适用于太阳能无人机的能源管理控制系统及控制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。