本發(fā)明主要涉及太陽能技術(shù)領(lǐng)域，特指一種太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能無人機(jī)利用太陽能提供能源，鋰離子電池、鋰硫電池等二次電池存儲電能，使多組電機(jī)螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的長航時(shí)高空飛行。在軍事偵察、高空通信中繼、環(huán)境監(jiān)測、林區(qū)管理、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是高空長航時(shí)無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向之一。其中能源管理系統(tǒng)作為太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)中心，主要功能是實(shí)現(xiàn)太陽電池陣輸出功率控制，以及對電源系統(tǒng)中的儲能電池組進(jìn)行充放電管理，為無人機(jī)電機(jī)螺旋槳及飛控、傳感器等航電設(shè)備提供可靠、充足的能量。

現(xiàn)有的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)的技術(shù)方案有兩種。（1）采用單向或雙向dc-dc電源轉(zhuǎn)換器以恒壓輸出方式來對機(jī)載儲能電池進(jìn)行充電或?qū)C(jī)載電子設(shè)備供電，此種方式不能最大限度輸出無人機(jī)太陽能組件的功率，其系統(tǒng)能量利用效率低。如專利文獻(xiàn)cn201620704501，一種用于高空無人機(jī)的新能源混合供電系統(tǒng)；（2）以dc-dc電源轉(zhuǎn)換器、能源管理控制模塊、太陽能電池組件、鋰電池組件與鋰電池保護(hù)電路等構(gòu)成的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，該技術(shù)方案中太陽能電池組件通過dc-dc電源轉(zhuǎn)換器后再與能源管理控制模塊連接，由于dc-dc電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是恒定電壓，而太陽能無人機(jī)在飛行工作過程中，受光照變化與自身姿態(tài)變化，其太陽能組件的發(fā)電功率與輸出電壓隨時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化過程，因此連接dc-dc電源轉(zhuǎn)換器后的能源管理器并不能使太陽能電池組件最大功率獲得輸出。例如cn201610268611-一種太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，公開了：太陽能電池組件與dc-dc電源轉(zhuǎn)換器相連，dc-dc電源轉(zhuǎn)換器分別與最大功率跟蹤模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，鋰電池組件與鋰電池保護(hù)電路相連，鋰電池保護(hù)電路分別與智能充放電模塊和電池狀態(tài)檢測模塊相連，能源管理器分別與最大功率跟蹤模塊、電池狀態(tài)檢測模塊、智能充放電模塊、無人機(jī)主控制模塊、無人機(jī)供電單元相連，無人機(jī)主控制模塊與無人機(jī)供電單元相連。該方案中太陽能電池組件通過dc-dc電源轉(zhuǎn)換器后再與能源管理控制模塊連接，盡管能源管理器包含有最大功率跟蹤模塊，但礙于dc-dc電源轉(zhuǎn)換器阻隔，并不能有效調(diào)節(jié)太陽能組件的發(fā)電功率與輸出電壓，連接dc-dc電源轉(zhuǎn)換器后的能源管理器并不能使太陽能電池組件最大功率獲得輸出，不能實(shí)現(xiàn)太陽能無人機(jī)較高的轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種電能轉(zhuǎn)換效率高的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，包括無人機(jī)光伏陣列、能源管理單元、儲能單元和電源轉(zhuǎn)換單元，所述無人機(jī)光伏陣列與能源管理單元的輸入端相連，所述能源管理單元的輸出端與所述儲能單元的輸入端和電源轉(zhuǎn)換單元的輸入端相連，所述儲能單元的輸出端與所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸入端相連，所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端用于與無人機(jī)負(fù)載相連；所述能源管理單元包括多個(gè)mppt模塊，各mppt模塊均與無人機(jī)上同一受光曲面的光伏陣列對應(yīng)相連。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述能源管理單元包括采集模塊，所述采集模塊分別與mppt模塊和儲能單元相連，用于采集mppt模塊的輸出電壓、輸出電流、以及儲能單元的電壓、電流、溫度和容量數(shù)據(jù)。

還包括信號處理單元和飛行控制中心，所述信號處理單元與所述采集模塊和飛行控制中心相連，用于將采集模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至飛行控制中心。

所述信號處理單元與所述飛行控制中心通過串口通訊或can總線通訊方式連接。

所述無人機(jī)光伏陣列包括相互串并聯(lián)方式連接的柔性晶硅電池或柔性砷化鎵太陽能電池。

所述無人機(jī)光伏陣列的輸出電壓為90～130v。

所述能源管理單元的輸出電壓為90～130v。

所述儲能單元包括多個(gè)鋰電池，多個(gè)鋰電池相互串并聯(lián)。

所述電源轉(zhuǎn)換單元為dc/dc電源轉(zhuǎn)換器。

所述能源管理單元內(nèi)置有電子開關(guān)，用于控制無人機(jī)動(dòng)力電機(jī)和電子負(fù)載的通斷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，無人機(jī)光伏陣列與能源管理單元相連，能源管理單元能夠直接有效調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓和發(fā)電功率，使光伏陣列最大功率輸出，提高電能轉(zhuǎn)換效率；無人機(jī)上同一受光曲面構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電單元，并與獨(dú)立的mppt模塊相連，各發(fā)電單元相互獨(dú)立，互不影響，能夠極大的提高光伏陣列的整體發(fā)電效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方框結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中無人機(jī)光伏陣列分布圖。

圖中標(biāo)號表示：1、光伏陣列；2、能源管理單元；21、mppt模塊；22、采集模塊；3、儲能單元；4、電源轉(zhuǎn)換單元；5、信號處理單元；6、飛行控制中心。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，包括無人機(jī)光伏陣列1、能源管理單元2、儲能單元3和電源轉(zhuǎn)換單元4，無人機(jī)光伏陣列1與能源管理單元2的輸入端相連，能源管理單元2的輸出端與儲能單元3的輸入端和電源轉(zhuǎn)換單元4的輸入端相連，儲能單元3的輸出端與電源轉(zhuǎn)換單元4的輸入端相連，電源轉(zhuǎn)換單元4的輸出端用于與無人機(jī)負(fù)載相連；能源管理單元2包括多個(gè)mppt模塊21，各mppt模塊21均與無人機(jī)上同一受光曲面的光伏陣列1對應(yīng)相連。光伏陣列1通過能源管理單元2相連，以獲得最大的輸出功率，能源管理單元2輸出電壓至電源轉(zhuǎn)換單元4，電源轉(zhuǎn)換單元4將電源轉(zhuǎn)換成合適電壓供給無人機(jī)負(fù)載使用；能源管理單元2也同時(shí)將輸出電壓至儲能單元3，進(jìn)行電能的儲存，在能源管理單元2無法滿足負(fù)載時(shí)，儲能單元3也經(jīng)電源轉(zhuǎn)換單元4給無人機(jī)負(fù)載供電。本發(fā)明的太陽能無人機(jī)能源管理系統(tǒng)，無人機(jī)光伏陣列1與能源管理單元2相連，能源管理單元2能夠直接有效調(diào)節(jié)光伏陣列1的輸出電壓和發(fā)電功率，使光伏陣列1最大功率輸出，提高電能轉(zhuǎn)換效率；如圖2所示，由于無人機(jī)機(jī)翼上表面為太陽光照射面，且機(jī)翼表面通常為上凸的曲面，因此稱為機(jī)翼上表面為受光曲面，而太陽光照射到受光曲面的角度隨無人機(jī)的飛行姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化，在某一特定時(shí)刻，a區(qū)域的太陽光照射角基本一致可稱為同一受光曲面，b區(qū)域的太陽光照射角基本一致也可稱為同一受光曲面，但a區(qū)域和b區(qū)域的太陽光照射角差別較大，因此導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域發(fā)電功率不一致。無人機(jī)上同一受光曲面構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電單元（如圖2中的a、b、c、d面均構(gòu)成一個(gè)發(fā)電單元），并與獨(dú)立的mppt模塊21相連，各發(fā)電單元相互獨(dú)立，互不影響，能夠極大的提高光伏陣列1的整體發(fā)電效率。

本實(shí)施例中，能源管理單元2包括采集模塊22，采集模塊22分別與mppt模塊21和儲能單元3相連，用于采集mppt模塊21的輸出電壓、輸出電流、以及儲能單元3的電壓、電流、溫度和容量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另外，本系統(tǒng)還包括信號處理單元5和飛行控制中心6，信號處理單元5與采集模塊22和飛行控制中心6相連，用于將采集模塊22采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至飛行控制中心6（簡稱飛控，下同），保證飛控對所有部件的信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保無人機(jī)的安全。另外能源管理單元2內(nèi)置電子開關(guān)，能夠根據(jù)儲能單元3容量與無人機(jī)實(shí)際工況智能判斷并控制無人機(jī)動(dòng)力電機(jī)或電子負(fù)載的通斷，確保儲能單元3電量能夠使無人機(jī)關(guān)鍵負(fù)載正常工作；另外飛控會將無人機(jī)的相關(guān)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)再傳輸至地面數(shù)管。信號處理單元5與飛行控制中心6通過串口通訊（rs232/422/485）或can總線通訊方式連接。

本實(shí)施例中，無人機(jī)光伏陣列1型包括相互串并聯(lián)方式連接的柔性晶硅電池或柔性砷化鎵太陽能電池，該電池與機(jī)翼蒙皮一體化，具有重量輕，輸出功率高、可彎曲、能與機(jī)翼結(jié)構(gòu)共形等特點(diǎn)。其中光伏陣列1包括多個(gè)電池組件單元以及分別與各個(gè)電池組件單元連接的航空對接插頭，用于與能源管理單元2連接。有光照時(shí)，光伏陣列1為無人機(jī)負(fù)載提供能量，并將多余的電量儲存至儲能單元3中；在光照不足時(shí)，光伏陣列1與儲能單元3共同向無人機(jī)負(fù)載供電，并根據(jù)實(shí)際工況需求而關(guān)閉部分電子負(fù)載，以確保儲能單元3的容量能支撐無人機(jī)重要電子負(fù)載的正常工作。

本實(shí)施例中，無人機(jī)光伏陣列1和能源管理單元2的輸出電壓為90～130v，相應(yīng)連接電纜則采用可承受此電壓的電纜，因此可以采用截面積較小的電纜傳輸電能。因?yàn)楣夥嚵?有數(shù)十米長的傳輸電纜至無人機(jī)艙內(nèi)，采用截面積較小的電纜能有效降低電纜的重量，減少發(fā)熱，保障無人機(jī)安全。

本實(shí)施例中，儲能單元3包括多個(gè)高能量密度的單體鋰電池，多個(gè)單體鋰電池相互串并聯(lián)，因此儲能單元3也稱儲能電池組，單體鋰電池容量達(dá)到3500mah。采用保溫與隔熱材料、內(nèi)置加熱電路板的方式實(shí)現(xiàn)鋰電池的環(huán)控功能，采用0.5kwh（額定電壓22.2v）高能量密度的鋰電池組，滿足無人機(jī)負(fù)載對能源的需求，保障太陽能無人機(jī)的長時(shí)間飛行。在其它實(shí)施例中，也可以采用鋰硫電池或鋁空氣電池。其中mppt模塊21通過反饋電路調(diào)節(jié)其輸出電壓，確保其給儲能單元3正常充電，并在檢測到儲能單元3處于電量飽和狀態(tài)時(shí)，降低mppt模塊21的輸出功率，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)，保證儲能單元3的充電安全。

本實(shí)施例中，電源轉(zhuǎn)換單元4為dc/dc電源轉(zhuǎn)換器。儲能單元3的輸出端經(jīng)過直流母線連接到動(dòng)力電機(jī)和dc-dc電源轉(zhuǎn)換器，dc-dc電源轉(zhuǎn)換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為12v或24v的低壓直流電，為無人機(jī)上的傳感器、攝像設(shè)備、數(shù)傳設(shè)備等電子負(fù)載供電，負(fù)載供電端采用低壓輸出方式，可以匹配現(xiàn)有負(fù)載的電壓需求，并且可以有效的降低電纜重量，減少發(fā)熱，保護(hù)太陽能無人機(jī)與負(fù)載的安全。

本實(shí)施例中，能源管理單元2內(nèi)置有電子開關(guān)，用于控制無人機(jī)動(dòng)力電機(jī)和電子負(fù)載的通斷。能源管理單元2中的mppt模塊21采用stm32芯片作為主控芯片，使用高頻變壓器驅(qū)動(dòng)一個(gè)升-降型dc-dc橋式逆變電路，采用擾動(dòng)跟蹤算法與周期性全局掃描技術(shù)，使光伏陣列1輸出功率跟蹤最大功率點(diǎn)，并有效避免陷入局部功率最優(yōu)點(diǎn)，減少陰影遮擋對光伏陣列1的發(fā)電影響。

本發(fā)明的太陽能無人機(jī)的能源管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光伏陣列1和儲能單元3之間功率的合理分配，從而保證太陽能無人機(jī)的長航時(shí)飛行；考慮到光伏陣列1的輸出功率間歇性的特點(diǎn)，配以高能量密度的大容量儲能電池組，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)動(dòng)力電機(jī)與電子負(fù)載的用電需求，在太陽能無人機(jī)處于機(jī)動(dòng)飛行及姿態(tài)調(diào)整工況時(shí)，為滿足動(dòng)力性的要求，白天陽光充足時(shí)，一般通過光伏陣列1獨(dú)自提供能量；但當(dāng)光伏陣列1輸出功率較小時(shí)，通過光伏陣列1和大容量儲能電池組聯(lián)合提供能量；其它工況，如有云層遮擋或夜晚無陽光照射到太陽能無人機(jī)時(shí)，由儲能電池組單獨(dú)提供能量。采用能源管理單元2進(jìn)行太陽能發(fā)電功率跟蹤與對儲能電池組充電，采用dc-dc電源轉(zhuǎn)換器完成母線電壓二次轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)自動(dòng)管理能源的供給，整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率與利用效率高，可以解決太陽能無人機(jī)的組件功率最大程度輸出問題，滿足太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的用電需求。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。