一種基於太陽能無人機的能源管理系統的製作方法

2023-05-05 16:46:26

本發明屬於航空太空飛行器能源系統技術領域，涉及一種基於太陽能無人機的能源管理系統。

背景技術：

隨著太陽能技術的進步，太陽能無人機技術也隨之有了很大的發展，其中erast和zepsyr已經實現首飛，但是結構和儲能電池的重量依然是它們最大的制約，以當前的技術水平，電池的重量幾乎佔據了太陽能無人機重量的40％，因此，如太陽能單元、儲能電池、能源管理系統等新一代能源技術是太陽能無人機完成長時間航行的關鍵因素。

目前需要一種為整機提供能源並且監測整機的能源供給狀況的管理系統，並且在儘可能提高太陽能陣列電池的利用率的同時，降低設備的重量和體積。

技術實現要素：

本發明目的是提供一種基於太陽能無人機的能源管理系統，實現mppt功能、監測功能、控制功能和通訊功能等功能，並與太陽能陣列電池結合以最大功率轉化能量為整機提供能源，監測整機能源使用情況，同時，具有集成化程度高、體積小、重量輕的特點。

本發明的基於太陽能無人機的能源管理系統，包括：主控模塊、mppt模塊、rs232接口、輸入控制端、輸出控制端、電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器。輸入控制端連接太陽能陣列電池，輸出控制端連接儲能電池和dc-dc。

在輸入控制端連接有輸入端電壓傳感器和輸入端電流傳感器，輸入端電壓傳感器將輸入端電壓實時傳輸給主控模塊，輸入端電流傳感器將輸入端電流實時傳輸給mppt模塊。在輸出控制端連接有輸出端電壓傳感器和輸出端電流傳感器。

mppt模塊追蹤太陽能陣列電池輸入的最高電壓和電流值，以最大功率跟蹤點的電壓為輸出電壓，並傳輸給主控模塊和輸出控制端。輸出控制端以最大功率跟蹤點的電壓為輸出電壓。

主控模塊通過擾動分析法輸出脈衝寬度調製信號給mppt模塊，整理各電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器採集的實時數據，通過rs232接口發送到任務控制計算機。

溫度傳感器採集太陽能陣列電池所在的機翼翼面溫度、機艙內溫度和儲能電池溫度，並發送給主控模塊。

本發明的優點與積極效果在於：本發明的能源管理系統相比其他能源系統，集成化程度更高，重量更輕，體積更小，能根據飛機要求實現定製化，並且本身實現晶片級設計。同時，本發明的能源管理系統可以實現mppt的跟蹤效率達到99.5％以上。

附圖說明

圖1是本發明的基於太陽能無人機能源管理系統的結構示意圖。

圖中：

1-主控模塊；2-mppt模塊；3-rs232接口；4-輸入控制端；5-輸出控制端；

6-輸入端電壓傳感器；7-輸入端電流傳感器；8-輸出端電流傳感器；9-輸出端電壓傳感器；

10-溫度傳感器；11-單體電池電壓傳感器。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

太陽能陣列電池為整機提供能源，根據太陽能陣列電池的特性，需要尋找其最大功率點，最大程度將太陽能陣列電池提供的能源利用，本發明提供的基於太陽能無人機的能源管理系統，將mppt功能、監測功能和通訊功能結合在一起，太陽能陣列電池連接在能源管理系統的mppt上，並通過電流傳感器和電壓傳感器測量能源管理系統輸入端的電壓和電流，並通過對能源管理系統輸入端的繼電器控制來控制能源管理系統輸入端的通斷，通過實驗，本發明的mppt功能其跟蹤效率始終保持在99.5％以上。

如圖1所示，本發明的基於太陽能無人機的能源管理系統，包括主控模塊1、mppt模塊2、rs232接口3、輸入控制端4、輸出控制端5、電壓傳感器6,9、電流傳感器7,8和溫度傳感器10。

本發明的能源管理系統的輸入端連接太陽能陣列電池，輸出端連接儲能電池和dc-dc。在能源管理系統的輸入端和輸出端均通過電壓傳感器和電流傳感器測量電壓和電流。dc-dc模塊為整個機載設備供電，存儲電池連接直流電機，並通過電機通斷模塊控制電機通斷，在無人機失聯或其他極端條件下，可通過將直流電機斷電來實現無人機自毀功能。

如圖1所示，太陽能陣列電池連接在輸入控制端4，輸入控制端4控制繼電器通斷來控制太陽能陣列電池能量的輸入。輸出控制端5連接儲能電池和dc-dc，輸出控制端5控制繼電器通斷來控制電壓的輸出。在輸入控制端4和輸出控制端5均連接有電壓傳感器和電流傳感器。輸入控制端4連接有輸入端電流傳感器7和輸入端電壓傳感器6，通過輸入端電流傳感器7和輸入端電壓傳感器6測試輸入端的電壓和電流。輸入端電壓傳感器6將輸入端電壓實時傳輸給主控模塊1。輸入端電流傳感器7將輸入端電流實時傳輸給mppt模塊2。在輸出控制端5連接有輸出端電流傳感器8和輸出端電壓傳感器9。

所述能源管理系統通過輸出端電流傳感器8和輸出端電壓傳感器9監測輸出端的電壓電流，可以將監測到的電壓電流數據通過rs232接口實時傳輸到地面端。

所述能源管理系統的輸入端和輸出端的電流傳感器使用acs758電流傳感器，電壓監測採取高精電阻分壓測試方法。

所述輸入控制端4和輸出控制端5採用hfe-2固態繼電器，控制動力電通斷。

mppt模塊2追蹤太陽能陣列電池輸入的最高電壓和電流值，以最大功率跟蹤點的電壓為輸出電壓，傳輸給主控模塊1和輸出控制端5。輸出控制端5以最大功率跟蹤點的電壓為輸出電壓。通過能源管理系統的mppt模塊2實現太陽能陣列電池輸入能源的最大化利用。mppt模塊2是採用mppt(maximumpowerpointtracking，最大功率點跟蹤)方法實現的太陽能控制模塊，能夠實時偵測太陽能陣列電池的發電電壓，並追蹤最高電壓電流值(vi)，使能源管理系統以最大功率輸出對蓄電池充電。

所述主控模塊1採用atmega8avr晶片為mcu(微控制單元)，整理各電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等採集的實時數據，通過rs232接口3發送到任務控制計算機中。主控模塊1通過擾動分析法輸出pwm(脈衝寬度調製)信號給mppt模塊2，控制mppt模塊2追蹤最高電壓電流值，使輸出控制端5以最大功率跟蹤點的電壓輸出。主控模塊1將pwm信號發送給晶片irs2184，irs2184的作用是控制mos管實現諧波整流，最終實現mppt功能。此處所述的irs2184和mos管都是mppt模塊中的元件。

單體電池電壓傳感器11監測儲能電池的單體電池電壓，防止單體電壓出現過充和過放。單體電池電壓傳感器11將監測的電壓結果實時發送給主控模塊1。

溫度傳感器10監測太陽能陣列電池所在的機翼翼面溫度、機艙內溫度、電池溫度等，發送給主控模塊1。所述溫度傳感器10採用k型電阻，通過溫度傳感器10可實現對太陽能陣列電池、能源管理系統等的溫度監測。

所述能源管理系統通過rs232接口3與任務控制計算機通訊，將主控模塊1採集的溫度、電壓信息發送到任務控制計算機，任務控制計算機可以通過rs232接口3發送命令給輸入控制端4和輸出控制端5，控制固態繼電器通斷，實現對能源管理系統輸入端和對電池到電機端的通斷控制。所述的主控模塊1採用max232晶片將mcu輸出的ttl電平轉換為rs232串口信號。

本發明實現的一種高度集成化的能源管理系統，它將mppt功能，監測功能，通訊功能結合在一起，實現了與太陽能陣列電池結合以最大功率轉化能量為整機提供能源，通過實驗，本發麵的mppt功能其跟蹤效率始終保持在99.5％以上。本發明的能源管理系統還能監測整機能源使用情況，並將信息傳遞給任務控制計算機的同時，實現小型化與輕型化。