太陽能無人機(jī)能源控制器研究與設(shè)計(jì)

陸運(yùn)章，郭 進(jìn)，程文進(jìn)，周 蒙，張建國(guó)，楊曉生，張佳亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

太陽能無人機(jī)能源控制器研究與設(shè)計(jì)

陸運(yùn)章，郭 進(jìn)，程文進(jìn)，周 蒙，張建國(guó)，楊曉生，張佳亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

對(duì)太陽能無人機(jī)能源控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)能源系統(tǒng)在地面情況下發(fā)電與帶載運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方案設(shè)計(jì)選用最大功率點(diǎn)跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)中光伏陣列、儲(chǔ)能電池自動(dòng)充放電管理功能。該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，可作為臨近空間飛行器電源系統(tǒng)的理想選擇之一。

太陽能無人機(jī)；能源控制器；最大功率點(diǎn)跟蹤

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(chǔ)電能，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(zhǎng)航時(shí)高空飛行[1]。在軍事偵察、高空通信中繼、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向之一[2]。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(duì)電源系統(tǒng)中的儲(chǔ)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[3]。

由于太陽能無人機(jī)的光伏陣列鋪裝面積有限，收集太陽能量受限，因此提高太陽能整體發(fā)電能力與利用效率是未來的重點(diǎn)研究方向之一[4]。目前對(duì)于太陽能無人機(jī)光伏陣列的能量輸出方式，通常能源管理系統(tǒng)采用恒壓輸出方式來對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電[5]，其能量利用效率低，為提高能量利用效率，設(shè)計(jì)高效的能源管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文介紹了一種電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高的太陽能無人機(jī)能源控制器，可供未來的臨近空間飛行器電源系統(tǒng)選擇。

1 能源系統(tǒng)介紹

如圖1所示，太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)主要包括無人機(jī)光伏陣列、能源控制器、儲(chǔ)能電池組和負(fù)載設(shè)備。太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)采用分布式發(fā)電、高壓傳輸、集中配電、就近轉(zhuǎn)換的電源配電及管理設(shè)計(jì)思想。無人機(jī)光伏陣列采用分布式發(fā)電模式，機(jī)翼同一受光曲面的光伏陣列構(gòu)成一個(gè)發(fā)電單元，盡量減少由于機(jī)翼曲面導(dǎo)致的光強(qiáng)不均對(duì)系統(tǒng)整體發(fā)電功率影響；大功率、長(zhǎng)距離傳輸電能采用高壓直流母線傳輸，盡量減少傳輸損耗；DC-DC轉(zhuǎn)換電路及控制電路盡量布置在負(fù)載設(shè)備附近，就近轉(zhuǎn)換供電。能源供給系統(tǒng)為提高能源系統(tǒng)輸出效率，采用分布式MPPT模式為儲(chǔ)能電池充電和負(fù)載供電。每個(gè)MPPT模塊負(fù)責(zé)機(jī)翼表面同一受光曲面的光伏陣列，使用多個(gè)MPPT模塊構(gòu)成分布式MPPT能源控制器。

圖1 無人機(jī)能源系統(tǒng)示意圖

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 能源系統(tǒng)配置

通常無人機(jī)直流電機(jī)額定電壓為直流48 V，為匹配電機(jī)電壓，能源管理系統(tǒng)提供一條46～ 60 V的直流母線，通過直流母線DC-DC降壓實(shí)現(xiàn)機(jī)載其他設(shè)備電源電壓。如圖2所示，能源管理系統(tǒng)采用分布式MPPT模式和直流母線體制，分別由不同的MPPT模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼同一受光曲面的光伏陣列功率進(jìn)行最大跟蹤輸出，儲(chǔ)能電池組并聯(lián)在母線上，而機(jī)載設(shè)備電源控制部分通過直流母線變換電壓獲得。當(dāng)太陽電池陣輸出功率充足時(shí)，發(fā)電電能通過直流母線給負(fù)載供電，余電存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中；當(dāng)太陽電池陣輸出功率不足時(shí)，通過儲(chǔ)能電池組放電控制對(duì)負(fù)載進(jìn)行聯(lián)合供電。

圖2 能源管理系統(tǒng)電路連接示意圖

2.2 MPPT控制電路設(shè)計(jì)

能源控制器的作用是實(shí)現(xiàn)太陽電池陣最大功率點(diǎn)跟蹤、蓄電池的自適應(yīng)放電、負(fù)載電壓變化跟隨。如圖3所示，其關(guān)鍵步驟是通過一個(gè)最大功率點(diǎn)跟蹤芯片，驅(qū)動(dòng)一個(gè)DC-DC變換電路，使能源管理器在輸入端實(shí)時(shí)跟蹤太陽電池組件的最大功率點(diǎn)，保證光伏陣列峰值功率輸出，輸出端自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載電壓變化，母線電壓跟隨儲(chǔ)能電池變化，這樣可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能保證太陽電池陣最大功率輸出。

圖3 MPPT控制電路原理圖

MPPT芯片包括輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓4種不同的調(diào)節(jié)形式。當(dāng)由一塊光伏組件供電時(shí)，MPPT功能先通過“擾亂觀察法”來搜索光伏組件的最大功率點(diǎn)，采用輸入電壓調(diào)節(jié)以定位和跟蹤電池組件的最大功率點(diǎn)。輸入電流調(diào)節(jié)用于限制從輸入電源吸收的最大電流；輸出電流調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)限制儲(chǔ)能電池的充電電流，而輸出電壓調(diào)節(jié)則用于設(shè)定最大儲(chǔ)能電池的充電電壓，實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。

MPPT能源管理模塊在搜索光伏組件最大功率輸出過程中，既可以工作于降壓模式，也可以工作于升壓模式，這主要通過DC-DC實(shí)現(xiàn)，其工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

圖4 簡(jiǎn)化的DC-DC電路工作原理圖

能源控制器的整體設(shè)計(jì)要求采集每路MPPT模塊的輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、儲(chǔ)能電池電壓、儲(chǔ)能電池充/放電電流、儲(chǔ)能電池組內(nèi)部溫度、控制器腔內(nèi)溫度、光伏組件表面溫度等參數(shù)，以便能源控制器工作時(shí)，可以監(jiān)控其工作狀態(tài)，并評(píng)估不同工況下的工作效率。數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)上述數(shù)據(jù)的采集，并發(fā)送給飛控。數(shù)據(jù)采集電路由電源供電電路、單片機(jī)及復(fù)位電路、數(shù)據(jù)通訊電路、模擬量輸入低通濾波電路、調(diào)節(jié)電路組成。

采集電路在采集MPPT的輸入、輸出電流及負(fù)載工作電流時(shí)均采取霍爾電流傳感器方式，在采集輸入與輸出電壓時(shí)采取電壓互感器方式，使得采集電路與MPPT模塊電路隔離，不僅解決了MPPT模塊串聯(lián)使用時(shí)各物理量懸浮地的問題，同時(shí)提高了采集的各參數(shù)準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集電路帶RS422通訊接口，可將儲(chǔ)能電池組BMS電路板的SOC信息傳輸給數(shù)據(jù)采集電路單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給飛控，實(shí)現(xiàn)飛控對(duì)整個(gè)能源管理系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 DC-DC電路設(shè)計(jì)

無人機(jī)的DC-DC電路部分使用市面上成熟的直流-直流變換器（DC-DC電源模塊），機(jī)載設(shè)備電源控制部分通過母線降壓變換獲得，完成對(duì)電壓為24 V的飛控等負(fù)載與電壓為12 V的數(shù)傳、攝像等負(fù)載的轉(zhuǎn)換，DC-DC電路原理如圖5所示。

圖5 DC-DC電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

如圖6所示，能源管理系統(tǒng)的電性能測(cè)試由無人機(jī)光伏陣列、能源控制器、儲(chǔ)能電池組、DC-DC和阻性負(fù)載構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集端接入工控機(jī)作為上位機(jī)。

在晴天太陽輻照度較好的時(shí)候，將光伏組件裝機(jī)功率為1.2 kW的無人機(jī)機(jī)翼平鋪在地面，無人機(jī)機(jī)翼上的光伏陣列按6個(gè)不同受光面劃分為6個(gè)光伏組件，分別與6路MPPT模塊連接；采用48 V的蓄電池作為儲(chǔ)能電池組；兩個(gè)DC-DC分別將母線電壓降至24 V與12 V，3個(gè)阻性負(fù)載分別模擬電機(jī)、傳感器和飛控等700 W的設(shè)備負(fù)載。能源控制器數(shù)據(jù)采集模塊以1 Hz的采樣頻率采集各個(gè)參數(shù)，并通過RS422總線在測(cè)試過程中上傳測(cè)量參數(shù)至上位機(jī)。

圖6 無人機(jī)能源系統(tǒng)測(cè)試接線圖

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能源系統(tǒng)發(fā)電情況如圖7所示，測(cè)試時(shí)間從中午11：30開始持續(xù)至下午16：40，機(jī)翼光伏組件工作正常，從11：30至14：40（間隔大于3 h），經(jīng)過MPPT模塊轉(zhuǎn)換后的輸出功率平均值大于600 W，最大值為721 W（出現(xiàn)在12：09：02，此時(shí)對(duì)應(yīng)的太陽輻照度為700 W/cm2），表明能源控制器的輸出功率正常，在中午至少有3 h可完全通過無人機(jī)光伏陣列輸出電能來滿足600 W負(fù)載的正常工作。下午隨著太陽光的減弱，輸出功率逐漸降低。

對(duì)應(yīng)的能源控制器MPPT模塊輸出電壓與輸出電流曲線如圖8所示，由于MPPT模塊的輸出電壓被蓄電池組電壓鉗位，而光伏陣列的發(fā)電功率與負(fù)載耗電功率接近，因此在11：30到15：10期間的輸出電壓基本維持在48 V。從15：10開始將所有負(fù)載斷開，MPPT模塊只對(duì)蓄電池組充電，由于蓄電池組流入的電流從基本為0迅速增大到10 A以上，因而蓄電池組輸入端的電壓也迅速上升至52 V并逐漸穩(wěn)定，表明能源控制器的MPPT模塊對(duì)蓄電池的充電功能正常，負(fù)載切換不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

能源控制器MPPT模塊的轉(zhuǎn)換效率測(cè)試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。從表1可知，所選的每10 min一組數(shù)據(jù)計(jì)算得到MPPT轉(zhuǎn)換效率均大于97%，可見該系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)換效率，在能源控制器所測(cè)時(shí)間點(diǎn)的輸出功率大于650 W的情況下，其發(fā)熱功率均小于20 W。

圖7 輸出功率隨時(shí)間的變化曲線

圖8 輸出電壓和輸出電流隨時(shí)間的變化曲線

表1 能源控制器MPPT轉(zhuǎn)換效率測(cè)試

4 結(jié)束語

本文對(duì)太陽能無人機(jī)能源控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對(duì)太陽能無人機(jī)的能源系統(tǒng)在地面情況下發(fā)電與帶載運(yùn)行情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方案成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)能源系統(tǒng)中光伏陣列、儲(chǔ)能電池充放電管理功能，MPPT轉(zhuǎn)換效率在97%以上。該設(shè)備的研制可滿足未來太陽能無人機(jī)等工程需求，在臨近空間飛行器電源系統(tǒng)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 鄧海強(qiáng)，余雄慶.太陽能飛機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006，(1)：28-30.

[2] 高廣林，李占科，宋筆鋒，等.太陽能無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛行力學(xué)，2010，28(1)：1-4．

[3] 趙輝杰，馬建超.小型太陽能無人機(jī)持久飛行技術(shù)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，8(4)：384-387.

[4] 肖偉，周洲，王睿，等.分布式推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)太陽能無人機(jī)橫航向飛行品質(zhì)的影響研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30(6)：868-872.

[5] 昌敏，周洲，成柯，等.高空駐留太陽能飛機(jī)主動(dòng)式光伏組件面功率特性研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013，34(2)：273-281.

Research and Design of Power Management Controller of Solar Unmanned Aerial Vehicle

LU Yunzhang，GUO Jin，ZHOU Meng，ZHANG Jianguo，YANG Xiaosheng，ZHANG Jialiang

(The 48thResearch Institute of CETE，Changsha 410111，China)

The power management controller of the solar unmanned aerial vehicle (UAV)was introduced,and the energy systemhad been tested onthe ground condition.Maximum Power Point Tracking(MPPT)was chosen for the solar UAV energymanagement system,and the design had the ability of automatic managing the solar cell array power generation,battery charging．The designed power management system with great adaptabilityand performance was useful in the application ofUAV.

Solar unmanned aerial vehicle；Power management controller；Maximum power point tracking（MPPT）

TM914.4

A

1004-4507(2017)03-0045-06

2017-04-17

陸運(yùn)章，男，1984年生，博士，工程師，主要從事無人機(jī)、飛艇等能源系統(tǒng)研究與開發(fā)工作。