太陽能無人機電氣系統(tǒng)設計

孫立志，張 妍

（ 海鷹航空通用裝備有限責任公司，北京 100071）

1 引 言

隨著電氣、氣動、結構等相關技術的突飛猛進和行業(yè)發(fā)展的迫切需要，近年來太陽能無人機分系統(tǒng)設備和系統(tǒng)集成技術日新月異。太陽能無人機以太陽光能作為能量來源，太陽能通過電氣系統(tǒng)的轉化，為動力電機提供可直接利用的電能，進而驅動螺旋槳，產生飛行所需動力。國內外有多款典型的太陽能無人機［1-2］，在臨近空間飛行和晝夜飛行等性能上相繼有所突破。作為全電飛機，太陽能飛機上的電氣系統(tǒng)至關重要，電氣系統(tǒng)承擔了能量轉換、存儲、變換、分配等一系列工作，因此，電氣系統(tǒng)的設計關系到太陽能無人機的整體性能。

2 太陽能無人機電氣系統(tǒng)特點

太陽能無人機的關鍵性能指標是飛行高度和航時，一款高空長航時太陽能無人機將會成為通信中繼、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等領域的可靠技術載體，但超長的留空性能需要足夠多的能源和盡可能輕的機體結構，電氣系統(tǒng)涉及能量流動的整個過程，其最優(yōu)的設計將實現(xiàn)轉化效率高、設備質量小的目的，為太陽能無人機的整機性能做出貢獻［3-4］。

電氣設備工作在高空低速的環(huán)境下，其可靠性、環(huán)境適應性等都備受考驗。其中，可靠性大多依靠設備的冗余設計來保證，然而過度的冗余將造成設備質量的成倍增加，進而增加整機體積和質量，同時造成能源的過度消耗，直接影響留空時長。所以對電氣設備的設計需要充分考慮質量和冗余之間的關系。

美國太陽神無人機采用分布式動力系統(tǒng)，即多臺驅動電機分布于機翼，即使其中一臺或幾臺故障，也能保證無人機有一定的動力繼續(xù)飛行。但這種架構的無人機整體結構為柔性結構，空氣動力性能存在未解決的問題。本文所涉及的無人機為剛性機體，電氣系統(tǒng)架構也有所不同。

3 太陽能無人機電氣系統(tǒng)架構

3.1 總體架構

電氣系統(tǒng)作為太陽能無人機的一個重要系統(tǒng)，其架構的設計影響無人機的整體性能。太陽能無人機的電能來自于太陽能電池和儲能電池，電能的產生、變換和傳輸由機上電氣裝置實現(xiàn)［5-7］。本文提出了一種太陽能無人機電氣系統(tǒng)架構和電氣設備質量與冗余之間的協(xié)調設計方法，能夠在一定程度上解決太陽能無人機電氣系統(tǒng)設計過程復雜、可靠性低的問題，且能夠較好地協(xié)調電氣設備質量和冗余備份之間的關系。

本文所設計的太陽能無人機電氣系統(tǒng)由電機、電機驅動控制器、太陽能電池、最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制器、電池、直流-直流（Direct Current，DC-DC）變化器、動力母線、設備母線、電氣控制裝置、用電設備等組成，如圖1所示。系統(tǒng)各組成部分的數(shù)量用羅馬數(shù)字示意，具體來說包括如下部分：動力子系統(tǒng)包括電機及相應的驅動控制器MC；能源子系統(tǒng)包括多組太陽能電池及相應的MPPT控制器，組數(shù)可以根據(jù)實際能量轉換的需要進行拓展，同時包括多組儲能電池，組數(shù)根據(jù)實際儲能需要進行拓展；電源變換子系統(tǒng)中包括多組DC-DC，組數(shù)可以根據(jù)實際功率需要進行拓展；通過設備母線供電的多個低壓用電設備，通過電氣控制裝置供電的多個低壓用電設備，其中有關供電的區(qū)別在子系統(tǒng)中詳細討論。

3.2 動力子系統(tǒng)設計

在動力子系統(tǒng)中，電機Ⅰ和電機Ⅱ在機械上同軸連接，共同輸出機械功率，帶動螺旋槳旋轉，相應的電機驅動控制器MCⅠ、MCⅡ連接在動力母線上，獨立運行，分別驅動控制電機Ⅰ和電機Ⅱ，如圖2所示。對于高空太陽能無人機，甚至臨近空間太陽能無人機，為了提高動力子系統(tǒng)的效率，往往需要設計變距機構，因此動力子系統(tǒng)還包括變距電機及控制器。而變距電機所需驅動功率較小，可以通過設備母線供電。

圖1 太陽能無人機電氣系統(tǒng)架構Fig.1 Electrical system architecture of solar UAV

圖2 太陽能無人機動力子系統(tǒng)Fig.2 Power subsystem of Solar UAV

電機Ⅰ和電機Ⅱ的功率應按設備質量和冗余備份之間的協(xié)調關系設計。具體來說，設計中要求電機Ⅰ和電機Ⅱ結構相同，分別由電機驅動控制器MCⅠ和MCⅡ進行驅動控制，兩個驅動控制器互相獨立，二者功率之和大于等于無人機螺旋槳所需最大機械功率值，二者同軸連接，工作時輸出相同轉矩，合成后輸出無人機飛行所需動力。這樣，在其中一臺電機或其控制器故障時，另一臺電機能夠輸出約半數(shù)額定功率的動力，能夠保證無人機有一定的動力進行返航。同時，這種設計減少了動力子系統(tǒng)的質量，沒有過度增加無人機的負擔，對保證太陽能無人機的長航時飛行起到重要作用。

3.3 能源子系統(tǒng)設計

在能源子系統(tǒng)中，太陽能電池及其相應的MPPT控制器在結構上左右對稱分布于無人機，敷設在左右機翼和水平尾翼上，其中太陽能電池和MPPT控制器Ⅰ至n代表的是n個相同功率的太陽能轉換單元。在功能上，MPPT控制器可以實現(xiàn)跟蹤太陽能電池的最大輸出功率，以確保太陽能轉換的高效性。這n組MPPT控制器連接在動力母線上，將太陽能轉換為電能，傳輸至動力母線。而太陽能電池的敷設數(shù)量需綜合考慮無人機的結構和機上用電設備所需電功率。

在太陽能無人機上，儲能電池的分布和太陽能電池、MPPT類似，左右對稱分布于無人機機體結構上，用于儲存電能，儲能電池連接在動力母線上，為全機電氣設備供電。其中，電池Ⅰ至電池n代表了n個相同功率的電池單元，并且電池單元包含電池管理系統(tǒng)BMS。電池單元的安裝數(shù)量需要綜合無人機質量和航時權衡而定，這是因為在太陽能無人機上，能源子系統(tǒng)基本占到無人機總重的1/3～1/2，在能量密度難以增加的情況下，應盡量優(yōu)化所攜帶電池的數(shù)量。太陽能無人機能量流動的狀態(tài)在不同光照條件下有明顯不同，在太陽能充足的環(huán)境中，太陽能電池同時給儲能電池充電和機上設備供電，在夜間飛行時，只有儲能電池單獨為飛機供電，圖3為太陽能無人機的能量流動關系［8-10］。

圖3 太陽能無人機能量流動關系Fig.3 Energy flow relationship of solar UAV

3.4 電源模塊設計

在電源模塊中，DC-DC變換器的數(shù)目為偶數(shù)，結構上左右對稱分布于無人機，同時連接動力母線和設備母線，將動力母線的高壓直流電轉換為設備母線的低壓直流電，如圖4所示。DC-DCⅠ至DC-DCn的功率按設備質量和冗余備份之間的協(xié)調關系設計。

電源模塊中DC-DCⅠ至DC-DCn代表n個相同功率的電源模塊，其功率大于等于機上低壓用電設備所需最大功率之和，同時還需考慮某些用電設備的特殊性能，如舵機在工作時可能產生沖擊，因此應使電源模塊總功率大于所有低壓用電設備的峰值功率，且留有一定的余量［11］。多個電源模塊設計的優(yōu)點在于，當其中某個電源模塊出現(xiàn)故障但其它模塊正常工作時，可以斷開非必需設備的供電，保證無人機在最小系統(tǒng)情況下返航，同時沒有過度增加無人機的質量，保證無人機的長航時飛行。

圖4 太陽能無人機電氣系統(tǒng)電源模塊Fig.4 Power module of solar UAV electrical system

3.5 直流母線設計

電氣系統(tǒng)中有兩條直流母線，分別是動力母線和設備母線，動力母線是能源子系統(tǒng)和動力子系統(tǒng)間電能傳遞的通路，為無人機的驅動電機供電；設備母線是機上各低壓用電設備的電能傳遞的通路，為低壓用電設備供電，這些設備包括飛控系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等的低壓用電設備。單獨設計直流電壓相對較高的動力母線是因為驅動電機是永磁同步電機，其要求驅動器的母線電壓盡量高，且因驅動電機功率較大，耗電量大，提高母線電壓能夠適當減小母線電流，降低系統(tǒng)壓力。

3.6 電氣控制裝置與低壓用電設備設計

設備母線為電氣控制裝置和用電設備Ⅰ、用電設備Ⅱ、用電設備n直接供電，而電氣控制裝置控制用電設備Ⅲ、用電設備Ⅳ的供電，如圖5所示。電氣控制裝置通過信號線檢測用電設備供電狀態(tài)。

由設備母線直接供電和由電氣控制裝置供電的區(qū)別在于機上低壓設備供電是否可控。具體來說，無人機飛行任務期間持續(xù)不斷供電的設備，如飛控計算機等，直接由設備母線供電，而空速管等設備，不需要整個飛行過程連續(xù)供電，因此由電氣控制裝置控制其供電的通斷，這樣既可以保證電氣系統(tǒng)設計的簡單可靠，又可以節(jié)省電能。

圖5 太陽能無人機電氣系統(tǒng)設備母線與用電設備連接關系Fig.5 Connection between equipment-bus and electrical equipment of solar UAV electrical system

4 結 論

綜合考慮無人機機體質量、設備冗余關系等因素，設計了一種太陽能無人機電氣系統(tǒng)的通用架構，在實現(xiàn)無人機電氣系統(tǒng)可靠設計的同時，能夠充分協(xié)調電氣設備質量和冗余的關系，在保證無人機飛行性能的前提下，可以有效增加飛行航時，為高空太陽能無人機電氣系統(tǒng)的設計提供了思路。