胡 斌， 時景立， 馮利軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

太陽能無人機(jī)能源管理器研究與設(shè)計

胡 斌， 時景立， 馮利軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

對太陽能無人機(jī)能源管理器的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對能源系統(tǒng)各個工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方案設(shè)計選用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)半調(diào)節(jié)母線拓?fù)浼夹g(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對電源系統(tǒng)中太陽陣、鋰離子電池以及鋰硫電池管理功能，該方案設(shè)計電路適應(yīng)性強(qiáng)，各方面性能均比較理想，對臨近空間電源系統(tǒng)具有很好的適用性。

太陽能無人機(jī)；能源管理器；MPPT；半調(diào)節(jié)母線拓?fù)?/p>

隨著我國國防事業(yè)發(fā)展的需要，我國開始大力開發(fā)太陽能無人機(jī)應(yīng)用，由于其飛行高度高，滯空時間長，偵察安全且成本低等優(yōu)勢，所以日益成為我國的重要偵察手段[1]。其中能源管理器作為無人機(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調(diào)節(jié)，以及對電源系統(tǒng)中的電池組進(jìn)行管理，為無人機(jī)負(fù)載提供穩(wěn)定、充足的能量。圖1為太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)示意圖。

圖1 無人機(jī)能源系統(tǒng)示意圖

1 設(shè)計難點(diǎn)及復(fù)雜度分析

(1)電流、電壓設(shè)計峰值出現(xiàn)在不同季節(jié)

由于受到季節(jié)、環(huán)境和大氣對流的影響，無人機(jī)在夏至和春秋季飛行的時候溫度和光照條件差異非常大，這就造成太陽電池陣的電流峰值出現(xiàn)在夏至，而電壓峰值出現(xiàn)在春秋季，蓄電池組的容量是恒定的，所以必須合理設(shè)計電池陣電壓、電流來保證不同季節(jié)飛行時電源系統(tǒng)既能輸出最大功率又能安全運(yùn)行[2]。

(2)負(fù)載特性復(fù)雜

太陽能無人機(jī)的主要負(fù)載為帶螺旋槳的電動機(jī)，該負(fù)載的特性為調(diào)速延遲大，功率過調(diào)較高，而且功率需求受環(huán)境風(fēng)速影響會出現(xiàn)大幅度升降現(xiàn)象，所以必須采用快速、簡單且具備自適應(yīng)功能的控制方式來適應(yīng)負(fù)載的變化特性。

(3)全天溫度變化較大

無人機(jī)在起飛段和最高高度巡航段由于高度差距巨大，造成起飛段和巡航段溫度差50℃，電壓差10 V左右，所以為了避免太陽電池輸出被蓄電池箝位或工作點(diǎn)偏移造成功率損失，電池陣電壓按最高溫度設(shè)計，然后在低溫段通過最大功率點(diǎn)跟蹤處理保證功率輸出不受工作點(diǎn)漂移的影響[3]。

2 設(shè)計思路

太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)采用高壓傳輸、集中配電、就近轉(zhuǎn)換的電源配電及管理設(shè)計思想。大功率、長距離傳輸電能采用高壓傳輸，盡量減少傳輸損耗；DC/DC轉(zhuǎn)換電路及控制電路盡量設(shè)置在用電儀器和設(shè)備附近，就近轉(zhuǎn)換供電。能源供給系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了降低風(fēng)險，同時提高能源管理器的控制效率采用MPPT系統(tǒng)供電母線為電機(jī)供電。MPPT電路采用分布式的方式進(jìn)行能源管理，其使用數(shù)量由太陽方陣發(fā)電功率需求來決定。

2.1 系統(tǒng)配置組成

能源管理系統(tǒng)提供一條110～150 V的動力母線，機(jī)載設(shè)備電源控制部分通過動力母線二次變換獲得。能源供給系統(tǒng)主要由太陽電池陣發(fā)電單元、鋰離子電池組、鋰硫電池組和電源控制與管理(PCU)系統(tǒng)組成。

能源管理部分采用MPPT母線體制，實(shí)現(xiàn)對太陽電池陣功率的最大跟蹤輸出，儲能電池組串聯(lián)二極管并聯(lián)在母線上，而機(jī)載設(shè)備電源控制部分通過動力母線二次變換獲得。當(dāng)太陽電池陣輸出功率不足時，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池和鋰硫電池選擇性放電控制進(jìn)行聯(lián)合供電(圖2，表1)。

圖2 能源管理器系統(tǒng)示意圖

表1 能源管理器功能組成

2.2 MPPT控制電路設(shè)計

能源管理器的作用是實(shí)現(xiàn)太陽電池陣最大功率點(diǎn)跟蹤[4]、蓄電池的自適應(yīng)放電、負(fù)載電壓變化跟隨。其核心是通過一個最大功率點(diǎn)跟蹤芯片，通過驅(qū)動電路驅(qū)動一個DC/DC變換電路，使能源管理器在輸入側(cè)實(shí)時跟蹤太陽電池組件的最大功率點(diǎn)，保證太陽電池組件峰值輸出，輸出側(cè)自動適應(yīng)負(fù)載電壓變化(圖3)，母線電壓跟隨蓄電池變化，這樣可將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化到最小程度，同時又能保證太陽電池陣最大功率輸出。

圖3 MPPT管理器電路原理圖

MPPT能源管理器即可以工作于降壓搜索MPP模式，也可以工作于升壓搜索MPP模式，這主要通過DC/DC實(shí)現(xiàn)，其工作原理簡圖如圖4所示。

(a)MPPT控制模塊工作于升壓搜索工作點(diǎn)狀態(tài)

MPPT能源管理器會通過DC/DC電路對輸入能量進(jìn)行升壓降流變換 (圖5)，變換過程中Q4、Q3調(diào)節(jié)、Q1常開、Q2關(guān)斷，在一個開關(guān)周期內(nèi)電感上伏秒平衡，則得到如下平衡公式

(b)MPPT控制模塊工作于降壓搜索工作點(diǎn)狀態(tài)

MPPT能源管理器會通過DC/DC電路對輸入能量進(jìn)行降壓升流變換 (圖6)，變換過程中Q1、Q2調(diào)節(jié)、Q4常開、Q3關(guān)斷，在一個開關(guān)周期內(nèi)電感上電壓平衡，則得到如下平衡公式:

(c)MPPT能源管理器工作于直連模式

圖4 DC/DC電路工作原理圖

圖5 升壓模式DC/DC工作曲線

MPPT能源管理器在溫度、電壓、電流超限和電路電流為0時，將電池陣和負(fù)載通過Q5直連，另外如果負(fù)載運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，即(Vout-Vm)在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為負(fù)載可保證電池陣工作于最佳狀態(tài)，此時也通過Q5將電池陣和負(fù)載直連，這樣可有效提高系統(tǒng)效率(此時能量損失僅為導(dǎo)線損失)。

圖6 降壓模式DC/DC工作曲線

(d)MPPT能源管理器工作于旁路狀態(tài)

當(dāng)太陽電池電路嚴(yán)重?fù)p壞或者與其他電路嚴(yán)重失配時，能源管理器工作于旁路模式將故障電路隔離。

2.3 MPPT數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

能源管理器的整體設(shè)計要求采集每個MPPT的輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流，以便能源管理器工作時，可以監(jiān)控其工作狀態(tài)，并評估不同工況下的工作效率。MPPT數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)對上述數(shù)據(jù)的采集，并傳輸至上位機(jī)。

采集電路與下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸時采用了光電隔離，解決了MPPT模塊串聯(lián)使用時各物理量懸浮地的問題。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，電路原理圖如圖7所示。

圖7 MPPT數(shù)據(jù)采集電路

2.4 DC-DC電路設(shè)計

無人機(jī)使用國外直流-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動力母線二次變換獲得，完成對12 V飛控系統(tǒng)及數(shù)傳電源，7 V舵機(jī)負(fù)載電源和12 V載荷負(fù)載設(shè)備母線的轉(zhuǎn)換，二次電源原理圖如圖8所示。

2.5 BDMR電路設(shè)計

BDMR電路需實(shí)現(xiàn)兩路APR、兩路蓄電池接入控制及相互隔離，太陽電池及蓄電池聯(lián)合供電控制，數(shù)據(jù)采集等功能。兩路蓄電池供電為受控制方式，可由下位機(jī)控制斷開任一回路。

圖8 二次電源原理框圖

兩路APR和兩路蓄電池隔離采用二極管隔離的方式實(shí)現(xiàn)，為了降低功耗，提高控制效率，兩路APR輸入和LI蓄電池回路中的二極管采用MOS等效電路實(shí)現(xiàn)，LiS電池由于工作電流比較小，回路中的二極管由普通二極管實(shí)現(xiàn)。該部分電路如圖9所示，電路功能由下圖中的MOS管及體內(nèi)二極管實(shí)現(xiàn)，當(dāng)回路電流低于0.5 A時，MOS截止，電路由MOS體內(nèi)二極管構(gòu)成回路；當(dāng)回路電流大于0.5 A時，MOS導(dǎo)通，電路由MOS構(gòu)成回路。由此可以對比較不同條件下的二極管功耗。普通二極管與等效二極管功耗對比見表2。

圖9 等效二極管電路

表2 普通二極管與等效二極管功耗對比表

2.6 TMTC電路設(shè)計

TMTC負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測能源系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下電流、電壓以及溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，并計算相關(guān)工作效率，保證這些數(shù)據(jù)實(shí)時上傳。通信以ATMEL公司AT89C51CC01單片機(jī)為控制核心，內(nèi)置CAN通信控制芯片，如圖10所示。MPPT的八路電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)信號經(jīng)過光耦隔離后，通過多路開關(guān)以UART協(xié)議進(jìn)入單片機(jī)；母線，鋰離子、鋰硫電池組，APR1，APR2電壓數(shù)據(jù)通過數(shù)字隔離器隔離后以SPI通信協(xié)議進(jìn)入接口；母線，鋰離子、鋰硫電池組，APR1，APR2電流數(shù)據(jù)以SPI通信協(xié)議進(jìn)入接口；溫度傳感器DS18B20數(shù)據(jù)信號多路并聯(lián)后進(jìn)入單片機(jī)接口，由單片機(jī)通過DS18B20內(nèi)在地址進(jìn)行逐個溫度采集，采用單線通信方式；上傳數(shù)據(jù)串口RS232采用隔離芯片MAX3250，它內(nèi)置隔離電平轉(zhuǎn)換；預(yù)留的CAN接口以單片機(jī)內(nèi)置CAN通信控制芯片為核心，收發(fā)器采用隔離的ISO1050；電源轉(zhuǎn)換芯片DCR021205為TMTC系統(tǒng)芯片供電，隔離電源轉(zhuǎn)換芯片DCR011205預(yù)留為CAN總線收發(fā)器ISO1050供電。

圖10 TMTC系統(tǒng)工作框圖

3 實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果

能源管理器的電性能測試由太陽電池模擬器、電子負(fù)載、直流電源和工控機(jī)組成(圖11)。4臺太陽方陣模擬器(雙通道)分別模擬8路太陽電池輸入與八路MPPT電路連接；直流電源1模擬鋰電池的輸出，直流電源2模擬鋰硫電池的輸出；兩臺電子負(fù)載分別模擬電機(jī)負(fù)載和設(shè)備負(fù)載。一臺工控機(jī)作為上位機(jī)，能源管理器下位機(jī)通過RS422總線在測試過程中上傳遙測參數(shù)至上位機(jī)，實(shí)時監(jiān)測能源系統(tǒng)狀況。圖12為能源管理器整機(jī)。

圖11 能源管理器測試框圖

圖12 能源管理器整機(jī)

系統(tǒng)接線圖如圖13所示，蓄電池暫不接入系統(tǒng)，設(shè)置8路太陽能模擬器的總輸出為1 050.72 W，單路工作點(diǎn)電壓33 V，總工作點(diǎn)電壓132 V，設(shè)置負(fù)載為恒流負(fù)載，測試結(jié)果如表3。

圖13 能源管理器測試照片

表3 系統(tǒng)1 000 W級效率測試

蓄電池暫不接入系統(tǒng)，設(shè)置8路太陽能模擬器總輸出為1 279.97 W，單路工作點(diǎn)電壓40.2 V，總工作點(diǎn)電壓160.8 V，負(fù)載為恒流負(fù)載，測試結(jié)果如表4。

表4 系統(tǒng)1 250 W級效率測試

將蓄電池接入系統(tǒng)，太陽能模擬器分8路接入控制器，總功率設(shè)置為720.22 W，單路工作點(diǎn)設(shè)置為30.16 V，總工作點(diǎn)電壓為120.64 V，蓄電池電壓108～115 V，在系統(tǒng)工作過程中突然斷開一路太陽能組件使太陽能系統(tǒng)的工作電壓低于蓄電池電壓，此時觀察其余三路控制器是否能通過強(qiáng)制升壓功能將太陽陣電壓升高使系統(tǒng)正常工作，測試結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以發(fā)現(xiàn)在1 880 s時突然斷開一路太陽電池陣，由于其他7路的開路電壓低于蓄電池電壓造成太陽能管理系統(tǒng)無法工作，此時剩余7路MPPT控制器通過強(qiáng)制升壓電路升壓重新與蓄電池建立電路關(guān)系，在1 885 s時可觀察到由于加入了強(qiáng)制升壓功能使剩余三路MPPT控制器還能正常工作，此時能源管理系統(tǒng)效率在98%以上，在2 150 s時將太陽電池組件重新接入電路系統(tǒng)又恢復(fù)到最初工作狀態(tài)，可見該系統(tǒng)具備故障隔離和智能修復(fù)功能。

圖14 強(qiáng)制升壓功能測試

4 結(jié)束語

本文對太陽能無人機(jī)能源管理器的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對能源系統(tǒng)各個工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方案成功實(shí)現(xiàn)了對電源系統(tǒng)中太陽陣、鋰離子電池以及鋰硫電池管理功能，系統(tǒng)效率在95%以上。該設(shè)備的研制成功，滿足了工程需求，而其選用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)半調(diào)節(jié)母線拓?fù)浼夹g(shù)對臨近空間電源系統(tǒng)具有很好的適用性。

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《動力電池材料》

本書從基本的新能源汽車講起，全面介紹了新能源汽車與綠色環(huán)境、新能源汽車的心臟--動力電池、動力電池的類型、動力鋰離子電池的材料、動力金屬氫化物-鎳電池材料、超級電池和鉛碳電池材料、燃料電池材料的研究成果和未來發(fā)展趨勢，集科學(xué)性、知識性和系統(tǒng)性于一體，可讀性強(qiáng)，適合企業(yè)、科研、學(xué)校、商貿(mào)、咨詢、媒體的相關(guān)人員參考學(xué)習(xí)。

Research and design of power management system of solar unmanned aerial vehicle

The power management system(PMS)of the solar unmanned aerial vehicle(UAV)was introduced.PMS had been tested with different working status. Maximum Power Point Tracking (MPPT) and the topology of semi-tuned bus were chosen by the design, and the design had the ability of managing the solar cell array, Lithium-ion battery and Lithium sulfur battery.The designed PMS with great adaptability and performance was useful in the application of UAV.

solar unmanned aerial vehicle;power management system;maximum power point tracking;topology of semi-tuned bus

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2161-05

2015-03-14

胡斌(1985—)，男，安徽省人，工程師，主要研究方向?yàn)闇y控技術(shù)與儀器。