孫立志，張 妍

（ 海鷹航空通用裝備有限責(zé)任公司，北京 100071）

1 引 言

隨著電氣、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)等相關(guān)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和行業(yè)發(fā)展的迫切需要，近年來(lái)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)集成技術(shù)日新月異。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)以太陽(yáng)光能作為能量來(lái)源，太陽(yáng)能通過電氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，為動(dòng)力電機(jī)提供可直接利用的電能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)螺旋槳，產(chǎn)生飛行所需動(dòng)力。國(guó)內(nèi)外有多款典型的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)［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(jī)，太陽(yáng)能飛機(jī)上的電氣系統(tǒng)至關(guān)重要，電氣系統(tǒng)承擔(dān)了能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、變換、分配等一系列工作，因此，電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的整體性能。

2 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)特點(diǎn)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)是飛行高度和航時(shí)，一款高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)將會(huì)成為通信中繼、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的可靠技術(shù)載體，但超長(zhǎng)的留空性能需要足夠多的能源和盡可能輕的機(jī)體結(jié)構(gòu)，電氣系統(tǒng)涉及能量流動(dòng)的整個(gè)過程，其最優(yōu)的設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率高、設(shè)備質(zhì)量小的目的，為太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的整機(jī)性能做出貢獻(xiàn)［3-4］。

電氣設(shè)備工作在高空低速的環(huán)境下，其可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等都備受考驗(yàn)。其中，可靠性大多依靠設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)來(lái)保證，然而過度的冗余將造成設(shè)備質(zhì)量的成倍增加，進(jìn)而增加整機(jī)體積和質(zhì)量，同時(shí)造成能源的過度消耗，直接影響留空時(shí)長(zhǎng)。所以對(duì)電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)需要充分考慮質(zhì)量和冗余之間的關(guān)系。

美國(guó)太陽(yáng)神無(wú)人機(jī)采用分布式動(dòng)力系統(tǒng)，即多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分布于機(jī)翼，即使其中一臺(tái)或幾臺(tái)故障，也能保證無(wú)人機(jī)有一定的動(dòng)力繼續(xù)飛行。但這種架構(gòu)的無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，空氣動(dòng)力性能存在未解決的問題。本文所涉及的無(wú)人機(jī)為剛性機(jī)體，電氣系統(tǒng)架構(gòu)也有所不同。

3 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 總體架構(gòu)

電氣系統(tǒng)作為太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要系統(tǒng)，其架構(gòu)的設(shè)計(jì)影響無(wú)人機(jī)的整體性能。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的電能來(lái)自于太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池，電能的產(chǎn)生、變換和傳輸由機(jī)上電氣裝置實(shí)現(xiàn)［5-7］。本文提出了一種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)架構(gòu)和電氣設(shè)備質(zhì)量與冗余之間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法，能夠在一定程度上解決太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、可靠性低的問題，且能夠較好地協(xié)調(diào)電氣設(shè)備質(zhì)量和冗余備份之間的關(guān)系。

本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)由電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、太陽(yáng)能電池、最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制器、電池、直流-直流（Direct Current，DC-DC）變化器、動(dòng)力母線、設(shè)備母線、電氣控制裝置、用電設(shè)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(lái)說(shuō)包括如下部分：動(dòng)力子系統(tǒng)包括電機(jī)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器MC；能源子系統(tǒng)包括多組太陽(yáng)能電池及相應(yīng)的MPPT控制器，組數(shù)可以根據(jù)實(shí)際能量轉(zhuǎn)換的需要進(jìn)行拓展，同時(shí)包括多組儲(chǔ)能電池，組數(shù)根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能需要進(jìn)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(shí)際功率需要進(jìn)行拓展；通過設(shè)備母線供電的多個(gè)低壓用電設(shè)備，通過電氣控制裝置供電的多個(gè)低壓用電設(shè)備，其中有關(guān)供電的區(qū)別在子系統(tǒng)中詳細(xì)討論。

3.2 動(dòng)力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在動(dòng)力子系統(tǒng)中，電機(jī)Ⅰ和電機(jī)Ⅱ在機(jī)械上同軸連接，共同輸出機(jī)械功率，帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器MCⅠ、MCⅡ連接在動(dòng)力母線上，獨(dú)立運(yùn)行，分別驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)Ⅰ和電機(jī)Ⅱ，如圖2所示。對(duì)于高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，甚至臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，為了提高動(dòng)力子系統(tǒng)的效率，往往需要設(shè)計(jì)變距機(jī)構(gòu)，因此動(dòng)力子系統(tǒng)還包括變距電機(jī)及控制器。而變距電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率較小，可以通過設(shè)備母線供電。

圖1 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Electrical system architecture of solar UAV

圖2 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力子系統(tǒng)Fig.2 Power subsystem of Solar UAV

電機(jī)Ⅰ和電機(jī)Ⅱ的功率應(yīng)按設(shè)備質(zhì)量和冗余備份之間的協(xié)調(diào)關(guān)系設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)中要求電機(jī)Ⅰ和電機(jī)Ⅱ結(jié)構(gòu)相同，分別由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器MCⅠ和MCⅡ進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器互相獨(dú)立，二者功率之和大于等于無(wú)人機(jī)螺旋槳所需最大機(jī)械功率值，二者同軸連接，工作時(shí)輸出相同轉(zhuǎn)矩，合成后輸出無(wú)人機(jī)飛行所需動(dòng)力。這樣，在其中一臺(tái)電機(jī)或其控制器故障時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)能夠輸出約半數(shù)額定功率的動(dòng)力，能夠保證無(wú)人機(jī)有一定的動(dòng)力進(jìn)行返航。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)減少了動(dòng)力子系統(tǒng)的質(zhì)量，沒有過度增加無(wú)人機(jī)的負(fù)擔(dān)，對(duì)保證太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)飛行起到重要作用。

3.3 能源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在能源子系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池及其相應(yīng)的MPPT控制器在結(jié)構(gòu)上左右對(duì)稱分布于無(wú)人機(jī)，敷設(shè)在左右機(jī)翼和水平尾翼上，其中太陽(yáng)能電池和MPPT控制器Ⅰ至n代表的是n個(gè)相同功率的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換單元。在功能上，MPPT控制器可以實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽(yáng)能電池的最大輸出功率，以確保太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的高效性。這n組MPPT控制器連接在動(dòng)力母線上，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，傳輸至動(dòng)力母線。而太陽(yáng)能電池的敷設(shè)數(shù)量需綜合考慮無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)上用電設(shè)備所需電功率。

在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上，儲(chǔ)能電池的分布和太陽(yáng)能電池、MPPT類似，左右對(duì)稱分布于無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上，用于儲(chǔ)存電能，儲(chǔ)能電池連接在動(dòng)力母線上，為全機(jī)電氣設(shè)備供電。其中，電池Ⅰ至電池n代表了n個(gè)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(wú)人機(jī)質(zhì)量和航時(shí)權(quán)衡而定，這是因?yàn)樵谔?yáng)能無(wú)人機(jī)上，能源子系統(tǒng)基本占到無(wú)人機(jī)總重的1/3～1/2，在能量密度難以增加的情況下，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化所攜帶電池的數(shù)量。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能量流動(dòng)的狀態(tài)在不同光照條件下有明顯不同，在太陽(yáng)能充足的環(huán)境中，太陽(yáng)能電池同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電和機(jī)上設(shè)備供電，在夜間飛行時(shí)，只有儲(chǔ)能電池單獨(dú)為飛機(jī)供電，圖3為太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能量流動(dòng)關(guān)系［8-10］。

圖3 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能量流動(dòng)關(guān)系Fig.3 Energy flow relationship of solar UAV

3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

在電源模塊中，DC-DC變換器的數(shù)目為偶數(shù)，結(jié)構(gòu)上左右對(duì)稱分布于無(wú)人機(jī)，同時(shí)連接動(dòng)力母線和設(shè)備母線，將動(dòng)力母線的高壓直流電轉(zhuǎn)換為設(shè)備母線的低壓直流電，如圖4所示。DC-DCⅠ至DC-DCn的功率按設(shè)備質(zhì)量和冗余備份之間的協(xié)調(diào)關(guān)系設(shè)計(jì)。

電源模塊中DC-DCⅠ至DC-DCn代表n個(gè)相同功率的電源模塊，其功率大于等于機(jī)上低壓用電設(shè)備所需最大功率之和，同時(shí)還需考慮某些用電設(shè)備的特殊性能，如舵機(jī)在工作時(shí)可能產(chǎn)生沖擊，因此應(yīng)使電源模塊總功率大于所有低壓用電設(shè)備的峰值功率，且留有一定的余量［11］。多個(gè)電源模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)其中某個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障但其它模塊正常工作時(shí)，可以斷開非必需設(shè)備的供電，保證無(wú)人機(jī)在最小系統(tǒng)情況下返航，同時(shí)沒有過度增加無(wú)人機(jī)的質(zhì)量，保證無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)飛行。

圖4 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)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(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)中有兩條直流母線，分別是動(dòng)力母線和設(shè)備母線，動(dòng)力母線是能源子系統(tǒng)和動(dòng)力子系統(tǒng)間電能傳遞的通路，為無(wú)人機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電；設(shè)備母線是機(jī)上各低壓用電設(shè)備的電能傳遞的通路，為低壓用電設(shè)備供電，這些設(shè)備包括飛控系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等的低壓用電設(shè)備。單獨(dú)設(shè)計(jì)直流電壓相對(duì)較高的動(dòng)力母線是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)是永磁同步電機(jī)，其要求驅(qū)動(dòng)器的母線電壓盡量高，且因驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率較大，耗電量大，提高母線電壓能夠適當(dāng)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(shè)備設(shè)計(jì)

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

由設(shè)備母線直接供電和由電氣控制裝置供電的區(qū)別在于機(jī)上低壓設(shè)備供電是否可控。具體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)期間持續(xù)不斷供電的設(shè)備，如飛控計(jì)算機(jī)等，直接由設(shè)備母線供電，而空速管等設(shè)備，不需要整個(gè)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(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單可靠，又可以節(jié)省電能。

圖5 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)備母線與用電設(shè)備連接關(guān)系Fig.5 Connection between equipment-bus and electrical equipment of solar UAV electrical system

4 結(jié) 論

綜合考慮無(wú)人機(jī)機(jī)體質(zhì)量、設(shè)備冗余關(guān)系等因素，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)的通用架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)可靠設(shè)計(jì)的同時(shí)，能夠充分協(xié)調(diào)電氣設(shè)備質(zhì)量和冗余的關(guān)系，在保證無(wú)人機(jī)飛行性能的前提下，可以有效增加飛行航時(shí)，為高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了思路。