太陽能無人機能源管理器研究與設計

胡 斌， 時景立， 馮利軍

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

太陽能無人機能源管理器研究與設計

胡 斌， 時景立， 馮利軍

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

對太陽能無人機能源管理器的設計進行了詳細的闡述，對能源系統各個工作狀態進行了實驗驗證。該方案設計選用最大功率點跟蹤(MPPT)半調節母線拓撲技術，成功實現了對電源系統中太陽陣、鋰離子電池以及鋰硫電池管理功能，該方案設計電路適應性強，各方面性能均比較理想，對臨近空間電源系統具有很好的適用性。

太陽能無人機；能源管理器；MPPT；半調節母線拓撲

隨著我國國防事業發展的需要，我國開始大力開發太陽能無人機應用，由于其飛行高度高，滯空時間長，偵察安全且成本低等優勢，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能源系統的控制調節中心，主要功能是實現太陽電池陣輸出功率調節，以及對電源系統中的電池組進行管理，為無人機負載提供穩定、充足的能量。圖1為太陽能無人機電源系統示意圖。

圖1 無人機能源系統示意圖

1 設計難點及復雜度分析

(1)電流、電壓設計峰值出現在不同季節

由于受到季節、環境和大氣對流的影響，無人機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在夏至，而電壓峰值出現在春秋季，蓄電池組的容量是恒定的，所以必須合理設計電池陣電壓、電流來保證不同季節飛行時電源系統既能輸出最大功率又能安全運行[2]。

(2)負載特性復雜

太陽能無人機的主要負載為帶螺旋槳的電動機，該負載的特性為調速延遲大，功率過調較高，而且功率需求受環境風速影響會出現大幅度升降現象，所以必須采用快速、簡單且具備自適應功能的控制方式來適應負載的變化特性。

(3)全天溫度變化較大

無人機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偏移造成功率損失，電池陣電壓按最高溫度設計，然后在低溫段通過最大功率點跟蹤處理保證功率輸出不受工作點漂移的影響[3]。

2 設計思路

太陽能無人機電源系統采用高壓傳輸、集中配電、就近轉換的電源配電及管理設計思想。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轉換電路及控制電路盡量設置在用電儀器和設備附近，就近轉換供電。能源供給系統拓撲結構為了降低風險，同時提高能源管理器的控制效率采用MPPT系統供電母線為電機供電。MPPT電路采用分布式的方式進行能源管理，其使用數量由太陽方陣發電功率需求來決定。

2.1 系統配置組成

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

能源管理部分采用MPPT母線體制，實現對太陽電池陣功率的最大跟蹤輸出，儲能電池組串聯二極管并聯在母線上，而機載設備電源控制部分通過動力母線二次變換獲得。當太陽電池陣輸出功率不足時，實現鋰離子電池和鋰硫電池選擇性放電控制進行聯合供電(圖2，表1)。

圖2 能源管理器系統示意圖

表1 能源管理器功能組成

2.2 MPPT控制電路設計

能源管理器的作用是實現太陽電池陣最大功率點跟蹤[4]、蓄電池的自適應放電、負載電壓變化跟隨。其核心是通過一個最大功率點跟蹤芯片，通過驅動電路驅動一個DC/DC變換電路，使能源管理器在輸入側實時跟蹤太陽電池組件的最大功率點，保證太陽電池組件峰值輸出，輸出側自動適應負載電壓變化(圖3)，母線電壓跟隨蓄電池變化，這樣可將系統結構簡化到最小程度，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實現，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狀態

MPPT能源管理器會通過DC/DC電路對輸入能量進行升壓降流變換 (圖5)，變換過程中Q4、Q3調節、Q1常開、Q2關斷，在一個開關周期內電感上伏秒平衡，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狀態

MPPT能源管理器會通過DC/DC電路對輸入能量進行降壓升流變換 (圖6)，變換過程中Q1、Q2調節、Q4常開、Q3關斷，在一個開關周期內電感上電壓平衡，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，將電池陣和負載通過Q5直連，另外如果負載運行于經濟狀態，即(Vout-Vm)在規定的誤差范圍內可認為負載可保證電池陣工作于最佳狀態，此時也通過Q5將電池陣和負載直連，這樣可有效提高系統效率(此時能量損失僅為導線損失)。

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

當太陽電池電路嚴重損壞或者與其他電路嚴重失配時，能源管理器工作于旁路模式將故障電路隔離。

2.3 MPPT數據采集電路設計

能源管理器的整體設計要求采集每個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，可以監控其工作狀態，并評估不同工況下的工作效率。MPPT數據采集電路實現對上述數據的采集，并傳輸至上位機。

采集電路與下位機數據傳輸時采用了光電隔離，解決了MPPT模塊串聯使用時各物理量懸浮地的問題。數據采集電路由電源供電電路，單片機及復位電路，數據通訊電路，模擬量輸入低通濾波電路、調節電路組成，電路原理圖如圖7所示。

圖7 MPPT數據采集電路

2.4 DC-DC電路設計

無人機使用國外直流-直流變換器(DC-DC電源模塊)，機載設備電源控制部分通過動力母線二次變換獲得，完成對12 V飛控系統及數傳電源，7 V舵機負載電源和12 V載荷負載設備母線的轉換，二次電源原理圖如圖8所示。

2.5 BDMR電路設計

BDMR電路需實現兩路APR、兩路蓄電池接入控制及相互隔離，太陽電池及蓄電池聯合供電控制，數據采集等功能。兩路蓄電池供電為受控制方式，可由下位機控制斷開任一回路。

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現，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等效電路實現，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現。該部分電路如圖9所示，電路功能由下圖中的MOS管及體內二極管實現，當回路電流低于0.5 A時，MOS截止，電路由MOS體內二極管構成回路；當回路電流大于0.5 A時，MOS導通，電路由MOS構成回路。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電路設計

TMTC負責實時監測能源系統在各種工作狀態下電流、電壓以及溫度等相關數據，并計算相關工作效率，保證這些數據實時上傳。通信以ATMEL公司AT89C51CC01單片機為控制核心，內置CAN通信控制芯片，如圖10所示。MPPT的八路電流、電壓、功率等數據信號經過光耦隔離后，通過多路開關以UART協議進入單片機；母線，鋰離子、鋰硫電池組，APR1，APR2電壓數據通過數字隔離器隔離后以SPI通信協議進入接口；母線，鋰離子、鋰硫電池組，APR1，APR2電流數據以SPI通信協議進入接口；溫度傳感器DS18B20數據信號多路并聯后進入單片機接口，由單片機通過DS18B20內在地址進行逐個溫度采集，采用單線通信方式；上傳數據串口RS232采用隔離芯片MAX3250，它內置隔離電平轉換；預留的CAN接口以單片機內置CAN通信控制芯片為核心，收發器采用隔離的ISO1050；電源轉換芯片DCR021205為TMTC系統芯片供電，隔離電源轉換芯片DCR011205預留為CAN總線收發器ISO1050供電。

圖10 TMTC系統工作框圖

3 實驗及測試結果

能源管理器的電性能測試由太陽電池模擬器、電子負載、直流電源和工控機組成(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；兩臺電子負載分別模擬電機負載和設備負載。一臺工控機作為上位機，能源管理器下位機通過RS422總線在測試過程中上傳遙測參數至上位機，實時監測能源系統狀況。圖12為能源管理器整機。

圖11 能源管理器測試框圖

圖12 能源管理器整機

系統接線圖如圖13所示，蓄電池暫不接入系統，設置8路太陽能模擬器的總輸出為1 050.72 W，單路工作點電壓33 V，總工作點電壓132 V，設置負載為恒流負載，測試結果如表3。

圖13 能源管理器測試照片

表3 系統1 000 W級效率測試

蓄電池暫不接入系統，設置8路太陽能模擬器總輸出為1 279.97 W，單路工作點電壓40.2 V，總工作點電壓160.8 V，負載為恒流負載，測試結果如表4。

表4 系統1 250 W級效率測試

將蓄電池接入系統，太陽能模擬器分8路接入控制器，總功率設置為720.22 W，單路工作點設置為30.16 V，總工作點電壓為120.64 V，蓄電池電壓108～115 V，在系統工作過程中突然斷開一路太陽能組件使太陽能系統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制升壓功能將太陽陣電壓升高使系統正常工作，測試結果如圖14所示。

由圖14可以發現在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無法工作，此時剩余7路MPPT控制器通過強制升壓電路升壓重新與蓄電池建立電路關系，在1 885 s時可觀察到由于加入了強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又恢復到最初工作狀態，可見該系統具備故障隔離和智能修復功能。

圖14 強制升壓功能測試

4 結束語

本文對太陽能無人機能源管理器的設計進行了詳細的闡述，對能源系統各個工作狀態進行了實驗驗證。該方案成功實現了對電源系統中太陽陣、鋰離子電池以及鋰硫電池管理功能，系統效率在95%以上。該設備的研制成功，滿足了工程需求，而其選用最大功率點跟蹤(MPPT)半調節母線拓撲技術對臨近空間電源系統具有很好的適用性。

[1]ROMEO G,FRULLA G,CESTINO E,et al.Heliplat:design,aerodynamic,structural analysis of long-endurance solar-powered stratospheric platform[J].Journal of Aircraft,2004,41(6):1505-1520.

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

[3]曹秋生，張會軍.高空長航時無人機的發展特點及技術難點探討[J].中國電子科學研究院學報，2008,3(1):8-13.

[4]馬帥旗.光伏發電系統最大功率跟蹤研究[J].電源技術，2013, 37(9):1595-1598.

《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展趨勢，集科學性、知識性和系統性于一體，可讀性強，適合企業、科研、學校、商貿、咨詢、媒體的相關人員參考學習。

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，主要研究方向為測控技術與儀器。