具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例在于提供一种动力系统，用于输出动力；具体实施时，动力系统既可以装配到无人机上，也可以装配到轮船上，或者其它需要配备动力系统的机械设备上，实现相应机械设备的动力驱动。具体地，如图1和图2所示，动力系统包括发动机20、电机30和电池。具体地，发动机20包括发动机机体21和设于发动机机体21上的发动机输出轴22，发动机机体21安装至相应机械设备的机体上；电机30则包括定子31、转子32以及用于连接定子31和转子32的定子连接器33；具体实施时，定子连接器33设于发动机机体21上，以实现电机30的稳固放置；而转子32则同轴设于发动机输出轴22上；转子32还用于与外部的动力接收件同轴连接；即，转子32、外部的动力接收件和发动机输出轴22实现同轴连接。本实施例中的电机30既可以作为发电机使用，也可以作为电动机使用。当电机30作电动机使用时，电机30的转子32在发动机输出轴22上做正功，将电能转化为机械能，进而可以辅助发动机20进行动力输出；当电机30作为发电机使用时，电子的转子32在发动机输出轴22上做负功，吸收发动机20的输出功率，将机械能转化为电能，实现发电操作。电池与电机30相连，进而能够在电机30作为电动机使用时，电池放电为电机30提供电能；在电机30作为发电机使用时，能够接收电机30输出的电能进行充电。

具体实施时，发动机20可选用二冲程发动机。二冲程发动机是在两个行程内完成一个工作循环的发动机，其没有阀，可以大大简化结构，减轻自身重量，可以更加方便灵活地安装在机械设备上，减轻整个机械设备的重量，进而减少能耗。可选地，电机30是永磁式同步电机或者永磁式异步电机。其中，永磁式同步电机与二冲程发动机的匹配性好，无转化机制，也就不存在转化损耗。永磁式同步电机和二冲程发动机可以单独工作，也可以一起工作，无需离合器。

为了方便实现对动力系统的发动机20及电机30的工作状态的控制，动力系统还包括发动机控制器和电机控制器；其中，发动机控制器用于接收控制指令，并输出执行信号至发动机20，进而控制发动机20的工作状态；电机控制器用于接收控制指令，并输出执行信号至电机30，进而控制电机30的工作状态。进一步地，动力系统还包括控制板，控制板用于发送控制指令给发动机控制器或电机控制器。当然，电池能够为控制板、发动机控制器及电机控制器供电，确保控制系统顺利工作。

本实施例中的动力系统将电机30的转子32、外部的动力接收件和发动机输出轴22设置为同轴连接，且电机30既可以作为发电机使用，在发动机输出轴22上做负功为电池充电，也可以作为电动机使用，即接收电池的电量，在发动机输出轴22上做正功，实现动力输出。

实施例二

基于实施例一，本实施例提供一种用于上述动力系统的动力系统控制方法，该动力系统控制方法提供了动力系统不同运行模式的判断流程。参考图3，具体地，动力系统控制方法包括如下步骤：

S10：判断发动机20是否正常工作；若否，动力系统进入纯电动运行模式；纯电动运行模式中，电池放电为电机30提供电能，进而由电机30提供动力；反之，进入下一步骤；

S20：若发动机20能够正常工作，则判断发动机20的输出功率是否满足需要；若否，则动力系统进入助力运行模式；助力运行模式中，发动机20和电机30同时提供动力；反之，则进入下一步骤；

S30：若发动机20的输出功率满足需要，则判断发动机20是否工作在低能耗区间，若否，则动力系统进入混合动力运行模式；混合动力运行模式中，发动机20和电机30同时提供动力，且发动机20工作在低能耗区间。

步骤S10中，首先进行发动机20工作状态的判断，只有确保发动机20能够正常工作，后续才能根据需要合理安排发动机20与电机30之间的工作分配，若发动机20直接无法工作，那么只能进入纯电动运行模式，由电池提供能量，将电机30作为电动机使用了。具体地，步骤S10中，发动机20不能正常工作的情况包括但不仅限于以下几种：发动机20的燃油耗尽、发动机20的喷油嘴失效以及发动机20的转速信号丢失。当然，具体实施时，发动机20可能出现上述情况中的一种或者多种，只要存在任何一种情况，均可认定发动机20不能正常工作。

步骤S20中，在助力运行模式中，发动机20输出最大功率。具体实施时，若发动机20能够正常工作，那么一般采用发动机20作为主要的动力输出，此时，就需要在步骤S20中进行发动机20的输出功率是否满足需要的判断了，若此时发动机20的输出功率不满足需要而进入了助力运行模式，那么应保证此运行模式下，作为主要动力输出的发动机20能够输出最大功率。

在发动机20的输出功率满足需要的前提下，进入步骤S30，即判断此时发动机20是否工作在低能耗区间，因为尽管发动机20的输出功率满足了使用要求，但是从能耗角度上来说不一定是最优的输出功率，若是在非低能耗区间，也仍需电机30参与提供动力，这便是混合动力运行模式；混合动力运行模式下，系统会尽可能降低发动机20的输出功率，使其工作在低能耗区间，同时提高电机30的输出功率，同样能够保证机械设备的正常运行。

进一步地，动力系统控制方法还包括设置在步骤S30之后的步骤：

S40：若发动机20工作在低能耗区间，则判断电池的剩余电量是否满足设定值，若不满足，则动力系统进入发电运行模式；发电运行模式中，发动机20的输出功率部分由电机30接收进行充电。

即，若在步骤S30中，若发动机20已经工作在低能耗区间，那么也无需电机30提供额外动力，此时可以考虑利用发动机20来为电池进行充电，因此也就需要先进行电池剩余电量的判断。当电池的剩余电量不满足设定值，那么就可以在尽可能保证发动机20低能耗的前提下，适当提高发动机20的输出功率，使发动机20的一部分输出功率能够被电机30接收进行充电操作，保证电池具有足够的电量，也就保证了其它用电设备的正常工作，同时也为后续进入助力运行模式或者混合动力运行模式时，电池具有足够的电量存储。具体地，本实施例中，电池的剩余电量的设定值设置为满电电量的80％。

本实施例提供的动力系统控制方法充分利用实施例一中动力系统的结构设置，根据发动机20不同的工况确定具体的运行模式，能够在保证高能量利用率的同时，实现动力冗余。

实施例三

基于实施例一，本实施例提供了一种无人机。参考图4和图5，该无人机包括实施例一所述的动力系统。进一步地，无人机还包括有无人机机体及设于无人机机体上的螺旋桨10。

具体地，发动机机体21设于无人机机体上，以实现发动机20在无人机上的稳固放置，螺旋桨10作为外部的动力接收件同轴设于转子32上。具体地，螺旋桨10通过紧固件直接锁紧在转子32上。进一步地，动力系统的电池不仅与电机30相连，还与无人机上其它需要供电的设备相连，以保证整个无人机正常工作。而动力系统的控制板则用于统筹控制整个无人机，根据地面的控制信号或者无人机自身需求发送相应的控制信号至发动机控制器及电机控制器，再由发动机控制器和电机控制器分别控制发动机20和电机30的运行。

本实施例还提供一种无人机控制方法，该无人机控制方法能够用于上述的无人机中。由于上述无人机包括了实施例一中的动力系统，所以本实施例所提供的无人机控制方法自然也包括实施例二中的动力系统控制方法，即将实施例二中的动力系统控制方法应用在具有该动力系统的无人机中，使无人机具有纯电动运行模式、助力运行模式、混合动力运行模式及发电运行模式。

常规的无人机内置发电机组通过一台二冲程发动机驱动电机来产生电能。燃料的化学能需要转化为机械能，机械能通过发动机转化电能，电能最后返回电池后还需要转化机械能才可以为无人机提供动力。发动机本身的能量转化效率仅为30％，再通过发电机转化效率为84％，电能再转为轴功率效率为90％，以上转化效率为理想平均值，期间转化效率低加上转化次数多，能量利用率极低。

因此，基于上述缺陷，本实施例的无人机采用实施例一中的动力系统，省略了离合器，并且将发动机20、电机30和螺旋桨10共轴连接；同时无人机控制系统采用了实施例二中的动力系统控制方法，因此当上述动力系统装配至无人机上时，能够使无人机具有高能量利用率和动力冗余，显著提高飞行安全性。具体地，步骤S10提供了动力系统的纯电动运行模式，来确保当发动机20失效的极端情况发生时，无人机仍然能够有能力回到返航点或者中途迫降点，确保无人机的安全。步骤S20中，针对无人机这种飞行器械来说，发动机20的输出功率容易受海拔影响，在某些工作环境下，发动机20输出的最大功率有限，可能无法满足无人机的使用需求，此时就可以进入助力运行模式，由电机30辅助提供动力，保证系统整体的输出功率满足要求，使无人机航速提高；又例如在无人机需要全速飞行或者爬升时，发动机20即使输出最大功率仍无法满足要求，此时也需要进入助力运行模式，提高无人机的爬升性能和航速；再者，还可以在保持无人机平飞功率输出不变的前提下，提高发动机20的输出功率，电机30将这部分多处的功率转化为电能进行储存。因此，在无人机上配备上述动力系统后，不仅使无人机结构具有高能量利用率和动力冗余，还显著提高了飞行安全性，保证了充足的航时和续航里程。

当然，在一些其它的实施例中，上述动力系统及动力系统控制方法也可以用于无人机以外的其它机械设备上，以帮助相应的机械设备实现高能量利用率和动力冗余。例如，可以将上述动力系统应用于轮船上，将轮船的螺旋桨作为外部的动力接收件，具体的实施方式与无人机类似，这里不再赘述。

实施例四

基于实施例三所提供的无人机及无人机控制方法，本实施例建立了用于无人机的动力系统的数学模型，并通过该数学模型进行无人机几种运行模式的示例性阐述，以方便理解无人机控制方法的多个运行模式及其应用场景。

具体地，无人机的动力系统的数学模型为：

P_engine+P_motor+P_battery-in＝P_propeller

其中，P_engine为发动机轴功率；P_motor为电机轴功率；P_propeller为螺旋桨功率；P_battery-in为电池输入功率。

示例1：混合动力运行模式

由于发动机20的燃油消耗曲线是已知的，假设发动机20在5500rpm、80％油门开度的工况下的燃油消耗率是684g/kw.h，输出功率为2200w；在5500rpm、60％油门开度的情况下燃油消耗率为540g/kw.h，输出功率为2000w；那么通过以下计算：

1-(540÷684)≈0.21052

1-(2000÷2200)≈0.10

得到燃油消耗率下降了21％，而功率只下降了10％，因此，该种工况下，可以控制发动机20油门降低，然后控制电机30的输出功率提高，这样就可以避开发动机20工作在低能效区间。各个参数具体取值可为：P_engine＝2000w、P_motor＝200w、P_propeller＝2200w、P_battery-in＝0w。

示例2：助力运行模式

当无人机需要全速飞行或者爬升时，单纯靠发动机20的输出功率可能无法满足需求，就需要电机30的介入。假如无人机以140km/h巡航，需要5000w的轴功率输出才可以达到对应的推力，而发动机轴功率最高为3000w，则各个参数具体取值可为：P_engine＝3000w、P_motor＝2000w、P_propeller＝5000w、P_battery-in＝0w。

示例3：发电运行模式

当无人机处于120km/h巡航时，只需要1500w的轴功率输出，发动机20按照此功率输出能够满足低能耗；而为了满足无人机的电池的正常使用，会控制发动机20输出2000w的功率，通过电机30吸收多余的500w功率回馈进入电池，为电池充电；各个参数具体取值可为：P_engine＝2000w、P_motor＝-500w、P_propeller＝1500w、P_battery-in＝500w。

示例4：纯电动运行模式

由于纯电动运行模式只会出现在发动机20无法正常工作的情况下，也就是当发动机20失效后，无人机检测出了发动机20已经失效，需要立刻返航，此时只能由电机30提供返航动力。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。