阅读说明：本技术 一种混联式混合动力无人机动力系统及其控制方法 (Series-parallel hybrid power unmanned aerial vehicle power system and control method thereof ) 是由 齐前锦 昌诚程 周小川 赵万忠 孙林林 黄馨谊 薛子宽 叶宇林 于 2021-01-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混联式混合动力无人机动力系统及其控制方法,系统包含：机身、第一机翼、第二机翼、尾翼、螺旋桨、发动机、发电机、电动机、离合器、动力电池组、控制系统、传感器；本发明可实现活塞发动机单独输出动力、电动机单独输出动力、活塞发动机与电动机同时输出动力、活塞发动机输出动力的同时发电机给动力电池充电等多种工作模式,以实现无人机在不同飞行工况下的能量分配需求。与此同时,选用混联式可减小发动机与电动机功率,电池容量需求更小,降低无人机重量,也可使得无人机更适应高空飞行时的低温低氧环境。(The invention discloses a series-parallel hybrid power unmanned aerial vehicle power system and a control method thereof, wherein the system comprises: the airplane comprises a fuselage, a first wing, a second wing, a tail wing, a propeller, an engine, a generator, a motor, a clutch, a power battery pack, a control system and a sensor; the invention can realize multiple working modes of independently outputting power by the piston engine, independently outputting power by the motor, simultaneously outputting power by the piston engine and the motor, simultaneously charging a power battery by the generator when the piston engine outputs power and the like, so as to realize the energy distribution requirement of the unmanned aerial vehicle under different flight working conditions. Meanwhile, the hybrid type hybrid power system can reduce the power of an engine and a motor, the battery capacity requirement is smaller, the weight of the unmanned aerial vehicle is reduced, and the unmanned aerial vehicle can be more suitable for the low-temperature and low-oxygen environment during high-altitude flight.)

一种混联式混合动力无人机动力系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体指代一种混联式混合动力无人机动力系统及其控制方法。

背景技术

伴随着新能源技术的快速发展，以纯电力驱动的产品凭借其零排放、无污染的特点逐步受到人们的青睐。但是目前动力电池仍然具有充电时间慢，能量密度低等缺点，且不能在短时间内实现重大技术突破，而采用混合动力系统可以提高弥补以上缺点，在保证较长续航能力的同时节能、环保。

目前较为常见的混合动力结构为串联式、并联式和混联式；串联式混合动力驱动方式需要将发动机机械能转化为电能，再通过电动机将电能转化为螺旋桨的机械能，这就导致了发动机的能量利用率不高，同时需要功率更大的发动机和电动机；并联式混合动力驱动方式中发动机通过机械传动机构直接驱动螺旋桨工作，发动机的输出能量利用率相对串联式要高，适合中高速巡航飞行；但在其他飞行工况下飞行时，发动机不在最佳工作区域，导致发动机油耗和排污指标不如串联式。采用混联式混合动力结构可以避免以上问题。

混联式也兼具串联式与并联式的特点，能够满足发动机、发电机、电动机在各种工况下的最佳优化匹配，最大化的实现能量回收与节能减排的目的。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混联式混合动力无人机动力系统及其控制方法，以解决现有技术中混合动力无人机发动机与电动机功率需求大、发动机不能保持在最佳工作区域的问题。本发明可实现活塞发动机单独输出动力、电动机单独输出动力、活塞发动机与电动机同时输出动力、活塞发动机输出动力的同时发电机给动力电池充电等多种工作模式，以实现无人机在不同飞行工况下的能量分配需求。与此同时，选用混联式可减小发动机与电动机功率，电池容量需求更小，降低无人机重量，也可使得无人机更适应高空飞行时的低温低氧环境。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种混联式混合动力无人机动力系统，包含：机身、第一机翼、第二机翼、尾翼、螺旋桨、发动机、发电机、电动机、离合器、动力电池组、控制系统、传感器；

所述第一机翼、第二机翼分别设置在所述机身的两侧，所述发动机、发电机、电动机、离合器、动力电池组、控制系统、传感器均设置在所述机身内；

所述螺旋桨设置在机身的尾部，其转轴通过所述离合器与所述发动机输出轴相连；

所述发动机输出轴还通过动力耦合器与所述发电机输入轴相连；

所述传感器实时采集加速度、高度及气压信号，并将采集到的信号发送给与其电气连接的控制系统；

所述控制系统分别与所述传感器、发动机、发电机电气相连，控制系统根据接收到的传感器反馈信号对发动机、发电机、电动机、离合器进行控制；

所述动力电池组与所述发电机、电动机电气相连，所述发电机用于发电并将电能存储在所述动力电池组中，所述动力电池组用于给所述电动机供电；

所述电动机输出轴通过动力耦合器与所述螺旋桨的转轴相连；

所述离合器与两个动力耦合器机械相连，与控制系统电气相连。

进一步地，所述发动机为活塞式发动机。

进一步地，所述离合器通过控制系统传递的信号实现闭合与断开，传递或切断发动机输出的动力。

进一步地，所述尾翼上铰接有升降舵，可实现无人机的俯仰操控，保持无人机在飞行中的稳定性和控制无人机的飞行姿态。

本发明还公开了一种混联式混合动力无人机动力系统的控制方法，步骤包括：

监测动力电池组状态：若动力电池组SOC值达到设定阈值且存储功率超过螺旋桨输出功率，则切换至纯电动驱动状态；若动力电池组存储功率未超过螺旋桨输出功率，则判断动力电池组SOC值是否低于设定阈值；若动力电池组SOC值低于设定阈值，则切换至纯油驱动状态，否则切换至油电混合驱动状态；

当处于纯电驱动状态：控制系统控制离合器断开，并控制发动机、发电机停止工作，控制电动机单独驱动螺旋桨工作，动力电池组处于非充电状态（此状态适用于无人机降落或需求功率较小时的巡航飞行阶段）；

当处于纯油驱动状态：控制系统控制离合器闭合，控制电动机停止工作，控制发动机驱动螺旋桨工作，发电机给动力电池组充电（此状态适用于无人机起飞或电量较低时的巡航飞行阶段）；

当处于油电混合驱动状态：控制系统控制离合器闭合，发动机、发电机、电动机工作，发动机与电动机同时输出动力，驱动螺旋桨工作，动力电池组处于充电状态（此状态适用于无人机起飞或巡航飞行阶段）；控制系统控制离合器断开，并控制发动机、发电机、电动机工作，电动机单独驱动螺旋桨工作，动力电池组处于充电状态（此状态适用于无人机巡航飞行阶段）。

本发明的有益效果：

本发明的混合动力无人机，采用混联式混联式混合动力结构，能够减小所适配的发动机与电动机的最大功率，减小电池容量，最终减小无人机整体重量。更主要的是混联式混合动力结构能够适应不同工作模式、不同工况下的能量分配需求，达到减少燃油消耗、增加能量回收、延长无人机续航时间的作用，实现减少碳排放、降低环境污染的目的。

附图说明

图1是本发明混联式混合动力无人机动力系统的结构图；

图2是本发明混联式混合动力无人机动力驱动结构示意图；

图3是本发明控制方法的流程图；

图中标记为：1.机身 2.传感器 3.控制系统 4.发动机 5.动力耦合器 6.离合器7.发电机 8.动力电池组 9.电动机 10.螺旋桨 11.尾翼 12.升降舵。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种混联式混合动力无人机动力系统，包含：机身1、第一机翼、第二机翼、尾翼11、螺旋桨10、发动机4、发电机7、电动机9、离合器6、动力电池组8、控制系统3、传感器2；

所述第一机翼、第二机翼分别设置在所述机身1的两侧，所述发动机4、发电机7、电动机9、离合器6、动力电池组8、控制系统3、传感器2均设置在所述机身1内；

所述螺旋桨10设置在机身1的尾部，其转轴通过所述离合器6与所述发动机4输出轴相连；

所述发动机4输出轴还通过动力耦合器5与所述发电机7输入轴相连；

所述传感器2实时采集加速度、高度及气压信号，并将采集到的信号发送给与其电气连接的控制系统3；

所述控制系统3分别与所述传感器2、发动机4、发电机7电气相连，控制系统3根据接收到的传感器2反馈信号对发动机4、发电机7、电动机9、离合器6进行控制；

所述动力电池组8与所述发电机7、电动机9电气相连，所述发电机7用于发电并将电能存储在所述动力电池组8中，所述动力电池组8用于给所述电动机9供电；

所述电动机9输出轴通过动力耦合器与所述螺旋桨10的转轴相连；

所述离合器6与两个动力耦合器机械相连，与控制系统电气相连。

其中，所述发动机4为活塞式发动机。

其中，所述离合器6通过控制系统3传递的信号实现闭合与断开，传递或切断发动机输出的动力。

其中，所述尾翼11上铰接有升降舵12，可实现无人机的俯仰操控，保持无人机在飞行中的稳定性和控制无人机的飞行姿态。

参照图3所示，本发明还公开了一种混联式混合动力无人机动力系统的控制方法，步骤包括：

监测动力电池组状态，若动力电池组SOC值达到设定阈值且存储功率超过螺旋桨输出功率，则切换至纯电动驱动状态；若动力电池组存储功率未超过螺旋桨输出功率，则判断动力电池组SOC值是否低于设定阈值；若动力电池组SOC值低于设定阈值，则切换至纯油驱动状态，否则切换至油电混合驱动状态；

当处于纯电驱动状态，控制系统控制离合器断开，并控制发动机、发电机停止工作，控制电动机单独驱动螺旋桨工作，动力电池组处于非充电状态，此状态适用于无人机降落或需求功率较小时的巡航飞行阶段；

当处于纯油驱动状态，控制系统控制离合器闭合，控制电动机停止工作，控制发动机驱动螺旋桨工作，发电机给动力电池组充电，此状态适用于无人机起飞或电量较低时的巡航飞行阶段；

当处于油电混合驱动状态，控制系统控制离合器闭合，发动机、发电机、电动机工作，发动机与电动机同时输出动力，驱动螺旋桨工作，动力电池组处于充电状态，此状态适用于无人机起飞或巡航飞行阶段；控制系统也可控制离合器断开，并控制发动机、发电机、电动机工作，电动机单独驱动螺旋桨工作，动力电池组处于充电状态，此状态适用于无人机巡航飞行阶段。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。