一种分布式多源混合动力无人机及动力系统控制方法与流程

本发明涉及油电混合无人机，具体提供一种分布式多源混合动力无人机及动力系统控制方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的不断发展，行业内对提高续航能力的要求越来越高，传统的电动无人机续航能力取决于电池容量的大小，由于起飞重量及电池能量密度的限制，进一步提高航时困难较大。而燃油具有高能量密度，使得油电混合技术的发展成为长续航能力的重点研究方向。常规的油电混合技术中，燃油电动机主要驱动发电机作为供电使用，多次能量的转换造成能源浪费，动力系统效率低。

2、按发动机是否直接提供推进功率以及是否带储能装置，动力系统一般可分为三种架构：串联式、并联式、混联式。串联式即发动机、发电机和驱动电机以串联形式连接的动力系统；发动机不直接提供推进力，相当于在纯电无人机上自带一套发电系统，发出电能后供电机使用。并联式将发动机和电机机械耦合，可在发动机和电机间设有离合器，能够实现发动机或电动机单独驱动以及两种动力源分配使用；混联式为串联和并联的结合，功率需求大时，发动机和电动机同时驱动，功率需求小时，根据情况由发动机单独驱动给电池充电，或电动机单独驱动，但增加的复杂结构和控制使得混联式在无人机上难以应用，会占用无人机的空间，并使得重量增大，影响航时。目前，无人机上的油电混合动力系统已存在部分研究，但仍然存在诸多问题。

3、如中国专利公布号为cn110510127a，公布日为2019年11月29日，专利名称为“一种油电混合无人机动力系统及无人机”的发明专利申请，公开了在飞行阶段采用油动；并在空速达到预定范围时，控制器控制转换开关接通电源组件和减速发电装置的电路，进入充电模式。在无人机发动机空中熄火时，控制器控制转换开关断开电源组件和减速发电装置的电路，辅助带动发动机启动，进入应急模式。但该发明将垂起阶段与飞行阶段分开，能量分阶段使用，即垂直起降采用供电系统，平飞巡航采用供油系统的设计，并不是实质意义上的混合动力使用。

4、如中国专利公布号为cn113277095a，公布日为2021年08月20日，专利名称为“一种串联式油电混动无人机能量管理系统及方法”的发明专利申请，公开了将发动机的输出轴和发电机的输入轴同轴固连，带动发电机发电，发电机为电池或电机供电；并能够根据soc估计模块和剩余油量检测模块的检测数据，由混合动力系统控制器、发动机电子控制单元等、动态调节发动机和电池的功率输出；但串联式油电混合动力需要发动机和电动机的功率较高，其重量和体积比较大，并且由于机械和电气系统之间存在多次转化，造成能量损失，整个动力系统效率较低。

5、如中国专利公布号为cn110963050a，公布日为2020年04月07日，专利名称为“一种用于无人机的多能量混合推进动力系统”的发明专利申请，公开了在起飞及爬升阶段，由电池为电机供电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器闭合，发动机螺旋桨旋转；巡航阶段电池电量充足时，电池为电机供电，油动发动机停止，离合器断开，发动机螺旋桨不工作；当所述电池电量不足时，由发电机为电机供电，同时发电机为所述电池充电，油动发动机处于运行状态，油动发动机带动发电机转动，离合器为断开状态，发动机螺旋桨不工作。该发明虽然解决了油动和电动分阶段分离使用的情况，实现协同配合输出能量，但是在巡航阶段，根据电池的电量情况，油动发动机存在多次启停，高空中多次启动存在启动失败的可能性，增加了飞机飞行过程中的运行风险，特别在低温高寒以及高海拔场景下，低温使得燃油的粘度和密度增加，流动性和雾化性变差，增加启动阻力；如若采用重油发动机时，重油燃料在低温低压环境下难以点燃，更易导致启动困难，当前面对低温启动困难解决的技术为缸体添加加热装置，改善点燃方法，但仅能一定程度降低故障率，依然无法避免该类问题；并且油动发动机在巡航阶段仅提供发电功能，离合器断开，螺旋桨停止工作，依然存在多次能量转化、能量损失的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种分布式多源混合动力无人机及动力系统控制方法，在无人机上设置了三种动力舱，以实现分布式动力推进，同时避免发动机对俯仰通道的影响，在垂起起降模式中，将推重比高、控制性能好的电动机作为主要推进动力，将燃油作为辅助推进动力；在平飞巡航模式中，将能量密度比能高的燃油发动机作为主要推进动力，将电能作为辅助推进动力，能够充分发挥燃油发动机和电动机各自的优势；并且燃油发动机全过程提供推力，不存在空中多次启停的问题，避免了因空中启动失败而造成的故障发生，也增加了低温高寒及高海拔场景的适应性，真正意义上实现了油电混合动力系统在无人机领域中的应用。

2、本发明提供的分布式多源混合动力无人机，包括：两个平行设置的第一机翼、第二机翼和动力系统；

3、其中，第一机翼和第二机翼之间设置有连接杆，用于固定第一机翼和第二机翼；

4、动力系统包括第一动力舱、第二动力舱、第三动力舱、供油模块和电池模块，第一动力舱设置在第一机翼和第二机翼中间，包括启电一体发动机和油动螺旋桨，油动螺旋桨连接在启电一体发动机的后端；第二动力舱对称设置在第一机翼和第二机翼上，且在每个第二动力舱外侧均设有第三动力舱；

5、第二动力舱包括第一电动螺旋桨和第一电动机；

6、第三动力舱包括第二电动螺旋桨和第二电动机；

7、启电一体发动机由供油模块提供燃料能源产生动能，动能用于供给油动螺旋桨产生推力和转化为电能；电能用于驱动第三动力舱产生拉力和为电池模块充电，电池模块用于为第二动力舱供电。

8、优选的，第一动力舱还包括发动机整流罩，用于减小第一动力舱在飞行过程中受到的阻力。

9、优选的，第一动力舱通过固定模块安装设置在第一机翼和第二机翼中间，启电一体发动机的转轴与第一机翼的下翼面、第二机翼的上翼面的距离相等。

10、优选的，第二动力舱还包括第一电机座舱和第一电子调速器，第一电动机与第一电动螺旋桨同轴连接，并通过第一电机座舱连接在第一机翼和第二机翼上，第一电子调速器用于控制第一电动机；

11、第三动力舱还包括第二电机座舱和第二电子调速器，第二电动机与第二电动螺旋桨同轴连接，并通过第二电机座舱连接在第一机翼和第二机翼上，第二电子调速器用于控制第二电动机。

12、优选的，供油模块包括第一燃油箱、第二燃油箱和油泵，第一燃油箱和第二燃油箱对称设置在第一机翼内，并通过油泵为启电一体发动机供给燃料能源。

13、优选的，第一燃油箱和第二燃油箱均为柔性保形油箱，其形状与第一机翼的内部曲线吻合。

14、优选的，在第一燃油箱和第二燃油箱内部设置有防浪隔板，和/或在第一燃油箱和第二燃油箱内部填充聚氨酯过滤棉，用于减弱在飞行过程中第一燃油箱和第二燃油箱内部燃油的晃动。

15、优选的，电池模块包括4组电池，均匀分布在第一机翼和第二机翼内。

16、优选的，电池模块设定有保护电量q1，电池模块内的电量大于保护电量q1，则可通过电池模为第二动力舱供电；电池模块内的电量小于保护电量q1，则可通过启电一体发动机为电池模块充电。

17、一种分布式多源混合动力无人机的动力系统控制方法，应用于分布式多源混合动力无人机，控制方法包括：

18、在垂直起降过程中，开启第一动力舱和第二动力舱，供油模块为第一动力舱提供燃油，启电一体发动机驱动油动螺旋桨提供推力；电池模块为第二动力舱提供电能，第一电动机驱动第一电动螺旋桨提供拉力；启电一体发动机发电后，开启第三动力舱，由启电一体发动机发电为第三动力舱提供电能，第二电动机驱动第二电动螺旋桨提供拉力；根据无人机在垂直起降过程中的飞行状态调整第一电动机的拉力输出值；

19、在平飞巡航过程中，第二动力舱关闭，第一动力舱和第三动力舱保持开启，供油模块为第一动力舱提供燃油，启电一体发动机驱动油动螺旋桨提供推力，并由启电一体发动机发电为第三动力舱提供电能，第二电动机驱动第二电动螺旋桨提供拉力；通过调整第二电动机的拉力输出值，控制无人机的偏航、滚转和姿态；

20、在充电巡航过程中，第二动力舱关闭，第一动力舱和第三动力舱保持开启，供油模块为第一动力舱提供燃油，启电一体发动机驱动油动螺旋桨提供推力，并由启电一体发动机发电为第三动力舱提供电能，以及为电池模块充电，第二电动机驱动第二电动螺旋桨提供拉力；通过调整第二电动机的拉力输出值，控制无人机的偏航、滚转和姿态。

21、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

22、本发明具有更高的能效，将高能量密度的燃油通过螺旋桨直接转化为推进无人机的动力，减少了能量二次转化，提高了燃油利用效率；而传统的串联油电混合系统中，发动机仅作为发电设备，这导致了能量存在多个阶段的转换（燃油转化为机械能，再转化为电能），每次转换都会有能量损失，降低了能效。

23、本发明在无人机上设置了三种动力舱，实现动力系统的分布式设计，在垂起起降模式中，将推重比高、控制性能好的电动机作为主要推进动力，将燃油作为辅助推进动力；在平飞巡航模式中，将能量密度比能高的燃油发动机作为主要推进动力，将电能作为辅助推进动力，能够充分发挥燃油发动机和电动机各自的优势，真正意义上实现了油电混合，避免了现有设计中将垂起阶段与飞行阶段分开，能量分阶段使用，即垂直起降采用供电系统，平飞巡航采用供油系统的设计。此外，本发明的发动机在飞行过程中始终处于开启状态，不存在空中多次启停的问题，降低了因空中启动失败而造成故障的发生概率，可适用于低温高寒及高海拔场景，安全性和可靠性更高。