柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统；柔性智能体是分布式混合能源系统的核心模块，由发电模块，储能模块封装组成，发电模块主要通过柔性MPPT控制器输出柔性光伏组件的峰值功率，储能模块在BMS的监控及管理下实现锂电池的能量输出和存储。BMS控制器通过I

【技术实现步骤摘要】
柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统
本专利技术涉及一种电力电子及自动化控制领域，尤其涉及柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统。
技术介绍
太阳能无人机具有零排放、无污染、噪声低、隐身性能好的特点，在军事和民用应用中备受青睐，涉及边境军事巡逻、火星探测、应急搜救、地质环境监测、构建通讯中继平台等诸多方面。利用轻质太阳能电池组件构建光伏阵列，通过单独MPPT控制器输出光伏峰值功率，这种集中式配置方案容易因外界遮挡和灰尘积累引起太阳能电池工作的不一致性，使得太阳能电池的功率-电压特性曲线具有明显的非线性且有多个峰值点，导致系统的功率失配问题很严重。分布式能源系统则基于太阳能电池组件，组件级MPPT控制器进行设计，极大缓解了集中式系统存在的不足。锂电池作为无人机的典型动力源，除了为负载供电外，还将多余的能量进行存储，以提高续航能力，为保证整机安全性，太阳能无人机很少对锂电池的充放电进行管理，导致锂电池寿命严重降低。随着电力电子技术的发展，GaNMOSFET驱动技术已很成熟，依据高频电力电子技术，实现更高的能量密度，利用柔性电路板重量轻、厚度薄、柔软可弯曲、散热性好等优势，在分布式能源系统中，提高系统能量密度，提高可维护性，实现轻量化、柔性设计成为太阳能无人机总体设计目标之一。提高无人机能源系统的可靠性和鲁棒性，进行冗余设计，保证安全性，建立稳健的数据通信协议等是柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统响应当前热点问题(电动无人机发展)的重要研究内容。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统。一种柔性智能体，包括：发电模块以及储能模块；其中，发电模块包括：柔性光伏组件和柔性MPPT控制器；所述柔性光伏组件采用若干柔性太阳能电池单体组阵而成；其中，储能模块包括：柔性锂电池、柔性BMS控制器；所述柔性锂电池用于为负载提供能量以及存储柔性光伏组件传递的能量(具有大维度范围弯曲的所述柔性锂电池在柔性BMS控制器的控制下能够实时为负载提供能量和存储除负载需求外的剩余太阳能)；所述柔性BMS控制器用于柔性锂电池SOC的在线计算(关于BMS控制器计算SOC的内容，参考现有文献：李昊阳.电动汽车锂电池建模及SOC计算方法研究[D].长春：吉林大学，2020.)、充放电电流的监测、锂电池温度的监测与控制及加热控制(具有利用电热丝加热锂电池到恒定温度的功能，保证无人机高寒环境下作业时，锂电池的能量输出不会受到巨大的影响)；所述发电模块的输出端分别与负载和储能模块的柔性锂电池连接；所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电(即控制输出电压和输出电流)，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池充电(即控制向柔性光伏组件向柔性锂电池的输出电流)；所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；所述储能模块的输入端与所述发电模块的输出端连接，以便存储柔性光伏组件供应负载功率需求外剩余的能量；所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池提供能量；所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；所述BMS控制器将柔性锂电池当前的SOC，充、放电电流，锂电池温度数据传送给柔性MPPT控制器；MPPT控制器根据BMS控制器传递来的SOC、充电电流来控制柔性光伏组件向柔性锂电池的输出电流。进一步，所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件的输出电流的方法为：S1，计算调整的电流Idown：Idown＝Imppt_out,0-Iload-Ichg_max式中，Imppt_out，0为发电模块调整前的输出电流，Iload为负载电流，Ichg_max为柔性锂电池预设最大充电电流；S2:S2-1，若Idown小于等于0，则柔性MPPT控制器不调整发电模块的输出电流；S2-2，若Idown大于0时，则柔性MPPT控制器调整发电模块的输出电流，采用定周期变步长降低柔性光伏组件的电流输出，具体方式如下：第1步调整：首先，采用下式计算第1步长大小Istep(1)：上式中，socH为锂电池额定SOC上限值，取0.85，socL为额定SOC下限值，取0.65；其次，MPPT控制器控制发电模块的电流：Imppt_out，1＝Imppt_out，0-Istep(1)上式中，Imppt_out，1为发电模块第一步调整后的电流；再次，确认是否需要继续调整：当则不进行第2步调整；当则进行第2步调整；……第k步调整：首先，采用下式计算第k步长大小Istep(k)：其次，根据第k步计算得到的第k步长大小Istep(k)，MPPT控制器控制发电模块的电流：Imppt_out，k＝Imppt_out，k-1-Istep(k)Imppt_out，k-1、Imppt_out，k分别为发电模块第k-1步、第k步调整后的电流；再次，确认是否需要继续调整：当则不进行第k+1步调整；当则进行第k+1步调整。进一步，柔性MPPT控制器的硬件载体为柔性电路板(单板控制器功率大于10W而小于50W时，整体厚度不超过2mm，功率大于50W时，整体厚度不超过3mm，且功率比质量大于5w/g；(可视为本申请的柔性控制器的定义))。所述的柔性电路板的布局为:将数字控制部分和功率变换部分分别置于挠性区域的两侧，穿越挠性区域的导线采用直线形式。进一步，所述的柔性电路板实现同步降压功能，其最大功率确定方式如下：对于Buck型拓扑结构，无源器件的电感是影响数字电源整体厚度的重要因素，通过查询给定电感的参数，可研究柔性数字能源控制器厚度对其功率的影响。提高开关频率，控制器功率密度增大，但开关损耗会加剧，上式对于定量分析柔性控制器的整体厚度、功率等级、功耗之间的关系变得极其重要。进一步，所述柔性MPPT控制器采用：Top-signal1-signal2-Bottom四层FPC，Top层为元器件的安装面，signal1用于大面积敷地铜，起到缩小回流环路面积，降低开关电源自身的高频EMI问题，signal2用于敏感信号线的布置，且协同Top层进行电源主回路导线的加宽，Bottom可大面积敷地铜，并在适当位置进行电源主回路导线的加强，信号线的转折处均采用弧形过度；(利用柔性电路板设计数字功率电源，不考虑刚性器件布局的影响时，可在空间中实现任意角度的弯曲，薄质FPC提高了MPPT控制器的散热能力，不需要额外添加其它散热装置。MPPT控制器除了实现太阳能电池最大功率点跟踪之外，可谓一个集电源升降压变换和锂电池充放电管理的复合单元，是典型的输入MPPT环路，输出电压环及输出电流环对应的各自控制器切换问题)；考虑开关频率对功率器件额定工况下结温的影响，优化电源拓扑中无源器件的尺寸，改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性智能体，其特征在于，包括：发电模块和储能模块；/n其中，发电模块包括：柔性光伏组件和柔性MPPT控制器；所述柔性光伏组件采用若干柔性太阳能电池单体组阵而成；/n其中，储能模块包括：柔性锂电池、柔性BMS控制器；所述柔性锂电池用于为负载提供能量以及存储柔性光伏组件传递的能量；所述柔性BMS控制器用于柔性锂电池SOC的在线计算，充、放电电流的监测，锂电池温度的监测与控制；/n所述发电模块的输出端分别与负载和所述储能模块的输入端连接；/n所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池提供能量；/n所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；/n所述BMS控制器将柔性锂电池当前的SOC，充、放电电流，锂电池温度数据传送给柔性MPPT控制器；/nMPPT控制器根据BMS控制器传输的SOC、充电电流来控制柔性光伏组件输出给柔性锂电池的电流大小。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性智能体，其特征在于，包括：发电模块和储能模块；
其中，发电模块包括：柔性光伏组件和柔性MPPT控制器；所述柔性光伏组件采用若干柔性太阳能电池单体组阵而成；
其中，储能模块包括：柔性锂电池、柔性BMS控制器；所述柔性锂电池用于为负载提供能量以及存储柔性光伏组件传递的能量；所述柔性BMS控制器用于柔性锂电池SOC的在线计算，充、放电电流的监测，锂电池温度的监测与控制；
所述发电模块的输出端分别与负载和所述储能模块的输入端连接；
所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池提供能量；
所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；
所述BMS控制器将柔性锂电池当前的SOC，充、放电电流，锂电池温度数据传送给柔性MPPT控制器；
MPPT控制器根据BMS控制器传输的SOC、充电电流来控制柔性光伏组件输出给柔性锂电池的电流大小。


2.根据权利要求1所述的一种柔性智能体，其特征在于，所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件的输出电流的方法为：
S1，计算调整的电流Idown：
Idown＝Imppt_out,0-Iload-Ichg_max
式中，Imppt_out，0为发电模块调整前的输出电流，Iload为负载电流，Ichg_max为柔性锂电池预设最大充电电流；
S2:
S2-1，若Idown小于等于0，则柔性MPPT控制器不调整发电模块的输出电流；
S2-2，若Idown大于0时，则柔性MPPT控制器调整发电模块的输出电流，采用定周期变步长降低柔性光伏组件的电流输出，具体方式如下：
第1步调整：
首先，采用下式计算第1步长大小Istep(1)：



上式中，socH为锂电池额定SOC上限值，取0.85，socL为额定SOC下限值，取0.65；其次，MPPT控制器控制发电模块的电流：
Imppt_out，1＝Imppt_out，0-Istep(1)
上式中，Imppt_out，1为发电模块第一步调整后的电流；
再次，确认是否需要继续调整：
当则不进行第2步调整；
当则进行第2步调整；
……
第k步调整：
首先，采用下式计算第k步长大小Istep(k)：



其次，根据第k步计算得到的第k步长大小Istep(k)，MPPT控制器控制发电模块的电流：
Imppt_out，k＝Imppt_out，k-1-Istep(k)
Imppt_out，k-1、Imppt_out，k分别为发电模块第k-1步、第k步调整后的电流；
再次，确认是否需要继续调整：
当则不进行第k+1步调整；
当则进行第k+1步调整。


3.根据权利要求1所述的柔性智能体，其特征在于，柔性MPPT控制器以及柔性BMS控制器的硬件载体均为柔性电路板；
所述的柔性电路板的布局为：将数字控制部分和功率变换部分分别置于挠性区域的两侧，穿越挠性区域的导线采用直线形式。


4.根据权利要求2所述的柔性智能体，其特征在于，所述的柔性MPPT控制器实现同步降压功能，其最大功率确定方式如下：



式中：L为电感值，r为纹波系数，fsw为开关频率，Io为最大负载电流，D为占空比。


5.根据权利要求1所述的柔性智能体，其特征在于，所述柔性MPPT控制器采用：Top-signal1-signal2-Bottom四层FPC，Top层为元器件的安装面，signal1用于大面积敷地铜，以缩小主电路环路面积，降低开关电源自身的高频EMI问题，signal2用于敏感信号线的布置，且协同Top层进行电源主回路导线的加宽，Bottom可大面积敷地铜，并在适当位置进行电源主回路导线的加强，信号线的转折处均采用弧形过度；

【专利技术属性】
技术研发人员：郑好银，张晓辉，席涵宇，张江浩，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11