一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统及控制方法技术方案

一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统及控制方法，包括燃料电池和锂电池，燃料电池正极与NMOS开关管N1、NMOS开关管N2漏极连接，NMOS开关管N1源极和二极管D2正极连接，二极管D2负极连接负载输出端正极，NMOS开关管N2源极与二极管D1负极、电感L输入端连接，电感L输出端与NMOS开关管N3漏极、二极管D3正极连接，二极管D3负极和PMOS开关管P1漏极、负载输出端正极连接，PMOS开关管P1源极和锂电池正极连接；燃料电池负极和二极管D1正极、NMOS开关管N3源极、锂电池的负极和负载输出端负极连接；通过控制NMOS开关管N1、N2和N3以及PMOS开关管P1的通断，完成燃料电池直接输出、锂电池直接输出和升降压协同输出，使无人机工作在最佳状态，延长电池使用寿命。延长电池使用寿命。延长电池使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统及控制方法


[0001]本专利技术属于电源
，具体涉及一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统及控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着5G网络超大带宽数据传输，无人机远程控制能力得到极大提升，延伸了无人机的应用领域，包括在电力巡检、高层消防、遥感测绘、医疗救援等多种场景的应用，产生了巨大的经济价值和社会效益。然而，传统无人机由于使用锂电池单独供能，其续航时间及带负载能力不尽如人意。为了解决无人机续航及载荷问题，需要考虑选择一种新型能源来代替传统锂电池无人机。燃料电池由于其独特的优势，成为了为移动设备供能的有效解决途径。但是，燃料电池功率输出特性偏软，单一燃料电池供能存在动力不足、响应慢等缺陷。为了改善燃料电池电源的动力输出性能和响应速度，可以将燃料电池和锂电池组成氢电复合电源，匹配无人机的起飞、加速和巡航等多种飞行任务需求。
[0003]常用的氢电复合电源拓扑结构(Applied Energy中发表文章Real
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time energy management for fuel cell electric vehicle using speed prediction
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based model predictive control considering performance degradation)在燃料电池输出端增加DC/DC升压变换器后与锂电池并联为负载供能。然而，当负载功率需求较低时，燃料电池输出电压较高，通过单一DC/DC升压变换器无法匹配母线电压，并且锂电池完全被动控制，无法灵活的根据需要切换输出模式，导致系统整体效率降低，而且会影响燃料电池及锂电池使用寿命。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统及控制方法，通过控制NMOS开关管(N1、N2和N3)以及与NMOS开关管N1互斥的PMOS开关管P1的通断，完成燃料电池直接输出、锂电池直接输出和升降压协同输出三种模式，使无人机工作在最佳状态，延长燃料电池和锂电池使用寿命，提高整个系统工作效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0006]一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统，包括燃料电池和锂电池，燃料电池的正极与NMOS开关管N1、NMOS开关管N2的漏极连接，NMOS开关管N1的源极和二极管D2的正极相连，二极管D2的负极连接负载输出端正极；NMOS开关管N2的源极与二极管D1的负极、电感L输入端相连，电感L的输出端与NMOS开关管N3的漏极、二极管D3的正极连接，二极管D3的负极和PMOS开关管P1的漏极、负载输出端正极连接，PMOS开关管P1的源极和锂电池的正极连接；燃料电池的负极和二极管D1的正极、NMOS开关管N3的源极、锂电池的负极和负载输出端负极连接。
[0007]通过NMOS开关管N1和二极管D2构成燃料电池的直接输出控制电路；NMOS开关管
N2、二极管D1、电感L、NMOS开关管N3、二极管D3构成燃料电池的升降压输出控制电路，NMOS开关管N2不仅是升降压输出控制电路的导通/关闭总控制开关，而且还是燃料电池降压输出的PWM信号控制开关，NMOS开关管N2实现了升降压输出的主动控制；NMOS开关管N1和PMOS开关管P1实现了燃料电池和锂电池的直接输出的主动控制，NMOS开关管N3是燃料电池升压输出的PWM信号控制的开关。
[0008]所述的NMOS开关管N1、NMOS开关管N2和NMOS开关管N3、PMOS开关管P1的基级(信号控制端)均连接光耦隔离模块OC，即其高低电平信号和PWM信号均需要通过光耦隔离模块OC进行输出。
[0009]利用一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统的控制方法，通过对NMOS开关管N1和PMOS开关管P1的互斥开关通断控制、NMOS开关管N2和NMOS开关管N3的开关通断或PWM控制实现3种全主动控制，包括燃料电池直接输出控制、锂电池直接输出控制、升降压协同输出控制；
[0010]1)燃料电池直接输出：通过高电平信号控制NMOS开关管N1导通，高电平信号同时控制PMOS开关管P1关闭，实现NMOS开关管N1和PMOS开关管P1的互斥开关通断控制；同时，采用低电平信号控制NMOS开关管N2关闭，切断升降压电路，实现燃料电池直接输出；
[0011]2)锂电池直接输出：采用低电平信号控制PMOS开关管P1导通，低电平信号同时控制NMOS开关管N1关闭，实现PMOS开关管P1和NMOS开关管N1的互斥开关通断控制；同时，采用低电平信号控制NMOS开关管N2关闭，切断升降压电路，实现锂电池直接输出；
[0012]3)升降压协同输出：采用低电平信号控制PMOS开关管P1导通，低电平信号同时控制NMOS开关管N1关闭，实现PMOS开关管P1和NMOS开关管N1的互斥开关通断控制，在保证锂电池直接输出电路导通的同时，切断燃料电池直接输出电路；此时，根据燃料电池的升降压需求控制NMOS开关管N2和NMOS开关管N3：当燃料电池需要升压工作时，采用高电平信号控制NMOS开关管N2导通，采用PWM信号控制NMOS开关管N3高频通断，实现氢电复合电源系统升压协同输出；当燃料电池需要降压工作时，采用低电平信号控制NMOS开关管N3断开，采用PWM信号控制NMOS开关管N2高频通断，实现氢电复合电源系统降压协同输出。
[0013]相比现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0014]本专利技术通过对NMOS开关管N1和PMOS开关管P1的互斥开关通断控制、NMOS开关管N2和NMOS开关管N3的开关通断或PWM控制，实现燃料电池和锂电池的单独输出或升降压协同输出，完成燃料电池直接输出控制、锂电池直接输出控制、升降压协同输出控制，使无人机工作在最佳状态，延长燃料电池和锂电池使用寿命，提高整个系统工作效率。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例全主动控制复合电源系统总体结构图。
[0016]图2是本专利技术实施例全主动控制复合电源系统的控制方法流程图。
[0017]图3是本专利技术实施例燃料电池极化曲线示意图。
[0018]图4是本专利技术实施例锂电池输出电压示意图。
[0019]图5是本专利技术实施例燃料电池单独输出模式功率流图。
[0020]图6是本专利技术实施例锂电池单独输出模式功率流图。
[0021]图7是本专利技术实施例燃料电池升压协同锂电池输出模式功率流图。
[0022]图8是本专利技术实施例燃料电池升压同时为锂电池充电模式功率流图。
[0023]图9是本专利技术实施例燃料电池降压同时为锂电池充电模式功率流图。
具体实施方式
[0024]下面结合实施例对本专利技术技术方案进行进一步说明，实施例用于说明本专利技术而不限制本专利技术的范围。开关管可以采用同种作用的开关替代，燃料电池、锂电池容量可以根据实际情况选择。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机用全主动控制的氢电复合电源系统，包括燃料电池和锂电池，其特征在于：燃料电池的正极与NMOS开关管N1、NMOS开关管N2的漏极连接，NMOS开关管N1的源极和二极管D2的正极相连，二极管D2的负极连接负载输出端正极；NMOS开关管N2的源极与二极管D1的负极、电感L输入端相连，电感L的输出端与NMOS开关管N3的漏极、二极管D3的正极连接，二极管D3的负极和PMOS开关管P1的漏极、负载输出端正极连接，PMOS开关管P1的源极和锂电池的正极连接；燃料电池的负极和二极管D1的正极、NMOS开关管N3的源极、锂电池的负极和负载输出端负极连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：通过NMOS开关管N1和二极管D2构成燃料电池的直接输出控制电路；NMOS开关管N2、二极管D1、电感L、NMOS开关管N3、二极管D3构成燃料电池的升降压输出控制电路，NMOS开关管N2不仅是升降压输出控制电路的导通/关闭总控制开关，而且还是燃料电池降压输出的PWM信号控制开关，NMOS开关管N2实现了升降压输出的主动控制；NMOS开关管N1和PMOS开关管P1实现了燃料电池和锂电池的直接输出的主动控制，NMOS开关管N3是燃料电池升压输出的PWM信号控制的开关。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的NMOS开关管N1、NMOS开关管N2和NMOS开关管N3、PMOS开关管P1的基级即信号控制端均连接光耦隔离模块OC，即其高低电平信号和PWM信号均需要通过光耦隔离模块OC进行输出。4.利用权利要求3所述系统的控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，严亦哲，肖纯武，王朝晖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：