太陽能混合動力系統綜合實驗平臺設計與實施

劉 剛, 賀云濤, 張曉輝, 王正平

(北京理工大學 宇航學院, 北京 100081)

太陽能具有環保、安全、無污染及可再生的特點,且儲量巨大,是低碳社會理想的新能源之一[1-2]。太陽能電池是一種利用光電效應直接把光能轉化成電能的裝置,它的出現使得對重量和能源均比較敏感的無人機得到了新的發展[3-5]。近年來,以太陽能為主要動力的無人機航時記錄不斷被刷新[6]。由于太陽能電池是一種非線性電源,其輸出特性隨負載和外部環境變化劇烈，且存在最大功率點,因此在太陽能動力系統中最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)十分重要[7-10]。

為加深本領域學生對綠色能源動力系統的掌握和了解,設計和開發了無人機太陽能混合動力綜合實驗平臺。該實驗平臺以固定翼無人機為原型,能夠模擬無人機從起飛到降落的整個工況,并對動力系統各節點的電流電壓進行采集和記錄,便于對不同工況下的能源分配情況以及MPPT控制器工作狀態進行分析。

1 整體方案設計

太陽能混合動力綜合實驗平臺包括太陽能電池、鋰電池、MPPT控制器(市售產品)、電子調速器、無刷直流電機及螺旋槳、電流電壓采集模塊、控制記錄模塊等,系統結構框圖見圖1。由于太陽能電池易受環境影響,因此為充分發揮太陽能電池的作用,本系統在太陽能電池后串接MPPT控制器以實現最大功率輸出。本系統采用被動式能源功率分配結構,MPPT控制器的輸出和鋰電池的輸出直接并聯到一起,同時為系統負載供電。系統負載選用涵道電機搭配涵道風扇式螺旋槳,既能反映實際飛行負載狀態又具有較高的安全性。控制記錄模塊由電子調速器內置的穩壓電源進行供電,同時向電子調速器發送油門控制指令。控制記錄模塊為電流電壓采集模塊供電，并以100 Hz頻率對3個電流電壓采集模塊的結果進行記錄,保存到SD卡中。

圖1 太陽能電池/鋰電池混合動力綜合實驗平臺結構框圖

2 硬件電路設計

硬件電路包括電流電壓采集模塊和控制記錄模塊。

2.1 電流電壓采集模塊

電流電壓采集模塊電路見圖2。Allegro ACS758系列電流傳感器芯片為交流或直流電流檢測提供經濟和精確的解決方案,廣泛應用于電機控制、負載檢測和管理、電源和DC-DC轉換器控制、變頻器控制和過電流故障檢測等領域[11]。該器件由精密的低失調線性霍爾電路組成,有安裝方便、噪聲低、可靠性高、功耗超低(100 μΩ導通電阻)、低輸出電壓紋波、低失調漂移、出廠校準等特點,且導電路徑端子與信號線互相隔離,從而可直接應用于高壓條件,非常適合本系統應用。

圖2 電流電壓采集模塊電路

為保證系統穩定性及測量冗余度,選用雙向、量程為50 A、靈敏度為40 mV/A電流傳感器,在傳感器輸出端加入一階RC濾波電路以降低輸出噪聲。電壓采樣選用常用電阻分壓形式,電阻網絡分壓比為1.1∶(1.1+21)≈0.049 77,最高可支持66 V直流電壓輸入,同時在輸出端并接電容以降低輸出噪聲。

2.2 控制記錄模塊

控制記錄、模塊電路框圖見圖3。STM32系列微控制器基于ARM Cortex-M3內核,是意法半導體集團推出的專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用所設計[12]。STM32F103作為STM32的增強型子系列,最高工作頻率可達72 MHz,擁有512 KB閃存以及64 KB的SRAM,內 置3個12位的微秒級模數轉換器(analog- to-digital converter,ADC),還擁有2通道數模轉換器(digital-to-analog converter, DAC)、12通道DMA(direct memory access)控制器、多達11個定時器、多達13個通信接口等,因此控制記錄模塊選用STM32F103作為主控制器。

圖3 控制記錄模塊電路框圖

控制記錄模塊由電子調速器輸出的5 V穩壓電源進行供電,由于微控制器供電電壓為3.3 V,因此還需設計3.3 V穩壓電源。低壓差(low dropout, LDO)線性穩壓器與開關電源相比,具有輸出紋波小、穩定性高、靜態電流小等優點,特別適用于功率需求不大但對品質要求較高的場合[13]。由于電流電壓信號均為模擬量,均須進行AD轉換,而AD參考電壓精確度又能直接影響AD轉換精度,因此為提高測量精度、減小系統誤差,加入精密電壓參考源作為AD轉換器的參考電壓。輸入濾波及保護電路用于對輸入信號再次進行濾波減小傳輸干擾,同時對輸入信號進行限幅限流,防止接線錯誤串入高電壓對控制記錄模塊造成不可逆損壞。STM32F103自帶SDIO接口,加入必要外圍電阻,即可實現SD卡的讀寫[14]。

3 控制程序設計

3.1 系統主程序流程

系統主程序流程圖見圖4。系統上電后首先進行自檢和初始化,對實時時鐘、定時器、AD轉換器以及SD存儲卡進行初始化工作,若初始化失敗則進行LED報錯,若初始化成功則進行油門行程校準。由于不同電子調速器默認的油門行程不同,所以為實現無刷直流電機的精準控制,在使用之前需要對電子調速器油門行程進行校準。油門行程校準完成之后,系統進入就緒狀態,循環進行按鍵掃描,等待實驗開始信號。

圖4 系統主程序流程圖

系統就緒后,若按下開始按鍵,則實驗開始。首先,根據提前輸入的工況信息,計算此時的油門量并輸出；然后進行AD采樣,采集6通道模擬信號；根據各通道對應關系,計算實際電壓、電流數據并進行平滑濾波；數據計算完成之后,進行過流、過壓檢測,檢查系統各部分是否存在異常,若檢測到異常則輸出最低油門信號立即停止實驗；若系統狀態正常,則將電流、電壓數據存入SD卡；最后判斷實驗是否結束,若實驗結束則停止實驗,若未結束則繼續循環執行以上步驟直至實驗結束。

3.2 油門量計算函數

本實驗系統以固定翼無人機為原型,模擬固定翼無人機的飛行工況進行油門量的輸出,整個過程持續440 s,輸出油門量隨時間變化如圖5所示。油門量計算函數為分段函數,首先模擬無人機滑跑起飛并爬升,此時油門量從0逐漸增加到90%并維持；爬升到一定高度后進行平飛,油門量從90%降低到70%；平飛一段時間后進行盤旋,此時油門量呈現幅值為10%的正弦曲線；盤旋轉平飛后突遇強風,油門量發生突變；最后滑跑降落,油門量從70%降低到0。

圖5 油門量-時間曲線

4 實驗及測試

實驗條件:鋰電池選用格氏3 300 mA·h 3S鋰電池,太陽能電池選用型號為MLT200-72(具體參數見表1),實驗時太陽光照強度962 W/m2,溫度13 ℃。

表1 太陽能電池參數

實驗結果如圖6所示,藍色代表太陽能輸出,紅色代表MPPT控制器輸出,黃色代表鋰電池輸出。從電壓、電流和功率曲線不難發現,在實驗開始階段,太陽能電池即達到該狀態下的最大輸出功率140 W并維持輸出,而鋰電池則補充剩余功率；當需求功率小于太陽能電池最大輸出功率時,鋰電池停止輸出并進入充電狀態；當太陽能電池輸出功率小于最大功率時,太陽能電池偏離最大功率點,降低輸出功率；在實驗最后階段,油門回零,太陽能電池為鋰電池充電,充電電流為4 A。整個實驗過程中,MPPT控制器轉換效率在82%左右。

圖6 實驗結果

5 結語

測試實驗結果表明:本實驗平臺運行穩定、數據記錄精度較高、能夠較好地反映混合動力系統在無人機各個工況下的能源消耗及分配狀態。本實驗平臺已在我校開設的公共選修實驗課“綠色能源飛行器總體設計”課程實驗中得到應用,教學效果良好,具有相關領域推廣價值和應用前景。本平臺也具有在電動汽車等相關領域推廣價值和應用前景。

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