飛機(jī)飛行參數(shù)測量系統(tǒng)的自主供電系統(tǒng)研究

潘磊磊， 謝樹強(qiáng)， 陳占魁， 朱海斌， 徐楊明， 宋陽

(1.嘉興市柔性電子智能感知與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 嘉興 314006; 2.浙江清華柔性電子技術(shù)研究院， 嘉興 314006； 3.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司， 成都 610092)

隨著人工智能的發(fā)展，提升飛機(jī)智能自主飛行控制已成為主流發(fā)展趨勢，而完善飛機(jī)飛行參數(shù)則是其重要依據(jù)。飛機(jī)作為復(fù)雜大型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜程度高、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)多、測點(diǎn)分布廣、服役環(huán)境較惡劣，傳統(tǒng)有線測量方法難以滿足對飛機(jī)飛行參數(shù)實(shí)時感知需求，也制約了飛機(jī)結(jié)構(gòu)多點(diǎn)多源信號的采集，因此基于柔性電子技術(shù)[1]，將傳感、采集、存儲及傳輸?shù)裙δ苣K化、柔性化的柔性微系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)測量方法更加輕薄柔小，可與復(fù)雜結(jié)構(gòu)共形安裝、集成度更高，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面多點(diǎn)多源信號采集且采用無線方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需在結(jié)構(gòu)表面布置冗余的線纜。

盡管柔性微系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢，但其仍需依靠電能驅(qū)動，若采用有線方式從飛機(jī)引出電源供電，將無法避免地會在飛機(jī)表面布置大量的供電線，這與采用柔性微系統(tǒng)監(jiān)測飛機(jī)飛行參數(shù)的初衷相矛盾。因此，利用自然能源轉(zhuǎn)化的電能作為柔性微系統(tǒng)的電源模塊是一個極佳的方法。自然能源如太陽能、水能、潮汐能、地?zé)崮艿葢{借其清潔綠色可再生特性廣受世界各國關(guān)注，學(xué)者們對自然能源的研究不斷深入，提出了一系列將自然能源轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)：為了更充分地利用太陽光照轉(zhuǎn)化電能，張玉等[2]建立了太陽光照與地球大氣層的幾何模型，并由此推導(dǎo)得到基于天氣聚類的太陽輻照度預(yù)測模型，對比測試結(jié)果表明該預(yù)測模型適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高、誤差小；同時，張玉等[3]還基于天文學(xué)基礎(chǔ)推導(dǎo)了光伏陣列輻射度計算公式，對桂林理工大學(xué)分布式光伏發(fā)電站的光伏陣列安裝角度進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)該光伏發(fā)電站的方位角為南偏西11.3°、傾斜角為27.5°時發(fā)電效率最高；周璐璐等[4]分析對比了太陽能的輻射熱量分別用于燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)、高壓加熱器及低壓加熱器時的經(jīng)濟(jì)性；楊帥等[5]以葉素-動量理論為基礎(chǔ)建立了垂直軸風(fēng)力機(jī)的矢量氣動模型，提出了用于計算風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的等效實(shí)度法，并通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性；王呈軒等[6]提出了一種直流微網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)研究了光伏直接給電動汽車供電的控制方法，Simulink仿真實(shí)驗(yàn)顯示該方法在保證電動汽車穩(wěn)定充電基礎(chǔ)上可促進(jìn)光伏消納，輸出功率穩(wěn)定且充電效果好，具備可行性和有效性；李正陽等[7]提出了一種基于BQ25570的太陽電池能量采集與能源存儲系統(tǒng)模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對不同天氣條件下太陽能的采集,并延長了系統(tǒng)的工作時間；尹文卓等[8]搭建了五種常用的微型太陽能收集系統(tǒng),并在相同條件下進(jìn)行了測試，研究發(fā)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤電路的能量收集效率取決于太陽電池板的參數(shù)和所用的電路結(jié)構(gòu)。在多種自然能轉(zhuǎn)化利用方面，陳會勇等[9]通過結(jié)合風(fēng)力壓縮空氣蓄能技術(shù)、太陽能蓄熱技術(shù)以及燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，提出了一種新型的風(fēng)能太陽能聯(lián)合蓄能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅效率高、供電也穩(wěn)定，在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益方面具有一定價值。

綜上，將自然能源轉(zhuǎn)化為電能等能量形式以驅(qū)動設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的研究現(xiàn)已較為成熟，自然能源在我們周圍環(huán)境中取之不盡，故很多場景中都可通過設(shè)計巧妙地利用自然能源[10-12]。以上研究均將自然能源用于發(fā)電站、電動車等領(lǐng)域，在飛機(jī)上的應(yīng)用少有涉及，飛機(jī)表面有大量空間且飛行時可接收大量太陽光照，因此現(xiàn)研究將飛機(jī)外表面的太陽光照轉(zhuǎn)化為電能，并為柔性微系統(tǒng)供電以保證飛機(jī)飛行參數(shù)采集的正常運(yùn)行，以期實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化利用在飛機(jī)上的應(yīng)用，解決柔性微系統(tǒng)在飛機(jī)飛行時正常采集工作的供電問題。

1 自主供電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 供電對象

為解決傳統(tǒng)有線測量方法無法對飛機(jī)飛行參數(shù)實(shí)時監(jiān)測的困難，需設(shè)計一款輕薄柔小的柔性無線采集系統(tǒng)，圖1為該系統(tǒng)組成示意圖。該柔性無線采集系統(tǒng)由自主供電系統(tǒng)、柔性復(fù)合傳感測量模塊、路由器及上位機(jī)4部分組成。其中路由器與上位機(jī)均可直接接入飛機(jī)自身電源，柔性復(fù)合傳感測量模塊則需設(shè)計一款專用的供電系統(tǒng)。

圖1 柔性無線采集系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of flexible wireless acquisition system

飛機(jī)飛行于高空時，太陽光照十分充足，故考慮將太陽能轉(zhuǎn)化為電能從而為柔性復(fù)合傳感測量模塊供電。柔性復(fù)合傳感測量模塊內(nèi)部硬件設(shè)計及功耗情況如圖2所示，顯然每個測量模塊正常工作時功耗約為1.06 W，故設(shè)計的自主供電系統(tǒng)輸出功率需大于1.06 W。

圖2 柔性復(fù)合傳感測量模塊硬件組成及功耗Fig.2 Hardware composition and power consumption of flexible composite sensing and measurement module

1.2 系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)硬件組成

為保證柔性復(fù)合傳感測量模塊在復(fù)雜惡劣的高空飛行環(huán)境中的持續(xù)供電，提出了自主供電系統(tǒng)設(shè)計，如圖3所示。

采用高轉(zhuǎn)化率的柔性太陽能薄膜+DC-DC升壓模塊+分布式儲能，組成整個自主供電系統(tǒng)。圖3中DC-DC升壓模塊的作用是將柔性太陽能薄膜輸出的電能進(jìn)行升壓調(diào)整，使其達(dá)到合適的輸出電壓(4.2 V/5 V)。為保證系統(tǒng)整體電源輸出穩(wěn)定，擬將柔性太陽能薄膜與超薄鋰電池(后稱鋰電池)組合使用，并在電源接口處進(jìn)行三防處理，具備防塵防雨等特性且在飛行過程中輸出功率不受光照波動影響。圖4展示了自主供電系統(tǒng)中的電流走向，柔性太陽能薄膜將轉(zhuǎn)化的電能主要用于柔性復(fù)合傳感測量模塊供電，若電能充足則可給鋰電池充電，若轉(zhuǎn)化的電能不足以供模塊運(yùn)行，則由鋰電池供電。

圖3 自主供電系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Composition of autonomous power supply system

圖4 自主供電系統(tǒng)電流走向示意Fig.4 Schematic diagram of current trend of autonomous power supply system

1.2.2 系統(tǒng)硬件組成

柔性太陽能電池技術(shù)現(xiàn)已十分成熟，本文采用如圖5所示的封裝阻水膜的銅銦鎵硒柔性太陽能薄膜作為自主供電系統(tǒng)的輸入，表1為其電性能參數(shù)與尺寸參數(shù)。該款太陽能薄膜可輸出2.0～3.5 V的直流電壓，因此采用超低電壓變換器(升壓電壓電路)。本電路方案采用集成IC方式設(shè)計，IC芯片采用PT1301，該芯片具有高效率，低電壓啟動，自適應(yīng)pulse width modulation (PWM)反饋控制等功能。基于該款電源芯片設(shè)計得到2.0～3.5 V的光伏太陽能輸入電壓轉(zhuǎn)4.2 V鋰電池充電電壓及5 V柔性復(fù)合傳感測量模塊供電電壓的升壓電路，如圖6所示。

表1 柔性太陽能薄膜電性能與尺寸參數(shù)Table 1 Electrical properties and dimensional parameters of flexible solar film

圖5 柔性太陽能薄膜Fig.5 Flexible solar film

該電源穩(wěn)壓電路輸出電壓的計算與圖7中PR_FBT(R1)、PR_FBB(R2)兩者的分壓有關(guān)，則輸出電壓為

(1)

式(1)中：Vout為輸出電壓；Vref為PT1301芯片內(nèi)部參考電壓固定為1.25 V；R1、R2為分壓電阻。

為保證供電系統(tǒng)不受光照波動影響，自主供電系統(tǒng)中設(shè)有可充放電的鋰電池，故需對鋰電池單獨(dú)設(shè)計充放電管理電路。圖7為設(shè)計的充放電管理電路原理圖，在該電路中將鋰電池充電狀態(tài)分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止4個階段。為便于了解鋰電池充電情況，在電路中設(shè)置指示燈，表2為鋰電池不同充電狀態(tài)時指示燈亮滅情況。

表2 充電指示燈說明Table 2 Description of charging indicator

圖7 鋰電池充放電管理電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of ultra-thin lithium battery charge-discharge management circuit

2 自主供電系統(tǒng)測試

2.1 系統(tǒng)測試概況

基于前文設(shè)計的自主供電系統(tǒng)，利用導(dǎo)線將各部分按設(shè)計的方式連接，得到圖8所示的自主供電系統(tǒng)整體實(shí)物，柔性太陽能薄膜厚度為0.28 mm、DC-DC模塊厚度為3.5 mm、超薄鋰電池厚度為3.1 mm，整個自主供電系統(tǒng)厚度均小于或等于柔性復(fù)合傳感測量模塊的厚度3.5 mm，具備貼裝在飛機(jī)外表面的可行性。將太陽能薄膜粘貼到可持續(xù)接收太陽光照的金屬板上，固定好DC-DC模塊、鋰電池及柔性復(fù)合傳感測量模塊，即可開展自主供電系統(tǒng)的性能測試，表3為自主供電系統(tǒng)性能測試過程所用的儀器清單。

表3 測試所用儀器清單Table 3 List of instruments employed during test

圖8 自主供電系統(tǒng)整體實(shí)物圖Fig.8 Overall physical drawing of autonomous power supply system

為確保自主供電系統(tǒng)可向柔性復(fù)合傳感測量模塊穩(wěn)定供能，將其性能測試分為如下三部分測試：①測試光照下太陽能薄膜給鋰電池的充電時長及太陽能薄膜輸出電壓變化；②測試鋰電池單獨(dú)給柔性復(fù)合傳感測量模塊的供電時長(滿負(fù)載下)；

③測試太陽能薄膜與鋰電池組合下，給柔性復(fù)合傳感測量模塊的供電時長。

2.2 系統(tǒng)充電時長測試

基于3.1節(jié)搭建了如圖9所示的鋰電池充電測試平臺，并開展了鋰電池不同初始電壓的充電測試，測試中每隔10～20 min記錄一次鋰電池兩端電壓，直至鋰電池充電至目標(biāo)電壓。利用該測試平臺進(jìn)行了連續(xù)7 d的鋰電池充電測試，整理測試數(shù)據(jù)，可得電壓從3.0 V逐次升到3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.17 V所需時間，如表4所示。基于鋰電池電壓是否接近初始電壓與目標(biāo)電壓及測試時間段是否接近，選取鋰電池充電至各指定電壓所參考的主要數(shù)據(jù)，在表3中加粗顯示，其中平均耗時計算方法為：①若參考數(shù)據(jù)耗時接近，則取各耗時數(shù)據(jù)的均值；②由于不同時間太陽光照強(qiáng)度不同，充電效果不一，導(dǎo)致部分參考數(shù)據(jù)耗時差距較大，如4.0 V升壓至4.1 V各耗時數(shù)據(jù)中，光照強(qiáng)時耗時最小僅為29 min，光照弱時耗時最大需91 min，此時平均耗時不考慮極端測試情況的數(shù)據(jù)，故4.0～4.1 V平均耗時按第4天的14:07—15:15的數(shù)據(jù)計算。

圖9 鋰電池充電測試平臺Fig.9 Lithium battery charging test platform

表4 鋰電池充電至指定電壓所需時間Table 4 Time required for charging lithium battery to specified voltage

依據(jù)上述方法可知利用設(shè)計的自主供電系統(tǒng)為鋰電池充電時，鋰電池電壓由3.0 V升至3.7 V需耗時75 min左右，3.7～3.8 V需耗時50 min左右，3.8～3.9 V需耗時64 min左右，3.9～4.0 V需耗時60 min左右，4.0～4.1 V需耗時67 min左右，4.1～4.17 V需耗時44 min左右，3.0～4.17 V總耗時在296～386 min范圍內(nèi)(若光照條件良好鋰電池充滿電需296 min左右，光照條件差則需386 min左右)。匯總充電測試數(shù)據(jù)，可得到利用太陽能薄膜與DC-DC模塊將鋰電池從3.0 V充電至4.17 V的充電電壓變化曲線，如圖10所示。圖10表明，96%的充電時間內(nèi)太陽能薄膜輸出電壓大于3.2 V、DC-DC模塊輸出電壓均穩(wěn)定在5.11 V左右，表明在光照條件下太陽能薄膜及DC-DC模塊均可按預(yù)期正常工作。

圖10 鋰電池充電電壓曲線Fig.10 Charging voltage curve of lithium battery

2.3 系統(tǒng)供電時長測試

自主供電系統(tǒng)中，光照充足時柔性太陽能薄膜與鋰電池均可為柔性復(fù)合傳感測量模塊供電，若光照不足或無光照則主要由鋰電池供電，故搭建了圖11和圖12所示的鋰電池單獨(dú)供電與太陽能薄膜+鋰電池組合式供電的測試平臺。

利用圖11的鋰電池單獨(dú)供電測試平臺進(jìn)行兩次完整的鋰電池單獨(dú)供電測試，每次測試鋰電池均從滿電狀態(tài)供電至柔性復(fù)合傳感測量模塊停止工作，柔性復(fù)合傳感測量模塊采樣頻率均調(diào)整至傳感器所能達(dá)到的最大采樣頻率，每隔30 min左右測量一次鋰電池電壓，整理測試數(shù)據(jù)，得到兩次測試中鋰電池單獨(dú)供電曲線，如圖13所示。兩次測試中，滿電狀態(tài)下的鋰電池可維持柔性復(fù)合傳感測量模塊以最大采樣率工作時間分別為624 min、626 min，且鋰電池在4.17～3.7 V內(nèi)變化趨勢較為緩慢，3.7～3.0 V內(nèi)變化趨勢相對加快。

圖11 鋰電池單獨(dú)供電測試平臺Fig.11 Lithium battery separate power supply test platform

圖12 柔性太陽能薄膜+鋰電池組合供電測試平臺Fig.12 Flexible solar film + lithium battery combined power supply test platform

利用圖12的測試平臺在不同天氣情況下測試太陽能薄膜+鋰電池組合供電時長，測量并記錄測試過程中鋰電池電壓及太陽能薄膜輸出電壓，如圖14所示。其中第1部分?jǐn)?shù)據(jù)為晴天、太陽能薄膜全程處于光照條件下測得；第2部分為晴天、部分時間無光照條件下測試所得數(shù)據(jù)；第3部分測試環(huán)境為陰天、全程無光照；第4部分為陰天、部分時間有光照時測試數(shù)據(jù)。

圖14表明，在晴天全程有光照條件下，太陽能薄膜轉(zhuǎn)化的電能不僅可供柔性復(fù)合傳感測量模塊滿負(fù)載運(yùn)行，還可實(shí)現(xiàn)鋰電池充電，故鋰電池電壓整體保持上升狀態(tài)；在晴天部分時間無光照條件下，當(dāng)有光照時鋰電池可進(jìn)行充電、無光照時則主要由鋰電池給復(fù)合傳感測量模塊供電，故此時鋰電池電壓同時存在上升和下降的趨勢；在陰天全程無光照情況下，全程均由鋰電池供電，此時鋰電池電壓緩慢下降，與鋰電池單獨(dú)供電曲線類似；陰天、部分時間有光照情況與晴天、部分時間無光照情況類似，有光照時鋰電池充電、無光照時鋰電池供電，但鋰電池電壓降低至3.51 V左右則無法滿足柔性復(fù)合傳感測量模塊滿負(fù)載工作。太陽能薄膜+鋰電池組合供電測試共持續(xù)4 d，初始電壓為4.15 V的鋰電池電壓降為3.51 V，柔性復(fù)合傳感測量模塊滿負(fù)載工作了1 678 min，大于飛機(jī)的一般航行時間，故本文所設(shè)計的自主供電系統(tǒng)可滿足飛機(jī)正常飛行時的參數(shù)測量需求。

3 結(jié)論

以設(shè)計可供柔性復(fù)合傳感測量模塊正常工作的自主供電系統(tǒng)為研究目標(biāo)，基于柔性太陽能薄膜設(shè)計了一款自主供電系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)鋰電池充、供電測試，得到如下主要結(jié)論。

(1)光照充足時，自主供電系統(tǒng)可在296 min內(nèi)可將1 800 mAh無電狀態(tài)鋰電池充電至滿電，光照稍弱時則需要386 min。

(2)1 800 mAh滿電狀態(tài)鋰電池單獨(dú)供電給柔性復(fù)合傳感測量模塊時，可供其滿負(fù)載工作約625 min。

(3)自主供電系統(tǒng)經(jīng)兩個晴天與兩個陰天測試后，鋰電池電壓從4.15 V降至3.51 V，期間柔性復(fù)合傳感測量模塊共滿負(fù)載工作1 678 min。