一种混合动力系统及无人机的制作方法

1.本实用新型属于无人飞行器技术领域，涉及一种混合动力系统及无人机。

背景技术：

2.电动多旋翼无人机由于其结构简单、飞行操控简便以及安全性高等优点，近年来迅速崛起为垂直起降飞行器装备家族的重要成员，并快速向各行业领域渗透发展，如影视拍摄、农业植保、管线巡查、地质测绘、物流和安防等。其中工业级无人机的使用场景相对于一般消费级无人机工作环境更为恶劣，对续航时间、稳定性和抗风能力的适应能力等有更高要求，因此工业级无人机对动力系统的能量密度、耐低温性和寿命等具有更高的要求。
3.现有电动多旋翼无人机多采用电池作为动力，囿于当前电池技术水平，电动多旋翼无人机普遍存在航时短、商载小的性能问题。通过油电混合动力可以延长多旋翼无人机续航时间，但燃油燃烧造成大量co2和有害污染物排放，更有噪声污染。因此需要一种清洁可再生能源作为飞机的动力系统。氢的能量密度约为120mj/kg(33kwh/kg)，是标准航空燃料的3倍，锂电池的100倍。作为航空能源，氢能不但可以实现co2和其他污染物的零排放，且相对于常规电池，在质量和体积上都具有更高的能量密度。
4.近年来，质子交换膜燃料电池技术突飞猛进，其中氢电堆已可从市场上获得，且技术指标不断提高、成本大幅下降。现有的氢电堆虽然具有优于电池的能量密度和低温启动性能，且实现co2零排放和极低的噪音水平，但其在工业级无人机上的应用还存在功率密度不足和负荷响应慢的问题。
5.因此，如何提供一种续航时间长、各飞行阶段负荷响应快的氢能电动多旋翼无人机是本实用新型需解决的问题。

技术实现要素：

6.发明目的：提供一种混合动力系统及无人机。本实用新型最大化的减少需要增加的附加机构，减少尺寸和重量的增加，继续采用现有的飞行控制技术，从而保持甚至提高多旋翼飞行器的操控性和机动性，降低成本，从而有利于多旋翼无人机的市场推广。
7.技术方案：一种无人机的混合动力系统，包括氢质子交换膜燃料电池堆和锂电池组，氢质子交换膜燃料电池堆依次与整流器ⅰ、二极管ⅰ、逆变器和旋翼-操纵系统连接；在二极管ⅰ和逆变器间设有两条并联支路，两并联支路与锂电池组连接；第一条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅰ和二极管ⅱ，第二条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅱ、二极管ⅲ和整流器ⅱ；所述的氢质子交换膜燃料电池堆、锂电池组和旋翼-操纵系统上均设有电压传感器；所述的电压传感器、电路开关ⅰ、电路开关ⅱ均与能量管理控制器连接。
8.应用前述混合动力系统的无人机，包括机身、挂架、起落架和支臂；支臂用于连接和支撑所述旋翼-操纵系统；起落架对称固定安装在所述机身底面；所述挂架下安装有高压储氢罐，高压储氢罐经电子控制泄压阀和导管与质子交换膜燃料电池堆连接。
9.前述的无人机中，所述的氢质子交换膜燃料电池堆、锂电池组和能量管理控制器
安装于所述机身内部。
10.前述的无人机中，所述的支臂有4根，对称布置于所述机身两侧，与机身通过可快速插拔方形插槽紧固连接。
11.前述的无人机中，所述的旋翼-操纵系统包括电机、桨叶和电动变距操纵机构；所述电动变距操纵机构由内操纵桨毂、变距摇杆、拉杆和电动舵机组成，两片桨叶安装在所述内操纵桨毂两端的两个桨夹处，所述电机直接与内操纵桨毂连接，直接驱动所述桨叶旋转。
12.前述的无人机中，两个变距摇杆位于所述内操纵桨毂中心轴两侧，并与所述桨夹连接，所述电动变距操纵机构通过所述电动舵机作动，带动所述拉杆上下移动，所述变距摇杆由于所述拉杆的上下移动带动所述两个桨夹沿桨毂与其铰接的铰链转动，从而实现所述桨叶的变距。
13.有益效果：本实用新型解决了常规电动多旋翼无人机续航时间短和载荷小的问题，实现了co2和有害污染物零排放以及低噪音，同时提高了无人机在各飞行阶段的操控性和安全性，而且维护非常方便，成本低。
14.本实用新型对现有完全依靠电池驱动的变距多旋翼无人机进行改造，减少电池部件以减轻重量，换置参数匹配的氢质子交换膜燃料电池/锂电池混合堆，配以可更换式高压储氢罐，构成全新的混合动力系统，为无人机提供电力保障，不仅利用氢燃料电池能量密度高的优势提高续航能力，还利用锂电池功率密度高、负荷响应快的优势提高无人机各飞行阶段的操控性和安全性；
15.本实用新型保持现有的变距多旋翼无人机的气动布局，最大化的减少需要增加的附加机构，减少尺寸和重量的增加，继续采用现有的飞行控制技术，从而保持甚至提高多旋翼飞行器的操控性和机动性，降低成本，从而有利于多旋翼无人机的市场推广。
附图说明
16.图1为本实用新型氢能混合动力电动变距多旋翼无人机侧视结构示意图；
17.图2为本实用新型氢能混合动力电动变距多旋翼无人机俯视结构示意图；
18.图3为所述混合动力系统能量管理控制电路示意图；
19.图4为旋翼-操纵系统结构示意图。
20.附图标记：1-机身，2-挂架，3-起落架，4-高压储氢罐，5-支臂，6-旋翼-操纵系统，7-质子交换膜燃料电池堆，8-锂电池组，9-能量管理控制器，10-整流器，11-二极管ⅰ，12-二极管ⅱ，13-电机，14-电路开关ⅰ，15-整流器ⅱ，16-二极管ⅲ，17-电路开关ⅱ，18-逆变器，19-电压传感器，20-桨毂，21-变距摇杆，22-拉杆，23-电动舵机，24-桨夹，25-桨叶。
具体实施方式
21.实施例1。一种氢能混合动力电动变距多旋翼无人机，构成如图1-4所示，主要包括机架系统、混合动力系统和旋翼-操纵系统，三者之间的位置关系是：混合动力系统和旋翼-操纵系统都固定在机架系统上。
22.所述机架系统，包括机身、挂架、起落架和支臂，所述机身和挂架用于安装所述混合动力系统，所述支臂用于连接和支撑所述四组旋翼-操纵系统。
23.所述混合动力系统，包括便携可更换式高压储氢罐、氢质子交换膜燃料电池堆、锂
电池组和能量管理控制器，所述高压储氢罐固定于所述挂架上，所述高压储氢罐通过电子控制泄压阀和导管与所述质子交换膜燃料电池堆连接，所述氢质子交换膜燃料电池堆和锂电池组产生电力由所述能量管理控制器管理和分配，为所述旋翼-操纵系统提供所需电力。
24.优选的，所述能量管理控制器根据所述氢质子交换膜燃料电池堆的电压信号的大小控制所述锂电池组的充放电，其控制逻辑为：
25.当所述氢质子交换膜燃料电池堆的电压低于所述锂电池组额定电压时，能量管理控制器控制所述锂电池组与所述氢质子交换膜燃料电池堆构成并联模式，使所述氢质子交换膜燃料电池堆的工作电压返回到所述锂电池组额定电压，同时为所述旋翼-操纵系统提供所需电力；
26.当所述氢质子交换膜燃料电池堆电压位于锂电池组额定电压和所述氢质子交换膜燃料电池堆额定电压区间时，所述能量管理控制器断开所述锂电池组，由所述氢质子交换膜燃料电池堆构为所述旋翼-操纵系统提供所需电力；
27.当所述氢质子交换膜燃料电池堆电压信号高于所述氢质子交换膜燃料电池堆额定电压时，所述能量管理控制器控制所述锂电池组与所述氢质子交换膜燃料电池堆构成并联模式，使所述氢质子交换膜燃料电池堆的工作电压返回到额定电压，为所述旋翼-操纵系统提供所需电力，同时为所述锂电池组充电。
28.所述旋翼-操纵系统，包括电机、桨叶和电动变距操纵机构，所述电动变距操纵机构包括内操纵桨毂、变距摇杆、拉杆和电动舵机组成，所述电机直接驱动所述桨叶旋转，所述电动变距操纵机构通过所述电动舵机作动，带动所述变距摇杆沿桨毂纵向中心轴转动所述桨毂两端桨夹，从而实现桨叶变距。
29.实施例2。如图1和图2所示，本实用新型的实施例提供了一种氢能混合动力电动变距多旋翼无人机，包括：机架系统、混合动力系统和旋翼-操纵系统。
30.所述机架系统，包括：机身1、挂架2、起落架3和支臂5，所述四个支臂5对称布置于所述机身1两侧，与所述机身1通过可快速插拔方形插槽紧固连接，两个起落架3对称固定安装在所述机身1底面，所述支臂5用于连接和支撑四组旋翼-操纵系统6，所述机身1和挂架2用于安装所述混合动力系统。
31.所述混合动力系统，包括：便携可更换式高压储氢罐4、氢质子交换膜燃料电池堆7、锂电池组8和能量管理控制器9，所述高压储氢罐4固定于所述挂架2上，所述挂架2可根据所述高压储氢罐4的体积大小安装于所述机身1的底面或顶面，本实施例将挂架2和高压储氢罐4安装于所述机身1的底面，所述氢质子交换膜燃料电池堆7、锂电池组8和能量管理控制器9安装于所述机身1内部，所述高压储氢罐4通过电子控制泄压阀和导管与所述质子交换膜燃料电池堆7连接，所述氢质子交换膜燃料电池堆7和锂电池组8产生电力由所述能量管理控制器9管理和分配，为所述旋翼-操纵系统6提供所需电力。
32.所述混合动力系统，可根据所述氢质子交换膜燃料电池堆7电压信号的大小，通过所述能量管理控制器9来控制所述锂电池组8的充放电，如图3所示，其控制逻辑为：
33.所述能量管理控制器9通过电压传感器19读取所述氢质子交换膜燃料电池堆7和所述锂电池组8的电压信号；
34.当所述氢质子交换膜燃料电池堆7的电压低于所述锂电池组8的额定电压时，能量管理控制器9向电路开关14发送连接信号，向电路开关17发送断开信号，使所述锂电池组8
与所述氢质子交换膜燃料电池堆7构成并联模式，为所述旋翼-操纵系统6提供所需电力，同时所述氢质子交换膜燃料电池堆7的工作电压达到所述锂电池组8的额定电压；
35.当所述氢质子交换膜燃料电池堆7的电压位于所述锂电池组8的额定电压和所述氢质子交换膜燃料电池堆7的额定电压区间时，所述能量管理控制器9同时向电路开关14和电路开关17发送断开信号，由所述氢质子交换膜燃料电池堆7为所述旋翼-操纵系统6提供所需电力；
36.当所述氢质子交换膜燃料电池堆7的电压信号高于所述氢质子交换膜燃料电池堆7的额定电压时，所述能量管理控制器9向电路开关14发送断开信号，向电路开关17发送连接信号，此时，使所述氢质子交换膜燃料电池堆7为所述旋翼-操纵系统6提供所需电力，并为所述锂电池组8充电，同时所述氢质子交换膜燃料电池堆7的工作电压返回到额定电压。
37.如图4所示，所述旋翼-操纵系统，包括电机13、桨叶25和电动变距操纵机构，所述电动变距操纵机构包括内操纵桨毂20、变距摇杆21、拉杆22和电动舵机23组成，所述两片桨叶25安装在所述桨毂两端两个桨夹24处，所述电机13直接与所述桨毂20连接，直接驱动所述桨叶25旋转，所述两个变距摇杆21位于所述桨毂20纵向中心轴两侧，与所述桨夹24连接，所述电动变距操纵机构通过所述电动舵机23作动，带动所述拉杆22上下移动，所述变距摇杆21由于所述拉杆22的上下移动带动所述两个桨夹24沿桨毂20与其铰接的铰链转动，从而实现所述桨叶25的变距。
38.本实用新型的一种氢能混合动力电动变距多旋翼无人机将氢能混合动力与电动变距多旋翼相结合，同时利用氢能混合动力系统的高能量密度、负荷响应快和变距多旋翼空气动力学效率高、噪音低的特点，相对于本实施例纯电动变距多旋翼无人机续航时间可提高3至4倍，实现了co2和其他污染物的零排放，同时提高了无人机各飞行阶段的操控性和安全性。
39.尽管本实用新型的实施例已公开如上，但其并不仅仅限于本说明书和实施例中所列运用方式，它完全可以适用于各种适合本实用新型的领域，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于本实施例和附图所描述的细节。
40.实施例3。一种无人机的混合动力系统，包括氢质子交换膜燃料电池堆7和锂电池组8，氢质子交换膜燃料电池堆7依次与整流器ⅰ10、二极管ⅰ11、逆变器18和旋翼-操纵系统6连接；在二极管ⅰ11和逆变器18间设有两条并联支路，两并联支路与锂电池组8连接；第一条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅰ14和二极管ⅱ12，第二条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅱ17、二极管ⅲ16和整流器ⅱ15；所述的氢质子交换膜燃料电池堆7、锂电池组8和旋翼-操纵系统6上均设有电压传感器19；所述的电压传感器19、电路开关ⅰ14、电路开关ⅱ17均与能量管理控制器9连接。
41.使用前述的混合动力系统的无人机，构成如图1-4所示，包括机身1、挂架2、起落架3和支臂5；支臂5用于连接和支撑所述旋翼-操纵系统6；起落架3对称固定安装在所述机身1底面；所述挂架2下安装有高压储氢罐4，高压储氢罐4经电子控制泄压阀和导管与质子交换膜燃料电池堆7连接。
42.前述的氢质子交换膜燃料电池堆7、锂电池组8和能量管理控制器9安装于所述机身1内部。
43.前述的支臂5有4根，对称布置于所述机身1两侧，与机身1通过可快速插拔方形插
槽紧固连接。
44.前述的旋翼-操纵系统6包括电机13、桨叶25和电动变距操纵机构；所述电动变距操纵机构由内操纵桨毂20、变距摇杆21、拉杆22和电动舵机23组成，两片桨叶25安装在所述内操纵桨毂20两端的两个桨夹24处，所述电机13直接与内操纵桨毂20连接，直接驱动所述桨叶25旋转；两个变距摇杆21位于所述内操纵桨毂20中心轴两侧，并与所述桨夹24连接，所述电动变距操纵机构通过所述电动舵机23作动，带动所述拉杆22上下移动，所述变距摇杆21由于所述拉杆22的上下移动带动所述两个桨夹24沿桨毂20与其铰接的铰链转动，从而实现所述桨叶25的变距。

技术特征：

1.一种无人机的混合动力系统，其特征在于，包括氢质子交换膜燃料电池堆(7)和锂电池组(8)，氢质子交换膜燃料电池堆(7)依次与整流器ⅰ(10)、二极管ⅰ(11)、逆变器(18)和旋翼-操纵系统(6)连接；在二极管ⅰ(11)和逆变器(18)间设有两条并联支路，两并联支路与锂电池组(8)连接；第一条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅰ(14)和二极管ⅱ(12)，第二条并联支路上设有依次串联的电路开关ⅱ(17)、二极管ⅲ(16)和整流器ⅱ(15)；所述的氢质子交换膜燃料电池堆(7)、锂电池组(8)和旋翼-操纵系统(6)上均设有电压传感器(19)；所述的电压传感器(19)、电路开关ⅰ(14)、电路开关ⅱ(17)均与能量管理控制器(9)连接。2.一种使用权利要求1所述的混合动力系统的无人机，其特征在于，包括机身(1)、挂架(2)、起落架(3)和支臂(5)；支臂(5)用于连接和支撑所述旋翼-操纵系统(6)；起落架(3)对称固定安装在所述机身(1)底面；所述挂架(2)下安装有高压储氢罐(4)，高压储氢罐(4)经电子控制泄压阀和导管与质子交换膜燃料电池堆(7)连接。3.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，所述的氢质子交换膜燃料电池堆(7)、锂电池组(8)和能量管理控制器(9)安装于所述机身(1)内部。4.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，所述的支臂(5)有4根，对称布置于所述机身(1)两侧，与机身(1)通过可快速插拔方形插槽紧固连接。5.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，所述的旋翼-操纵系统(6)包括电机(13)、桨叶(25)和电动变距操纵机构；所述电动变距操纵机构由内操纵桨毂(20)、变距摇杆(21)、拉杆(22)和电动舵机(23)组成，两片桨叶(25)安装在所述内操纵桨毂(20)两端的两个桨夹(24)处，所述电机(13)直接与内操纵桨毂(20)连接，直接驱动所述桨叶(25)旋转。6.根据权利要求5所述的无人机，其特征在于，两个变距摇杆(21)位于所述内操纵桨毂(20)中心轴两侧，并与所述桨夹(24)连接，所述电动变距操纵机构通过所述电动舵机(23)作动，带动所述拉杆(22)上下移动，所述变距摇杆(21)由于所述拉杆(22)的上下移动带动所述两个桨夹(24)沿桨毂(20)与其铰接的铰链转动，从而实现所述桨叶(25)的变距。

技术总结

本实用新型公开了一种混合动力系统及无人机，包括氢质子交换膜燃料电池堆和锂电池组，氢质子交换膜燃料电池堆依次与整流器、二极管、逆变器和旋翼-操纵系统连接；在二极管和逆变器间设有两条并联支路，两并联支路与锂电池组连接；第一条并联支路上设有依次串联的电路开关和二极管，第二条并联支路上设有依次串联的电路开关、二极管和整流器；所述的氢质子交换膜燃料电池堆、锂电池组和旋翼-操纵系统上均设有电压传感器。本实用新型最大化的减少需要增加的附加机构，减少尺寸和重量的增加，继续采用现有的飞行控制技术，从而保持甚至提高多旋翼飞行器的操控性和机动性，降低成本，从而有利于多旋翼无人机的市场推广。从而有利于多旋翼无人机的市场推广。从而有利于多旋翼无人机的市场推广。