一种基于微波无线供电的UAM飞行器混合电力能量系统的制作方法

一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统
技术领域
1.本发明涉及uam飞行器技术领域，尤其涉及一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统。

背景技术：

2.自上个世纪以来，航空工业正处于另一场革命的中期。首先环境意识日益突出推动减少有害排放和航空业的整体环境足迹。其次，新的需求和趋势目前正在向自主飞机发展，为没有飞行员的未来做准备。
3.近年来，随着能源危机和环境保护压力越来越大，寻求改善城市交通的创新解决方案受到了广泛关注。随着城市交通和空气质量的恶化，为了减少温室气体排放，清洁能源的使用正趋于普及。空气和噪音污染是当今飞机的主要缺点之一，而电动飞机以一种重要的方式解决了这两个问题。例如，挪威承诺到2040年将其所有国内航班都采用电力驱动。对电力推进uam，特别是evtol的兴趣一直呈上升趋势。uam是政府、学术界和工业界正在研究和开发的一种不使用任何道路的城市内客运的替代方式。短途旅客空中旅行的概念将引入一种更可靠、更安全和更环保的替代当前(航空)运输方式。但是受电力能源补给的限制极大地制约了该行业的发展。因此选择具有最佳能量管理系统(ems)的合适混合动力对于实现先进uam的有效运行至关重要。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题提供一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，采用多种能量源构成混合电力能量系统为uam飞行器进行电力能源的供应，并通过优先级的控制，且能将剩余电量有效利用，以最大限度的满足uam飞行器飞行距离所需电能，有效克服了uam飞行器受电力能源补给限制的问题，具有广泛的应用前景。本发明是通过以下技术方案予以实现：
5.一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其包括能量补充系统、能量存储系统及地面微波供电设备；
6.所述能量补充系统包括无线充电器、地面快速充电器及分别与无线充电器、地面快速充电器连接的充电控制器；
7.所述能量存储系统包括超级电容器、充电电池、能量管理控制器及放电控制器；
8.所述充电控制器分别与能量管理控制器及放电控制器连通，所述超级电容器、充电电池分别与能量管理控制器、放电控制器连通；
9.所述地面微波供电设备为无线充电器通过微波进行充电作为第一能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给，且当能量有盈余，超级电容器及充电电池充电状态低时为超级电容器及充电电池充电；
10.所述地面快速充电器负责uam飞行器在地面时的电力补给，为超级电容器及充电电池充电，作为第二能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给；
11.所述充电控制器负责控制无线充电及地面快速充电器充放电，无线充电器、超级电容器及充电电池释放能量的顺序，并将相应的能量信息发送给能量管理控制器；
12.所述能量管理控制器根据充电控制器及放电控制器的能量信息控制放电控制器采用哪种能量源为uam飞行器供电；
13.所述放电控制器根据能量管理控制器的能量信息采用相应的能量源为uam飞行器供电。进一步，能量存储系统还包括燃料电池，所述燃料电池与放电控制器连通，通过放电控制器控制与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器在空中飞行时的电力能量补给。
14.进一步，燃料电池与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给时，其输出优先级低于超级电容器、充电电池。
15.进一步，当地面微波供电设备为无线充电器通过微波进行充电供uam飞行器飞行时的电力能量补给，且当能量有盈余时，优先为超级电容器充电，当超级电容器充电达到高充电状态后再为充电电池充电。
16.优化的，无线充电器包括接收天线及整流电路，所述整流电路包括依次连接的低通滤波器、匹配电路及直通滤波器。
17.进一步，能量管理控制器包括能量管理主控制器、多个转化器控制器及监控控制器，所述能量管理主控制器接收充电控制器及放电控制器的充放电信息并通过ems计算出功率参考信号发送给相应的转化器控制器，转化器控制器将功率参考信号解耦成参考电压信号及电流信号，由监控控制器分别控制相应能量源的dc/dc转换，调节各个能量源到直流母线的电压及电流。
18.进一步，各个能量源到直流母线的电压及电流直接为uam飞行器直流负载供电，并通过dn/ac转换后通过交流母线为uam飞行器的交流用电设备供电。
19.本发明的有益效果：
20.本发明提供的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，具有如下优点：
21.1.采用多种能量源构成混合电力能量系统为uam飞行器进行电力能源的供应，能够满足uam飞行器长距离飞行所需电能，克服了uam飞行器受电能限制这一短板。
22.2.通过设置多种能量源的优先级，通过微波进行充电作为第一能量源不仅能够满足uam飞行器飞行的需求，而且可以极大地保存混合电力能量系统的实力，并且当微波放电有盈余时，剩余能量还可以为超级电容器、充电电池进行充电，进一步提高了uam飞行器的续航能力。
23.3.通过对能量管理控制器设置能量管理主控制器、多个转化器控制器及监控控制器，其结构清晰可靠，并且实现了不同能量源之间的在线可调功率分配，尽可能提高uam飞行器的续航能力，且能有效保护充电电池、燃料电池及uam飞行器用电设备免受电压波动的影响。
附图说明
24.图1为本发明系统结构示意图；
25.图2为无线充电器结构示意图；
26.图3为能量管理控制器控制流程示意。
具体实施方式
27.一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，如附图1所示，其包括能量补充系统、能量存储系统及地面微波供电设备；
28.所述能量补充系统包括无线充电器、地面快速充电器及分别与无线充电器、地面快速充电器连接的充电控制器；
29.所述能量存储系统包括超级电容器、充电电池、能量管理控制器及放电控制器，充电电池优选锂聚合电池；
30.所述充电控制器分别与能量管理控制器及放电控制器连通，所述超级电容器、充电电池及燃料电池分别与能量管理控制器、放电控制器连通；
31.所述地面微波供电设备为无线充电器通过微波进行充电作为第一能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给，且当能量有盈余，超级电容器及充电电池充电状态低时为超级电容器及充电电池充电；
32.所述地面快速充电器负责uam飞行器在地面时的电力补给，为超级电容器及充电电池充电，作为第二能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给；
33.所述充电控制器负责控制无线充电及地面快速充电器充放电，无线充电器、超级电容器及充电电池释放能量的顺序，并将相应的能量信息发送给能量管理控制器；
34.所述能量管理控制器根据充电控制器及放电控制器的能量信息控制放电控制器采用哪种能量源为uam飞行器供电；uam飞行器主要用电设备包括控制系统及推进系统。所述放电控制器根据能量管理控制器的能量信息采用相应的能量源为uam飞行器供电。uam(城市空中交通)是一个安全高效的航空运输系统，该系统将使用高度自动化的飞机，在城市和郊区的低海拔地区运营和运输乘客或货物。该系统普遍采用新能源作为飞行器动力，能够为城市交通提供“三维立体交通”的解决方案。通过设置不同的短距/垂直起降场实现”“端到端”的不同节点间物流运输和客运飞行。uam将由一个生态系统组成，该生态系统考虑飞机的演变和安全、运营框架、空域准入、基础设施开发和社区参与，但是目前电力能源补给是制约其发展的一个短板。
35.而本技术采用混合电力能量系统，包括无线微波供电、超级电容器、充电电池等混合供电。其中无线供电是一种不经由电导体将电力能量从发电装置或供电端转送到电力接收装置的技术。无线能量传送是一个通称，当中可使用多种不同技术达成，包括电场、磁场及电磁波。发射器把电能转换成相对应场的能量状态，传输经过一空间后由一个或多个接收器接收并转换回为电能。
36.无线能量传输技术分为两种类别：非辐射与辐射。非辐射技术在线圈之间以电感耦合，能量透过磁场传送。辐射技术则以微波、激光等定向能波束把能量传送，这种技术可以传送至较远距离，但发射一方必须瞄准接收一方发射，本技术采用微波无线技术，可以定向为uam飞行器进行充电，以实现uam飞行器的远距离飞行。
37.超级电容器具有更高的比功率和更低的比能量。由于其对峰值功率的快速响应，超级电容器最适合在几秒的时间范围内处理突然的瞬变。这可以非常适合起飞和着陆阶段。此外，它们还间接保护燃料电池、充电电池和直流母线。它可以吸收直流总线电压波动，
可以延长充电电池及燃料电池的寿命，且保护uam飞行器主要用电设备，签收电压波动的影响。
38.充电电池具有相对较高的比能量和比功率。uam上使用的电池有许多不同的技术，由于其高性能，锂聚合物(li-po)和锂离子(li-ion)电池更适合在几分钟到几小时的范围内长期变化的应用。然而，仅靠电池可能无法让uam进行一些需要非常快速的功率响应的机动，在这种情况下，超级电容器是平衡充电电池限制比较好的选择。
39.因此通过上述能量源的结合，能够满足uam飞行器长距离飞行所需电能，克服了uam飞行器受电能限制这一短板。
40.并且优选无线微波供电为第一能量源，不仅能够满足uam飞行器飞行的需求，而且可以极大地保存混合电力能量系统的实力，并且当微波放电有盈余时，剩余能量还可以为超级电容器、充电电池进行充电，进一步提高了uam飞行器的续航能力，而超级电容器、充电电池同时作为第二能量源有助于提高充电电池的寿命。
41.进一步，能量存储系统还包括燃料电池，所述燃料电池与放电控制器连通，通过放电控制器控制与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器在空中飞行时的电力能量补给，燃料电池优选氢燃料电池。
42.混合电力能量系统设置一个燃料电池与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器在空中飞行时的电力能量补给，进一步提高了uam飞行器混合电力能量系统的能力，为uam飞行器的远距离续航提供了保证，并且超级电容器能够吸收直流总线电压波动，延长燃料电池的寿命。
43.燃料电池优选氢燃料电池，燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。最常见的燃料为氢，氢燃料电池的特点是比能量高，比功率低，这种燃料的能量密度通常比锂聚合物电池高五倍。然而，燃料电池的主要众所周知的问题之一是由于氢气输送系统而导致的缓慢动态响应。出于这个原因，燃料电池适用于低速长航时uam。这非常适合巡航和下降时期。此外，燃料电池可以在巡航阶段使用多余的能量为充电电池充电。
44.进一步，当地面微波供电设备为无线充电器通过微波进行充电作为第一能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给，且当能量有盈余时，优先为超级电容器充电，当超级电容器充电达到高充电状态后再为充电电池充电。设置充电优先级，优先保证超级电容器的电量充足，才能避免uam飞行器在空中飞行时尤其是起飞和着陆阶段直流总线电压波动而对用电设备及充电电池及燃料电池的影响。
45.优化的，无线充电器包括接收天线及整流电路，所述整流电路包括依次连接的低通滤波器、匹配电路及直通滤波器，其结构图如附图2所示。
46.地面微波供电设备包括微波发射器，微波发射器在uam飞行器飞行时将微波通过无线充电器传输到uam飞行器。无线充电器设有嵌入式微波接收器将微波转换为电力，为uam飞行器供电。这项技术使uam飞行器能够更长期地保持飞行，而减少着陆为充电电池充电，提升续航里程。当需要充电时，uam飞行器会加入空中电源链路区域以接收能量。因此，通过减少起飞和着陆风险提高了安全性。微波发射器部署在高层建筑的屋顶上，以避免对微波的阻碍，或者部署在移动台上，在uam飞行器和最近的能源之间建立辐射链接，以实现快速的电力传输。
47.进一步，能量管理控制器包括能量管理主控制器、多个转化器控制器及监控控制器，所述能量管理主控制器接收充电控制器及放电控制器的充放电信息并通过ems计算出功率参考信号发送给相应的转化器控制器，转化器控制器将功率参考信号解耦成参考电压信号及电流信号，由监控控制器分别控制相应能量源的dc/dc转换，调节各个能量源到直流母线的电压及电流。
48.由uam飞行器飞行不同阶段的功率需求分析可以知道，在起飞爬升阶段，负载功率最大，负载峰值功率超过各源最大功率。因此，这些级的负载功率必须由所有的能量源同时分担。下一级功率需求出现在下降和降落阶段，波动较大，巡航阶段的负载功率处于较低且稳定的水平。在传统的被动控制方式中，各能量源的功率输出取决于各自的功率特性，能量损失严重，安全性低，而本系统通过能量管理主控制器进行ems并管理，为主动方式配电，能耗经济性、效率和飞行时间可以进一步得到优化。
49.其中ems计算遵循的原则如下：
50.(i)无线充电器优先放电。无线充电器始终工作在最大功率点，为飞行提供尽可能多的能量。
51.(ii)超级电容器、充电电池与无线充电器和燃料电池配合，弥补过剩的电力需求。超级电容器、充电电池还负责电力需求和峰值电力需求的急剧波动。超级电容、充电电池可以通过无线充电器和燃料电池以有限的充电率充电。
52.(iii)燃料电池具有最低的输出优先级，以节省燃料延长续航时间。
53.(iv)直流母线需求功率始终由四种能量源满足，如式(1)所示：
54.p
load
＝p
mp
+p
bat
+p
uc
+p
fc
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
55.其中p
load
是直流功率需求，p
mp
、p
bat
、p
uc
和p
fc
分别是从无线充电器、充电电池、超级电容器和燃料电池提取的功率。
56.能量管理控制器可以采用fsm(模糊逻辑控制算法与状态机策略相结合的策略)进行计算控制，以增强能源管理策略的在线潜力和适应性，其具体实施过程如附图3所示。
57.p
load
作为直流母线的需求功率，可以使用式(2)公式计算：
58.p
load
＝i
bus
·ubus
＝i
bus
·ubat
,
ꢀꢀ
(2)
59.其中i
bus
是通过直流母线的电流，u
bus
是直流母线的电压。它们都由母线cv传感器测量。u
bus
等于充电电池电压u
bat
，因为充电电池直接并联在直流总线上。
60.用于确定各能量源输出的fsm策略有以下六种状态：
61.状态一：无线充电器的最大可用功率(p
mpmax
)高于需求功率(p
load
)。这意味着剩余需求功率(p
rd
)为负。充电状态高的超级电容器和电池不需要充电，选择单独的无线充电器来满足电力需求。
62.状态二：无线充电器有能力满足电力需求，同时超级电容器充电状态高，无线充电器用于为充电电池充电的冗余功率低于充电电池最大充电功率(pc)，然后是无线充电器输出其最大功率以满足需求功率并为充电电池充电。
63.状态三：无线充电器最大功率高于需求功率(p
load
)和充电电池最大充电功率(pc)的总和，且超级电容器充电状态高，那么无线充电器的输出功率等于功率总和。状态四：无线充电器有能力满足电力需求，同时超级电容器充电状态低，然后是无线充电器输出其最大功率以满足需求功率并为超级电容器充电。
64.状态五：无线充电器不能单独满足电力需求，为了节省燃料，无线充电器提供最大功率，然后使用模糊逻辑控制算法来决定期望的输出燃料电池功率p
fo
和充电电池功率p
bo
。此时，超级电容器的期望输出功率p
uo
为燃料电池p
fo
和充电电池p
bo
与剩余需求功率(p
rd
)的差值。若p
uo
为负，则燃料电池和充电电池满足剩余需求功率后为超级电容器充电。
65.状态六：无线充电器以最大可用功率运行，p
uo
为正，则超级电容器其与燃料电池、充电电池一起满足剩余需求功率。
66.从状态一到状态四，ems只使用状态机策略来处理无线充电器、充电电池和超级电容器的输出功率。最后两个状态结合模糊逻辑控制策略来控制燃料电池、超级电容器和充电电池的输出功率。
67.通过上述控制，实现了不同能量源之间的在线可调功率分配，尽可能提高uam飞行器的续航能力，并且通过超级电容器吸收直流总线电压的波动，可以延长充电电池及燃料电池的寿命。
68.进一步，各个能量源到直流母线的电压及电流直接为uam飞行器直流负载供电，并通过dn/ac转换后通过交流母线为uam飞行器的交流用电设备供电。这样通过不同能量源之间的在线可调功率分配后，通过直流母线及交流母线再为uam飞行器用电设备供电，由于通过超级电容器吸收了直流总线电压的波动，可以减缓uam飞行器用电设备的电压波动，进一步保护uam飞行器用电设备。
69.综上所述，本发明所保护的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，采用多种能量源构成混合电力能量系统为uam飞行器进行电力能源的供应，并通过优先级的控制，且能将剩余电量有效利用，以最大限度的满足uam飞行器飞行距离所需电能，有效克服了uam飞行器受电力能源补给的限制的问题，并且能够有效保护充电电池、燃料电池及uam飞行器用电设备免受电压波动的影响，具有广泛的应用前景。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于：包括能量补充系统、能量存储系统及地面微波供电设备；所述能量补充系统包括无线充电器、地面快速充电器及分别与无线充电器、地面快速充电器连接的充电控制器；所述能量存储系统包括超级电容器、充电电池、能量管理控制器及放电控制器；所述充电控制器分别与能量管理控制器及放电控制器连通，所述超级电容器、充电电池分别与能量管理控制器、放电控制器连通；所述地面微波供电设备为无线充电器通过微波进行充电作为第一能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给，且当能量有盈余，超级电容器及充电电池充电状态低时为超级电容器及充电电池充电；所述地面快速充电器负责uam飞行器在地面时的电力补给，为超级电容器及充电电池充电，作为第二能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给；所述充电控制器负责控制无线充电及地面快速充电器充放电，以及能量源释放能量的顺序，并将相应的能量信息发送给能量管理控制器；所述能量管理控制器根据充电控制器及放电控制器的能量信息控制放电控制器采用哪种能量源为uam飞行器供电；所述放电控制器根据能量管理控制器的能量信息采用相应的能量源为uam飞行器供电。2.根据权利要求1所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，所述能量存储系统还包括燃料电池，所述燃料电池与放电控制器连通，通过放电控制器控制与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器飞行时的电力能量补给。3.根据权利要求1或2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，无线充电器通过微波进行充电作为uam飞行器飞行时的电力能量补给，当能量有盈余时，优先为超级电容器充电，当超级电容器充电达到高充电状态后再为充电电池充电。4.根据权利要求1或2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，所述充电电池为锂聚合电池。5.根据权利要求2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，所述燃料电池为氢燃料电池。6.根据权利要求2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，燃料电池与超级电容器、充电电池一起作为第二能量源供uam飞行器在空中飞行时的电力能量补给时，其输出优先级低于超级电容器、充电电池。7.根据权利要求1或2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，所述无线充电器包括接收天线及整流电路，所述整流电路包括依次连接的低通滤波器、匹配电路及直通滤波器。8.根据权利要求1或2所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，所述能量管理控制器包括能量管理主控制器、多个转化器控制器及监控控制器，所述能量管理主控制器接收充电控制器及放电控制器的充放电信息并通过ems计算出
功率参考信号发送给相应的转化器控制器，转化器控制器将功率参考信号解耦成参考电压信号及电流信号，由监控控制器分别控制相应能量源的dc/dc转换，调节各个能量源到直流母线的电压及电流。9.根据权利要求8所述的一种基于微波无线供电的uam飞行器混合电力能量系统，其特征在于，各个能量源到直流母线的电压及电流直接为uam飞行器直流负载供电，并通过dn/ac转换后通过交流母线为uam飞行器的交流用电设备供电。

技术总结

本发明涉及UAM飞行器技术领域，尤其涉及一种基于微波无线供电的UAM飞行器混合电力能量系统，其包括能量补充系统、能量存储系统及地面微波供电设备；地面微波供电设备作为第一能量源且当能量有盈余时为超级电容器及充电电池充电；地面快速充电器作为第二能量源为超级电容器及充电电池充电；充电控制器负责控制无线充电及地面快速充电器充放电及其释放能量的顺序，并将信息发送给能量管理控制器；能量管理控制器控制放电控制器采用哪种能量源为UAM飞行器供电；放电控制器采用相应的能量源为UAM飞行器供电。本发明提供的系统有效克服了UAM飞行器受电力能源补给的限制的问题，并且能够有效保护充电电池、燃料电池及UAM飞行器用电设备免受电压波动的影响。行器用电设备免受电压波动的影响。行器用电设备免受电压波动的影响。