[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明属于电源技术领域，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。

背景技术

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。

常用的氢电复合电源拓扑结构(Applied Energy中发表文章Real-time energymanagement for fuel cell electric vehicle using speed prediction-based modelpredictive 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。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明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。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

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。

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。