一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置及无人机的制作方法

1.本实用新型属于无人机动力机械技术领域，更具体地，涉及一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置及无人机。


背景技术：

2.航空活塞发动机凭借其体积小、成本低、工作可靠等优点，受到了广大中大型无人机厂商的青睐。但航空活塞发动机热效率较低且油耗普遍偏高，极大限制了中大型无人机的续航时间和航程，为此无人机厂商开始寻求新的动力方案来提高中大型无人机的战术性能指标。随着科技的发展，油电混合动力技术已经广泛应用在汽车上，并已经进入民用市场。但通用航空领域融入混合动力的技术还在试验起步阶段。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置，该混合动力装置通过对能源综合优化利用，将发动机推进和电力推进有效的结合在一起，且将航空活塞发动机排气余热高效回收用于蓄电池充电，可以有效降低能源消耗和减少污染物排放，具有良好的发展前景。与传统无人机动力系统相比，新型油电混合动力装置的引入可以大大减少飞行成本，同时也会极大地增加中大型无人机的续航时间和航程。
4.为了实现上述目的，本实用新型提供一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置，具有电动系统和燃油系统，所述电动系统包括控制器和电动机，所述燃油系统包括发动机和节气门，所述节气门设置有节气门舵机，包括：
5.发动机排气余热回收系统和蓄能充电系统，所述发动机排气余热回收系统与所述燃油系统连接，所述蓄能充电系统与所述电动系统连接，发动机排气余热回收系统能够利用所述燃油系统的废热进行废热发电，所述蓄能充电系统能够储存所述废热发电并为电动系统供电；
6.混合动力输出系统，所述混合动力输出系统与所述电动系统和所述燃油系统连接，能够控制所述电动系统和/或所述燃油系统输出动力；
7.采集控制系统，所述采集控制包括控制结构和监测结构，能够控制和监测所述发动机排气余热回收系统、所述蓄能充电系统和所述混合动力输出系统的工作参数。
8.可选地，所述监测结构包括采集模块和多个传感器，所述采集模块的与所述控制结构通讯连接，多个所述传感器能够监测所述可用于中大型无人机的油电混合动力装置的各部件运行状况。
9.可选地，所述发动机排气余热回收系统包括有机朗肯循环回路，所述有机朗肯循环回路包括首尾连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、流量计、储液罐、工质过滤器和工质泵，所述蒸发器与所述发动机连接。
10.可选地，所述控制结构包括：
11.第一电动阀，所述第一电动阀设置在所述冷凝器进水口上；
12.第二电动阀，所述第二电动阀设置在所述储液罐和所述工质过滤器之间；
13.控制单元，所述控制单元与所述第一电动阀、第二电动阀和所述监测结构连接。
14.可选地，所述蓄能充电系统包括蓄能充电回路，所述蓄能充电回路包括首尾连接的发电机、整流器、充电器、开关继电器和蓄电池，所述蓄电池与所述控制器连接。
15.可选地，所述混合动力输出系统包括转矩合成/分离器，所述转矩合成/分离器的一端设置有变速箱，所述变速箱与螺旋桨连接，所述转矩合成/ 分离器的另一端同时与所述发动机和所述电动机连接。
16.可选地，多个所述传感器包括：
17.压力传感器，设置在所述蒸发器和所述膨胀机之间连接的工质管路上；
18.流量计，设置在所述冷凝器和所述储液罐之间的工质管路上，
19.第一温度传感器，设置在所述发动机和所述蒸发器之间连接的排气管路上；
20.第二温度传感器，设置在所述蒸发器和所述膨胀机之间连接的工质管路上；
21.第三温度传感器，设置在所述蒸发器远离所述膨胀机的一侧排气管路上；
22.第四温度传感器，设置在所述第一电动阀和所述冷凝器之间连接的冷却水管路上；
23.第五温度传感器，设置在所述冷凝器远离所述第一电动阀的一侧的冷却水管路上；
24.节气门位置传感器，设置在所述节气门上；
25.螺旋桨转速传感器，设置在所述螺旋桨的侧方支架上；
26.发动机转速传感器，与所述发动机的曲轴连接。
27.可选地，所述监测结构还包括储存模块，所述储存模块能够储存多个所述传感器的监测数据。
28.可选地，还包括旁通阀，所述旁通阀与所述蒸发器并联，所述旁通阀与所述控制单元连接。
29.一种无人机，包括基上述的可用于中大型无人机的油电混合动力装置。
30.本实用新型提供一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置，其有益效果在于：
31.1、该混合动力装置通过对能源综合优化利用，将发动机推进和电力推进有效的结合在一起，且将航空活塞发动机排气余热高效回收用于蓄电池充电，可以有效降低能源消耗和减少污染物排放，具有良好的发展前景。与传统无人机动力系统相比，新型油电混合动力装置的引入可以大大减少飞行成本，同时也会极大地增加中大型无人机的续航时间和航程。
32.2、该混合动力装置通过有机朗肯循环系统回收航空活塞发动机排气余热，用于蓄电池充电，可以提高能源利用率，极大的提高无人机续航时间和航程。
33.3、该混合动力装置利用转矩合成/分离器将燃油动力输出线路和电能输出线路耦合，两条动力输出线路既可以单独工作，又可以协同工作，使无人机的动力系统更加灵活，能够满足不同飞行工况需求，达到战术性能指标。
34.4、该混合动力装置回收发动机排气余热的有机朗肯循环系统结构简单，回收效率
高，可以实现产业化；作为关键部件的传动机构(转矩合成/ 分离器等)，是成熟技术。可靠性高、能量损失少，结构简单、装置结构紧凑，便于实现标准化和产品化。
35.本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
36.通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
37.图1示出了根据本实用新型的一个实施例的一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置的示意图。
38.附图标记说明：
39.1、电子控制单元；2、采集模块；3、发动机；4、节气门位置传感器； 5、节气门；6、发动机转速传感器；7、转矩合成/分离器；8、变速箱；9、螺旋桨；10、冷凝器；11、电动机；12、控制器；13、蓄电池；14、第一温度传感器；15、旁通阀；16、膨胀机；17、发电机；18、整流器；19、第一电动阀；20、工质流量计；21、储液罐；22、第二电动阀；23、工质过滤器；24、工质泵；25、压力传感器；26、第二温度传感器；27、蒸发器；28、第三温度传感器；29、节气门舵机；30、充电器；31、第四温度传感器；32、第五温度传感器；33、开关继电器；34、螺旋桨转速传感器。
具体实施方式
40.下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然以下描述了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
41.图1示出了根据本实用新型的一个实施例的一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置的示意图。
42.如图1所示，一种可用于中大型无人机的油电混合动力装置，具有电动系统和燃油系统，电动系统包括控制器12和电动机11，燃油系统包括发动机3和节气门5，节气门5设置有节气门舵机29，包括：
43.发动机3排气余热回收系统和蓄能充电系统，发动机3排气余热回收系统与燃油系统连接，蓄能充电系统与电动系统连接，发动机3排气余热回收系统能够利用燃油系统的废热进行废热发电，蓄能充电系统能够储存废热发电并为电动系统供电。
44.混合动力输出系统，混合动力输出系统能够与电动系统和燃油系统连接，能够控制电动系统和/或燃油系统输出动力；
45.采集控制系统，采集控制包括控制结构和监测结构，能够控制和监测发动机3排气余热回收系统、蓄能充电系统和混合动力输出系统的工作参数。
46.具体的，节气门舵机29通过拉线控制节气门5开度，进而调整发动机 3的运行工况，通过发动机3排气余热回收系统回收燃油系统的废热发电，使蓄能充电系统能够补充电能提高续航，同时通过混合动力输出系统根据不同飞行状况使燃油系统和电动系统系统工作或独立工作，采集控制系统实时监控各系统工作状态，并根据飞行状态进行调控，保证飞
行稳定。
47.进一步，当无人机处于起飞工况、爬升工况或需要大功率推进时，发动机3和电动机11协同工作，通过混合动力输出系统将发动机3和电动机 11扭矩合成进而传递给螺旋桨9，保证无人机获得最大推力；当无人机处于长时间巡航工况下，则采用燃油动力输出路线单独工作，利用发动机3 排气余热回收系统回收燃油系统的废热发电再次用于动力输出；当无人机需要安静飞行或处于下滑工况时，通过控制结构，切换为电动系统，此时发动机3处于停车状态，由电动机11驱动螺旋桨9工作。
48.在本实施例中，监测结构包括采集模块2和多个传感器，采集模块2 的与控制结构通讯连接，多个传感器能够监测可用于中大型无人机的油电混合动力装置的各部件运行状况。
49.具体的，采集模块2通过各类传感器实时监测发动机3排气余热回收系统、蓄能充电系统、混合动力输出系统内主要工作参数，包含发动机3 转速、螺旋桨9转速、有机工质流量、温度和压力等数据，并具备存储记录功能，便于进行飞行数据分析工作。
50.在本实施例中，发动机3排气余热回收系统包括有机朗肯循环回路，有机朗肯循环回路包括首尾连接的蒸发器27、膨胀机16、冷凝器10、流量计20、储液罐21、工质过滤器23和工质泵24，蒸发器27与发动机3连接。
51.具体的，发动机3的高温尾气经排气管路进入蒸发器27，在蒸发器27 内高温尾气将热量传递给有机工质，使液态有机工质变为高温高压气态有机工质，进入膨胀机16内做工，带动发动机3工作发电，从而将高温高压的气态有机工质所携带的能量转化为电能，经蓄能充电系统给蓄电池13充电，再次用于动力输出，通过有机朗肯循环回路回收航空活塞发动机3排气余热，用于蓄电池13充电，可以提高能源利用率，极大的提高无人机续航时间和航程。
52.进一步蒸发器27出口、膨胀机16、冷凝器10、流量计20、储液罐 21、第二电动阀22、工质过滤器23、工质泵24、蒸发器27入口依次相连组成有机朗肯循环回路，上述连接为管路连接。
53.在本实施例中，控制结构包括：
54.第一电动阀19，第一电动阀19设置在冷凝器10进水口上；
55.第二电动阀22，第二电动阀22设置在储液罐21和工质过滤器23之间；
56.控制单元1，控制单元1与第一电动阀19、第二电动阀22和监测结构连接。
57.具体的，通过控制单元1控制第一电动阀19和第二电动阀22，通过第二电动阀22控制有机朗肯循环回路的通断，通过第一电动阀19控制冷凝器10。
58.在本实施例中，蓄能充电系统包括蓄能充电回路，蓄能充电回路包括首尾连接的发电机17、整流器18、充电器30、开关继电器33和蓄电池 13，蓄电池13与控制器12连接。
59.具体的，发电机17与膨胀机16同轴连接，膨胀机16转子高速旋转带动发电机17工作发电，发电机17与整流器18、充电器30、开关继电器 33、蓄电池13依次连接组成蓄能充电回路，上述连接为电路连接。
60.在本实施例中，混合动力输出系统包括转矩合成/分离器7，转矩合成 /分离器7的一端设置有变速箱8，变速箱8与螺旋桨9连接，转矩合成/分离器7的另一端同时与发动机3和电动机11连接。
61.具体的，蓄电池13、控制器12、电动机11、转矩合成/分离器7、变速箱8、螺旋桨9依次连接，组成电能动力输出路线；节气门舵机29、节气门5、发动机3、转矩合成/分离器7、变速箱8、螺旋桨9依次连接，组成燃油动力输出路线；根据无人机工况不同，能够采取两条动力输出路线单独工作或协同工作的方式，依靠转矩合成/分离器7实现发动机3和电动机11分别或共同驱动螺旋桨9。
62.在本实施例中，多个传感器包括：
63.压力传感器25，设置在蒸发器27和膨胀机16之间连接的工质管路上；
64.流量计20，设置在冷凝器10和储液罐21之间的工质管路上，
65.第一温度传感器14，设置在发动机3和蒸发器27之间连接的排气管路上；
66.第二温度传感器26，设置在蒸发器27和膨胀机16之间连接的工质管路上；
67.第三温度传感器28，设置在蒸发器27远离膨胀机16的一侧排气管路上；
68.第四温度传感器31，设置在第一电动阀19和冷凝器10之间连接的冷却水管路上；
69.第五温度传感器32，设置在冷凝器10远离第一电动阀19的一侧的冷却水管路上；
70.节气门5位置传感器4，设置在节气门5上；
71.螺旋桨转速传感器34，设置在螺旋桨9的侧方支架上；
72.发动机转速传感器346，与发动机3的曲轴连接。
73.具体的，发动机转速传感器346一端与发动机3曲轴连接，另一端与采集模块2相连；压力传感器25一端设置在蒸发器27和膨胀机16连接的工质管路上，另一端与采集模块2相连；流量计20设置在冷凝器10与储液罐21连接的工质管路上，与采集模块2相连；节气门5位置传感器4设置在节气门5上，另一端与采集模块2相连；螺旋桨转速传感器34一端安装在螺旋桨9的侧方支架上，另一端与采集模块2相连；第一温度传感器 14一端设置在发动机3与蒸发器27连接的排气管路上，另一端与采集模块 2相连；第二温度传感器26一端设置在蒸发器27和膨胀机16连接的工质管路上，另一端与采集模块2相连；第三温度传感器28一端设置在蒸发器 27另一侧排气管路上，另一端与采集模块2相连；第四温度传感器31一端设在第一电动阀19与冷凝器10连接的冷却水管路上，另一端与采集模块2 相连；第五温度传感器32一端设置在冷凝器10另一侧冷却水管路上，另一端与采集模块2相连；采集模块2与电子控制单元1通过电路连接；节气门舵机29布置在节气门5前端，通过拉线控制节气门5，另一端与电子控制单元1连接；旁通阀15布置在排气管路上，另一端与电子控制单元1 连接；第一电动阀19布置在储液罐21和工质过滤器23连接的工质管路上，另一端与电子控制单元1连接；第二电动阀22布置在冷凝器10前端的冷却水管路上，位于第五温度传感器32之前，另一端与电子控制单元1 连接；开关继电器33一端设置在充电器30和蓄电池13之间的电路上，另一端与电子控制单元1连接。
74.进一步，第一温度传感器14、第三温度传感器28为k偶温度传感器，总长度100mm，传感器采用金属外壳封装，量程范围0℃～1000℃，测量精度为
±
1℃；
75.第二温度传感器26、第四温度传感器31和第五温度传感器32为铂电阻温度传感器，总长度28mm，传感器采用金属外壳封装，量程范围
ꢀ‑
50～220℃，测量精度为
±
0.3℃；
76.压力传感器25为cyb-20s压力传感器，为圆柱体结构，柱体直径 28mm，高度115mm，量程范围0bar～10bar，测量精度可达
±
0.02bar
77.在本实施例中，监测结构还包括储存模块，储存模块能够储存多个传感器的监测
数据。
78.在本实施例中，还包括旁通阀15，旁通阀15与蒸发器27并联，旁通阀15与控制单元1连接。
79.具体的，通过旁通阀15保护蒸发器27，避免气压过大损坏蒸发器 27。
80.一种无人机，包括上述的可用于中大型无人机的油电混合动力装置。
81.本实施例混合动力装置装置使用时，以有油电混合无人机为例，当无人机处于起飞工况、爬升工况或需要大功率推进时，发动机3和电动机11 协同工作，通过扭矩合成/分离器7将发动机3和电动机11扭矩合成进而传递给螺旋桨9，保证无人机获得最大推力。此时，电子控制单元1关闭第二电动阀22，断开有机朗肯循环回路，同时打开旁通阀15，防止发动机3 排气背压过高，影响发动机3正常工作。当无人机处于长时间巡航工况下，则采用燃油动力输出路线单独工作方案。发动机3高温尾气经排气管路进入有机朗肯循环回路中的蒸发器27，在蒸发器27内将高温尾气所携带的热量传递给有机工质，使其变为高温高压气态有机工质，进入膨胀机16 内做工，带动发动机3工作发电，从而将高温高压的气态有机工质所携带的能量转化为电能，经蓄能充电系统给蓄电池13充电，再次用于动力输出。当无人机需要安静飞行或处于下滑工况时，通过电子控制单元1和转矩分离器7，切换为电能动力输出路线工作，此时发动机3处于停车状态，由电动机11驱动螺旋桨9工作。
82.以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。