摘 要

无人机在现代侦查、农业及消费领域应用越来越广泛。当前无人机的电池主要以锂聚合物电池为主，特点是能量密度大、重量轻等等，但仍存在寿命不足等问题。将锂电池与超级电容混合组成混合电源，可以充分发挥锂电池与超级电容的优点，但两个能量源的控制与管理还需进一步优化。本文基于以上研究背景，开展基于锂电池与超级电容混合的消费级无人机动力系统研究，主要研究内容如下：

通过无人机对于动力电池的要求，提出并设计了锂电池与超级电容组成的混合动力系统的拓扑结构设计，对常用的拓扑结构进行比较之后，选择了DC/DC能量调节器并联式结构。在此基础上，设计了基于DC/DC输出的混合动力系统能量控制策略，研究了超级电容SOC控制的动态规划算法并对此算法进行了优化。为了对消费级无人机动力系统进行性能测试，本文采集了无人机的电机转速、电机扭矩、电机需求功率、锂电池输出功率以及超级电容输出功率这五项性能指标，并用Matlab软件绘制出这五项指标随时间变化的曲线，对其进行了分析。

关键词：锂电池；超级电容；控制策略；性能测试

Abstract

UAV in modern detection, agriculture and consumption applications more and more widely. The current UAV battery mainly lithium polymer battery-based, characterized by energy density, light weight, etc., but there are still problems such as lack of life. Lithium battery and super capacitor mixed power supply, you can give full play to the advantages of lithium batteries and super capacitors, but the two energy sources of control and management need to be further optimized. Based on the above research background, this paper studies the power system of consumer unmanned aerial vehicles based on the combination of lithium battery and super capacitor. The main contents are as follows:

The topology of the hybrid system composed of lithium battery and super capacitor is proposed and designed by the technology of UAV for power battery. After comparing the commonly used topology, the DC / DC energy regulator parallel structure is selected. On this basis, the energy control strategy of hybrid system based on DC / DC output is designed, and the dynamic programming algorithm of super capacitor SOC control is studied and the algorithm is optimized. In order to test the performance of the unmanned aerial vehicle (UAV), this paper collects the five performance indexes of the motor speed, motor torque, motor demand power, lithium battery output power and super capacitor output power of the UAV. The five indicators of the curve with time, its analysis.

Key words: Lithium battery; Super capacitor; Control strategy; Performance test

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 锂电池的研究现状与前景 2

1.3.2 超级电容的研究现状 3

1.3.3 混合电源控制策略的研究现状 4

1.4 主要研究内容 4

第2章 混合动力系统结构设计 5

2.1 无人机对动力电池的要求 5

2.2 混合电源特性分析 5

2.2.1 磷酸铁锂电池 5

2.2.2 超级电容特性分析 7

2.3 混合动力系统拓扑结构设计 10

2.3.1 结构对比 10

2.3.2 DC/DC并联式结构设计 10

2.4 本章小结 13

第3章 混合动力系统能量控制策略研究 14

3.1 混合动力系统工作模式 14

3.2 基于DC/DC输出的能量控制策略 17

3.2.1 DC/DC控制模式选择 17

3.2.2 DC/DC控制方法 18

3.3 基于多目标动态规划的控制策略研究 19

3.3.1 超级电容SOC值控制的动态规划算法 19

3.3.2 算法优化 22

3.4 本章小结 23

第4章 实验及结果分析 24

4.1 混合动力系统性能数据采集 24

4.2 工况运行结果分析 24

4.3 本章小结 28

第5章 全文总结与展望 29

5.1 全文工作总结 29

5.2 展望 29

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

当今世界，许多领域都趋向于环保和节约能源。在利益驱使下，各国都争先恐后的发现经济，但随之而来的是环境与经济发展的不统一，寻求和开发绿色并且高效的能源储备装置势在必行。研究和开发环保节能的动力系统能够从一定程度上缓解和改善上述问题和状况。

消费级无人机主要对象是个人用户，一般是小型的无人机。小型的无人机由于体积小、重量轻、成本相对较低等特点被广泛应用于军事和民用领域。小型无人机采用的动力装置一般为内燃机或者电动机。目前，电动无人机由于其操作简单、易维护等特点，具有较高的应用价值。然而电池的能量密度比燃油要小得多，严重限制了无人机的续航与加减速等重要性能，在设计中就需要多方面的考虑动力系统。

动力系统是无人机的心脏，为了开发出性能良好并且满足消费者需求的无人机，需要解决动力系统的能源供应问题。目前，动力电池可以分为三类：化学电池、生物电池以及物理电池。实用的动力蓄电池主要有锂电池、镍铬电池等。