飞机飞行参数测量系统的自主供电系统研究

2022-11-01潘磊磊谢树强陈占魁朱海斌徐杨明宋阳

科学技术与工程 2022年26期

潘磊磊，谢树强，陈占魁，朱海斌，徐杨明，宋阳

(1.嘉兴市柔性电子智能感知与先进制造技术重点实验室，嘉兴 314006; 2.浙江清华柔性电子技术研究院，嘉兴 314006； 3.成都飞机工业(集团)有限公司，成都 610092)

随着人工智能的发展，提升飞机智能自主飞行控制已成为主流发展趋势，而完善飞机飞行参数则是其重要依据。飞机作为复杂大型设备，其结构型面复杂程度高、监测节点多、测点分布广、服役环境较恶劣，传统有线测量方法难以满足对飞机飞行参数实时感知需求，也制约了飞机结构多点多源信号的采集，因此基于柔性电子技术[1]，将传感、采集、存储及传输等功能模块化、柔性化的柔性微系统，相比传统测量方法更加轻薄柔小，可与复杂结构共形安装、集成度更高，可实现飞机表面多点多源信号采集且采用无线方法进行数据传输，不需在结构表面布置冗余的线缆。

尽管柔性微系统具备诸多优势，但其仍需依靠电能驱动，若采用有线方式从飞机引出电源供电，将无法避免地会在飞机表面布置大量的供电线，这与采用柔性微系统监测飞机飞行参数的初衷相矛盾。因此，利用自然能源转化的电能作为柔性微系统的电源模块是一个极佳的方法。自然能源如太阳能、水能、潮汐能、地热能等凭借其清洁绿色可再生特性广受世界各国关注，学者们对自然能源的研究不断深入，提出了一系列将自然能源转化为电能的技术：为了更充分地利用太阳光照转化电能，张玉等[2]建立了太阳光照与地球大气层的几何模型，并由此推导得到基于天气聚类的太阳辐照度预测模型，对比测试结果表明该预测模型适应性强、准确率高、误差小；同时，张玉等[3]还基于天文学基础推导了光伏阵列辐射度计算公式，对桂林理工大学分布式光伏发电站的光伏阵列安装角度进行了研究，研究发现该光伏发电站的方位角为南偏西11.3°、倾斜角为27.5°时发电效率最高；周璐璐等[4]分析对比了太阳能的辐射热量分别用于燃煤机组回热系统、高压加热器及低压加热器时的经济性；杨帅等[5]以叶素-动量理论为基础建立了垂直轴风力机的矢量气动模型，提出了用于计算风力机风能利用系数的等效实度法，并通过仿真与试验验证了该方法的有效性；王呈轩等[6]提出了一种直流微网络拓扑结构，基于该结构研究了光伏直接给电动汽车供电的控制方法，Simulink仿真实验显示该方法在保证电动汽车稳定充电基础上可促进光伏消纳，输出功率稳定且充电效果好，具备可行性和有效性；李正阳等[7]提出了一种基于BQ25570的太阳电池能量采集与能源存储系统模块化设计，实现了对不同天气条件下太阳能的采集,并延长了系统的工作时间；尹文卓等[8]搭建了五种常用的微型太阳能收集系统,并在相同条件下进行了测试，研究发现最大功率点跟踪电路的能量收集效率取决于太阳电池板的参数和所用的电路结构。在多种自然能转化利用方面，陈会勇等[9]通过结合风力压缩空气蓄能技术、太阳能蓄热技术以及燃气-蒸汽联合循环发电技术，提出了一种新型的风能太阳能联合蓄能发电系统，该系统不仅效率高、供电也稳定，在经济、环境和社会效益方面具有一定价值。

综上，将自然能源转化为电能等能量形式以驱动设备正常运转的研究现已较为成熟，自然能源在我们周围环境中取之不尽，故很多场景中都可通过设计巧妙地利用自然能源[10-12]。以上研究均将自然能源用于发电站、电动车等领域，在飞机上的应用少有涉及，飞机表面有大量空间且飞行时可接收大量太阳光照，因此现研究将飞机外表面的太阳光照转化为电能，并为柔性微系统供电以保证飞机飞行参数采集的正常运行，以期实现太阳能转化利用在飞机上的应用，解决柔性微系统在飞机飞行时正常采集工作的供电问题。

1 自主供电系统设计

1.1 供电对象

为解决传统有线测量方法无法对飞机飞行参数实时监测的困难，需设计一款轻薄柔小的柔性无线采集系统，图1为该系统组成示意图。该柔性无线采集系统由自主供电系统、柔性复合传感测量模块、路由器及上位机4部分组成。其中路由器与上位机均可直接接入飞机自身电源，柔性复合传感测量模块则需设计一款专用的供电系统。

图1 柔性无线采集系统组成示意Fig.1 Composition of flexible wireless acquisition system

飞机飞行于高空时，太阳光照十分充足，故考虑将太阳能转化为电能从而为柔性复合传感测量模块供电。柔性复合传感测量模块内部硬件设计及功耗情况如图2所示，显然每个测量模块正常工作时功耗约为1.06 W，故设计的自主供电系统输出功率需大于1.06 W。

图2 柔性复合传感测量模块硬件组成及功耗Fig.2 Hardware composition and power consumption of flexible composite sensing and measurement module

1.2 系统硬件组成及设计

1.2.1 系统硬件组成

为保证柔性复合传感测量模块在复杂恶劣的高空飞行环境中的持续供电，提出了自主供电系统设计，如图3所示。

采用高转化率的柔性太阳能薄膜+DC-DC升压模块+分布式储能，组成整个自主供电系统。图3中DC-DC升压模块的作用是将柔性太阳能薄膜输出的电能进行升压调整，使其达到合适的输出电压(4.2 V/5 V)。为保证系统整体电源输出稳定，拟将柔性太阳能薄膜与超薄锂电池(后称锂电池)组合使用，并在电源接口处进行三防处理，具备防尘防雨等特性且在飞行过程中输出功率不受光照波动影响。图4展示了自主供电系统中的电流走向，柔性太阳能薄膜将转化的电能主要用于柔性复合传感测量模块供电，若电能充足则可给锂电池充电，若转化的电能不足以供模块运行，则由锂电池供电。

图3 自主供电系统组成示意图Fig.3 Composition of autonomous power supply system

图4 自主供电系统电流走向示意Fig.4 Schematic diagram of current trend of autonomous power supply system

1.2.2 系统硬件组成

柔性太阳能电池技术现已十分成熟，本文采用如图5所示的封装阻水膜的铜铟镓硒柔性太阳能薄膜作为自主供电系统的输入，表1为其电性能参数与尺寸参数。该款太阳能薄膜可输出2.0～3.5 V的直流电压，因此采用超低电压变换器(升压电压电路)。本电路方案采用集成IC方式设计，IC芯片采用PT1301，该芯片具有高效率，低电压启动，自适应pulse width modulation (PWM)反馈控制等功能。基于该款电源芯片设计得到2.0～3.5 V的光伏太阳能输入电压转4.2 V锂电池充电电压及5 V柔性复合传感测量模块供电电压的升压电路，如图6所示。

表1 柔性太阳能薄膜电性能与尺寸参数Table 1 Electrical properties and dimensional parameters of flexible solar film

图5 柔性太阳能薄膜Fig.5 Flexible solar film

该电源稳压电路输出电压的计算与图7中PR_FBT(R1)、PR_FBB(R2)两者的分压有关，则输出电压为

(1)

式(1)中：Vout为输出电压；Vref为PT1301芯片内部参考电压固定为1.25 V；R1、R2为分压电阻。

为保证供电系统不受光照波动影响，自主供电系统中设有可充放电的锂电池，故需对锂电池单独设计充放电管理电路。图7为设计的充放电管理电路原理图，在该电路中将锂电池充电状态分为涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止4个阶段。为便于了解锂电池充电情况，在电路中设置指示灯，表2为锂电池不同充电状态时指示灯亮灭情况。

表2 充电指示灯说明Table 2 Description of charging indicator

图7 锂电池充放电管理电路原理图Fig.7 Schematic diagram of ultra-thin lithium battery charge-discharge management circuit

2 自主供电系统测试

2.1 系统测试概况

基于前文设计的自主供电系统，利用导线将各部分按设计的方式连接，得到图8所示的自主供电系统整体实物，柔性太阳能薄膜厚度为0.28 mm、DC-DC模块厚度为3.5 mm、超薄锂电池厚度为3.1 mm，整个自主供电系统厚度均小于或等于柔性复合传感测量模块的厚度3.5 mm，具备贴装在飞机外表面的可行性。将太阳能薄膜粘贴到可持续接收太阳光照的金属板上，固定好DC-DC模块、锂电池及柔性复合传感测量模块，即可开展自主供电系统的性能测试，表3为自主供电系统性能测试过程所用的仪器清单。

表3 测试所用仪器清单Table 3 List of instruments employed during test

图8 自主供电系统整体实物图Fig.8 Overall physical drawing of autonomous power supply system

为确保自主供电系统可向柔性复合传感测量模块稳定供能，将其性能测试分为如下三部分测试：①测试光照下太阳能薄膜给锂电池的充电时长及太阳能薄膜输出电压变化；②测试锂电池单独给柔性复合传感测量模块的供电时长(满负载下)；

③测试太阳能薄膜与锂电池组合下，给柔性复合传感测量模块的供电时长。

2.2 系统充电时长测试

基于3.1节搭建了如图9所示的锂电池充电测试平台，并开展了锂电池不同初始电压的充电测试，测试中每隔10～20 min记录一次锂电池两端电压，直至锂电池充电至目标电压。利用该测试平台进行了连续7 d的锂电池充电测试，整理测试数据，可得电压从3.0 V逐次升到3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.17 V所需时间，如表4所示。基于锂电池电压是否接近初始电压与目标电压及测试时间段是否接近，选取锂电池充电至各指定电压所参考的主要数据，在表3中加粗显示，其中平均耗时计算方法为：①若参考数据耗时接近，则取各耗时数据的均值；②由于不同时间太阳光照强度不同，充电效果不一，导致部分参考数据耗时差距较大，如4.0 V升压至4.1 V各耗时数据中，光照强时耗时最小仅为29 min，光照弱时耗时最大需91 min，此时平均耗时不考虑极端测试情况的数据，故4.0～4.1 V平均耗时按第4天的14:07—15:15的数据计算。

图9 锂电池充电测试平台Fig.9 Lithium battery charging test platform

表4 锂电池充电至指定电压所需时间Table 4 Time required for charging lithium battery to specified voltage

依据上述方法可知利用设计的自主供电系统为锂电池充电时，锂电池电压由3.0 V升至3.7 V需耗时75 min左右，3.7～3.8 V需耗时50 min左右，3.8～3.9 V需耗时64 min左右，3.9～4.0 V需耗时60 min左右，4.0～4.1 V需耗时67 min左右，4.1～4.17 V需耗时44 min左右，3.0～4.17 V总耗时在296～386 min范围内(若光照条件良好锂电池充满电需296 min左右，光照条件差则需386 min左右)。汇总充电测试数据，可得到利用太阳能薄膜与DC-DC模块将锂电池从3.0 V充电至4.17 V的充电电压变化曲线，如图10所示。图10表明，96%的充电时间内太阳能薄膜输出电压大于3.2 V、DC-DC模块输出电压均稳定在5.11 V左右，表明在光照条件下太阳能薄膜及DC-DC模块均可按预期正常工作。

图10 锂电池充电电压曲线Fig.10 Charging voltage curve of lithium battery

2.3 系统供电时长测试

自主供电系统中，光照充足时柔性太阳能薄膜与锂电池均可为柔性复合传感测量模块供电，若光照不足或无光照则主要由锂电池供电，故搭建了图11和图12所示的锂电池单独供电与太阳能薄膜+锂电池组合式供电的测试平台。

利用图11的锂电池单独供电测试平台进行两次完整的锂电池单独供电测试，每次测试锂电池均从满电状态供电至柔性复合传感测量模块停止工作，柔性复合传感测量模块采样频率均调整至传感器所能达到的最大采样频率，每隔30 min左右测量一次锂电池电压，整理测试数据，得到两次测试中锂电池单独供电曲线，如图13所示。两次测试中，满电状态下的锂电池可维持柔性复合传感测量模块以最大采样率工作时间分别为624 min、626 min，且锂电池在4.17～3.7 V内变化趋势较为缓慢，3.7～3.0 V内变化趋势相对加快。

图11 锂电池单独供电测试平台Fig.11 Lithium battery separate power supply test platform

图12 柔性太阳能薄膜+锂电池组合供电测试平台Fig.12 Flexible solar film + lithium battery combined power supply test platform

利用图12的测试平台在不同天气情况下测试太阳能薄膜+锂电池组合供电时长，测量并记录测试过程中锂电池电压及太阳能薄膜输出电压，如图14所示。其中第1部分数据为晴天、太阳能薄膜全程处于光照条件下测得；第2部分为晴天、部分时间无光照条件下测试所得数据；第3部分测试环境为阴天、全程无光照；第4部分为阴天、部分时间有光照时测试数据。

图14表明，在晴天全程有光照条件下，太阳能薄膜转化的电能不仅可供柔性复合传感测量模块满负载运行，还可实现锂电池充电，故锂电池电压整体保持上升状态；在晴天部分时间无光照条件下，当有光照时锂电池可进行充电、无光照时则主要由锂电池给复合传感测量模块供电，故此时锂电池电压同时存在上升和下降的趋势；在阴天全程无光照情况下，全程均由锂电池供电，此时锂电池电压缓慢下降，与锂电池单独供电曲线类似；阴天、部分时间有光照情况与晴天、部分时间无光照情况类似，有光照时锂电池充电、无光照时锂电池供电，但锂电池电压降低至3.51 V左右则无法满足柔性复合传感测量模块满负载工作。太阳能薄膜+锂电池组合供电测试共持续4 d，初始电压为4.15 V的锂电池电压降为3.51 V，柔性复合传感测量模块满负载工作了1 678 min，大于飞机的一般航行时间，故本文所设计的自主供电系统可满足飞机正常飞行时的参数测量需求。