摘要：随着多电/全电飞机的发展，对电源系统的配置、管理、故障检测与诊断以及可靠性提出了更高的要求，促使飞机配电技术向着大功率和智能化方向发展。本文首先分析了大型无人机供配电系统的特点，其次综述了配电系统从常规配电式，远程控制式，自主管理式，到智能管理，模块化、小型化发展的各个阶段，最后详细介绍了当前智能配电系统的3种应用手段，并总结出智能配电系统的总体结构。可为大型无人机智能配电系统关键技术的研究提供借鉴。

关键词：大型无人机;配电系统;智能管理

1大型无人机的特点

大型无人机是一种典型、特殊的多电/全电飞机[1]，通过使用更高效可靠的电能替代传统的气压、液压和机械能，可以减小飞机的体积和重量，提高燃油经济性，减少尾气排放，缓解环境问题，降低运营成本。

多电飞机的次级能源系统广泛利用电能替代气压能和液压能，将传统飞机的供配电系统和用电系统统一集中到同一系统内，统一规划、管理和控制飞机执行任务所需各项能源，故多电飞机的特征表现为具有大容量供电系统和广泛使用电力作动技术。我国自主研制的大型客机C919，其中也采用了部分多电飞机技术，如先进的电传操纵和主动控制技术以及电-液操纵系统。

2机载电源系统

大型无人机机载电源系统的典型特征为采用单发电机，2KW～10KW功率范围，低压直流供电，集中双线制配电，高可靠性要求等[1]，主要由发电机及控制器、配电设备、二次电源、应急电源等组成。

大型无人机机载电源系统的主要功能是产生符合相关标准的电能并按相应配电逻辑输送给全机用电设备[3]。随着机载大功率电气设备的增多和二次能源的电气化，机载电源系统在航空机电系统中的作用越来越重要，其中配电系统的结构也越来越复杂[5][6]。

3智能机载配电系统

大型无人机作为典型、特殊的多电飞机，因为缺少人的判断与控制，对系统的可靠性有了更高的要求[2]。配电系统能否保证可靠、充裕的能源分配，直接决定飞机飞行任务的顺利完成。

3.1配电系统的发展

配电系统的发展大致经历了如下六个主要阶段[7][10]：

第一个阶段：以熔断器为主的配电装置在飞机电源系统中发挥着重要作用。

第二个阶段：通过断路器和接触器，实现对机上用电负荷的供电管理，处理配电故障，是应用范围最广的主要配电系统。由于这种配电方式不具备遥控功能，断路器跳闸后，系统无法自主重构，必须手动复位，降低了系统的可维护性。

第三个阶段：遥控式配电方法。具备远程遥控特性，通过人工干预发出指令的方式实现配电管理，采用继电器+熔断器和简单的过流保护电路来处理配电故障。无人机和航天器多采用该方法进行配电管理。但是其控制线路多，操作起来不够简便，且额外的控制线路和设备增加了飞机的重量。

第四个阶段：自主管理阶段，又称初级配电智能管理阶段。采用固态功率配电技术来解决配电系统故障和日常的自主管理。引入故障隔离和系统重构技术、蓄电池充放电和再调整的自主管理技术。如全电飞机负载管理和故障自主管理技术。

第五个阶段：智能管理阶段。具备自主故障监测、诊断功能，并且采用专家系统参与系统故障监测、预测和故障管理。

第六个阶段：指结合模块化设计的相关技术。随着无人机、空间机器人、小卫星等前沿科技领域的快速发展，对配电系统的智能化、小型化要求越来越高，美国航空航天局在系统智能控制的理论基础上提出了设备与元器件的智能化、模块化、小型化理论。采用了电气负载优先级自动管理、故障隔离与重构、系统健康管理等技术。

相比于传统常规配电系统，智能配电系统的主要优点如下：

（1） 减轻系统总重量，提高飞机配电系统效率。传统配电系统采用机械式开关式断路器、接触器等控制装置，具有操作方便、性能稳定等优点，但随着飞机数字化、智能化水平的日益提高，其在实际使用过程中存在的可维护性和扩展性差等问题，已完全无法适应具备自主控制且对负载要求严格的大型无人机。而智能配电系统中所采用的MOS场效应管，具有体积小、功耗低、耐高温、导通损耗低、响应速度快、可远程控制等一系列优点[7]，能够更好地应用于大型无人机。

（2） 提高飞机配电系统的可维护性与安全性。飞机智能配电系统还具有监控、采集、智能保护和存储工作状态的功能。借助地面装置，维护人员能够实现对机上用电设备的远程控制、状态监控和故障诊断;

（3） 电气负载自动管理。智能配电系统通过控制总线与上位机进行数据交互，反馈其工作状态信息并接收控制信号，监测用电负载状态来采集飞机状态数据，通过内部控制总线与固态功率控制器进行数据交互，对机上用电设备进行供电控制，根据飞机的各种运行状态和实际的机上负载运转状态，进行自动供电负载管理。为便于故障诊断和飞机维护，该系统可对负载的故障模式进行实时判断，并能够实现配电系统的自主重构，若产生故障可自动记录并存储故障信息。

3.2基于余度和容错技术的高可靠机载智能配电系统

为满足系统的可靠性要求，机载配电系统常常采用高可靠性组件，但是仅仅通过使用高可靠性组件的方法提高可靠性，不能满足大型无人机对配电系统可靠性的要求。且在实际航空供电系统中，大型无人机不仅对机载配电系统的可靠性有要求、而且对其体积和重量都有严格的量化指标要求。

针对上述问题，徐金权等人提出一种适用于大型无人机的集散式和分层总线式的配电系统体系结构[2]，其采用分层总线结构，缓解了飞控系统与各系统任务平台之间大量信息交互导致的航空电子总线带宽资源紧张的问题，而采用供电处理机（PSP）与航空电子总线连接，缓解了上述问题。由于单发动机和单发电机为大型无人机通常采用的系统配置，电气系统集成度高，配电结构较为集中，与有人飞机相比，体积和用电容量小、用电设备少。所以，相较于分布式配电，集散式配电的体系结构更适于大型无人机。

3.2.1余度结构优化配置

配电系统的PSP和ELMC[8]余度结构形式的选择，可以直接提高机载配电系统可靠性。综合考虑大型无人机对配电系统可靠性、重量、体积和容错能力的要求，其机载智能配电系统可采用二余度PSP和三余度ELMC的余度结构形式。

3.2.2余度管理策略

为使系统具有一定的容错能力，通过研究机载配电系统的架构及余度配置，在硬件上，采用热备份的工作模式，即两余度PSP和三余度ELMC同时上电，配电通道由主余度PSP和ELMC构成，来对负载配电。备份余度CPU只负责监控机载电气系统的状态。当主余度CPU出现故障时，立刻切换到备份余度CPU。在软件上，使用基于总线形式的PSP与ELMC相互监控的方法来解决二余度系统的故障检测问题，使余度机载配电系统能够及时准确地检测出余度系统的故障并对故障进行有效处理，有效地解决了三余度系统的二次故障容错问题。

3.3电源自主控制电子系统（ACES）

美国航天飞机的电源自主控制电子系统[10]，采用故障隔离和系统重构管理技术来处理供配电系统的安全性和可靠性问题。该系统的主要功能包括：

①负载过流保护与故障恢复功能。当用电负载出现过载时，控制器切断该负载与母线的连接，并在一定延时后复位负载，以区分故障过载与短期过载，在多次发生过载后，控制器会永久性地将负载从母线断开。

②电源故障状态下的系统重组。当电源供电效率因故障下降时，电源管理系统会按照优先级顺序关闭部分低优先级负载，及时切换到应急电源，以保证主飞行任务的能源需求。

ACES降低了航天员的工作强度，防止了误操作，提高了供配电管理的可靠性和安全性。这种设计方法后来也被推广到多电/全电飞机的设计中，当前先进飞机包括无人机等均采用了与此技术相关的智能电气负载管理系统。

3.4设备级的智能化管理系统

在系统级能源智能化管理技术的基础上，喷气推进实验室（JPL）进一步提出了设备级和部件级的能源智能化管理思想。该系统通过监测、记录和统计分析关键器件的短期应力事件（热应力），来评估设备的性能和健康状况。部件级的智能化管理技术以DC/DC模块变换控制为代表，通过智能化管理与外部环境相适应，提供最优的非线性控制，使其工作在最佳工作点，同时对其故障进行监控。

国外还提出了元器件智能化能源管理技术的理念，通过选择在非繁忙时段降低工作频率或进入空闲状态的自主能源管理方法，降低CPU、RAM等大功率设备的功耗，提高能源利用率，延长其工作寿命。

3.5智能配电系统的应用及技术发展水平

自主管理阶段：航天飞机、全电飞机，引入故障隔离和系统重构技术，蓄电池在轨充放电管理、再调整自主管理技术;

智能管理阶段：空间站，引入专家系统参与系统故障监测、预测和故障管理;

模块化、小型化阶段：“全球鹰”无人机，引入设备、元器件的模块化、小型化、智能化概念。

3.6智能配电系统的总体结构

飞机配电系统是飞机机载系统正常运转的基础平台，在飞机的整个工作状态中均起着关键作用，而大型无人机由于缺乏人的判断与控制，对其配电系统的可靠性提出了更高的要求。因此，系统的可靠性、准确性和可维护性是其设计的基本要求。

大型无人机智能配电系统通过实时采集配电设备和用电负载的状态信息，利用计算机对各种状态信息进行分析，获取配电系统的运行状态，及时发现并定位、隔离故障。根据飞行任务和配电系统的状态，决策能源分配和负载管理;同时，借助地面专家系统，预测配电系统的健康状况，进行故障诊断和能源预计，协助参与大型无人机的管理和任务调度。

4总结与展望

本文首先系统介绍了大型无人机的结构，然后描述了大型无人机电源系统及其机载配电系统的特点。目前国内飞机配电系统大多数仍然是以断路器和接触器为功率开关，结合电源控制装置为主的常规配电方式，关于智能配电技术的研究起步较晚但发展迅速。本文根据国内外主要的三种智能配电应用技术与场景，总结出大型无人机智能配电系统的总体结构，可为相关领域的研究提供借鉴。

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