柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统

技术领域

本发明涉及一种电力电子及自动化控制领域，尤其涉及柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统。

背景技术

太阳能无人机具有零排放、无污染、噪声低、隐身性能好的特点，在军事和民用应用中备受青睐，涉及边境军事巡逻、火星探测、应急搜救、地质环境监测、构建通讯中继平台等诸多方面。利用轻质太阳能电池组件构建光伏阵列，通过单独MPPT控制器输出光伏峰值功率，这种集中式配置方案容易因外界遮挡和灰尘积累引起太阳能电池工作的不一致性，使得太阳能电池的功率-电压特性曲线具有明显的非线性且有多个峰值点，导致系统的功率失配问题很严重。分布式能源系统则基于太阳能电池组件，组件级MPPT控制器进行设计，极大缓解了集中式系统存在的不足。锂电池作为无人机的典型动力源，除了为负载供电外，还将多余的能量进行存储，以提高续航能力，为保证整机安全性，太阳能无人机很少对锂电池的充放电进行管理，导致锂电池寿命严重降低。随着电力电子技术的发展，GaN MOSFET驱动技术已很成熟，依据高频电力电子技术，实现更高的能量密度，利用柔性电路板重量轻、厚度薄、柔软可弯曲、散热性好等优势，在分布式能源系统中，提高系统能量密度，提高可维护性，实现轻量化、柔性设计成为太阳能无人机总体设计目标之一。提高无人机能源系统的可靠性和鲁棒性，进行冗余设计，保证安全性，建立稳健的数据通信协议等是柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统响应当前热点问题(电动无人机发展)的重要研究内容。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统。

一种柔性智能体，包括：发电模块以及储能模块；

其中，发电模块包括：柔性光伏组件和柔性MPPT控制器；所述柔性光伏组件采用若干柔性太阳能电池单体组阵而成；

其中，储能模块包括：柔性锂电池、柔性BMS控制器；所述柔性锂电池用于为负载提供能量以及存储柔性光伏组件传递的能量(具有大维度范围弯曲的所述柔性锂电池在柔性BMS控制器的控制下能够实时为负载提供能量和存储除负载需求外的剩余太阳能)；所述柔性BMS控制器用于柔性锂电池SOC的在线计算(关于BMS控制器计算SOC的内容，参考现有文献：李昊阳.电动汽车锂电池建模及SOC计算方法研究[D].长春：吉林大学，2020.)、充放电电流的监测、锂电池温度的监测与控制及加热控制(具有利用电热丝加热锂电池到恒定温度的功能，保证无人机高寒环境下作业时，锂电池的能量输出不会受到巨大的影响)；

所述发电模块的输出端分别与负载和储能模块的柔性锂电池连接；

所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电(即控制输出电压和输出电流)，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池充电(即控制向柔性光伏组件向柔性锂电池的输出电流)；

所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；所述储能模块的输入端与所述发电模块的输出端连接，以便存储柔性光伏组件供应负载功率需求外剩余的能量；

所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件向负载供电，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池提供能量；

所述储能模块的输出端与负载连接，以便柔性锂电池为负载供电；

所述BMS控制器将柔性锂电池当前的SOC，充、放电电流，锂电池温度数据传送给柔性MPPT控制器；

MPPT控制器根据BMS控制器传递来的SOC、充电电流来控制柔性光伏组件向柔性锂电池的输出电流。

进一步，所述柔性MPPT控制器用于控制柔性光伏组件的输出电流的方法为：

S1，计算调整的电流I

I

式中，I

S2:

S2-1，若I

S2-2，若I

第1步调整：

首先，采用下式计算第1步长大小I

上式中，soc

I

上式中，I

再次，确认是否需要继续调整：

当

当

……

第k步调整：

首先，采用下式计算第k步长大小I

其次，根据第k步计算得到的第k步长大小I

I

I

再次，确认是否需要继续调整：

当

当

进一步，柔性MPPT控制器的硬件载体为柔性电路板(单板控制器功率大于10W而小于50W时，整体厚度不超过2mm，功率大于50W时，整体厚度不超过3mm，且功率比质量大于5w/g；(可视为本申请的柔性控制器的定义))。

所述的柔性电路板的布局为:将数字控制部分和功率变换部分分别置于挠性区域的两侧，穿越挠性区域的导线采用直线形式。

进一步，所述的柔性电路板实现同步降压功能，其最大功率确定方式如下：

对于Buck型拓扑结构，无源器件的电感是影响数字电源整体厚度的重要因素，通过查询给定电感的参数，可研究柔性数字能源控制器厚度对其功率的影响。提高开关频率，控制器功率密度增大，但开关损耗会加剧，上式对于定量分析柔性控制器的整体厚度、功率等级、功耗之间的关系变得极其重要。

进一步，所述柔性MPPT控制器采用：Top-signal1-signal2-Bottom四层FPC，Top层为元器件的安装面，signal1用于大面积敷地铜，起到缩小回流环路面积，降低开关电源自身的高频EMI问题，signal2用于敏感信号线的布置，且协同Top层进行电源主回路导线的加宽，Bottom可大面积敷地铜，并在适当位置进行电源主回路导线的加强，信号线的转折处均采用弧形过度；(利用柔性电路板设计数字功率电源，不考虑刚性器件布局的影响时，可在空间中实现任意角度的弯曲，薄质FPC提高了MPPT控制器的散热能力，不需要额外添加其它散热装置。MPPT控制器除了实现太阳能电池最大功率点跟踪之外，可谓一个集电源升降压变换和锂电池充放电管理的复合单元，是典型的输入MPPT环路，输出电压环及输出电流环对应的各自控制器切换问题)；

考虑开关频率对功率器件额定工况下结温的影响，优化电源拓扑中无源器件的尺寸，改善控制器的柔韧性。布局时，将功率回路元件就最近原则摆放，且Top层作为唯一贴片层，再根据电路挠性约束在功率电路模块与控制电路模块之间留出专门的挠性区域，在FPC边角区域放置无电气属性的导线，防止被撕裂。

一种太阳能无人机分布式混合能源系统，包括若干个串并联连接的前述的柔性智能体、顶层能源控制器、电容；

其中，所述顶层能源控制器包括：嵌入式微处理器，所述嵌入式微处理器通过CAN总线与每个柔性智能体中的柔性MPPT控制器进行通信，获取当前柔性MPPT控制器的输入输出电压，电流以及柔性锂电池的SOC和充放电电流。

所述顶层能源控制器将根据在线能源管理策略进行主动能源管理，并下发控制命令到MPPT控制器；

电容接入直流母线，(电容用于缓解柔性锂电池的应力，利用电容暂态快响应的特性弥补锂电池慢响应的特点，系统进入稳态后，电容扮演控制总线电压的角色)。

进一步，顶层能源控制器对柔性智能体的干涉程度分四种不同模式：

无人机处于地面测试状态定义为离线模式；

太阳能无人机的正常作业状态定义为在线模式，需要依靠顶层能源控制器与柔性智能体进行数据通信，实时运行主动能源管理策略，以完成能源分配，需要对整个系统的安全状态进行实时监测；

无人机的离线模式用于系统调试和维护；

系统未发生任何故障时，该状态即为正常模式；

能源系统监测到故障信号，此时即从正常模式进入紧急模式，紧急模式下，柔性智能体启动冗余方案进行保护。

所述冗余方案，采用两套一致的MPPT控制器，分为MMPPT和HMMPPT；

MMPPT为主控制器，HMMPPT作为辅助控制器，实时监测MMPPT的硬件安全状态标志，MMPPT发生短路事件时，MMPPT旁路电路发挥作用，从电路中将MMPPT切除之后，HMMPPT扮演MMPPT的角色；

MMPPT发生断路事件时，HMPPT则直接接入电路，扮演MMPPT的角色，无需等待，(柔性智能体中MPPT控制器额定功率远小于分布式能源系统的负载功率及所有锂电池上限功率，电容快响应特点足以保证HMMPT毫秒级的离线状态等待时间对系统整体安全性的影响)。

进一步，顶层能源控制器与柔性智能体之间的数传模式上，主机和从机的角色可根据接收的命令进行调整，具有最高优先级的顶层能源控制器利用查询方式逐一下发命令，之后进入接收模式，从机根据所接收标识符及命令格式根据规则库进行响应。这种通信方式避免了多从机情况下主机命令不能得到及时响应的弊端，在时域上，命令下发时间间隔可灵活配置，避免慢响应任务数据的连续刷新对数据存储介质的极高要求。

进一步，分布式混合能源系统的设计方法如下：

在考虑负载功率，柔性MPPT控制器功率密度及其FPC整体厚度约束下，优化锂电池的串并联数量，以建立分布式混合能源系统；

下式中P

J＝n

J为参数，取J最小时对应的n

进一步，通过MTTF(平均失效前时间)建立可靠性函数R(t)，可分析光伏组件、MPPT控制器数量对可靠性的影响：

λ

采用前述柔性智能体分布式混合能源系统的太阳能无人机，柔性光伏组件贴装于机翼表面，柔性MPPT控制器和柔性BMS控制器进行模块化集成设计，所述模块化集成后的柔性MPPT控制器和柔性BMS控制器与柔性锂电池进行组合，紧贴柔性光伏组件，安装于机翼蒙皮内侧。

一种太阳能无人机，采用前述的柔性智能体为无人机供能。

本申请的有益效果在于：

第一，本申请解决的主要技术问题概括为如下五个方面：

(1)为太阳能无人机提供一种新型分布式混合能源系统拓扑结构，并明确了该分布式能源系统设计时考虑的约束及优化目标，通过分布式拓扑结构缓解集中式系统中存在的严重功率失配问题，分布式能源设计方法弥补了当前能源系统设计的非最优方案；

(2)根据锂电池SOC大小变步长调节太阳能电池的输出电流，以控制锂电池的充电电流，低温环境下对锂电池进行加热，分布式能源拓扑中引入电容，对提高锂电池工作寿命有着极大的作用，且锂电池的充电电流控制方式对当前电动无人机BMS的功能具有很大的完善；

(3)提出的柔性智能体，其内部单元均采用柔性材料，克服了当前控制器笨重，挠性差，线缆损耗大，组件安装布局极为不便的缺点，且从FPC数字功率电源设计和制作角度出发，改善了FPC柔韧性，提高了功率密度，弥补了FPC在数字功率电源领域的空缺；

(4)在能源管理上，为顶层能源控制器和底层能源控制器的工作优先级提出了四种不同的工作模式；

(5)针对任务的快慢执行时间问题，提出可变更数据收发速率的CAN总线查询通信方式，避免了多控制器数据的传输故障率，通过双MPPT控制器冗余方案，弥补了当前太阳能无人机电源系统冗余方案的空缺。

第二，为实施上述新型分布式能源系统架构，本发明的技术方案是：摒弃传统的集中式能源系统架构，这种系统中的光伏阵列要么直接由多块太阳能电池组件直接串联形成组串，要么先形成组串，再通过组串进行并联，以达到系统总功率的需求，整个光伏阵列再通过一个笨重的MPPT控制器实现峰值功率的输出，这种方案具有极大的缺点，倘若单个组串内部出现局部遮挡或电池老化等问题，将对整个阵列的输出功率产生致命的影响，考虑组串之间的不一致性，并联旁路二极管来缓解局部热斑问题时，将会导致传统型MPPT算法的失效和功率振荡。本文提出的分布式能源系统，将发电模块，储能模块进行柔性化，模块化设计和布局，系统功率及母线电压可灵活配置，发电模块的MPPT控制器进行了冗余设计，发电模块将配合储能模块中的锂电池响应负载功率需求，既可实时为负载提供能量，也可存储除负载需求外的剩余太阳能。考虑到无人机作业工况下负载波动较大，需要能源系统的快速响应，锂电池的瞬态大功率输出将直接降低其寿命，特别为系统引入电容模块防止母线电压的大幅度跌落。从能源系统利用率及可靠性角度出发，实现能量的主动管理极其重要，为系统配置的顶层能源控制器进行能量分配，将通过CAN查询方式获取当前锂电池的SOC，太阳能电池的输出功率以及负载功率。从安全性角度看，即使单个MPPT控制器出现故障，也不会引起整个系统的瘫痪，尚且有冗余方案；从能量传输效率看，分布式方案降低了太阳能电池到锂电池的汇流损耗；从设计角度看，柔性控制器的功率等级相对较低，元器件承受的应力较小，对外干扰及其抗干扰能力较强；从布局维护角度看，柔性材料适合具有明显翼型曲率的太阳能无人机机翼，只需要局部维护，避免大范围监测；

第三，本申请第二个发明构思，在于提出了分布式能源的设计，主要技术方案是：根据提供的的柔性太阳能电池组件及柔性锂电池，在保证负载需求功率、母线电压、锂电池充放电等约束下，所用锂电池的总数量是最少的。约束中，η

J＝n

J为参数，取J最小时对应的n

第四，本申请的第三个发明构思在于，提出了一种分布式能源的一般性设计方法；一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统，以提高能源系统安全性、鲁棒性、可维护性为宗旨，从分布式能源系统架构出发，配置了必要的柔性模块，弥补了分布式能源系统在底层能源控制器设计，整体方案最优化设计方面的不足。

第五，本申请的第四个发明构思在于：为提高锂电池的寿命，对锂电池实施了保护措施，本发明的技术方案是：首先，在分布式能源结构中引入电容模块，通过电容的充放电对负载的瞬时波动作出立即响应，以缓解瞬态负载下数据传输的时延和顶层能源控制器运行能源管理策略的时延对锂电池及太阳能电池响应滞后的影响。其次，对于太阳能无人机的混合动力系统，出于安全性考虑，很少通过额外的双向升降压变换器去控制锂电池的充电电流，太阳能无人机的光伏功率往往作为全机负载的补充能源，如果轻载环境下，光强较好，锂电池的充电电流将不可控，太阳能电池最大功率输出时，无疑将对锂电池造成巨大的损坏。此情况下，可动态调节太阳能电池的输出电流，其中η

锂电池温度下降时，电极的反应率也下降，电池电压保持恒定时，放电电流降低，电池的功率输出也会下降，太阳能无人机作为一种临近空间飞行器，低温环境将对锂电池的工作产生很大的影响。锂电池加热系统显得极其重要，锂电池外部被柔性电热丝包裹，当监测到锂电池自身温度低于要求温度下限时，可通过PID调节器，调整电热丝的工作电流大小及作用时间，控制锂电池的温度到合适的温度。

第六，本申请的第五个发明构思在于提出了一种高功率密度的柔性MPPT控制器，创新之处体现在：FPC数字能源控制器的高功率密度设计方法，数字能源控制器的FPC设计方法及柔韧性优化设计。适用于太阳能无人机的柔性智能体具有发电模块和储能模块，MPPT控制器不仅具有输出峰值功率为负载供电的能力，且可以作为锂电池的充电器，可谓一个集电源升降压变换和锂电池充放电管理的复合单元，是典型的输入MPPT环路，输出电压环及输出电流环对应的各自控制器切换问题。

在结构布局上，应用于无人机系统时，柔性太阳能电池阵列贴装于机翼表面，柔性MPPT控制器和柔性BMS控制器进行模块化集成设计，和柔性锂电池进行组合，紧贴柔性光伏组件，安装于机翼蒙皮内侧。太阳能电池，MPPT控制器，BMS控制器，锂电池之间的连接线缆变短，电压等级要求降低，这种布局对无人机机身重量平衡分布具有很大的帮助。

第七，本申请的第六个发明构思在于：FPC柔性数字能源控制器功率等级确定，本发明的技术方案是：利用支持高达兆赫兹驱动频率的GaN MOSFET器件提高系统的能量密度，考虑驱动器和MOSFET一体化封装的器件。从同步Buck电路的电感选型公式可得到该电感支持的最大功率，如下式：

给定一款确定的电感，其电感值，温升电流，饱和电流已确定，可用电感的温升电流代替负载的最大电流，纹波系数按输出电压纹波要求确定，为放大变换器输入到输出的电压范围，静态工作点可在D＝0.5附近调整，尽管提高功率器件的开关频率可以提高控制器功率，并降低电感电容的尺寸，但驱动频率越高，器件的开关损耗会加剧器件的温度升高，根据控制方式及驱动频率对额定工况下器件的工作温度进行计算，以免器件温度过高，避免对额外散热装置的要求，最后在开关频率及功率电感的尺寸，数字能源控制器的功率大小之间进行权衡，找到平衡点。

第八，本申请的第七个发明构思在于：数字能源控制器FPC设计方法，本发明的技术方案是：采用单面贴片，四层层叠结构进行设计，单面贴片，即将元器件的安装面布置于电路板的表面，背面留作与其它材料的结合面，四层叠层结构选用Top-signal1-signal2-Bottom方案。布局时为提高FPC整体的柔韧性，需要优先功率级模块的布局，将功率变换器的元器件采用最小环路的原则布置在Top层，电源主回路的过流能力根据铜厚，导线宽度决定。控制电路与功率电路之间需要留有一定的挠性区域，区域宽度根据弯曲半径R＝(10～15)×T确定，T为板厚。FPC数字能源控制器布线时，signal1用于大面积敷地铜，起到缩小回流环路面积，降低开关电源自身的高频EMI问题，signal2用于敏感信号线的布置，且协同Top层进行电源主回路导线的加宽，Bottom可大面积敷地铜，并在适当位置进行电源主回路导线的加强，信号线的转折处均采用弧形过度，在FPC边角区域放置无电气属性的导线，放置被撕裂。在各层材料选择上，顶层和底层选用挠性好，耐高温的覆盖膜，相邻两导电层所用材料可用无胶柔性介质，以提高柔性电路板的柔韧性。

第九，本申请的第八个发明构思在于：顶层能源控制器对底层能源控制器的干涉程度分四种不同模式，本发明的技术方案是：将无人机处于地面测试状态定义为离线模式，将太阳能无人机的正常作业状态定义为在线模式。无人机的离线模式用于系统调试和维护，而在线模式需要依靠顶层能源控制器与底层柔性智能体进行数据通信，实时运行主动能源管理策略，以完成能源分配，需要对整个系统的安全状态进行实时监测，系统未发生任何故障时，该状态即为正常模式，一旦能源系统监测到故障信号，此时即从正常模式进入紧急模式，紧急模式下，底层柔性智能体会自启动冗余方案进行保护，顶层能源控制器不再干预底层柔性智能体。四种不同模式体现了太阳能无人机不同的环境条件和安全状态，模式的分类有助于在进行主动能源管理的过程中不影响系统的安全性。当前太阳能无人机的能源管理系统大多停留在地面平台试验论证阶段，主要原因在于未找到克服主动能源管理策略为系统安全性引入潜在风险的解决方案，本发明结合一定的冗余手段成为推动先进能源管理策略应用于太阳能无人机的重要动力。

发电模块中柔性MPPT控制器冗余方案，即采用两套一致的MPPT控制器，分为MMPPT和HMMPPT，HMMPPT作为辅助控制器，实时监测MMPPT的硬件安全状态标志。MMPPT发生短路事件时，通过旁路电路从系统中清除后，HMMPPT则扮演MMPPT的角色，柔性智能体中MPPT控制器额定功率远小于分布式能源系统的负载功率及所有锂电池上限功率，电容快响应特点足以保证HMMPT毫秒级的离线等待状态对系统整体安全性的影响。MMPPT发生断路事件时，HMPPT则直接接入电路，扮演MMPPT的角色无需等待。

第十，本申请的第九个发明构思在于：基于CAN总线的数据查询通信方式及分布式能源系统的可靠性评估方案；

CAN总线的数据查询通信方式，即主机和从机的角色可根据接收的命令进行调整，具有最高优先级的顶层能源控制器利用查询方式逐一下发命令，之后进入接收模式，从机根据所接收标识符及命令作出响应。由于锂电池，太阳能电池，电容响应负载的时长存在差异，数据的传输应当考虑到快慢任务执行的时间，以降低数据的过度重复性采样，避免慢响应任务数据的连续刷新对数据存储介质的极高要求。这种通信方式避免了多从机情况下主机命令不能得到及时响应的弊端，在时域上，命令下发时间间隔可灵活配置。

分布式能源系统的可靠性评估方案，通过MTTF(平均失效前时间)建立分布式能源系统的可靠性函数R(t)，分析光伏组件、MPPT控制器数量对可靠性的影响。就基于柔性智能体的太阳能无人机分布式能源系统架构，n个柔性智能体串联形成组串，m个组串进行并联，只考虑发电模块对系统可靠性的影响，当柔性智能体中的太阳能电池组件和柔性MPPT控制器发生故障时，定义至少每一个组串中有一个柔性智能体发生故障的可靠性与集中式能源系统控制器发生故障的概率一致，则可以分析m，n的变化对分布式能源系统可靠性的影响，对比集中式能源系统与分布式能源可靠性的差异大小。

建立分布式能源系统的可靠性函数，有助于从理论上定量分析系统可靠性高低，不再从直觉上做定性评价，对能源系统可靠性分析提供了新的研究方案。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为实施例1中一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统结构图。

图2为实施例1中2层FPC数字能源控制器层叠结构图。

图3a为实施例1中数字能源控制器简单弯曲测试示意图。

图3b为实施例1中数字能源控制器极限弯曲测试示意图。

图4为实施例1中基于GaN MOSFET的数字能源控制器简化原理图。

图5为实施例1中实现的柔性智能体。

图6为实施例1中柔性数字能源控制器的控制方框图。

图7为实施例1中锂电池充电管理流程图。

图8为实施例1中基于柔性智能体的太阳能无人机分布式能源系统设计流程图。

图9为实施例1中分布式能源系统可靠性研究简化模型。

具体实施方式

为将本发明所述技术方案更清楚、深入、完整的描述，将根据附图说明从具体实施角度进行阐述，所述实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，所述实施例仅提供一种实施所提创新点的一种途径，并非唯一，不排除采用其它途径实现上述已经提到的发明。

实施例1：如图1所示，一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统，包括：若干个柔性智能体、电容、负载、顶层能源控制器。柔性智能体是太阳能无人机分布式能源系统的核心部分，具有柔性、轻质、高效的优点，由发电模块和储能模块封装而成。

其中，发电模块包括：柔性光伏组件和柔性MPPT控制器；所述柔性光伏组件采用若干柔性太阳能电池单体组阵而成；

其中，储能模块包括：柔性锂电池、柔性BMS控制器；所述柔性锂电池用于为负载提供能量以及存储柔性光伏组件传递的能量；所述柔性BMS控制器用于柔性锂电池SOC的在线计算、充放电电流的监测、低温环境下的恒温控制；

所述柔性MPPT控制器除了用于控制柔性光伏组件向负载供电外，还用于控制柔性光伏组件向柔性锂电池充电；所述BMS控制器将当前电池的SOC，充放电电流，锂电池温度数据通过I

柔性控制器不同于刚性控制器之处主要体现在电路板的材质及层叠结构上。

图2为实施例1中2层FPC控制器层叠结构图，从上至下由顶层A、中间层B、底层A组成；

顶层A与底层A材质相同；

顶层A包括：覆盖膜A1、胶水A2；

中间层B包括：软板基材B；

底层A包括：覆盖膜A1、胶水A2；

其中，覆盖膜具有防撕裂、防短路等作用，其还具有耐热性强，散热快等特点，有助于提高控制器效率，与刚性电路板的油墨具有同样的作用；

其中，软板基材又称为挠性覆铜箔板，主要担负着导电、绝缘和支撑三个方面的功能，软板基材这种基板材料除了具有刚性覆铜箔板的一些基本性能外，它还具有可挠性、厚度薄等特性，它用于高性能的超精细线路和高尺寸稳定性的装置上。从上至下分别为：镀铜层B1、铜箔B2、基材B3、铜箔B4、镀铜层B5，软板基材的上下铜箔即为走线层，该厚度可根据过流大小、主电流路径线宽进行设计。实际铜箔厚度由于各种工艺精度存在一定的误差，可考虑通过镀铜方式进行补偿；

FPC柔性控制器的整体厚度由基板厚度和器件厚度共同决定，基板厚度可在材料属性允许的范围内进行调整，针对图2所示层叠结构制作的FPC样板如图3所示，控制器整体厚度只有2mm，相比刚性电路板，其质量可忽略不计。弯曲示意图如图3a与图3b所示：图3a所示简单弯曲情形适用于贴附于曲率过度缓慢的曲面结构；图3b所示极限弯曲情形适用于贴附于具有较大曲面结构的桶状结构上。

从两种弯曲示例可看出，弯曲半径取决于未布置器件空间的大小，如果整板均匀布置有刚性器件，FPC的柔韧性将受到严重影响，且会直接影响到系统的功能。故在设计FPC数字能源控制器时，应做特殊的布线考虑。

图3所示柔性控制器的PCB电路板：布局上，将数字控制部分和功率变换部分分别置于挠性区域的两侧，穿越挠性区域的导线采用直线形式，避免曲线形式的走线因弯曲次数的增多而导致接触不良，部分走线采用弧形连接具有类似的作用，为增强FPC的柔韧性，在不具有电气属性的留白区域进行大面积敷地铜，也可改善电路的EMC性能。另外，FPC控制器不能使用诸如刚性控制器一样的排针，排母等器件，这就导致了FPC与其它电路的连接存在很大难题，尤其对于电源电路，接口的选择不仅需要满足适配性要求，也需要满足电压、电流的等级要求，接口处进行补强成为一种必要的手段，利用PET、PI、背胶、金属或树脂补强板经过补强贴合和补强压合工艺可防止接口处发生褶皱与裂痕。

柔性控制器除层叠结构，柔韧性，FPC设计方案之外，提高其功率密度，效率极其重要，通常，设计的已知条件为控制器的输入输出电压、电流等参数，选用合适的拓扑构型，根据伏秒平衡和安秒平衡可进行无源器件的选型，尤其电感，降压型控制器电感选型公式如下：

本发明所述分布式能源系统，母线电压，柔性控制器的输出电压和电流及柔性控制器的数量之间互相耦合，所以基于柔性智能体的太阳能无人机分布式混合能源系统的设计是一个不断迭代的过程，电感是决定柔性控制器柔韧性、功率密度的主要器件，故可根据高度要求选用多种型号的电感，再利用电感值、温升电流，逆向推导控制器的稳态工况，实施例1中，将上式进行变形，得到给定参数下控制器的最大功率表达式：

利用GaN MOSFET，开关频率可控制在500Khz～1Mhz，常规依靠Si MOSFET的数字功率电源，开关频率大多在100～200kHz，开关频率提高3～5倍时，电感的尺寸变小，电感值降低，这是柔性控制器小型化设计的重要方法之一。

图4为实施例1中基于GaN MOSFET的数字能源控制器简化原理图，集成有GaNMOSFET和驱动器的一体化器件LMG5200MOFT和外加电感、电容构成了同步Buck降压器，在500Khz的驱动频率下，36V输入，25.2V，3A输出的额定工况下，不用额外散热装置，系统效率高达98.5％。对于柔性MPPT控制器，在方案设计上，应尽量满足其输出端具有较宽的MPP范围，能够适应锂电池的动态电压。以上内容尽管对柔性数字能源控制器的多层FPC设计未做详细的介绍，但对专业技术人员而言，以上所述足以说明本发明中FPC柔性控制器的相关内容。

图5为实施例1中的柔性智能体，MPPT控制器和BMS均采用柔性电路板(即前述的FPC柔性控制器)；柔性光伏组件和柔性锂电池作为控制器的配套电源，选择上不具有唯一性。上述材料均具有轻质，柔性的特点，进行设计后，具有轻质、小型化、高能量密度的特点，柔性智能体在分布式能源系统中具有很大的应用价值，这种一体化封装在可穿戴设备方面也具有很大的价值。在柔性智能体中，柔性MPPT控制器的作用除了输出太阳能电池的峰值功率外，兼有控制锂电池充电管理的功能。

图6为实施例1中柔性数字能源控制器的控制方框图，具有输入电压控制环路，输出电压控制环路，输出电流控制环路，该控制方案应用于所述的分布式能源系统时，根据锂电池SOC及负载功率需求确定其工作状态，SOC较小，负载功率较小时，锂电池电压较低时，进行输出电流控制，按最大充电电流进行充电；SOC较小，负载功率较大时，需要优先考虑负载供电问题，让其工作于最大功率点；SOC较大，负载功率较小时，MPPT控制器可进行输出电流控制，尽可能将锂电池充到满电状态，再进行输出电压控制；SOC较大，负载功率较大时，MPPT控制器需工作于最大功率点。

对于太阳能无人机分布式能源系统，控制策略需要优先考虑系统的安全性。不考虑负载功率需求时，可采用一种自适应控制策略，即三个控制环路同时工作，优先级判断上，PI控制器输出最小的环路具有最高的输出优先级。

当负载较轻时，太阳能电池输出的主要能量用于锂电池充电，如果充电电流不加控制，大电流充电将导致锂电池的性能降低，图7为实施例1中锂电池充电管理流程图，当MPPT控制器的输出电流除了提供负载电流外，大于锂电池最大充电电流的部分需要进行约束，根据锂电池SOC的大小，对控制器输出电流进行逐周期限幅，在离线模式时，SOC越小，对应的输出电流限制步长越大。在线模式时，需要优先考虑为负载供电，故当电池未处于额定SOC状态时，应短时间内将电池充电到满电状态。

柔性智能体与顶层能源控制器之间的通信方式为CAN查询通信，顶层能源控制器利用查询方式逐一下发命令和数据，之后进入接收模式，从机根据所接收标识符及命令格式依据规则库做出响应。命令包括，上传具体数据，柔性智能体控制模式的切换，下发的数据则包括相邻控制器的数据，间接实现分布式系统内部柔性智能体之间的通信。由于锂电池，太阳能电池，电容响应负载的时长存在差异，数据的传输应当考虑到快慢任务执行的时间，以降低数据的过度重复采样，避免慢响应任务数据的连续刷新对数据存储介质的极高要求。这种通信方式避免了多从机情况下主机命令不能得到及时响应的弊端，在时域上，命令下发时间间隔可灵活配置。

MPPT控制器的主要失效方式有短路、断路，发生短路时，辅助控制器不能直接接入电路，需要先将故障控制器从电路中隔离，发生断路时，可将辅助控制器直接接入电路。MMPPT控制器在软件上定周期监测控制器的状态信号，一旦有故障信号产生，控制器立即拉高某一IO口，通过IO口驱动光耦，光耦控制MOSFET即可实现MMPPT从电路中及时切除，将HMPPT及时接入电路。柔性智能体中MPPT控制器额定功率远小于分布式能源系统的负载功率及所有锂电池上限功率，电容快响应特点足以保证HMMPT毫秒级的离线状态等待时间对系统整体安全性的影响。MMPPT发生断路事件时，HMPPT则直接接入电路，扮演MMPPT的角色无需等待。

图8为实施例1中基于柔性智能体的太阳能无人机分布式能源系统设计流程图，给定的已知设计参数有，母线电压，负载最大功率，锂电池的单体电压、最大充电电流等数据，导入影响柔性MPPT控制器的电感参数，通过N代替电感的个数，然后计算电感可支持的最大功率，该功率应大于锂电池的最大充电功率，如果满足，根据最大负载即可求出所需锂电池的并联个数，为提高无人机适应环境的变化，还可以增加P

就基于本发明所述一种柔性智能体、太阳能无人机分布式混合能源系统，n个柔性智能体串联形成组串，m个组串进行并联，图9为实施例1中分布式能源系统可靠性研究简化模型，只考虑发电模块对系统可靠性的影响，当柔性智能体中的太阳能电池组件和柔性MPPT控制器发生故障时，定义至少每一组串中有一个柔性智能体发生故障的可靠性与集中式能源系统控制器发生故障的概率一致，当每串中有一个MPPT控制器发生故障时，即认为其所在串失效，当每一串中有一个太阳能电池组件发生故障时，只引起系统可靠性的降低，并不会导致整个系统失效，则可以分析m，n，工作年数的变化对分布式能源可靠性的影响，对比集中式能源系统与分布式能源可靠性的优劣。

这种通过建立分布式能源系统的可靠性函数，有助于从理论上定量分析系统可靠性高低。

表1本申请所使用的符号含义

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。