一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法，屬于無人機(jī)混合動力控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明將太陽能電池、燃料電池和鋰電池混合配置在無人機(jī)動力系統(tǒng)中，形成混合動力系統(tǒng)。綜合考慮各個能源的輸出特性、轉(zhuǎn)化效率、使用壽命、當(dāng)前狀態(tài)、飛行任務(wù)剖面以及電子設(shè)備需用功率等因素，對各個能源進(jìn)行控制，使總輸出功率在滿足無人機(jī)飛行和內(nèi)部電子設(shè)備需求功率的前提下，都能最大地發(fā)揮自身優(yōu)勢，從而使整個混合動力系統(tǒng)處于更好的狀態(tài)，使無人機(jī)具有更長的航時和更好的動力性能。
【專利說明】一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法，屬于無人機(jī)混合動力控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]新能源混合電動無人機(jī)是采用新型能源(如太陽能和氫能等)并利用能量轉(zhuǎn)化裝置(如太陽能電池和燃料電池等)將其轉(zhuǎn)化為電能提供動力的無人機(jī)(UAVs，UnmannedAerialVehicles)。它是一種采用多種非傳統(tǒng)化石能源的無人駕駛航空器,可以重復(fù)利用。與采用傳統(tǒng)化石燃料無人機(jī)相比，其采用的原始能源均為綠色能源，對環(huán)境無污染，且其都是轉(zhuǎn)換為電能提供動力，具有零排放、低噪聲、紅外信號不明顯、隱蔽性好等優(yōu)勢，同時具有超長航時的潛力，從而更適合執(zhí)行情報搜集、巡邏監(jiān)視和遠(yuǎn)程偵察(ISR,Intelligence, Surveillance, Reconnaissance)等任務(wù)。與傳統(tǒng)電動力無人機(jī)相比，其能源系統(tǒng)功率密度較高，可利用的電源種類較多，通過充分利用各個電源的優(yōu)勢，其航時明顯比傳統(tǒng)電動力無人機(jī)要高得多。與采用單一新能源的無人機(jī)(如太陽能無人機(jī))相比，其避開了結(jié)構(gòu)的極限設(shè)計，以及氣動彈性較大的問題，從而其應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，可以在對流層內(nèi)的低空使用。因此，采用多種新能源混合的方式逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點，也為未來超長航時無人機(jī)的發(fā)展提供了方向。
[0003]能源控制策略作為混合動力無人機(jī)的能源系統(tǒng)的重要部分，直接影響無人機(jī)的性能。而功率跟隨控制策略根據(jù)能源系統(tǒng)的狀態(tài)和無人機(jī)的需求功率情況，來確定各個能源的輸出功率情況，并滿足總的輸出功率等于無人機(jī)的需求功率。一般用于無人機(jī)的功率跟隨控制策略都是針對燃油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的功率分配，而電電混合的功率跟隨控制策略也多是太陽能電池、燃料電池和蓄電池之間兩種電源混合的情況，這三種電源混合的情況基本都是概念上的設(shè)計，更多的考慮到各個電源輸出特性，而并沒有綜合的考慮轉(zhuǎn)化效率、使用壽命以及電源當(dāng)前工作狀態(tài)的問題。
[0004]現(xiàn)有常用的電池能源有太陽能電池、燃料電池和鋰電池，各種電池的輸出特性都不相同:
[0005]a.太陽能電池確定后其轉(zhuǎn)換效率一般不變，通過采用最大功率點跟蹤器
[0006](MPPT)能夠保證其輸出的功率為其所能提供的最大功率，但其受天氣影響較大；
[0007]b.燃料電池能量密度很高，但功率密度較小，且響應(yīng)較慢，不適宜瞬時大功率放電，而能夠在一定功率下長時間放電，同時考慮其能量轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)輸出功率為最大功率的20%-30%時最高，低于20%(或在其極化壓降段)，以及放電電流過大(或在其濃差壓降段)時，其輸出效率都較低，且會縮短其使用壽命；
[0008]c.鋰電池的能量密度較低而功率密度很高，且響應(yīng)快，適合功率變化較大，以及瞬時大功率放電的情況，而鋰電池反復(fù)充放電的次數(shù)、過沖、過放以及放電倍率(電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，如I小時放完，放電倍率為1C)過大時都會使其壽命變短。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為新能源混合電動無人機(jī)更高效地對其混合動力系統(tǒng)進(jìn)行控制，解決太陽能電池、燃料電池和蓄電池混合輸出的功率分配問題，提出了一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法。
[0010]本發(fā)明將太陽能電池、燃料電池和鋰電池混合配置在無人機(jī)動力系統(tǒng)中，形成混合動力系統(tǒng)。根據(jù)各個電源的特征及狀態(tài)對無人機(jī)動力系統(tǒng)能量進(jìn)行合理分配與控制，以使得各個電源在滿足需求功率的情況下，都能最大地發(fā)揮自身優(yōu)勢，從而使整個混合動力系統(tǒng)處于更好的狀態(tài)。
[0011]基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法，其具體技術(shù)方案包括如下步驟:
[0012]步驟1，建立無人機(jī)飛行環(huán)境模型，設(shè)置無人機(jī)飛行的初始條件和混合動力無人機(jī)能源系統(tǒng)(包括太陽能電池、鋰電池和燃料電池)的狀態(tài)參數(shù)，包括:
[0013]1.1無人機(jī)初始狀態(tài):起飛時間、地點(經(jīng)/緯度)、高度、起飛重量和航向；
[0014]1.2能源系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù):太陽能電池可用功率的下限參數(shù)Pavailable、鋰電池初始電量狀態(tài)SOCtl、鋰電池允許充電的當(dāng)前電量上限值SOChigh、鋰電池當(dāng)前電量的下限值SOCwaming、給鋰電池充電的時間點Tdmge^氫氣瓶初始?xì)錃鈮簭?qiáng)Pd、燃料電池可用的氫氣壓強(qiáng)Prwarning (也即用于應(yīng)急降落的氫氣量)、燃料電池的額定功率pFratod、燃料電池的最大功率Ppmax,以及燃料電池的適宜最小功率PFmin。
[0015]記錄當(dāng)前步驟數(shù)step=l。
[0016]步驟2,將上一步驟數(shù)賦值給Stepup,更新當(dāng)前步驟數(shù)step=2。實時監(jiān)測機(jī)載計算機(jī)給出的無人機(jī)飛行剖面和無人機(jī)航電設(shè)備的總需求功率信息Pd。
[0017]步驟3,將上一步驟數(shù)賦值給Stepup,更新當(dāng)前步驟數(shù)step=3。實時監(jiān)測太陽能電池當(dāng)前可用的最大輸出功率Pa?my，并與可用功率的下限參數(shù)Pavail.進(jìn)行比較:
[0018]3.1Parrary < Pavailable表明太陽能電池不可用，系統(tǒng)發(fā)出“太陽能電池不可用”的警報，執(zhí)行步驟4，更新當(dāng)前步驟數(shù)step=3.1 ;若此時鋰電池可用(即滿足4.2或者4.3)，執(zhí)行步驟6 ;若此時鋰電池不可用(即滿足4.1)，執(zhí)行步驟7 ；
[0019]3.2Parrary≥Pavailable表明太陽能電池可用，更新當(dāng)前步驟step=3.2,執(zhí)行步驟5。
[0020]步驟4,將上一步驟數(shù)賦值給Stepup,更新當(dāng)前步驟數(shù)step=4。根據(jù)步驟I的初始電量SOCtl,計算鋰電池當(dāng)前的電量S0C，并與鋰電池電量的上限值SOChigh和下限值SOCwaming進(jìn)行比較。
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種基于功率跟隨的混合動力無人機(jī)能源控制方法，其特征在于:包括如下步驟:步驟1，建立無人機(jī)飛行環(huán)境模型，設(shè)置無人機(jī)飛行的初始條件和混合動力無人機(jī)能源系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，包括: .1.1無人機(jī)初始狀態(tài):起飛時間、經(jīng)度、緯度、高度、起飛重量和航向； .1.2能源系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù):太陽能電池可用功率的下限參數(shù)Pavailable、鋰電池初始電量狀態(tài)SOCtl、鋰電池允許充電的當(dāng)前電量上限值SOQligh、鋰電池當(dāng)前電量的下限值SOCwaming、給鋰電池充電的時間點Tdmge^氫氣瓶初始?xì)錃鈮簭?qiáng)Pd、燃料電池可用的氫氣壓強(qiáng)P?aming、燃料電池的額定功率Pftatral、燃料電池的最大功率PFmax，以及燃料電池的適宜最小功率PFmin ； 記錄當(dāng)前步驟數(shù)Step=I ； 步驟2,將上一步驟數(shù)賦值給Stepup,更新當(dāng)前步驟數(shù)step=2 ;實時監(jiān)測機(jī)載計算機(jī)給出的無人機(jī)飛行剖面和無人機(jī)航電設(shè)備的總需求功率信息Pd ; 步驟3,將上一步驟數(shù)賦值給Stepup,更新當(dāng)前步驟數(shù)step=3 ;實時監(jiān)測太陽能電池當(dāng)前可用的最大輸出功率Pa?my，并與可用功率的下限參數(shù)Pavail.進(jìn)行比較: .3.1Parrary < P—^表明太陽能電池不可用，系統(tǒng)發(fā)出“太陽能電池不可用”的警報，執(zhí)行步驟4，更新當(dāng)前步驟數(shù)step=3.1 ;若滿足4.2或者4.3，執(zhí)行步驟6 ;若滿足4.1，執(zhí)行步驟7 ; . 3.2Parrary≥Pavailable表明太陽能電池可用，更新當(dāng)前步驟step=3.2,執(zhí)行步驟5 ； 步驟4，將上一步驟數(shù)賦值給Stepup，更新當(dāng)前步驟數(shù)step=4 ;根據(jù)步驟I的初始電量SOC0,計算鋰電池當(dāng)前的電量S0C，并與鋰電池電量的上限值SOChigh和下限值SOCwaming進(jìn)行比較；
【文檔編號】B64D31/00GK103847970SQ201410123122
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】劉莉, 張曉輝, 施商濤, 郭昌煒, 李延平, 王正平 申請人:北京理工大學(xué)