航空混合动力系统综合能量管理建模与试验验证

为实现无人机航空混合动力系统在过渡态工况下的稳定控制,针对无人机在飞行过程中外部环境持续变化的特点,以并联式混合动力系统为平台,构建了航空混合动力系统能量流分析模型,并通过高空环境模拟仓进行了爬升、巡航与下降阶段的试验验证。结果表明：在爬升阶段,系统总功率需求与爬升率成正相关,电机可快速响应补足功率缺口,系统总耗能随高度升高而递减,混合动力系统相比燃油动力系统可节省37.06 %耗能;在巡航阶段,系统在保持发动机稳定转速的同时,能够适应环境变化导致的功率需求降低;在下降阶段,系统可以通过平滑转速调节实现稳定过渡。构建的航空混合动力系统能量流分析模型可为实现航空混合动力系统综合能量管理提供数据与理论支撑。     

航空混合动力系统能量管理策略研究综述

能量管理策略作为航空混合动力系统的顶层控制,用于对混合动力系统不同动力源进行能量分流,是保证系统高效运行的基础。详细论述了各类航空混合动力系统能量管理策略,系统总结了基于规则、优化和智能3类能量管理策略的特点和研究现状。通过阐述强化学习原理,分析了深度Q网络算法和深度确定性策略梯度算法的奖励原理、神经网络更新原理、以及各自优缺点及适用场景,并提出基于规则类能量管理策略对于专家经验依赖性较高等缺陷,可以通过将其与基于智能算法内部创新融合进行缓解的措施。在此基础上,展望了能量管理策略的未来发展趋势为智能内部算法、智能与其他类型算法的融合创新等,可以为后续航空混动系统能量管理策略研究提供一定的参考。     

大推力并联混合动力涡扇发动机全航程综合能量管理策略设计及验证

为使大推力航空并联混合动力推进系统在考虑节能减排效益的同时,充分挖掘涡轮电气化后部件的性能提升潜力,本文依托某并联混合动力齿轮传动涡扇发动机(Parallel hybrid geared turbofan,PH-GTF)推进系统概念模型,在\"发动机主燃油闭环+电动力系统转矩补偿\"控制结构下,针对典型飞行航程所包括的低功率工况段、起飞爬升段、巡航段、下降段,分别设计了相应的能量管理策略,并基于不同飞行工况在全航程内进行调度.通过典型飞行航线下的数字仿真及硬件在环(Hardware in the loop,HIL)仿真验证,结果表明,相较于未采用混合动力改型的基线GTF发动机,应用所设计综合全航程能量管理策略的PH-GTF推进系统,该航线下总燃油消耗量和NOx排放量分别降低5.70%和10.72%,其中在低功率工况下,可变放气活门(Variable bleed valve,VBV)可以减小54.35%的排气量;在航空节能减排所重点关注的等高等速巡航段,耗油量和NOx排放量分别降低18.93%和30.19%.所设计综合全航程能量管理策略兼顾了部件性能提升和节能减排效益,符合未来绿色航空推进系统的设计理念.     

船舶并联气电混合动力系统动态特性研究与能量效率分析

针对天然气发动机单独使用动力性能较差、动态响应较慢的缺陷问题,提出新型船舶并联气电混合动力系统解决方案,通过电机快速响应特性来提升船舶动力整体效率;设计相关试验,利用上升时间、峰值时间和超调量三个参数对新型动力系统的动态特性进行定量分析,研究不同工况下能量效率提升程度和最优工作模式.研究表明:可逆电机的加入将船舶混合推...     

燃料电池无人机混合电源动态平衡能量管理策略

飞机电推进的动力系统趋于混合能源形式的发展方向,不同类型的源具有不同的特性,混合能源协调工作的方式可以提高动力系统的性能。本文所研究的飞机电推进系统的能源形式为燃料电池和锂电池所做成的混合能源。针对无人机动力系统工况的特殊性,本文在基于规则的能量管理策略研究基础上,提出了一种基于燃料电池氢气消耗的动态平衡能量管理策略,使燃料电池和辅助电源的能量消耗处于相对平衡的状态,避免了其中一种电源能量先耗尽的情况,可以满足多种工况的变化,提高了混合电源的能量利用率和稳定性,保证了无人机动力系统的可靠性。通过仿真分析结果证明了可行性,最后设计了能量管理系统的硬件并进行了实验验证,通过对实验结果计算分析验证了该能量管理策略的可行性。     

船舶混合动力系统与智能能量管理控制策略研究进展

开发新型动力系统和智能控制策略是解决节能减排的重要技术方向。本文首先对混合动力系统的配置和拓扑结构进行归类与比较,对控制策略中涉及的智能算法进行归纳和总结;其次,对新型动力船舶在动力系统和控制算法使用情况进行阐释;最后,从不同角度对混合动力系统以及能量管理系统的发展趋势进行展望,为绿色船舶混合动力系统开发以及能量管理系统的研发提供了参考依据。     

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机(SOFC-GT)混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其㶲损失等性能的影响.基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析.仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85％,㶲效率为50.71％,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.7303 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准.在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景.     

航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析

本文介绍了串联式和并联式混合动力系统的基本原理与性能特点,对混合动力的性能优势来源进行了原理性阐述。针对混合动力的系统架构,分析了性能设计、控制系统、电机设计以及热管理方面的关键技术。航空燃气涡轮-电混合动力技术的发展,有可能对传统航空发动机领域产生颠覆性变革。需要打破原有航空发动机热力机械设计思维,将动力系统所涉及的推进、电能以及热管理进行融合设计,推动航空动力系统效能进一步提升。     

基于模糊逻辑的混合动力飞机能量管理策略研究

为实现航空业绿色发展,混合动力技术已成为重要的发展方向,其中能量管理策略是提高飞机燃油经济性的关键。本文以带有尾部电涵道风扇及储能系统的混合动力飞机为研究对象,搭建了混合动力系统油耗计算模型。在典型飞行剖面下,以降低混动系统油耗为目标,权衡并得到电推进系统功率、储能容量等关键参数;在此基础,根据模糊逻辑规则,提出了在不同飞行阶段,以飞行高度及推力需求为输入、电涵道风扇推力为输出的推力分配策略,以及以电功率需求和储能系统荷电状态（SOC）为输入、发电系统输出功率为输出的功率分配策略;最后,基于MATLAB平台完成了混合动力系统油耗分析。结果表明,本文提出的能量管理策略,使混合动力飞机燃油消耗相比基于规则的控制策略降低2.18%,验证了所提出的能量管理策略的有效性。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知,可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理,以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程,建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程,以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量,建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题,研究不同爬升高度对最优控制过程的影响,并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点,建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量,以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态,分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时,能够很好地兼顾飞行状态控制;对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾,在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时,降低整个任务过程的燃料消耗。     

燃料电池无人机关键技术与混合能量架构

在氢能源长航时无人机领域;氢燃料电池动力系统相较于涡轮发动机动力系统展现出更显著的适用性。深入剖析了燃料电池长航时无人机的发展现状;分析总结了典型大型氢燃料电池无人机的特点与适用场景;对制约氢燃料电池长航时无人机发展的关键技术进行了研究;全面梳理了国内外发展现状。提出了一种以航时最大为优化目标的大型氢能源无人机设计方案;开展了总体布局设计;对比不同动力架构形式并选取氢燃料电池-锂电池混合动力系统结构;开展了动力系统方案设计、电机设计、液氢燃料存储设计及能量管理策略设计;基于有限状态机思想构建了能量管理控制策略;仿真结果显示;在典型定速巡航工况和两种变功率工况下;该策略均能在满足总体功率需求的情况下保证燃料电池始终以最佳功率输出;锂电池在负载需求功率较大时放电;在负载需求功率较小时充电;有效保障了动力系统的可靠性;为大型燃料电池-锂电池混合能源动力系统无人机设计提供参考。     

飞机的电动力系统技术概述

电动力系统是一种使用电能的新型飞机推进系统,具有环境友好、高效节能等优点,有望推动飞机实现革命性发展。本文介绍太阳电池、锂离子电池、燃料电池、电机等关键部件／子系统技术的现状、关键技术,并给出统计数据;重点分析了电动力系统的设计技术,包括蓄电池（锂电池）、太阳电池和燃料电池三种纯电动力系统以及基于活塞动力和基于电动力两种混合动力系统等五种电动力系统的布局、燃料电池子系统布局、子系统关键技术等。最后,指出电动力系统发展中需要解决的集成优化等技术课题以及性能不足的问题。     

轻小型太阳能/氢能无人机发展综述

轻小型无人机(UAV)在军民领域都有着广泛的用途,电动无人机由于其振动低、无污染、无排放等优势,已经成为无人机领域的发展热点。为了提高轻小型电动无人机的航时,清洁、高能量密度的太阳能和氢能成为非常可行的技术途径之一。本文总结了轻小型太阳能、氢能无人机的发展历程;梳理了相关的关键技术,并对太阳能、氢能无人机的总体设计方法和能源动力系统的发展进行了较为深入的探讨;最后,展望了该类无人机的发展趋势,并对所面临的挑战进行了预测。     

Hybrid system-a promising way solving future energy problems

With the increasing demand for electricity,an efficiency improvement and thereby reduced CO2 emissions of the power plants are expected in order to reach the goals set in the Kyoto protocol.In comparison to conventional systems,the hybrid-systems with the use of synergetic effects offer the possibility to provide a substantial contribution to spare our natural resources and protect our environment.Combined Cycle Power Plants belongs innately hybrid system in the centralized energy market.They can provide large amounts of power and have a quick start-up time.The MGT/FC hybrid system is quite promising in the decentralized energy market.It is widely used in stand-alone applications.Furthermore,the combination of fossil and renewable power plant technologies contains a large synergy potential to increase the efficiency of processes for power plants.New materials,innovative cooling technology,new combustion concepts and optimized production methods are needed to make the potential of these new technologies accessible for a quantum leap in the efficiency.For this it needs considerable research work and good coordinated research projects between the state,industry,research laboratories and universities.      

轴功提取与引气一体化管控对航空发动机燃油经济性的影响分析

为获得机载系统轴功提取和引气一体化管控对发动机燃油经济性的影响机制,建立实现该功能的自适应动力与热管理系统模型,利用4阶龙格库塔法与牛顿迭代法耦合求解,分析了不同巡航高度H下轴功提取与引气能量转换效率比η、轴功提取与引气作功比λ、APTMS相对转速Nz等对系统燃油代偿损失的影响。仿真结果表明:轴功提取与引气能量转换效率比η大于临界值时,系统燃油代偿损失随着轴功提取与引气作功比λ的增大而减小,反之则燃油代偿损失增大,变化幅度最大可达20%;APTMS相对转速Nz越大,半闭式空气循环风扇涵道引气越小,动力涡轮低压级引气及功率提取量越大,则燃油代偿损失越大,增量最大可达1倍。说明通过轴功提取与引气一体化管控可有效提高发动机燃油经济性。     

氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性研究

氢燃料电池混合动力客机是未来降低航空业碳排放的可行技术路线之一。然而目前针对不同氢燃料电池混合动力技术对飞机整体特性影响的机理分析和定量趋势研究较少。针对该问题;建立了氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性分析方法;定量研究了关键技术参数变化对飞机整体特性的影响和作用趋势。同时;根据当前至未来10年内各阶段氢能技术发展所能达到的不同技术水平;给出匹配不同阶段的最佳动力分配策略。以窄体干线客机为研究对象;开展关键参数敏感性分析。结果表明;氢燃料电池功率密度对飞机的最大起飞质量和使用空重影响最大;而巡航时的氢动力配比对飞机的碳排放量以及燃料和碳税成本影响最大。在不同技术水平下;提高巡航时的氢燃料电池提供的推力占比整体而言可以降低飞机的最大起飞质量以及燃料和碳税成本;但起飞时氢动力占比不能过大。在未来混合动力技术预期发展过程中;当巡航时氢燃料电池提供的推力占比取0.4、起飞时氢燃料电池提供的推力占比取0.15时;飞机可获得最轻的最大起飞质量和最低的燃料和碳税成本。相比于传统飞机;氢燃料电池混合动力客机在未来10年将降低燃料和碳税成本达15%~26%。     

燃油管路系统振动特性有限元技术研究

航空发动机燃油管主要用于提供燃油,属于复杂3维管路系统.为了更好地分析管路系统的振动特性,以双路总管燃油管路系统为例,结合其管路繁多、连接结构多样、支撑结构特殊、管内充液等特点,系统研究了各部件的有限元模拟方法.考虑到支撑刚度对管路系统振动特性有较大影响,采用有限元静力分析对其进行了求解.结合以上不同部件的分析方法,建立起系统的振动有限元模型.对该管路系统进行模态分析,得到系统固有频率变化规律及具有分簇特点的振动模态;对系统进行共振评估,认为副燃油分管最有可能发生共振,提出了振动优化的合理建议.     

一种具有自刹车功能的加速供油规律设计方法

为了解决某型发动机在地面高温天气条件下加速性调整困难的问题,提出了一种具有自刹车功能的加速供油规律设计方法。其主要设计思想为：在未满足加速性判断指标要求前,尽可能多地供油以提高加速性;当满足加速性判断指标后,依据其与控制目标值的接近程度,逐步减少加速供油量进行自刹车,直至发动机转速上升率降至PID控制参数可控范围内,最终由PID控制算法控制至目标值。根据此设计方法编制出相应的控制逻辑,并利用基于迭代算法的过渡态模型进行仿真验证。结果表明：在原有PID控制参数完全保持不变的情况下,采用该设计方法可以有效地将发动机加速时间缩短0.3～0.5 s,保证加速过程满足过渡态指标和稳定裕度的要求,有效地解决了该型发动机加速性调整困难的问题。