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。     

质子交换膜燃料电池驱动直流电机转速性能的动态仿真模型

燃料电池具有能量转化效率高、低噪声、低排放、稳定可靠等优点,被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统.燃料电池已经成为无人机、轻型飞机的主动力,并用于大型客机的辅助动力装置.本文设计了应用质子交换膜燃料电池直接驱动直流电机和螺旋桨的方案,并利用Matlab/Simulink构建了仿真模型,模拟燃料电池的动态输出特性以及电动机的转速特性.该模型可以为燃料电池飞行器的研发提供参考数据.     

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。     

基于自适应神经模糊推理算法的无人机电推进燃料电池供气系统性能优化

本文针对某无人机基于聚合物交换膜燃料电池和锂离子电池的混合动力电推进系统的应用,研究开发了一种基于自适应神经模糊推理系统的电源管理系统控制技术,以控制混合动力电力推进系统,同时优化燃料电池供气系统的性能。本文以所建立的某无人机混合电推进系统数学模型为研究对象,研究了燃料电池电流与燃料电池供气系统压缩机功率之间的关系,建立了燃料电池电流与最佳压缩机功率关系的参考模型。在参考模型的基础上,引入自适应控制器来优化燃料电池供气系统的性能。基于自适应神经模糊推理系统的控制器将压缩机的实际运行功率动态调整到参考模型中定义的最佳值。自适应控制器的在线学习和训练能力用来辨识燃料电池电流的非线性变化,并产生压缩机电机电压的控制信号,以优化燃料电池供气系统的性能。在Matlab 仿真环境中开发了质子交换膜燃料电池和锂离子混合动力电推进系统模型并对所设计的控制器进行了仿真分析,结果表明基于自适应神经模糊推理系统的控制器为燃料电池供气系统压缩机性能优化提供了一种新颖而全面的途径,使燃料电池供气系统获得最大净功率输出。将燃料电池系统的净功率输出与最佳压缩机功率和恒定压缩机功率进行了比较,结果表明优化的压缩机功率配置比恒定的压缩机功率配置节能2.62%。同时,燃料电池自适应神经模糊推理系统控制器优化了燃料电池供气系统的能量利用。     

基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统性能分析

为了实现航空碳减排的时代需求,亟需在航空燃料体系和航空动力系统方向实现技术革新。本文提出了基于甲醇燃料的航空燃料电池内燃机混合动力系统方案,甲醇通过机载在线催化重整制氢为燃料电池供氢,燃料电池和内燃机发出的电能带动电动螺旋桨进行工作。进行了模块化建模方法和混合动力系统性能仿真分析研究,结果表明：混合动力系统的发电效率达到了55%,相比甲醇内燃机有了15%绝对值的效率提升,有助于降低燃料消耗。进行了混合动力系统性能参数影响规律分析,结果表明：混合动力系统的效率随着压比的增大而提高,随着燃料利用率的提高而呈现先升高后降低的效果。进行了混合动力系统的?分析,结果显示：混合动力系统中?效率最高的部件是燃料电池,?损最大的部件是重整器。质量分析结果表明：混合动力系统的功率密度达到0.488 kW/kg。     

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。     

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?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%,?效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.730 3 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。     

基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能

建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明：设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为082时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0051 1~0058 4 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(25~33)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。     

基于模糊逻辑的飞机电推进系统能量管理策略研究

为了提升飞机电推进动力系统的关键性能,需要设计和优化内部能量管理控制策略并实现功率合理分配。本文基于MATLAB/Simulink平台,建立了电推进动力系统仿真模型,并在能量管理系统模块中提出了基于模糊逻辑的能量管理策略（EMS）,其用于动力系统内部的功率分配和控制。针对从滑跑直到巡航稳定点的飞行任务段,对电推进动力系统进行了时段级仿真实验,研究了氢气消耗量等量化指标的表现。在此基础之上,基于遗传算法的优化方法,对模糊控制系统的隶属度函数参数进行了寻优。计算结果表明,在本文基于模糊逻辑的EMS作用下电推进动力系统的氢气消耗量减少9.27%,而且氢燃料电池功率波动剧烈程度减少25.11%;优化后,主指标氢气消耗量进一步减少6.5%,同时次要指标的变化被约束。     

基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(α_soc)和氢燃料剩余状态(α_soh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的α_soc