太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了太阳能/氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面,综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性,提出了一种考虑全机重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略;建立了能源系统模型,给出了能源控制流程,开发了能源管理仿真平台。以1.5 kg任务载荷为例,完成了无人机总体方案设计,仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明:能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率,满足各阶段的功率需求;无人机在冬至日航时为21 h、夏至日可实现跨昼夜飞行;在能源系统重量相同情况下,该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5.5倍和1.2倍。     

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。     

小型无人机纵向动态特性试验验证

应用气动力估算方法得到某小型无人机的纵向气动力数据;通过风洞试验和飞行试验对估算结果进行动态特性验证,并重点讨论了小型无人机的脉冲激励飞行试验验证。研究发现,选择飞行试验激励信号既要考虑小型无人机的特殊性,又要考虑信号的频谱特性;激励信号的选择为同类飞行测试提供了参考。     

适用无人机的小型燃料电池控制方法

燃料电池动力系统作为一种长航时电动无人机的动力方案,其燃料电池的控制技术是决定动力系统可靠性和高效性的关键技术。针对用于无人机的小型空冷型开放阴极的质子交换膜燃料电池,考虑面向工程应用的燃料电池整体控制过程,兼顾电堆温度控制和水管理,提出了一种前馈型模糊PID的电堆温度控制方法,同时设计了一种基于安时积分门限法的膜水含量调节策略,以实现对整个燃料电池系统的高效控制。通过搭建燃料电池温度控制与水管理试验平台,对所提出的控制技术进行了试验验证,并与现有温控和水管理方法进行了对比分析。试验结果表明：所提前馈型模糊PID方法在较长时间的燃料电池启动过程中能够较快地达到目标温度,相比于PID方法减少了7%的调节时间,与传统模糊PID方法相当;燃料电池电流持续减小时,所提前馈型模糊PID方法对超调量的抑制效果具有明显优势,其超调量仅为PID方法的34%,为传统模糊PID方法的43%;所提安时积分门限排水控制方法既能防止水淹故障,又可提高燃料经济性,在所给工况中相比现有方法节约了15%的氢气。     

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.     

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。     

混合动力系统建模及能量管理策略应用

针对混合动力系统能量管理问题，在Matlab/Simulink 平台下建立1.8 kW 质子膜燃料电池和锂电池部件级模型，基于部 件级模型建立燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型，采用有限状态机方法建立能量管理模块，制定功率需求计划进行仿真。结果表 明：质子膜燃料电池和锂电池部件模型符合实际特性，燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型工作正常，直流总线电压相对稳定，所 用拓扑结构具有保护储能部件的优点，系统实际功率分配符合能量管理策略。验证了燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型用于能 量管理策略的可行性。     

无人机综合飞行/推力矢量控制

以某无人机为背景,主要研究大机动时带推力矢量的综合飞行/推进控制系统的设计方法。应用非线性动态逆方法,根据无人机本身具有明显不同时间尺度差异的动力学特性,结合奇异摄动理论将控制变量按照响应快慢分为4个回路进行了控制器的设计与仿真;设计推力矢量控制和气动控制相结合的控制器,实现飞行和推力矢量的控制综合;将无人机的任务转化为对飞行控制的限制条件,对所设计的控制系统进行了数字仿真,结果表明所设计的控制器能够满足飞机做大机动时的控制要求。     

小型无人机动力装置建模与仿真研究

针对小型无人机广泛使用的二冲程活塞式航空发动机螺旋桨动力装置,研究了发动机的速度、高度特性及定距螺旋桨的拉力系数、功率系数及效率随前进比变化等问题,建立了二冲程活塞式发动机螺旋桨动力装置模型。动力装置模型应用于无人机非线性飞行仿真平台中,进一步研究了无人机风门-高度、升降舵-速度保持/控制等问题,结果表明动力装置模型合理可行,满足小型无人机飞行控制仿真的要求。     

Evaluation of active hybrid fuel cell/battery power sources

Hybrid fuel cell/battery power sources have potentially widespread uses in applications wherein the power demand is impulsive rather than constant. Interposing a dc/dc converter between a fuel cell and a battery can create two configurations of actively controlled hybrid fuel cell/battery power sources. Those two configurations are compared using both theory and experiment with special attention to the peak power enhancement, and power losses in the converter. Both of the defined configurations were built, using a 35 W polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, an 8-cell lithium-ion battery pack, and a high-efficiency power converter. Both two configurations yielded a peak power output of 135 W, about 4 times as high as the fuel cell alone could supply, with only a slight (13%) increase of weight. The converter losses were quantitatively analyzed. Which of the two configurations yields a smaller loss depends on the load power demand characteristics including peak power and load duty ratio. The study results provide guidance for the design of hybrid sources according to the particular load power requirements.     

Hybrid power source for manportable applications

In this paper, we present the results of work with a hybrid power system made of a fuel cell and rechargeable battery with pulse power capability. This hybrid power source successfully ran pulse power load based on the power profile of the present and future manportable military electronics and communications equipment. The hybrid consisted of a 35 W proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack in parallel with a Li-ion battery. In this work, two cyclic load scenarios were utilized. Each consisted of a baseline load for 9 minutes followed by a higher pulse load for 1 minute. One test profile consisted of 20 W (baseline)/40 W (pulse) load, whereas, the second was 25 W/50 W. Under both scenarios, the hybrid provided significant enhancements in performance over the individual components tested separately. These results are discussed and analyzed. Also discussed are possible future implications of such technology and approach.     

Integration of Large Power Systems into Manned Space Stations

Essential design factors and system characteristics are explored for integration of large power systems into manned space stations. The impact of the type of power system selected upon the space station is outlined, as is the impact of the mission requirements upon the selection of power systems. Criteria for resolving the selection/application/ integration problems are provided. Comparisons between systems are based on recently defined space-station models for 90-day to five-year mission durations in the 1970' s, with four-to nine-man crews. Power systems encompass power levels from 3 to 50 kWe and include solar cell/battery. fuel cell, hybrid fuel cell/solar cell, radioisotope, and nuclear reactor systems. Thermoelectric, Brayton cycle, organic Rankine, and liquid-metal Rankine power conversion systems are considered for the nuclear energy sources. Both rigid and roll-out photovoltaic array configurations are analyzed with respect to the solar energy source.     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

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%。本文首先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;接着,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,本文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。     

考虑局部遮挡的太阳能无人机能源控制

针对太阳能无人机在飞行状态下可能出现的太阳能电池局部遮挡情况，开展相应的太阳能电池最大功率点追踪算法和能源控制研究。通过将发光亮度引入相对吸引力计算过程对萤火虫算法进行改进，实现了局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的高效追踪。以此为基础，设计了考虑局部遮挡情况下太阳能无人机的太阳能电池/蓄电池混合能源状态机控制规则。以"蒲公英I"无人机为例，建立了太阳能电池阵列模型，开展了考虑局部遮挡情况下太阳能电池最大功率点追踪仿真实验；基于"蒲公英I"飞行剖面，开展了考虑局部遮挡情况的混合能源控制仿真试验。研究结果表明：改进的萤火虫算法可以实现在局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的有效跟踪，与萤火虫算法相比收敛时间更短、且功率波动幅度更小；采用改进萤火虫算法和状态机能源管理策略，在考虑局部遮挡的飞行状态下可以实现太阳能电池/蓄电池之间的合理功率分配与控制。     

Fuel cells for “personal electricity”

Cars powered by fuel cells have been built and tested; however, the aerospace fuel cells could not deliver high power quickly when the driver wanted to accelerate his car. Today's hybrid electric cars carry a battery that supplies the acceleration power, and the prime power source, whether an engine or fuel cell, is not stressed with sudden load peaks. Zero air pollution becomes attainable when fuel-cells supply the prime power on a hybrid vehicle     

Hybrid power sources for Land Warrior scenario

Hybrid systems utilizing a zinc-air battery or a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the high energy density component coupled with a rechargeable battery (lead-acid or nickel-metal hydride) or electrochemical capacitor (EC) bank as the high power density component were tested under a high-pulse application load, Land Warrior (LW). The hybrid power sources successfully operated the LW cyclic load beyond the capabilities of the specific single chemistry systems studied. The zinc-air battery hybrids allowed approximately triple the operation time of PEMFC hybrids. The best performing hybrid system was the zinc-air battery/lead-acid battery. It provided the greatest operating voltage and longest operating time