一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，属于无人机混合动力控制技术领域。本发明专利技术将太阳能电池、燃料电池和锂电池混合配置在无人机动力系统中，形成混合动力系统。综合考虑各个能源的输出特性、转化效率、使用寿命、当前状态、飞行任务剖面以及电子设备需用功率等因素，对各个能源进行控制，使总输出功率在满足无人机飞行和内部电子设备需求功率的前提下，都能最大地发挥自身优势，从而使整个混合动力系统处于更好的状态，使无人机具有更长的航时和更好的动力性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，属于无人机混合动力控制
。本专利技术将太阳能电池、燃料电池和锂电池混合配置在无人机动力系统中，形成混合动力系统。综合考虑各个能源的输出特性、转化效率、使用寿命、当前状态、飞行任务剖面以及电子设备需用功率等因素，对各个能源进行控制，使总输出功率在满足无人机飞行和内部电子设备需求功率的前提下，都能最大地发挥自身优势，从而使整个混合动力系统处于更好的状态，使无人机具有更长的航时和更好的动力性能。【专利说明】
本专利技术涉及，属于无人机混合动力控制
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技术介绍
新能源混合电动无人机是采用新型能源(如太阳能和氢能等)并利用能量转化装置(如太阳能电池和燃料电池等)将其转化为电能提供动力的无人机(UAVs，UnmannedAerialVehicles)。它是一种采用多种非传统化石能源的无人驾驶航空器,可以重复利用。与采用传统化石燃料无人机相比，其采用的原始能源均为绿色能源，对环境无污染，且其都是转换为电能提供动力，具有零排放、低噪声、红外信号不明显、隐蔽性好等优势，同时具有超长航时的潜力，从而更适合执行情报搜集、巡逻监视和远程侦察(ISR,Intelligence, Surveillance, Reconnaissance)等任务。与传统电动力无人机相比，其能源系统功率密度较高，可利用的电源种类较多，通过充分利用各个电源的优势，其航时明显比传统电动力无人机要高得多。与采用单一新能源的无人机(如太阳能无人机)相比，其避开了结构的极限设计，以及气动弹性较大的问题，从而其应用领域更广泛，可以在对流层内的低空使用。因此，采用多种新能源混合的方式逐渐成为国内外研究的热点，也为未来超长航时无人机的发展提供了方向。 能源控制策略作为混合动力无人机的能源系统的重要部分，直接影响无人机的性能。而功率跟随控制策略根据能源系统的状态和无人机的需求功率情况，来确定各个能源的输出功率情况，并满足总的输出功率等于无人机的需求功率。一般用于无人机的功率跟随控制策略都是针对燃油发动机和电动机的功率分配，而电电混合的功率跟随控制策略也多是太阳能电池、燃料电池和蓄电池之间两种电源混合的情况，这三种电源混合的情况基本都是概念上的设计，更多的考虑到各个电源输出特性，而并没有综合的考虑转化效率、使用寿命以及电源当前工作状态的问题。现有常用的电池能源有太阳能电池、燃料电池和锂电池，各种电池的输出特性都不相同:a.太阳能电池确定后其转换效率一般不变，通过采用最大功率点跟踪器(MPPT)能够保证其输出的功率为其所能提供的最大功率，但其受天气影响较大；b.燃料电池能量密度很高，但功率密度较小，且响应较慢，不适宜瞬时大功率放电，而能够在一定功率下长时间放电，同时考虑其能量转化效率，当输出功率为最大功率的20%-30%时最高，低于20%(或在其极化压降段)，以及放电电流过大(或在其浓差压降段)时，其输出效率都较低，且会缩短其使用寿命；c.锂电池的能量密度较低而功率密度很高，且响应快，适合功率变化较大，以及瞬时大功率放电的情况，而锂电池反复充放电的次数、过冲、过放以及放电倍率(电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，如I小时放完，放电倍率为1C)过大时都会使其寿命变短。
技术实现思路
本专利技术的目的是为新能源混合电动无人机更高效地对其混合动力系统进行控制，解决太阳能电池、燃料电池和蓄电池混合输出的功率分配问题，提出了。本专利技术将太阳能电池、燃料电池和锂电池混合配置在无人机动力系统中，形成混合动力系统。根据各个电源的特征及状态对无人机动力系统能量进行合理分配与控制，以使得各个电源在满足需求功率的情况下，都能最大地发挥自身优势，从而使整个混合动力系统处于更好的状态。基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，其具体技术方案包括如下步骤:步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统(包括太阳能电池、锂电池和燃料电池)的状态参数，包括:1.1无人机初始状态:起飞时间、地点(经/纬度)、高度、起飞重量和航向；1.2能源系统状态参数:太阳能电池可用功率的下限参数Pavailable、锂电池初始电量状态SOCtl、锂电池允许充电的当前电量上限值SOChigh、锂电池当前电量的下限值SOCwaming、给锂电池充电的时间点Tdmge^氢气瓶初始氢气压强Pd、燃料电池可用的氢气压强Prwarning (也即用于应急降落的氢气量)、燃料电池的额定功率pFratod、燃料电池的最大功率Ppmax,以及燃料电池的适宜最小功率PFmin。记录当前步骤数step=l。步骤2,将上一步骤数赋值给Stepup,更新当前步骤数step=2。实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备的总需求功率信息Pd。步骤3,将上一步骤数赋值给Stepup,更新当前步骤数step=3。实时监测太阳能电池当前可用的最大输出功率Pa?my，并与可用功率的下限参数Pavail.进行比较:3.1Parrary < Pavailable表明太阳能电池不可用，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，更新当前步骤数step=3.1 ;若此时锂电池可用(即满足4.2或者4.3)，执行步骤6 ;若此时锂电池不可用(即满足4.1)，执行步骤7 ；3.2Parrary≥Pavailable表明太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2,执行步骤5。步骤4,将上一步骤数赋值给Stepup,更新当前步骤数step=4。根据步骤I的初始电量SOCtl,计算锂电池当前的电量S0C，并与锂电池电量的上限值SOChigh和下限值SOCwaming进行比较。【权利要求】1.，其特征在于:包括如下步骤:步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统的状态参数，包括: .1.1无人机初始状态:起飞时间、经度、纬度、高度、起飞重量和航向； .1.2能源系统状态参数:太阳能电池可用功率的下限参数Pavailable、锂电池初始电量状态SOCtl、锂电池允许充电的当前电量上限值SOQligh、锂电池当前电量的下限值SOCwaming、给锂电池充电的时间点Tdmge^氢气瓶初始氢气压强Pd、燃料电池可用的氢气压强P?aming、燃料电池的额定功率Pftatral、燃料电池的最大功率PFmax，以及燃料电池的适宜最小功率PFmin ； 记录当前步骤数Step=I ； 步骤2,将上一步骤数赋值给Stepup,更新当前步骤数step=2 ;实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备的总需求功率信息Pd ; 步骤3,将上一步骤数赋值给Stepup,更新当前步骤数step=3 ;实时监测太阳能电池当前可用的最大输出功率Pa?my，并与可用功率的下限参数Pavail.进行比较: .3.1Parrary < P—^表明太阳能电池不可用，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，更新当前步骤数step=3.1 ;若满足4.2或者4.3，执行步骤6 ;若满足4.1，执行步骤7 ; . 3.2Parrary≥Pavailable表明太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2,执行步骤5 ；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统的状态参数，包括：1.1无人机初始状态：起飞时间、经度、纬度、高度、起飞重量和航向；1.2能源系统状态参数：太阳能电池可用功率的下限参数Pavailable、锂电池初始电量状态SOC0、锂电池允许充电的当前电量上限值SOChigh、锂电池当前电量的下限值SOCwarning、给锂电池充电的时间点Tcharge、氢气瓶初始氢气压强P0、燃料电池可用的氢气压强Prwarning、燃料电池的额定功率PFrated、燃料电池的最大功率PFmax，以及燃料电池的适宜最小功率PFmin；记录当前步骤数step=1；步骤2，将上一步骤数赋值给stepup，更新当前步骤数step=2；实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备的总需求功率信息Pd；步骤3，将上一步骤数赋值给stepup，更新当前步骤数step=3；实时监测太阳能电池当前可用的最大输出功率Parrary，并与可用功率的下限参数Pavailable进行比较：3.1Parrary＜Pavailable表明太阳能电池不可用，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，更新当前步骤数step=3.1；若满足4.2或者4.3，执行步骤6；若满足4.1，执行步骤7；3.2Parrary≥Pavailable表明太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2，执行步骤5；步骤4，将上一步骤数赋值给stepup，更新当前步骤数step=4；根据步骤1的初始电量SOC0，计算锂电池当前的电量SOC，并与锂电池电量的上限值SOChigh和下限值SOCwarning进行比较；其中，P放为锂电池放电功率，P充为锂电池的充电功率，QL为锂电池的容量；4.1SOC≤SOCwarning，表明锂电池不可用，能由太阳能电池给锂电池充电，系统发出“锂电池不可用”的警报，更新当前步骤数step=4.1；4.2SOC≥SOChigh，表明锂电池可用，但不能给锂电池充电,更新当前步骤数step=4.2；4.3SOCwarning＜SOC＜SOChigh，表明锂电池可用，也能同时接受太阳能电池充电,更新当前步骤数step=4.3；步骤5，记录上一步骤数为stepup，更新当前步骤数step=5；计算太阳能电池剩余功率P：P＝Parrary‑Pd5.1P≥0表明太阳能电池可用，能够独自满足无人机的需求且还有剩余，,执行步骤4，若为4.1或者4.3的情况，太阳能电池给锂电池充电，更新当前步骤数step=5.1，则混合动力无人机能源系统控制三种电源按照下面的关系输出：PS=ParraryPL=-PPF=0]]>其中，PS为太阳能电池的实际输出功率，PL为锂电池的实际输出功率，PF为燃料电池的实际输出功率；若为4.2的情况，则将太阳能电池多余的功率P用于无人机爬升，电能转化为重力势能存储，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：θ>0PS=ParraryPL=0PF=0]]>其中，θ为无人机的爬升角；5.2P＜0表明太阳能电池可用，但独自不能满足无人机的需求，执行步骤4，若为4.2或者4.3的情况，更新当前步骤数step=5.2，执行步骤6；若为4.1的情况，执行步骤7；步骤6，将上一步骤数赋值给stepup，更新当前步骤数step=6；根据锂电池的使用寿命和起飞爬升时间，确定锂电池的放电倍率n，计算锂电池在n倍率下的放电功率PLi_nC，并监测stepup：PLi_nC=UQLn]]>其中，U为锂电池的工作电压，QL为锂电池的容量；若stepup=3.1则按照6.2比较PLi_nC与需求功率Pd的关系，若stepup=5.2，则按照6.1将PLi_nC与剩余需求功率|P|进行比较；6.1PLi_nC＜|P|，表明锂电池以n倍率放电无法满足剩余需求功率,更新当前步骤数step=6.1，执行步骤7；P＞PLi_nC，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：PS=ParraryPL=-|P|PF=0]]>6.2PLi_nC＜Pd，表明锂电池以n倍率放电无法满足无人机总需求功率，更新当前步骤数step=6.2，执行步骤7；反之，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：PS=0PL=PdPF=0]]>步骤7，将上一步骤数赋值给stepup，更新当前步骤数step=7；同时通过压力传感器读取当前氢气压强PH2，并与燃料电池可用的氢气压强Prwarning进行比较：7.1PH2＞Prwarning，表明燃料电池可用，更新当前步骤数step=7.1，监测stepup，若stepup=4.1，执行步骤8；若stepup=3.1，执行步骤9；若st...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，张晓辉，施商涛，郭昌炜，李延平，王正平，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11