一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法技术

一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，为满足设定的多日连续飞行条件，采集飞行过程中当前时刻的飞行高度、光伏输出功率、动力电池组余量等系统参数，通过电源控制器分配动力电池组充放电和推进系统输入等功率。充分利用正午前后的光伏峰值功率用于飞机爬升及充电，在午后下滑过程中利用全部光伏输出，实现光伏资源的最大化利用；在光伏有效输出不足时则以最优维持功率下滑，使能量的综合损失最小化。从而提升搭载能力、飞行的地理范围、季节范围或夜间飞行高度，或者拓展这几种飞行条件的组合范围，以实现太阳能飞机适用性的最优化。

【技术实现步骤摘要】
一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法
本专利技术涉及高空太阳能飞机(包括太阳能无人机)的多日循环飞行过程中的能量管理方法，用于拓展飞机的可用范围，含飞行日期、纬度和飞行高度，属飞行器总体设计

技术介绍
在给定使用边界(纬度和季节)、给定技术水平(如单位面积太阳电池阵的重量及全天平均输出功率水平、单位重量动力电池组的储能容量等)下，太阳能飞机的设计原理遵循重量平衡、能量平衡的原则——即(1)所确定的飞机规模(包含太阳电池阵尺寸、动力电池组重量及相应附件在内)，满足升力(与机翼面积成正比)与重力平衡；(2)以24h为周期，飞行器全系统的推进、机载设备和有效载荷等耗用能量，加上动力电池组容量和重力势能等变化，与吸收的光伏转换能量达成平衡。特别地，对于多日循环的太阳能飞机，开始飞行的初始条件为动力电池组满电或充足，经过首日从地面起飞的过程，从第二天起的后续多日飞行中，每24h的系统耗能与光伏转换能量平衡基本体现出周期性重复的特点。在实际飞行中，以上能量流动过程的24h周期能量平衡关系，则表现为每时每刻的功率平衡关系。由于光伏功率在一天的涨落中相对于全机用电需求总是表现出动态的盈亏，在此，动力电池组和飞行器重力势能就起到一个能量缓冲池的作用——在白天，将光伏发电转化存储为足够多的动力电池组电量和重力势能，到夜间释放以维持飞行。在多日循环飞行太阳能飞机的能量平衡关系中，光伏转换能量是唯一的环境能量输入，也是根本的能量来源。考虑到电能在飞行器各系统之间的分配、流动和转换存在大量的效率损失，在设计阶段必须保证24h周期内光伏转换能量保有盈余。然而动力电池组的充电速率和容量有限，加上推进系统能力边界和飞机气动特性也限制了飞机的爬升率(即重力势能的积累)，因此单纯增加光伏输出、动力电池组容量或推进系统额定功率等途径，从重量平衡和能量平衡的角度来看，到了一定程度之后是得不偿失的。故此，太阳能飞机要达成设计时的能量平衡，还需要面向具体使用条件(纬度、季节、夜间飞行高度、载重等)，结合任务剖面制定能量管理方法，以减轻太阳能飞机对于硬件规模的设计压力，使光伏吸收能量的利用接近最优。文献和公开报道中常见、简单易行的方法是：上午先在某个高度平飞，同时将多余的光伏功率给动力电池组充电——充电完成后转入爬升，积蓄势能——当可用飞行功率减小时，即使太阳电池阵仍有相当的输出功率，也转入小功率或无动力下滑，直至下滑至夜间平飞高度——在此高度依靠动力电池组放电，维持平飞至次日太阳升起。某些文献和专利申请也提出了一些具体数量化的策略。以上这些方法的问题，一是浪费了大量富余的太阳能，特别是在正午和下午；二是判定逻辑过于繁琐，针对特定算例的、具体数值的限定过多，难以实现数天乃至未来数月变化条件下的长航时飞行中的自动模式切换。三是方法无法推广，无法满足在不同机型参数、不同光伏环境(纬度、季节)条件下应具有普适性的要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：提供了一种适用于高空太阳能飞机多日循环飞行的一整套能量管理通用方法。解决了现有技术中能量利用不完全和适用条件窄的缺点，为太阳能飞机达到使用性能最优和参数设计最优提供条件。本专利技术的技术解决方案是：一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，1)太阳能飞机昼夜飞行的全过程中，持续测量当地太阳时t、太阳电池阵光伏输出功率Ps(t)和动力电池组剩余电量Ebat(t)；2)动力电池组和太阳电池阵联合对太阳能飞机爬升阶段进行供电；3)太阳电池阵为太阳能飞机飞行进行单独供电；4)动力电池组放电，驱动飞机下滑，进入夜间平飞阶段。所述步骤2)的具体过程为：每日早晨，Ps(t)产生有效输出后，飞机从夜间平飞高度开始爬升，计算得到其中Pbat(t)为任一当前时刻t的动力电池组功率，其中充电为正，放电为负；为满足当前飞行高度H和爬升率的飞行需用功率。所述步骤3)的具体过程为：(31)当检测到Ps(t)超过单独使用光伏供电爬升，太阳能飞机上的能源分系统输出给飞机的飞行功率Pr(t)＝Ps(t)；(32)飞行管理计算机根据测量到的Ps(t)，持续更新预留充电能量Ech(t)；根据测量到的动力电池组余量Ebat(t)，持续更新动力电池组充电需用能量Ech_r(t)＝Ebat_0-Ebat(t)，其中Ebat_0为动力电池组总容量；(33)当飞行管理计算机在时刻t1检测到Ebat(t1)≤Ech_r(t1)，则从t1时刻起，电源控制器将飞行需用功率限制在Pr(t)＝Pr(t1)，剩余的光伏输出功率Ps(t)-Pr(t1)用于动力电池组充电；过程中若检测到充电功率达到上限Pbat_max，则将多余光伏输出功率Ps(t)-Pr(t1)-Pbat_max用于补充Pr(t)；(34)动力电池组检测到充电完成后，电源控制器将每时刻的光伏输出功率全部用于维持飞行，此时Pr(t)＝Ps(t)。所述步骤4)的具体过程为：(41)检测到光伏输出功率低至下滑段最优维持功率Pr_opt(H)之后，以最优维持功率Pr_opt(H)下滑，Pbat(t)＝Ps(t)-Pr_opt(H)；其中Pbat(t)为任一当前时刻t的动力电池组功率；(42)测量到飞机高度下探至夜间巡航高度Hnight之后，在该高度维持平飞，Pbat(t)＝Ps(t)-Pr(Hnight,0)，其中Pr(Hnight,0)表示爬升率为0的平飞状态所述步骤(32)中，所述Ech(t)按照以下方法得到：在化作小时的每时刻t，飞行管理计算机根据当前测量的Ps(t)，得到其中表示在每计算步t，以当地太阳时表示的预留充电窗口为[t,24-t]；Ps(τ)为当日[t,24-t]时间段内τ时刻的光伏输出功率，Pbat_max为充电功率上限。所述步骤(41)中，所述下滑段最优维持功率Pr_opt(H)按以下方法获得：根据当前测量的高度H、空速V，及螺旋桨拉力先验数据T(H,V,n)，其中n为螺旋桨转速；确定螺旋桨转速区间n_opt，使得同时满足：a)螺旋桨机械做功TV|n_opt>0，b)(Pr-TV)|n_opt落在最小区间；此时对应于n_opt的Pr即为所述Pr_opt(H)。一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)在每个24h周期内，有效利用光伏尖峰功率，优先保证动力电池组充电；在其他日照时间，通过太阳电池阵对推进系统输入功率的最大化，尽量提高白天的重力势能储存。最大程度减少了光伏能量的浪费，在白天的高度保持/势能积累和保证动力电池组容量之间取得综合最优；(2)通过下滑段能量管理，从下滑末端系统能量最大化的角度分配驱动功率，延迟了下探至夜间指定高度的时间，减少了夜间维持指定高度飞行的动力电池组放电时间，为第二天提供有效光伏输出之前保留更多动力电池组余量；(3)有效拓展任务的季节、纬度和夜间最低高度之间组合的可行范围，或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，其特征在于：1)太阳能飞机昼夜飞行的全过程中，持续测量当地太阳时t、太阳电池阵光伏输出功率Ps(t)和动力电池组剩余电量Ebat(t)；2)动力电池组和太阳电池阵联合对太阳能飞机爬升阶段进行供电；3)太阳电池阵为太阳能飞机飞行进行单独供电；4)动力电池组放电，驱动飞机下滑，进入夜间平飞阶段。

【技术特征摘要】
1.一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，其特征在于：1)太阳能飞机昼夜飞行的全过程中，持续测量当地太阳时t、太阳电池阵光伏输出功率Ps(t)和动力电池组剩余电量Ebat(t)；2)动力电池组和太阳电池阵联合对太阳能飞机爬升阶段进行供电；3)太阳电池阵为太阳能飞机飞行进行单独供电；4)动力电池组放电，驱动飞机下滑，进入夜间平飞阶段。2.根据权利要求1所述的一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程为：每日早晨，Ps(t)产生有效输出后，飞机从夜间平飞高度开始爬升，计算得到其中Pbat(t)为任一当前时刻t的动力电池组功率，其中充电为正，放电为负；为满足当前飞行高度H和爬升率的飞行需用功率。3.根据权利要求2所述的一种高空太阳能飞机多日循环飞行的能量管理方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：(31)当检测到Ps(t)超过单独使用光伏供电爬升，太阳能飞机上的能源分系统输出给飞机的飞行功率Pr(t)＝Ps(t)；(32)飞行管理计算机根据测量到的Ps(t)，持续更新预留充电能量Ech(t)；根据测量到的动力电池组余量Ebat(t)，持续更新动力电池组充电需用能量Ech_r(t)＝Ebat_0-Ebat(t)，其中Ebat_0为动力电池组总容量；(33)当飞行管理计算机在时刻t1检测到Ebat(t1)≤Ech_r(t1)，则从t1时刻起，电源控制器将飞行需用功率限制在Pr(t)＝Pr(t1)，剩余的光伏输出功率Ps(t)-Pr(t1)用于动力电池组充电；过程中若检测到充电功率达到上限Pbat_max，则将多余光伏输出功率Ps(t)-Pr(t1)-Pbat_max用于补充Pr(t)；(34)动力电池组检测到充电完成后，电源控制器将每时刻的光伏输出功率全部用于维持飞行，此时Pr(t)＝Ps(t)。4.根据权利要求1-3任意所述的一种高空太阳能飞机多日...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲维国，张凯，李喜乐，周波，郭林，陈柽，李广佳，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11