电动飞机复合能源系统优化配置方法、系统和存储介质技术方案

本发明专利技术涉及一种电动飞机复合能源系统优化配置方法、系统和存储介质，方法包括：根据电动飞机的典型飞行工况，基于功率需求波动特征，构建电动飞机典型能量或功率需求剖面；基于多种电动飞机运行约束条件，构建以电动飞机的复合能源系统总重量最小化为优化目标的系统优化设计模型，复合能源系统包括储氢系统、燃料电池、锂离子电池和超级电容器；将复合能源系统的各元件技术参数和电动飞机典型能量或功率需求剖面，输入系统优化设计模型中，进行模型求解，获取复合能源系统的最优容量配置方案。与现有技术相比，本发明专利技术具有可行性高、系统整体比能量/比功率高等优点，能够满足大中型民用客机“高比能、高功率、轻量化”的应用需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
电动飞机复合能源系统优化配置方法、系统和存储介质


[0001]本专利技术涉及电动飞机
，尤其是涉及电动飞机复合能源系统优化配置方法、系统和存储介质。

技术介绍

[0002]在绿色航空低碳化发展的大背景下，电动飞机已成为航空业实现绿色发展的必然选择。目前电动飞机已在小型通用飞机门类上实现了部分应用，该类飞机常采用纯锂离子电池或者基于锂离子电池的油电混合能源动力方案。然而，这些方案能量密度和功率密度偏低，难以满足大中型民用客机“高比能、高功率、轻量化”的应用需求。
[0003]基于储氢
‑
氢燃料电池系统、高功率锂离子电池和超级电容器的复合能源系统是解决上述问题的一套可行方案。储氢
‑
氢燃料电池系统能量密度高，可以作为电动飞机的主能源来源，但是其响应速度慢、功率密度相对较低，难以满足起飞爬升阶段的功率需求，以及巡航阶段短时波动功率需求。超级电容器功率密度高，可以作为起飞爬升阶段的功率补充。锂离子电池能量密度与功率密度相对较高，且响应速率快，可以作为全飞行工况下的辅助能源以及功率补充。在电动飞机复合能源系统中，三种能源形式优势互补，是满足大中型民用客机能量和功率需求的可行方案。然而，在有限的空间和重量约束下，如何对不同能源系统的容量进行优化配置，以满足电动飞机起飞、爬升、巡航、降落等不同飞行阶段的能量与功率需求，目前仍存在很大挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种对不同能源系统的容量进行优化配置，以满足电动飞机起飞、爬升、巡航、降落等不同飞行阶段的能量与功率需求的电动飞机复合能源系统优化配置方法、系统和存储介质。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，包括以下步骤：
[0007]根据电动飞机的典型飞行工况，基于功率需求波动特征，构建电动飞机典型能量或功率需求剖面；
[0008]基于多种电动飞机运行约束条件，构建以电动飞机的复合能源系统总重量最小化为优化目标的系统优化设计模型，所述复合能源系统包括储氢系统、燃料电池、锂离子电池和超级电容器；
[0009]将复合能源系统的各元件技术参数和电动飞机典型能量或功率需求剖面，输入所述系统优化设计模型中，进行模型求解，获取储氢系统、燃料电池、锂离子电池和超级电容器的最优容量配置方案，进行优化配置。
[0010]进一步地，所述电动飞机的典型飞行工况包括起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段和降落阶段。
[0011]进一步地，所述功率需求波动特征的生成方式为：在原功率点上加上x％的高斯白
噪声，得到考虑白噪声的功率需求，该考虑白噪声的功率需求的表达式为：
[0012][0013]式中，和P
t
分别是t时刻考虑白噪声的功率需求和初始功率需求；σ为白噪声的标准差。
[0014]进一步地，所述电动飞机运行约束条件包括：汇流条功率平衡约束、储能能量平衡约束、各元件功率约束、各元件能量约束和系统体积约束。
[0015]进一步地，所述汇流条功率平衡约束的表达式为：
[0016][0017]式中，η
DC
为DC
‑
DC双向变流器的转换效率；η
M
为高速电机的能量转换效率；和分别为锂离子电池系统的充电和放电效率；和分别为超级电容器系统的充电和放电效率；和分别为锂离子电池系统在t时刻的充电和放电功率；和分别为超级电容器系统在t时刻的充电和放电功率；P
tFC
为燃料电池系统在t时刻的输出功率；P
load,t
为电动飞机在t时刻的功率需求；
[0018]所述储能能量平衡约束的表达式为：
[0019][0020][0021]式中，和分别为t时刻和t
‑
1时刻锂离子电池系统的剩余电能；和分别为t时刻和t
‑
1时刻超级电容器系统的剩余电能；SE
LB
和SE
SC
分别为锂离子电池和超级电容器的质量比能量；m
LB
和m
SC
分别为锂离子电池和超级电容器的设计质量；Δt为能量调度时间间隔；
[0022]所述各元件功率约束的表达式为：
[0023][0024][0025][0026]式中，SP
LB
、SP
SC
和SP
FC
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池的质量比功率；m
FC
为燃料电池的设计质量；和分别为燃料电池的上/下爬坡速率；为t
‑
1时刻燃
料电池的输出功率；
[0027]所述各元件能量约束的表达式为：
[0028][0029][0030][0031]式中，SE
H
和m
H
分别为储氢系统的质量比能量和设计质量；
[0032]所述系统体积约束的表达式为：
[0033]SE
LB
m
LB
/SE
V,LB
+SE
SC
m
SC
/SE
V,SC
+SE
H
m
H
/SE
V,H
+SP
FC
m
FC
/SP
V,SC
≤V
total
[0034]式中，SE
V,LB
、SE
V,SC
和SE
V,H
分别为锂离子电池、超级电容器和储氢系统的体积比能量；SP
V,SC
为燃料电池的体积比功率；V
total
为复合能源系统的最大允许体积。
[0035]进一步地，所述系统优化设计模型的优化目标为：
[0036]min m
total
＝m
LB
+m
SC
+m
H
+m
FC
[0037]式中，m
total
为电动飞机复合能源系统的总质量，m
LB
为锂离子电池的设计质量，m
SC
为超级电容器的设计质量，m
H
为储氢系统的设计质量，m
FC
为燃料电池的设计质量。
[0038]进一步地，所述复合能源系统的各元件技术参数包括：锂离子电池的质量/体积比能量、质量比功率和充/放电效率，超级电容器的质量/体积比能量、质量比功率和充/放电效率，燃料电池的质量/体积比功率和上/下爬坡速率，储氢系统的质量/体积比能量，DC
‑
DC双向逆变器的转换效率和高速电动机的能量转换效率。
[0039]进一步地，采用智能优化算法对所述系统优化设计模型进行模型求解。
[0040]本专利技术还提供一种电动飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：根据电动飞机的典型飞行工况，基于功率需求波动特征，构建电动飞机典型能量或功率需求剖面；基于多种电动飞机运行约束条件，构建以电动飞机的复合能源系统总重量最小化为优化目标的系统优化设计模型，所述复合能源系统包括储氢系统、燃料电池、锂离子电池和超级电容器；将复合能源系统的各元件技术参数和电动飞机典型能量或功率需求剖面，输入所述系统优化设计模型中，进行模型求解，获取储氢系统、燃料电池、锂离子电池和超级电容器的最优容量配置方案，进行优化配置。2.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，其特征在于，所述电动飞机的典型飞行工况包括起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段和降落阶段。3.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，其特征在于，所述功率需求波动特征的生成方式为：在原功率点上加上x％的高斯白噪声，得到考虑白噪声的功率需求，该考虑白噪声的功率需求的表达式为：式中，和P
t
分别是t时刻考虑白噪声的功率需求和初始功率需求；σ为白噪声的标准差。4.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，其特征在于，所述电动飞机运行约束条件包括：汇流条功率平衡约束、储能能量平衡约束、各元件功率约束、各元件能量约束和系统体积约束。5.根据权利要求4所述的一种电动飞机复合能源系统优化配置方法，其特征在于，所述汇流条功率平衡约束的表达式为：式中，η
DC
为DC
‑
DC双向变流器的转换效率；η
M
为高速电机的能量转换效率；和分别为锂离子电池系统的充电和放电效率；和分别为超级电容器系统的充电和放电效率；和分别为锂离子电池系统在t时刻的充电和放电功率；和分别为超级电容器系统在t时刻的充电和放电功率；P
tFC
为燃料电池系统在t时刻的输出功率；P
load,t
为电动飞机在t时刻的功率需求；所述储能能量平衡约束的表达式为：所述储能能量平衡约束的表达式为：式中，和分别为t时刻和t
‑
1时刻锂离子电池系统的剩余电能；和分别为
t时刻和t
‑
1时刻超级电容器系统的剩余电能；SE
LB
和SE
SC
分别为锂离子电池和超级电容器的质量比能量；m
LB
和m
SC
分别为锂离子电池和超级电容器的设计质量；Δt为能量调度时间间隔；所述各元件功率约束的表达式为：所述各元件功率约束的表达式为：所述各元件功率约束的表达式为：式中，SP
LB
、SP
SC
和SP
FC
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池的质量比功率；m
FC
为燃料电池的设计质量；和分别为燃料电池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺益君，董潇健，沈佳妮，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：