多堆燃料电池飞机的能量管理方法、系统、设备及终端技术方案

本发明专利技术属于能量管理技术领域，公开了一种多堆燃料电池飞机的能量管理方法、系统、设备及终端，选择多堆燃料电池飞机的整体系统拓扑结构；构建模糊逻辑控制器，其中输入量为多堆系统的需求功率和蓄电池的荷电状态，输出变量为各个燃料电池的输出功率；利用海鸥优化算法优化模糊逻辑控制器内部的隶属度函数；建立基于多堆燃料电池系统成本的数学模型，并作为海鸥优化算法的适应度函数，从而得到改善的基于模糊逻辑的多堆能量管理策略。本发明专利技术提供的多堆燃料电池飞机的能量管理方法，以最小燃料消耗和最小成本为目标函数，通过引入海鸥优化算法来进行模糊逻辑控制器的参数优化，有利于提高多堆燃料电池飞机系统的效率、耐久性和能源利用率等。利用率等。利用率等。

【技术实现步骤摘要】
多堆燃料电池飞机的能量管理方法、系统、设备及终端


[0001]本专利技术属于能量管理
，尤其涉及一种多堆燃料电池飞机的能量管理方法、系统、设备及终端。

技术介绍

[0002]目前，传统的油驱无人机依靠燃油、内燃机和涡轮机等来提供飞行动力，但是存在能量转化率低、噪声大、尾气污染严重等缺点，从而限制了油驱无人机的进一步发展。随着全球性能源危机和环境问题与日俱增，氢能作为一种清洁新能源，被认为是21世纪最有前途、最重要的能源之一，具有能量密度大，清洁无污染以及可再生等优点，在此背景下的新能源飞机应运而生。其中燃料电池是一种以氢能为原料，将化学能直接转化为电能的新型发电装置，具有转换效率高，能量密度高、噪声小、无污染等突出优点，所以燃料电池飞机具有良好的续航能力，隐身特性和任务适应性。目前航空用燃料电池存在功率密度低，功率动态响应慢，低温下冷启动困难以及不具备能量回馈能力等缺陷，一般需要结合蓄电池等具有高功率密度和储能能力的辅助电源来构成混合电源系统，从而提高系统的动态性能，进而共同完成负载的功率需求。
[0003]通常，航空用燃料电池系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多堆燃料电池飞机的能量管理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一，选择多堆燃料电池飞机的整体系统拓扑结构，建立多堆燃料电池飞机系统的数学模型；步骤二，建立优化目标函数，根据系统损耗、燃料电池和蓄电池寿命的衰减、燃料的消耗以及充电费用成本搭建基于最小成本的多堆燃料电池飞机系统的能量管理策略模型；步骤三，构建模糊逻辑控制器，并获取隶属度函数；其中输入量为多堆燃料电池系统的需求功率和蓄电池的荷电状态，输出变量为各个燃料电池的输出功率；步骤四，将基于多堆系统燃料消耗和成本的目标函数作为海鸥优化算法的适应度函数，利用海鸥优化算法对模糊逻辑控制器内部的隶属度函数进行优化求解，进而得到最佳的控制器参数。2.如权利要求1所述多堆燃料电池飞机的能量管理方法，其特征在于，步骤一中的多堆燃料电池飞机的整体系统拓扑结构由两个燃料电池和一个蓄电池组成；其中，两个燃料电池并联连接，从而允许对每个燃料电池进行单独控制；燃料电池由供气系统来提供氢气，并且和单向升压变换器相连到母线；因为燃料电池的动态响应慢，所以锂电池在多堆燃料电池的动力系统中可以对负载的瞬态功率进行及时响应，进而改善整个系统的动态特性；蓄电池和双向变换器相连，变换器用来控制蓄电池和直流总线的功率流，从而允许电池的充电和放电，进而维持直流母线的电压；电子调速器用来控制发电机的启停和转速，负载由电机驱动螺旋桨构成；步骤一中的多堆燃料电池飞机系统的数学模型包括燃料电池模型、蓄电池模型和飞机动力学模型；（1）燃料电池模型为：，其中，V
cell
表示燃料电池单电池输出电压；E
nernst
表示能斯特电压；V
act
、V
ohm
、V
conc
分别表示活化过电压、欧姆过电压和浓差过电压；燃料电池模型中的能斯特电压为：，使用吉布斯自由能和熵的标准值，简化之后变为：，其中，表示燃料电池做功过程中吉布斯自由能的变化量；表示法拉第常数；表示熵的变化值；表示通用气体常数；表示燃料电池的绝对温度；表示周围环境中的温度参考值；和分别表示氢气在阳极的分压和氧气在阴极的分压；燃料电池模型中的活化过电压为：，其中，表示燃料电池输出电流；表示氧气反应的交换电流；表示转移系数；表
示依赖反应的系数，由于氧气反应的系数为2，所以公式可以变为：，由于公式为非线性的，且电路中所有的电压降都是循环电流的函数，在电路模型中用流过电流的变阻来表示活化过电压，具体表示如下：，其中，表示流过电流的活化变阻，与电流有关，表示为：，燃料电池模型中的欧姆过电压由欧姆损耗引起，由已知的欧姆定律可以得到：，，，其中，表示质子交换膜燃料电池的等效欧姆阻抗；表示质子交换膜的厚度；表示质子交换膜的电阻率；表示质子交换膜的有效活化面积；表示流过欧姆电阻的电流；表示电池在电流为零、温度为30度的状态时质子交换膜的电阻率；是关于阳极相对温度和化学计量数的可调参数；exp是以自然常数e为底的指数函数；燃料电池模型中的浓差过电压是反应物在反应中被消耗的浓度变化的结果，表达式为：，其中，为浓差过电压常数1和常数2；表示燃料电池电路的最大电流；由于公式为非线性的，且电路中所有的电压降都是循环电流的函数，可以在电路模型中用流过电流的变阻来表示浓差过电压，具体表示如下：，其中，表示流过电流的浓差变阻，与电流有关，表示为：
；（2）蓄电池模型为：，，其中，表示电池的输出电压；表示电池的开路电压；表示极化电压；表示极化电压的一阶导数；表示输出电流；表示欧姆电阻；分别表示极化电阻和极化电容；表示电池在结束时间的SOC；SOC表示锂电池的荷电状态；表示电池在初始时间的SOC；表示电池的额定容量；表示充放电效率；（3）飞机动力学模型为：，，，，其中，L表示飞机机翼产生的升力；D表示机体受到的阻力；表示当前飞行高度下的空气密度；V表示飞机与地球的相对速度；S
w
表示翼展面积；C
L
与C
D
分别表示升力系数和阻力系数，与机翼形状、横截面积和翼型因素有关；表示升力线斜率；和分别表示迎角为0
°
时的升力系数和阻力系数；表示奥斯瓦尔德因子；表示翼展长度；表示迎角，是速度方向与机翼弦线之间的夹角；对飞机动力学模型进行受力分解为：，，，
，，其中，表示发动机提供的推力，方向与机翼弦线方向一致；L表示飞机机翼产生的升力；D表示机体受到的阻力；表示迎角，是速度方向与机翼弦线之间的夹角；表示航迹角，是飞机相对地平面形成的夹角；m表示飞机的质量；g表示飞机的重力加速度；表示飞机的加速度；表示螺旋桨的转速；表示螺旋桨的扭矩；和分别表示桨拉力系数和扭矩系数；P表示飞机的需求功率；表示极化电阻；表示迎角的正弦值；表示迎角的余弦值；表示航迹角的正弦...

【专利技术属性】
技术研发人员：马睿，柴晓越，孙海龙，宋剑，耿瑞雪，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：