燃料电池无人机混合电源系统稳定性及功率控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.30032

论文

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

燃料电池无人机混合电源系统稳定性及功率控制方法

邓舒豪¹(), 雷涛¹^,², 金贤球¹, 陈俊祥³, 黄代文³, 张晓斌¹^,²

^1.西北工业大学自动化学院，西安 710129
^2.飞机电推进技术工业和信息化部重点实验室，西安 710072
^3.航空工业成都飞机设计研究所，成都 610091

收稿日期:2023-12-27 修回日期:2024-02-21 接受日期:2024-03-25 出版日期:2024-04-19 发布日期:2024-04-19
通讯作者: 邓舒豪 E-mail:shuhao_d@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(5877178);航空科学基金(2022Z024053)

Stability and power control method of hybrid power system for fuel cell UAVs

Shuhao DENG¹(), Tao LEI¹^,², Xianqiu JIN¹, Junxiang CHEN³, Daiwen HUANG³, Xiaobin ZHANG¹^,²

^1.School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710129，China
^2.Key Laboratory of Aircraft Electric Propulsion Technology，Ministry of Industry and Information Technology，Xi’an 　710072，China
^3.AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute，Chengdu 　610091，China

Received:2023-12-27 Revised:2024-02-21 Accepted:2024-03-25 Online:2024-04-19 Published:2024-04-19
Contact: Shuhao DENG E-mail:shuhao_d@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(5877178);Aeronautical Science Foundation of China(2022Z024053)

摘要/Abstract

摘要：

针对燃料电池/锂电池混合电动无人机电推进系统能源稳定性问题开展了分析。依据无人机直流微网架构确定了电推进系统带恒功率负载的稳定边界条件，并对直流微电网系统进行功率优化控制。根据燃料电池无人机典型飞行任务剖面，采用燃料电池/锂电池并联式混合电源作为电推进系统的供电单元，基于机载电推进恒功率负载的负阻抗特性，开展直流微电网系统小信号和大信号稳定性分析。利用混合势函数法得到电源系统稳定边界条件，通过增加超级电容提高系统大信号稳定域。为了优化控制系统功率响应，设计了基于规则状态机的能量管理策略，推导出系统稳定边界条件与功率优化控制之间的约束关系。搭建数字仿真模型和设计半物理实时仿真验证平台，仿真结果表明：提出的增加虚拟电阻与超级电容的控制方法，具有较好的系统稳定性和功率优化控制效果。

关键词: 燃料电池无人机, 恒功率负载, 能量管理策略, 稳定性分析, 功率控制

Abstract:

This paper analyzes the stability issues of the fuel cell/lithium battery hybrid electric propulsion energy system for UAVs. Based on the UAV’s DC microgrid architecture， the stable boundary conditions with constant power load for the electric propulsion system are determined， and power optimization control is carried out for the DC microgrid system. According to the typical flight mission profiles of fuel cell UAVs， a fuel cell/lithium battery parallel hybrid power source is used as the power supply unit for the electric propulsion system. Based on the negative impedance characteristics of the onboard electric propulsion constant power load， small-signal and large-signal stability analyses of the DC microgrid system are conducted. The stable boundary conditions of the power supply system are obtained using the hybrid potential function method， and the system’s large signal stability domain is improved by adding supercapacitor. To optimize the power response of the control system， an energy management strategy based on the rule-based state machine is designed， and the constraint relationship between the stable boundary conditions and power optimization control is derived. A digital simulation model is built， and a semi-physical real-time simulation verification platform is designed. Simulation results show that the proposed control method of adding virtual resistance and supercapacitor has good system stability and power optimization control effects.

Key words: fuel cell UAV, constant power load, energy management strategy, stability analysis, power control

中图分类号:

V237

邓舒豪, 雷涛, 金贤球, 陈俊祥, 黄代文, 张晓斌. 燃料电池无人机混合电源系统稳定性及功率控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(17): 530032-530032.

Shuhao DENG, Tao LEI, Xianqiu JIN, Junxiang CHEN, Daiwen HUANG, Xiaobin ZHANG. Stability and power control method of hybrid power system for fuel cell UAVs[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(17): 530032-530032.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表1

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

表2

图19

图 20

图21

图 22

图 23

图24

图25

图26

图 27

图 28

参考文献 20

1	陈培儒. 电推进飞机：开启航空业的新时代［J］. 大飞机， 2018（11）： 44-48.
	CHEN P R. Electric propulsion aircraft： Opening a new era of aviation industry［J］. Jetliner， 2018， 7（11）： 44-48 （in Chinese）.
2	GONG A， VERSTRAETE D. Fuel cell propulsion in small fixed-wing unmanned aerial vehicles： Current status and research needs［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（33）： 21311-21333.
3	GONG A， VERSTRAETE D. Design and bench test of a fuel-cell/battery hybrid UAV propulsion system using metal hydride hydrogen storage ［C］∥Proceedings of the 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Reston， Virginia： AIAA， 2017.
4	杨慧君，邓卫国，关世义，等. 新型长航时燃料电池战术无人航空系统： XFC无人机［J］. 飞航导弹， 2014（7）： 32-38.
	YANG H J， DENG W G， GUAN S Y， et al. A new long-endurance fuel cell tactical unmanned aerial system： XFC UAV［J］. Aerodynamic Missile Journal， 2014（7）： 32-38 （in Chinese）.
5	KO S， SHIN J. Projection of fuel cell electric vehicle demand reflecting the feedback effects between market conditions and market share affected by spatial factors［J］. Energy Policy， 2023， 173： 113385.
6	MANICKAVASAGAM K， THOTAKANAMA N K， PUTTARAJ V. Intelligent energy management system for renewable energy driven ship［J］. IET Electrical Systems in Transportation， 2019， 9（1）： 24-34.
7	FARAJOLLAHI A H， ROSTAMI M， MAREFATI M. A hybrid-electric propulsion system for an unmanned aerial vehicle based on proton exchange membrane fuel cell， battery， and electric motor［J］. Energy Sources， Part A： Recovery， Utilization， and Environmental Effects， 2022， 44（1）： 934-950.
8	ZHAO H W， JIANG X， HE L K， et al. Energy management strategy for hybrid-electric propulsion UAVs［C］∥2022 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo， Asia-Pacific （ITEC Asia-Pacific）. Piscataway： IEEE Press， 2022： 1-6.
9	OETTERSHAGEN P， MELZER A， MANTEL T， et al. A solar-powered hand-launchable UAV for low-altitude multi-day continuous flight［C］∥2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）. Piscataway： IEEE Press， 2015： 3986-3993.
10	BRADLEY T H， MOFFITT B A， MAVRIS D， et al. Applications transportation aviation： Fuel cells ［M］∥Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Amsterdam： Elsevier， 2009： 186-192.
11	戴月领，贺云涛，刘莉，等. 燃料电池无人机发展及关键技术分析［J］. 战术导弹技术， 2018（1）： 65-71.
	DAI Y L， HE Y T， LIU L， et al. Development of fuel cell UAV and analysis of key technology［J］. Tactical Missile Technology， 2018（1）： 65-71 （in Chinese）.
12	LEI T， YANG Z， LIN Z C， et al. State of art on energy management strategy for hybrid-powered unmanned aerial vehicle［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（6）： 1488-1503.
13	GAO Q X， LEI T， DENG F， et al. A deep reinforcement learning based energy management strategy for fuel-cell electric UAV［C］∥2022 International Conference on Power Energy Systems and Applications （ICoPESA）. Piscataway： IEEE Press， 2022： 524-530.
14	BARZKAR A， GHASSEMI M. Electric power systems in more and all electric aircraft： A review［C］∥IEEE Access. Piscataway： IEEE Press， 2020： 169314-169332.
15	LIU Y， HUANG T， XUE L， et al. Research on energy optimal method of more electrical aircraft base on energy storage［C］∥CSAA/IET International Conference on Aircraft Utility Systems （AUS 2022）. London： IET， 2022： 465-471.
16	IOANNOU S， ARGYROU M C， CHRISTODOULIDES P， et al. Small signal transfer functions and mathematical model of the boost power converter［C］∥The 12th Mediterranean Conference on Power Generation， Transmission， Distribution and Energy Conversion （MEDPOWER 2020）. London： IET， 2021： 245-250.
17	RAO F， WU X S， GAO W， et al. Small signal modeling and simulation of buck-boost circuit in DCM mode［C］∥2020 IEEE 4th Information Technology， Networking， Electronic and Automation Control Conference （ITNEC）. Piscataway： IEEE Press， 2020： 2564-2569.
18	CHADHA A， KAZIMIERCZUK M K. Small-signal modeling of open-loop PWM tapped-inductor buck DC-DC converter in CCM［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2021， 68（7）： 5765-5775.
19	BECHAR M， HAZZAB A， HABBAB M. Real-Time scalar control of induction motor using rt-lab software［C］∥2017 5th International Conference on Electrical Engineering-Boumerdes （ICEE-B）. Piscataway： IEEE Press， 2017： 1-5.
20	MOLDOVAN T， INŢE R， NEMEŞ R O， et al. Typhoon HIL real-time validation of permanent magnet synchronous motor’s control［C］∥2021 9th International Conference on Modern Power Systems （MPS）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 1-6.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	充电模式	放电模式
母线电压/V	270	270
恒功率负载功率/kW	10	10
燃料电池功率/kW	10	10
蓄电池功率/kW	4	4
超级电容功率/kW	6	4
母线等效电阻/Ω	0.04	0.04
滤波电感/μH	34	34
滤波电容/μH	150	150
等效电容/μH	500	500

约束条件	状态	P_FC计算值
If SOC High & P_CPL<P_FCmin	State 1	P_FC=P_FCmin
If SOC High & P_CPL∈［P_FCmin， P_FCmax］	State 2	P_FC=P_CPL
If SOC High & P_CPL>P_FCmax	State 3	P_FC=P_FCmax
If SOC Normal & P_CPL<P_FCmin	State 4	P_FC=P_FCmin
If SOC Normal & P_CPL∈［P_FCmin，P_FCopt］	State 5	P_FC=P_FCopt
If SOC Normal & P_CPL∈［P_FCopt，P_FCmax］	State6	P_FC=P_CPL
If SOC Normal & P_CPL>P_FCmax	State 7	P_FC=P_FCmax
If SOC Low & P_CPL<P_FCmin	State 8	P_FC= P_FCmin
If SOC Low & P_CPL∈［P_FCmin，P_FCopt］	State 9	P_FC=max（P_CPL+P_batchar， P_FCopt）
If SOC Low & P_CPL∈［P_FCopt，P_FCmax］	State10	P_FC= P_CPL+P_batchar
If SOC Low & P_CPL>P_FCmax	State11	P_FC=P_FCmax

[1]	王宇天, 刘建新, 王晓坤, 李晓明. 多孔壁面对高速边界层最优增长条带二次失稳的影响规律[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 128519-128519.
[2]	张敬奎, 常家鹏, 崔苗, 李琦芬, 任洪波, 杨涌文. 三维方腔内导电流体第1次Hopf分叉[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128328-128328.
[3]	徐慎忍, 何晨, 孙大坤, 袁蔡嘉, 曹东明, 赵家资, 王丁喜. 基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628248-628248.
[4]	吴奕铭, 邱思逸, 向阳, 刘洪. 孤立翼尖涡模态演化规律的实验研究[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 127658-127658.
[5]	任伟杰, 谢文佳, 田正雨, 张烨, 于航. 高超声速数值激波失稳的网格依赖性[J]. 航空学报, 2021, 42(S1): 726376-726376.
[6]	张卓然, 许彦武, 于立, 李进才, 夏一文. 多电飞机高压直流并联供电系统发展现状与关键技术[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 624069-624069.
[7]	段登燕, 裴家涛, 祖瑞, 李建波. 电机-变距螺旋桨动力系统功率优化控制[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 623933-623933.
[8]	程泽鹏, 邱思逸, 向阳, 邵纯, 张淼, 刘洪. 基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 123751-123751.
[9]	吴健发, 王宏伦, 黄宇. 大跨时空任务背景下的太阳能无人机任务规划技术研究进展[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 623414-623414.
[10]	刘莉, 曹潇, 张晓辉, 贺云涛. 轻小型太阳能/氢能无人机发展综述[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 623474-623474.
[11]	雷涛, 闵志豪, 付红杰, 张星雨, 李伟林, 张晓斌. 燃料电池无人机混合电源动态平衡能量管理策略[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 324048-324048.
[12]	王闯, 胡婧, 李永强, 边东明, 李颂. 空间信息网络中面向双卫星的频谱共享方法[J]. 航空学报, 2019, 40(9): 322863-322863.
[13]	邱思逸, 程泽鹏, 向阳, 刘洪. 基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制[J]. 航空学报, 2019, 40(8): 122712-122712.
[14]	孟晓轩, 白俊强, 张美红, 王美黎, 何小龙, 汪辉. 基于双e^N方法的短舱层流转捩影响因素[J]. 航空学报, 2019, 40(11): 123040-123040.
[15]	朱震, 宋文萍, 韩忠华. 基于双e^N方法的翼身组合体流动转捩自动判断[J]. 航空学报, 2018, 39(2): 121707-121707.

燃料电池无人机混合电源系统稳定性及功率控制方法

Stability and power control method of hybrid power system for fuel cell UAVs

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 30

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价