[发明专利]一种动态平衡的燃料电池无人机能量管理方法

说明书

本发明公开了一种动态平衡的燃料电池无人机能量管理方法，针对以燃料电池作为主电源，锂电池作为辅助电源的无人机混合电源系统，在已知燃料电池氢气总量的前提下，基于燃料电池氢气消耗量估计进行多目标优化能量管理。优化目标分别是燃料电池的氢气消耗率(已消耗的氢气/总氢气)和锂电池的能量利用率(已消耗的电量/总电量)。该方法能够使这两个目标保持动态平衡，避免出现混合电源中的一种电源的电量先耗尽的情况，能够维持无人机混合电源系统的稳定性进而保障了无人机的动态特性。

技术领域

本发明属于能量优化领域，具体涉及一种无人机能量管理方法。

背景技术

燃料电池是一种具有较高能量转化率的电化学反应装置，通常使用氢气作为燃料，具有零排放、无污染的特点，可以有效地缓解能源危机和环境污染问题，被认为是二十一世纪最有发展前景的能源之一。在国内外关于纯氢燃料电池无人机的研究与实验中发现，燃料电池的能量密度(能量/重量)较高可以使无人机的续航时间达到数十小时，但其功率密度(功率/重量)较低，无法满足无人机高空长航时飞行过程中快速动态响应的需求。因而增加一种大功率密度的辅助电源与燃料电池组成混合电源系统用以改善无人机的性能，可以提高无人机的动态响应和有效载荷。由于不同电源的动态特性差异，需要使用能量管理方法对混合电源的输出功率进行优化控制，在满足无人机负载动态响应需求的基础上能够提高系统的稳定性和经济性。

目前关于混合电源的研究通常只考虑单一的燃料电池氢耗量作为优化目标，虽然能够降低氢气的消耗量，但相应的会增加辅助电源的输出电功。可能会造成辅助电源的电量先耗尽而由燃料电池单独供电的情况，这样会对无人机的动态性能和系统稳定性造成极大的影响。

此外大多数能量管理方法都以氢气储量足够为前提且不考虑氢气消耗的总量，但实际情况是无人机所携带的氢气瓶的大小有限，即氢气的储量有限，燃料电池所能输出的电功也有最大限制。所以在对燃料电池无人机能量管理算法的研究中，考虑到氢气储量的限制更符合实际情况。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种动态平衡的燃料电池无人机能量管理方法，针对以燃料电池作为主电源，锂电池作为辅助电源的无人机混合电源系统，在已知燃料电池氢气总量的前提下，基于燃料电池氢气消耗量估计进行多目标优化能量管理。优化目标分别是燃料电池的氢气消耗率(已消耗的氢气/总氢气)和锂电池的能量利用率(已消耗的电量/总电量)。该方法能够使这两个目标保持动态平衡，避免出现混合电源中的一种电源的电量先耗尽的情况，能够维持无人机混合电源系统的稳定性进而保障了无人机的动态特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种动态平衡的燃料电池无人机能量管理方法，所述无人机使用混合电源系统提供能量，所述混合电源系统包括能量管理控制器、燃料电池、锂电池、DC-DC功率变换器、双向DC-DC功率变换器和负载母线；

所述燃料电池作为主电源，所述锂电池作为辅助电源；燃料电池通过DC-DC功率变换器连接到负载母线，稳定负载母线的电压；锂电池通过双向DC-DC功率变换器连接到负载母线，所述能量管理控制器通过控制双向DC-DC功率变换器的输出电流大小间接控制锂电池的输出功率；能量管理控制器接收DC-DC功率变换器和双向DC-DC功率变换器的功率信号以及负载母线的电压和电流信号，在能量管理控制器中运行能量管理方法对混合电源系统进行控制；

应用于动态平衡的燃料电池无人机能量管理方法，包括以下步骤：

步骤1：构建顶层决策层；

步骤1-1：计算燃料电池瞬时氢耗量

测量燃料电池在多个不同输出功率下的氢气消耗量数据，绘制成氢气消耗曲线；对该曲线进行拟合，得到燃料电池氢气消耗量和燃料电池输出功率之间的函数，如下式：