多電飛機(jī)混合動(dòng)力應(yīng)急電源參數(shù)匹配

中國民用航空飛行學(xué)院 劉小涵 彭 旭 牟世榮

多電飛機(jī)是由電氣系統(tǒng)部分取代液壓系統(tǒng)，氣源系統(tǒng)的飛機(jī)。目前飛機(jī)上的應(yīng)急電源主要以沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)和蓄電池的組合為主，但沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)受飛機(jī)空速的限制，只有當(dāng)空速大于一定值時(shí)才能夠正常使用。與此同時(shí)，在當(dāng)前科技飛速發(fā)展的背景下，清潔能源普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中燃料電池應(yīng)用最為廣泛。它具有能量轉(zhuǎn)化率高，運(yùn)行噪聲低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。然而燃料電池的功率密度較低，因此通常與其他輔助設(shè)備混合供電，燃料電池加上輔助設(shè)備能夠使得燃料電池工作在穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于延長燃料電池自身的使用壽命以及增強(qiáng)系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有很大的幫助。因此，混合動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)也是未來多電飛機(jī)的發(fā)展趨勢之一。

本文采用混合動(dòng)力系統(tǒng)作為多電飛機(jī)的應(yīng)急電源系統(tǒng)，在應(yīng)急負(fù)載給定的條件下，在滿足系統(tǒng)功率需求的條件下，匹配應(yīng)急電源系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)采用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，對(duì)混合動(dòng)力在多電飛機(jī)上應(yīng)用、研究、推廣都有著重要的意義。

1 能源系統(tǒng)

1.1 燃料電池

燃料電池將化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。目前使用最廣泛的是質(zhì)子交換膜燃料電池，包含質(zhì)子交換膜、電極、電催化劑、膜電極和雙極板。燃料電池的反應(yīng)原理歸根結(jié)底是化學(xué)反應(yīng)，因此在反應(yīng)的同時(shí)會(huì)存在不可逆的能量衰減。

1.2 超級(jí)電容

超級(jí)電容又名電化學(xué)電容，是一種雙層電容器，它是一種比功率密度高、自身容量大、充放電循環(huán)次數(shù)多的新型儲(chǔ)能器件。它的儲(chǔ)能和放電過程是一個(gè)完全的物理過程，不涉及任何的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)接入外部電壓進(jìn)行充電時(shí)，由于正電荷儲(chǔ)存在超級(jí)電容的正極板，負(fù)電荷儲(chǔ)存在超級(jí)電容的負(fù)極板，使得兩個(gè)極板帶電并產(chǎn)生電場，形成相反極性的電荷以平衡內(nèi)電場，故而會(huì)形成雙電層。位于兩電極之間的隔膜能阻止正負(fù)電荷在電極間的自由移動(dòng)。超級(jí)電容將能量儲(chǔ)存在分離出的電荷之中，因此儲(chǔ)存電荷的面積越大，分離出的電荷就越多，其電荷量也越大。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力應(yīng)急電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于燃料電池輸出電壓波動(dòng)較大，因此通過單相DC/DC變換器與直流母線連接。超級(jí)電容通過雙向DC/DC與直流母線連接，一方面可以穩(wěn)定直流模型電壓，對(duì)超級(jí)電容放電進(jìn)行管理，同時(shí)可以通過雙向DC/DC對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，以滿足降落需求，該系統(tǒng)能夠較好實(shí)現(xiàn)燃料電池、蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)能量控制以及管理。這種結(jié)構(gòu)有效地減少了燃料電池工作在峰值狀態(tài)的時(shí)間，降低了燃料電池的損耗，有效地延長了燃料電池自身的工作壽命。

3 參數(shù)匹配

3.1 負(fù)載功率

本文所使用的飛機(jī)應(yīng)急電源負(fù)載平均功率為7.5kW，峰值功率為10.5kW。

3.2 基于頻率的能量管理系統(tǒng)

本文采用基于頻率的能量管理策略，該方法將負(fù)載功率進(jìn)行頻率分析，選擇適當(dāng)?shù)臑V波頻率將其分解，燃料電池和超級(jí)電容將根據(jù)濾波頻率的大小進(jìn)行功率分配。即燃料電池將提供多電飛機(jī)負(fù)載低頻功率，而超級(jí)電容將提供高頻功率，原理圖如圖2所示。

圖2 基于頻率的能量管理

基于多點(diǎn)飛機(jī)應(yīng)急負(fù)載，采用基于頻率的能量管理策略，由于燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，因此燃料電池工作在低頻狀態(tài)，即燃料電池提供平均功率，即負(fù)載平均功率7.5kW，同時(shí)超級(jí)電容具有高功率密度和較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此工作在高頻狀態(tài)，即負(fù)載瞬時(shí)功率最大值10.5kW，并要能夠快速彌補(bǔ)負(fù)載電流。

3.3 混合動(dòng)力參數(shù)匹配

（1）燃料電池

當(dāng)飛機(jī)主發(fā)電機(jī)在空中停止工作，燃料電池提供飛機(jī)負(fù)載的平均功率。由于燃料電池的效率非常依賴于燃料電池的電流密度，一般來說，電流越大，效率越低。燃料電池本質(zhì)上是模塊化的，可以利用兩個(gè)自由度：固定燃料電池堆電流的電池表面積S和固定燃料電池堆電壓的基本電池?cái)?shù)量N。因此燃料電池自然地以低壓大電流的形式提供電能。根據(jù)查閱文獻(xiàn)和資料，燃料電池選擇Ballard系統(tǒng)能源公司提供的FCvelocity-9SSLK61L型燃料電池。

（2）超級(jí)電容

當(dāng)飛機(jī)負(fù)載從超級(jí)電容器中提取電能時(shí)，主要受DC/DC變換器電流限制。因此，為了達(dá)到所需的功率水平，必須串聯(lián)多個(gè)電容器以提高電壓水平。在這種情況下，每個(gè)電容上的電壓可能不同，但是Maxwell超級(jí)電容器自身有電源平衡電路來解決這個(gè)問題。而為了增加存儲(chǔ)電容，電容需要并聯(lián)。因此根據(jù)查閱文獻(xiàn)和資料，本文采用Maxwell BPAK0058 E015 B01的超級(jí)電容。

根據(jù)系統(tǒng)功率要求，多電飛機(jī)應(yīng)急電源系統(tǒng)需配用4套K55L型燃料電池和6個(gè)超級(jí)電容串并聯(lián)。

（3）基于多目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)匹配

本文采用遺傳算法，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的總體積和總重量建立目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到混合動(dòng)力系統(tǒng)中燃料電池和超級(jí)電容的最佳配比。針對(duì)混合系統(tǒng)的體積和重量所建立的優(yōu)化函數(shù)數(shù)學(xué)模型。

燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的總質(zhì)量數(shù)學(xué)計(jì)算模型：

燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的總體積數(shù)學(xué)計(jì)算模型：

式中x1，x2分別代表燃料電池和超級(jí)電容的個(gè)數(shù)，mcontrast2，vcontrast2分別代表使用傳統(tǒng)參數(shù)匹配的方法得到的混合動(dòng)力系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

綜合的目標(biāo)函數(shù)為：

本文采用線性加權(quán)和法，將上述多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)優(yōu)化問題，即：

式中，w1，w2分別為每個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其中w1+w2=1，mmax，vmax分別為每個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的最大值，本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，最終取兩個(gè)權(quán)重系數(shù)分別為λ1= 0.7，λ2= 0.3。

圖3 目標(biāo)函數(shù)收斂曲線

本文待優(yōu)化的參數(shù)的取值范圍是：SOC取值范圍：30%～60%；PFCmax取值范圍：10kW～50kW；PUCmax取值范圍：3kW～30kW。設(shè)置進(jìn)化種群數(shù)為50，最大進(jìn)化迭代數(shù)為200，交叉概率為0.9，變異概率為0.01～0.1，迭代次數(shù)作為終止條件。其適應(yīng)度函數(shù)收斂曲線如圖3所示。

表1 燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

由圖3可以得出：目標(biāo)函數(shù)收斂于0.5693，對(duì)應(yīng)的x1，x2的取值分別為3和5。燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化后的參數(shù)為燃料電池3套，超級(jí)電容5個(gè)。燃料電池混合動(dòng)力優(yōu)化前和優(yōu)化后的各個(gè)參數(shù)的比較如表1所示。

結(jié)論：本文在滿足系統(tǒng)動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，基于多目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)匹配能夠有效減小系統(tǒng)的重量和體積，分別為優(yōu)化前的79.51%和86.74%。為多電飛機(jī)應(yīng)急的電源系統(tǒng)配置3套21kW的燃料電池，5個(gè)超級(jí)電容（15V，165F）。