復(fù)合電源型無人機(jī)能量管理策略研究

李元旭，喬培玉，彭發(fā)醇

(四川航天系統(tǒng)工程研究所，四川成都 610100)

近年來，隨著控制技術(shù)及電源技術(shù)的不斷發(fā)展，多旋翼無人機(jī)受到了人們的極大關(guān)注。其應(yīng)用場(chǎng)景從最初的軍用逐步擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，如電力巡線、植保噴藥、貨物運(yùn)輸及高清航拍等。其中，復(fù)合電源型無人機(jī)以其同時(shí)具備較高比功率及比能量的優(yōu)勢(shì)備受矚目，其有效解決了單一電源無人機(jī)巡航時(shí)間短及大電流運(yùn)行影響電池壽命的問題。目前，應(yīng)用較為廣泛的是鋰電池及超級(jí)電容器復(fù)合電源型無人機(jī)。超級(jí)電容器功率密度高、充放電速度快[1]，可充分發(fā)揮其削峰填谷作用，補(bǔ)充鋰電池功率，有效應(yīng)對(duì)無人機(jī)爬升過程大功率需求及飛行中瞬時(shí)波動(dòng)，保證復(fù)合電源穩(wěn)定供電。

復(fù)合電源能量管理策略是對(duì)兩種電源間功率做出合理分配[2]，需既保障電源輸出功率滿足無人機(jī)不同飛行需求，又能使電源間能量互補(bǔ)以延長(zhǎng)動(dòng)力系統(tǒng)使用壽命。目前，應(yīng)用于無人機(jī)能量管理的控制策略有邏輯門限值控制、功率跟隨控制、基于優(yōu)化的控制及模糊控制等[3-5]。邏輯門限值控制是指根據(jù)無人機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)好的電源系統(tǒng)有限的工作狀態(tài)通過邏輯門限進(jìn)行控制和管理，其控制策略簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但沒有考慮電源間功率分配問題，并且在電源切換時(shí)會(huì)有瞬時(shí)電流沖擊[6]。功率跟隨控制是指根據(jù)電源的運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載需求功率分配各電源功率，使其輸出之和等于負(fù)載功率，其控制策略考慮了功率供需雙方實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且覆蓋了雙電源所有可能的輸出組合，但對(duì)每種情況均需進(jìn)行嚴(yán)格分類及條件判斷，且過多依賴主電源，不能很好地發(fā)揮輔助電源作用[7]?；趦?yōu)化的控制是指先獲取負(fù)載運(yùn)行全過程的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)求出功率分配最優(yōu)解，其控制策略考慮全面，但在實(shí)際工程中應(yīng)用難度較高[8]。模糊控制是指按照提前設(shè)計(jì)好的模糊規(guī)則，以類似人的思維方式進(jìn)行模糊推理，從而實(shí)現(xiàn)智能控制。文獻(xiàn)[9]以燃料電池-鋰電池為無人機(jī)復(fù)合電源，采用基于鋰電池荷電狀態(tài)的模糊控制，但沒有考慮燃料電池實(shí)時(shí)狀態(tài)，不能綜合考慮電源功率安排；文獻(xiàn)[7]提出了以兩電源荷電狀態(tài)及無人機(jī)需求為輸入的模糊控制，但其模糊規(guī)則的制定對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用不夠充分，使得其在負(fù)載高需求下放電過少，低需求下充電過少。

基于此，本文研究了無人機(jī)復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，介紹了針對(duì)所提系統(tǒng)的能量管理策略，提出了加深超級(jí)電容器利用程度的模糊控制，考慮雙電源各自荷電狀態(tài)，根據(jù)需求功率進(jìn)行電源間功率初步分配，同時(shí)考慮無人機(jī)飛行過程中瞬時(shí)小幅波動(dòng)的平抑，將實(shí)時(shí)檢測(cè)出的波動(dòng)功率分給超級(jí)電容器承擔(dān)，完成功率二次分配，通過仿真與功率跟隨控制策略進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所提方法可有效減小鋰電池工作電流，平穩(wěn)鋰電池功率輸出。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋰電池屬于能量型儲(chǔ)能裝置，難以滿足無人機(jī)負(fù)載瞬時(shí)啟動(dòng)、重載、大風(fēng)等突發(fā)情況下的大功率或波動(dòng)性功率需求。因此，配置較小容量的功率型儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容器作為輔助電源，對(duì)鋰電池進(jìn)行功率補(bǔ)充[10]。由于鋰電池容量充足，荷電狀態(tài)變化幅度小，可在超級(jí)電容器荷電狀態(tài)低時(shí)對(duì)其充電，使其穩(wěn)定在良好狀態(tài)，為下次大功率補(bǔ)充提供充裕空間。

基于以上考慮，鋰電池通過單向DC/DC 變換器與直流母線相連，將負(fù)載側(cè)與電池側(cè)穩(wěn)定連接，電池作主電源；超級(jí)電容器通過雙向DC/DC 變換器與直流母線連接，既能穩(wěn)定直流母線電壓，控制超級(jí)電容器充放電過程，同時(shí)，可通過DC/DC變換器由鋰電池充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

按照無人機(jī)飛行需求將其工作狀態(tài)劃分為：起飛、巡航、爬升、重載、輕載。其中，需求功率在上升至較高值時(shí)會(huì)有瞬時(shí)沖擊，飛行過程中如遇大風(fēng)或躲避障礙物等突發(fā)情況，需求功率會(huì)有一定波動(dòng)。

2 能量管理策略設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)合電源系統(tǒng)的能量管理策略分為兩步，如圖2 所示，SOCli、SOCsc分別是鋰電池、超級(jí)電容器荷電狀態(tài)，Pneed是無人機(jī)需求功率，Pli_f、Psc_ f分別是鋰電池、超級(jí)電容器初次分配功率，分別是鋰電池、超級(jí)電容器最終分配功率，ΔP是波動(dòng)功率。第一步是模糊控制，以充分發(fā)揮超級(jí)電容器對(duì)鋰電池的功率補(bǔ)充作用；第二步是波動(dòng)修正，以減小波動(dòng)功率對(duì)鋰電池穩(wěn)定輸出的影響。兩電源最終分配所得的功率滿足無人機(jī)需求功率，表示為：

2.1 模糊控制

模糊控制利用人類思維的模糊性編寫模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊決策，克服了系統(tǒng)模型不易確定的困難[8]。針對(duì)無人機(jī)飛行過程爬升降落等各種情況，模糊控制可智能地控制兩電源合理的功率分配完成能量管理。如圖2 所示，模糊控制的控制結(jié)構(gòu)以鋰電池荷電狀態(tài)、超級(jí)電容器荷電狀態(tài)及無人機(jī)需求功率為輸入，為突出模糊規(guī)則制定中輔助電源的功率補(bǔ)充作用，以超級(jí)電容器初次分配功率為輸出。

圖2 復(fù)合電源能量管理策略

2.1.1 隸屬度函數(shù)的定義

由于高斯函數(shù)具有優(yōu)越的過渡性及分布性，模糊隸屬度函數(shù)選用高斯函數(shù)，如圖3 所示。定義SOCli、SOCsc基本論域分別為[0.2,1]、[0,1]，模糊集均劃分為{S、M、B}，分別代表小、中、大。定義Pneed基本論域?yàn)閇0,2 000]，模糊集劃分為{VS、S、M、B、VB}，分別代表極小、小、中、大、極大。定義Psc_ f基本論域?yàn)閇－500,1 000]，模糊集劃分為{NS、ZO、S、M、B}，分別代表負(fù)小、零、小、中、大。

圖3 模糊控制輸入輸出隸屬度函數(shù)

2.1.2 模糊規(guī)則的制定

考慮到兩電源各自充放電特性以及功率需求，模糊規(guī)則制定應(yīng)服從以下條件：

(1)鋰電池作為主要能量來源，在工作過程中一直處于供電狀態(tài)；

(2)無人機(jī)為巡航狀態(tài)時(shí)，鋰電池荷電狀態(tài)良好的狀況下，可由鋰電池單獨(dú)供電，若鋰電池放電不足，則可由超級(jí)電容器補(bǔ)充供電；

(3)在無人機(jī)爬升或重載狀態(tài)下，為減小鋰電池大電流輸出對(duì)電池安全性的影響，鋰電池以較高功率輸出，超級(jí)電容器憑借其可大功率輸出的特性全力配合輸出，若超級(jí)電容器荷電狀態(tài)相比鋰電池占優(yōu)勢(shì)，可主力供電；

(4)在無人機(jī)輕載狀態(tài)下，鋰電池可保持巡航狀態(tài)下功率輸出，多出的功率為超級(jí)電容器充電，使超級(jí)電容器荷電狀態(tài)盡量維持在高水平。

SOCli模糊集為{S、M、B}時(shí)，Psc_ f的模糊控制規(guī)則如表1～3 所示。

表1 SOCli 的模糊集為S 時(shí)Psc_f 的模糊控制規(guī)則

2.2 波動(dòng)修正

由于無人機(jī)在飛行狀態(tài)由低功率切換至高功率時(shí)難免會(huì)有一些小幅功率超調(diào)，或是在飛行過程中遇到阻礙致使功率發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)。因此，設(shè)置二次功率分配，即波動(dòng)修正。波動(dòng)修正是對(duì)模糊控制分配后的功率再次調(diào)整，利用超級(jí)電容器充放電速度快、比功率大的特性，使其平抑上述超調(diào)及波動(dòng)，有利于鋰電池輸出功率及放電電流的平穩(wěn)輸出，進(jìn)而延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

表2 SOCli 的模糊集為M 時(shí)Psc_f 的模糊控制規(guī)則

表3 SOCli 的模糊集為B 時(shí)Psc_f 的模糊控制規(guī)則

無人機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的功率波動(dòng)一般具有短時(shí)、小幅的特點(diǎn)。根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)置波動(dòng)檢測(cè)條件如下：

式中：P(t)、P(t－Δt)、P(t+Δt)是實(shí)時(shí)檢測(cè)過程中隨時(shí)間變化的功率值；Pneed_max是無人機(jī)需求功率最大值；α 是定義的波動(dòng)幅值系數(shù)；T是定義的波動(dòng)間隔。

如圖2 所示，波動(dòng)修正將檢測(cè)出的波動(dòng)功率由超級(jí)電容器承擔(dān)，模糊控制分配所得的鋰電池功率減去這部分波動(dòng)功率，以此完成二次功率分配，表示如下：

3 仿真分析

本文使用Matlab/Simulink 仿真軟件對(duì)所提能量管理策略進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)如表4 所示。

表4 仿真參數(shù)

仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為30 s，采樣時(shí)間為2.5×10－5，α 取0.1，T取0.15 s。根據(jù)無人機(jī)飛行狀態(tài)，理想化功率需求如下：巡航功率為600 W，重載功率為900、1 200 及1 700 W，輕載功率為150、300 及450 W，起飛及爬升狀態(tài)下有瞬時(shí)沖擊，飛行過程中有小幅波動(dòng)。無人機(jī)需求功率如圖4 所示。

圖4 無人機(jī)需求功率

為突出本文所提能量管理策略的優(yōu)越性，選用功率跟隨控制策略與其對(duì)比仿真。功率跟隨控制具體方案為：設(shè)置鋰電池額定輸出功率為600 W，最大輸出功率為900 W。若無人機(jī)需求功率大于等于最大輸出功率時(shí)，鋰電池僅輸出900 W，超級(jí)電容器承擔(dān)剩余負(fù)載需求；若無人機(jī)需求功率介于額定輸出功率與最大輸出功率之間，由鋰電池單獨(dú)供電給負(fù)載；若無人機(jī)需求功率小于額定輸出功率，且當(dāng)超級(jí)電容器荷電狀態(tài)低于0.85 時(shí)，鋰電池同時(shí)供電給負(fù)載和超級(jí)電容器，當(dāng)超級(jí)電容器荷電狀態(tài)高于0.85 時(shí)，僅由鋰電池供電給負(fù)載。仿真結(jié)果如圖5～9 所示。

圖5 鋰電池輸出功率對(duì)比

由圖5 可知，相比于功率跟隨控制策略，本文策略下鋰電池輸出功率基本穩(wěn)定在巡航功率600 W 上下，在無人機(jī)重載狀態(tài)需求功率不是很高時(shí)，輸出較小，并且鋰電池輸出功率減小了波動(dòng)功率的存在，有利于鋰電池輸出電流的穩(wěn)定。

由圖6 可知，相比于功率跟隨控制策略，本文策略下超級(jí)電容器輸出功率在無人機(jī)重載狀態(tài)下有效補(bǔ)充鋰電池功率為負(fù)載供電，在輕載狀態(tài)下及時(shí)充電保證其放電能力的恢復(fù)，并且有效吸納了需求功率中的波動(dòng)部分，充分利用了超級(jí)電容器比功率性儲(chǔ)能特性。

圖6 超級(jí)電容器輸出功率對(duì)比

由圖7 可知，本文能量管理策略下，由于在無人機(jī)重載狀態(tài)時(shí)限制了鋰電池的功率輸出，使得其荷電狀態(tài)相比于功率跟隨控制策略下降較少。

圖7 鋰電池荷電狀態(tài)對(duì)比

由圖8 可知，本文能量管理策略下，超級(jí)電容器由于在無人機(jī)重載過程中輸出較多功率，導(dǎo)致荷電狀態(tài)下降較多，但在輕載狀態(tài)下能夠及時(shí)補(bǔ)充能量，盡量維持在良好狀態(tài)。

圖8 超級(jí)電容器荷電狀態(tài)對(duì)比

由圖9 可知，鋰電池輸出電流變化趨勢(shì)與其輸出功率一致，相比于功率跟隨控制策略，本文策略下鋰電池輸出電流更為平穩(wěn)，有利于延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖9 鋰電池輸出電流對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)無人機(jī)供電問題，本文研究了復(fù)合電源的能量管理策略，選用鋰電池-超級(jí)電容器作為電源，設(shè)計(jì)了基于加強(qiáng)超級(jí)電容器供電作用的模糊控制及針對(duì)波動(dòng)平抑的功率修正方案，使得超級(jí)電容器在無人機(jī)重載狀態(tài)下作為輔助電源盡力為負(fù)載供電，在無人機(jī)飛行遇到瞬時(shí)功率變化時(shí)及時(shí)消納波動(dòng)功率，充分發(fā)揮其削峰填谷的作用，有利于復(fù)合電源平穩(wěn)供電。仿真結(jié)果表明本文所提策略有效可用。