多旋翼燃料電池無人機能量管理策略研究*

張志祥，肖 鐸，王佳斌

(浙江大學城市學院，浙江 杭州 310015)

0 引言

電動多旋翼無人機續航時間普遍不足半小時[1]，續航時間短成為制約其發展的重要因素。新型燃料電池混合動力系統開始逐步取代傳統的單一能源動力系統。燃料電池動態性能比較軟，而無人機在抗湍流、變換飛行姿態等工況下需要較大瞬間功率[2]，因此能量管理策略是無人機混合動力研究的核心技術之一，在滿足無人機負載瞬時變化的需求下，燃料電池和輔助電源按照能量管理算法實時分配功率輸出，提高燃料利用效率，延長電池使用壽命，使各設備處于最佳工作狀態。目前，國內外對多旋翼無人機動力系統的能量管理策略研究較少，除了系統模型和工作狀態有所差別外，無人機的能量管理相較于混合動力汽車有很多相似之處，因此，在對無人機進行能量管理時可以借鑒混合動力汽車已有的經驗?；旌蟿恿ζ嚨哪芰抗芾聿呗灾饕譃榛谝巹t的控制策略和基于優化的控制策略[3]，基于規則的控制策略中邏輯門限控制策略[4]、功率跟隨控制策略[5]和常規模糊控制策略[6]應用廣泛，這種控制策略主要依賴于專家經驗和工程實踐；而基于優化的控制策略需要采集特定工況或循環工況的全部數據，在實際工程中應用難度較高[7]。文獻[8]中采用邏輯門限控制策略對油電混合動力無人機系統進行能量管理，算法仿真和實驗測試結果表明該控制策略能夠滿足無人機飛行需求并有效減少了燃油的消耗，但反復啟動開關會導致電池壽命大打折扣。李延平[9]等采用功率跟隨控制策略對無人機能量管理進行了研究，驗證了控制策略的可行性，但不能保證混合動力系統能量的最優分配。

本文采用模糊控制策略對多旋翼無人機進行能量管理，將需求功率誤差信號、鋰電池荷電狀態(State of charge, SOC)和燃料電池氫氣壓強作為模糊控制的輸入，對燃料電池輸出功率和鋰電池輸出功率進行動態分配和管理，在算法仿真的基礎上利用STM32F103設計實現了能量管理控制器，最后在3 kW大疆植保無人機上進行了改裝和飛行測試。仿真和測試結果表明：模糊能量管理策略在滿足無人機負載動態變化的前提下，混合動力系統的續航時間可達到90 min 以上，整機效率提高了80%，同時燃料電池和鋰電池工作在最佳工況。

1 無人機混合動力系統結構

如圖1所示，無人機混合動力系統主要由質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)系統、蓄電池、DC-DC變換器、無人機電調、無刷直流電機、螺旋槳等多種零部件組成。無人機在工作過程中，燃料電池作為主要動力源提供無人機飛行所需功率，但燃料電池特性偏軟，無法滿足無人機負載如瞬時啟動、爬升、大風等突發情況下的大功率需求，需要配置輔助蓄電池，輔助動力電池能夠在短時間內提供大功率，同時在無人機需求功率不高的情況下由燃料電池對蓄電池進行充電。按照一定的控制策略，對燃料電池和蓄電池輸出功率進行合理的優化分配，在滿足無人機飛行需求的基礎上提高燃料經濟性，延長續航時間。

圖1 無人機混合動力系統

電動多旋翼無人機工作模式主要可分為以下三種：(1)起飛/爬升/應急模式：無人機需求功率很大，燃料電池輸出恒定功率，不足部分由鋰電池輸出；(2)巡航模式：無人機處于正常工作狀態，燃料電池輸出功率和需求功率大致相當，鋰電池作為輔助電源；(3)輕載模式：無人機載荷減小、懸停、下降等情況下，需求功率小于燃料電池額定功率，此時燃料電池為無人機提供能量的同時給鋰電池充電。無人機系統主要技術參數及性能指標如表1所示。

表1 無人機系統主要技術參數及性能指標

2 能量管理策略

在無人機真實的飛行過程中，系統的工作狀況受諸多環境因素的影響，難以建立精確的數學模型，模糊控制利用人類思維的模糊性編寫模糊規則，完成模糊推理，克服了系統模型不確定的困難[10]。混合動力系統能量管理策略示意圖如圖2所示，模糊控制器是燃料電池混合動力系統能量管理策略的關鍵模塊。將無人機需求功率誤差信號Pe、鋰電池SOC和燃料電池氫氣壓強PH2作為模糊控制的輸入，燃料電池輸出功率Pfc和鋰電池輸出功率Pli作為模糊的輸出，實現對雙電源的能量分配和管理。

圖2 混合動力系統能量管理策略

本文首先根據專家經驗設計模糊控制系統，隸屬度函數選擇平滑的高斯函數。模糊系統輸入變量中，功率誤差信號Pe的基本論域為[-8,12] kW，劃分為NB(負大)、NM(負中)、MS(負小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)7個模糊集合，隸屬度函數如圖3所示；鋰電池SOC的基本論域為[10,100]%，劃分為ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)4個模糊集合，隸屬度函數如圖4所示；燃料電池氫氣壓強PH2的基本論域為[1,30] Mpa，劃分為ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)4個模糊集合，隸屬度函數如圖5所示。模糊系統輸出變量中，燃料電池輸出功率Pfc的基本論域為[0,5] kW，劃分為ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)4個模糊集合，隸屬度函數如圖6所示；鋰電池輸出功率Pli的基本論域為[-3,9] kW，劃分為NB(負大)、NM(負中)、MS(負小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)7個模糊集合，隸屬度函數如圖7所示。

圖3 功率誤差信號Pe的隸屬度函數

圖4 鋰電池SOC的隸屬度函數

圖5 燃料電池氫氣壓強PH2的隸屬度函數

圖6 燃料電池輸出功率Pfc的隸屬度函數

圖7 鋰電池輸出功率Pli的隸屬度函數

模糊控制規則由一系列關系詞連接而成，最常用的關鍵詞有if-then，also，or和and，確定各模糊輸入變量和輸出變量的模糊控制規則如表2所示。

表2 模糊控制規則表

3 算法仿真

在MATLAB/Simulink仿真系統中建立無人機混合動力系統整體模型，鋰電池為60 Ah/48 V，電池初始荷電狀態SOC=70%。無刷直流電機的基本參數為：額定功率3 kW，額定轉速1 200 r/min，額定輸入電壓為48 V，額定電流為60 A，定子電阻為0.2 Ω，轉動慣量為0.05 kg/m2，額定轉矩為20 N·m。取仿真時間為0～90 min，仿真波形如圖8所示。

圖8 無人機混合動力系統仿真曲線

由圖8仿真曲線可知：無刷電機啟動瞬間需求功率能達到額定功率的3～4倍，此時燃料電池和鋰電池共同輸出最大功率以滿足負載要求；10～20 min時間內，電機處于平穩工作狀態，此時電機需求功率和燃料電池輸出功率相當，鋰電池不工作；20～35 min時間內，電機處于輕載模式，燃料電池同時對鋰電池充電；70～85 min時間內，電機需求功率突然增大，燃料電池輸出額定功率，不足部分由鋰電池快速補充。在整個90 min仿真時間內，鋰電池SOC始終保持在60%～70%范圍內，燃料電池氫氣壓強PH2從初始壓強30 Mpa降為3 Mpa，功率誤差信號Pe能快速穩定在零值范圍內，表明混合動力系統能夠滿足需求功率快速變化的要求。在整個仿真結束后，該燃料電池混合動力系統仍然有較充足的能量應對突發情況，系統具有較高可靠性，燃料電池和鋰電池同時工作于最佳狀態。由此可以看出，本文設計的模糊控制能量管理算法可以對燃料電池輸出功率、鋰電池輸出功率進行有效的動態管理，在滿足負載功率變化的同時使系統工作在高效區，能有效提高燃料經濟性，延長續航時間。

4 控制器實現

本文采用STM32F103作為主芯片設計了如圖9所示的能量管理控制器，用于采集燃料電池和鋰電池的電壓、電流，以及氫氣壓強信號，并結合飛控系統傳輸的數據計算出需求功率誤差值和鋰電池SOC，通過模糊控制算法動態分配燃料電池和鋰電池的輸出功率，LCD模塊將實時顯示以上參數的數值和無人機的工作狀態。最后對3 kW大疆多旋翼植保無人機進行飛行測試，將原有單一鋰電池動力系統改裝成燃料電池/鋰電池混合動力系統，重量從原來的6 kg增加到10 kg，續航時間從原來的30 min增加到90 min，若按照單位質量內電池所儲存的電量來計算，混合動力系統的整體效率比原系統提高了80%左右。

圖9 能量管理控制器實現框圖

5 結論

本文采用模糊控制算法對多旋翼無人機混合動力系統進行能量管理，相比于邏輯門限控制策略和功率跟隨策略更加合理高效，并在此基礎上設計了能量管理控制器，經過仿真分析和無人機飛行測試，結果表明：該能量管理策略能夠滿足無人機動力性能要求，合理調度燃料電池與鋰電池的輸出功率并使鋰電池與燃料電池工作在最佳狀態。

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