中國民用航空飛行學(xué)院 劉小涵 彭 旭 牟世榮

多電飛機是由電氣系統(tǒng)部分取代液壓系統(tǒng)，氣源系統(tǒng)的飛機。目前飛機上的應(yīng)急電源主要以沖壓空氣渦輪發(fā)電機和蓄電池的組合為主，但沖壓空氣渦輪發(fā)電機受飛機空速的限制，只有當(dāng)空速大于一定值時才能夠正常使用。與此同時，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，運行噪聲低，維護方便等優(yōu)點。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)，對于延長燃料電池自身的使用壽命以及增強系統(tǒng)本身的動態(tài)響應(yīng)有很大的幫助。因此，混合動力應(yīng)急電源系統(tǒng)也是未來多電飛機的發(fā)展趨勢之一。

本文采用混合動力系統(tǒng)作為多電飛機的應(yīng)急電源系統(tǒng)，在應(yīng)急負載給定的條件下，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)，同時采用遺傳算法對系統(tǒng)進行多目標(biāo)優(yōu)化，對混合動力在多電飛機上應(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)的同時會存在不可逆的能量衰減。

1.2 超級電容

超級電容又名電化學(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)多的新型儲能器件。它的儲能和放電過程是一個完全的物理過程，不涉及任何的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)接入外部電壓進行充電時，由于正電荷儲存在超級電容的正極板，負電荷儲存在超級電容的負極板，使得兩個極板帶電并產(chǎn)生電場，形成相反極性的電荷以平衡內(nèi)電場，故而會形成雙電層。位于兩電極之間的隔膜能阻止正負電荷在電極間的自由移動。超級電容將能量儲存在分離出的電荷之中，因此儲存電荷的面積越大，分離出的電荷就越多，其電荷量也越大。

2 拓撲結(jié)構(gòu)

混合動力應(yīng)急電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)

由于燃料電池輸出電壓波動較大，因此通過單相DC/DC變換器與直流母線連接。超級電容通過雙向DC/DC與直流母線連接，一方面可以穩(wěn)定直流模型電壓，對超級電容放電進行管理，同時可以通過雙向DC/DC對超級電容進行充電，以滿足降落需求，該系統(tǒng)能夠較好實現(xiàn)燃料電池、蓄電池混合動力系統(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 負載功率

本文所使用的飛機應(yīng)急電源負載平均功率為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，該方法將負載功率進行頻率分析，選擇適當(dāng)?shù)臑V波頻率將其分解，燃料電池和超級電容將根據(jù)濾波頻率的大小進行功率分配。即燃料電池將提供多電飛機負載低頻功率，而超級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

基于多點飛機應(yīng)急負載，采用基于頻率的能量管理策略，由于燃料電池的動態(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，即負載平均功率7.5kW，同時超級電容具有高功率密度和較強的動態(tài)響應(yīng)，因此工作在高頻狀態(tài)，即負載瞬時功率最大值10.5kW，并要能夠快速彌補負載電流。

3.3 混合動力參數(shù)匹配

（1）燃料電池

當(dāng)飛機主發(fā)電機在空中停止工作，燃料電池提供飛機負載的平均功率。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數(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）超級電容

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

根據(jù)系統(tǒng)功率要求，多電飛機應(yīng)急電源系統(tǒng)需配用4套K55L型燃料電池和6個超級電容串并聯(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，對混合動力系統(tǒng)的總體積和總重量建立目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到混合動力系統(tǒng)中燃料電池和超級電容的最佳配比。針對混合系統(tǒng)的體積和重量所建立的優(yōu)化函數(shù)數(shù)學(xué)模型。

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

燃料電池混合動力系統(tǒng)的總體積數(shù)學(xué)計算模型：

式中x1，x2分別代表燃料電池和超級電容的個數(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分別為每個優(yōu)化目標(biāo)的最大值，本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗，最終取兩個權(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)置進化種群數(shù)為50，最大進化迭代數(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 燃料電池混合動力系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對比

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

結(jié)論：本文在滿足系統(tǒng)動力性能的基礎(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%。為多電飛機應(yīng)急的電源系統(tǒng)配置3套21kW的燃料電池，5個超級電容（15V，165F）。