太阳能/氢能混合动力小型无人机总体设计

【摘要】：当前国内外环境问题的日益严重，全球能源供应日益紧张，各国都在努力寻找清洁能源以替代传统化石燃料；同时，采用新型能源作为动力的各种交通工具也成为研究热点。采用太阳能电池、燃料电池等无污染绿色能源驱动的电动飞机应运而生。然而，单纯采用太阳能驱动或燃料电池驱动的飞机，受到电源特性的限制，在设计中往往需要付出较大的代价以满足新能源飞机的设计要求，如采用非常规气动布局、大展弦比柔性机翼等。 本文选题紧密跟踪国内外无人机发展趋势，针对采用无污染绿色能源小型无人机的跨昼夜长航时飞行需求，提出了太阳能/氢能混合动力无人机概念，并针对混合动力小型无人机总体设计的关键技术开展研究，完成了以下工作： （1）针对小型无人机应用环境及主要任务需求，结合混合动力系统的特点，开展无人机任务剖面及环境模型研究。通过分析小型无人机的主要任务需求以及大量的飞行任务记录数据，按照任务类型建立了无人机典型任务剖面，为无人机总体设计提供依据。根据混合动力无人机各子系统对环境参数的设计需求，建立了无人机飞行环境模型。 （2）针对混合动力无人机总体设计中所关注的主要学科，开展了分系统建模研究。建立了混合动力无人机主要分系统模型，包括重量学科、太阳能电池系统、燃料电池系统和锂电池系统模型。重量学科模型主要包括机体架构重量、电源系统重量和动力系统重量的估算模型。建立了太阳能电池阵列与组件的理论及工程模型，并通过了实验验证。完成了燃料电池系统输出特性实验，基于实测数据建立了燃料电池输出功率近似模型。建立了锂电池输出特性及荷电状态（SOC）估算模型，并进行了仿真数据与实测数据的校验。 （3）针对混合动力无人机全机能量管理的需要，开展了状态机管理策略和功率跟随管理策略的研究，并实现了相应的混合动力无人机能量管理策略模型。完成了无人机任务剖面、飞行环境、能源系统、能量控制策略等模型的建立与集成仿真。仿真模拟了在给定任务剖面条件下，无人机在整个飞行过程中，混合动力系统各电源及控制器的输出及工作状态参数。通过仿真结果，定量分析了无人机空中姿态对于太阳能电池性能的影响，验证了控制策略的可行性并初步验证了混合动力系统相对于传统电动推进系统的优势。 （4）针对混合动力无人机的设计需求，提出了混合动力无人机能量/重量耦合分析方法。该方法充分考虑到能量、气动和重量学科间的耦合关系，通过迭代求解实现了混合动力无人机起飞重量的估算。进行了基于Matlab/Simulink的无人机能量、重量及性能学科耦合分析模型集成，建立了混合动力无人机多学科设计优化平台。采用基于物理规划的多目标优化策略和遗传算法对无人机设计方案进行优化，获得了较好的设计优化结果。 （5）搭建了无人机混合动力系统地面试验平台，并实现了各主要系统的地面测试试验。试验平台主要包含太阳能电池系统、燃料电池系统、锂电池系统、电动推进系统和能量控制系统。对太阳能电池、燃料电池和锂电池进行大量地面试验，为工程模型的建立和校验提供了可靠的实测数据。完成了基于状态机管理策略的无人机能源控制系统的硬件开发。通过动力系统地面联调实验证实了状态机控制策略及能量控制器的实用性，进而表明了混合动力无人机这一概念具有较强的可实现性。 【关键词】：无人机 太阳能 燃料电池 锂电池 混合动力 总体设计 任务剖面 环境建模 能量控制方法 多学科设计优化 地面试验
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 图表目录13-18
• 第1章 绪论18-40
• 1.1 研究背景18-20
• 1.2 相关领域研究状况20-36
• 1.2.1 小型电动无人机技术20-21
• 1.2.2 太阳能无人机技术21-27
• 1.2.3 燃料电池无人机技术27-29
• 1.2.4 混合动力技术29-31
• 1.2.5 多学科设计优化技术31-36
• 1.3 论文研究内容36-38
• 1.4 论文主要成果与创新点38-40
• 第2章 混合动力无人机典型任务剖面及环境模型建模40-61
• 2.1 引言40
• 2.2 无人机典型任务剖面分析与建模40-46
• 2.2.1 无人机飞行阶段40-42
• 2.2.2 无人机典型任务航线42-43
• 2.2.3 混合动力无人机任务剖面设计实例43-46
• 2.3 混合动力无人机飞行环境建模46-59
• 2.3.1 无人机系统组成46-47
• 2.3.2 无人机各子系统与环境变量的相关性47-48
• 2.3.3 大气环境模型48-52
• 2.3.4 太阳光照模型52-59
• 2.4 小结59-61
• 第3章 混合动力无人机分系统建模61-89
• 3.1 引言61
• 3.2 重量学科建模61-69
• 3.2.1 机体结构重量估算61-66
• 3.2.2 电源系统重量估算66-69
• 3.2.3 动力系统重量估算69
• 3.3 太阳能电池系统建模69-77
• 3.3.1 太阳能电池简介69-73
• 3.3.2 太阳能电池模型73-74
• 3.3.3 太阳能电池阵列模型74-76
• 3.3.4 实验验证76-77
• 3.4 燃料电池系统建模77-82
• 3.4.1 燃料电池原理77-78
• 3.4.2 混合动力无人机采用的燃料电池78-81
• 3.4.3 基于实验的燃料电池功率模型81-82
• 3.5 锂电池系统建模82-88
• 3.5.1 锂电池等效电路模型82-84
• 3.5.2 锂电池 Thevenin 模型及 SOC 估算84
• 3.5.3 锂电池模型仿真与实验验证84-88
• 3.6 小结88-89
• 第4章 能量控制方法及能源系统设计89-111
• 4.1 引言89
• 4.2 能源分配与控制方法研究89-102
• 4.2.1 状态机控制策略91-93
• 4.2.2 功率跟随控制策略93-102
• 4.3 混合动力系统结构设计102-105
• 4.3.1 状态机策略混合动力系统结构设计102-103
• 4.3.2 功率跟随策略混合动力系统结构设计103-105
• 4.4 状态机能源管理策略仿真105-108
• 4.4.1 控制系统设计的可行性106-107
• 4.4.2 能量控制器的工作状态107
• 4.4.3 混合动力无人机的飞行时间107-108
• 4.4.4 采用混合动力的优势108
• 4.5 功率跟随控制策略仿真108-110
• 4.6 小结110-111
• 第5章 混合动力无人机方案设计与多学科设计优化111-136
• 5.1 引言111
• 5.2 太阳能无人机概念设计流程111-118
• 5.2.1 重量平衡分析112
• 5.2.2 能量平衡分析112-118
• 5.3 混合动力无人机重量/能量耦合分析方法118-120
• 5.3.1 重量平衡分析118
• 5.3.2 能量平衡分析118-120
• 5.4 混合动力无人机重量/能量耦合分析流程120-121
• 5.5 两种分析方法的比较121-122
• 5.6 混合动力无人机方案优化策略研究122-129
• 5.6.1 多目标优化方法概述122-126
• 5.6.2 代理模型技术126-128
• 5.6.3 基于物理规划与代理模型的多目标优化策略128-129
• 5.7 混合动力无人机优化设计129-135
• 5.7.1 优化问题描述129-133
• 5.7.2 结果与分析133-135
• 5.8 小结135-136
• 第6章 无人机动力系统地面试验136-157
• 6.1 引言136-137
• 6.2 MPPT 控制器及混合动力能源控制器研制137-140
• 6.2.1 MPPT 技术及 MPPT 控制器研制137-138
• 6.2.2 控制器开发138-140
• 6.3 太阳能电池及 MPPT 系统地面试验140-143
• 6.3.1 太阳能电池组件性能测试140-141
• 6.3.2 MPPT 性能验证性试验141-143
• 6.4 燃料电池及动力电机特性地面试验143-149
• 6.4.1 燃料电池系统性能测试143-144
• 6.4.2 燃料电池驱动电动机运行验证试验144-149
• 6.5 混合动力系统能量控制器地面试验149-156
• 6.5.1 能量控制器的电源切换功能验证试验149-150
• 6.5.2 混合动力系统地面联调试验150-156
• 6.6 小结156-157
• 结论157-159
• 参考文献159-169
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单169-170
• 致谢170-171
• 作者简介171

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