氢燃料电池飞机的能量管理系统及管理方法与流程

专利2022-05-09  4

本发明涉及能量管理技术领域,特别提供了一种氢燃料电池飞机的能量管理系统及管理方法。



背景技术:

随着人们对环境问题的日益重视以及航空领域对废气排放等污染物愈发严格的控制,下一个航空百年必将属于新能源电动飞机,各种形式的新能源飞机和飞行器将会逐步取代和淘汰传统燃油机型。氢燃料电池飞机从绿色环保、高效节能的理念出发,开启了航空领域新一轮创新与变革热潮,引领航空技术创新、推动绿色航空发展,将对世界航空业产生革命性的影响。

飞机在不同的飞行阶段对功率需求不同,在飞机重量的严格控制下,单一的氢燃料电池很难满足飞机的功率需求,需要与锂电池配合使用。在此背景下,如何通过对锂电池系统与燃料电池系统之间的能量的合理管理,以实现飞机能量系统对功率的快速响应,提高飞机性能,延长飞机的航程及航时,提升飞机实用性,成为亟待解决的问题。



技术实现要素:

鉴于此,本发明的目的在于提供一种氢燃料电池飞机的能量管理方法,以实现对飞机能量系统的合理管理。

本发明一方面提供了一种氢燃料电池飞机的能量管理方法,所述氢燃料电池飞机采用并联的燃料电池系统和锂电池系统为飞机螺旋桨提供能量,以满足所述飞机螺旋桨的功率需求,其中,所述能量管理方法包括如下步骤:

s1:获取飞机螺旋桨的实时需求功率及锂电池系统的允许充电功率;

s2:利用公式(1)计算下一时刻燃料电池系统的输出功率:

wfc_next=wp wb_charmax(1)

式中,wfc_next表示下一时刻燃料电池系统的输出功率,wp表示飞机螺旋桨的实时需求功率,wb_charmax表示锂电池系统的允许充电功率;

s3:将s2中获得的下一时刻燃料电池系统的输出功率与其最大允许输出功率进行比较,若下一时刻燃料电池系统的输出功率大于其最大允许输出功率,则控制燃料电池系统以其最大允许输出功率输出,否则,以s2中获得的下一时刻燃料电池系统的输出功率输出。

优选,s1中获取飞机螺旋桨的实时需求功率的方法如下:

s101:采集飞机油门信息,并根据所述飞机油门信息确定飞机螺旋桨的给定转速np_ref;

s102:采集飞机的空速,并利用公式(2)计算飞机前进比:

λ=vair/np_ref/dp(2)

式中,λ表示飞机前进比,vair表示飞机的空速,np_ref表示飞机螺旋桨的给定转速,dp表示飞机螺旋桨的直径;

s103:利用给定转速np_ref下的飞机前进比-功率系数的特性曲线,确定飞机螺旋桨在给定转速np_ref下的功率系数cw;

s104:利用公式(3),计算飞机螺旋桨的实时需求功率:

wp=cw*ρ*np_ref3*dp5(3)

式中,wp表示飞机螺旋桨的实时需求功率,cw表示飞机螺旋桨在给定转速np_ref下的功率系数,ρ表示空气密度,np_ref表示飞机螺旋桨的给定转速,dp表示飞机螺旋桨的直径。

进一步优选,s1中获取锂电池系统的允许充电功率的方法如下:

s111:预设锂电池系统的允许充电电流与锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压及锂电池温度的对应关系;

s112:采集锂电池系统中锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压和锂电池温度信息并按照所述对应关系确定锂电池系统的允许充电电流;

s113:采集燃料电池系统的实时输出电压,并根据所述燃料电池系统的实时输出电压及确定出来的锂电池系统的允许充电电流计算所述锂电池系统的允许充电功率。

本发明还提供了一种氢燃料电池飞机的能量管理系统,包括:燃料电池系统、锂电池系统和控制单元,其中,所述燃料电池系统和锂电池系统并联,用于为飞机螺旋桨提供能量,以满足所述飞机螺旋桨的功率需求,所述控制单元与所述燃料电池系统及锂电池系统连接,用于执行上述的氢燃料电池飞机的能量管理方法。

本发明提供的氢燃料电池飞机的能量管理系统及管理方法,可根据螺旋桨的功率需求、锂电池系统的允许充电功率及燃料电池系统的最大允许输出功率,主动控制燃料电池系统的输出功率,保证飞机能量系统(锂电池系统和燃料电池系统)能够快速响应螺旋桨的功率需求,提高飞机的机动性能;燃料电池系统能够在机上为锂电池系统安全、可靠地充电,延长锂电池寿命及并增强锂电池的维护性。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释,但并不局限本发明。

本发明提供了一种氢燃料电池飞机的能量管理方法,所述氢燃料电池飞机采用并联的燃料电池系统和锂电池系统为飞机螺旋桨提供能量,以满足所述飞机螺旋桨的功率需求,其中,所述能量管理方法包括如下步骤:

s1:获取飞机螺旋桨的实时需求功率及锂电池系统的允许充电功率;

s2:利用公式(1)计算下一时刻燃料电池系统的输出功率:

wfc_next=wp wb_charmax(1)

式中,wfc_next表示下一时刻燃料电池系统的输出功率,wp表示飞机螺旋桨的实时需求功率,wb_charmax表示锂电池系统的允许充电功率;

s3:将s2中获得的下一时刻燃料电池系统的输出功率与其最大允许输出功率进行比较,若下一时刻燃料电池系统的输出功率大于其最大允许输出功率,则控制燃料电池系统以其最大允许输出功率输出,否则,以s2中获得的下一时刻燃料电池系统的输出功率输出。

该氢燃料电池飞机的能量管理方法,可根据螺旋桨的功率需求、锂电池系统的允许充电功率及燃料电池系统的最大允许输出功率,主动控制燃料电池系统的输出功率,保证飞机能量系统(锂电池系统和燃料电池系统)能够快速响应螺旋桨的功率需求,提高飞机的机动性能;燃料电池系统能够在机上为锂电池系统安全、可靠地充电,延长锂电池寿命及并增强锂电池的维护性。

其中,s1中获取飞机螺旋桨的实时需求功率的方法如下:

s101:采集飞机油门信息,并根据所述飞机油门信息确定飞机螺旋桨的给定转速np_ref;

s102:采集飞机的空速,并利用公式(2)计算飞机前进比:

λ=vair/np_ref/dp(2)

式中,λ表示飞机前进比,vair表示飞机的空速,np_ref表示飞机螺旋桨的给定转速,dp表示飞机螺旋桨的直径;

s103:利用给定转速np_ref下的飞机前进比-功率系数的特性曲线,确定飞机螺旋桨在给定转速np_ref下的功率系数cw;其中,所述飞机前进比-功率系数的特性曲线可通过计算或根据螺旋桨风洞试验实测得到;

s104:利用公式(3),计算飞机螺旋桨的实时需求功率:

wp=cw*ρ*np_ref3*dp5(3)

式中,wp表示飞机螺旋桨的实时需求功率,cw表示飞机螺旋桨在给定转速np_ref下的功率系数,ρ表示空气密度,np_ref表示飞机螺旋桨的给定转速,dp表示飞机螺旋桨的直径。

其中,s1中获取锂电池系统的允许充电功率的方法如下:

s111:预设锂电池系统的允许充电电流与锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压及锂电池温度的对应关系;

s112:采集锂电池系统中锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压和锂电池温度信息并按照所述对应关系确定锂电池系统的允许充电电流;

s113:采集燃料电池系统的实时输出电压,并根据所述燃料电池系统的实时输出电压及确定出来的锂电池系统的允许充电电流计算所述锂电池系统的允许充电功率,其中,因为燃料电池系统与锂电池系统并联,因此两系统的实时输出电压相等,由此,所述锂电池系统的允许充电功率=燃料电池系统的实时输出电压*确定出来的锂电池系统的允许充电电流。

其中,s111中,锂电池系统的允许充电电流与锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压及锂电池温度的对应关系可以设置如下:

1、当锂电池的最大单体电压大于单体电压最高值(如:4.25v),则不允许为锂电池系统充电;

2、当锂电池的荷电状态soc大于预设的第一阈值,则不允许为锂电池系统充电;

3、当锂电池的温度大于预设的第二阈值或小于预设的第三阈值,则不允许为锂电池系统充电,其中,第二阈值大于第三阈值;

除上述三种情况,可以为锂电池系统充电。

下面给出允许充电电流与锂电池的荷电状态soc及锂电池温度对应关系的具体实施例,如下表所示:

上表中,预设的第一阈值取90%soc,预设的第二阈值取50℃,预设的第三阈值取0℃,c表示放电倍率。

在上述确定锂电池系统充电电流方法中,为避免充电电流在荷电状态soc及锂电池温度所处区间发生变化时,造成跳变,充电电流的变化可设置滞环及延时。

本发明还提供了一种氢燃料电池飞机的能量管理系统,包括:燃料电池系统、锂电池系统和控制单元,其中,所述燃料电池系统和锂电池系统并联,用于为飞机螺旋桨提供能量,以满足所述飞机螺旋桨的功率需求,所述控制单元与所述燃料电池系统及锂电池系统连接,用于执行上述的氢燃料电池飞机的能量管理方法。

该氢燃料电池飞机的能量管理系统,可执行上述氢燃料电池飞机的能量管理方法,可根据螺旋桨的功率需求、锂电池系统的允许充电功率及燃料电池系统的最大允许输出功率,主动控制燃料电池系统的输出功率,保证飞机能量系统(锂电池系统和燃料电池系统)能够快速响应螺旋桨的功率需求,提高飞机的机动性能;燃料电池系统能够在机上为锂电池系统安全、可靠地充电,延长锂电池寿命及并增强锂电池的维护性。

上面对本发明的实施方式做了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

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