本發(fā)明涉及無人機混合動力控制，具體的說涉及一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法、系統(tǒng)、存儲介質(zhì)及計算機設(shè)備。
背景技術(shù)：
1、隨著航空綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，飛行器能量來源逐漸向電能進行轉(zhuǎn)化，電能來源主要包括動力電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、無線能量傳輸或其它種類電池等。其中，太陽能是一種資源無限、分布廣泛、清潔無污染的一次能源，正符合當(dāng)前全球化的環(huán)境精神，這些獨特特性使得太陽能在長航時無人機設(shè)計方面具有巨大的潛力。并且，通過對飛行器能量策略的合理設(shè)計，有望實現(xiàn)數(shù)月甚至數(shù)年不間斷的持續(xù)飛行。
2、目前，以太陽能為主能源的飛行器研究已較為廣泛，多數(shù)研究采用鋰電池作為主要儲能裝置。然而，鋰電池存在壽命短、充放電循環(huán)次數(shù)少等固有缺陷，難以滿足太陽能無人機設(shè)計初衷中“年量級空中飛行”的指標(biāo)要求。相比之下，可逆氫燃料電池憑借儲能密度高（250-1000wh/kg）、循環(huán)壽命長（＞10000h）等顯著優(yōu)勢，若作為太陽能無人機的儲能裝置，可大幅提升無人機的續(xù)航能力，為長航時飛行提供更可靠的能源支撐。
3、進一步地，當(dāng)前太陽能無人機主流的能量管理方案為：判斷飛行器電池電量，充放電狀態(tài)，飛行器飛行狀態(tài)后進行飛行器工況調(diào)整，主要判斷條件為電池電量，當(dāng)電量多時進行巡航，電量少時進行下滑。該管理策略能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能無人機重力儲能，但高空巡航狀態(tài)螺旋槳需要更多功率維持平飛狀態(tài)，能耗高，儲能利用率低。因此，需要對現(xiàn)有的能量管理策略進行優(yōu)化，提出飛行器系統(tǒng)效率更高的太陽能無人機能量管理方案。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提出了一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法、系統(tǒng)、存儲介質(zhì)及計算機設(shè)備，基于本發(fā)明的能量管理控制方法不僅能克服現(xiàn)有鋰電池儲能缺陷等問題，并且通過可逆氫燃料電池與太陽能電池的動態(tài)功率分配策略，還能解決太陽能無人機高空巡航能耗高、跨夜能量短缺、長航時續(xù)航不足的問題。
2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
3、本發(fā)明一方面公開了一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法，所述方法包括以下步驟
4、步驟s1.根據(jù)無人機機翼面積、飛行器重量以及飛行緯度，獲得當(dāng)前時刻無人機太陽能電池的太陽能捕獲量，計算太陽能電池可提供的電功率；
5、步驟s2.基于可逆氫氧燃料電池特性，結(jié)合無人機飛行工況計算可逆氫氧燃料電池的氫氣余量；
6、步驟s3.根據(jù)無人機當(dāng)前時刻飛行高度和可逆氫氧燃料電池的氫氣余量，能源管理控制器對太陽能電池凈功率進行分配，得到可逆氫氧燃料電池的輸入或者輸出功率以及無人機螺旋槳的目標(biāo)輸入功率。
7、作為優(yōu)選地，步驟s3中，無人機當(dāng)前時刻飛行高度不高于hmin，且當(dāng)前時刻可逆氫氧燃料電池的氫氣余量h_rem≥氫氣余量上限時，
8、若△p＞pprop（h-min），能源管理控制器控制太陽能電池直接為無人機螺旋槳供電，將太陽能電池凈功率全部分配給無人機螺旋槳，控制可逆氫氧燃料電池不工作，此時螺旋槳提供升力給無人機，使無人機飛行高度提升，對應(yīng)的無人機重力勢能增加；則螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=△p，可逆氫氧燃料電池的功率為0，既不輸出，也不輸入；
9、若△p＜pprop（h-min），能源管理控制器控制太陽能電池和可逆氫氧燃料電池共同為無人機螺旋槳供電，太陽能電池的凈功率全部分配給無人機螺旋槳，使無人機的飛行高度為最低巡航高度；此時，可逆氫氧燃料電池輸出功率pfuel-out=pprop（h-min）-△p，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=pprop（h-min）=△p+pfuel-out；
10、其中，△p為太陽能電池凈功率，pprop（h-min）為無人機巡航高度下限對應(yīng)的螺旋槳功率；hmin為無人機巡航高度下限。
11、作為優(yōu)選地，步驟s3中，無人機當(dāng)前時刻飛行高度不高于hmin，且當(dāng)前時刻可逆氫氧燃料電池的氫氣余量h_rem＜氫氣余量上限時，
12、若△p＞pprop（h-min），能源管理控制器控制太陽能電池給無人機螺旋槳以及可逆氫氧燃料電池供電，且優(yōu)先將太陽能電池凈功率分配給無人機螺旋槳，滿足在最低巡航高度無人機正常運行螺旋槳所需的功率，剩余的太陽能凈功率則儲存至可逆氫氧燃料電池中；此時，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=pprop（h-min），可逆氫氧燃料電池輸入功率pfuel-in=△p-pprop（h-min）；
13、若△p＜pprop（h-min），能源管理控制器太陽能電池與可逆氫氧燃料電池共同給無人機螺旋槳供電，將太陽能電池凈功率全部分配給無人機螺旋槳且可逆氫氧燃料電池輸出功率pfuel-out=pprop（h-min）-△p，使無人機維持最低巡航高度飛行，此時螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=pprop（h-min）；
14、作為優(yōu)選地，步驟s3中，hmin＜無人機當(dāng)前時刻飛行高度＜hmax，且當(dāng)前時刻可逆氫氧燃料電池的氫氣余量h_rem＜氫氣余量上限時，
15、若△p＜0，能源管理控制器控制太陽能電池和可逆氫氧燃料電池共同給機載設(shè)備供電，控制可逆氫氧燃料電池輸出功率pfuel-out=-△p，且無人機螺旋槳不工作，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=0，無人機此時處于下降狀態(tài)，其重力勢能減少；
16、若△p＞0且△p-pfuelmax＞0，能源管理控制器將太陽能電池凈功率分配給可逆氫氧燃料電池和無人機螺旋槳，控制太陽能電池以最大功率為可逆氫氧燃料電池充電以及給無人機螺旋槳供電，此時螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=△p-pfuelmax，可逆氫氧燃料電池輸入功率pfuel-in=pfuelmax；此時無人機可以爬升或者下降，對應(yīng)重力勢能增加或者減少；
17、若△p＞0且△p-pfuelmax＜0，能源管理控制器將太陽能電池凈功率全部分配給可逆氫氧燃料電池進行充電，此時可逆氫氧燃料電池輸入功率pfuel-in=-△p，螺旋槳不工作，其目標(biāo)輸入功率pprop=0，此時無人機處于下降狀態(tài)，飛行高度降低，重力勢能對應(yīng)減少；
18、其中，pfuelmax為燃料電池最大輸入功率上限。
19、作為優(yōu)選地，步驟s3中，hmin＜無人機當(dāng)前時刻飛行高度＜hmax，且可逆氫氧燃料電池的氫氣余量h_rem≥氫氣余量上限時，
20、若△p＜0，能源管理控制器控制太陽能電池和可逆氫氧燃料電池共同給機載設(shè)備供電，可逆氫氧燃料電池輸出功率為pfuel-out=-△p，螺旋槳不工作，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=0，此時無人機處于下降狀態(tài)，飛行高度降低，重力勢能減少；
21、若△p＞0，能源管理控制器控制太陽能電池給機載設(shè)備和螺旋槳供電，可逆氫氧燃料電池不工作，則螺旋槳目標(biāo)輸入功率為pprop=△p，無人機上升或下降，重力勢能增加或者減少；
22、作為優(yōu)選地，步驟s3中，當(dāng)無人機當(dāng)前時刻飛行高度≥hmax，且氫氣余量h_rem＜氫氣余量上限時，
23、若△p＞0，能源管理控制器控制太陽能電池給機載設(shè)備供電，并且給可逆氫氧燃料電池充電，可逆氫氧燃料電池輸入功率pfuel-in=△p，螺旋槳不工作，無人機處于下降狀態(tài)，飛行高度降低，重力勢能減少；
24、若△p＜0，能源管理控制器控制太陽能電池和可逆氫氧燃料電池共同給機載設(shè)備供電，可逆氫氧燃料電池輸出功率pfuel-out=-△p，螺旋槳不工作，無人機下降。
25、其中，△p為太陽能電池凈功率，hmax為無人機巡航高度上限。
26、作為優(yōu)選地，步驟s3中，無人機當(dāng)前時刻飛行高度≥hmax，且當(dāng)前時刻可逆氫氧燃料氫氣余量h_rem≥氫氣余量上限時，
27、若△p＞pprop（h-max），能源管理控制器控制太陽能電池給機載設(shè)備和螺旋槳供電，燃料電池不工作，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop=pprop（h-max），無人機飛行高度不變；
28、若△p＜pprop（h-max）且當(dāng)△p＞0，能源管理控制器控制太陽能電池給機載設(shè)備和螺旋槳供電，燃料電池不工作，螺旋槳目標(biāo)輸入功率pprop＝△p，無人機下降；
29、若△p＜0，能源管理控制器控制太陽能電池和可逆氫氧燃料電池共同給機載設(shè)備供電，螺旋槳不工作，可逆氫氧燃料電池輸出功率pfuel-out=-△p；
30、其中，△p為太陽能電池凈功率，hmax為無人機巡航高度上限，pprop（h-max）為巡航高度上限對應(yīng)的螺旋槳功率。
31、作為優(yōu)選地，步驟s2中，可逆氫氧燃料電池氫氣余量的計算方式如下：
32、式（1）；
33、式（2）；
34、其中，h_rem為可逆氫氧燃料電池氫氣余量； t為時間； efuel為可逆氫氧燃料電池儲存能量； ηfuel為可逆氫氧燃料電池充放電效率； pfuel為可逆氫氧燃料電池充放電功率； hlhv為氫氣低位發(fā)熱量； ηfuel,s為可逆氫氧燃料電池的燃料利用率，與無人機飛行高度以及儲氫儲氧方式相關(guān)。
35、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提出了一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法，包括：
36、能量管理控制器，用于根據(jù)無人機當(dāng)前時刻飛行高度和可逆氫氧燃料電池的氫氣余量，能源管理控制器對太陽能電池凈功率進行分配；
37、可逆氫氧燃料電池，用于根據(jù)能量管理控制器的分配結(jié)果，存儲或釋放能量；其中，釋放能量為向機載設(shè)備和/或螺旋槳供電，存儲能量為接受太陽能電池的電量進行充電；
38、太陽能電池，用于根據(jù)能量管理控制器的分配結(jié)果，向機載設(shè)備、無人機螺旋槳和可逆氫氧燃料電池中的至少一種設(shè)備供電。
39、優(yōu)選地，所述能量管理系統(tǒng)還包括鋰電池，所述鋰電池主要用于在無人機巡航階段削峰填谷。在無人機巡航階段，若可逆氫氧燃料電池電量有富余，除了向機載設(shè)備和/或螺旋槳供電外，還可以向鋰電池供電；若可逆氫氧燃料電池電量低于限值，鋰電池可向可逆氫氧燃料電池釋放能量，為其充電。
40、特殊情況下，鋰電池也可用于在無人機爬升階段向機載設(shè)備和/或螺旋槳供電。
41、進一步地，本發(fā)明還公開了一種存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)以上所述的一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法。
42、更進一步地，本發(fā)明還公開了一種計算機設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器中運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時，實現(xiàn)以上所述的一種基于可逆氫燃料電池的太陽能無人機能量管理控制方法。
43、本發(fā)明的有益效果：
44、1、本發(fā)明使用可逆燃料電池作為太陽能無人機的主要儲能裝置，可大幅提升無人機的續(xù)航能力，為長航時飛行提供更可靠的能源支撐。并且，通過能量管理策略，機上多種電池協(xié)同配合，可以進一步提升無人機飛行續(xù)航時間。其中，能量管理策略使用可逆燃料電池氫氣余量、無人機飛行高度、太陽能電池凈功率等指標(biāo)用于能量管理策略的判斷條件，充分考慮無人機飛行工況和儲能裝置特性，相較于以往通過單純通過太陽能晝夜能量變化和儲能電量的策略，應(yīng)對工況、太陽能變化的擾動時，能量調(diào)控穩(wěn)定性和效果更好。
45、2、本發(fā)明采用可逆氫氧燃料電池、太陽能電池、二次電池（鋰電池、鈉電池、鉛酸電池等）形成的三電源并聯(lián)供電架構(gòu)作為可變巡航高度的太陽能無人機的能源系統(tǒng)，并且基于本發(fā)明的能量管理策略，通過可逆氫氧燃料電池、二次電池和重力勢能（巡航高度變化產(chǎn)生的重力勢能）三種儲能手段的綜合調(diào)控，顯著提升太陽能無人機的綜合能量利用效率，解決太陽能時空分布（時間、高度）不均對無人機跨晝夜持續(xù)飛行的影響，可大幅提升太陽能無人機的續(xù)航力。
46、3、本發(fā)明的可逆氫氧燃料電池、太陽能電池、二次電池構(gòu)建形成了多能源互補的無人機動態(tài)供電網(wǎng)絡(luò)，無人機爬升階段采用三電源并聯(lián)供電架構(gòu)（太陽能+可逆氫氧燃料電池+鋰電池），而在巡航階段，鋰電池通過雙向?dc-dc變換器實現(xiàn)削峰填谷，主要起功率調(diào)節(jié)的作用，能夠解決因可逆燃料氫氧電池反應(yīng)慢而導(dǎo)致的瞬時功率波動問題，顯著增強了無人機長航時飛行的穩(wěn)定性。
47、4、本發(fā)明將可逆氫氧燃料電池、二次電池、重力勢能等三種儲能手段有機構(gòu)成統(tǒng)一儲能模塊，兼顧高能量密度、快速功率響應(yīng)和低費效比等特性，滿足太陽能無人機持續(xù)滯空、變負荷抗風(fēng)等應(yīng)用需求。
48、5、本發(fā)明提出的太陽能優(yōu)先充電機制，通過功率判斷邏輯，太陽能凈功率優(yōu)先為燃料電池充電，超過充電上限的功率直接用于無人機爬升，將太陽能轉(zhuǎn)化存儲為無人機的重力勢能，較傳統(tǒng)電量不足即下滑策略，實現(xiàn)了能量的高效利用。
49、6、本發(fā)明提出的氫氣余量計算方法，充分考慮飛行工況、儲氫儲氧形式、電堆性能等參數(shù)對可逆氫氧燃料電池儲能性能等的影響，使得可逆氫氧燃料電池可使用氫質(zhì)量（剩余可使用的能量）的估算更準(zhǔn)確，可以提升能量管理策略的效果，有利于進一步提升太陽能無人機的續(xù)航時間。