太陽能/氫能混合動力小型無人機總體設計

【摘要】：當前國內(nèi)外環(huán)境問題的日益嚴重，全球能源供應日益緊張，各國都在努力尋找清潔能源以替代傳統(tǒng)化石燃料；同時，采用新型能源作為動力的各種交通工具也成為研究熱點。采用太陽能電池、燃料電池等無污染綠色能源驅(qū)動的電動飛機應運而生。然而，單純采用太陽能驅(qū)動或燃料電池驅(qū)動的飛機，受到電源特性的限制，在設計中往往需要付出較大的代價以滿足新能源飛機的設計要求，如采用非常規(guī)氣動布局、大展弦比柔性機翼等。 本文選題緊密跟蹤國內(nèi)外無人機發(fā)展趨勢，針對采用無污染綠色能源小型無人機的跨晝夜長航時飛行需求，提出了太陽能/氫能混合動力無人機概念，并針對混合動力小型無人機總體設計的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，完成了以下工作： （1）針對小型無人機應用環(huán)境及主要任務需求，結(jié)合混合動力系統(tǒng)的特點，開展無人機任務剖面及環(huán)境模型研究。通過分析小型無人機的主要任務需求以及大量的飛行任務記錄數(shù)據(jù)，按照任務類型建立了無人機典型任務剖面，為無人機總體設計提供依據(jù)。根據(jù)混合動力無人機各子系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)的設計需求，建立了無人機飛行環(huán)境模型。 （2）針對混合動力無人機總體設計中所關(guān)注的主要學科，開展了分系統(tǒng)建模研究。建立了混合動力無人機主要分系統(tǒng)模型，包括重量學科、太陽能電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和鋰電池系統(tǒng)模型。重量學科模型主要包括機體架構(gòu)重量、電源系統(tǒng)重量和動力系統(tǒng)重量的估算模型。建立了太陽能電池陣列與組件的理論及工程模型，并通過了實驗驗證。完成了燃料電池系統(tǒng)輸出特性實驗，基于實測數(shù)據(jù)建立了燃料電池輸出功率近似模型。建立了鋰電池輸出特性及荷電狀態(tài)（SOC）估算模型，并進行了仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的校驗。 （3）針對混合動力無人機全機能量管理的需要，開展了狀態(tài)機管理策略和功率跟隨管理策略的研究，并實現(xiàn)了相應的混合動力無人機能量管理策略模型。完成了無人機任務剖面、飛行環(huán)境、能源系統(tǒng)、能量控制策略等模型的建立與集成仿真。仿真模擬了在給定任務剖面條件下，無人機在整個飛行過程中，混合動力系統(tǒng)各電源及控制器的輸出及工作狀態(tài)參數(shù)。通過仿真結(jié)果，定量分析了無人機空中姿態(tài)對于太陽能電池性能的影響，驗證了控制策略的可行性并初步驗證了混合動力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電動推進系統(tǒng)的優(yōu)勢。 （4）針對混合動力無人機的設計需求，提出了混合動力無人機能量/重量耦合分析方法。該方法充分考慮到能量、氣動和重量學科間的耦合關(guān)系，通過迭代求解實現(xiàn)了混合動力無人機起飛重量的估算。進行了基于Matlab/Simulink的無人機能量、重量及性能學科耦合分析模型集成，建立了混合動力無人機多學科設計優(yōu)化平臺。采用基于物理規(guī)劃的多目標優(yōu)化策略和遺傳算法對無人機設計方案進行優(yōu)化，獲得了較好的設計優(yōu)化結(jié)果。 （5）搭建了無人機混合動力系統(tǒng)地面試驗平臺，并實現(xiàn)了各主要系統(tǒng)的地面測試試驗。試驗平臺主要包含太陽能電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、鋰電池系統(tǒng)、電動推進系統(tǒng)和能量控制系統(tǒng)。對太陽能電池、燃料電池和鋰電池進行大量地面試驗，為工程模型的建立和校驗提供了可靠的實測數(shù)據(jù)。完成了基于狀態(tài)機管理策略的無人機能源控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)。通過動力系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)實驗證實了狀態(tài)機控制策略及能量控制器的實用性，進而表明了混合動力無人機這一概念具有較強的可實現(xiàn)性。 【關(guān)鍵詞】：無人機 太陽能 燃料電池 鋰電池 混合動力 總體設計 任務剖面 環(huán)境建模 能量控制方法 多學科設計優(yōu)化 地面試驗
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-13
• 圖表目錄13-18
• 第1章 緒論18-40
• 1.1 研究背景18-20
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究狀況20-36
• 1.2.1 小型電動無人機技術(shù)20-21
• 1.2.2 太陽能無人機技術(shù)21-27
• 1.2.3 燃料電池無人機技術(shù)27-29
• 1.2.4 混合動力技術(shù)29-31
• 1.2.5 多學科設計優(yōu)化技術(shù)31-36
• 1.3 論文研究內(nèi)容36-38
• 1.4 論文主要成果與創(chuàng)新點38-40
• 第2章 混合動力無人機典型任務剖面及環(huán)境模型建模40-61
• 2.1 引言40
• 2.2 無人機典型任務剖面分析與建模40-46
• 2.2.1 無人機飛行階段40-42
• 2.2.2 無人機典型任務航線42-43
• 2.2.3 混合動力無人機任務剖面設計實例43-46
• 2.3 混合動力無人機飛行環(huán)境建模46-59
• 2.3.1 無人機系統(tǒng)組成46-47
• 2.3.2 無人機各子系統(tǒng)與環(huán)境變量的相關(guān)性47-48
• 2.3.3 大氣環(huán)境模型48-52
• 2.3.4 太陽光照模型52-59
• 2.4 小結(jié)59-61
• 第3章 混合動力無人機分系統(tǒng)建模61-89
• 3.1 引言61
• 3.2 重量學科建模61-69
• 3.2.1 機體結(jié)構(gòu)重量估算61-66
• 3.2.2 電源系統(tǒng)重量估算66-69
• 3.2.3 動力系統(tǒng)重量估算69
• 3.3 太陽能電池系統(tǒng)建模69-77
• 3.3.1 太陽能電池簡介69-73
• 3.3.2 太陽能電池模型73-74
• 3.3.3 太陽能電池陣列模型74-76
• 3.3.4 實驗驗證76-77
• 3.4 燃料電池系統(tǒng)建模77-82
• 3.4.1 燃料電池原理77-78
• 3.4.2 混合動力無人機采用的燃料電池78-81
• 3.4.3 基于實驗的燃料電池功率模型81-82
• 3.5 鋰電池系統(tǒng)建模82-88
• 3.5.1 鋰電池等效電路模型82-84
• 3.5.2 鋰電池 Thevenin 模型及 SOC 估算84
• 3.5.3 鋰電池模型仿真與實驗驗證84-88
• 3.6 小結(jié)88-89
• 第4章 能量控制方法及能源系統(tǒng)設計89-111
• 4.1 引言89
• 4.2 能源分配與控制方法研究89-102
• 4.2.1 狀態(tài)機控制策略91-93
• 4.2.2 功率跟隨控制策略93-102
• 4.3 混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計102-105
• 4.3.1 狀態(tài)機策略混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計102-103
• 4.3.2 功率跟隨策略混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計103-105
• 4.4 狀態(tài)機能源管理策略仿真105-108
• 4.4.1 控制系統(tǒng)設計的可行性106-107
• 4.4.2 能量控制器的工作狀態(tài)107
• 4.4.3 混合動力無人機的飛行時間107-108
• 4.4.4 采用混合動力的優(yōu)勢108
• 4.5 功率跟隨控制策略仿真108-110
• 4.6 小結(jié)110-111
• 第5章 混合動力無人機方案設計與多學科設計優(yōu)化111-136
• 5.1 引言111
• 5.2 太陽能無人機概念設計流程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 混合動力無人機重量/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 混合動力無人機重量/能量耦合分析流程120-121
• 5.5 兩種分析方法的比較121-122
• 5.6 混合動力無人機方案優(yōu)化策略研究122-129
• 5.6.1 多目標優(yōu)化方法概述122-126
• 5.6.2 代理模型技術(shù)126-128
• 5.6.3 基于物理規(guī)劃與代理模型的多目標優(yōu)化策略128-129
• 5.7 混合動力無人機優(yōu)化設計129-135
• 5.7.1 優(yōu)化問題描述129-133
• 5.7.2 結(jié)果與分析133-135
• 5.8 小結(jié)135-136
• 第6章 無人機動力系統(tǒng)地面試驗136-157
• 6.1 引言136-137
• 6.2 MPPT 控制器及混合動力能源控制器研制137-140
• 6.2.1 MPPT 技術(shù)及 MPPT 控制器研制137-138
• 6.2.2 控制器開發(fā)138-140
• 6.3 太陽能電池及 MPPT 系統(tǒng)地面試驗140-143
• 6.3.1 太陽能電池組件性能測試140-141
• 6.3.2 MPPT 性能驗證性試驗141-143
• 6.4 燃料電池及動力電機特性地面試驗143-149
• 6.4.1 燃料電池系統(tǒng)性能測試143-144
• 6.4.2 燃料電池驅(qū)動電動機運行驗證試驗144-149
• 6.5 混合動力系統(tǒng)能量控制器地面試驗149-156
• 6.5.1 能量控制器的電源切換功能驗證試驗149-150
• 6.5.2 混合動力系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗150-156
• 6.6 小結(jié)156-157
• 結(jié)論157-159
• 參考文獻159-169
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單169-170
• 致謝170-171
• 作者簡介171

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