國防科技大學特稿:混合儲能系統提升無人機連發彈射器的工作性能

2020-12-06 電氣新科技
研究團隊

吳峻，工學博士，國防科技大學智能科學學院研究員，博士生導師，中國電工技術學會電磁發射專業委員會委員，研究電磁懸浮與電磁彈射技術20年。第一發明人授權電磁彈射有關專利7項，獲湖南省科技進步一等獎和北京市科技進步一等獎各1項。發表無人機電磁彈射器方面論文 30 餘篇，已開展研發無人機電磁彈射樣機系統多套。

導語

隨著無人機作戰樣式逐漸由「單打獨鬥」向「集群智能」發展，為了應對固定翼無人機集群作戰需求，研究其連發起飛的方式十分必要。電磁彈射起飛具有快速、可控的獨特優勢，以其為基礎，首先開展中小型固定翼無人機連發彈射器的研究，特別是針對機動性高的陸基車載系統。

儲能系統作為電磁彈射的主要組成，其形式以及組合、充放電策略等直接影響著連發彈射系統的性能及其機動性，是連髮型電磁彈射器的研究重點。

項目研究背景

集群作戰的無人機需要快速起飛形成戰鬥力。目前發射起飛的方法主要有採用多臺彈射器同時彈射多架無人機和火箭助推起飛等，這兩種方式無法滿足隱蔽性和彈射大載荷的固定翼無人機的需求。從發展的趨勢來看，電磁彈射具有明顯優勢，全程可控的彈射起飛，發射間隔短，安全性好。

本項目研究主要針對車載無人機連發電磁彈射系統，它是在電磁彈射系統的基礎上，融合機庫、連發傳送和機構的設計，實現短時內連續快速的彈射起飛多數量固定翼無人機的一種系統。

論文所解決的問題及意義

彈射器要求機動性良好，且彈射時間短，一般為秒級。現有系統的電源主要以蓄電池組或電容器組為主，電源質量體積大，無法滿足車載連髮型彈射系統的高機動性要求。另外，電源針對無人機快速彈射所需具備快速充放電能力也無法滿足連發的速率要求。

論文設計一種高功率密度的儲能形式及其充放電的策略，解決儲能可能影響系統機動性的問題，實現一種快速充放電的能力，支持連髮型彈射的工況需求，為提升無人機連髮型電磁彈射器工作性能奠定基礎。

論文方法及創新點

論文設計了一種蓄電池、超級電容和雙向DC/DC變換器組合的混合儲能系統，提出了一種充放電電路拓撲結構及模糊控制的能源管理策略，減少了電池數量，提高了儲能系統的功率密度，且能減少超級電容的放電電流，縮短彈射間隔內的充放電時長，可提高連續彈射的速率。

1）分析了系統的工況並提出了蓄電池、超級電容混合儲能系統及其工作原理：第一階段，超級電容和蓄電池基於能源管理策略為直線電機供電，此工作過程電磁彈射器工作；第二階段，蓄電池為超級電容恆流充電，同時反接電源將電機動子拉回至初始位置，此過程在兩次彈射之間的間隔時間完成。

為達到儲能系統對輸出功率精準控制的目的，本文設計了三個控制器。控制器1採集蓄電池的放電電流Ibat與放電電壓Vbat，檢測負載功率的低頻分量和能源管理策略，得到功率信號Pb_ref，可計算實際的參考電流；控制器2通過測量負載的實時端電壓Vdc和超級電容放電電流Isc，根據目標電壓值Vdc_ref來實現負載端電壓的穩定；控制器3採集由蓄電池給超級電容的實時充電電流Isc和目標參考電流Iref，從而達到對超級電容恆流充電的目的。

圖1 混合儲能系統控制原理圖

2）採用模糊控制來分配管理各儲能單元的輸出功率，將彈射用直線電機的低頻功率Pref、蓄電池和超級電容的荷電狀態Bsoc和Ssoc進行了模糊化處理，使所需的直線電機功率更合理地分配到蓄電池和超級電容上，從而減小大電流放電對蓄電池的影響，延長其壽命周期。因此，將Pref、Bsoc和Ssoc設置為模糊控制策略的輸入量，把BAT功率分配係數Kbat作為模糊控制器的輸出量。工作原理如圖2所示。

圖2 混合儲能系統工作原理

3）仿真及結果。仿真蓄電池與超級電容同時放電、超級電容組恆壓放電及電機的回饋制動三種工作方式，仿真採用的超級電容與蓄電池參數見表1。

表1 仿真用超級電容與蓄電池參數

首先基於模糊控制策略對連髮型電磁彈射器的負載需求功率在儲能單元間進行功率分配，如圖3所示。

圖3 基於模糊控制的需求功率分配結果

再分別對採用單一超級電容組和混合儲能系統以及能量回饋制動進行仿真，得到SC端電壓和負載端電壓曲線，如圖4和圖5所示：

圖4 系統彈射一次的放電仿真結果
圖5 制動狀態下的超級電容電壓

根據仿真結果分析：進行一次彈射後，超級電容的端電壓分別減小到153.3V和163.2V，若再給超級電容充電時，需將其電壓充至192V。採用電壓為204V的蓄電池為超級電容充電，設計以恆電流100A進行充電，充電過程的仿真結果如圖6所示：

圖6 超級電容充電過程仿真結果

結論

1）由蓄電池、超級電容和DC-DC變換器組成的混合儲能系統可以滿足連髮型電磁彈射系統對高機動性的要求，具備較高功率特性，且能滿足連髮型電磁彈射系統的需求。

2）所設計混合儲能系統有效地減少了蓄電池的使用數量，從而提高了功率密度，相比較蓄電池單獨供電的儲能系統0.51kW/kg的功率密度，此混合儲能系統功率密度為0.73kW/kg。

3）提出的基於模糊控制的能源管理策略可以實現目標功率在各儲能單元之間合理分配，能夠有效地減小超級電容的放電電量，減少了彈射時間間隔。相對於單獨供電的超級電容組，混合儲能系統放電量減少26.35%。在給超級電容恆流充電階段，超級電容組充電時間為21.3s，混合儲能系統的充電時間為15.6s，彈射間隔時間縮短26.76%。

引用本文

王湘， 吳峻. 連髮型電磁彈射器混合儲能系統及其能源管理策略[J]. 電工技術學報， 2020, 35(19): 4076-4084. Wang Xiang, Wu Jun. Hybrid Energy Storage System of Continuous-Type Electromagnetic Catapult and Its Energy Management Strategy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(19): 4076-4084.

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