多電飛機混合動力應急電源參數匹配

中國民用航空飛行學院 劉小涵 彭 旭 牟世榮

多電飛機是由電氣系統部分取代液壓系統，氣源系統的飛機。目前飛機上的應急電源主要以沖壓空氣渦輪發電機和蓄電池的組合為主，但沖壓空氣渦輪發電機受飛機空速的限制，只有當空速大于一定值時才能夠正常使用。與此同時，在當前科技飛速發展的背景下，清潔能源普遍應用于各個領域，其中燃料電池應用最為廣泛。它具有能量轉化率高，運行噪聲低，維護方便等優點。然而燃料電池的功率密度較低，因此通常與其他輔助設備混合供電，燃料電池加上輔助設備能夠使得燃料電池工作在穩定狀態，對于延長燃料電池自身的使用壽命以及增強系統本身的動態響應有很大的幫助。因此，混合動力應急電源系統也是未來多電飛機的發展趨勢之一。

本文采用混合動力系統作為多電飛機的應急電源系統，在應急負載給定的條件下，在滿足系統功率需求的條件下，匹配應急電源系統參數，同時采用遺傳算法對系統進行多目標優化，對混合動力在多電飛機上應用、研究、推廣都有著重要的意義。

1 能源系統

1.1 燃料電池

燃料電池將化學能通過電極反應直接轉換為電能的裝置。目前使用最廣泛的是質子交換膜燃料電池，包含質子交換膜、電極、電催化劑、膜電極和雙極板。燃料電池的反應原理歸根結底是化學反應，因此在反應的同時會存在不可逆的能量衰減。

1.2 超級電容

超級電容又名電化學電容，是一種雙層電容器，它是一種比功率密度高、自身容量大、充放電循環次數多的新型儲能器件。它的儲能和放電過程是一個完全的物理過程，不涉及任何的化學反應。當接入外部電壓進行充電時，由于正電荷儲存在超級電容的正極板，負電荷儲存在超級電容的負極板，使得兩個極板帶電并產生電場，形成相反極性的電荷以平衡內電場，故而會形成雙電層。位于兩電極之間的隔膜能阻止正負電荷在電極間的自由移動。超級電容將能量儲存在分離出的電荷之中，因此儲存電荷的面積越大，分離出的電荷就越多，其電荷量也越大。

2 拓撲結構

混合動力應急電源系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 混合儲能拓撲結構

由于燃料電池輸出電壓波動較大，因此通過單相DC/DC變換器與直流母線連接。超級電容通過雙向DC/DC與直流母線連接，一方面可以穩定直流模型電壓，對超級電容放電進行管理，同時可以通過雙向DC/DC對超級電容進行充電，以滿足降落需求，該系統能夠較好實現燃料電池、蓄電池混合動力系統能量控制以及管理。這種結構有效地減少了燃料電池工作在峰值狀態的時間，降低了燃料電池的損耗，有效地延長了燃料電池自身的工作壽命。

3 參數匹配

3.1 負載功率

本文所使用的飛機應急電源負載平均功率為7.5kW，峰值功率為10.5kW。

3.2 基于頻率的能量管理系統

本文采用基于頻率的能量管理策略，該方法將負載功率進行頻率分析，選擇適當的濾波頻率將其分解，燃料電池和超級電容將根據濾波頻率的大小進行功率分配。即燃料電池將提供多電飛機負載低頻功率，而超級電容將提供高頻功率，原理圖如圖2所示。

圖2 基于頻率的能量管理

基于多點飛機應急負載，采用基于頻率的能量管理策略，由于燃料電池的動態響應能力較差，因此燃料電池工作在低頻狀態，即燃料電池提供平均功率，即負載平均功率7.5kW，同時超級電容具有高功率密度和較強的動態響應，因此工作在高頻狀態，即負載瞬時功率最大值10.5kW，并要能夠快速彌補負載電流。

3.3 混合動力參數匹配

（1）燃料電池

當飛機主發電機在空中停止工作，燃料電池提供飛機負載的平均功率。由于燃料電池的效率非常依賴于燃料電池的電流密度，一般來說，電流越大，效率越低。燃料電池本質上是模塊化的，可以利用兩個自由度：固定燃料電池堆電流的電池表面積S和固定燃料電池堆電壓的基本電池數量N。因此燃料電池自然地以低壓大電流的形式提供電能。根據查閱文獻和資料，燃料電池選擇Ballard系統能源公司提供的FCvelocity-9SSLK61L型燃料電池。

（2）超級電容

當飛機負載從超級電容器中提取電能時，主要受DC/DC變換器電流限制。因此，為了達到所需的功率水平，必須串聯多個電容器以提高電壓水平。在這種情況下，每個電容上的電壓可能不同，但是Maxwell超級電容器自身有電源平衡電路來解決這個問題。而為了增加存儲電容，電容需要并聯。因此根據查閱文獻和資料，本文采用Maxwell BPAK0058 E015 B01的超級電容。

根據系統功率要求，多電飛機應急電源系統需配用4套K55L型燃料電池和6個超級電容串并聯。

（3）基于多目標優化的參數匹配

本文采用遺傳算法，對混合動力系統的總體積和總重量建立目標函數，優化得到混合動力系統中燃料電池和超級電容的最佳配比。針對混合系統的體積和重量所建立的優化函數數學模型。

燃料電池混合動力系統的總質量數學計算模型：

燃料電池混合動力系統的總體積數學計算模型：

式中x1，x2分別代表燃料電池和超級電容的個數，mcontrast2，vcontrast2分別代表使用傳統參數匹配的方法得到的混合動力系統的體積和質量。

綜合的目標函數為：

本文采用線性加權和法，將上述多目標優化問題轉化成單目標優化問題，即：

式中，w1，w2分別為每個優化目標的權重系數，其中w1+w2=1，mmax，vmax分別為每個優化目標的最大值，本文根據實際工程經驗，最終取兩個權重系數分別為λ1= 0.7，λ2= 0.3。

圖3 目標函數收斂曲線

本文待優化的參數的取值范圍是：SOC取值范圍：30%～60%；PFCmax取值范圍：10kW～50kW；PUCmax取值范圍：3kW～30kW。設置進化種群數為50，最大進化迭代數為200，交叉概率為0.9，變異概率為0.01～0.1，迭代次數作為終止條件。其適應度函數收斂曲線如圖3所示。

表1 燃料電池混合動力系統優化前后參數對比

由圖3可以得出：目標函數收斂于0.5693，對應的x1，x2的取值分別為3和5。燃料電池混合動力系統優化后的參數為燃料電池3套，超級電容5個。燃料電池混合動力優化前和優化后的各個參數的比較如表1所示。

結論：本文在滿足系統動力性能的基礎上，基于多目標優化的參數匹配能夠有效減小系統的重量和體積，分別為優化前的79.51%和86.74%。為多電飛機應急的電源系統配置3套21kW的燃料電池，5個超級電容（15V，165F）。