一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法与流程

本申请涉及运动飞机动力系统领域，更具体地说，涉及一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法。

背景技术：

1、电动飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，从而获得了很多优点和独特品质。最突出的优点是节能环保，效率高能耗低，同时实现接近零排放，噪声和振动水平很低，乘坐舒适性好，是名符其实的环境友好飞机。此外，还具有安全可靠(不会发生爆炸和燃料泄漏)、结构简单、操作使用简便、维修性好/费用低、经济性好等特点。在设计上也有很多优势：总体布局灵活，可采用最佳布局和非常规/创新布局；可设计出具有超常性能的飞机，满足特殊用途需求等。

2、但是目前电池容量有限，导致电动飞机航时较短，如果要解决这一问题，就需要新的电能供应设备；

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请提供一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法。

2、一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，包括：

3、通过用户的顶层设计要求，结合同类飞机已有数据，初步确定飞机不同工况下所需的主要设计参数；

4、通过对功重比的约束分析合理选择飞机在水平飞行的各个阶段的功重比；

5、根据设计目标，如续航时间、航程等，对重要参数即轻型运动飞机的起飞重量和功重比进行迭代计算获得初值；

6、功重比和得到的飞机起飞重量，求得电机的最大输出功率，选择市面功率匹配的动力系统各部件；

7、通过选型确定动力系统部件型号和具体参数之后，建立一套能量管理系统，对飞机电量进行管控，达到在不同飞行状态下的能量分配输出；

8、通过合理控制燃料电池和锂电池的能量分配，反馈给动力系统，优化选型，节约制造成本；

9、其中，能量管理系统包括氢燃料管理单元、氢燃料电池、锂电池、控制单元和负载；

10、所述氢燃料管理单元与控制单元相连接，氢气喷射器在阴极侧调节氢气的压力，将氢气罐的氢气通过层层减压并通过多个压力传感器监测，将氢气输送至燃料电池堆栈。

11、所述氢燃料电池是一种氢气和氧气通过质子交换膜，将化学能转换为电能的新型清洁电池，所述锂电池为一块可充放电的蓄电池，连接控制单元。

12、所述控制单元通过与其他系统通信的接口，其控制单元的控制方法下：

13、1)将控制单元和传感器进行数据交换，将氢燃料电池和锂电池的剩余电量通过传感器显示在飞机主控面板上；

14、2)根据飞行条件并结合压力传感器的信号控制氢气喷射器的作动，以调整供给燃料电池堆栈的氢气量并对氢气供给系统中的各管路的压力值进行监测。

15、3)锂电池电压传感器设置于锂电池两端，获取锂电池soc小于一定值后，氢燃料电池为锂电池充电；

16、4)dc/dc转换器输入端连接着氢燃料电池和锂电池，输出端通过直流母线和锂电池充电端，达到稳定电流电压的作用；

17、5)模糊神经网络优化的模糊控制器输出控制信号，通过控制单元调整充电电流来管理电池能量。

18、在不飞行状态下飞机飞行所需功率要求不同，结合锂电池大功率和氢燃料电池稳定清洁的优点，进行能量分配切换，而模糊控制算法能够对复杂和非线性的系统进行控制和优化，它可以在不知道精确输入输出关系的情况下，根据模糊逻辑和经验规则进行推理和决策，将系统保持在最优状态；因此，使用模糊控制算法能够增强系统的稳定性和鲁棒性，同时优化系统的能耗表现。

19、所述模糊控制算法在能量管理系统中，将锂电池的输出功率和氢燃料电池的输出电流模糊化；锂电池的输出功率{较大，较小/大，小}，氢燃料电池的输出电流{大，中，较大}。

20、所述基于模糊神经网络的模糊控制器综合优化设计方法，步骤如下：

21、1)、通过建立的输入输出的模糊集，使用预先训练好的模糊神经网络模糊控制器，将锂电池输出功率作为输入，并输出控制信号来控制氢燃料电池的输出电流；

22、2)、模糊控制器可以根据各种片段信息和历史经验自适应调整输出结果，以便更好地控制电池系统；

23、3)、对控制信号用于调整氢燃料电池的输出电流进行解码，将其应用于氢燃料电池和锂电池的能量管理系统中，以便更好地管理电池能量；

24、4)、监测电池系统的性能和响应，并反馈到模糊控制器中，以便进行进一步的优化。

25、综上所述，本申请包括以下至少一个有益技术效果：

26、1、本发明中通过飞机总体设计的思路初步确定动力系统的选型，并建立能量管理系统对动力系统进行监测，反馈和优化，若达不到飞机设计要求，则需要重新选型，通过迭代循环得到最佳动力系统的选型和最小能量消耗，提高了飞机的经济性，降低了研发成本；

27、2、本发明中动力系统结合了氢燃料电池能量密度大，清洁稳定和锂电池功率密度大的优点，相比于传统的动力系统和能量管理系统，为飞机提供了稳定的动力输出，保证了飞机的安全性，延长了氢、锂电池的使用寿命和飞机的翻新期。

技术特征：

1.一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：包括：

2.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：所述动力系统的设计方案，通过训练模糊神经网络模型对能量管理系统的优化，反向指导动力系统的选型迭代，直至确定最优动力系统选型和最小能量消耗。

3.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：通过与其他系统的通信接口(16)，将控制单元(4)和传感器进行数据交换，将氢燃料电池(2)和锂电池(3)的剩余电量通过传感器显示在飞机主控面板上。

4.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：所述燃料电池控制单元fcu(12)根据驱动条件并结合氢气压力传感器(7)的信号控制氢气喷射器(6)的作动，以调整供给氢燃料电池(2)堆栈的氢气量并对氢气供给系统中的各管路的压力值进行监测。

5.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：所述单向dc/dc转换器(9)输入端接入氢燃料电池(2)的电压与电流，输出端即为直流母线(10)，起到稳定电压不变，控制直流母线(10)电流大小变化的作用。

6.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：所述锂电池(3)soc小于一定值后，氢燃料电池(2)除了保持飞行状态电量输出，还为锂电池(3)充电，当所述电机(17)在制动减速时，对dc直流母线(10)进行充电，回收制动能量到锂电池(3)中。

7.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：所述氢燃料电池(2)和锂电池(3)并联,最大程度的保证飞行安全，一旦组电池出现故障，另一组可以保障飞机返回机场,保证飞行员和飞机安全。

8.根据利要求1所述的一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，其特征在于：基于模糊神经网络的模糊控制器综合优化设计方法，使用预先训练好的模糊神经网络模糊控制器，将锂电池(3)输出功率作为输入，并输出控制信号来控制氢燃料电池(2)的输出电流，进而满足电机(17)在不同工况下的功率需求。

技术总结
本申请属于运动飞机动力系统领域，公开了一种基于氢燃料电池的轻型运动飞机的动力系统设计方法，包括：通过用户的顶层设计要求，提炼出设计要求的主要技术参数；对重要参数的估算；在进行飞行器参数的选定时，一般根据飞机设计要求中所拟定的飞行性能指标和典型飞行轻型通用飞机系统方案设计与总体设计技术研究任务，初步选定起飞重量及功重比的初值，然后再进一步确定其它参数。本发明中通过飞机总体设计的思路初步确定动力系统的选型，并建立能量管理系统对动力系统进行监测，反馈和优化，若达不到飞机设计要求，则需要重新选型，通过迭代循环得到最佳动力系统的选型和最小能量消耗，提高了飞机的经济性，降低了研发成本。

技术研发人员：聂常胜,吴腾飞,王焘,姜轩,吕炳阳,张佳晨
受保护的技术使用者：苏州氢翔航空科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15