原創(chuàng)2020-11-26 10:00·電氣技術(shù)

研究團(tuán)隊(duì)

吳峻，工學(xué)博士，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電磁發(fā)射專業(yè)委員會(huì)委員，研究電磁懸浮與電磁彈射技術(shù)20年。第一發(fā)明人授權(quán)電磁彈射有關(guān)專利7項(xiàng)，獲湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。發(fā)表無人機(jī)電磁彈射器方面論文 30 余篇，已開展研發(fā)無人機(jī)電磁彈射樣機(jī)系統(tǒng)多套。

導(dǎo)語(yǔ)

隨著無人機(jī)作戰(zhàn)樣式逐漸由“單打獨(dú)斗”向“集群智能”發(fā)展，為了應(yīng)對(duì)固定翼無人機(jī)集群作戰(zhàn)需求，研究其連發(fā)起飛的方式十分必要。電磁彈射起飛具有快速、可控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以其為基礎(chǔ)，首先開展中小型固定翼無人機(jī)連發(fā)彈射器的研究，特別是針對(duì)機(jī)動(dòng)性高的陸基車載系統(tǒng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)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(fā)彈射系統(tǒng)的性能及其機(jī)動(dòng)性，是連發(fā)型電磁彈射器的研究重點(diǎn)。

項(xiàng)目研究背景

集群作戰(zhàn)的無人機(jī)需要快速起飛形成戰(zhàn)斗力。目前發(fā)射起飛的方法主要有采用多臺(tái)彈射器同時(shí)彈射多架無人機(jī)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(jī)的需求。從發(fā)展的趨勢(shì)來看，電磁彈射具有明顯優(yōu)勢(shì)，全程可控地彈射起飛，發(fā)射間隔短，安全性好。

本項(xiàng)目研究主要針對(duì)車載無人機(jī)連發(fā)電磁彈射系統(tǒng)，它是在電磁彈射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融合機(jī)庫(kù)、連發(fā)傳送和裝夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)內(nèi)連續(xù)快速的彈射起飛多數(shù)量固定翼無人機(jī)的一種系統(tǒng)。

論文所解決的問題及意義

彈射器要求機(jī)動(dòng)性良好，且彈射時(shí)間短，一般為秒級(jí)?，F(xiàn)有系統(tǒng)的電源主要以蓄電池組或電容器組為主，電源質(zhì)量體積大，無法滿足車載連發(fā)型彈射系統(tǒng)的高機(jī)動(dòng)性要求。另外，電源針對(duì)無人機(jī)快速?gòu)椛渌杈邆淇焖贈(zèng)_放電能力也無法滿足連發(fā)的速率要求。

論文設(shè)計(jì)一種高功率密度的儲(chǔ)能形式及其沖放電的策略，解決儲(chǔ)能可能影響系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性的問題，實(shí)現(xiàn)一種快速?zèng)_放電的能力，支持連發(fā)型彈射的工況需求，為提升無人機(jī)連發(fā)型電磁彈射器工作性能奠定基礎(chǔ)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

論文設(shè)計(jì)了一種蓄電池、超級(jí)電容和雙向DC/DC變換器組合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種充放電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模糊控制的能源管理策略，減少了電池?cái)?shù)量，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度，且能減少超級(jí)電容的放電電流，縮短彈射間隔內(nèi)的充放電時(shí)長(zhǎng)，可提高連續(xù)彈射的速率。

1）分析了系統(tǒng)的工況并提出了蓄電池、超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工作原理：第一階段，超級(jí)電容和蓄電池基于能源管理策略為直線電機(jī)供電，此工作過程電磁彈射器工作；第二階段，蓄電池為超級(jí)電容恒流充電，同時(shí)反接電源將電機(jī)動(dòng)子拉回至初始位置，此過程在兩次彈射之間的間隔時(shí)間完成。

為達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)輸出功率精準(zhǔn)控制的目的，本文設(shè)計(jì)了三個(gè)控制器?？刂破?采集蓄電池的放電電流Ibat與放電電壓Vbat，檢測(cè)負(fù)載功率的低頻分量和能源管理策略，得到功率信號(hào)Pb_ref，可計(jì)算實(shí)際的參考電流；控制器2通過測(cè)量負(fù)載的實(shí)時(shí)端電壓Vdc和超級(jí)電容放電電流Isc，根據(jù)目標(biāo)電壓值Vdc_ref來實(shí)現(xiàn)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定；控制器3采集由蓄電池給超級(jí)電容的實(shí)時(shí)充電電流Isc和目標(biāo)參考電流Iref，從而達(dá)到對(duì)超級(jí)電容恒流充電的目的。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制原理圖

2）采用模糊控制來分配管理各儲(chǔ)能單元的輸出功率，將彈射用直線電機(jī)的低頻功率Pref、蓄電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Bsoc和Ssoc進(jìn)行了模糊化處理，使所需的直線電機(jī)功率更合理地分配到蓄電池和超級(jí)電容上，從而減小大電流放電對(duì)蓄電池的影響，延長(zhǎng)其壽命周期。因此，將Pref、Bsoc和Ssoc設(shè)置為模糊控制策略的輸入量，把BAT功率分配系數(shù)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(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

3）仿真及結(jié)果。仿真蓄電池與超級(jí)電容同時(shí)放電、超級(jí)電容組恒壓放電及電機(jī)的回饋制動(dòng)三種工作方式，仿真采用的超級(jí)電容與蓄電池參數(shù)見表1。

表1 仿真用超級(jí)電容與蓄電池參數(shù)

首先基于模糊控制策略對(duì)連發(fā)型電磁彈射器的負(fù)載需求功率在儲(chǔ)能單元間進(jìn)行功率分配，如圖3所示。

圖3 基于模糊控制的需求功率分配結(jié)果

再分別對(duì)采用單一超級(jí)電容組和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以及能量回饋制動(dòng)進(jìn)行仿真，得到SC端電壓和負(fù)載端電壓曲線，如圖4和圖5所示：

圖4 系統(tǒng)彈射一次的放電仿真結(jié)果

圖5 制動(dòng)狀態(tài)下的超級(jí)電容電壓

根據(jù)仿真結(jié)果分析：進(jìn)行一次彈射后，超級(jí)電容的端電壓分別減小到153.3V和163.2V，若再給超級(jí)電容充電時(shí)，需將其電壓充至192V。采用電壓為204V的蓄電池為超級(jí)電容充電，設(shè)計(jì)以恒電流100A進(jìn)行充電，充電過程的仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6 超級(jí)電容充電過程仿真結(jié)果

結(jié)論

1）由蓄電池、超級(jí)電容和DC-DC變換器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)對(duì)高機(jī)動(dòng)性的要求，具備較高功率特性，且能滿足連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)的需求。

2）所設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地減少了蓄電池的使用數(shù)量，從而提高了功率密度，相比較蓄電池單獨(dú)供電的儲(chǔ)能系統(tǒng)0.51kW/kg的功率密度，此混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率密度為0.73kW/kg。

3）提出的基于模糊控制的能源管理策略可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率在各儲(chǔ)能單元之間合理分配，能夠有效地減小超級(jí)電容的放電電量，減少了彈射時(shí)間間隔。相對(duì)于單獨(dú)供電的超級(jí)電容組，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電量減少26.35%。在給超級(jí)電容恒流充電階段，超級(jí)電容組充電時(shí)間為21.3s，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電時(shí)間為15.6s，彈射間隔時(shí)間縮短26.76%。

引用本文

王湘, 吳峻. 連發(fā)型電磁彈射器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其能源管理策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.