原創(chuàng)2020-11-26 10:00·電氣技術(shù)

研究團隊

吳峻，工學(xué)博士，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師，中國電工技術(shù)學(xué)會電磁發(fā)射專業(yè)委員會委員，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，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(fā)表無人機電磁彈射器方面論文 30 余篇，已開展研發(fā)無人機電磁彈射樣機系統(tǒng)多套。

導(dǎo)語

隨著無人機作戰(zhàn)樣式逐漸由“單打獨斗”向“集群智能”發(fā)展，為了應(yīng)對固定翼無人機集群作戰(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、可控的獨特優(yōu)勢，以其為基礎(chǔ)，首先開展中小型固定翼無人機連發(fā)彈射器的研究，特別是針對機動性高的陸基車載系統(tǒng)。

儲能系統(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)的性能及其機動性，是連發(fā)型電磁彈射器的研究重點。

項目研究背景

集群作戰(zhàn)的無人機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(fā)展的趨勢來看，電磁彈射具有明顯優(yōu)勢，全程可控地彈射起飛，發(fā)射間隔短，安全性好。

本項目研究主要針對車載無人機連發(fā)電磁彈射系統(tǒng)，它是在電磁彈射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融合機庫、連發(fā)傳送和裝夾機構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)短時內(nèi)連續(xù)快速的彈射起飛多數(shù)量固定翼無人機的一種系統(tǒng)。

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?，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)的高機動性要求。另外，電源針對無人機快速彈射所需具備快速沖放電能力也無法滿足連發(fā)的速率要求。

論文設(shè)計一種高功率密度的儲能形式及其沖放電的策略，解決儲能可能影響系統(tǒng)機動性的問題，實現(xiàn)一種快速沖放電的能力，支持連發(fā)型彈射的工況需求，為提升無人機連發(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

論文設(shè)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(tǒng)，提出了一種充放電電路拓撲結(jié)構(gòu)及模糊控制的能源管理策略，減少了電池數(shù)量，提高了儲能系統(tǒng)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(nèi)的充放電時長，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、超級電容混合儲能系統(tǒng)及其工作原理：第一階段，超級電容和蓄電池基于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，蓄電池為超級電容恒流充電，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(tǒng)對輸出功率精準(zhǔn)控制的目的，本文設(shè)計了三個控制器?？刂破?采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(jù)目標(biāo)電壓值Vdc_ref來實現(xiàn)負載端電壓的穩(wěn)定；控制器3采集由蓄電池給超級電容的實時充電電流Isc和目標(biāo)參考電流Iref，從而達到對超級電容恒流充電的目的。

圖1 混合儲能系統(tǒng)控制原理圖

2）采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(tài)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(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 混合儲能系統(tǒng)工作原理

3）仿真及結(jié)果。仿真蓄電池與超級電容同時放電、超級電容組恒壓放電及電機的回饋制動三種工作方式，仿真采用的超級電容與蓄電池參數(shù)見表1。

表1 仿真用超級電容與蓄電池參數(shù)

首先基于模糊控制策略對連發(fā)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 基于模糊控制的需求功率分配結(jié)果

再分別對采用單一超級電容組和混合儲能系統(tǒng)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(tǒng)彈射一次的放電仿真結(jié)果

圖5 制動狀態(tài)下的超級電容電壓

根據(jù)仿真結(jié)果分析：進行一次彈射后，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。采用電壓為204V的蓄電池為超級電容充電，設(shè)計以恒電流100A進行充電，充電過程的仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6 超級電容充電過程仿真結(jié)果

結(jié)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(tǒng)可以滿足連發(fā)型電磁彈射系統(tǒng)對高機動性的要求，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)計混合儲能系統(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，相比較蓄電池單獨供電的儲能系統(tǒng)0.51kW/kg的功率密度，此混合儲能系統(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現(xiàn)目標(biāo)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。相對于單獨供電的超級電容組，混合儲能系統(tǒng)放電量減少26.35%。在給超級電容恒流充電階段，超級電容組充電時間為21.3s，混合儲能系統(tǒng)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. 連發(fā)型電磁彈射器混合儲能系統(tǒng)及其能源管理策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)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.