用于电动飞机复合能源系统的能量管理方法和存储介质

1.本发明涉及电动飞机控制技术领域，尤其是涉及一种于电动飞机复合能源系统的能量管理方法和存储介质。


背景技术：

2.发展基于新能源技术的电动飞机技术，是简化飞机能源结构、提升能源利用率和可靠性、降低碳排放的有效途径。现有电动飞机技术多基于纯锂离子电池技术，但受制于锂离子电池能量密度限制，难以满足中长途商用飞机的能源动力需求。基于储氢系统-氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器的复合能源系统，能够较好地实现能源单元间的优势互补，是推动电动飞机大型化的一套可行方案。然而，飞机飞行工况复杂多变，复合能源系统各单元特性各异，耦合关系复杂，给复合能源系统能量管理方法的开发带来巨大挑战，也显著影响了系统安全性与经济性。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动飞机复合能源系统的能量管理方法和存储介质，提升复合能源系统能量管理的能量利用效率。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，包括以下步骤：
6.s1：在电动飞机起飞前，根据电动飞机的飞行计划，绘制电动飞机的功率需求-时间曲线；
7.s2：根据电动飞机的复合能源系统各单元的出力特点以及运行约束条件，构建以复合能源系统用能成本最小化为优化目标的能量优化调度模型；
8.s3：向所述能量优化调度模型中输入电动飞机各单元技术参数以及功率需求-时间曲线，进行模型求解，获得复合能源系统能量调度计划；
9.s4：在电动飞机实时飞行过程中，以所述复合能源系统能量调度计划为基线，计算电动飞机实时功率需求与所述复合能源系统能量调度计划的偏差，并以偏差最小为优化目标，构建系统能量实时控制模型，获得复合能源系统的实际能量管理策略。
10.进一步地，所述电动飞机的功率需求-时间曲线包括电动飞机在起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段和降落阶段的功率需求-时间曲线。
11.进一步地，所述复合能源系统包括氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器；
12.在起飞阶段和爬升阶段，由氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器共同供能；
13.在巡航阶段和降落阶段，由氢燃料电池和锂离子电池供能。
14.进一步地，所述能量优化调度模型的优化目标为：
[0015][0016]
式中，e
total
为电动飞机复合能源系统的总用能成本；和分别为飞行结束后
锂离子电池和超级电容器的剩余电能，和分别为飞行结束后锂离子电池和超级电容器的剩余电能；β
ele
和βh分别为充电和充氢的价格，p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率，η
e,h
为电氢转换系数，δt为能量管理调度时间间隔。
[0017]
进一步地，所述运行约束条件包括母线功率平衡约束、储能装置能量平衡约束、系统各单元功率约束和系统各单元能量约束；
[0018]
所述母线功率平衡约束的表达式为：
[0019][0020]
式中，和分别为锂离子电池充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；和分别为超级电容器充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；p
tfc
和p
load,t
分别为燃料电池系统在t时刻的输出功率，以及电动飞机在t时刻的功率需求；η
dc
和ηm分别为dc-dc双向变流器和高速电机的转换效率；
[0021]
所述储能装置能量平衡约束的表达式为：
[0022][0023][0024]
式中，和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻锂离子电池的剩余电能；和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻超级电容器的剩余电能；δt为能量管理调度时间间隔；
[0025]
所述系统各单元功率约束的表达式为：
[0026][0027]
式中，和分别为锂离子电池的最大允许充电和放电倍率；和分别为超级电容器的最大允许充电和放电倍率；和分别为表示锂离子电池是否充电和放电的0-1变量；和分别为示超级电容器是否充电和放电的0-1变量；和分别为燃料电池的最大允许上/下爬坡速率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池的设计容量；为t-1时刻燃料电池的输出功率；
[0028]
所述系统各单元能量约束的表达式为：
[0029][0030]
式中，mh为储氢系统的设计储氢量；η
e,h
为电氢转换系数，即氢气与燃料电池发电量的转换系数。
[0031]
进一步地，所述电动飞机各单元技术参数包括：锂离子电池的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；超级电容器的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；燃料电池的设计容量和最大允许上/下爬坡速率；储氢系统的设计储氢量和电氢转换系数；dc-dc双向逆变器和高速电动机的能量转换效率；充电和充氢价格。
[0032]
进一步地，所述复合能源系统能量调度计划包括燃料电池、锂离子电池和超级电容器的分时刻功率出力曲线。
[0033]
进一步地，所述系统能量实时控制模型的优化目标的表达式为：
[0034][0035]
式中，ξ
t
为t时刻复合能源系统实际功率输出与计划的偏差；和分别为t时刻锂离子电池和超级电容器的实际剩余电能；为t时刻燃料电池的实际输出功率；为t时刻锂离子电池的剩余电能；为t时刻超级电容器的剩余电能；p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池功率输出变化的惩罚因子。
[0036]
进一步地，所述系统能量实时控制模型满足的约束条件为：
[0037][0038]
式中，和分别为t时刻锂离子电池实际充电功率、放电功率、超级电容器实际充电功率和放电功率；和分别为t时刻和t-1时刻燃料电池实际输出功率；和分别为t时刻锂离子电池实际是否充电和放电的0-1变量；和分别为t时刻超级电容器实际是否充电和放电的0-1变量。
[0039]
本发明还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上储存有计算程序，所述计算程序被处理器执行如上所述的方法。
[0040]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0041]
(1)本发明通过飞行前调度优化和飞行实时运行优化双阶段的能量管理优化方法，能在满足电动飞机实际能量/功率的需求的同时，显著降低复合能源系统用能成本，进而显著提升电动飞机运行经济性。
[0042]
(2)本发明可实现电动飞机复合能源系统在不同飞行工况下的能量管理计划的快速制定和能量管理策略的实时优化，有助于基于复合能源系统的电动飞机技术的快速推广和实践。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例中提供的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法的流程示意图；
[0044]
图2为本发明实施例中提供的一种复合能源系统的结构示意图；
[0045]
图3为本发明实施例中提供的一种电动飞机计划功率需求-时间曲线图；
[0046]
图4为本发明实施例中提供的一种飞行前调度优化阶段所得电动飞机复合能源系统各单元功率调度计划曲线图；
[0047]
图5为本发明实施例中提供的一种电动飞机实际功率需求-时间曲线图；
[0048]
图6为本发明实施例中提供的一种飞行实时优化阶段所得电动飞机复合能源系统各单元功率实际输出曲线图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0050]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0052]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以
明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，包含飞行前调度优化和飞行实时运行优化两个阶段，具体包括以下步骤：
[0057]
s1：在电动飞机起飞前，根据电动飞机的飞行计划，绘制电动飞机的功率需求-时间曲线；
[0058]
s2：根据电动飞机的复合能源系统各单元的出力特点以及运行约束条件，构建以复合能源系统用能成本最小化为优化目标的能量优化调度模型；
[0059]
s3：向所述能量优化调度模型中输入电动飞机各单元技术参数以及功率需求-时间曲线，进行模型求解，获得复合能源系统能量调度计划；
[0060]
s4：在电动飞机实时飞行过程中，以所述复合能源系统能量调度计划为基线，计算电动飞机实时功率需求与所述复合能源系统能量调度计划的偏差，并以偏差最小为优化目标，构建系统能量实时控制模型，获得复合能源系统的实际能量管理策略，从而进行电动飞机实时控制。
[0061]
所述电动飞机的功率需求-时间曲线一般包含电动飞机在起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段和降落阶段的功率需求-时间曲线。
[0062]
结合复合能源系统各单元出力特点，优选地，起飞和爬升阶段由储氢系统-氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器共同供能；巡航和降落阶段主要由储氢系统-氢燃料电池和锂离子电池供能。
[0063]
所述能量优化调度模型的优化目标为：
[0064][0065]
式中，e
total
为电动飞机复合能源系统的总用能成本；和分别为飞行结束后锂离子电池和超级电容器的剩余电能，和分别为飞行结束后锂离子电池和超级电容器的剩余电能；β
ele
和βh分别为充电和充氢的价格，p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率，η
e,h
为电氢转换系数，δt为能量管理调度时间间隔。
[0066]
多种运行约束条件包括：包括母线功率平衡约束、储能装置能量平衡约束、系统各单元功率约束和系统各单元能量约束等；
[0067]
所述母线功率平衡约束的表达式为：
[0068][0069]
式中，和分别为锂离子电池充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；和分别为超级电容器充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；p
tfc
和p
load,t
分别为燃料电池系统在t时刻的输出功率，以及电动飞
机在t时刻的功率需求；η
dc
和ηm分别为dc-dc双向变流器和高速电机的转换效率；
[0070]
所述储能装置能量平衡约束的表达式为：
[0071][0072][0073]
式中，和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻锂离子电池的剩余电能；和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻超级电容器的剩余电能；δt为能量管理调度时间间隔；
[0074]
所述系统各单元功率约束的表达式为：
[0075][0076]
式中，和分别为锂离子电池的最大允许充电和放电倍率；和分别为超级电容器的最大允许充电和放电倍率；和分别为表示锂离子电池是否充电和放电的0-1变量；和分别为示超级电容器是否充电和放电的0-1变量；和分别为燃料电池的最大允许上/下爬坡速率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池的设计容量；为t-1时刻燃料电池的输出功率；
[0077]
所述系统各单元能量约束的表达式为：
[0078][0079]
式中，mh为储氢系统的设计储氢量；η
e,h
为电氢转换系数，即氢气与燃料电池发电量的转换系数。
[0080]
所述电动飞机各单元技术参数包括但不限于：锂离子电池的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；超级电容器的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；燃料电池的设计容量和最大允许上/下爬坡速率；储氢系统的设计储氢量和电氢转换系数；dc-dc双向逆变器和高速电动机的能量转换效率；充电和充氢价格等。
[0081]
步骤s3所述复合能源系统能量调度计划包括燃料电池、锂离子电池和超级电容器的分时刻功率出力曲线。
[0082]
步骤s4所述系统能量实时运行优化方法，针对每个时刻t，当实际功率需求与计划功率需求p
load,t
存在差异时，结合复合能源系统各单元的实际充放电状态与能力，以与复合能源系统实际功率输出与计划偏差最小化为目标，对原能量调度计划进行修正，以满足系统供能需求和功率平衡要求。
[0083]
所述系统能量实时控制模型的优化目标的表达式为：
[0084][0085]
式中，ξ
t
为t时刻复合能源系统实际功率输出与计划的偏差；和分别为t时刻锂离子电池和超级电容器的实际剩余电能；为t时刻燃料电池的实际输出功率；为t时刻锂离子电池的剩余电能；为t时刻超级电容器的剩余电能；p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池功率输出变化的惩罚因子。
[0086]
所述系统能量实时控制模型满足的约束条件为：
[0087][0088]
式中，和分别为t时刻锂离子电池实际充电功率、放电功率、超级电容器实际充电功率和放电功率；和分别为t时刻和t-1时刻燃料电池实际输出功率；和分别为t时刻锂离子电池实际是否充电和放电的0-1变量；和分别为t时刻超级电容器实际是否充电和放电的0-1变量。
[0089]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个机器可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0090]
因此本实施例还提供一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上储存有计算程序，所述计算程序被处理器执行如上所述的方法。
[0091]
下面提供采用上述方法的一种具体实施过程，如下：
[0092]
本实施例面向某民用客机的典型飞行工况，开展案例计算。其中，本实施例选用的复合能源系统结构示意图如图2所示。在飞行前调度优化阶段，根据电动飞机飞行计划，绘制出的功率需求-时间曲线如图3所示。能量优化调度模型所需输入的各元件技术参数如表1所示，其中单位调度时间为0.1分钟。通过求解以复合能源系统用能成本最小化为目标的能量优化调度模型，所得复合能源系统各单元的功率调度计划如图4所示。从图4可见，储氢系统-燃料电池作为复合能源系统的主要动力来源，基本追踪电动飞机的能源需求曲线，且输出功率较为稳定；超级电容器主要作为起飞和爬升阶段的功率辅助；锂离子电池则作为能量和功率补充消纳飞行全阶段的功率需求波动。
[0093]
表1系统各元件技术参数
[0094][0095][0096]
以上述能量调度计划为基线，实施实时运行优化。假设实际飞行过程中的电动飞机实际功率需求曲线如图5所示。通过求解以复合能源系统用能成本最小化为目标的能量实时控制模型，所得的电动飞机复合能源系统各单元功率实际输出曲线如图6所示。从图6
可见，实际功率需求与计划功率需求的偏差部分，主要通过控制锂离子电池充放电功率来满足，在起飞和爬升阶段部分通过控制超级电容器充放电功率来满足，燃料电池功率变化不大。在本实施例中，复合能源系统实际用能成本为3598.14元，相较复合能源系统满载用能成本5106元，仅占70.5％，系统整体经济性较好。
[0097]
综上，本实施例面向某民用客机的典型飞行工况，实施飞行前调度优化和飞行实时运行优化。结果表明，本发明提出的电动飞机复合能源系统能量管理方法与系统，能够有效满足电动飞机的实际能量/功率需求，并显著降低电动飞机的用能成本，进而提升电动飞机运行经济性。
[0098]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在电动飞机起飞前，根据电动飞机的飞行计划，绘制电动飞机的功率需求-时间曲线；s2：根据电动飞机的复合能源系统各单元的出力特点以及运行约束条件，构建以复合能源系统用能成本最小化为优化目标的能量优化调度模型；s3：向所述能量优化调度模型中输入电动飞机各单元技术参数以及功率需求-时间曲线，进行模型求解，获得复合能源系统能量调度计划；s4：在电动飞机实时飞行过程中，以所述复合能源系统能量调度计划为基线，计算电动飞机实时功率需求与所述复合能源系统能量调度计划的偏差，并以偏差最小为优化目标，构建系统能量实时控制模型，获得复合能源系统的实际能量管理策略。2.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述电动飞机的功率需求-时间曲线包括电动飞机在起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段和降落阶段的功率需求-时间曲线。3.根据权利要求2所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述复合能源系统包括氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器；在起飞阶段和爬升阶段，由氢燃料电池、锂离子电池和超级电容器共同供能；在巡航阶段和降落阶段，由氢燃料电池和锂离子电池供能。4.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述能量优化调度模型的优化目标为：式中，e
total
为电动飞机复合能源系统的总用能成本；和分别为飞行结束后锂离子电池和超级电容器的剩余电能，和分别为飞行结束后锂离子电池和超级电容器的剩余电能；β
ele
和β
h
分别为充电和充氢的价格，p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率，η
e,h
为电氢转换系数，δt为能量管理调度时间间隔。5.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述运行约束条件包括母线功率平衡约束、储能装置能量平衡约束、系统各单元功率约束和系统各单元能量约束；所述母线功率平衡约束的表达式为：式中，和分别为锂离子电池充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；和分别为超级电容器充电效率、放电效率、t时刻的充电功率和放电功率；p
tfc
和p
load,t
分别为燃料电池系统在t时刻的输出功率，以及电动飞机在t时刻的功率需求；η
dc
和η
m
分别为dc-dc双向变流器和高速电机的转换效率；所述储能装置能量平衡约束的表达式为：
式中，和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻锂离子电池的剩余电能；和分别为初始时刻、t-1时刻和t时刻超级电容器的剩余电能；δt为能量管理调度时间间隔；所述系统各单元功率约束的表达式为：式中，和分别为锂离子电池的最大允许充电和放电倍率；和分别为超级电容器的最大允许充电和放电倍率；和分别为表示锂离子电池是否充电和放电的0-1变量；和分别为示超级电容器是否充电和放电的0-1变量；和分别为燃料电池的最大允许上/下爬坡速率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池的设计容量；为t-1时刻燃料电池的输出功率；所述系统各单元能量约束的表达式为：式中，m
h
为储氢系统的设计储氢量；η
e,h
为电氢转换系数，即氢气与燃料电池发电量的转换系数。6.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述电动飞机各单元技术参数包括：锂离子电池的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；超级电容器的设计容量、最大允许充/放电倍率和充/放电效率；燃料电池的设计容量和最大允许上/下爬坡速率；储氢系统的设计储氢量和电氢转换系数；dc-dc双向逆变器和高速电动机的能量转换效率；充电和充氢价格。7.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述复合能源系统能量调度计划包括燃料电池、锂离子电池和超级电容器的分时刻功率出力曲线。
8.根据权利要求1所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述系统能量实时控制模型的优化目标的表达式为：式中，ξ
t
为t时刻复合能源系统实际功率输出与计划的偏差；和分别为t时刻锂离子电池和超级电容器的实际剩余电能；为t时刻燃料电池的实际输出功率；为t时刻锂离子电池的剩余电能；为t时刻超级电容器的剩余电能；p
tfc
为燃料电池系统在t时刻的输出功率；w
lb
、w
sc
和w
fc
分别为锂离子电池、超级电容器和燃料电池功率输出变化的惩罚因子。9.根据权利要求8所述的一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法，其特征在于，所述系统能量实时控制模型满足的约束条件为：式中，和分别为t时刻锂离子电池实际充电功率、放电功率、超级电容器实际充电功率和放电功率；和分别为t时刻和t-1时刻燃料电池实际输出功率；和分别为t时刻锂离子电池实际是否充电和放电的0-1变量；和分别为t时刻超级电容器实际是否充电和放电的0-1变量。10.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上储存有计算程序，所述计算程序被处理器执行如权利要求1～9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种电动飞机复合能源系统的能量管理方法和存储介质，方法包括：在电动飞机起飞前，根据飞行计划，绘制功率需求-时间曲线；根据电动飞机复合能源系统各单元的出力特点，构建以用能成本最小化为优化目标的能量优化调度模型；输入电动飞机各单元技术参数以及功率需求-时间曲线，进行模型求解，获得复合能源系统能量调度计划；在电动飞机实时飞行过程中，以电动飞机实时功率需求与复合能源系统能量调度计划的偏差最小为优化目标，构建系统能量实时控制模型，获得复合能源系统的实际能量管理策略。与现有技术相比，本发明通过飞行前调度优化和飞行实时运行优化，提出的方法具有能量利用效率高、经济性好、可行性高等优点。可行性高等优点。可行性高等优点。


技术研发人员：贺益君 董潇健 沈佳妮
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/6/12