用于飞机主动力的SOFC混合动力系统的能量管理方法与流程

用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法，属于燃料电池绿色航空动力、混合能量管理技术领域。


背景技术：

2.传统航空动力系统存在燃油消耗过高、污染物排放量过大的问题。民航作为重要的战略产业，正在向绿色低碳转型。固体氧化物燃料电池(sofc)-燃气轮机(gt)混合动力系统凭借其良好的系统效率和较低的污染物排放，展现了巨大的潜力。
3.然而，由于sofc工作温度高达600℃以上，其启动时间很长，而仅依靠混合动力系统中的涡轮装置无法提供飞机起飞、爬坡等阶段的高功率需求，若配备大功率燃气轮机系统则会占据更多的空间。在此背景下，如何通过对sofc系统、gt系统与锂电池系统之间的能量的合理调控，以实现飞机能量系统对功率的快速响应，提高飞机性能，延长飞机的航程及航时，提升飞机实用性，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法，以对飞机不同飞行阶段进行合理的能量管理。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法，包括如下步骤：
7.s1：获取飞机飞行各阶段的实时功率需求w
p
和锂电池系统的允许充电功率；最大实时功率需求w
p(max)
所对应飞行阶段的sofc和gt输出功率分别为sofc和gt输出功率的最大允许输出功率；
8.获取飞机飞行各阶段的功率需求方法如下：
9.s101：采集所述飞机飞行各阶段的油门信息，并根据油门信息确定所述飞机螺旋桨的给定转速n
p_ref
；
10.s102：采集所述飞机飞行各阶段的空速，使用公式(1)计算所述飞机的前进比：
11.λ＝v
air
/n
p_ ref
/d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
12.式中，λ表示飞机前进比，v
air
表示飞机的空速，d
p
表示飞机螺旋桨的直径；
13.s103：利用给定螺旋桨转速n
p_ref
下的飞机前进比-功率系数的特性曲线，确定飞机螺旋桨在给定转速n
p_ref
下的功率系数cw；
14.s104：利用公式(2)，计算飞机螺旋桨飞行各阶段的需求功率：
[0015][0016]
式中，w
p
表示飞机螺旋桨的实时需求功率，ρ表示空气密度。
[0017]
s105：sofc-gt混合动力系统的最大输出功率w
sofc-gt(max)
与s104中获得的飞机螺旋桨的最大需求功率w
p(max)
相等，这一阶段sofc与gt分别达到最大输出功率。
[0018]
s2：利用公式(3)计算飞机当前飞行阶段sofc-gt混合动力系统的输出功率wsofc-gt
，即当前实时功率需求w
p
和锂电池系统的允许充电功率w
b_charg
之和；根据w
sofc-gt
，得出飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率，分别对其最大允许输出功率进行比较，若大于其最大允许输出功率，则控制其以最大输出功率输出，否则，以当前的w
sofc-gt
输出。
[0019]wsofc-gt
＝w
p
+w
b_charge
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
优选的，s1中获取锂电池的允许充电功率的方法如下：
[0021]
s201：预设锂电池的允许充电电流、荷电状态、最大单体电压以及锂电池温度的对应关系；
[0022]
s202：采集锂电池系统中锂电池的荷电状态、最大单体电压和锂电池温度信息并按照所述对应关系确定锂电池的允许充电电流；
[0023]
s203：采集sofc-gt混合系统中sofc的实时输出电压，并根据所述sofc的实时输出电压以及s201中获取的锂电池系统允许充电电流，计算所述锂电池系统的允许充电功率。
[0024]
优选的，获取飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率的方法如下：
[0025]
s201’：根据热力学、动力学方程在计算机仿真软件中建立sofc-gt混合动力系统的完整模型；
[0026]
s202’：根据所需的w
sofc-gt
使用仿真模型获取模型输入参数；
[0027]
s203’：计算获得飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率。
[0028]
s3：上述w
sofc-gt
可用公式(4)计算：
[0029]wsofc-gt
＝w
sofc
+w
gt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0030]
式中w
sofc
和w
gt
分别表示sofc和gt的输出功率，将w
sofc
和w
gt
分别与s1中获取的sofc和gt最大输出功率对比，若大于其最大允许输出功率，则控制其以最大输出功率输出，否则，以s2中获得的w
sofc-gt
输出。
[0031]
本发明还提供一种用于飞机主动力的sofc混合动力系统，包括sofc、gt、锂电池系统和控制单元；所述sofc和gt构成的sofc-gt混合系统与锂电池系统并联，用于为飞机螺旋桨提供能量；所述控制单元与所述sofc-gt混合系统及锂电池系统连接，用于执行权利要求1-5任一所述的能量管理方法。
[0032]
有益效果：本发明提供的用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法，可根据飞机的功率需求、锂电池的允许充电功率及燃料电池系统的最大输出功率，主动控制sofc、gt以及锂电池的输出功率，保证飞机动力系统能够快速响应飞行各阶段功率变化需求，提高飞机的机动性能；sofc-gt混合动力系统能够在飞机上为锂电池安全、可靠地充电，延长锂电池寿命及并增强锂电池的维护性。
附图说明
[0033]
图1为一种基于多型燃料的sofc-gt混合发电系统的结构示意图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]
本实施例中混合动力飞机采用并联的sofc-gt混合系统和锂电池系统为飞机螺旋
桨提供电能，以满足所述飞机飞行各阶段的功率需求，系统能量管理包括以下步骤：
[0036]
s1：获取所述混合动力飞机飞行各阶段的实时功率需求、sofc和gt的最大输出功率，以及锂电池系统的允许充电功率范围；
[0037]
获取飞机飞行各阶段的功率需求方法如下：
[0038]
s101：采集所述飞机飞行各阶段的油门信息，并根据油门信息确定所述飞机螺旋桨的给定转速n
p_ref
；
[0039]
s102：采集所述飞机飞行各阶段的空速，使用公式(1)计算所述飞机的前进比：
[0040]
λ＝v
air
/n
p_ ref
/d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
式中，λ表示飞机前进比，v
air
表示飞机的空速，d
p
表示飞机螺旋桨的直径；
[0042]
s103：利用给定螺旋桨转速n
p_ref
下的飞机前进比-功率系数的特性曲线，确定飞机螺旋桨在给定转速n
p_ref
下的功率系数cw；
[0043]
s104：利用公式(2)，计算飞机螺旋桨飞行各阶段的需求功率：
[0044][0045]
式中，w
p
表示飞机螺旋桨的实时需求功率，ρ表示空气密度。
[0046]
s105：sofc-gt混合动力系统的最大输出功率w
sofc-gt(max)
与s104中获得的飞机螺旋桨的最大需求功率w
p(max)
相等，这一阶段sofc与gt分别达到最大输出功率。
[0047]
s2：利用公式(3)计算飞机低功率需求飞行阶段，同时满足飞机功率需求并为锂电池充电时的sofc-gt混合动力系统输出功率：
[0048]wsofc-gt
＝w
p
+w
b_charge
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0049]
式中，w
sofc-gt
表示当前sofc-gt混合动力系统的输出功率，w
b_charge
表示锂电池系统的允许充电功率；
[0050]
s1中获取锂电池的允许充电功率的方法如下：
[0051]
s201：预设锂电池的允许充电电流、荷电状态、最大单体电压以及锂电池温度的对应关系；
[0052]
s202：采集锂电池中锂电池的荷电状态、最大单体电压和锂电池温度信息并按照所述对应关系确定锂电池的允许充电电流；
[0053]
s203：采集燃料电池系统的实时输出电压，并根据所述燃料电池系统的实时输出电压以及s201中获取的锂电池系统允许充电电流，计算所述锂电池系统的允许充电功率。其中，因为燃料电池系统与锂电池系统并联，因此两系统的实时输出电压相等，由此，所述锂电池系统的允许充电功率＝燃料电池系统的实时输出电压*确定出来的锂电池系统的允许充电电流。
[0054]
s201中，锂电池系统的允许充电电流与锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压及锂电池温度的对应关系可以设置如下：
[0055]
1、当锂电池的最大单体电压大于单体电压最高值(如：4.25v)，则不允许为锂电池系统充电；
[0056]
2、当锂电池的荷电状态soc大于预设的第一阈值，则不允许为锂电池系统充电；
[0057]
3、当锂电池的温度大于预设的第二阈值或小于预设的第三阈值，则不允许为锂电池系统充电，其中，第二阈值大于第三阈值；
[0058]
否则允许为锂电池系统充电。
[0059]
下面给出允许充电电流与锂电池的荷电状态soc及锂电池温度对应关系的具体实施例，如下表所示：
[0060][0061]
上表中，预设的第一阈值取90％soc，预设的第二阈值取50℃，预设的第三阈值取0℃，c表示放电倍率。
[0062]
在上述确定锂电池系统充电电流方法中，为避免充电电流在荷电状态soc及锂电池温度所处区间发生变化时，造成跳变，充电电流的变化可设置滞环及延时。
[0063]
获取飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率的方法如下：
[0064]
s201’：根据热力学、动力学方程在计算机仿真软件中建立sofc-gt混合动力系统的完整模型；
[0065]
s202’：根据所需的w
sofc-gt
使用仿真模型获取模型输入参数；
[0066]
s203’：计算获得飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率。
[0067]
本发明还提供一种用于飞机主动力的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-锂电池混合动力系统，包括：sofc-gt混合系统、锂电池系统和控制单元，其中，所述sofc-gt系统和锂电池系统并联，用于为飞机螺旋桨提供能量，以满足所述飞机螺旋桨的功率需求。
[0068]
本发明提供的由于飞机主动力的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-锂电池混合动力系统，可根据飞机的功率需求、锂电池的允许充电功率及燃料电池系统的最大输出功率，主动控制sofc、gt以及锂电池的输出功率，保证飞机动力系统能够快速响应飞行各阶段功率变化需求，提高飞机的机动性能；sofc-gt混合动力系统能够在飞机上为锂电池安全、可靠地充电，延长锂电池寿命及并增强锂电池的维护性。
[0069]
上面对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种用于飞机主动力的sofc混合动力系统的能量管理方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：获取飞机飞行各阶段的实时功率需求w
p
和锂电池系统的允许充电功率；最大实时功率需求w
p(max)
所对应飞行阶段的sofc和gt输出功率分别为sofc和gt输出功率的最大允许输出功率；s2：计算飞机当前飞行阶段sofc-gt混合动力系统的输出功率w
sofc-gt
，即当前实时功率需求w
p
和锂电池系统的允许充电功率w
b_charg
之和；根据w
sofc-gt
，得出飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率，分别对其最大允许输出功率进行比较，若大于其最大允许输出功率，则控制其以最大输出功率输出，否则，以当前的w
sofc-gt
输出。2.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，获取飞机飞行各阶段功率需求的方法如下：s101：采集所述飞机飞行各阶段的油门信息，并根据油门信息确定所述飞机螺旋桨的给定转速n
p_ref
；s102：采集所述飞机飞行各阶段的空速，使用公式(1)计算所述飞机的前进比：λ＝v
air
/n
p_ref
/d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，λ表示飞机前进比，v
air
表示飞机的空速，d
p
表示飞机螺旋桨的直径；s103：利用给定螺旋桨转速n
p_ref
下的飞机前进比-功率系数的特性曲线，确定飞机螺旋桨在给定转速n
p_ref
下的功率系数c
w
；s104：利用公式(2)，计算飞机螺旋桨的飞行各阶段的需求功率：w
p
＝c
w
*ρ*n
p_ref3
*d
p5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，w
p
表示飞机螺旋桨的实时需求功率，ρ表示空气密度；s105：由步骤s104计算得出的实时需求功率中最大实时需求功率w
p(max)
所对应飞行阶段的sofc与gt输出功率，为sofc-gt混合系统的最大输出功率。3.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，获取锂电池的允许充电功率的方法如下：s201：预设锂电池的允许充电电流、荷电状态、最大单体电压以及锂电池温度的对应关系；s202：采集锂电池系统中锂电池的荷电状态、最大单体电压和锂电池温度信息并按照所述对应关系确定锂电池的允许充电电流；s203：采集sofc-gt混合系统中sofc的实时输出电压，并根据所述sofc的实时输出电压以及s201中获取的锂电池系统允许充电电流，计算所述锂电池系统的允许充电功率。4.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，获取飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率的方法如下：s201’：根据热力学、动力学方程在计算机仿真软件中建立sofc-gt混合动力系统的完整模型；s202’：根据所需的w
sofc-gt
使用仿真模型获取模型输入参数；s203’：计算获得飞机当前飞行阶段的sofc和gt的输出功率。5.根据权利要求3所述的能量管理方法，其特征在于，s201中，锂电池系统的允许充电电流与锂电池的荷电状态、锂电池的最大单体电压及锂电池温度的对应关系为：
1)当锂电池的最大单体电压大于单体电压最高值，则不允许为锂电池系统充电；2)当锂电池的荷电状态soc大于预设的第一阈值，则不允许为锂电池系统充电；3)当锂电池的温度大于预设的第二阈值或小于预设的第三阈值，则不允许为锂电池系统充电，其中，第二阈值大于第三阈值；否则允许为锂电池系统充电。6.一种用于飞机主动力的sofc混合动力系统，其特征在于，包括sofc、gt、锂电池系统和控制单元；所述sofc和gt构成的sofc-gt混合系统与锂电池系统并联，用于为飞机螺旋桨提供能量；所述控制单元与所述sofc-gt混合系统及锂电池系统连接，用于执行权利要求1-5任一所述的能量管理方法。

技术总结
本发明公开了一种用于飞机主动力的SOFC混合动力系统的能量管理方法，可以解决混合动力系统中SOFC启动时间过长、变功率响应速度过慢、单一动力输出功率无法达到飞机起飞和爬坡等不同工况下变功率需求的问题。该混合动力系统可根据飞机的功率需求、锂电池的允许充电功率、SOFC的最大输出功率，主动控制燃料电池-燃气轮机-锂离子电池混合动力系统(SOFC-GT-LB)的输出功率，提高了动力装置效率和系统的可靠性，也保证了动力系统能够快速响应飞机飞行各阶段功率需求的变化；该混合动力系统可以在飞机巡航等低功率需求阶段为锂电池充电，以降低携带锂离子电池的重量，得到轻质、高效和可靠的航空用动力系统。的航空用动力系统。的航空用动力系统。


技术研发人员：梁凤丽 张业鹏 陈昭亿 王在兴 毛军逵 贺振宗
受保护的技术使用者：中国航空发动机研究院
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/5