连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略
发布时间：2021-02-26 14:12
为了满足连发型电磁弹射器机动灵活的要求,其储能模块必须实现较高的能量密度和功率密度。因此,设计了一种蓄电池（BAT）、超级电容（SC）和双向DC-DC变换器组合的混合储能系统（HESS）,提出充放电电路拓扑结构及模糊控制的能源管理策略,并进行了仿真分析。仿真结果表明,在相同条件下,相比于蓄电池单独供电的储能系统,所提方案能有效减少蓄电池的数量,从而提高储能系统的功率密度,且能降低超级电容的放电电流,缩短连续弹射间隔内的充放电时长,可提高连续弹射的速率,为提升无人机连发型电磁弹射器工作性能奠定了基础。
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(19)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
连发型电磁弹射器Fig.1Continuouselectromagneticejectionsystem
第35卷第19期王湘等连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略4079{S、MS、M、MB、B}；Bsoc模糊论域范围为[0,100]，模糊集为{S、M、B}；Ssoc模糊论域范围为[0,100]，模糊集为{S、M、B}；Kbat作为控制器唯一输出量，其模糊论域范围为[0,1]，模糊集为{S、MS、M、MB、B}。为提高模糊控制的灵敏度和精确度，防止在连续弹射期间出现过充/放电的情况，文献[19]建议控制器采用非均匀分布的模糊隶属度函数。图5为输入/输出量的隶属度函数。图5输入量与输出量的隶属度函数Fig.5Membershipfunctionsofinputsandoutputs2.2.2模糊推理当电机处于正常弹射状态时，总结出模糊控制规则见表1。表1模糊控制规则Tab.1FuzzycontrolrulesKbatPreqSMSMMBBBSOC(SSOC=S)SBMBMMMMBBMBMBMBBBMBMBMBSOC(SSOC=M)SBBMBMSMSMBBBMMSBBBMBMMSBSOC(SSOC=B)SBMBMSSMBBMBMMSBBBMBMSMS2.3能量回馈制动若要求弹射台能在设定距离内完成平稳制动，实现软着陆，且最大程度地回收能量，通过回馈制动的手段把动能转为电能，反馈至储能单元。目前主要以新能源汽车领域的旋转电机制动回馈为主[20]。HESS采用的变换器选择互补式PWM脉冲信号调节的控制方式。因此，升降压过程是同时进行的，并无时间先后。在弹射阶段，超级电容和蓄电池会分别提供目标功率，此时变换器为Boost状态；在制动阶段，能量回馈过程中，立即转换成Buck模式，将多余的功率回馈至SC。选用电机功率的计算公式，可以得到能量回馈对超级电容的充电电流为escsc
4082电工技术学报2020年10月图12系统弹射一次的放电仿真结果Fig.12Dischargesimulationresultsofsystemejectiononce图13制动状态下的超级电容电压Fig.13Voltageofsupercapacitorunderbreakingstate对于本文提出的连发型电磁弹射器，如果仅用BAT供电，用单个质量为38kg，12V、100A·h的铅酸蓄电池，则需要29个BAT串联使用，且单个BAT的放电电流达到1760A。而采用本文所设计的混合储能系统，则需17个BAT进行串联，以及3个SC串联使用，单个SC的质量为13.7kg，再加上两个图14超级电容充电过程仿真结果Fig.14Simulationresultsofsupercapacitorcharging变换器的质量为80kg，则总质量为767.1kg，达到了提高功率密度的目的。5结论本文针对连发型电磁弹射器脉冲负载特性，提出了将BAT、SC和DC-DC变换器组成混合储能系统，基于模糊控制将功率分配给BAT与SC，最后对仿真结果进行对比分析，得到如下结论：1）由BAT、SC和DC-DC变换器组成的混合储能系统可以满足连发型电磁弹射系统对高机动性的要求，具备较高功率特性，且能满足连发型电磁弹射系统的需求。2）所设计HESS有效地减少了蓄电池的使用数量，从而提高了功率密度，相比较蓄电池单独供电的储能系统0.51kW/kg的功率密度，此HESS功率密度为0.73kW/kg。3）提出的基于模糊控制的能源管理策略可以实现目标功率在各储能单元之间合理分配，能够有效地减小超级电容的放电电量，减少了弹射时间间隔。相对于单独供电的超级电容组，HESS放电量减少26.35%。在给SC恒流充电阶段，超
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯电动客车复合储能系统功率分配控制策略研究[J]. 周美兰,冯继峰,张宇,杨明亮,吴晓刚. 电工技术学报. 2019(23)
[2]有轨电车车载混合储能系统动态比例分配策略[J]. 王玙,杨中平,林飞,李峰,安星锟. 电工技术学报. 2019(S1)
[3]基于云智能控制器的燃料电池最大功率跟踪策略[J]. 杨德友,崔冬晓,蔡国伟. 电工技术学报. 2018(14)
[4]电磁发射用多级混合储能充电策略优化[J]. 李超,鲁军勇,马伟明,江汉红,龙鑫林. 电工技术学报. 2017(13)
[5]基于逻辑门限的混合动力客车复合电源分析（续1）[J]. 钱超,冯国胜,张小荣. 汽车工程师. 2017(06)
[6]基于Halbach永磁体阵列的无人机电磁弹射器双边型涡流制动[J]. 宋蕾,吴峻,杨宇. 电机与控制应用. 2016(07)
[7]一种电动车用无刷直流电机混合回馈制动控制方法[J]. 宋哲,王友仁,鲁世红,王强. 电工技术学报. 2016(06)
[8]无人机电磁弹射器的综合制动方法[J]. 吴峻,杨宇,赵宏涛,邓志雄. 国防科技大学学报. 2015(05)
[9]飞机电磁弹射系统发展及其关键技术[J]. 李小民,李会来,向红军,李治源. 装甲兵工程学院学报. 2014(04)
[10]蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略[J]. 张纯江,董杰,刘君,贲冰. 电工技术学报. 2014(04)
硕士论文
[1]固定翼无人机电磁弹射器高功率密度驱动与储能技术研究[D]. 黄胜军.国防科技大学 2017
本文编号：3052703
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(19)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
连发型电磁弹射器Fig.1Continuouselectromagneticejectionsystem
第35卷第19期王湘等连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略4079{S、MS、M、MB、B}；Bsoc模糊论域范围为[0,100]，模糊集为{S、M、B}；Ssoc模糊论域范围为[0,100]，模糊集为{S、M、B}；Kbat作为控制器唯一输出量，其模糊论域范围为[0,1]，模糊集为{S、MS、M、MB、B}。为提高模糊控制的灵敏度和精确度，防止在连续弹射期间出现过充/放电的情况，文献[19]建议控制器采用非均匀分布的模糊隶属度函数。图5为输入/输出量的隶属度函数。图5输入量与输出量的隶属度函数Fig.5Membershipfunctionsofinputsandoutputs2.2.2模糊推理当电机处于正常弹射状态时，总结出模糊控制规则见表1。表1模糊控制规则Tab.1FuzzycontrolrulesKbatPreqSMSMMBBBSOC(SSOC=S)SBMBMMMMBBMBMBMBBBMBMBMBSOC(SSOC=M)SBBMBMSMSMBBBMMSBBBMBMMSBSOC(SSOC=B)SBMBMSSMBBMBMMSBBBMBMSMS2.3能量回馈制动若要求弹射台能在设定距离内完成平稳制动，实现软着陆，且最大程度地回收能量，通过回馈制动的手段把动能转为电能，反馈至储能单元。目前主要以新能源汽车领域的旋转电机制动回馈为主[20]。HESS采用的变换器选择互补式PWM脉冲信号调节的控制方式。因此，升降压过程是同时进行的，并无时间先后。在弹射阶段，超级电容和蓄电池会分别提供目标功率，此时变换器为Boost状态；在制动阶段，能量回馈过程中，立即转换成Buck模式，将多余的功率回馈至SC。选用电机功率的计算公式，可以得到能量回馈对超级电容的充电电流为escsc
4082电工技术学报2020年10月图12系统弹射一次的放电仿真结果Fig.12Dischargesimulationresultsofsystemejectiononce图13制动状态下的超级电容电压Fig.13Voltageofsupercapacitorunderbreakingstate对于本文提出的连发型电磁弹射器，如果仅用BAT供电，用单个质量为38kg，12V、100A·h的铅酸蓄电池，则需要29个BAT串联使用，且单个BAT的放电电流达到1760A。而采用本文所设计的混合储能系统，则需17个BAT进行串联，以及3个SC串联使用，单个SC的质量为13.7kg，再加上两个图14超级电容充电过程仿真结果Fig.14Simulationresultsofsupercapacitorcharging变换器的质量为80kg，则总质量为767.1kg，达到了提高功率密度的目的。5结论本文针对连发型电磁弹射器脉冲负载特性，提出了将BAT、SC和DC-DC变换器组成混合储能系统，基于模糊控制将功率分配给BAT与SC，最后对仿真结果进行对比分析，得到如下结论：1）由BAT、SC和DC-DC变换器组成的混合储能系统可以满足连发型电磁弹射系统对高机动性的要求，具备较高功率特性，且能满足连发型电磁弹射系统的需求。2）所设计HESS有效地减少了蓄电池的使用数量，从而提高了功率密度，相比较蓄电池单独供电的储能系统0.51kW/kg的功率密度，此HESS功率密度为0.73kW/kg。3）提出的基于模糊控制的能源管理策略可以实现目标功率在各储能单元之间合理分配，能够有效地减小超级电容的放电电量，减少了弹射时间间隔。相对于单独供电的超级电容组，HESS放电量减少26.35%。在给SC恒流充电阶段，超
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯电动客车复合储能系统功率分配控制策略研究[J]. 周美兰,冯继峰,张宇,杨明亮,吴晓刚. 电工技术学报. 2019(23)
[2]有轨电车车载混合储能系统动态比例分配策略[J]. 王玙,杨中平,林飞,李峰,安星锟. 电工技术学报. 2019(S1)
[3]基于云智能控制器的燃料电池最大功率跟踪策略[J]. 杨德友,崔冬晓,蔡国伟. 电工技术学报. 2018(14)
[4]电磁发射用多级混合储能充电策略优化[J]. 李超,鲁军勇,马伟明,江汉红,龙鑫林. 电工技术学报. 2017(13)
[5]基于逻辑门限的混合动力客车复合电源分析（续1）[J]. 钱超,冯国胜,张小荣. 汽车工程师. 2017(06)
[6]基于Halbach永磁体阵列的无人机电磁弹射器双边型涡流制动[J]. 宋蕾,吴峻,杨宇. 电机与控制应用. 2016(07)
[7]一种电动车用无刷直流电机混合回馈制动控制方法[J]. 宋哲,王友仁,鲁世红,王强. 电工技术学报. 2016(06)
[8]无人机电磁弹射器的综合制动方法[J]. 吴峻,杨宇,赵宏涛,邓志雄. 国防科技大学学报. 2015(05)
[9]飞机电磁弹射系统发展及其关键技术[J]. 李小民,李会来,向红军,李治源. 装甲兵工程学院学报. 2014(04)
[10]蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略[J]. 张纯江,董杰,刘君,贲冰. 电工技术学报. 2014(04)
硕士论文
[1]固定翼无人机电磁弹射器高功率密度驱动与储能技术研究[D]. 黄胜军.国防科技大学 2017
本文编号：3052703
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3052703.html
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