CN103847970A - 一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，属于无人机混合动力控制技术领域。本发明将太阳能电池、燃料电池和锂电池混合配置在无人机动力系统中，形成混合动力系统。综合考虑各个能源的输出特性、转化效率、使用寿命、当前状态、飞行任务剖面以及电子设备需用功率等因素，对各个能源进行控制，使总输出功率在满足无人机飞行和内部电子设备需求功率的前提下，都能最大地发挥自身优势，从而使整个混合动力系统处于更好的状态，使无人机具有更长的航时和更好的动力性能。

Description

一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，属于无人机混合动力控制技术领域。

背景技术

新能源混合电动无人机是采用新型能源（如太阳能和氢能等）并利用能量转化装置（如太阳能电池和燃料电池等）将其转化为电能提供动力的无人机(UAVs，UnmannedAerialVehicles)。它是一种采用多种非传统化石能源的无人驾驶航空器，可以重复利用。与采用传统化石燃料无人机相比，其采用的原始能源均为绿色能源，对环境无污染，且其都是转换为电能提供动力，具有零排放、低噪声、红外信号不明显、隐蔽性好等优势，同时具有超长航时的潜力，从而更适合执行情报搜集、巡逻监视和远程侦察（ISR，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance）等任务。与传统电动力无人机相比，其能源系统功率密度较高，可利用的电源种类较多，通过充分利用各个电源的优势，其航时明显比传统电动力无人机要高得多。与采用单一新能源的无人机（如太阳能无人机）相比，其避开了结构的极限设计，以及气动弹性较大的问题，从而其应用领域更广泛，可以在对流层内的低空使用。因此，采用多种新能源混合的方式逐渐成为国内外研究的热点，也为未来超长航时无人机的发展提供了方向。

能源控制策略作为混合动力无人机的能源系统的重要部分，直接影响无人机的性能。而功率跟随控制策略根据能源系统的状态和无人机的需求功率情况，来确定各个能源的输出功率情况，并满足总的输出功率等于无人机的需求功率。一般用于无人机的功率跟随控制策略都是针对燃油发动机和电动机的功率分配，而电电混合的功率跟随控制策略也多是太阳能电池、燃料电池和蓄电池之间两种电源混合的情况，这三种电源混合的情况基本都是概念上的设计，更多的考虑到各个电源输出特性，而并没有综合的考虑转化效率、使用寿命以及电源当前工作状态的问题。

现有常用的电池能源有太阳能电池、燃料电池和锂电池，各种电池的输出特性都不相同：

a.太阳能电池确定后其转换效率一般不变，通过采用最大功率点跟踪器

（MPPT）能够保证其输出的功率为其所能提供的最大功率，但其受天气影响较大；

b.燃料电池能量密度很高，但功率密度较小，且响应较慢，不适宜瞬时大功率放电，而能够在一定功率下长时间放电，同时考虑其能量转化效率，当输出功率为最大功率的20%-30%时最高，低于20%（或在其极化压降段），以及放电电流过大（或在其浓差压降段）时，其输出效率都较低，且会缩短其使用寿命；

c.锂电池的能量密度较低而功率密度很高，且响应快，适合功率变化较大，以及瞬时大功率放电的情况，而锂电池反复充放电的次数、过冲、过放以及放电倍率（电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，如1小时放完，放电倍率为1C）过大时都会使其寿命变短。

发明内容

本发明的目的是为新能源混合电动无人机更高效地对其混合动力系统进行控制，解决太阳能电池、燃料电池和蓄电池混合输出的功率分配问题，提出了一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法。

本发明将太阳能电池、燃料电池和锂电池混合配置在无人机动力系统中，形成混合动力系统。根据各个电源的特征及状态对无人机动力系统能量进行合理分配与控制，以使得各个电源在满足需求功率的情况下，都能最大地发挥自身优势，从而使整个混合动力系统处于更好的状态。

基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，其具体技术方案包括如下步骤：

步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统（包括太阳能电池、锂电池和燃料电池）的状态参数，包括：

1.1无人机初始状态：起飞时间、地点（经/纬度）、高度、起飞重量和航向；

1.2能源系统状态参数：太阳能电池可用功率的下限参数P_available、锂电池初始电量状态SOC₀、锂电池允许充电的当前电量上限值SOC_high、锂电池当前电量的下限值SOC_warning、给锂电池充电的时间点T_charge、氢气瓶初始氢气压强P₀、燃料电池可用的氢气压强P_rwarning（也即用于应急降落的氢气量）、燃料电池的额定功率P_Frated、燃料电池的最大功率P_Fmax，以及燃料电池的适宜最小功率P_Fmin。

记录当前步骤数step=1。

步骤2，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=2。实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备的总需求功率信息P_d。

步骤3，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=3。实时监测太阳能电池当前可用的最大输出功率P_arrary，并与可用功率的下限参数P_available进行比较：

3.1P_arrary＜P_available表明太阳能电池不可用，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，更新当前步骤数step=3.1；若此时锂电池可用（即满足4.2或者4.3），执行步骤6；若此时锂电池不可用（即满足4.1），执行步骤7；

3.2P_arrary≥P_available表明太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2，执行步骤5。

步骤4，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=4。根据步骤1的初始电量SOC₀，计算锂电池当前的电量SOC，并与锂电池电量的上限值SOC_high和下限值SOC_warning进行比较。

其中，P_放为锂电池放电功率，P_充为锂电池的充电功率，Q_L为锂电池的容量。

4.1SOC≤SOC_warning，表明锂电池不可用，能由太阳能电池给锂电池充电，系统发出“锂电池不可用”的警报，更新当前步骤数step=4.1；

4.2SOC≥SOC_high，表明锂电池可用，但不能给锂电池充电,更新当前步骤数step=4.2；

4.3SOC_warning＜SOC＜SOC_high，表明锂电池可用，也能同时接受太阳能电池充电,更新当前步骤数step=4.3；

步骤5，记录上一步骤数为step_up，更新当前步骤数step=5。计算太阳能电池剩余功率P：

P＝P_arrary-P_d

5.1P≥0表明太阳能电池可用，能够独自满足无人机的需求且还有剩余，,执行步骤4，若为4.1或者4.3的情况，太阳能电池给锂电池充电，更新当前步骤数step=5.1，则混合动力无人机能源系统控制三种电源按照下面的关系输出：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-P\\ P_F=0\end{array}\right.$

其中，P_S为太阳能电池的实际输出功率，P_L为锂电池的实际输出功率，P_F为燃料电池的实际输出功率；

若为4.2的情况，则将太阳能电池多余的功率P用于无人机爬升，电能转化为重力势能存储，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}>0\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=0\\ P_F=0\end{array}\right.$

其中，θ为无人机的爬升角。

5.2P＜0表明太阳能电池可用，但独自不能满足无人机的需求，执行步骤4，若为4.2或者4.3的情况，更新当前步骤数step=5.2，执行步骤6；若为4.1的情况，执行步骤7；

步骤6，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=6。根据锂电池的使用寿命和起飞爬升时间，确定锂电池的放电倍率n，计算锂电池在n倍率下的放电功率P_{Li_nC}，并监测step_up：

$P_{\mathrm{Li}\_\mathrm{nC}}=\frac{{\mathrm{UQ}}_L}{n}$

其中，U为锂电池的工作电压，Q_L为锂电池的容量。

若step_up=3.1则按照6.2比较P_{Li_nC}与需求功率P_d的关系，若step_up=5.2，则按照6.1将P_{Li_nC}与剩余需求功率|P|进行比较。

6.1P_{Li_nC}＜|P|，表明锂电池以n倍率放电无法满足剩余需求功率,更新当前步骤数step=6.1，执行步骤7；P＞P_{Li_nC}，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-\left|P\right|\\ P_F=0\end{array}\right.$

6.2P_{Li_nC}＜P_d，表明锂电池以n倍率放电无法满足无人机总需求功率，更新当前步骤数step=6.2，执行步骤7；反之，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d\\ P_F=0\end{array}\right.$

步骤7，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=7。同时通过压力传感器读取当前氢气压强P_H2，并与燃料电池可用的氢气压强P_rwarning进行比较：

7.1P_H2＞P_rwarning，表明燃料电池可用，更新当前步骤数step=7.1，监测step_up，若step_up=4.1，执行步骤8；若step_up=3.1，执行步骤9；若step_up=6.2，执行步骤10；若step_up=6.1，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\left|P\right|-P_{\mathrm{Frated}}\\ P_F=P_{\mathrm{Frated}}\end{array}\right.$

其中，P_Frated为燃料电池的额定功率。

7.2P_H2≤P_rwarning，表明燃料电池不可用发出“燃料电池不可用”的警报，同时监测step_up：

7.2.1在step_up=3.1或step_up=4.1时，则此时三种电源同时发出了不可用的警报，无人机已经无法维持继续飞行，进入降落程序，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan (1/K_{\mathrm{descent}})\\ P_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{Landing}}+\mathrm{\ΔP}\\ P_S=0\\ P_L=\mathrm{\ΔP}\\ P_F=P_{\mathrm{Landing}}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=-\arctan (1/K_{\mathrm{descent}})\\ P_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{Landing}}+\mathrm{\ΔP}\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\mathrm{\ΔP}\\ P_F=P_{\mathrm{Landing}}-P_{\mathrm{arrary}}\end{array}\right.$

其中，K_descent是下降段升阻比；P_Landing为按规定程序降落时总的需求功率由燃料电池和太阳能电池提供；ΔP为突发事件瞬时功率波动值，由锂电池提供，一般情况P_L＝ΔP≈0，

为调整后的需求功率。

7.2.2在step_up=6.1时，表明只有太阳能电池和锂电池可用，只能用这两种电源来组合输出满足总的需求功率，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\left|P\right|\\ P_F=0\end{array}\right.$

7.2.3在step_up=6.2时，表明太阳能电池和燃料电池都不可用，只有锂电池可用，只使用锂电池来维持无人机继续飞行，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d\\ P_F=0\end{array}\right.$

步骤8，通过步骤1的起飞时间与无人机飞行时长得到当前时刻T，并与步骤1中设置的锂电池充电时间点T_charge进行比较：

8.1若T≥T_charge，表明为正常该给锂电池充电的时间，以确保锂电池在入夜前存储有一定的电量，用于满足晚上无人机飞行过程的中瞬时大功率需求，更新当前步骤数step=8.1，而后执行步骤9，来判断是否具备充电条件。

8.2若T＜T_charge，更新当前步骤数step=8.2，执行步骤12。

步骤9，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=9，根据步骤1中燃料电池的最大输出功率P_Fmax，比较其与总需求功率P_d的大小，判断仅使用燃料电池能否保证无人机飞行。

9.1P_Fmax≥P_d，表明仅用燃料电池能满足总需求功率，监测step_up的值，在step_up=7.1时，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P\\ P_F=P_d\end{array}\right.$

在step_up=8.1时，则此时太阳能电池仅用来给锂电池充电，燃料电池独自满足总的需求功率，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-P_{\mathrm{arrary}}\\ P_F=P_d\end{array}\right.$

9.2P_Fmax＜P_d，表明仅用燃料电池无法满足总需求功率，发出“需求功率过高”的警报，并监测step_up的值，在step_up=7.1时，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_d^{\mathrm{adjust}}=P_{F\max }\\ P_S=0\\ P_L=0\\ P_F=P_{F\max }\end{array}\right.$

若step_up=8.1，到了正常该给锂电池充电的时刻了，但此时并不用太阳能电池给锂电池充电，而是使用其优先满足无人机飞行，执行步骤12。

步骤10，根据步骤1的燃料电池的最小输出功率P_Fmin和步骤6中的P_{Li_nC}计算(P_{Li_nC}+P_Fmin)，并与无人机总的需求功率进行比较。

若(P_{Li_nC}+P_Fmin)＜P_d，表明锂电池以n倍率放电，与燃料以最小适宜功率放电组合输出时无法满足总的需求功率，执行步骤11；反之，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

步骤11，根据步骤1的燃料电池的最大输出功率P_Fmax和步骤6中的P_{Li_nC}计算(P_{Li_nC}+P_Fmax)，并与无人机总的需求功率进行比较。

若(P_{Li_nC}+P_Fmax)＜P_d，表明锂电池以n倍率放电，与燃料以最大功率放电组合输出时无法满足总的需求功率，此时发出“需求功率过大”的警报，以供无人机调整飞行，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

反之，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

步骤12，根据步骤1燃料电池的最大功率P_Fmax，判断燃料电池能否满足无人机的剩余需求功率|P|，若P_Fmax≥P，表明此时太阳能燃料和燃料电池组合输出能够满足无人机飞行，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=0\\ P_F=\left|P\right|\end{array}\right.$

反之，则发出“需求功率过高”的警报，用以无人机调整飞行，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下，以最大限度接近需求功率飞行：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{arrary}}+P_{F\max }\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=0\\ P_F=P_{F\max }\end{array}\right..$

有益效果

本发明方法主要用于太阳能电池、燃料电池和蓄电池混合作为电动无人机的电源系统。综合考虑各个能源的输出特性、转化效率、使用寿命、当前状态、飞行任务剖面以及电子设备需用功率等因素，对各个能源进行控制，使总输出功率在满足无人机飞行和内部电子设备需求功率的前提下，各个能源扬长避短，协同工作，从而使无人机具有更长的航时和更好的动力性能。

本发明以太阳能电池为首要功率输出源，尽可能减少无人机所携带的有限氢气的消耗，从而尽可能的增大无人机航时。同时本发明可根据需用功率涵盖了所有可能的组合输出情况，最大限度的利用了各种能源，给出的降落条件也使无人机能够达到尽可能长的航时。

附图说明

图1为本发明的基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法流程图；

图2为具体实施方式中混合动力无人机能源系统结构图；

图3为具体实施方式中的典型飞行剖面图；

图4为冬至日光照强度和对应太阳能电池的功率，其中，（a）为冬至日一天内光照强度随时间的变化图，（b）为对应太阳能电池的输出功率图；

图5为6：00起飞时的能源控制策略仿真图，其中，(a)为总的飞行过程的功率分配情况，(b)为太阳能电池的输出功率，(c)为锂电池的输出功率，(d)为燃料电池的输出功率；

图6为11：00起飞时的能源控制策略仿真图，其中，(a)为总的飞行过程的功率分配情况，(b)为太阳能电池的输出功率，(c)为锂电池的输出功率，(d)为燃料电池的输出功率；

图7为15：00起飞时的能源控制策略仿真图，其中，(a)为总的飞行过程的功率分配情况，(b)为太阳能电池的输出功率，(c)为锂电池的输出功率，(d)为燃料电池的输出功率；

图8为19：00起飞时的能源控制策略仿真图，其中，(a)为总的飞行过程的功率分配情况，(b)为太阳能电池的输出功率，(c)为锂电池的输出功率，(d)为燃料电池的输出功率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明的基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法流程如图1所示。发明内容中所述混合动力无人机能源系统的结构如图2所示，燃料电池、太阳能电池和锂电池分别通过可控直流转直流功率转换器（DC/DC）接入动力母线给电子调速器和电机供电，从而带动螺旋浆转动为无人机提供飞行所需推力；同时三种电源的状态信息通过信号总线实时传递给能源管理控制模块，本发明内容所述方法集成在能源管理控制模块中，通过本发明的控制方法分别向可控

DC/DC模块发出控制信号，控制三种电池在不同能源状态下按照指令输出，以达到最佳能效。

无人机的典型飞行剖面如图3所示，分为起飞、爬升、巡航、下降、拉平降落和减速滑跑7个阶段，需求功率随不同阶段的飞行状态变化而变化。下面分别以冬至日的6：00、11：00作为起飞时间进行具体的实例说明，同时还给出了15：00和19：00起飞时的仿真结果。

实施实例1：冬至日6：00起飞

步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统（包括太阳能电池、锂电池和燃料电池）的状态参数。

1.1无人机初始状态：起飞时间冬至早上6：00，地点北纬40度，东经116度，航向正东，按图3的飞行剖面，无人机起飞重量为15kg，由静止开始以3m/s²加速度滑跑至12m/s离地起飞，以4°爬升角匀速爬升至500m高度转入平飞，并加速至15m/s以最大升阻比18持续巡航3小时后无动力滑翔降落。

1.2能源系统参数：太阳能电池可用功率下限参数为P_available=10W，而冬至当天的光强随时间的变化如图4（a）所示，太阳能电池的功率如图4（b）所示。采用的4s锂电池的容量为5.1Ah，放电电压为14.8V，初始电量SOC₀=1，允许充电的最高电量状态为SOC_high=0.8，锂电池可用的最小电量状态为SOC_warning=0.3，取时间步长为Δt＝0.1s,正常充电时间T_charge=13:00，参考放电倍率n=4，因为根据所设计的飞行剖面可知，从起飞爬升到巡航高度大约需要10min，而锂电池以4C放电可以使用15min，从而保证无人机能够正常飞到巡航高度且仍有剩余电量保证其巡航段的短时间加速。燃料电池的额定功率P_Frated=300W，最大功率P_Fmax=360W，最小功率P_Fmin=100W，氢气瓶容积为3L，初始压强为30Mpa，可用氢气的下限P_warning=2bar，氢气消耗率为6L/min。

记录当前的步骤数step=1。

步骤2，step_up=1，更新step=2，实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备总的需求功率P_d(T=0.1s)=15.0W，如图5（a）所示。

步骤3，step_up=2，更新step=3，监测太阳能电池当前可用的最大输出功率如图4（b）所示P_arrary＝0W＜P_available＝10W，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，计算SOC=SOC₀=1，更新step=3.1，锂电池显然可用，继续执行步骤6。

步骤4，step_up=3，更新step=4，

其中SOC₀＝1，∫P_放dt＝0Wh，∫P_充dt＝0Wh，Q_L＝5.1Ah。

SOC＞SOC_warning＝0.3，锂电池可用。

步骤6，step_up=3.1，更新step=6，

$P_{\mathrm{Li}\_4C}=\frac{{\mathrm{UQ}}_L}{n}=\frac{4\×3.7\×5.1}{4}=19.9W>P_d=15.0W$

则该时刻（t=0.1s）混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0W\\ P_L=P_d=15.0W\\ P_F=0W\end{array}\right.$

更新时间T＝T+Δt＝0.2s，返回步骤2。

6：00到10：00的仿真结果如图5所示。

实施实例2：冬至日11：00起飞

步骤1，起飞时间为冬至日11：00，其它初值设置与同（1）中的步骤1；

步骤2，同（1）中的步骤2；

步骤3，step_up=2，更新step=3，监测太阳能电池当前可用的最大输出功率如图4（b）所示P_arrary＝136.6W＞P_available＝10W，太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2，执行步骤5；

步骤5，step_up=3.2，更新step=5，计算太阳能电池的剩余功率P:

P＝P_arrary-P_d＝136.6-15.0＝121.6W＞0

执行步骤4，结果SOC=1>SOC_high为情况4.2，将太阳能电池多余的功率P用于无人机爬升，电能转化为重力势能存储，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}>0\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}=136.6W\\ P_L=0\\ P_F=0\end{array}\right.$

更新时间T＝T+Δt＝0.2s，返回步骤2。

11：00到14：00的仿真结果如图6所示。

实例结论

发明的基于功率跟随的新能源混合动力无人机能源控制方法，其策略流程如图1所示，对整个飞行过程进行能源的控制，其结果如图5-8所示。分别为6：00、11：00、15：00和19：00起飞需求功率和各个电源的输出情况，可见太阳能电池只要可用就会优先被使用，而锂电池承担了功率波动较大的放电情况，其输出功率为负代表其充电过程，燃料电池输出波动不大，且主要用于光强不足的情况。仿真的结果显示，本发明能够很好的利用各电源的特性，根据无人机飞行状态和天气情况，合理对电源进行组合输出，满足当前的飞行需求。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于功率跟随的混合动力无人机能源控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，建立无人机飞行环境模型，设置无人机飞行的初始条件和混合动力无人机能源系统的状态参数，包括：

1.1无人机初始状态：起飞时间、经度、纬度、高度、起飞重量和航向；

1.2能源系统状态参数：太阳能电池可用功率的下限参数P_available、锂电池初始电量状态SOC₀、锂电池允许充电的当前电量上限值SOC_high、锂电池当前电量的下限值SOC_warning、给锂电池充电的时间点T_charge、氢气瓶初始氢气压强P₀、燃料电池可用的氢气压强P_rwarning、燃料电池的额定功率P_Frated、燃料电池的最大功率P_Fmax，以及燃料电池的适宜最小功率P_Fmin；

记录当前步骤数step=1；

步骤2，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=2；实时监测机载计算机给出的无人机飞行剖面和无人机航电设备的总需求功率信息P_d；

步骤3，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=3；实时监测太阳能电池当前可用的最大输出功率P_arrary，并与可用功率的下限参数P_available进行比较：

3.1P_arrary＜P_available表明太阳能电池不可用，系统发出“太阳能电池不可用”的警报，执行步骤4，更新当前步骤数step=3.1；若满足4.2或者4.3，执行步骤6；若满足4.1，执行步骤7；

3.2P_arrary≥P_available表明太阳能电池可用，更新当前步骤step=3.2，执行步骤5；

步骤4，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=4；根据步骤1的初始电量SOC₀，计算锂电池当前的电量SOC，并与锂电池电量的上限值SOC_high和下限值SOC_warning进行比较；

其中，P_放为锂电池放电功率，P_充为锂电池的充电功率，Q_L为锂电池的容量；

4.1SOC≤SOC_warning，表明锂电池不可用，能由太阳能电池给锂电池充电，系统发出“锂电池不可用”的警报，更新当前步骤数step=4.1；

4.2SOC≥SOC_high，表明锂电池可用，但不能给锂电池充电,更新当前步骤数step=4.2；

4.3SOC_warning＜SOC＜SOC_high，表明锂电池可用，也能同时接受太阳能电池充电,更新当前步骤数step=4.3；

步骤5，记录上一步骤数为step_up，更新当前步骤数step=5；计算太阳能电池剩余功率P：

P＝P_arrary-P_d

5.1P≥0表明太阳能电池可用，能够独自满足无人机的需求且还有剩余，,执行步骤4，若为4.1或者4.3的情况，太阳能电池给锂电池充电，更新当前步骤数step=5.1，则混合动力无人机能源系统控制三种电源按照下面的关系输出：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-P\\ P_F=0\end{array}\right.$

其中，P_S为太阳能电池的实际输出功率，P_L为锂电池的实际输出功率，P_F为燃料电池的实际输出功率；

若为4.2的情况，则将太阳能电池多余的功率P用于无人机爬升，电能转化为重力势能存储，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}>0\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=0\\ P_F=0\end{array}\right.$

其中，θ为无人机的爬升角；

5.2P＜0表明太阳能电池可用，但独自不能满足无人机的需求，执行步骤4，若为4.2或者4.3的情况，更新当前步骤数step=5.2，执行步骤6；若为4.1的情况，执行步骤7；

步骤6，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=6；根据锂电池的使用寿命和起飞爬升时间，确定锂电池的放电倍率n，计算锂电池在n倍率下的放电功率P_{Li_nC}，并监测step_up：

$P_{\mathrm{Li}\_\mathrm{nC}}=\frac{{\mathrm{UQ}}_L}{n}$

其中，U为锂电池的工作电压，Q_L为锂电池的容量；

若step_up=3.1则按照6.2比较P_{Li_nC}与需求功率P_d的关系，若step_up=5.2，则按照6.1将P_{Li_nC}与剩余需求功率|P|进行比较；

6.1P_{Li_nC}＜|P|，表明锂电池以n倍率放电无法满足剩余需求功率,更新当前步骤数step=6.1，执行步骤7；P＞P_{Li_nC}，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-\left|P\right|\\ P_F=0\end{array}\right.$

6.2P_{Li_nC}＜P_d，表明锂电池以n倍率放电无法满足无人机总需求功率，更新当前步骤数step=6.2，执行步骤7；反之，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d\\ P_F=0\end{array}\right.$

步骤7，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=7；同时通过压力传感器读取当前氢气压强P_H2，并与燃料电池可用的氢气压强P_rwarning进行比较：

7.1P_H2＞P_rwarning，表明燃料电池可用，更新当前步骤数step=7.1，监测step_up，若step_up=4.1，执行步骤8；若step_up=3.1，执行步骤9；若step_up=6.2，执行步骤10；若step_up=6.1，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\left|P\right|-P_{\mathrm{Frated}}\\ P_F=P_{\mathrm{Frated}}\end{array}\right.$

其中，P_Frated为燃料电池的额定功率；

7.2P_H2≤P_rwarning，表明燃料电池不可用发出“燃料电池不可用”的警报，同时监测step_up：

7.2.1在step_up=3.1或step_up=4.1时，则此时三种电源同时发出了不可用的警报，无人机已经无法维持继续飞行，进入降落程序，则混合动力无人机能源系统控制三种电源输出为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\arctan (1/K_{\mathrm{descent}})\\ P_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{Landing}}+\mathrm{\ΔP}\\ P_S=0\\ P_L=\mathrm{\ΔP}\\ P_F=P_{\mathrm{Landing}}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=-\arctan (1/K_{\mathrm{descent}})\\ P_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{Landing}}+\mathrm{\ΔP}\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\mathrm{\ΔP}\\ P_F=P_{\mathrm{Landing}}-P_{\mathrm{arrary}}\end{array}\right.$

其中，K_descent是下降段升阻比；P_Landing为按规定程序降落时总的需求功率由燃料电池和太阳能电池提供；ΔP为突发事件瞬时功率波动值，由锂电池提供，一般情况P_L＝ΔP≈0，

为调整后的需求功率；

7.2.2在step_up=6.1时，表明只能用太阳能电池和锂电池可用组合输出满足总的需求功率，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=\left|P\right|\\ P_F=0\end{array}\right.$

7.2.3在step_up=6.2时，表明太阳能电池和燃料电池都不可用，只有锂电池可用，则混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d\\ P_F=0\end{array}\right.$

步骤8，通过步骤1的起飞时间与无人机飞行时长得到当前时刻T，并与步骤1中设置的锂电池充电时间点T_charge进行比较：

8.1若T≥T_charge，表明为正常该给锂电池充电的时间，更新当前步骤数step=8.1，而后执行步骤9；

8.2若T＜T_charge，更新当前步骤数step=8.2，执行步骤12；

步骤9，将上一步骤数赋值给step_up，更新当前步骤数step=9，根据步骤1中燃料电池的最大输出功率P_Fmax，比较其与总需求功率P_d的大小，判断仅使用燃料电池能否保证无人机飞行；

9.1P_Fmax≥P_d，表明仅用燃料电池能满足总需求功率，监测step_up的值，在step_up=7.1时，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=0\\ P_F=P_d\end{array}\right.$

在step_up=8.1时，则此时太阳能电池仅用来给锂电池充电，燃料电池独自满足总的需求功率，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-P_{\mathrm{arrary}}\\ P_F=P_d\end{array}\right.$

9.2P_Fmax＜P_d，表明仅用燃料电池无法满足总需求功率，发出“需求功率过高”的警报，并监测step_up的值，在step_up=7.1时，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_d^{\mathrm{adjust}}=P_{F\max }\\ P_S=0\\ P_L=0\\ P_F=P_{F\max }\end{array}\right.$

若step_up=8.1，则为正常该给锂电池充电的时刻，但并不用太阳能电池给锂电池充电，执行步骤12；

步骤10，根据步骤1的燃料电池的最小输出功率P_Fmin和步骤6中的P_{Li_nC}计算(P_{Li_nC}+P_Fmin)，并与无人机总的需求功率进行比较；

若(P_{Li_nC}+P_Fmin)＜P_d，表明锂电池以n倍率放电，与燃料以最小适宜功率放电组合输出时无法满足总的需求功率，执行步骤11；反之，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

步骤11，根据步骤1的燃料电池的最大输出功率P_Fmax和步骤6中的P_{Li_nC}计算(P_{Li_nC}+P_Fmax)，并与无人机总的需求功率进行比较；

若(P_{Li_nC}+P_Fmax)＜P_d，表明锂电池以n倍率放电，与燃料以最大功率放电组合输出时无法满足总的需求功率，此时发出“需求功率过大”的警报，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

反之，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=0\\ P_L=P_d-P_{F\min }\\ P_F=P_{F\min }\end{array}\right.$

步骤12，根据步骤1燃料电池的最大功率P_Fmax，判断燃料电池能否满足无人机的剩余需求功率|P|，若P_Fmax≥P，表明此时太阳能燃料和燃料电池组合输出能够满足无人机飞行，混合动力无人机能源系统控制三种电源输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=-0\\ P_F=\left|P\right|\end{array}\right.$

反之，则发出“需求功率过高”的警报，混合动力无人机能源系统控制三种电源的输出如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_d^{\mathrm{adjust}}=P_{\mathrm{arrary}}+P_{F\max }\\ P_S=P_{\mathrm{arrary}}\\ P_L=0\\ P_F=P_{F\max }\end{array}\right..$

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