团队介绍吴峻，工学博士，国防科技大学智能科学学院研究员，博士生导师，中国电工技术学会电磁发射专业委员会委员，研究电磁悬浮与电磁弹射技术20年。第一发明人授权电磁弹射有关专利7项，获湖南省科技进步一等奖和北京市科技进步一等奖各1项。发表无人机电磁弹射器方面论文 30 余篇，已开展研发无人机电磁弹射样机系统多套。导语随着无人机作战样式逐渐由“单打独斗”向“集群智能”发展，为了应对固定翼无人机集群作战需求，研究其连发起飞的方式十分必要。电磁弹射起飞具有快速、可控的独特优势，以其为基础，首先开展中小型固定翼无人机连发弹射器的研究，特别是针对机动性高的陆基车载系统。储能系统作为电磁弹射的主要组成，其形式以及组合、充放电策略等直接影响着连发弹射系统的性能及其机动性，是连发型电磁弹射器的研究重点。项目研究背景集群作战的无人机需要快速起飞形成战斗力。目前发射起飞的方法主要有采用多台弹射器同时弹射多架无人机和火箭助推起飞等，这两种方式无法满足隐蔽性和弹射大载荷的固定翼无人机的需求。从发展的趋势来看，电磁弹射具有明显优势，全程可控地弹射起飞，发射间隔短，安全性好。本项目研究主要针对车载无人机连发电磁弹射系统，它是在电磁弹射系统的基础上，融合机库、连发传送和装夹机构的设计，实现短时内连续快速的弹射起飞多数量固定翼无人机的一种系统。论文所解决的问题及意义弹射器要求机动性良好，且弹射时间短，一般为秒级。现有系统的电源主要以蓄电池组或电容器组为主，电源质量体积大，无法满足车载连发型弹射系统的高机动性要求。另外，电源针对无人机快速弹射所需具备快速冲放电能力也无法满足连发的速率要求。论文设计一种高功率密度的储能形式及其冲放电的策略，解决储能可能影响系统机动性的问题，实现一种快速冲放电的能力，支持连发型弹射的工况需求，为提升无人机连发型电磁弹射器工作性能奠定基础。论文方法及创新点论文设计了一种蓄电池、超级电容和双向DC/DC变换器组合的混合储能系统，提出了一种充放电电路拓扑结构及模糊控制的能源管理策略，减少了电池数量，提高了储能系统的功率密度，且能减少超级电容的放电电流，缩短弹射间隔内的充放电时长，可提高连续弹射的速率。1）分析了系统的工况并提出了蓄电池、超级电容混合储能系统及其工作原理：第一阶段，超级电容和蓄电池基于能源管理策略为直线电机供电，此工作过程电磁弹射器工作；第二阶段，蓄电池为超级电容恒流充电，同时反接电源将电机动子拉回至初始位置，此过程在两次弹射之间的间隔时间完成。为达到储能系统对输出功率精准控制的目的，本文设计了三个控制器。控制器1采集蓄电池的放电电流Ibat与放电电压Vbat，检测负载功率的低频分量和能源管理策略，得到功率信号Pb_ref，可计算实际的参考电流；控制器2通过测量负载的实时端电压Vdc和超级电容放电电流Isc，根据目标电压值Vdc_ref来实现负载端电压的稳定；控制器3采集由蓄电池给超级电容的实时充电电流Isc和目标参考电流Iref，从而达到对超级电容恒流充电的目的。图1 混合储能系统控制原理图2）采用模糊控制来分配管理各储能单元的输出功率，将弹射用直线电机的低频功率Pref、蓄电池和超级电容的荷电状态Bsoc和Ssoc进行了模糊化处理，使所需的直线电机功率更合理地分配到蓄电池和超级电容上，从而减小大电流放电对蓄电池的影响，延长其寿命周期。因此，将Pref、Bsoc和Ssoc设置为模糊控制策略的输入量，把BAT功率分配系数Kbat作为模糊控制器的输出量。工作原理如图2所示。图2 混合储能系统工作原理3）仿真及结果。仿真蓄电池与超级电容同时放电、超级电容组恒压放电及电机的回馈制动三种工作方式，仿真采用的超级电容与蓄电池参数见表1。表1 仿真用超级电容与蓄电池参数首先基于模糊控制策略对连发型电磁弹射器的负载需求功率在储能单元间进行功率分配，如图3所示。图3 基于模糊控制的需求功率分配结果再分别对采用单一超级电容组和混合储能系统以及能量回馈制动进行仿真，得到SC端电压和负载端电压曲线，如图4和图5所示：图4 系统弹射一次的放电仿真结果图5 制动状态下的超级电容电压根据仿真结果分析：进行一次弹射后，超级电容的端电压分别减小到153.3V和163.2V，若再给超级电容充电时，需将其电压充至192V。采用电压为204V的蓄电池为超级电容充电，设计以恒电流100A进行充电，充电过程的仿真结果如图6所示：图6 超级电容充电过程仿真结果结论1）由蓄电池、超级电容和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）所设计混合储能系统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，此混合储能系统功率密度为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，混合储能系统放电量减少26.35%。在给超级电容恒流充电阶段，超级电容组充电时间为21.3s，混合储能系统的充电时间为15.6s，弹射间隔时间缩短26.76%。引用本文王湘, 吴峻. 连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略[J]. 电工技术学报, 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.
团队介绍吴峻，工学博士，国防科技大学智能科学学院研究员，博士生导师，中国电工技术学会电磁发射专业委员会委员，研究电磁悬浮与电磁弹射技术20年。第一发明人授权电磁弹射有关专利7项，获湖南省科技进步一等奖和北京市科技进步一等奖各1项。发表无人机电磁弹射器方面论文 30 余篇，已开展研发无人机电磁弹射样机系统多套。
导语随着无人机作战样式逐渐由“单打独斗”向“集群智能”发展，为了应对固定翼无人机集群作战需求，研究其连发起飞的方式十分必要。电磁弹射起飞具有快速、可控的独特优势，以其为基础，首先开展中小型固定翼无人机连发弹射器的研究，特别是针对机动性高的陆基车载系统。储能系统作为电磁弹射的主要组成，其形式以及组合、充放电策略等直接影响着连发弹射系统的性能及其机动性，是连发型电磁弹射器的研究重点。
项目研究背景集群作战的无人机需要快速起飞形成战斗力。目前发射起飞的方法主要有采用多台弹射器同时弹射多架无人机和火箭助推起飞等，这两种方式无法满足隐蔽性和弹射大载荷的固定翼无人机的需求。从发展的趋势来看，电磁弹射具有明显优势，全程可控地弹射起飞，发射间隔短，安全性好。本项目研究主要针对车载无人机连发电磁弹射系统，它是在电磁弹射系统的基础上，融合机库、连发传送和装夹机构的设计，实现短时内连续快速的弹射起飞多数量固定翼无人机的一种系统。
论文所解决的问题及意义弹射器要求机动性良好，且弹射时间短，一般为秒级。现有系统的电源主要以蓄电池组或电容器组为主，电源质量体积大，无法满足车载连发型弹射系统的高机动性要求。另外，电源针对无人机快速弹射所需具备快速冲放电能力也无法满足连发的速率要求。论文设计一种高功率密度的储能形式及其冲放电的策略，解决储能可能影响系统机动性的问题，实现一种快速冲放电的能力，支持连发型弹射的工况需求，为提升无人机连发型电磁弹射器工作性能奠定基础。
论文方法及创新点论文设计了一种蓄电池、超级电容和双向DC/DC变换器组合的混合储能系统，提出了一种充放电电路拓扑结构及模糊控制的能源管理策略，减少了电池数量，提高了储能系统的功率密度，且能减少超级电容的放电电流，缩短弹射间隔内的充放电时长，可提高连续弹射的速率。1）分析了系统的工况并提出了蓄电池、超级电容混合储能系统及其工作原理：第一阶段，超级电容和蓄电池基于能源管理策略为直线电机供电，此工作过程电磁弹射器工作；第二阶段，蓄电池为超级电容恒流充电，同时反接电源将电机动子拉回至初始位置，此过程在两次弹射之间的间隔时间完成。为达到储能系统对输出功率精准控制的目的，本文设计了三个控制器。控制器1采集蓄电池的放电电流Ibat与放电电压Vbat，检测负载功率的低频分量和能源管理策略，得到功率信号Pb_ref，可计算实际的参考电流；控制器2通过测量负载的实时端电压Vdc和超级电容放电电流Isc，根据目标电压值Vdc_ref来实现负载端电压的稳定；控制器3采集由蓄电池给超级电容的实时充电电流Isc和目标参考电流Iref，从而达到对超级电容恒流充电的目的。图1 混合储能系统控制原理图2）采用模糊控制来分配管理各储能单元的输出功率，将弹射用直线电机的低频功率Pref、蓄电池和超级电容的荷电状态Bsoc和Ssoc进行了模糊化处理，使所需的直线电机功率更合理地分配到蓄电池和超级电容上，从而减小大电流放电对蓄电池的影响，延长其寿命周期。因此，将Pref、Bsoc和Ssoc设置为模糊控制策略的输入量，把BAT功率分配系数Kbat作为模糊控制器的输出量。工作原理如图2所示。图2 混合储能系统工作原理3）仿真及结果。仿真蓄电池与超级电容同时放电、超级电容组恒压放电及电机的回馈制动三种工作方式，仿真采用的超级电容与蓄电池参数见表1。表1 仿真用超级电容与蓄电池参数首先基于模糊控制策略对连发型电磁弹射器的负载需求功率在储能单元间进行功率分配，如图3所示。图3 基于模糊控制的需求功率分配结果再分别对采用单一超级电容组和混合储能系统以及能量回馈制动进行仿真，得到SC端电压和负载端电压曲线，如图4和图5所示：图4 系统弹射一次的放电仿真结果图5 制动状态下的超级电容电压根据仿真结果分析：进行一次弹射后，超级电容的端电压分别减小到153.3V和163.2V，若再给超级电容充电时，需将其电压充至192V。采用电压为204V的蓄电池为超级电容充电，设计以恒电流100A进行充电，充电过程的仿真结果如图6所示：图6 超级电容充电过程仿真结果
结论1）由蓄电池、超级电容和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）所设计混合储能系统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，此混合储能系统功率密度为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，混合储能系统放电量减少26.35%。在给超级电容恒流充电阶段，超级电容组充电时间为21.3s，混合储能系统的充电时间为15.6s，弹射间隔时间缩短26.76%。
引用本文王湘, 吴峻. 连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略[J]. 电工技术学报, 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.
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