本發明涉及無人機電源，特別涉及一種無人機電源系統及管理方法。

背景技術：

1、隨著無人機技術的飛速發展，其在物流運輸、環境監測等領域的應用日益廣泛。然而，續航能力不足和能量管理效率低下已成為制約無人機性能提升的關鍵瓶頸。傳統無人機大多采用單一鋰電池作為動力源，盡管鋰電池具有較高的能量轉換效率和良好的動態響應特性，但其能量密度有限，難以滿足長航時任務的需求。此外，鋰電池的荷電狀態（soc）在飛行過程中不斷變化，如何高效管理電源輸出功率以滿足無人機的負載需求，同時延長電池壽命，是當前亟待解決的技術難題?，F有技術中公開了一種獨立輸入雙通道-繞組串型雙有源橋電路及其控制方法，其公開號為：cn118381336a。

2、近年來，混合電源系統因其優勢互補的特性逐漸受到關注。該系統通常由氫燃料電池和鋰電池組成，氫燃料電池具有能量密度高、續航時間長的優點，但動態響應速度較慢；鋰電池則具備快速充放電能力和良好的動態響應特性，但能量密度相對較低。將兩者結合，可充分發揮各自優勢，顯著提升無人機的續航能力和能量利用效率。然而，混合電源系統的能量管理方法是實現其高效運行的核心問題。傳統能量管理方法多采用固定比例分配或基于規則的控制方法，這些方法難以適應無人機復雜多變的飛行工況，無法實現能量的最優分配，導致系統效率低下，甚至可能影響無人機的飛行安全。在電源轉換電路方面，傳統的雙有源橋（dab）電路雖然能夠實現能量的雙向傳輸，但在多電源輸入時，其拓撲結構和控制方式存在局限性。例如，傳統dab電路在多電源接入時，能量傳輸效率較低，且無法充分發揮混合電源系統的潛力，導致系統可靠性不足，難以滿足高性能無人機的能量管理需求?，F有無人機電源系統在能量密度、動態響應和能量管理效率方面存在諸多不足，限制了無人機在長航時、復雜任務場景下的應用。因此，亟需一種高效的混合電源能量管理方法，通過先進的控制策略和優化的電路拓撲結構，實現氫燃料電池與鋰電池的動態協同工作，提升能量傳輸效率和系統可靠性，從而顯著提高無人機的續航能力和整體性能。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統及能量管理方法，通過模糊功率控制外環和模糊pi電流控制內環的協同作用，動態分配氫燃料電池和鋰電池的輸出功率，并結合改進的獨立輸入雙通道-繞組串型雙有源橋電路，實現高效能量傳輸與管理，從而顯著提高無人機的續航能力和整體性能。

2、本發明的目的是這樣實現的：一種基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，所述無人機混合電源系統包括氫燃料電池、鋰電池、雙有源橋電路，所述氫燃料電池和鋰電池作為混合電源系統的能量來源；所述雙有源橋電路用于連接氫燃料電池和鋰電池，并將能量傳輸至無人機負載，其特征在于，所述能量管理方法包括模糊功率控制外環和模糊pi電流控制內環，所述模糊功率控制外環根據無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池荷電狀態動態分配功率，所述模糊pi電流控制內環根據模糊分配后的電池功率和電壓比值生成精確驅動信號，驅動雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量傳輸。

3、進一步的，所述模糊功率控制外環的輸入包括無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池soc，輸出為氫燃料電池功率和鋰電池功率；所述模糊pi電流控制內環的輸入包括模糊分配后的電池功率和電壓比值作為參考電流，以及鋰電池電流的偏差和偏差變化率，輸出為調整值，用于產生精確驅動信號，驅動所述獨立輸入雙通道-繞組串型雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量的傳輸。

4、進一步的，所述模糊功率控制外環的步驟如下：

5、a.將無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池soc作為輸入變量，通過模糊化處理將其轉化為模糊集合；

6、b.根據無人機工況和專家經驗建立模糊規則，對輸入變量進行模糊推理，確定氫燃料電池和鋰電池的功率分配比例；

7、c.對模糊推理的結果進行解模糊處理，得到具體的氫燃料電池功率和鋰電池功率。

8、進一步的，所述模糊pi電流控制內環的建立步驟如下：

9、a.?將模糊分配后的電池功率和電壓比值作為參考電流，電池電流與參考電流的偏差和偏差變化率作為輸入變量；

10、b.?通過模糊控制器對輸入變量進行模糊化處理，并結合模糊規則進行模糊推理；

11、c.?根據模糊推理的結果調整pi控制器的參數，生成精確的驅動信號；

12、d.?所述驅動信號用于控制獨立輸入雙通道-繞組串型雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量的傳輸。

13、與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

14、本發明采用氫燃料電池與鋰電池的混合電源系統，充分發揮氫燃料電池高能量密度和鋰電池快速響應的優勢，顯著延長無人機的續航時間，滿足長航時任務需求。

15、本發明采用模糊雙閉環控制策略，根據無人機的負載需求和鋰電池狀態動態分配功率，優化能量利用效率，適應復雜飛行工況。采用改進的雙有源橋電路優化了電源轉換效率，提高了系統的可靠性和穩定性，確保長時間飛行中的能量供應。

16、本發明模糊控制與pi控制相結合，實現快速精確的能量分配與傳輸，提升無人機在不同飛行階段的響應能力和操控性。

技術特征：

1.一種基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，所述無人機混合電源系統包括氫燃料電池、鋰電池、雙有源橋電路，所述氫燃料電池和鋰電池作為混合電源系統的能量來源；所述雙有源橋電路用于連接氫燃料電池和鋰電池，并將能量傳輸至無人機負載，其特征在于，所述能量管理方法包括模糊功率控制外環和模糊pi電流控制內環，所述模糊功率控制外環根據無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池荷電狀態動態分配功率，所述模糊pi電流控制內環根據模糊分配后的電池功率和電壓比值生成精確驅動信號，驅動雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量傳輸。

2.根據權利要求1所述的基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，其特征在于，所述模糊功率控制外環的輸入包括無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池soc，輸出為氫燃料電池功率和鋰電池功率；所述模糊pi電流控制內環的輸入包括模糊分配后的電池功率和電壓比值作為參考電流，以及鋰電池電流的偏差和偏差變化率，輸出為調整值，用于產生精確驅動信號，驅動所述獨立輸入雙通道-繞組串型雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量的傳輸。

3.根據權利要求2所述的基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，其特征在于，所述模糊功率控制外環的步驟如下：

4.根據權利要求3所述的基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，其特征在于，所述模糊pi電流控制內環的建立步驟如下：

技術總結
本發明公開了技術領域內的一種基于模糊雙閉環控制的無人機混合電源系統能量管理方法，無人機混合電源系統包括氫燃料電池、鋰電池、雙有源橋電路，氫燃料電池和鋰電池作為混合電源系統的能量來源；雙有源橋電路用于連接氫燃料電池和鋰電池，并將能量傳輸至無人機負載，能量管理方法包括模糊功率控制外環和模糊PI電流控制內環，模糊功率控制外環根據無人機負載需求功率信號、功率誤差信號以及鋰電池荷電狀態動態分配功率，模糊PI電流控制內環根據模糊分配后的電池功率和電壓比值生成精確驅動信號，驅動雙有源橋電路的開關器件導通，實現能量傳輸，本發明能夠有效解決現有無人機能量管理中存在的續航能力不足和能量利用效率低下的問題。

技術研發人員：李浩兵,張珈晨,李子恒,殷祺儒,丁涵,徐翀昊,張俊杰,和祥,陶釔沅,任立凡,高李陽,杜秋怡,曹松銀,周柳明,方宇
受保護的技術使用者：揚州大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28