图1 连发型电磁弹射器
Fig.1 Continuous electromagnetic ejection system
摘要 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。
关键词：连发型电磁弹射器 混合储能系统 能源管理 蓄电池 超级电容 模糊控制
电磁弹射器由于其全程可控、发射间隔短、发射成本低的优点[1-5]，有望成为解决未来固定翼无人机集群弹射起飞的主要方式。但是弹射器的机动性要求系统的各组成部分具有高功率密度和高能量密度。除去电机，储能系统是另外一个重要组成部分，其质量和体积越小，弹射器的机动性就越好。
连发型电磁弹射器是在原有单架次弹射器的基础上设计的短时内连续将一定数量无人机连续弹射起飞的升级系统，弹射电机为加速-制动-拉回的工作状态[6]，弹射时间一般为s级，弹射间隔可根据要求设定。目前无人机电磁弹射的电源技术主要以蓄电池组或电容器组为主，若直接应用于实现连续弹射，还存在电源体积和质量大、弹射次数有限、机动性差和连续弹射频率低等问题，无法满足连发弹射起飞的要求。为了更好地发挥无人机电磁弹射的优势，提高储能系统的功率密度是解决上述问题的主要研究方向。
单纯采用电容器组作为储能电源的方案，由于其能量密度低，并不适用于连发型电磁弹射器[7]。而将蓄电池、超级电容和DC-DC变换器构成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）能够充分发挥蓄电池、超级电容各自优点的一种高功密度电源方案[8]，目前在电动汽车领域已经比较成熟[9-11]。将各储能元件并联组成电源模块，其功率输出能力得到显著提升[12]。也有将超级电容与蓄电池级联的方式，对每个单元进行独立控制，输出电压互不影响，但对超级电容充电需额外设计充电电路，不能达到系统高机动性的目的[13]。这些方案主要针对行驶的电动汽车速度变化较频繁、功率的需求存在不确定的特点。与电动汽车相比，连发型电磁弹射器的工况具有固定时序的周期性放电、短时间内高能充放和间隔弹射运行的特点，工况特殊，电动汽车的混合储能系统方案无法直接应用，需要进行进一步设计完善。
另一方面，为了优化储能系统的功率密度，针对单架次无人机电磁弹射的需求，文献[14]提出混合储能系统：蓄电池给超级电容单独供电，再由超级电容单独为弹射电机供电。相比于蓄电池单独供电，混合储能系统能够减小蓄电池的放电电流，从而减少蓄电池的串并联数量，提高其功率密度。文献[15]通过优化蓄电池组的能量流动，在保证电池容量的前提下，降低蓄电池数量，从而降低整个电源的体积与质量。以上方案还存在充电时间过长的不足，无法适用于快速的连续多架次弹射的工况，需要进一步解决能量管理的问题。在新能源汽车领域，文献[16]提出一种基于模糊控制的方式快速完成储能单元的能量分配，从根本上降低了各储能单元的放电电流，进而提升电源系统性能；文献[17]在文献[16]的基础上提出了基于逻辑门限控制策略的混合储能系统，实验证明了所提两种策略的合理性，且模糊控制策略的能源分配效果更优。这些研究依然仅针对电动汽车的应用需求而展开，相应的能量管理策略与连发型电磁弹射器的要求并不匹配。
参考电动汽车的混合储能系统方案，结合连发型电磁弹射器工况，本文设计了一种基于模糊控制的能源管理策略的混合储能系统，及其充放电电路拓扑结构和控制策略，利用超级电容对直流母线实现恒压控制。通过仿真对比，得到了所提混合储能系统的优化结果，证明了方法的有效性。
连发型电磁弹射器如图1所示，连发型无人机电磁弹射系统由弹射电机、无人机机库、驱动器和储能模块以及控制系统五个主要部分组成。为避免推力波动过大对无人机造成破坏，无人机以恒加速度方式进行加速。本文主要研究对象为连发型电磁弹射器的储能系统。
图1 连发型电磁弹射器
Fig.1 Continuous electromagnetic ejection system
以协同搜索任务为例，将“不死鸟”无人机作为弹射目标，无人机全重180kg，巡航速度120km/h，弹射一次所需时间为0.48s，弹射完毕后，电机动子和支撑架回到起点，并且重新装载无人机的时间为弹射间隔tp，它可根据弹射指标要求进行设定，此处tp≤20s。图2为连续弹射工况下电源应提供的功率-时间曲线。
图2 电磁弹射器连续弹射输出功率-时间曲线
Fig.2 Output power-time curve of electromagnetic catapult
结合上述对系统工作性能的分析，可以把本储能系统的工作分为两个阶段。
第一阶段：超级电容（SC）和蓄电池（BAT）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，则有
（1）式中，Pref为负载所需功率；Pb_ref为BAT实际输出功率；Psc_ref为SC实际输出功率。电池因为其较差的功率特性，无法满足负载功率的突变。只需设计其提供负载功率的低频分量，就能够有效减小负载突变对蓄电池的影响和降低对电池功率特性的要求。
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。
为实现以上两阶段的功能，首先分别对两个不同的储能介质的容量进行简单分析。
Peukert方程作为最经典的蓄电池模型，表示为
（2）
式中，K为BAT的容量；I为实际放电电流；t为放电时间；n为Peukert常数（铅酸蓄电池一般取1.35）。
超级电容是一种不同于普通化学电源的新型储能元件。它的具体功能就是存储电荷，同时也被称为双层电容器，能够在瞬间提供较大功率，具备容量大、使用周期长、功率密度相对较高以及工作特性好等特点，特别适合脉冲负载，其存储的能量为
（3）
式中，C为SC的容值；U为初始电压。
混合储能系统的控制原理如图3所示。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BAT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SC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BAT给SC的实时充电电流Isc和目标参考电流Iref，从而达到对SC恒流充电的目的。
图3 混合储能系统控制原理图
Fig.3 Control principle diagram of the HESS
BAT具备的能量特性较为突出，能够符合本连发系统对能量的需求。但是受其功率特性的限制，不能随着负载突变而及时释放功率。而SC可在短时间内提供高功率，具备较优的功率特性。因此，在弹射阶段负载功率变化的低频分量（即平滑部分）由BAT提供，负载功率剩余部分（高频负载功率）则由SC负责；弹射完毕后，直线电机可视为发电单元，经过逆变器整流后，使部分能量回馈至SC。这样能有效地减小负载突变对BAT的冲击，同时减小SC的放电量，缩短超级电容的充电时间，从而提高弹射频率。
能源管理策略决定了蓄电池和超级电容协同工作的方式，由于模糊控制在测量不精确的特性动态时具有很强的鲁棒性[18]，因此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、BAT和SC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。基于模糊控制的混合储能系统工作原理如图4所示。
图4 混合储能系统工作原理
Fig.4 Work principle of HESS
2.2.1 输入输出变量
为了实现在满足连发型电磁弹射系统的要求下降低超级电容的放电量，需设计相关的模糊控制器。设电机需求功率Preq的模糊论域为[0,1]，模糊集为{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.5 Membership functions of inputs and outputs
2.2.2 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.1 Fuzzy control rules
KbatPreq SMSMMBB BSOC(SSOC=S)SBMBMMM MBBMBMBM BBBMBMBM BSOC(SSOC=M)SBBMBMSMS MBBBMMS BBBMBMMS BSOC(SSOC=B)SBMBMSS MBBMBMMS BBBMBMSMS
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
（4）
（5）式中，k为回馈制动占总制动的比例系数；p为电机极对数；eA、eB、eC为弹射电机的相反电动势；Fe为电磁推力；usc为超级电容端电压。由式（5）可知，若要控制超级电容的回馈电流，则需得到电机反电动势、电机电流以及SC电压。
因此在回馈制动阶段，若能使负载端电压恒稳可控，则制动能量就会回馈至超级电容，达到控制目的。
蓄电池与超级电容通过双向DC-DC变换器直接与逆变器、弹射电机相连。此方案能够将蓄电池与超级电容充放电功率完全解耦，实现合理控制，其拓扑结构如图6所示。
图6 混合储能系统拓扑结构
Fig.6 The topological structure of HESS
在连续弹射之前，首先应由蓄电池对超级电容充电，为了减小大电流对超级电容和蓄电池使用寿命的影响，采用超级电容恒流充电方式。恒电流闭环控制原理如图7所示。
图7 恒电流闭环控制原理
Fig.7 Principle diagram of current closed-loop control
采用单闭环控制，采集的实际电流作为反馈值与电流参考值进行比较，误差信号通过控制环节送给控制器，并通过运算产生相应PWM信号，传输给驱动电路，最后驱动电路发出能够驱动开关管的信号，从而对双向DC-DC变换器中的电感电流实现稳定控制。使用比例积分控制器即可实现电感电流的稳定。
图7中，Gc(s)为PI控制器传递函数，Gid(s)为电感电流iL对占空比d的传递函数，采样系数为1/K，其中Gc(s)的表达式为
（6）
电流开环传递函数为
（7）式中，“ˆ”表示波动量。
则闭环系统的传递函数为
（8）当超级电容充电完毕后，开始弹射工作。此时蓄电池根据模糊控制器分配的功率指令Pb_ref对直线电机供电，蓄电池放电电流可以通过计算电流参考值从而控制蓄电池放电电流来实现。控制原理如图8所示。
图8 蓄电池双向DC-DC变换器控制原理图
Fig.8 Principle diagram of bidirectional DC-DC converter for battery
图8中，R0为弹射用直线电机的等效负载，Gc_b(s)为PI控制器的传递函数，Gid_b(s)为电感电流iL对占空比d的传递函数，采样比例系数为1/Ke。
电感电流对占空比的开环传递函数为
（9）此控制器闭环系统的传递函数为
（10）
由于储能单元的电压较低，需要对其进行升压以满足逆变器的需求。同时，为了保证混合储能系统与负载之间的电能可双向流动，应对混合储能系统与负载之间的端电压进行恒压控制，以弹射阶段混合储能系统的放电过程为例进行分析。
由于负载端电容的耦合作用，蓄电池与超级电容之间的电流存在扰动，但可利用双闭环控制抑制该扰动。采用外环控制负载端电压稳定、内环控制SC的放电电流的方式，SC与DC-DC变换器控制原理如图9所示。
图9 超级电容双向DC-DC变换器控制原理图
Fig.9 Principle diagram of bidirectional DC-DC converter for super capacitor
图9中，电压外环的PI控制器传递函数为Gcv(s)，电流内环的PI控制器传递函数为Gci(s)，电流和电压采样比例系数分别为1/Ki、1/Kv。
负载端电压vH对占空比d的传递函数为
（11）电感电流iL对占空比d的开环传递函数为
（12）
超级电容放电过程中电压电流双闭环控制框图如图10所示。
图10 双闭环控制框图
Fig.10 Double closed loop control block diagram
闭环系统的传递函数为
（13）采用双闭环控制策略，能够有效提高负载端电压控制增益，并且提高HESS的抗干扰能力；同时由于对负载端电压冗余控制，优化了整个混合储能系统的可靠性。
本节基于Matlab/Simulink软件构建HESS的仿真模型，分别仿真BAT与SC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。通过计算可得直线电机正常工作的额定电流大小为1 760A，电机所需最大功率为561.05kW。因此可设定其工作峰值功率为600kW，电磁弹射器的工作电压为340V，弹射器进行一次弹射的时间为0.48s，弹射一次所需的能量为132 800J，制动一次回馈的能量为11 560J。
仿真采用的SC与BAT参数见表2。
表2 仿真用超级电容与蓄电池参数
Tab.2 Parameters of supercapacitor and battery for simulation
参数超级电容SC蓄电池BAT 额定电容/F165— 额定电压/V6412 额定容量/(A·h)—100 单体个数317
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11所示。
图11 基于模糊控制的需求功率分配结果
Fig.11 The results of demand power distribution based on fuzzy control
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12和图13所示。
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SC充电时，需将其电压充至192V。采用电压为204V的BAT为SC充电，设计以恒电流100A进行充电，充电过程的仿真结果如图14所示。
图12 系统弹射一次的放电仿真结果
Fig.12 Discharge simulation results of system ejection once
图13 制动状态下的超级电容电压
Fig.13 Voltage of super capacitor under breaking state
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1 760A。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。
图14 超级电容充电过程仿真结果
Fig.14 Simulation results of super capacitor charging
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，超级电容组充电时间为21.3s，HESS的充电时间为15.6s，弹射间隔时间缩短26.76%，以上结论证明了所提HESS在连发型电磁弹射系统中的有效性。
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Hybrid Energy Storage System of Continuous-Type Electromagnetic Catapult and Its Energy Management Strategy
Abstract In order to meet the requirement of high maneuverability of UAV's continuous-type electromagnetic catapult, its energy storage system must achieve high energy density and power density. Therefore, a hybrid energy storage system (HESS) composed of battery (BAT), super capacitor (SC), and bi-directional DC-DC converter is designed, a topology of charge discharge circuit and energy management strategy of fuzzy control are proposed, and simulation analysis is carried out. The simulation results show that the proposed scheme can reduce the number of storage batteries effectivelyand increase the power density of the storage system under the same conditions.In addition, the discharge current of ultracapacitor can be reduced, and the charge and discharge time in the continuous ejection interval can be shortened toincrease the ejection rate.the proposed scheme lays the foundation for improving the performance of UAV's continuous-type electromagnetic catapult.
keywords：Continuous-type electromagnetic catapult, hybrid energy storage system, energy management, battery, super capacitor, fuzzy control
中图分类号：TM911; F206
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200287
王 湘 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为电磁弹射。E-mail：wangxiang9601@126.com
吴 峻 男，1973年生，研究员，博士生导师，研究方向为磁悬浮技术、电磁弹射。E-mail：wujun2008@nudt.edu.cn（通信作者）
国家重点研发计划资助项目（2016YFB1200602-40）。
收稿日期 2020-03-23
改稿日期2020-06-18
（编辑 郭丽军）