一种基于PEM燃料电池的新型无人机推进系统性能评价与多目标优化

Mehran Bahari等人介绍了一种适用于无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的新型混合推进系统。该系统采用质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)和单级涡轮增压发动机作为独立的动力源，可以独立或同时工作以提供动力。

图1  系统的结构示意图[1]

通过对混合推进系统进行热力学分析以寻找最佳工作状态，并通过采用NSGA-II算法进行多目标优化，以最大化推力并最小化燃料消耗率，满足长时间持续飞行任务的需求。

表1  遗传优化算法的参数设计[1]

图2 NSGA-II算法进行多目标优化的流程图[1]

结果表明，在进行系统优化后，燃料消耗率和推力分别达到了34.58 (mg/s)和69.56 (N)，同时系统热效率达到了62.41%。

图3 不同权重系数下得到的最优解[1]

此外，通过敏感性分析研究系统对设计参数的偏离响应。结果显示，增加空气压缩机压比可以通过降低燃料消耗率来增加飞行时间，但不会改变推力。

另外，增加电池数量可以增加系统的推力和效率，但会增加燃料消耗率，从而降低飞行时间。因此，在选择系统特性时需要在两个相互矛盾的特性和设计目标之间做出权衡。

最后，关于在不同高度下的系统性能。研究结果显示，随着高度增加，系统总体效率下降，燃料消耗率也会增加。

兼顾动力性和经济性指标，运用排序遗传算法以平衡动力系统提供的推力需求和燃料消耗率需求，可以得到最优的输出功率和飞行速度。

式1 目标函数[1]

其中，空压机压比、燃料电池电堆单电池数量、阴极侧进口温度和阴极侧出口湿度是控制的状态参数。

由于海拔的变化会导致环境温度和压力的变化，会对燃料电池输出和散热产生影响，因此，需要考虑高度对于工作性能的影响，最终得到以下结论：

• 在无人机(UAV)的混合推进系统中，电堆中的单电池数量越多，电堆推力和整体效率就越高，但这会增加无人机重量，增加燃料消耗，从而降低飞行时间。

• 在巡航飞行模式下，空压机压比变化会使得空气的需求量也随之变化。

• 从最佳点出发进一步增加空压机压比会降低燃料消耗，而减少空压机压比则会增加推力。

• 通过增加电堆排气中的蒸汽量，可以提高涡轮的质量流量和发电功率。这可以为压缩机提供部分所需能量，并且有助于提高系统的效率。

• 如果空压机压比超过特定限制，电堆温度的增加可能导致阳极出口的水完全蒸发，无法提供足够的液态水用于冷却。这将导致效率显著降低。

• 系统效率在海拔较高的环境下降低。

• 对于当前建议的动力装置，通过TOPSIS决策方法选择了最佳结果，其对应的推力值为69.56N，燃料消耗率为34.58mg/s，系统效率为62.41%。

【来源标注】

[1] Mehran Bahari , Majid Rostami , Ashkan Entezari ,et al.Performance evaluation and multi-objective optimization of a novel UAV propulsion system based on PEM fuel cell - ScienceDirect[J].  2021.

原文始发于微信公众号（济美动力）：一种基于PEM燃料电池的新型无人机推进系统性能评价与多目标优化