一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法

本发明属于无人机动力系统热管理领域，更具体地，涉及一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法。

背景技术：

1、小型燃料电池无人机是以燃料电池为主要动力源，以锂电池为辅助电源的混合电动无人机，具有续航时间长、声热噪声低、隐身性能好、启动快、可靠性高、操作维护简单、零排放等优点。可为有效载荷提供抖振条件性能良好的稳定搭载平台，特别适用于执行侦察、监视和巡逻等任务，是国内外中低空战术级长航时电动无人机发展重要方向。

2、考虑到固定翼无人机机舱内，环境狭小闭塞，燃料电池产生的热量容易聚集导致机舱内温度升高，难以给燃料电池系统提供正常的换热环境。在此场景下，做好燃料电池系统热管理和机舱内热管理是维持固定翼无人机动力系统长期稳定工作的必要手段。

3、然而目前大型飞机上由于飞机动力充足、有效载荷大、热负荷高，有提出空气-燃油混合热管理系统，然而这些管理系统在满足高散热能力的要求下均设计的比较复杂。在固定翼小型燃料电池无人机上目前还没有因考虑为燃料电池系统提供正常的换热环境而提出机舱内热管理，且目前大型飞机上的热管理系统难以适用于质量、体积均较小的固定翼小型燃料电池无人机。

4、因此，受限于小型无人机续航时长和隐身性能的功能需要，领域内亟需一种针对燃料电池无人机设计轻量化热量管理方案，以快速排除机舱内废热、为燃料电池提供适宜的工作环境。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，其目的在于为小型固定翼燃料电池无人机动力系统提供适宜的工作温度。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，用于为固定翼小型燃料电池无人机燃料电池热管理提供所需环境温度，包括：

3、获取机舱内多点温度，所述多点的分布位置包括机舱进气道、燃料电池散热风扇出口、燃料电池侧面、燃料电池电堆内部以及机舱排气道；取所述多点温度的平均值作为机舱平均温度；

4、基于所述机舱平均温度与目标温度的偏差，进行pid控制，得到温度控制信号，其中，所述目标温度为燃料电池热管理中所需的环境温度；

5、根据所述温度控制信号，通过控制机舱进气道进气流量，进行机舱内环境温度的调控，重复上述采集和控制过程，使得所述机舱平均温度达到所述目标温度，实现固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理。

6、进一步，所述进行机舱内环境温度的调控，具体为：

7、控制机舱进气道开合程度以改变机舱冲压空气进气流量，实现对机舱温度的控制。

8、本发明还提供一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置，包括：

9、温度测量单元，用于采集机舱内多点温度，所述多点的分布位置包括机舱进气道、燃料电池散热风扇出口、燃料电池侧面、燃料电池电堆内部以及机舱排气道；取所述多点温度的平均值作为机舱平均温度；

10、控制器，用于基于所述机舱平均温度与目标温度的偏差，进行pid控制，得到温度控制信号，其中，所述目标温度为燃料电池热管理中所需的环境温度；

11、温度调控模块，用于根据所述温度控制信号，通过控制机舱进气道进气流量，进行机舱内环境温度的调控。

12、进一步，所述温度调控模块包括舵机、曲柄双滑块机构以及机舱进气道，所述舵机用于根据所述温度控制信号执行相应角度的转动；所述曲柄双滑块机构用于在所述舵机的带动下执行所述机舱进气道进气面积的控制，从而改变进气量。

13、进一步，所述机舱进气道位于机舱前端，并于机舱两侧对称布置，采用渐缩型开口引导来流进入机舱；

14、其中，所述机舱进气道所位于的机舱前端的具体位置是通过作为舱内散热性能评价指标的温度效率进行优化得到，所述温度效率表示为：

15、

16、式中，tout表示机舱排气道温度，tin表示机舱进气道温度，tave表示机舱平均温度。

17、进一步，所述机舱排气道位于固定翼小型燃料电池无人机的尾部端面，所述机舱进气道与所述机舱排气道的轴向距离占机身轴向总长度的77％。

18、本发明还提供一种固定翼小型燃料电池无人机，包括：燃料电池热管理电路，以及如上所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置；

19、所述燃料电池热管理电路用于根据电堆目标温度实现电堆与其所处机舱环境之间的热量交换；

20、所述机舱热管理装置用于以燃料电池热管理中所需的环境温度作为目标温度进行机舱环境的热管理，为固定翼小型燃料电池无人机燃料电池热管理提供所需环境温度。

21、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法。

22、本发明还提供一种电子设备，包括：处理器、收发机，以及如上所述的计算机可读存储介质，其中，

23、所述收发机，用于在所述处理器的控制下收发数据；

24、所述处理器执行所述计算机可读存储介质上的计算机程序时实现如上所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法。

25、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

26、(1)本发明考虑到燃料电池为无人机提供飞行动力，常常将燃料电池布置于机舱内部，这是一个狭小的空间，燃料电池工作过程中有超过40％的能量以热量的形式耗散出来，若不开展机舱温度管理，则机舱内部温度将会快速上升，使得燃料电池热管理系统无法工作，最终损坏电池。由此围绕小型燃料电池无人机，提出了一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，所管理的机舱内部温度是为燃料电池提供适宜的环境温度，从而使燃料电池自身热管理系统获得合适的温差，完成散热功能。其中，采集温度的分布位置包括机舱进气道、燃料电池散热风扇出口、燃料电池侧面、燃料电池电堆内部以及机舱排气道，由于机舱内部采用进气道冲压空气作为散热介质，高速气流进入机舱内部与燃料电池散热风扇排出的气流汇聚，并从机舱尾部的排气道排出，机舱内部流场处于湍流，温度场分布呈现前低后高的态势。因此，传感器的分布既要重点关注燃料电池周围的温度环境，也兼顾机舱内部整体的温度环境，还考虑工程难度和数据量问题，轻量化机舱内部温度采集系统，适用小型燃料电池无人机。

27、(2)本发明采用空气进行机舱降温，由此涉及机舱进气道和排气道的位置设置，本发明提出通过温度效率来评价热管理装置的热管理性能，进而用于评价和选择机舱进气道设置位置。

技术特征：

1.一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，其特征在于，用于为固定翼小型燃料电池无人机燃料电池热管理提供所需环境温度，包括：

2.根据权利要求1所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，其特征在于，所述进行机舱内环境温度的调控，具体为：

3.一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置，其特征在于，所述温度调控模块包括舵机、曲柄双滑块机构以及机舱进气道，所述舵机用于根据所述温度控制信号执行相应角度的转动；所述曲柄双滑块机构用于在所述舵机的带动下执行所述机舱进气道进气面积的控制，从而改变进气量。

5.根据权利要求4所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置，其特征在于，所述机舱进气道位于机舱前端，并于机舱两侧对称布置，采用渐缩型开口引导来流进入机舱；

6.根据权利要求5所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置，其特征在于，所述机舱排气道位于固定翼小型燃料电池无人机的尾部端面，所述机舱进气道与所述机舱排气道的轴向距离占机身轴向总长度的77％。

7.一种固定翼小型燃料电池无人机，其特征在于，包括：燃料电池热管理电路，以及如权利要求3至6任一项所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理装置；

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如权利要求1或2所述的一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、收发机，以及如权利要求8所述的计算机可读存储介质，其中，

技术总结本发明属于无人机动力系统热管理领域，具体涉及一种固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理方法，用于固定翼小型燃料电池无人机燃料电池热管理，包括：获取机舱内多点温度，多点的分布位置包括机舱进气道、燃料电池散热风扇出口、燃料电池侧面、燃料电池电堆内部以及机舱排气道；取多点温度平均值作为机舱平均温度；基于机舱平均温度与目标温度的偏差进行PID控制得到温度控制信号，其中目标温度为燃料电池热管理中所需的环境温度；根据温度控制信号进行机舱内环境温度的调控，重复上述过程，最终使得机舱平均温度达到目标温度，实现固定翼小型燃料电池无人机机舱热管理。本发明能为小型固定翼燃料电池无人机动力系统提供适宜的工作温度。技术研发人员：李曦,向乾,金冰,邓忠华,刘行波受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27