立项背景

针对日趋严重的能源紧缺与环境污染问题，利用具备高功率密度、清洁环保等优势的燃料电池产生电能成为一种必然选择。随着多/全电飞机的发展，将燃料电池系统应用于高空无人机得到了国内外的广泛关注。然而，由于高空环境的复杂性，如温度、氧气浓度、气压等参数多变；以及飞行工况的多样性，如无人机的起飞、爬升、扰流和机动飞行等。以上不确定因素均给提高无人机燃料电池系统的寿命和可靠性带来严峻挑战。

为解决上述问题，通常从燃料电池系统的三个重要组成部分出发，即燃料电池本体、阴极供气系统以及电能控制部分。对于燃料电池模型而言，通常为仅包括电化学域的经验模型，该模型较为简单，难以据此分析模型内部参数对燃料电池性能变化；对于阴极供气系统而言，高度和负载的变化导致电机电磁参数和空压机气动特性的波动，进而使得燃料电池阴极气压和氧气浓度的平稳控制更加复杂；对于燃料电池系统电能控制而言，燃料电池的输出电压会随着氧气浓度和后级负载的变化而变化，与地面燃料电池相比，其变化更为剧烈，这导致维持母线电压的平稳更为困难，为控制策略的设计带来了更大的挑战。

本项目围绕上述三个方面开展了相关研究，旨在建立一种更能反映燃料电池特性的燃料电池多物理域动态机理模型，提出一种阴极供气系统控制方法以及构建一种燃料电池系统电能优化控制策略。本项目的顺利开展为提高燃料电池在航空运行条件下的寿命和可靠性提供了理论依据和技术支持，对高空长航时无人机的推广应用具有重要的促进作用。

内容简介

该项目属于新能源多/全电无人机技术领域。随着多/全电飞机的发展，具备高功率密度、零排放等优势的燃料电池系统成为了多/全电无人机的核心动力。考虑到高空复杂环境及多变飞行工况，长航时已成为燃料电池无人机发展的紧迫需求。该项目围绕延长燃料电池使用寿命、提高高空环境下系统性能，对燃料电池机理模型、阴极供气系统以及电能优化控制三方面开展了深入的研究。自2009年建立该研究方向起，在国家自然基金、省部级项目等支持下，历经9年研究，取得如下发现：

（1）建立了燃料电池的多物理域动态机理模型。构建了基于电化学域、流体力学域和热力学域的燃料电池多场物理动态模型，并基于多参数敏感性分析方法揭示了模型内部参数对燃料电池性能变化的敏感度，为模型的优化提供了理论依据。所建立的燃料电池模型得到了中国科学院院士欧阳明高教授的高度认可，同时也被许多其他国际知名学者借鉴和引用。

（2）设计了变高度下燃料电池阴极供气系统平稳控制器。给出了空压机在不同高度下的工作特性曲线，基于该特性，采用多目标复杂约束的高维优化设计方法，设计了燃料电池宽工况大流量离心/涡旋混合式供气系统，解决了气压和流量高精度控制的技术难题，提出了燃料电池空压机气压和流量高精度控制方法，保证了阴极气压和氧气浓度的平稳，提高了燃料电池的可靠性。国际著名燃料电池系统控制专家、IET Fellow Adel Akbarimajd教授指出首次提出该控制方法以解决燃料电池阴极气压余氧气浓度的平稳控制。

（3）提出了变工况下燃料电池系统电能优化控制策略。针对高空复杂环境和多时间尺度负载的问题，基于TS模糊模型与李雅普诺夫稳定性理论提出了多时间尺度负载级联系统稳定性分析方法；为实现母线电压稳定，基于高阶滑模控制理论为变换器设计了鲁棒控制策略，实现了燃料电池无人机在复杂工况下功率输送的可靠性。IET Power Electronics主编Volker Pickert教授在国际著名期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics文章中评价所创建的电能优化控制策略在满足电能质量标准的要求下提高了无人机的效率和可靠性，研究成果具有相当卓越的理论价值和工程实用性。

该项目成果中的15篇代表性论文均发表在本领域顶级SCI期刊，总影响因子达66.547，被Web of Science核心合集总引235次，他引151次，2篇代表作为ESI高被引论文；主要成果被国内外院士、IEEE/IET Fellow、SCI期刊主编和副主编等一批国际知名学者先后引用并给与正面评价，肯定了在长航时无人机燃料电池系统的推广与应用方面的研究工作；结合主要研究成果，由人民邮电出版社发行工业信息化部"十二五"规划教材1部；获国家授权发明专利5项；自2017年连续三年组织了"新能源与混合动力国际前沿论坛"，获得热烈反响；研究成果获得了第二十一界中国国际工业博览会优秀展品奖。