航空航天混合动力（6）航空航天综合能量管理系统

航空航天综合能量管理系统

• 1. 概述
  • 2. 综合能源管理构成
  • • 2.1 发电模块组

  • 2.2 存储电池组件

  • 2.3 分配电网组件

  • 2.4 能量转换组件与控制策略

  • 3.技术路线

  • 4.国内外研究状况

  • • 4.1 国内
    • 4.2 国外

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1.概述

随着航空技术的进步以及未来军事飞机的需求日益增长，在长飞行时间、灵活性、维护便捷性以及隐身性能等方面展现出卓越的能力。然而这也给飞机的热/能量管理带来了诸多难题

传统机载机电系统各具特色地发展较为复杂，在各个领域中往往各自独立运行并开展工作。由于其存在数量过多的问题并且运行效率较低的特点，在整体上导致整机的能量消耗较大，并且难以实现统一的管理。随着时间的发展和技术的进步需求越来越多样化日益增加越来越难以满足外界飞机长航时机动性和可维护性等方面的需要因此亟需开发一种综合化热/能量管理系统并以整机能量管理最佳能量损耗最低为设计原则在保证各机载机电正常工作的前提下将传统相互独立的机载机电系统综合起来并将飞机热/能量进行全面管理

能量管理平台在航空航天领域具有广泛的应用前景,主要包含以下几个方面的应用

提高能源利用效率

提升发电与储能协同效率：凭借太阳电池技术的进步，未来的太空能量管理系统将通过提高能源利用率来实现高效管理。与此同时，在太阳照射区域储存多余的电力，并在黑暗区域使用储存的能源以确保稳定的能源供应。

有效回收与再利用能源：某些飞机及航天器系统在运行中会产生冗余的能量,如制动能与热能等.该系统可通过建立一套完善的能源回收机制,将这些多余的能量捕获并转化为可供再次使用的形态,从而为其他系统提供动力支持,最大限度地避免能源浪费.

支持新型动力系统发展

推动全电池飞机的发展

适配于电动推进航天器

增强系统可靠性与安全性
冗余架构及其容错机制：在未来的能源管理系统中采用更为先进的冗余架构，并整合了多组发电单元、储能模块以及多种能量转换装置，在某些组件发生故障时，系统将能够自动切换至其他正常运行的组件，并确保能源供应的持续性。

实时监控与诊断：通过更先进的传感器和智能算法，在线实现对航空航天设备能源系统的实时精准监测；该系统能够识别潜在的技术问题并及时预警；从而确保设备在出现故障前得到及时有效的维护

为未来的深空探测任务提供能量保障：支持未来深空探测任务时，在漫长的任务行程中需依靠有限能源维持各系统运行。通过引入先进燃料电池、核电池等高效能源存储与转换技术，并结合更为优化的能量管理策略来应对高能耗需求。

保障太空站持续运营：针对那些处于长期在轨状态的航天设施，能量管理系统必须保证其能源系统的稳定性和高效性，并以支持太空站内各系统及设备所需的能源供应。同时还需要协调与其他如生命保障系统及物资补给系统的合作

推动航空航天技术创新

促进能源技术创新：以满足能量管理系统在航空航天领域的需求为基础，在太阳能电池技术方面将不断突破创新极限，在储能电池技术领域持续提升储能效率，在燃料电池技术上致力于打造高功率密度系统的基础上实现多项突破与优化，在这些关键领域中开发具有更高能量密度、更高效率以及更高可靠性水平的新型能源设备

未来的能量管理系统致力于整合人工智能、大数据、物联网等信息技术。该系统旨在通过深度集成这些先进技术手段，在能源管理与决策方面提供智能化解决方案。通过分析与挖掘海量能源数据序列的信息特征及其内在关联性关系, 系统能够自主学习并优化资源分配策略, 最终提升能源使用效率以及系统的整体性能水平。

2.综合能量管理组成

2.1 发电系统

发电机组：发电机组是实现机械能向电能转化的装置，包括燃气涡轮发电机组和太阳能发电组件等多种类型。交流转直流控制器器：该变流器负责将交流电转变为直流电，并为所有直流用电设备提供稳定的电源。DC/DC变换器：该电路器件用于根据系统负载需求调节输出电压。

2.2 储能系统

能量存储装置：例如锂离子电池等，在航天器黑暗环境或特殊工作状态下为它供电。大容量储能装置能够快速充放电以满足瞬时能源需求，并与传统电池系统协同工作以提高供电效率。

2.3 配电系统

配电板：将电能收集并分配至各个配电线路。
配电线束：用于连接配电装置与负载设备的电缆或导线。
断路器：在过电流或短路情况下自动断开电路以保障系统安全运行。
继电器：通过控制信号实现电路通断切换功能。

2.4 能量转换与控制系统

功率控制器的作用在于控制电能的传输与分配，并保证各个系统获得稳定的电能供应；能量管理计算机通过分析飞行任务需求及系统状态等数据信息来制定并优化能源分配方案

监测与诊断系统
监测装置：持续监测发电系统、储能系统以及配电系统的电压、电流和温度参数变化情况。
故障识别系统：通过对其采集的数据进行数据解析过程,能够准确判断系统的运行状态,定位具体故障发生的位置及其类型信息。

3.技术路线

高效能量转换技术：通过优化发电系统的性能来提高发电机的工作效率以及储能设备的能量充放电转化率，并通过优化电能传输与转换过程来提高系统的整体效能；同时通过优化能源传输路径与转换方式来进一步降低能源损耗，并增强系统综合效能。

智能能量管理策略：基于航空航天器的任务需求以及各阶段的能量消耗特点，在综合考虑能源供应与存储能力的基础上，通过运用智能算法与优化模型等手段科学制定合理的能量分配方案与运行调度计划，在实现能源有效利用的同时充分满足任务运行的各项要求

高可靠性与容错设计：采用冗余策略、自主检测能力以及自动恢复机制等多种技术手段，在复杂的空间环境和飞行条件下实现系统的稳定运行并维持其可靠性；即便个别设备发生故障，依然能提供必要的电源支持。

轻型化及小型化设计：在保证系统的性能指标的前提下，通过先进材料及工艺手段实现系统重量及体积的降低，并从而有效降低航空航天器的发射成本及飞行负荷

4.国内外研究状况

4.1 国内

中国航天科技集团旗下的多家研究所和技术企业，在航天综合能量管理系统方面的技术积累与实践经验都非常丰富，并能够为各类航天器提供相应的能量管理解决方案。

南京首航动力系统科技有限公司致力于多个领域的研究与开发，在航空电推进系统、航空电源等相关领域具备研发能力和生产能力，在这些领域尤其突出；涵盖能量管理系统的相关技术领域

4.2 国外

GE Aerospace致力于研发并制造商业及军事用途的飞机发动机，在航空航天电力系统及能量管理方面技术领先。

Eaton集团旗下的航天公司，在航空领域拥有先进的动力管理系统，并已推出未来代用的飞机电气化技术

克瑞航空航天与电子集团致力于为商业航空、国防以及空间应用领域提供一系列专业的电源产品及综合解决方案