混合动力电力推进系统的能量管理最新进展和飞行汽车的视角

综合总结三维交通网络下车辆和飞机HEPS的能量管理策略(EMS)，旨在为混合电力推进系统(HEPS)驱动的飞行汽车能量管理策略(EMS)的研究提供指导。绿色能源与智能交通杂志。

多年来，全球对化石燃料的依赖极大地加剧了能源短缺和污染物排放。全球范围内正在不断加大力度寻求实现能源高效利用和净零排放的技术。汽车和航空工业的电气化被公认为实现上述目标的有效途径之一。

许多车辆和飞机制造商采用了新的推进技术，包括混合动力电力推进系统(HEPS)和纯电力推进系统。在电池技术成熟之前，HEPS结合了两种不同能源的优点，是有效的替代推进系统。

为了实现HEPS的上述性能，能源管理起着至关重要的作用。作为三维交通网络的重要组成部分，混合动力电动汽车(HEV)和混合动力电动飞机的能量管理策略(EMS)的研究现状已经得到了广泛的研究。

最近，城市空中交通(UAM)场景激发了全球许多有远见的人的想象力。飞行汽车的引入进一步丰富了三维交通网络的构成。同样，EMS在维持HEPS驱动的飞行汽车的高效运行方面也发挥着关键作用。目前飞行汽车EMS的研究仍处于起步阶段。

本文对HEV和混合动力电动飞机的EMS进行了深入回顾。首先，针对当前混合动力汽车EMS面临的主要挑战，分别根据实时实施问题、可变驾驶条件适应性问题和多目标优化问题所面临的解决方案对参考研究进行了回顾。

其次，根据混合动力电动推进架构，总结了现有的混合动力飞机EMS研究。本文的最后部分阐述了飞行汽车的发展现状及其未来前景。本文通过对车辆和飞机的HEPS的EMS进行全面总结，旨在为HEPS驱动的飞行汽车EMS的研究提供指导，并为相关研究人员的知识转移奠定基础。

HEV能量管理的具体流程如下：

首先，利用车辆传感器、智能交通系统(ITS)或车联网技术来获取驾驶状况的历史数据、驾驶行为信息、多车辆信息和实时交通信息。

其次，根据上述获得的历史或实时信息，利用马尔可夫链(MC)、神经网络(NN)等预测方法，预测有限视野内的车辆速度、加速度、需求功率等车辆状态信息。)，以及指数递减模型。

第三，根据预测的需求功率，通过优化算法求解目标函数，以获得预测范围内满足组件约束的最优控制序列。一般会考虑多种优化指标，如部件寿命、安全性、舒适性等。

最后，将最优控制序列应用于车辆控制器，然后更新行驶条件信息以重新预测有限视野内的车辆状态。

为了实现EMS在现实世界中的应用，研究人员广泛讨论了三个关键问题。

EMS的实时实施问题。EMS的实时性能是其在现实世界中应用的基础。

多变的驾驶条件适应性问题。现实世界中的驾驶条件是复杂多变的。EMS有望在现实世界中表现良好。因此，有必要确保所提出的EMS对于不同的驾驶条件是有效的。

多目标优化问题，例如安全性、舒适性、驾驶性能和部件寿命。多目标优化可以综合考虑车辆性能，得到不同优化指标之间的最优折衷控制方案。

由于HEPS和纯电动推进系统在地面车辆上的成功应用，近年来HEPS在无人机和通用航空飞机上也得到了发展。HEPS包括两个供能系统，更适合执行远程或高机动性任务的飞机。

对于飞机来说，起飞、巡航、着陆等不同模式的功率需求存在显着差异，需要开发合理的EMS来满足不同模式的功率需求。有趣的一点是，燃料电池HEPS占现有飞机HEPS研究的很大一部分。

为了满足密集城市化环境下的交通需求，正在开发立体交通网络。飞行汽车作为构建立体交通网络、实现城市空中交通场景的重要手段，对研究人员和企业具有巨大的吸引力。目前飞行汽车EMS的研究仍处于起步阶段，有两个因素使其变得更加复杂。

一方面，飞行汽车的行驶工况高度复杂，包括多种操作模式，如地面行驶模式下的怠速、前进、制动，飞行中的爬升、巡航、悬停、垂直起降等模式。在这些不同的驾驶条件下，能量需求特征显着不同。

能源需求的预测准确性变得更加关键。另一方面，飞行汽车推进系统的架构决定了其能量流分布的复杂性。在飞行汽车HEPS中，上述不同运行模式下的电力需求均由同一电池组和发动机发电机组提供。动力分配不当会降低燃油经济性并缩短飞行里程。

通过对现有混合动力汽车和混合动力飞机EMS研究的总结和分析以及飞行汽车研究现状的讨论，以下考虑将有利于飞行汽车EMS研究：

飞行汽车的功率需求在飞行阶段和地面驾驶阶段之间变化很大，但在飞行阶段变化很小。需求电力的预测对于制定高效的EMS至关重要。

相同的电池组和发动机发电机组满足飞行汽车不同运行模式下的电力需求。功率匹配对于燃油经济性和飞行里程至关重要。

飞行故障应急保障机制最好纳入飞行汽车EMS的制定中。

飞行汽车通常由涡轮轴发动机驱动，其转子采用恒速。必须考虑涡轮轴发动机的特性。

将电池温度和电机温度纳入优化指标，以提高飞行汽车的安全性。

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