采用预测性能源管理策略的兆瓦级并行混合动力区域飞机的性能分析

《Green Energy and Intelligent Transportation》：Performance Analysis of MW-Class Parallel Hybrid-Electric Regional Aircraft Using Predictive Energy Management Strategy

混合电力推进系统（HEPS）在区域航空中的应用研究：提出基于模型预测控制（MPC）的集成控制框架，优化电力分配与燃油效率，模拟显示燃油消耗降低9.6%，CO2排放减少5.39%，NOx减少8.69%。电池能量密度、内阻和电压是关键参数，分析表明800 Wh/kg电池可使燃油效率提升21.5%。

　　随着全球对可持续发展和低碳技术的持续关注，航空领域正逐步迈向更加环保和高效的能源利用模式。本文聚焦于区域飞机的并行混合电推进系统（HEPS），提出了一种全面的分析框架，融合了基于物理的组件建模、集成控制与预测能量管理策略，以实现对能源分配与燃料消耗的优化。研究指出，HEPS在区域航空领域展现出显著的潜力，不仅能够有效降低燃料消耗和排放，还能提升飞行性能与经济性。同时，也揭示了当前技术条件下，电池性能的提升对HEPS整体表现具有决定性作用。

### 区域航空的可持续发展路径

为了实现航空业的可持续发展，国际航空运输协会（IATA）提出了到2050年将航空碳排放减少50%的目标，而国际民用航空组织（ICAO）则通过《国际航空碳抵消与减排计划》（CORSIA）来推动减排工作。此外，各国也在制定相关标准，例如美国国家航空航天局（NASA）的N+3项目、欧盟的“飞行路径2050”计划，以及中国发布的《绿色航空制造产业创新发展纲要》。这些举措共同推动了航空业向电气化、混合电推进系统以及可持续能源方向发展。

电气化作为实现航空可持续性的主要途径之一，涵盖了更多电气化（More Electric Aircraft, MEA）、混合电推进系统（HEPS）以及全电推进系统（All Electric Propulsion, AEP）。然而，当前电池的能量密度仍限制了全电飞机的应用，尤其是在长航程和高负载条件下。相比之下，HEPS作为一种折中方案，能够结合传统燃料动力与电动技术，提供比全电系统高3倍以上的能量密度，使其在技术可行性方面更具优势。因此，HEPS被视为区域航空领域中最具潜力的解决方案。

### 并行混合电推进系统的特点

并行HEPS的主要特征在于其结构设计，即通过一个公共齿轮箱将燃气涡轮发动机和电动机机械集成，共同驱动螺旋桨。这种配置允许发动机和电动机在不同飞行阶段共同提供动力，从而实现更高效的能源利用。相比之下，串联HEPS虽然在某些情况下可以实现更高的推进效率，但会增加起飞重量，进而影响飞行性能。因此，在当前技术条件下，并行HEPS因其更高的适应性和更低的重量负担，成为更优的选择。

为了更好地评估并行HEPS的性能，本文对区域飞机的飞行任务剖面进行了深入分析。研究指出，区域飞机飞行任务中，约90%的飞行距离小于400海里，这一特性对电池重量提出了较高的要求。由于电池的能量密度较低，因此在任务中需要额外的能源储备以确保飞行安全。同时，电池充电和电网供电对整体排放的影响也需要考虑，特别是在电池充电过程中，电网供电的碳排放因子为0.42 kg/kW·h。

### 组件建模与控制策略

本文采用基于物理的组件建模方法，对燃气涡轮发动机、电动机、电池以及螺旋桨等关键部件进行了详细分析。其中，燃气涡轮发动机采用三轴涡轮结构，包括高压涡轮（HPT）、低压涡轮（LPT）和动力涡轮（PT），以确保在不同飞行阶段都能维持高效运行。电动机模型则基于Siemens AMEsim软件中的方法，建立了包含电机、逆变器、传感器和控制单元的准静态模型，以反映电动机在不同工作模式下的行为特征。

在控制策略方面，本文提出了一种分层控制方法，将飞机动态控制、发动机燃油流量调节和电动机扭矩控制相结合。该方法能够根据飞行阶段的需要，动态调整发动机和电动机的输出功率，以实现更优的能量分配。同时，基于模型预测控制（MPC）的能源管理策略被引入，以优化燃料和电力的使用，降低整体能耗。MPC通过在每个采样时刻进行滚动优化，确保计算的准确性与实时性，同时兼顾系统复杂性。

### 电池性能对系统的影响

电池作为HEPS的重要组成部分，其性能直接影响系统的整体表现。本文指出，电池的能量密度、内阻和电压是影响电动推进性能的关键参数。在当前技术水平下，电池能量密度约为400 Wh/kg，而随着技术进步，预计到2030年可以达到600 Wh/kg或更高。研究表明，提高电池能量密度可以显著提升电动推进系统的输出功率，从而降低发动机的负荷，提高整体燃油效率。

电池内阻的降低同样对系统性能具有重要影响。内阻越低，电池在能量转换过程中产生的损耗越少，从而提升整体系统效率。此外，电池电压的提升有助于减少电流损耗，提高功率输出。然而，这些参数的改进对燃油消耗的提升幅度有限，因此需要综合考虑多个因素，以实现最佳的性能优化。

### 飞行任务剖面的模拟结果

通过对典型飞行任务剖面的模拟，研究发现并行HEPS在燃料消耗和排放方面具有显著优势。具体而言，在巡航阶段，HEPS相比传统飞机可减少9.6%的燃料消耗。考虑到电网充电带来的额外排放，总CO?排放量可降低5.39%，NO?排放量则减少8.69%。这些结果表明，HEPS在减少碳排放和提高能源利用效率方面具有显著潜力。

此外，研究还发现，HEPS在能量特定航程（Energy Specific Air Range, ESAR）和能量成本方面也有明显提升。ESAR在巡航阶段提高了6.3%，而在整个任务中平均提升了7.46%。能量成本则减少了5.99%，显示出HEPS在提升经济性方面的优势。然而，这种性能提升是以增加起飞重量为代价的，因此需要在设计阶段充分考虑这一因素。

### 系统优化与参数分析

为了进一步优化HEPS的性能，本文还对关键参数进行了深入分析。电池能量密度的提升显著影响系统的功率分配和燃料消耗。在能量密度为800 Wh/kg的情况下，电动推进系统在整个飞行阶段的功率输出比能量密度为400 Wh/kg的系统提高了近10%。同时，电池的内阻和电压水平也对系统性能产生重要影响，低内阻和高电压有助于提升电动推进系统的效率，从而减少对发动机的依赖。

在飞行任务剖面中，HEPS的功率分配表现出显著的动态特性。在起飞和爬升阶段，发动机和电动机共同提供动力，而在下降阶段，由于功率需求降低，电动机承担主要任务，发动机则可以关闭。这种动态的功率分配机制不仅提高了能源利用效率，还增强了系统的灵活性和可靠性。

### 未来展望与技术挑战

尽管HEPS在区域航空领域展现出良好的应用前景，但其实际推广仍面临一定的技术挑战。首先，电池技术的进步是关键，特别是能量密度、内阻和电压的提升，能够显著改善电动推进系统的性能。其次，系统集成和控制策略的优化对于提高HEPS的运行效率至关重要。当前的MPC策略虽然在计算效率和实时性方面表现出色，但仍需进一步改进，以适应更复杂的飞行任务需求。

此外，系统工程建模和仿真方法为HEPS的性能评估提供了重要支持。通过建立详细的系统模型，可以更准确地预测HEPS在不同飞行阶段的表现，为设计和优化提供理论依据。同时，本文还强调了对不同飞行任务的适应性，指出HEPS可以适用于多种类型的区域飞机，只要具备相应的基础参数和任务剖面信息。

### 结论与应用前景

综上所述，本文提出的基于MPC的HEPS框架为区域航空的可持续发展提供了重要的理论支持和实践指导。研究表明，HEPS能够在燃料消耗、排放和能量效率等方面取得显著提升，特别是在当前电池技术发展的背景下。尽管起飞重量有所增加，但通过合理的系统设计和优化，这一缺点可以被有效缓解。

未来，随着电池技术的不断进步，HEPS的性能将进一步提升，使其在更广泛的航空应用中具有更大的潜力。同时，控制策略和系统建模方法的持续优化，将有助于提高HEPS的适应性和运行效率。因此，HEPS不仅有望在区域飞机中实现广泛应用，还可能成为未来航空业向绿色转型的重要支撑技术。