6.1.1 状态机能源管理策略
有限状态机（finite-state machine，FSM）简称“状态机”，表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。采用有限状态机进行建模要满足的条件是：事件是离散的，并且事件之后的状态是有限的。状态机能源管理策略是一种经典的基于规则的管理策略，其主要优点是：计算复杂度低，实时应用性强，控制过程不依赖于特定的工况等，工程化应用相对简单。其不足之处在于状态机策略所采用的规则多来源于启发和直觉的感知，是人为制定的规则，因此其管理效果会受限于制定规则的工程经验。
对于采用状态机管理策略的混合能源新能源飞行器，就是混合能源管理系统实时采集飞行器的当前状态，根据预先设计的混合能源系统的有限的工作状态，通过逻辑门限进行管理和控制。
本节针对太阳能／氢能主动拓扑结构的混合能源动力系统，根据各电源输出能力及负载的需求，建立各种电源的有状态机控制模型，给出一种状态机混合能源管理策略流程。其能源状态划分的主要依据为当前需求电动功率（P D）、当前太阳辐照度（Irr）、当前锂电池电量状态（SOC）。其管理的主要目标：根据需求功率情况和当前锂电池电量状态，优先利用太阳能电池，充分利用锂电池，尽可能使燃料电池工作在较高效率点，从而提高燃料经济性。
1.能源状态划分依据
1）锂电池电量状态的划分依据
从锂电池合理健康的使用条件分析，电池的过充过放都会缩短电池的循环使用寿命，甚至对电池造成不可逆的损伤。因此，在进行放电时，需要防止电池电量状态过低，要设置电量下限值作为低电量状态的门限值SOCL。锂电池电量较高时，充电效率较低，不宜充电，更适合放电，所以需要设置高电量状态门限SOCH。处在高门限值与低门限值之间为中等电量状态，可充电、可放电。因此，锂电池的电量通常可分为三种状态，如图6-2所示。锂电池电量状态之间若设置明确的界线值，则极易导致局部状态陷阱问题，即在两种电量状态之间高频切换。造成局部状态陷阱的主要原因是在电量界线值两侧锂电池的充放电规则不一致，使得电池在电量临界点频繁充放电。为避免局部状态陷阱、保证状态间平滑过渡，可在锂电池电量状态临界点加入状态回滞环，解决局部状态反复跳变的问题。例如，在SOC临界值附近增加一段状态回滞区域，在该区域内保持上一电量状态。若进入［SOCL，SOCML］之前的状态为低电量状态，则该区域状态为低电量状态；若前一状态为中等电量状态，则该区域状态为中等电量状态。
图6-2 锂电池电量状态划分
2）燃料电池特征功率的划分依据
根据燃料电池的基本放电特性，可知燃料电池具有额定功率和最大功率，通常认为额定功率为燃料电池的最佳工作状态。然而，在最大功率下，限于燃料扩散速度不足以支持化学反应的需求，电极附近燃料浓度会迅速下降，极板电压被拉至极低，端电压急剧降低，电流急剧增加，电堆温度会迅速升高，这易导致反应生成的水汽化。考虑到燃料电池膜组件使用寿命，不适宜长期维持该状态。
3）太阳能电池特征功率的划分依据
根据太阳能电池的基本放电特性，可知太阳能电池阵列输出存在最大功率点，因此加入MPPT控制器，对太阳能电池阵列的最大功率点进行追踪。当需求功率小于太阳能电池阵列的最大功率时，MPPT控制器控制太阳能电池阵列跟随需求功率输出；当需求功率大于太阳能电池阵列的最大功率时，MPPT控制器控制太阳能电池阵列追踪最大功率点，以其最大功率输出。
2.状态机策略流程设计
接下来，以太阳能／氢能混合动力飞行器为例，给出一种状态机能源管理策略流程，如图6-3所示。在此共设计了6种工作状态，采用三维矩阵表示三种电源的工作状态。其中，矩阵第一位数值表示太阳能阵列的工作状态，“0”表示无输出、“+”表示有功率输出；第二位数值表示锂电池的工作状态，“0”表示电池为开路状态、“+”表示仅放电状态、“-”表示仅充电状态；第三位数值表示燃料电池系统的工作状态，“0”表示燃料电池不工作、“+”表示燃料电池为工作状态。
图6-3 太阳能／氢能混合能源状态机能源管理策略流程
3.策略流程执行过程
首先，测量飞行器电力系统状态，获得需求电动功率P D、当前太阳辐照度Irr、当前锂电池电量状态（SOC）等信息；然后，进行状态判断。
1）当前太阳辐照度无法使太阳能电池正常发电（Irr＜Irr low），如傍晚或夜间
（1）如果锂电池不处于低电量状态，则仅锂电池放电，即［0，+，0］。
（2）如果锂电池处于低电量状态（SOC∈LOW），则燃料电池放电，即［0，0，+］。
2）当前太阳辐照允许太阳能电池正常发电工作（Irr≥Irr low），如晴朗白天
（1）太阳能电池无法满足需求功率（PpvMax＜PD）：
①锂电池不处于低电量状态，此时由太阳能电池和锂电池同时放电，即［+，+，0］。
②锂电池处于低电量状态，此时由太阳能电池和氢燃料电池放电，并为锂电池充电，即［+，-，+］。
（2）太阳能电池能够满足需求功率：
①锂电池处于高电量状态，此时仅由太阳能电池放电，即［+，0，0］。
②锂电池不处于高电量状态，此时由太阳能电池放电，并为锂电池充电，即［+，-，0］。