燃料电池旋翼无人机的研究进展
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摘 要：旋翼无人机在各行业的应用十分广泛，电动旋翼无人机有着飞行性能稳定、维护简便、无排放等优势，已逐渐成为无人机行业的研究与发展重点。在旋翼无人机上应用燃料电池有利于提高其飞行性能与续航时间。本文介绍了无人机与燃料电池的相关概念，分析了国内外对燃料电池应用在旋翼无人机上的研究进展，最后对燃料电池旋翼无人机的发展提出了展望。
关键词：燃料电池;旋翼无人机;电池技术;研究进展
中图分类号：S22 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430022
引言
无人机（Unmanned Aerial Vehicle或Drone），又称无人航空载具，是一种无搭载人员的载具。通常使用遥控、导引或自动驾驶来控制。可在科学研究、场地探勘、农业、军事、娱乐等用途上使用。近年来，随着航空技术的不断发展，旋翼无人机的发展得到了高度重视。与固定翼无人机相比，旋翼无人机具有体积小、重量轻、维护简单、起降场地要求低等优势，其具有良好的操纵灵活性与快速部署能力，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分广阔的应用前景。当前，无人机在电力巡检、农业、航空拍摄、环境勘察、证据采集、军事等领域有着广泛应用[1]。作为无人机组成部分的重要核心，无人机动力系统决定着无人机的机动性、续航时间等重要性能参数，在实际应用中，要求无人机的动力系统需要具备良好的可靠性、体积尽可能更小、成本更低、储存性能良好。因此，目前的无人机更加倾向于使用电力驱动[2-5]。
燃料电池是一种使用氧化剂进行氧化还原反应的发电装置，其将燃料中的化学能转化为电能，常用的燃料是氢，其它可以分解出氢气的碳氢化合物也可以作为燃料，如天然气、甲烷和乙醇等。燃料电池与普通电池的不同之处在于，其是通过稳定地供应氧化剂和燃料源来提供稳定的氧气和燃料供应，直到燃料耗尽为止都可以提供持续稳定的电能输出。燃料电池在工作时会产生水和热量。当使用某些燃料时，可能会产生少量的二氧化碳和其它物质。综上所述，燃料电池是一种绿色能源，比普通電池和火力发电厂的污染小[6]。
目前，旋翼无人机的电源主要为锂离子电池，不能很好满足旋翼无人机在实际作业中对于续航时间的要求[7]。由于燃料电池具有能量密度高、输出性能好、环保效益好等优点，近年来逐步得到关注[8]，但是，燃料电池的动态响应能力较弱，成本与寿命也未能很好地满足需求。因此，目前旋翼无人机电源系统的研究方向主要是提高电池能量密度、探索新型电池形式、发展动力混合系统[9]。
1 研究进展情况
1.1 国外研究进展
2015年，加拿大的EnergyOr公司将燃料电池作为电动四旋翼无人机的动力源，研制出了H2Quad燃料电池无人机，其采用自行研制的EPOD燃料电池，可以携带1kg的有效载荷飞行超过2h，飞行距离可达80km。
2017年，FlightWave航空航天系统公司研制出了Jupiter-H2型燃料电池旋翼无人机，其使用了1个窄型的70cm机身，机身上载有1个3L的氢气罐为连续飞行提供燃料，飞机可提起近1.36kg的有效载荷，在此条件下飞行续航时间可达2h。
2019年，韩国MetaVista公司联合英国燃料电池工程公司Intelligent Energy研制出了一台四旋翼燃料电池无人机，实现了12h 7min 5s的飞行时间，打破了多旋翼无人机飞行时间世界记录。该四旋翼无人机使用6L超轻型液态氢储罐和Intelligent Energy的800W轻型燃料电池动力模块为无人机提供动力。
1.2 国内研究进展
2012年12月，同济大学航空航天与力学学院和上海奥科赛飞机公司共同研制完成了我国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”，并成功试飞[10] 。其续航时间为2h，电源为一个输出功率1000W的质子交换膜燃料电池，有效载荷1kg。这是国内首次将燃料电池运用到无人机上。
2016年，科比特航空公司研发出了多旋翼垂直起降无人机HYDrone-1800。这是当时国内首款商品化量产的燃料电池多轴旋翼无人机，其采用6轴设计，轴距约1.8m，最大载重25kg，续航时间可达2.5～4h，最大飞行半径100km。由于采用氢燃料电池，其具有较高的安全性能，同时，该燃料电池的能量密度是同容量锂电池的3～5倍。
张晓辉等设计了一套燃料电池旋翼无人机的动力系统并进行了相关测试，其设计了3套结构方案，分别为纯燃料电池、燃料电池与蓄电池的主动/被动混合动力系统。试验结果表明，纯燃料电池动力方案适用于小型旋翼无人机，燃蓄被动混合方案可满足中大型旋翼无人机大机动飞行[11]。
王海瑞等研究了太阳能/甲醇燃料电池混合动力在无人机上的应用，将太阳能电池与甲醇燃料电池互相结合，实现续航时间增长、噪音降低、环保性能提高等目标[12]。
胡中华等探讨了超级电容在无人机电气系统的应用可能性[13]。超级电容能够以超快的速度和极高的效率完成充放电，并且可以提供主电源无法提供的快速脉冲功率。由于旋翼无人机在启动瞬间电源系统中的功率冲击较大，如果按照此时的瞬时最高功率来确定电机的额定功率，会增加整机的体积与重量。在无人机电源系统中加入超级电容，可以弥补发电机输出功率性能的缺点，当瞬时功率不足时，由超级电容提供额外的功率;当功率富余时，电机可以反向向超级电容充电。该技术可以与燃料电池技术结合起来，使飞行器具备更好的动力性能。
程欣等设计了一种氢锂混合能源倾转旋翼无人机[14]。其采用四旋翼设计，4个旋翼均可倾转，达到四旋翼模式与固定翼模式的变换，适应不同的实际需求。混合双电源系统由氢气罐、氢气反应堆、锂电池与相关电路组成。由于氢燃料电池的重量与输出功率存在正比例关系，并且无人机四旋翼模式与固定翼模式的功率需求互有不同，因此机载计算机在飞行过程中会动态选择可满足相应模式下所使用的电池，组成混合双电源系统。由于采用了锂电池与燃料电池，电源系统的重量、噪音均有显著降低，有效提高了飞行器的性能。 2 结论
燃料电池需要进行质子交换等过程，因此动态响应性能比较差，为了克服这一缺点，上文中提到将锂电池或超级电容与燃料电池组成混合动力系统，用传统的蓄电池弥补燃料电池的性能缺陷，使各电源更好的配合，以获得更长的航时和使用寿命。目前常用的氢燃料电池所使用的氢气主要以压缩气体的形式储存，存在一定的安全隐患，无人机的续航时间也受到氢气的储存密度的影响。旋翼无人机在飞行过程中产生的震动也会对燃料罐造成影响。
目前所使用的燃料电池，其设计是用于汽车或者其它行业，缺少针对旋翼无人机的质量、使用环境等因素而专门开发的燃料电池。对于应用在旋翼无人机上的燃料电池，应当设法提高其能量密度，减小其体积与重量，同时要研究提高燃料的储存密度、改善燃料的储存方式，使其能更好地适应飞行条件。同时，研发燃料电池与其它能源的混合动力系统，不同的电池具有不同的优缺点，必须将各种不同电池的特点互相结合起来取长补短，以提高无人机的飞行性能，这是研究人员目前需要努力的一大目标。
参考文献
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[11]张晓辉，刘莉，戴月领，等.燃料电池无人机动力系统方案设计与试验[J].航空学报，2018，39（08）：162-171.
[12]王海瑞，张成茂，周泉知，等.太阳能/甲醇混合动力无人机[J].科技视界，2018（08）：50-58.
[13]胡中华，荣海春，吴有恒，等.超级电容在无人机电气系统中的应用探讨[J].自动化与仪表，2018，33（09）：99-103.
[14]程欣，杨泽夏，睢辰萌.混合双电源系统倾转旋翼无人机的设计[J].日用电器，2019（05）：67-72.
（责任编辑 周康）
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