以無人機為載體的氫電混合動力供電系統的研究

文/丁樹凱 劉海 徐義磊 呂兵 王明

無人機正在朝著多元化的方向發展，例如在傳統農業生產中，利用無人機噴灑農藥，解決了低效、強度大的問題。一個理想型的無人機，應該具備續航能力強的特性。本文詳細介紹了鋰電池與燃料電池的特性，分析了各自優缺點，并設計出了一種氫電混合動力供電系統。

1 混合動力供電系統的特點與方案設計

1.1 氫電混合動力供電系統的特點分析

圖1：氫電混合動力供電系統拓撲

氫電混合動力供電系統主要由鋰電池、燃料電池、氫氣發生裝置、電流控制模塊及其他輔助電子設備組成。

1.2 氫電混合動力供電系統的方案設計

氫電混合動力供電系統是鋰電池/燃料電池混合式供電系統，其拓撲結構如圖1所示。方案中燃料電池與鋰電池混合供電，利用二極管低功耗單向導通性的特性處理燃料電池與鋰電池并聯的電壓匹配問題。避免了初期鋰電池電壓較高對燃料電池充電。

2 實驗裝置介紹

2.1 氫氣原理及發生裝置

氫氣和氧氣是燃料電池的反應物，氧氣來自空氣。本文選擇制作氫氣發生裝置，以NaBH4作反應物，H3BO3為催化劑制取H2。

反應方程式為：NaBH4+2H2O→4H2↑ +NaBO2

瓶蓋與氫氣收集瓶可拆卸，溶液釋放瓶固定在瓶蓋上，導管與瓶蓋連接，均做密封處理。溶液釋放瓶中加入30ml弱酸性溶液，藥品為硼氫化鈉與硼酸的固體混合物。

操作：裝置平放，配好藥品，用滲透紙包裹平放在瓶底，向溶液釋放瓶注入弱酸性溶液，關閉閥門。后將瓶蓋擰緊，應時刻保持溶液釋放瓶缺口處向上。在確定擰緊后，將裝置由平放逆時針豎直放置。溶液從溶液釋放瓶滾落，與藥品接觸，反應發生。

2.2 試驗選用設備具體參數

表1、表2是實驗選用設備的詳細參數。

我們選用12V、40W的直流燈泡作為替代負載進行實驗。

3 試驗研究與結果分析

為了驗證氫電混合動力供電系統相較于純鋰電池與純燃料電池供電，所具有更高的續航能力及其他的優越性，本文設計了三組實驗。分別用三個供電設備為負載供電，直至設備電量用完。

3.1 鋰電池、燃料電池為負載供電

圖2、圖3是前兩組實驗數據圖，鋰電池及燃料電池單獨為負載供電。

從圖2看出鋰電池電壓從最初的12.54V隨時間下降到11.19V，電流從最初的3.08A隨時間下降到2.72A。電流電壓總體趨于下降趨勢，下降區間較小，基本無波動。輸出十分穩定可靠。

本文選取了1.52g硼氫化鈉和4.92g硼酸參與反應。圖3是燃料電池電流電壓隨時間變化曲線。65-69秒，電流電壓陡降趨于0，是未能控制好氫氣流量所致。在促進藥品反應制氫后，又于69秒后趨于正常。114秒之后，因藥品損耗，電流電壓逐漸下降。波動的原因是未能控制好氫氣流量。若能穩定輸出氫氣，可以猜測燃料電池U/T、I/T應是兩條趨于水平的直線。可見，燃料電池比鋰電池輸出功率更大，只要維持氫氣流量穩定，輸出功率也穩定。

3.2 氫電混合動力供電系統為負載供電

這一實驗是氫電混合動力供電系統為負載供電，供電系統是根據圖1的拓撲圖進行設計。由圖4發現：

（1）從啟動至138秒內，鋰電池的電壓基本維持不變，電流基本為0。燃料電池輸出電流電壓。可見此時供電系統中只有燃料電池為負載供電，而鋰電池基本沒供電。

（2）從138秒至最后，鋰電池輸出電壓電流。燃料電池電流趨于0，電壓在138-280秒區間內有波動，之后趨于0。可見138秒之后燃料電池藥品消耗，不能再為負載供電。在停止工作瞬間鋰電池開始工作，繼續為負載輸出功率。

（3）在65-83秒區間內，燃料電池電流突然降低，與此同時，鋰電池作為儲備能源電流突然增加，補充功率差。

3.3 鋰電池、燃料電池、混合供電系統三者的比較

完成三組實驗，將混合動力供電系統、純鋰電池以及純燃料電池供電時間進行了對比。混合動力供電系統供電時間：704秒；純燃料電池：128秒；純鋰電池：536秒。混合動力供電系統的供電時間比后兩者相加的時間還要長40秒。

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圖2：鋰電池U/T、I/T折線圖

圖3：燃料電池U/T、I/T折線圖

圖4：混合動力供電系統U/T、I/T圖

4 總結

根據以上三個方案數據評估以及可行性分析，得出以下結論。

（1）鋰電池連接負載后，隨時間功率逐漸下降，但幅度較小。能較為穩定可靠的輸出功率，維持負載運行。作為儲備能源瞬間功率輸出能力強。但鋰電池容量固定，也限制了無人機的續航時間。

（2）氫氣流量穩定是燃料電池穩定輸出功率的前提，因通過化學反應供電，不會有鋰電池固定容量的限制。理論上只要氫氣能夠穩定充足的供應，燃料電池可以一直為負載供電。但其功率瞬間變化能力不足，限制其發展。

（3）氫電混合動力供電系統是鋰電池與燃料電池混合供電。它具有燃料電池與鋰電池的優點，且弱化了各自的缺點。燃料電池可以延長無人機的續航時間，在無人機功率突變時，鋰電池又可以瞬間補充燃料電池不能及時滿足的功率差值，滿足無人機的飛行要求，降低無人機的事故率。