燃料電池旋翼無人機的研究進展

譚濤 黃澤濤

摘 要：旋翼無人機在各行業的應用十分廣泛，電動旋翼無人機有著飛行性能穩定、維護簡便、無排放等優勢，已逐漸成為無人機行業的研究與發展重點。在旋翼無人機上應用燃料電池有利于提高其飛行性能與續航時間。本文介紹了無人機與燃料電池的相關概念，分析了國內外對燃料電池應用在旋翼無人機上的研究進展，最后對燃料電池旋翼無人機的發展提出了展望。

關鍵詞：燃料電池;旋翼無人機;電池技術;研究進展

中圖分類號：S22 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430022

引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle或Drone），又稱無人航空載具，是一種無搭載人員的載具。通常使用遙控、導引或自動駕駛來控制。可在科學研究、場地探勘、農業、軍事、娛樂等用途上使用。近年來，隨著航空技術的不斷發展，旋翼無人機的發展得到了高度重視。與固定翼無人機相比，旋翼無人機具有體積小、重量輕、維護簡單、起降場地要求低等優勢，其具有良好的操縱靈活性與快速部署能力，無論是在軍事領域還是在民用領域，都有十分廣闊的應用前景。當前，無人機在電力巡檢、農業、航空拍攝、環境勘察、證據采集、軍事等領域有著廣泛應用[1]。作為無人機組成部分的重要核心，無人機動力系統決定著無人機的機動性、續航時間等重要性能參數，在實際應用中，要求無人機的動力系統需要具備良好的可靠性、體積盡可能更小、成本更低、儲存性能良好。因此，目前的無人機更加傾向于使用電力驅動[2-5]。

燃料電池是一種使用氧化劑進行氧化還原反應的發電裝置，其將燃料中的化學能轉化為電能，常用的燃料是氫，其它可以分解出氫氣的碳氫化合物也可以作為燃料，如天然氣、甲烷和乙醇等。燃料電池與普通電池的不同之處在于，其是通過穩定地供應氧化劑和燃料源來提供穩定的氧氣和燃料供應，直到燃料耗盡為止都可以提供持續穩定的電能輸出。燃料電池在工作時會產生水和熱量。當使用某些燃料時，可能會產生少量的二氧化碳和其它物質。綜上所述，燃料電池是一種綠色能源，比普通電池和火力發電廠的污染小[6]。

目前，旋翼無人機的電源主要為鋰離子電池，不能很好滿足旋翼無人機在實際作業中對于續航時間的要求[7]。由于燃料電池具有能量密度高、輸出性能好、環保效益好等優點，近年來逐步得到關注[8]，但是，燃料電池的動態響應能力較弱，成本與壽命也未能很好地滿足需求。因此，目前旋翼無人機電源系統的研究方向主要是提高電池能量密度、探索新型電池形式、發展動力混合系統[9]。

1 研究進展情況

1.1 國外研究進展

2015年，加拿大的EnergyOr公司將燃料電池作為電動四旋翼無人機的動力源，研制出了H2Quad燃料電池無人機，其采用自行研制的EPOD燃料電池，可以攜帶1kg的有效載荷飛行超過2h，飛行距離可達80km。

2017年，FlightWave航空航天系統公司研制出了Jupiter-H2型燃料電池旋翼無人機，其使用了1個窄型的70cm機身，機身上載有1個3L的氫氣罐為連續飛行提供燃料，飛機可提起近1.36kg的有效載荷，在此條件下飛行續航時間可達2h。

2019年，韓國MetaVista公司聯合英國燃料電池工程公司Intelligent Energy研制出了一臺四旋翼燃料電池無人機，實現了12h 7min 5s的飛行時間，打破了多旋翼無人機飛行時間世界記錄。該四旋翼無人機使用6L超輕型液態氫儲罐和Intelligent Energy的800W輕型燃料電池動力模塊為無人機提供動力。

1.2 國內研究進展

2012年12月，同濟大學航空航天與力學學院和上海奧科賽飛機公司共同研制完成了我國第一架純燃料電池無人機“飛躍一號”，并成功試飛[10] 。其續航時間為2h，電源為一個輸出功率1000W的質子交換膜燃料電池，有效載荷1kg。這是國內首次將燃料電池運用到無人機上。

2016年，科比特航空公司研發出了多旋翼垂直起降無人機HYDrone-1800。這是當時國內首款商品化量產的燃料電池多軸旋翼無人機，其采用6軸設計，軸距約1.8m，最大載重25kg，續航時間可達2.5～4h，最大飛行半徑100km。由于采用氫燃料電池，其具有較高的安全性能，同時，該燃料電池的能量密度是同容量鋰電池的3～5倍。

張曉輝等設計了一套燃料電池旋翼無人機的動力系統并進行了相關測試，其設計了3套結構方案，分別為純燃料電池、燃料電池與蓄電池的主動/被動混合動力系統。試驗結果表明，純燃料電池動力方案適用于小型旋翼無人機，燃蓄被動混合方案可滿足中大型旋翼無人機大機動飛行[11]。

王海瑞等研究了太陽能/甲醇燃料電池混合動力在無人機上的應用，將太陽能電池與甲醇燃料電池互相結合，實現續航時間增長、噪音降低、環保性能提高等目標[12]。

胡中華等探討了超級電容在無人機電氣系統的應用可能性[13]。超級電容能夠以超快的速度和極高的效率完成充放電，并且可以提供主電源無法提供的快速脈沖功率。由于旋翼無人機在啟動瞬間電源系統中的功率沖擊較大，如果按照此時的瞬時最高功率來確定電機的額定功率，會增加整機的體積與重量。在無人機電源系統中加入超級電容，可以彌補發電機輸出功率性能的缺點，當瞬時功率不足時，由超級電容提供額外的功率;當功率富余時，電機可以反向向超級電容充電。該技術可以與燃料電池技術結合起來，使飛行器具備更好的動力性能。

程欣等設計了一種氫鋰混合能源傾轉旋翼無人機[14]。其采用四旋翼設計，4個旋翼均可傾轉，達到四旋翼模式與固定翼模式的變換，適應不同的實際需求。混合雙電源系統由氫氣罐、氫氣反應堆、鋰電池與相關電路組成。由于氫燃料電池的重量與輸出功率存在正比例關系，并且無人機四旋翼模式與固定翼模式的功率需求互有不同，因此機載計算機在飛行過程中會動態選擇可滿足相應模式下所使用的電池，組成混合雙電源系統。由于采用了鋰電池與燃料電池，電源系統的重量、噪音均有顯著降低，有效提高了飛行器的性能。

2 結論

燃料電池需要進行質子交換等過程，因此動態響應性能比較差，為了克服這一缺點，上文中提到將鋰電池或超級電容與燃料電池組成混合動力系統，用傳統的蓄電池彌補燃料電池的性能缺陷，使各電源更好的配合，以獲得更長的航時和使用壽命。目前常用的氫燃料電池所使用的氫氣主要以壓縮氣體的形式儲存，存在一定的安全隱患，無人機的續航時間也受到氫氣的儲存密度的影響。旋翼無人機在飛行過程中產生的震動也會對燃料罐造成影響。

目前所使用的燃料電池，其設計是用于汽車或者其它行業，缺少針對旋翼無人機的質量、使用環境等因素而專門開發的燃料電池。對于應用在旋翼無人機上的燃料電池，應當設法提高其能量密度，減小其體積與重量，同時要研究提高燃料的儲存密度、改善燃料的儲存方式，使其能更好地適應飛行條件。同時，研發燃料電池與其它能源的混合動力系統，不同的電池具有不同的優缺點，必須將各種不同電池的特點互相結合起來取長補短，以提高無人機的飛行性能，這是研究人員目前需要努力的一大目標。

參考文獻

[1] 趙晨懿.淺談無人機的發展現狀與技術支持[J].海峽科技與產業，2017（09）：133-135.

[2]徐輝，王春利，趙勝海，等.小型和微型飛行器動力裝置的現狀與發展[J].教練機，2018（04）：56-60.

[3]王俊凱，劉萍，王軍建.農用植保無人機動力系統現狀及應用[J].現代農業科技，2019（20）：158-159.

[4]胡曉煜.國外高空長航時無人機動力技術的發展[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006（04）：56-60.

[5]石治國.軍用無人機電源技術進展[J].電源技術，2012，36（05）：762-763.

[6]戴月領，賀云濤，劉莉，等.燃料電池無人機發展及關鍵技術分析[J].戰術導彈技術，2018（01）：65-71.

[7]王剛，胡峪，宋筆鋒，等.電動無人機動力系統優化設計及航時評估[J].航空動力學報，2015，30（08）：1834-1840.

[8]劉春娜.無人機電池研發新進展[J].電源技術，2015，39（07）：1353-1354.

[9]趙保國，謝巧，梁一林，等.無人機電源現狀及發展趨勢[J].飛航導彈，2017（07）：35-41.

[10]我國第一架純燃料電池無人機首飛成功[J].企業技術開發，2013，32（01）：88.

[11]張曉輝，劉莉，戴月領，等.燃料電池無人機動力系統方案設計與試驗[J].航空學報，2018，39（08）：162-171.

[12]王海瑞，張成茂，周泉知，等.太陽能/甲醇混合動力無人機[J].科技視界，2018（08）：50-58.

[13]胡中華，榮海春，吳有恒，等.超級電容在無人機電氣系統中的應用探討[J].自動化與儀表，2018，33（09）：99-103.

[14]程欣，楊澤夏，睢辰萌.混合雙電源系統傾轉旋翼無人機的設計[J].日用電器，2019（05）：67-72.

（責任編輯 周康）