無人機油電混合動力系統（一）

符長青

本文對無人機油動和電動兩種動力裝置的性能與特點進行對比，闡述油電混合動力系統的定義，分析油電混合動力系統的特點、優勢和類型。

隨著無人機的廣泛應用和性能提高，其動力裝置的作用日益凸顯，無人機動力裝置選型變得越來越重要。電動機和燃油發動機是當前無人機動力裝置的主要類型，兩者各有優缺點。不論是電動機，還是燃油發動機，都無法完全取代對方。而一種有效的解決方案即無人機油電混合動力系統已應運而出。

無人機油動和電動兩種動力裝置的性能與特點對比

無人機是一種自身質量密度大于空氣質量密度的飛行器，動力是其升空飛行的首要條件。無人機擁有動力才能產生克服重力所需的升力。人們把無人機上能產生拉力或推力，使無人機飛行的一種裝置，稱為無人機動力裝置。例如，無人機安裝的電動機和發動機，以及保證它們正常工作所需的子系統和配套設備。無人機常用動力裝置有三大類：電動機、發動機以及兩者相互組合而構成的混合動力裝置。

燃油發動機的性能與特點

（1）熱效率低。

活塞式發動機的熱效率為20%~30%，渦輪噴氣發動機的熱效率為24%~30%，渦輪風扇發動機的熱效率為40%~46%，這三個熱效率遠低于電動機的熱效率。

（2）結構復雜，造價和使用成本高。

（3）維修保養困難、麻煩。

（4）機械磨損大，使用壽命短。

（5）噪聲大，有污染排放。

電動機的性能與特點

（1）熱效率高。

電動機平均熱效率為87%，國際先進水平為92%，遠高于燃油發動機。

（2）結構簡單，造價和使用成本低。

電動飛行器的能源使用成本僅為油動飛行器的1/6。

（3）維修保養簡單、容易。

（4）電磁力轉子和定子不直接接觸，機械磨損小，使用壽命長。

（5）噪聲小，無污染排放。

電動飛行器在運行過程中產生的碳排放幾乎為0。

以上對比可知，電動機比燃油發動機的熱效率高很多，而且成本低，噪聲小，使用壽命長，無排放和污染。

節能減排是交通領域研究和實踐的熱點問題，無人機領域也不例外，例如應用最廣泛的輕小型多旋翼無人機已基本采用了電動系統。但是，當人們將電動系統應用于無人機等飛行器時，目前卻遇到一個非常棘手、而非電動機本身的問題，這就是為電動機提供能源的動力電池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。于是，電動無人機在實際使用中，通常表現出重載動力不足、飛行時間短等缺點。由此可見，依靠單一能源（電池）推進的電動無人機很難滿足許多飛行性能要求。

為了清晰地說明無人機油電混合動力系統的特點和優勢，下文對電動無人機和油動無人機動力系統存在的弱點展開討論。

制約電動無人機動力系統性能提升的主要因素

眾所周知，電動無人機憑借操控簡單靈活和極高的性價比，已經廣泛應用于多個領域。但是，電動無人機在實際應用中，因其動力系統受電池性能等因素的制約，在某些領域難以大范圍推廣和應用。

一是電池能量密度低。電動無人機普遍使用的是鋰電池，該型電池能量密度一般為0.46~0.72MJ/kg。由于鋰電池太重，導致無人機任務載荷重量大打折扣，一般最大起飛重量約15kg的無人機，理論上自帶電池的重量很難超過5kg，這意味無人機的續航時間不會超過30min。

二是電池放電速度快。鋰動力電池放電速度隨著環境溫度的降低而加快。在低溫環境下，鋰電池放電速度加快，縮短了電動無人機的作業時間。

三是電池技術在短期內難突破。預計在未來很長一段時間內，電池技術很難取得根本性突破，這意味由電池提供能源的電動無人機，其任務載荷重量小、續航時間短的問題在短期內很難從根本上得到解決。

制約油動無人機動力系統性能提升的主要因素

一是汽油能量密度雖高，但汽油發動機調速慢。航空汽油能量密度為12~17MJ/kg，其能量密度比鋰電池高二十余倍。汽油發動機的熱效率通常是30%~50%，所以100kg且充滿電的鋰電池，其帶電量大約只相當于3kg汽油的發電量。雖然汽油能量密度高，但是氣油發動機的油門線性復雜，調速程序繁瑣，導致油動無人機的響應速度變慢。

二是燃油發動機直驅/變距方式在最佳輸出功率下的行程很窄，需要變速箱改變齒輪配比才能適應不同的轉速，這將導致油動無人機的尺寸增大，噪聲和污染排放大，進而增加無人機的空機重量。

油電混合動力系統的定義

油電混合動力系統是指安裝在有人機、無人機等飛行器上的一種雙動力裝置，它由電池或太陽能供電的電動機和燃油發動機兩種動力裝置組裝在一起而構成一個新的動力系統，以改善飛行器的推力，大幅提高等效涵道比，提升氣動效率，降低油耗，減小噪聲和排放。

油電混合動力系統通常包括驅動系統、供電系統和儲能系統三大子系統。其中，驅動系統是指電動機和燃油發動機，供電系統是指發電機、電池和太陽能電池，儲能系統是電池、燃油和燃油箱。

油電混合動力系統的特點

油電混合動力系統成功有效地將電能和航空燃油（汽油，柴油）兩種不同性質的能源同時提供給無人機使用，將電動機及其能源儲存裝置（電池）與燃油發動機及其能源儲存裝置（燃油和燃油箱）組合在一起，實現電動機和燃油發動機之間的良好匹配和優化控制，優勢明顯。油電混合動力無人機可充分發揮諸多優點，一方面，可以解決電動無人機載重和續航能力弱的困局；另一方面，電動機具有與尺寸無關的重要特性，即一個大功率電機系統分解為多個小功率電動機后，而整個系統的功率密度、效率和重量基本保持不變。

因此，油電混合動力無人機可采用分布式電動系統，利用多個小功率電動機，驅動多個較小直徑的涵道風扇/螺旋槳，而不再驅動超大直徑的涵道風扇/螺旋槳，有效提高推進系統的等效涵道比。小尺寸涵道風扇/螺旋槳可以更方便地安裝于機翼、機身，有效提升油電混合動力無人機的氣動效率，改善其飛行性能和能源消耗，其設計和布局可以更為靈活。

油電混合動力系統的優勢

無人機電動和油動系統各有所長，而油電混合動力系統將兩者的優勢組合在一起，并充分發揮兩者的優勢。

第一，相比于電動或油動系統，油電混合動力系統采用先進的燃油發動機與發電機一體化動力技術，能充分發揮電動和油動系統的優勢。無人機利用燃油發動機發電，獲得了航空汽油的高能量，而無人機螺旋槳/旋翼系統由電動機驅動，使無人機具有電力驅動的反應敏捷、操控靈活、安全可靠、易維護等優點。燃油發電方式可長時間地為電動機供電，很完美地解決了電動無人機任務載荷重量小和續航時間短的短板，讓無人機的應用前景更加寬廣。相較電動無人機，油電混合動力無人機的任務載荷重量、續航時間和航程通常可提高約4~5倍。由此可見，油電混合動力技術是解決當前電動無人機“載重小、航時短”難題的最終手段。

第二，相比于氫燃料電池，油電混合動力能源的能量密度以及技術成熟度均高于氫燃料電池。因此，油電混合動力裝置在無人機上的應用更加廣泛。

油電混合動力技術已成為當前世界各國航空領域的前沿研究內容與熱點，是一項可以實現未來航空領域節能減排目標的關鍵技術。。在下一代航空動力研究領域，美國國家航空航天局（NASA）提出了渦輪油電混合動力發動機概念，主要由電動涵道風扇推進系統（電動涵道風扇采用單組或者多組分布式并聯方式）、渦輪發電系統與動力電池系統組合而成。

綜上所述，無人機采用油電混合動力系統，不僅可以改善無人機的氣動結構，大幅提升氣動效率，降低油耗、噪聲和廢氣排放，而且能實現大載重、長航時、一機多用等目標。

油電混合動力無人機的優勢

油電混合動力無人機是一種擁有新型雙動力裝置的無人機，其動力系統由使用電池或太陽能供電的電動機和燃油發動機構成，可實現良好的起飛、爬升等飛行性能，具有任務載荷重量大、超長航時飛行等優點。

相比于以燃油發動機為動力的飛行器，油電混合動力飛行器除了具備環保優勢外，還能大幅度降低運營成本和提高乘坐舒適性。美國混合動力飛機初創企業祖納姆航空公司（Zunum Aero）的評估報告認為，油電混合動力飛行器的碳排放量僅是同類油動飛行器的20%。通過減小燃油消耗，油電混合動力飛行器能為航空公司降低40%～80%的運營成本。由于電動系統運行振動更小，飛行過程中的噪聲可降低75%。除此以外，油電混合動力飛行器相當于有兩套動力子系統，可以互為備份。在飛行過程中，其中一個子系統一旦出現問題，另一個子系統能夠繼續有效地運轉工作，保證飛行器安全降落。

無人機在實際飛行中，其動力系統性能將影響無人機的任務載荷重量、續航時間、飛行高度、飛行速度和最大航程等性能及飛行狀態。雖然電動無人機具有結構簡單、節能環保、經濟性好、使用方便等優點。但是，目前其任務載荷重量小、續航時間短等難題在短時間內很難解決，或者說任務載荷重量和續航時間的乘積低即載重續航積低。雖然以氫燃料電池為能源的電動系統方案可以解決續航時間短的問題，但是受限于其功率密度，任務載荷重量仍無法顯著增加。

一方面，電動無人機動力系統的電動機和電池重量占比較大，能耗也非常大，動力不足是最大的問題，而目前的電池儲能技術還無法使電動無人機在短期內擺脫這一困局，無法大幅提升電動無人機的載重和續航能力；另一方面，目前以燃油發動機為動力的無人機為了提升環保性，其發動機直徑、涵道比呈不斷增加的發展趨勢，這給無人機設計帶來了很大的挑戰。

無人機采用油電混合動力系統，能解決或改善上述兩方面的問題。

未來，無人機的發展、應用領域將逐漸擴大，而電動無人機受限于電池能量密度，其發展空間非常有限，尤其受山地、森林、島礁等復雜地區高度和距離的影響，電動無人機無法滿足長時間和搭載重載荷的飛行要求。

油電混合動力無人機能真正實現一機多用。油電混合動力無人機可以根據客戶需求對油箱尺寸進行改裝，只要燃油量足夠多，無人機的續航時間就能增長。同時，無人機采用無線通信網絡技術，具備了遠程通信能力，其航程能超過100km，可承擔大范圍、長航時的空中監視、勘查、應急救援、森林消防等工作。不僅如此，在沒有電力設施的受災地區，汽油作為一種容易獲得的燃料，可避免復雜的充電條件要求并節省寶貴的充電時間，特別是無人機應用于搶險救援，在災難發生時及災難發生后的救援過程中，爭分奪秒、分秒必爭具有重要意義。

面對高溫、低溫、大風、大雨等環境，油電混合動力無人機也能夠游刃有余，其生存能力遠大于電動無人機。

油電混合動力無人機的載荷能力大幅提升，可以搭載多種任務載荷執行應急救援、環境監測、邊境巡邏、消防滅火等任務，從而真正實現一機多用。

油電混合動力系統的類型

無人機油電混合動力系統是把兩種不同類型的動力裝置整合在一起，構成一種可協同運作、功能互補的動力系統。按照組合方式，該系統可分為串聯式、并聯式、混聯式和分離式四種類型。

串聯式油電混合動力系統

串聯式油電混合動力系統的結構和工作原理比較簡單。直接在電動無人機上額外加裝一臺燃油發動機和一臺發電機，組成一個新的發電機組，稱為燃油發電機（組）。燃油發動機不與無人機的驅動執行裝置聯結在一起，即燃油發動機與旋翼系統之間沒有減速傳動的機械聯結，其功能只是驅動無人機上新加裝的發電機旋轉，將機械能轉化成電能，輸出電力，既可以直接給無人機上的電動機供電，也可為電池充電。

采用串聯式油電混合動力系統的無人機，其動力系統結構與電動無人機有較大差別。前者電動機的電力來源除電池外，還可以由發電機直接供電。但是，油電混合動力無人機和電動無人機螺旋槳/旋翼系統的驅動和工作模態沒有差別，兩者基本相同，即無人機螺旋槳/旋翼系統完全由電動機驅動并旋轉，進而產生升力。

當油電混合動力無人機在空中飛行時，發電機全程為電動機提供動力電能，電池的作用是，在無人機螺旋槳/旋翼系統須要較大驅動功率時（如無人機起飛爬升和懸停階段）提供額外功率。

當油電混合動力無人機處于穩定的巡航階段時，無人機螺旋槳/旋翼系統須要的驅動功率比較小，電池的作用是蓄能，并吸收發電機輸出的多余功率，從而起到功率調配的作用，使作為源動力的燃油發動機的工作始終處于最佳狀態。

并聯式油電混合動力系統

并聯式油電混合動力系統結構的特點是，燃油發動機和電動機通過并聯機械耦合裝置（離合器）聯結在驅動軸上。無人機螺旋槳/旋翼系統旋轉采用兩種驅動方式：發動機與電動機同時聯合驅動，或者燃油發動機與電動機分別單獨驅動。

電動機具有單獨供電系統（電池或太陽能），燃油發動機既不為電動機供電，也不為電池供電。換言之，并聯式油電混合動力系統同時擁有兩套相互獨立的動力裝置，這兩套動力裝置既可以各自單獨工作，也可以同時協同工作。

無人機并聯式油電混合動力系統的工作模態與常規電動無人機動力系統的工作模態有所不同。

無人機在起飛、爬升和懸停階段，即無人機的螺旋槳/旋翼系統須要較大驅動功率時，發動機與電動機同時聯合工作，竭盡全力提供動力，驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉。

無人機在巡航和下降階段，即無人機螺旋槳/旋翼系統只須要較小驅動功率時，燃油發動機關閉，僅電動機單獨工作，為螺旋槳/旋翼系統旋轉提供動力。

當無人機處于降落過程中的懸停階段，即無人機螺旋槳/旋翼系統須要較大驅動功率時時，燃油發動機再次起動，與電動機一起工作，共同提供動力，驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉。

混聯式油電混合動力系統

混聯式油電混合動力系統結構的特點是，燃油發動機和電動機通過混聯式機械耦合裝置（星形齒輪）聯結在螺旋槳/旋翼系統的驅動軸上。無人機螺旋槳/旋翼系統旋轉采用兩種驅動方式：發動機與電動機同時聯合驅動，或者燃油發動機與電動機分別單獨驅動。這種動力系統可以使燃油發動機帶動發電機發電，給電池充電。混聯式油電混合動力系統綜合了串聯式和并聯式的優點，取消傳動離合器，增加了星形減速齒輪。該系統的特點是，燃油發動機不僅可以與電動機聯合工作，共同為無人機螺旋槳/旋翼系統的主減速器提供動力，而且它的一部分功率還可用來驅動發電機發電，為電池和電動機提供電力，使電池能在電動機處于較低輸出功率時自動充滿電。

混聯式油電混合動力系統的工作模態與并聯式類似。

無人機在起飛、爬升和懸停階段，電動機和燃油發動機同時工作，共同提供動力，驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉，此時燃油發動機與發電機的聯結斷開，停止帶動發電機發電。

圖1 串聯式油電混合動力系統結構示意圖。

圖2 并聯式油電混合動力系統結構示意圖。

圖3 混聯式油電混合動力系統結構示意圖。

無人機在巡航和下降階段，其飛行采用電動模式。電動機單獨為螺旋槳/旋翼系統旋轉提供所需的動力，此時燃油發動機并不關停，而是驅動發動機發電，部分電力供電動機驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉，部分多余電力供無人機機載電池充電。

當無人機處于降落過程中的懸停階段，燃油發動機與發電機的聯結再次斷開，重新與電動機一起工作，共同提供動力，驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉。

分離式油電混合動力系統

分離式油電混合動力系統的結構和工作原理最簡單。直接在電動無人機上額外加裝一臺或多臺燃油發動機，以及兩副主旋翼。燃油發動機提供動力，直接驅動兩副主旋翼旋轉，產生無人機飛行所需要的升力。機載電池給4臺電動機提供電力，由電動機驅動與之相聯的4個副旋翼旋轉，產生控制無人機飛行方向和飛行姿態所需的拉力。

燃油發動機與電動機之間沒有機械性硬聯結（圖4），因此兩者各自獨立運行工作。但是，它們之間有控制操作信號的軟聯結，機載飛行控制與導航系統（自動駕駛儀）實時向對方傳輸各自的工作狀態信息，并使對方能夠即刻做出實時響應，以保證無人機飛行具有良好的穩定性和可操控性。

圖4 分離式油電混合動力系統結構示意圖。

分離式油電混合動力系統的工作模態容易理解。該系統將提供升力及控制方向的旋翼分開，兩副主旋翼尺寸比較大，由燃油發動機提供動力，確保為無人機安全飛行提供所需的、足夠大的升力，以克服地球巨大的引力。控制飛行方向和飛行姿態的4個副旋翼尺寸比較小，由電動機提供動力，產生精確控制無人機平衡和平穩飛行所需的拉力。分離式油電混合動力系統將兩種不同結構和工作原理迥異的動力系統集成于無人機，讓它們充分發揮各自的特長，共同承擔一項特別重大的任務。分離式油電混合動力系統具有功能分離的雙重優勢，使無人機結構簡單，又能搭載較重的任務載荷。

串聯式油電混合動力系統的優點是，動力控制系統比較簡單，燃油發動機可較長時間（例如幾小時）驅動發電機工作，保證了無人機上所有電動機完成較長時間工作所需的電力供應，從而提高了無人機的載重和續航能力。缺點是能量要經過發電機、控制器和電動機多級功率遞減，整個動力機械效率比較低，經濟性較差。另外，在串聯式油電混合動力系統工作時，燃油發電機直接給電池及電動機供電，它與旋翼系統之間沒有減速傳動系統的機械性連接。只有高性能電池問世后，才能用高性能電池替換燃油發電機，油電混合動力無人機變成電動無人機。因此，可以把該系統視為一種過渡方案。不過，革命性電池產品（高能量密度充電電池）在短期內問世的可能性極低。

圖5 美國貝塔公司“阿利亞”（Alia）電動垂直起降飛行器。

在并聯式油電混合動力系統中，沒有發電機，燃油發動機也不為電動機供電，電動機具有單獨的供電系統（電池或太陽能）。整個系統工作方式較為靈活，缺點是電池須要人工拆下進行單獨充電。并聯式混合動力系統是在電動無人機上加裝一套燃油動力設備，通過復合動力裝置對電動機和燃油發動機輸出的動力進行疊加，兩種不同的動力裝置是并聯關系。并聯式混合動力系統的結構比串聯式復雜，優點是燃油發動機的動力可直接復合到動力輸出上，用來驅動螺旋槳/旋翼系統旋轉，產生向上或向前的推力。

從能量傳輸效率來看，混聯式油電混合動力系統是最理想的混合動力裝置，能充分發揮航空汽油能量密度高的特點，具有較高的燃油經濟性，極大提高了無人機任務載荷重量、續航時間和航程。其主要缺點是，整個動力系統結構比較復雜，對無人機系統的控制運行精度要求較高。

不論是系統結構，還是工作原理，分離式油電混合動力系統的結構最簡單。但是，它算不上是真正意義的油電混合動力系統。因為它的電動機并沒有參與驅動主旋翼系統旋轉而產生升力，只是對無人機飛行方向和姿態進行控制，真正驅動無人機兩副主旋翼系統旋轉并產生升力的動力完全來自燃油發動機。所以，大部分文獻資料都不把它列入油電混合動力系統的分類。

綜合對比以上4種無人機油電混合動力系統結構的特點和能量傳遞效率可知，混聯式油電混合動力系統是最理想的混合動力裝置。

實際上，這4種無人機油電混合動力系統的結構并不存在絕對的優勢與劣勢。選擇不同的油電混合動力系統，應根據不同無人機的構型和量級進行計算和評估，包括總體參數選擇的迭代方法，以確定最佳的油電混合動力系統方案。■

（未完待續）