基于油電混合動(dòng)力技術(shù)在無人機(jī)中的應(yīng)用 Application of Hybrid Electric Technology in UAV

王飛 WANG Fei

摘要： 目前無人機(jī)動(dòng)力多以純電動(dòng)機(jī)或者純?nèi)加桶l(fā)動(dòng)機(jī)為主，純電動(dòng)無人機(jī)易操控，穩(wěn)定性高，但是續(xù)航里程較差，而純?nèi)加桶l(fā)動(dòng)機(jī)可以輕松解決續(xù)航問題，但發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣中氧濃度要求高，且控制響應(yīng)靈敏性能較差，很難準(zhǔn)確控制和協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)旋翼的槳距、轉(zhuǎn)速等，不能有效的保證無人機(jī)穩(wěn)定飛行，高空高速及精確定位的性能。本文通過分析油電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)生、前景、驅(qū)動(dòng)形式、優(yōu)缺點(diǎn)等，為油電混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中提供參考方案。

Abstract： At present， the power of UAV is mainly pure electric motor or pure fuel engine. Pure electric UAV is easy to operate and has high stability， But its endurance mileage is poor. Pure fuel engine can easily solve the endurance problem， But the engine has high requirements for oxygen concentration in the air and poor control response sensitivity， So it is difficult to accurately control and coordinate the pitch and speed of driving rotor， It can not effectively ensure the stable flight， High altitude， high speed and accurate positioning performance of UAV. By analyzing the generation， prospect， driving form， advantages and disadvantages of oil electric drive， this paper provides a reference scheme for the application of oil electric hybrid technology in UAV power system.

關(guān)鍵詞： 無人機(jī);油電混合;插電混動(dòng);增程式;動(dòng)力系統(tǒng)

Key words： UAV;oil electric mixing;plug in hybrid;add program;dynamic system

中圖分類號(hào)：V279+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0235-02

1? 無人機(jī)續(xù)航時(shí)間

目前制約無人機(jī)航時(shí)的主要因素是動(dòng)力系統(tǒng)，一般10公斤左右的無人機(jī)理論上自帶電池的重量很難超過2.5公斤，這意味著航時(shí)不會(huì)超過15分鐘。在作業(yè)任務(wù)時(shí)受鋰電池的能量密度限制，及低溫環(huán)境影響加快放電，使得航行時(shí)間更短。電池技術(shù)在未來很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)很難有質(zhì)的突破，使用電池提供動(dòng)力造成的續(xù)航時(shí)間不足一時(shí)很難解決解決。

燃油的能量密度比鋰電池高十余倍，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)在理論上是要比電池在驅(qū)動(dòng)中有更優(yōu)的解決方案。但是發(fā)動(dòng)機(jī)的油門線性很復(fù)雜，調(diào)速程序繁瑣，造成無人機(jī)的響應(yīng)速度變慢，發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳輸出功率下的轉(zhuǎn)速很窄，需要變速箱改變齒輪配比以適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，故會(huì)使無人機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸增加，重量增加，因此現(xiàn)實(shí)油動(dòng)多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)方案技術(shù)難度極高。

油動(dòng)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)、油電混合驅(qū)動(dòng)無人機(jī)、氫燃料電池驅(qū)動(dòng)無人機(jī)、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)無人機(jī)等被許多用戶所青睞。從技術(shù)難度和工作效率來講，油電混合技術(shù)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)是目前行業(yè)用戶最為看好的突破口之一。油電混合技術(shù)不僅具備電動(dòng)無人機(jī)的穩(wěn)定性和易操控性而且還具備油動(dòng)的可持續(xù)性，可以應(yīng)用到長(zhǎng)航時(shí)和大載荷的作業(yè)任務(wù)中。

2? 油電混合技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)驅(qū)動(dòng)的前景

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域和頻率將逐漸的擴(kuò)大。對(duì)于電動(dòng)無人機(jī)來說由于受限于電池的容量極限其發(fā)展空間非常有限，在山地、森林、島礁等復(fù)雜地區(qū)高度和距離的影響，單純的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)已無法滿足長(zhǎng)航時(shí)大載荷飛行。油電混合無人機(jī)可以根據(jù)需求對(duì)油箱進(jìn)行改裝，只要燃油足夠就可以有效的解決續(xù)航問題。同時(shí)配合遠(yuǎn)距離圖傳，探測(cè)范圍可達(dá)100公里以上，可以實(shí)施大范圍、長(zhǎng)距離的空中監(jiān)視、勘查任務(wù)。不僅如此，比如在受災(zāi)地區(qū)沒有電力設(shè)施的情況下，燃油作為容易獲得的能源，避免了復(fù)雜環(huán)境下充電要求，又節(jié)省了寶貴的時(shí)間，對(duì)減災(zāi)救援有極大意義。而且，油電混合無人機(jī)能夠游刃有余的面對(duì)高溫、低溫、大風(fēng)、大雨等環(huán)境，其生存能力要遠(yuǎn)大于電動(dòng)無人機(jī)。油電混合無人機(jī)在應(yīng)急搶險(xiǎn)、環(huán)境監(jiān)控、邊防巡邏等領(lǐng)域可以搭載幾款或者多款任務(wù)載荷，真正發(fā)揮一機(jī)多用的功能，如圖1所示。

3? 油電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式

油電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式主要是通過對(duì)無人機(jī)工作電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)行有效的切換，來確保驅(qū)動(dòng)螺旋槳能夠始終保持工作，發(fā)動(dòng)機(jī)加載發(fā)電機(jī)后所發(fā)電能既可以給電池進(jìn)行充電，也可以用來直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

插電混動(dòng)在驅(qū)動(dòng)模式下同樣會(huì)在無人機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間切換，但是在短航程飛行時(shí)，無人機(jī)完全可以切換到純電模式下飛行，發(fā)動(dòng)機(jī)完全不參與工作。而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)通過傳動(dòng)結(jié)部件和控制模塊來驅(qū)動(dòng)無人機(jī)，只有少數(shù)情況下會(huì)用來發(fā)電。增程式驅(qū)動(dòng)模塊在無人機(jī)工作時(shí)只會(huì)使用電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行飛行，發(fā)動(dòng)機(jī)的作用完全是在電池電量不足時(shí)用來給電機(jī)發(fā)電，以滿足長(zhǎng)航飛行需要。

4? 不同驅(qū)動(dòng)模塊的優(yōu)缺點(diǎn)

油電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)主要是不需要充電，使用起來和燃油飛機(jī)一樣方便，油耗卻可以做到很低，成本也可以做的比較低。缺點(diǎn)是電池容量有限，長(zhǎng)航時(shí)沒有辦法在純電模式長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)力性能較差。

插電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以通過充電最大程度降低短航時(shí)是飛行成本，而在長(zhǎng)航時(shí)采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，此控制由于可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一起出力，加速性能也會(huì)比較強(qiáng)。缺點(diǎn)是低油耗時(shí)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在切換時(shí)，很難做到平順。而短航行時(shí)所用電池容量如果增大，將會(huì)使整機(jī)制造成本升高，起飛重量增大，油耗增大。增程式驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是比插電混動(dòng)、純電續(xù)航里程更大，在中短途都可以作為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)來使用，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)只用來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給電動(dòng)機(jī)發(fā)電，駕駛感受與純電動(dòng)無人機(jī)一致，平順性和航向加速體驗(yàn)都很好。缺點(diǎn)是由于要經(jīng)過發(fā)電和驅(qū)動(dòng)兩次能量轉(zhuǎn)換，在高速飛行時(shí)，尤為明顯情況是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率變低，使得能耗增加。另外，增大驅(qū)動(dòng)電池意味著提升制造成本。

油電混合驅(qū)動(dòng)、插電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)和增程式驅(qū)動(dòng)目前并非自成體系，而是相互借鑒吸收。

5? 增程式驅(qū)動(dòng)方案初步設(shè)計(jì)

通過分析顯示，增程式驅(qū)動(dòng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，且具有較高的系統(tǒng)復(fù)雜性，適合應(yīng)用于中大型無人機(jī);相比插電混動(dòng)驅(qū)動(dòng)而言，增程式驅(qū)動(dòng)在控制上也具有優(yōu)勢(shì)，是解決續(xù)駛里程、環(huán)境適應(yīng)性等問題的較佳方案。在高寒高海拔地區(qū)，由于純電動(dòng)無人機(jī)存在電池適應(yīng)性差、動(dòng)力不足等缺點(diǎn)，增程式驅(qū)動(dòng)在無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)增程式驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)駕駛感是最為接近純電動(dòng)無人機(jī)的，是油電混動(dòng)最優(yōu)解決方案，如圖2所示。

增程油電混合動(dòng)力關(guān)鍵部件是指由兩種以上能源（燃油和電池）提供動(dòng)力的系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、螺旋槳、電池等，如圖3所示，這些部件的特性、性能進(jìn)行分析，是確定滿足性能要求的無人機(jī)動(dòng)力裝置選型時(shí)所需要重點(diǎn)考慮的因素。根據(jù)無人機(jī)在不同飛行狀態(tài)下所需的動(dòng)力需求對(duì)無人機(jī)動(dòng)力部件選型為下一步動(dòng)力布局提供依據(jù)。

針對(duì)無人機(jī)增程油電混合動(dòng)力設(shè)計(jì)流程如圖4所示，動(dòng)力設(shè)計(jì)需要從平臺(tái)特性和主要性能需求出發(fā)，不論是動(dòng)力配置還是動(dòng)力部件選型都應(yīng)和平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幾何參數(shù)、氣動(dòng)特性以及載荷、飛行時(shí)間、飛行速度等性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)考慮。

6? 結(jié)束語

由此可見使用油電混合動(dòng)力技術(shù)后可大幅提升了無人機(jī)續(xù)航時(shí)間，既保留了汽油燃料的高能量密度，同時(shí)具備電動(dòng)無人機(jī)的操作靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可靠性強(qiáng);適用環(huán)境范圍廣泛，可在零下20度至零上40度的環(huán)境下均可正常適用;可以給機(jī)載設(shè)備帶來更為充足的電能;不再需要頻繁更換無人機(jī)電池，簡(jiǎn)化了無人機(jī)使用步驟，大幅降低了無人機(jī)的使用成本和維修成本。

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