無人機油電混合動力系統（三）

符長青

本文介紹油電混合動力系統的發電機與燃油發動機的類型，對油電混合動力系統的能量綜合管理系統具有的特點、系統開發和選用原則及系統設計方法進行闡述。

油電混合動力系統的發電機與燃油發動機

油電混合動力系統主要由電推進分系統和燃油發動機兩部分構成，為無人機提供滿足飛行速度、飛行高度和航程所須要的動力，以及為無人機機載通信系統、導航控制系統、任務載荷設備等系統提供電力支持，使無人機能夠在一定高度，以一定速度飛行，執行和完成所承擔的各種任務。

油電混合動力系統的發電機

無人機油電混合動力系統的電推進分系統包括電動機、電調、電池、發電機等設備。其中，發電機和電動機屬于旋轉電機的范疇。發電機是一種將其他形式的能源轉換成電能的機械設備，其工作原理是燃油發動機驅動發電機運轉，將航空汽油的化學能量轉化為機械能，然后發電機將機械能轉換為電能。

無人機油電混合動力系統采用高效高功重比發電機發電，為無人機飛行提供部分或全部電力需求，不僅能提高無人機的載重能力和續航時間，而且能有效地解決油動無人機產生的噪聲和污染排放問題。

（1）永磁同步發電機

電勵磁發電機結構簡單、成本低。通過改變勵磁繞組來控制電流，可方便調節氣隙磁場強度，實現寬范圍的電壓輸出和調速特性。勵磁回路斷開能有效滅磁，當發電機系統發生短路或其他故障時，實現系統保護功能。但是，電勵磁發電機存在勵磁繞組損耗，使發電機系統的效率相對較低，難以實現高功率密度，由于使用了電刷—集電環結構，該種發電機可靠性不高。

永磁發電機（無刷直流發電機）取消了電刷—集電環結構，省去了產生磁場所須要的勵磁功率，因而效率更高。與同功率、同轉速的其他類型電勵磁發電機相比，永磁發電機的效率可以提高3%～5%，且沒有勵磁線圈及磁極鐵心，能減小發電機尺寸，減輕發電機質量。與其他類型發電機相比，永磁同步發電機具有高效率、高功重比、高可靠性等優點，成為無人機油電混合動力系統發電機的首選產品。

油電混合動力無人機的永磁同步發電機研究內容包括高溫高速電機、電機電磁場—溫度場—流場—應力場多場耦合設計、余度/容錯控制等技術。

（2）超導發電機

發電機和電動機采用超導技術，將成為小型化產品，而功率更強大，工作性能更穩定，電機的噪聲可能更低。在電機領域，超導發電機是一種新型電機，具有功率密度大、同步電抗小、效率高、維護方便等優點，是最理想的能源轉換裝置之一。超導發電機之所以具有這些優點，是因為超導發電機中包含有超導磁體，超導磁體能否正常運行是決定超導發電機正常工作的關鍵因素。

超導發電機的基本組成包括超導勵磁繞組、支架結構、冷卻回路、低溫恒溫器、電磁屏蔽、電樞繞組、交流定子繞組、機座鐵心、定子繞組支架、軸承和機殼。半超導發電機的轉子勵磁繞組使用了超導發電機的基本構造，如果發電機的電樞繞組采用超導體，則稱為全超導發電機。

研究證實，超導發電機具有以下特性。

（1）在負載范圍內，效率較高。

（2）體積和質量小，功率密度較高。

（3）噪聲小，使用壽命長，生產成本低。

（4）負序能力較強，維護要求低。

絕大多數在研超導電機為半超導電機，全超導電機是未來超導電機的重要發展方向。

超導電機的研究涉及電機拓撲結構、超導體載流能力、超導永磁體技術、超導交流繞組繞制技術，以及電機的強度、可靠性、壽命試驗等內容。

油電混合動力系統的燃油發動機

（1）油電混合動力系統常用燃油發動機類型

目前，活塞發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪風扇發動機等燃油發動機能夠滿足無人機油電混合動力系統的使用要求。這幾類燃油發動機都有其特定的工作包線，在工作包線以外，發動機不能正常工作，工程技術人員在無人機油電混合動力系統選型過程中應具備這種基本認知。

表1列出了滿足當下無人機油電混合動力系統使用要求的幾種燃油發動機性能優缺點。僅從發動機本身來說，并沒有一種完美的發動機可供無人機油電混合動力系統使用，因此燃油發動機的選型就是在有限的發動機范圍內，以滿足最大需求為出發點，對發動機進行一個揚長避短的取舍過程。

表1 幾種燃油發動機性能對比表。

（2）油電混合動力系統常用燃油發動機的選型需求

無人機油電混合動力系統是以電動裝置為基礎，加裝燃油發動機和油箱，油電動力混合后，其優勢比較明顯，例如無人機任務載荷重量增大，燃油能量密度高，將部分任務載荷替換為燃油，既可延長無人機的續航時間或航程，并且不受低溫影響。缺點是噪聲大，環保性比電動系統差。

為得到最適合無人機油電混合動力系統使用的燃油發動機，在發動機選型過程中，以滿足無人機飛行性能的最大需求為出發點，綜合考慮燃油發動機的各項性能及經濟性指標，在可選擇的發動機類型中篩選。

①高可靠性需求

高可靠性是無人機油電混合動力系統對燃油發動機的首要需求。高可靠性的直觀表述是，無人機在執行飛行任務時，發動機不出現故障，穩定工作。除了嚴格把關質量控制程序外，動力系統設計應注重系統的備份設計和多裕度設計。

②較高功重比需求

燃油發動機的功重比將直接影響無人機的最大平飛速度、實用升限、任務載荷重量等指標。在滿足功率要求的情況下，燃油發動機的功重比越大越好，這樣就可以減小發動機的重量來增加無人機的續航時間。通常，發動機推重比不小于4，功重比不小于0.745。

③較低耗油率需求

為滿足無人機續航時間的要求，油電混合動力系統應具有較好的經濟性，即低耗油率。如果選用活塞發動機，一般要求采用渦輪增壓技術，以滿足無人機高空、高效飛行需求。

④其他需求

發動機結構緊湊，迎風面積小，振動小，噪聲低，維護簡單等。

（3）啟動/發電一體化系統

傳統燃油發動機的啟動方式一般有兩種，一是手拉式，二是采用電動機啟動。以燃油發動機為動力的絕大多數無人機使用第二種啟動方式。

眾所周知，旋轉電動機和發電機的結構相同，兩者統稱為電機。但是，它們的功用卻完全不同，電動機是一種把電能變作機械能的機器，而發電機是一種把機械能轉變為電能的機電設備。同一臺電機在不同外界條件下既可作為發電機，又可作為電動機運行，稱為電機的可逆性原理。電機的可逆性與電機的性質有關，電機是一種將機械能和電能相互轉換的設備，在不同的客觀條件下，表現出不同的運行工況。無人機啟動/發電一體化系統利用了電機的可逆性原理，對于同一臺電機，在燃油發動機啟動時，電機作為電動機使用；燃油發動機啟動后，電機作為發電機使用，在燃油發動機驅動下發電，向無人機蓄電池或驅動旋翼旋轉的主電動機輸送電能。

啟動/發電一體化系統啟動燃油發動機的過程是，燃油發動機在啟動階段，系統控制器操縱無人機蓄電池向啟動電機供電，電能驅動電機（處于電動機狀態）轉動，該電機轉軸與燃油發動機曲軸相連的飛輪嚙合，驅動燃油發動機轉動，達到燃油發動機啟動與運轉的目的。當燃油發動機進入正常工作狀態后，電機在系統控制器操縱下進入發電整流模式，即電動機轉換為發電機，發電機在燃油發動機驅動下發電，發動機輸出的電力進行整流后，供給蓄電池或驅動旋翼旋轉的主電動機使用。

這種做法的優點是，可以去掉燃油發動機專用的啟動電動機，從而減輕無人機的一部分重量，提高油電混合動力系統的功重比。另外，在無人機飛行過程中，燃油發動機萬一出現故障，停止工作，此時系統控制器進入緊急供電模式，直接將蓄電池的電量供給主電動機驅動旋翼旋轉，電池的電量只能支持一小段飛行時間，但已經足夠讓無人機完成迫降。

無人機采用啟動/發電一體化技術的顯著優勢是，油電混合動力系統的啟動與熄火更容易完成。通過增加無人機控制系統與通信鏈路，無人機操控員只須在地面控制站點擊操控臺或遙控器上的啟動或熄火按鍵，就可以完成無人機的啟動與熄火。

油電混合動力無人機的能量綜合管理

油電混合動力無人機的能量綜合管理屬于智能管理（IM）的范疇，是人工智能（AI）技術與管理科學、知識工程與系統工程、計算技術與通信技術、軟件工程與信息工程等多學科、多技術相互結合、相互滲透而產生的一門新技術、新學科。它在集成管理信息系統(MIS)、辦公自動化系統(OAS)、決策支持系統(DSS)、5G網絡與物聯網等系統功能的基礎上，應用人工智能專家系統、知識工程、模式識別、人工神經網絡等方法和技術，構建新一代人工智能管理系統。

無人機能量綜合管理概述

在無人機發展史上，油動無人機和電動無人機僅利用各自的分系統或組件的技術進步，來提高無人機的性能。隨著無人機技術的高速發展，特別是油電混合動力技術的推廣應用，這種“孤立式”各自分系統的設計方式已很難取得更大的效益。因此，性能先進的無人機設計必須綜合考慮各分系統之間的能量動態交互信息，探索新的控制策略，使無人機各分系統內部和分系統之間更有效地利用能量，挖掘各分系統整體組合、相互協調、共同運作的潛力，提高無人機的能量使用效率和飛行性能。

人工智能技術是計算機科學的一個分支，包含的內容十分廣泛，它研究如何使用計算機技術來模擬人類的某些思維過程以及學習、推理、思考、規劃等智能行為，是一門極富挑戰性的科學。近年來，人工智能技術取得了巨大進展，已經廣泛應用于工業、農業、交通運輸、航空、航天、航海、通信、企業管理等領域。

無人機擁有新穎的結構、高效氣動布局、獨特的飛行方式，已引起眾多行業用戶的關注和重視。短短幾年時間，人工智能技術在無人機中的應用已經取得突飛猛進的發展。

在市場需求和人工智能技術廣泛應用的大背景下，無人機能量綜合管理的概念應運而生。

圖1 油電混合動力無人機的能量綜合管理系統功能示意圖。

油電混合動力無人機能量綜合管理是應用人工智能技術，通過優化能量控制策略，在油電混合動力無人機整個飛行任務中，讓無人機與各分系統之間的電能和熱能實現動態、高效分配和管理。能量綜合管理目的是，控制能量在能源供應裝置與能源使用裝置之間的正常流動，使能源具有最高的使用效率。對油電混合動力無人機而言，能源供應裝置主要包括電池、發電機、電動機、燃油發動機、燃油和油箱等，能源使用裝置主要指旋翼、機載設備和任務載荷等。

油電混合動力無人機的能量綜合管理系統（Integrated Energy Management System，IEMS）是以微處理器為核心的電控系統，由微處理器、傳感器和控制器組成。能量綜合管理系統集合了感知、控制和驅動功能，能適時感知和響應系統內部能源的使用和分配，以及外界環境變化，做出判斷，發出指令，并執行和完成相應的反饋動作。

能量綜合管理系統利用無人機各種機載傳感器，可以獲得所須的信息，隨時向無人機地面控制站和操控員提供有用的信息，例如無人機飛行速度，飛行高度，飛行距離，電池的電壓、電流、溫度、剩余電量、充電狀態，油箱剩余油量，電動機和發動機的工作狀態等信息，使操控員心中有數。

無人機能量綜合管理系統的功能與特點

無人機能量綜合管理系統不同于分離式能量管理系統，它能通過無人機機載傳感器獲取外界信息，由微處理器做出判斷和決策，向控制器發出指令，然后控制器執行能源分配。現概括無人機能量綜合管理系統的智能功能。

（1）測量與感知功能

能量綜合管理系統能測量無人機負荷、位置、飛行速度、加速度、飛行高度、飛行距離、溫度、電壓、電流、熱量、電量、電耗率、油耗率、電池充電量、油箱剩余油量等指標的變化情況，以及感知無人機所處的環境條件。

（2）信息識別功能

能量綜合管理系統能夠識別和積累傳感器網絡獲得的各類信息，具有自動處理信息、去偽存真、判別原因、做出決策等能力。

（3）數據采集功能

能量綜合管理系統對所有測量和獲取的信息進行識別與處理，去除信息中的各種干擾信號后，將這些有效數據輸入微處理器，微處理器對有效數據進行處理、分發、儲存和管理。數據采樣速度、精度和前置濾波特性是衡量能量綜合管理系統性能好壞的重要指標。

（4）通信功能

傳感器網絡對系統輸入與輸出信息進行對比后，得出判斷結果，能量綜合管理系統將判斷結果提供給控制系統。與此同時，能量綜合管理系統即時啟動遠程通信功能，將判斷結果數據傳輸到遠程終端。

（5）適時響應功能

能量綜合管理系統能夠根據外界環境和無人機內部條件的變化，適時動態地做出響應，并采取必要的控制行動。

（6）自診斷功能

能量綜合管理系統能分析和比較無人機系統目前的狀況與過去的情況，對系統故障、系統判斷失誤等問題進行自診斷，并予以校正。

（7）自調節功能

能量綜合管理系統根據不斷變化的外部環境和無人機內部條件，及時、自動地調整無人機的狀態和功能，從而補充無人機的能量消耗，以一種優化方式對外界變化做出恰如其分的響應。

（8）安全管理功能

能量綜合管理系統利用安全管理功能，可監測電池的電壓、電流、溫度等指標是否超過極限，防止電池過度放電，尤其是防止個別電池單體過度放電，防止電池過熱而發生熱失控，當電池出現能量回饋時，防止電池過度充電，在電源系統出現絕緣度下降時，發出報警信息或強行切斷電源，當電源系統出現短路時，對電源系統實施保護等。

（9）電池熱管理功能

對大功率放電和在高溫條件下工作的電池組，電池的熱管理尤為必要。電池熱管理功能使電池單體溫度均衡并保持在合理的范圍內，以及對高溫電池實施冷卻，在低溫條件下對電池進行加熱等。由于溫度變化對其他參數有影響，所以一般以電池模塊的溫度作為控制的指令信號。

無人機能量綜合管理系統所具有的優良特性，對改進和提高無人機飛行性能具有重大意義，受到業界高度關注。

無人機油電混合動力系統的控制系統

能量綜合管理系統集合了感知、控制和驅動功能。其中，控制和驅動是最重要的功能之一。

（1）無人機在各飛行階段所須功率的控制

根據電動機和發動機的轉速、溫度等信息，以及相關控制設備的狀態信息，無人機油電混合動力系統的控制系統判斷電動機和發動機的工況，以確定發動機與發電機的功率分配策略，滿足無人機油電混合動力系統的動力性、經濟性、排放性等指標要求。

無人機油電混合動力的控制系統須與飛控系統、地面控制站進行數據交互，根據無人機的任務規劃信息，實時計算所須的能量，及時調節燃油發動機、電動機和發電機的工作狀態，實時監測油電混合動力系統的負荷、油門量、發動機轉速、電動機和發電機電壓、電池電壓、實時電流、溫度等信息。

功率分配策略與油電混合動力系統的組成關系密切，涉及發動機和發電機的狀態監測、性能匹配等核心技術，同時還與無人機構型有關。從無人機構型的總體設計入手，計算無人機所須的最大功率以及無人機在各種飛行姿態下的所須功率，以此確定無人機油電混合動力系統的發動機最大功率。

（2）無人機的伺服執行機構

大多數無人機采用舵機作為伺服執行機構。伺服執行機構的作用是輸出力矩和角速度，驅動控制面偏轉，其工作過程包括兩方面，一是通過主傳動系統的減速器帶動鼓輪轉動，操縱控制面偏轉，二是通過測速傳動系統的減速器帶動測速發電機旋轉，輸出與控制面偏轉角速度成正比的電信號，作為控制回路的負反饋信號，實現對控制回路的閉環控制。常用舵機有電動舵機、液壓舵機和電液復合舵機三種類型。

①電動舵機

電動舵機以電力為能源，由電動機、傳感器、齒輪傳動裝置和安全保護裝置等設備組成。測速傳感器是舵回路的反饋元器件，用于測量控制面偏轉角速度。

②液壓舵機

液壓舵機以高壓液體作為能源，是一種直接驅動控制面偏轉的舵機。

③電液復合舵機

電液復合舵機是電液副舵機和液壓助力器（電液主舵機）的組合體，既可用作舵機，又可用作助力器。

（3）電池荷電狀態估算

電池荷電狀態（SOC）用于反映電池的剩余容量，其數值定義是剩余容量占電池容量的比值，常用百分數表示。其取值范圍為0～1，當SOC=0時，表示電池放電完全；當SOC=1時，表示電池電量全部充滿。

電池的電池荷電狀態不能直接測量，只能通過電池端電壓、充放電電流及內阻等參數來估算其大小，而這些參數會受到電池老化、環境溫度變化及無人機飛行狀態等多種不確定因素的影響。電池的電池荷電狀態估算方法如下所述。

①內阻測量法

圖2 無人機在各飛行階段所須功率的示意圖。

內阻測量法利用不同頻率的交流電激勵電池，測量電池內部的交流電阻，并通過建立的計算模型，得到電池荷電狀態估算值。該方法得到的電池荷電狀態估算值反映了電池在某特定恒流放電條件下的電池荷電狀態值。

②線性模型法

線性模型法的原理是，基于電池荷電狀態的變化量、電流、電壓和上一個時間點的電池荷電狀態值，建立線性模型。這種模型適用于低電流、電池荷電狀態緩變的情況，對誤差和錯誤的初始條件測量，具有很高的魯棒性。

③卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法建立在安時積分法基礎之上。其主要思想是，對動力系統的狀態做出最小方差意義上的最優估計。

（4）電池充放電控制

無人機油電混合動力系統的本質是，燃油發動機將化學能轉換為電能，因此，該系統必然涉及電池的充放電問題。電池控制系統的主要功能是，測量電池的電壓及溫度，均衡電池能量，對電流進行采樣，計算電池荷電狀態值，產生各類報警數據，對電池的故障模式、充放電、瞬態補償進行管理等，并通過數據鏈路與地面控制站進行數據交互，使相關數據在地面控制站上顯示。

（5）瞬態功率補償

瞬態功率補償是一種發動機故障模式的處理辦法。當發動機過載或者工作不正常時，發電機所輸出的功率不能維持無人機的正常飛行，這時無人機油電混合動力系統瞬態功率必須存在一個正反饋和閉環控制。在備用電池與發電機之間安裝一個穩壓源硬件，來控制備用電池的輸出功率，利用瞬態功率補償算法，實現輸出功率的補償。

無人機能量綜合管理系統開發的指導原則

油電混合動力無人機的能量綜合管理系統開發和選用須堅持四個指導原則：能力、可靠性、敏捷性和經濟性。

（1）能力原則

能量綜合管理系統應對無人機電和熱相關分系統進行控制，使這些分系統滿足更大、變化更劇烈的電和熱載荷需求，為無人機更強的任務執行能力提供支撐。該系統利用整機資源共享，處理大的間歇性電和熱載荷，同時保護無人機的關鍵分系統不受間歇性電和熱載荷的影響。

（2）可靠性原則

無人機在飛行和執行任務過程中，能量綜合管理系統須確保無人機關鍵分系統的魯棒性和彈性運行。

（3）敏捷性原則

無人機所有分系統和設備供應廠商擁有的新技術快速應用到無人機能量綜合管理系統中，能夠根據工作任務的變化即時調整能量控制策略。

（4）經濟性原則

能量綜合管理系統開發和選用應降低開發成本、軟件驗證成本、無人機各分系統的生產成本，以降低無人機的總成本。

無人機能量綜合管理系統的設計方法

無人機能量優化技術是解決油電混合動力無人機能量管理問題的關鍵技術，對提高油電混合動力無人機的飛行性能和任務執行能力至關重要。在油電混合動力無人機設計過程中，應充分考慮各分系統之間的動態信息，克服傳統設計方案的局限性，利用分系統之間的動態交互信息來制定控制策略，克服傳統方案中余量設計過大的問題。

（1）采用多變量控制方法和預測控制算法，創建響應更快的系統

在無人機動力裝置設計中，技術人員過去通常假設無人機上的電和熱載荷變化緩慢，主要采用偽穩態分析方法計算能量。但是，對于油電混合動力無人機而言，電與熱相關分系統載荷具有更突出的動態特性，因而比例積分控制、基于規則的邏輯等傳統控制方法很難實現理想的系統動態響應特性。解決途徑是，在油電混合動力無人機設計過程中，技術人員采用多變量控制方法和預測控制算法，可有效解決系統更快響應特性的問題，其中多變量控制方法可以引入更高精度的系統信息和分系統間的交叉耦合，預測控制算法能針對預測的需求采取預期行動。

（2）優化控制策略，處理更大動態載荷

在過去，無人機電和熱相關分系統設計、開發和試驗彼此獨立開展，各分系統設計須要留有較大余量。在飛行和執行任務過程中，油電混合動力無人機會面臨更大的動態載荷，各分系統設計余量會很大，結果會導致無人機整個系統的重量和尺寸達到難以接受的程度。解決的途徑是，在油電混合動力無人機設計過程中，優化控制策略，使各分系統之間共享載荷和能源等信息，根據須要，分系統之間動態分配能源，提高系統能源的利用效率，降低各分系統的設計余量。例如，無人機能量優化技術采用層級式和分布式控制架構，分系統之間將能共享信息。

（3）快速集成新技術

在無人機設計過程中，如果采用“孤立式”分系統設計方法，只有減小分系統耦合才能回避系統集成的復雜程度，分系統與整個系統開放性考慮不足，新技術的快速應用受到制約。解決的途徑是，在油電混合動力無人機設計過程中，通過定義開放式架構和模塊化接口，降低新技術集成的難度。其中，開放式架構設計具有可分解性、可擴展性、交互性、可重構性、可重用性、可升級性等特點；模塊化設計是開放式系統架構的關鍵，可克服由系統間緊耦合帶來的復雜性。

（4）運用分布式控制技術

在油電混合動力無人機設計過程中，將其他領域的成熟控制技術應用于電與熱相關分系統的控制設計。例如，預測控制技術、自適應控制技術、以及可以支持控制系統在線重構的機器學習技術。

（5）采用開放式架構設計

在油電混合動力無人機設計過程中，可借鑒已有架構方案來設計電與熱相關分系統的架構，包括外場總線、互聯網協議、綜合模塊化航電、先進機載能力環境等。