基于燃料電池的無人飛機混合動力系統(tǒng)設計

王 珂， 陳維榮，李 奇，趙振元

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610000）

燃料電池作為一種清潔的新能源，以其零排放、高效率、高能量密度和質量輕等特點非常適合在移動場合應用。美國早在阿波羅登月飛船中就采用了燃料電池作為電源，奔馳、通用、豐田等各大汽車公司推出了各自的燃料電池汽車[1]，通用電氣、日本鐵路公司等研發(fā)出了燃料電池列車，國內西南交通大學也在進行燃料電池列車的研制。但在航空領域，燃料電池的應用還處在非常早期的階段[2]。波音和德國航空中心研制出了載人燃料電池飛機，美國、以色列、臺灣等少數(shù)國家和地區(qū)相繼研制成功無人飛機，但目前國內還沒有相關的研究報道。燃料電池無人機可以廣泛應用于國防、森林監(jiān)測、救災等眾多領域，對比傳統(tǒng)無人機，有續(xù)航時間長、低噪音、低紅外特征等優(yōu)點。

燃料電池雖然有高效率、高能量密度、低噪音、低紅外特征等優(yōu)點，但是其缺點為較低的功率密度和較軟的伏安特性，因此不適合功率突變以及瞬時峰值功率較大的應用。為了克服燃料電池的這種不足，混合動力是一種可行的方案[3]。混合動力可以有效結合幾種電源的優(yōu)點，已逐漸成為燃料電池應用的趨勢。本文設計了一種基于鋰電池與燃料電池的混合動力系統(tǒng)，作為無人機的電源使用，結合了兩種電源的優(yōu)點，使整體性能更好。

1 燃料電池和無人機

本文選用PHYX-220質子交換膜燃料電池(PEMFC)及鋰電池。燃料電池陰極使用空氣，利用自帶的風扇進行吸氣和冷卻，額定功率220 W，額定工作電壓24 V，氫氣進氣壓力0.05 MPa。電池堆由40片單電池串聯(lián)構成，單片電池結構如圖1所示。

在陽極催化層中，氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應[4]：

反應產生的電子由外電路經過負載到陰極，氫離子由質子交換膜到達陰極，在陰極發(fā)生還原反應：

典型的燃料電池I-V和I-P曲線如圖2所示，在燃料電池功率上升時，電壓下降很快。如果只考慮燃料電池的靜態(tài)特性，那么每個電壓值對應唯一的電流，也就是唯一的功率。

考慮到燃料電池及其儲氫罐質量比較大，故無人機采用起飛質量較大的滑翔機改裝而成。該機為玻璃纖維機身，翼展4 m，長1.7 m，起飛質量3.8 kg，如圖3所示。

圖2 燃料電池I-V和I-P曲線

圖3 改裝前的滑翔機

由于燃料電池體積較大，故在機身下方加裝吊艙和起落架以安放燃料電池，儲氫罐和控制系統(tǒng)放入原駕駛艙。加裝動力和控制系統(tǒng)包括電動機、40 A電子調速器、接收機、舵機和槳葉。

2 混合動力系統(tǒng)的設計

由于燃料電池內部發(fā)生的電化學反應的速度相對較慢，不能跟上突變的功率需求。因此如果使用純燃料電池供電，既滿足不了負載的需求，也會損害燃料電池并減少其壽命[5]。由于無人機加速的功率需求較大，最大功率可達到300 W，而且加減速可能比較頻繁，所以采用鋰電池和燃料電池的混合動力系統(tǒng)是一種合理的方案。根據(jù)燃料電池和鋰電池的特性，混合動力系統(tǒng)的設計目標是讓燃料電池最多只輸出其額定功率并且在增大功率時要比較緩慢。而鋰電池由于放電能力較強，將提供峰值功率和突然增加的功率。

2.1 混合動力系統(tǒng)硬件設計

由于無人機質量和體積的限制，除了實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的控制目標之外，還必須盡量減小控制系統(tǒng)的體積和質量，并盡可能采用簡單、可靠的控制電路以滿足可靠性較高的要求。為此，本文設計了如圖4所示的一個混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了鋰電池直接接入DC總線，燃料電池輸出由DC/DC(BUCK)控制的拓撲結構。這種結構由于鋰電池的接入使負載的電壓比較穩(wěn)定，并且結構比較簡單，所需元器件較少，可以有效減輕質量和體積[5]。同時，這種結構使系統(tǒng)的可靠性得到極大的提高，在燃料電池或者控制系統(tǒng)失效的情況下，也可以保證鋰電池給負載供電，使無人機有余力降落。

圖4 混合動力系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)中鋰電池的投入和切除靠圖4中的二極管實現(xiàn)，當DC/DC的輸出電壓高于鋰電池的電壓時，鋰電池不參與負載供電。當DC/DC輸出電壓等于鋰電池電壓時，電池和燃料電池一同向負載供電，此時DC總線電壓為鋰電池電壓不再服從DC/DC的占空比關系，DC/DC此時只起控制燃料電池功率的作用。由于無人機最大功率時電流約為20 A，燃料電池能提供約10 A電流，僅能維持無人機在空中飛行，在加速和起飛階段都要靠鋰電池一起供電，只有在降落的短暫時間里燃料電池有多余功率向鋰電池充電。同時，為克服增加充電單元所帶來的質量、體積和控制難度的增加，本文沒有設計燃料電池為鋰電池充電的充電單元。

采樣濾波模塊由分壓電阻和RC濾波器組成，信號接入單片機的AD轉換引腳。控制器采用C8051F340單片機，該芯片具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核，并且有10位的AD轉換器和多達5個可產生PWM波的PCA模塊。電壓信號經過AD轉換后在單片機內部進行處理運算，最后由PCA模塊發(fā)出PWM波到隔離驅動模塊。隔離驅動模塊由6N136高速光耦和IR2117 MOSFET驅動芯片組成，PWM波經過光耦隔離之后由IR2117直接驅動DC/DC中的MOSFET開關管[6]。

2.2 混合動力系統(tǒng)軟件設計

軟件主要工作為根據(jù)燃料電池電壓計算所需的DC/DC輸出電壓，發(fā)出PWM波，并且對燃料電池進行低壓保護。圖5為混合動力系統(tǒng)軟件流程圖。

圖5 混合動力系統(tǒng)軟件流程圖

程序初始化之后就開始測量燃料電池的電壓（該電壓已經過分壓和濾波處理），然后計算所需的DC/DC輸出電壓。DC/DC輸出電壓由式(3)可得：

式中：Vout為DC/DC輸出電壓；VFC為測量的燃料電池電壓。

由式(3)可知，燃料電池電壓從開路30 V到額定工作電壓的24 V，DC/DC輸出電壓從13 V線性降至12 V。由于鋰電池充滿后端電壓為12 V，當燃料電池達到額定工作電壓24 V之前，DC/DC輸出電壓大于12 V，鋰電池被二極管關斷，燃料電池單獨供電；當燃料電池電壓低于24 V時，DC/DC輸出電壓低于12 V，此時鋰電池切入DC總線，此時鋰電池提供額外的功率。本系統(tǒng)對于燃料電池來說是閉環(huán)控制，但是對于DC/DC來說是開環(huán)控制，當負載功率突然增大的時候會先拉低DC總線電壓，然后拉低燃料電池電壓，這時控制系統(tǒng)才做出反應。正是因為控制系統(tǒng)對燃料電池控制比較滯后，而DC總線電壓會先被拉低到12 V以下，此時鋰電池就會立刻切入，因此在遇到負載功率突然增加時鋰電池會首先供電。

3 混合動力系統(tǒng)實驗測試

整個無人機裝配完成后如圖6所示，主要的系統(tǒng)部件都在圖中標明，飛機其余部分可以參照圖3。

本文設計了3個實驗來驗證系統(tǒng)是否達到預期設計目標。實驗主要針對混合動力控制系統(tǒng)進行，飛機的電機和遙控等測試不再贅述。在實驗中采用EL1500電子負載進行測試，燃料電池、鋰電池、氫氣瓶和混合動力系統(tǒng)控制板如圖6所示。實驗分成3個部分，第一個部分用示波器觀察DC/DC的輸出，看輸出電壓范圍和電壓紋波是否滿足要求。當負載電流小于1 A時，DC/DC處于DCM狀態(tài)，續(xù)流二極管電壓波形如圖7所示。

圖7 續(xù)流二極管電壓與燃料電池電壓波形

在DCM狀態(tài)電感續(xù)流作用斷續(xù)，濾波電容的存在導致續(xù)流二極管電壓波形的畸變，最終輸出電壓偏大[7]，而DC/DC的開路輸出電壓為燃料電池的開路電壓。因此在DCM狀態(tài)下DC/DC輸出電壓很可能高于電機調速器能承受的電壓。解決方法為先開動電動機（此時鋰電池供電），再合上混合動力系統(tǒng)控制板的電源讓燃料電池供電。

在CCM模式下，DC/DC輸出電壓如圖8所示，輸出電壓紋波較小可以符合負載要求。燃料電池電壓波形也在圖8中顯示，紋波為MOSFET開關導致，由于燃料電池不允許充電，所以沒有加濾波電容。從圖8中可以清楚看到MOSFET閉合時燃料電池電壓下降，開通時電壓小幅上升，體現(xiàn)了燃料電池本身的伏安特性。

圖8 DC/DC輸出電壓與燃料電池電壓波形

第二部分實驗測試混合動力系統(tǒng)能否讓燃料電池最多只輸出其額定功率。實驗中讓電子負載緩慢增大功率，分別觀察記錄純燃料電池供電和混合動力供電兩種情況下的燃料電池電壓、負載電流和DC總線電壓。

從圖9可以看出，在燃料電池單獨供電時，隨著電流的增加燃料電池電壓不斷下降，根據(jù)燃料電池的靜態(tài)伏安特性（見圖2）可知燃料電池輸出功率在不斷地增大[1]。而當混合動力供電的時候，負載電流大約在3.7 A以后燃料電池的電壓就不再下降，并且維持在約21.5 V。這說明在3.7 A之后燃料電池輸出功率就沒有再增加，增加的負載功率都由鋰電池提供。

圖9 負載電流和燃料電池電壓關系

如圖10所示，純燃料電池供電時DC/DC輸出電壓和式(3)吻合，混合動力供電時DC總線電壓下降至鋰電池電壓之后鋰電池接入，最終導致DC總線電壓為鋰電池電壓。圖9和圖10說明2.1和2.2節(jié)的設計目標達到，當負載增大時DC總線電壓下降，在下降到鋰電池電壓之前由燃料電池單獨供電，之后由鋰電池和燃料電池共同供電，并且燃料電池最多只輸出其額定功率。

第三部分實驗測試負載功率突然增加時燃料電池功率變化情況，實驗步驟為讓電子負載電流從0突然增大到7 A，記錄燃料電池電壓和DC總線電壓。

如圖11所示，當負載突然增大時DC總線電壓從燃料電池電壓迅速降到鋰電池電壓，但是燃料電池電壓比較緩慢地下降到其工作電壓，并且最后呈平穩(wěn)態(tài)勢不再下降。這說明在負載突然增大的時候，燃料電池的功率是比較緩慢地上升至其額定功率的，并且最終穩(wěn)定在其額定輸出功率。因此鋰電池負擔了階躍負載中的大部分突變功率。

圖11 階躍負載時燃料電池和DC總線電壓

4 結論

本文根據(jù)燃料電池的特性和無人機的特性首先確定了該混合動力系統(tǒng)需要達到的目標，然后進行了軟硬件的設計，最后進行了實驗測試。測試表明該混合動力系統(tǒng)達到了以下兩個設計目標：(1)燃料電池最多只輸出其額定功率，剩余功率由鋰電池輸出；(2)負載功率突然增加時，燃料電池仍然緩慢增大其功率，突增的功率由鋰電池暫時提供。

該系統(tǒng)對負載而言使其能即時獲得所需的功率，而對燃料電池而言不會突然增大其功率也不會輸出超過額定的功率。因此該系統(tǒng)既滿足了無人機的需求，又增加了燃料電池的壽命，保證其安全。但該系統(tǒng)也還存在一些不足，如不能給鋰電池充電，由于二極管的使用使得系統(tǒng)整體效率不是很高等。但相信隨著燃料電池功率密度的進一步提高[8]和控制系統(tǒng)的進一步完善，這些問題可以逐步得到解決，燃料電池無人機必將在軍事、測繪、救災等各方面大有作為。

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