無人機電池技術的進展

賀作豪

大多數無人機用戶最迫切的要求是延長航時和增加任務載荷。對民用用戶來說，這可使公司能快速收集高質量數據，創造更大的利潤。而對軍方來說，無人機傳感器持續獲取數據，可獲得更多的情報，增加完成任務的機會。

假如一架以電池為動力的四旋翼無人機只能在空中停留20～40min，需要再次充電，則用戶就需要采用多架無人機，以及主電源和幾個充電器，以確保始終有幾套充好電的電池可供使用，從而增加了業務成本。

研究人員還著眼于用一些新的方法為電池充電，特別是在偏遠和危險地區目前沒辦法為無人機的電池充電。而且，還有一些廠家在大力發展燃料電池技術，以期取得突破。

無人機尺寸和執行任務的不同，對動力的要求也是千差萬別。對小型無人機來說，幾個電池就可解決從推進到任務載荷用電的一切要求。像“全球鷹”這樣的大型無人機盡管需要采用渦噴發動機作為動力，但其機上的一些系統和發動機發生故障時的應急動力仍離不開電池。

“美洲豹”無人機電池的改進

航空環境公司生產的一系列小型I類無人機，包括“美洲豹”（Puma）、“渡鴉”（Raven）和“黃蜂”（Wasp）都通過由可充電的鋰離子電池驅動的電動機實現飛行。這些電池組件是可替代的，并可快速更換，使這些手持式發射無人機盡可能快地返回到空中。

最新的“美洲豹”AE（全環境）航時約3～4h，而以前“美洲豹”的航時只有約2h。航空環境公司已通過不斷監控電池技術及電池中的化學反應，并使其系統盡可能地高效，已延長了“美洲豹”無人機的航時。

“美洲豹”還具有一個即插即用電力適配器，以便與未來的電源集成。航空環境公司還發展了“美洲豹”的一種太陽能機翼型別，稱為“美洲豹”延程（XE）型，大大增加了平臺的航程，可實現9h的航時。

燃料電池

航空環境公司還將按與美國空軍研究實驗室和Protonex公司的合作項目，在“美洲豹”上采用燃料電池技術。“美洲豹”采用的燃料電池技術利用鋰離子蓄電池在起飛和俯沖機動期間提供峰值功率，而燃料電池本身則為蓄電池充電，并為平臺和任務載荷在巡航飛行期間提供恒定功率。在試飛期間，這種無人機續航約9h。

新加坡H3動力集團的一家分公司，HES能量系統公司在研究將先進的燃料電池技術應用于民用無人機。2016年，該公司與新加坡ST航空航天公司、DSO國立實驗室和新加坡國防部的未來系統和技術局合作，試飛了一架采用燃料電池的“天刀”（Skyblade）360無人機，在6h的時間里飛行了350km。

采用燃料電池最大的好處是它的比能為一般蓄電池的兩到三倍。最好蓄電池的比能約250Wh/kg，而取決于燃料電池的氫儲存技術，其比能可從500Wh/kg提高到近800Wh/kg。

HES公司已與其姐妹公司HUS無人系統公司合作，發展了Hycopter，一種采用氫燃料電池的四旋翼無人直升機，據稱攜帶1kg任務載荷能飛4h之久。Hycopter的新奇之處是其機體結構能儲存氫形式的能量。這種概念不僅可用于多旋翼無人機，還可用于固定翼無人機。

在“天刀”項目上，HES公司采用了便宜固態化學材料的2.5kg燃料電池系統，而不是普通燃料電池中的加壓氫氣。在未來，它將作為一個可處置卡件很易更換，很像蓄電池在電耗盡后被更換那樣。此系統的另一優點是重量輕，與它等效的蓄電池重量約為5kg。

無線充電

在民用無人機領域中，一些公司正在研究對平臺進行無線充電的可能性。新加坡HUS無人系統公司正在試驗的Dronebox就是這樣一種產品。它能為無人機電池自主充電，并將數據通過互聯網或衛星通信傳回到指揮中心。該公司看到這種產品有多種用途，包括基礎設施遠距檢查，警察或邊境部隊對周圍情況的監視，甚至包裹投遞系統。為了能真正自主工作數月或數年之久，Dronebox可由太陽能電池和燃料電池組合供電。燃料電池可由HUS無人系統公司的姐妹公司HES能量系統公司提供。

無人潛行器用電池的進展

不僅無人機需要長航時和較大的任務載荷能力，對于無人潛行器也有相同的要求。為此，一些公司正在研究能延長無人潛行器航時的電池技術。藍鰭（Bluefin）機器人公司（現為通用動力任務系統公司的一部分）為無人潛行器設計了可空運到世界各地的耐受水壓的稱為Quanta的鋰聚合物電池組件。Quanta能滿足水下環境中的各種電氣和外形因素的要求。

薩夫特電池公司（Saft）可為無人機、無人車和無人潛行器提供電池。該公司的超磷酸鹽鋰離子磷酸鹽電池技術已用在洛克希德·馬丁公司的“馬林”（Marlin）無人潛行器中。這種電池的工作電壓比普通鋰離子電池的低，更能耐受惡劣的環境條件，適合安全至關重要的水下使用。

美國海軍水面作戰中心的研究人員已成功地驗證了將電力從水下的入塢電力站水下無線傳輸到近旁的一艘中等尺寸研究型自主無人潛行器的電池，在2kW下進行充電。這樣就可顯著增加無人潛行器自主工作的時間。