太陽能無人機能源系統輕型化設計研究

陳中

摘要：能源系統是實現太陽能無人機長時飛行的關鍵所在。目前，能源系統質量占比嚴重制約了無人機的快速發展，因此能源系統的輕型化是無人機總體設計的一個重要研究內容。從太陽能電池、儲能電池、電能變換裝置、配電設備等方面研究了能源系統的減重設計，介紹了利用能量管理技術提高能源系統效能以降低能源系統質量的控制思路。

關鍵詞：太陽能無人機;能源系統;電池;能量管理

中圖分類號：V279

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.049

太陽能無人機由于飛行高度高、巡航時間長等特點，取得了突飛猛進的發展[l]，但要實現長航時飛行，能源、推阻與升重平衡等問題亟待解決。能源、推力、升力均與無人機的質量密切相關，因此太陽能無人機的輕型化設計尤為重要。太陽能無人機的輕型化設計是涉及材料、結構、強度、動力、能源等多個學科，既需要從總體上宏觀調控，又需要各分系統專業從微觀方面努力。針對能源領域，闡述了太陽能無人機的能源系統基本組成，研究了其輕型化設計技術。

1 太陽能無人機能源系統組成

縱觀無人機發展歷程，為了實現長航時，能源系統通常采用太陽能電池與儲能電池聯合供電的技術路線。能源系統基本組成為太陽能電池、MPPT控制模塊、儲能電池、DC/ DC電源、應急電池、電機驅動器及配電柜，太陽能電池屬于一次能源，儲能電池、應急電池屬于二次能源，MPPT控制器、DC/DC電源及電機驅動器等電能變換裝置屬于電力電子電路范疇，配電柜屬于配電設備。

2 能源系統輕型化設計

2.1 太陽能電池

2.1.1 新型太陽能電池

傳統應用于電力系統領域的單晶硅或多晶硅太陽能電池，光電轉換效率約為22%，面密度一般達到10 kg/m²左右，質量性能遠遠不能滿足太陽能無人機使用需求。一次能源太陽能電池進行減重設計的主要方法是研究新型的輕質高效太陽能電池，減小面密度與提高光電轉化效率。各國學者都在致力于研究輕質高效太陽能電池技術，主要有異質結薄型太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、非晶硅太陽能電池等，這些電池組件面密度基本可以達到300 - 650 g/m²左右。其中，砷化鎵太陽能電池單體效率高達33%左右，組件面密度約為500 g/m²，目前在太陽能無人機領域應用最為廣泛。

2.1.2 太陽能電池結構一體化

太陽能電池陣列在機身上的布局形式，對于無人機總體設計減重，提升發電效率都有重要的作用。在太陽能無人機總體設計層面進行減重的措施有：①選擇透光性能良好，具有較好柔性與機械強度的高分子膜作為太陽能電池組件封裝材料;②研究利用太陽能電池組件與無人機機翼蒙皮一體化技術，太陽能電池組件直接作為無人機機翼蒙皮。

2.2 儲能電池

2.2.1 新型儲能電池

由于太陽能電池夜間無發電能力，太陽能無人機必須配置儲能電池，從而實現無人機的跨晝夜長航時飛行。目前大多數無人機儲能電池采用鋰離子電池，技術成熟，但能量密度較低，通常只有150 - 250 Wh/kg。現有典型太陽能無人機案例中，儲能電池質量占比嚴重制約了無人機長航時飛行以及帶載能力。瑞士“陽光動力2號”總質量2 300 kg，儲能電池質量633 kg，占比達27.5%[2]。為了解決儲能電池能量密度較低引起的無人機能源系統笨重問題，發展新型高能量密度儲能電池是太陽能無人機減重設計的一個重要研究方向。

2.2.1.1 鋰硫電池

鋰硫電池理論能量密度可高達2 600 Wh/kg，是傳統鋰電池能量密度的數十倍。國外鋰硫電池研究較早，英國OXIS公司、美國Sionpower公司都在致力于相關產品開發，Sionpower公司已經開發出能量密度在400 - 500 Wh/kg的鋰硫電池?？梢灶A見，采用鋰硫電池作為無人機的儲能電池，可以大大降低其質量占比。

2.2.1.2 鋁空氣電池

鋁空氣電池是將鋁作為燃料的新型電池，理論能量密度可高達8 100 Wh/kg，國內外已有產品的能量密度可達到600 Wh/kg。鋁空氣電池放電終止時鋁電極消耗殆盡，需要重新更換鋁板電極，因此鋁空氣電池相當于“一次電池”。無人機正常飛行時，應急電池處于待機狀態，無人機故障緊急降落時，應急電池才開始放電提供電能，采用鋁空氣電池作為應急電池是減重設計的一個可行方案。

2.2.2 儲能電池結構一體化

儲能電池結構一體化[s]最早由美國公司提出，將儲能電池安裝在衛星內部的復合材料夾層結構中，使儲能電池既可以提供電能又可以作為承載結構件，從而減輕能源系統質量，提升儲能電池能量密度。大型太陽能無人機儲能電池規模往往比較大，采取儲能電池分布式配置技術，結合太陽能無人機在機身內部空間，形成儲能電池結構一體化設計，如圖1所示。機翼內部采用碳纖維材料做成圓柱形肋梁，根據肋梁尺寸結構，將部分儲能電池做成與之匹配的圓柱形狀，安裝在肋梁中，可以有效實現無人機總體設計減重。

2.3 電能變換裝置

2.3.1 新型開關器件技術

功率開關器件IGBT、MOSFET以及二極管是電能變換裝置的重要組成部分，對于其質量指標、性能影響很大。目前功率開關器件多為基于Si材料的半導體器件，傳統Si材料開關器件存在導通電阻與功率損耗較大，嚴重制約了電能變換裝置功率密度的提高。近年來，碳化硅作為一種新型寬帶材料，具有高擊穿場強、高熱導率特性，在電力電子領域成為研究熱點。相比Si材料，SiC材料具有更高的能隙參數和熱導率，耐高溫能力更好，因此SiC器件可以采用簡單的冷卻方式，降低對散熱器的要求，提升電源模塊功率密度。相比Si材料，SiC材料具有更高的臨界場強，使得在相同耐壓等級下，SiC器件的尺寸更小，導通電阻更小。例如，日本日立公司基于Si與SiC材料的3 300 V/1 200A功率器件對比，SiC器件尺寸減小了約30%。