太阳能∕氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252016V01．37No．1144．162ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca太阳能／氢能无人机总体设计与能源管理策略研究刘莉*，杜孟尧，张晓辉，张超，徐广通，王正平北京理工大学宇航学院，北京10008]摘要：针对小型低空长航时电动无人机需求，给出了太阳能／氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面，综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性，提出了一种考虑全机

2、重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略；建立了能源系统模型，给出了能源控制流程，开发了能源管理仿真平台。以1．5kg任务载荷为例，完成了无人机总体方案设计，仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明：能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率，满足各阶段的功率需求；无人机在冬至El航时为21h、夏至日可实现跨昼夜飞行；在能源系统重量相同情况下，该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5．5倍和1．2倍。关键词：太阳能；氢能；长航时；电动无人机；总体设计；能源管理中图分类号：V221．2文献标识码：A

3、文章编号：1000—6893(2016)01—0144—19电力驱动无人机与传统油动无人机相比振动小、声热信号特征低、隐身性能优异，启动、操作和维护都较为简单，且零排放、无污染，可为有效载荷提供较为稳定的搭载平台。军事上适用于执行军事侦察、监视和巡逻等任务，民事上适用于航拍测绘、环境监测、交通监控以及科研活动等，已经成为国内外研究的热点。目前采用传统蓄电池的电动无人机相对于油动无人机最大的缺点是续航时间有限、载荷量低，因而导致该类无人机的应用受到限制。随着新型能源如太阳能电池、燃料电池的发展，以及航空蓄电池能量密度的不断提高，长航时甚至超长航时电动无人机成为

4、了可能。根据所使用能源的不同，长航时电动无人机的发展主要集中在以下两个方向：太阳能无人机和燃料电池无人机。太阳能无人机以太阳辐射作为能量来源[1]，通过太阳能电池将太阳能转换为电能，配合储能蓄电池驱动电机和螺旋桨为无人机提供动力。由于平流层具有更加理想的光照、温度和气流条件，太阳能无人机更倾向于向高空发展。作为太阳能电池无人机的范例，由美国研制的太阳能无人机“太阳神”曾在2011年创造了30．5km的飞行高度记录，并且实现了20h的连续飞行[2]。该类无人机通常需采用超大展弦比轻质结构，减小结构重量[3q]。其总体设计比传统飞机设计更复杂，存在重量与能量之间

5、的耦合关系[5]，设计过程要以能量为核心[4]，建立供能关系、升力与重力的关系。尺寸大、翼载小、载荷低、超大展弦比和结构轻等特点使得太阳能无人机结构较弱，气动弹性问题严重，影响飞机的操控性、稳定性和安全性。燃料电池无人机采用氢燃料作为能源，将氢气的化学能转化为电能为无人机电动力系统提供收稿日期：2015-08—20；退修日期：2015-09．07；录用日期：2015—10—12；网络出版时间：2015．10．2616：47网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V201510261647008htm*通讯作者Tel：010-

6、68914534E-mail：liuli@biteducn孑{用撂式

7、期莉，杜孟尧，张晓辉，等．太船能／氢能无人机总体设讨与能源管理策略研究￡∞航空学报，2016，37(1)：144．162．LIUL，DUMY，ZHANGXH，eta1．ConceptualdesignandenergymanagementstrategyforUAVwithhybridsolarandhydrogenener-gyCJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016。37(1)：144．162．刘莉，等：太阳能／氢能无人机总体设计与能源管

8、理策略研究功率。航空用燃料电池具有转换效率高、功重比高、能量密度大等特点[6。7]，因此，无人机的结构可以更强，翼载可以更大，降低了长航时电动无人机的设计难度。配合蓄电池弥补其动态特性差、瞬时输出功率小的问题[8。9]，使电动无人机具有更强的机动性，适应中低空的环境。作为燃料电池无人机成功的范例，由美国海军研究实验室研制的氢燃料电池无人机“离子虎”号，成功地完成了26h的飞行试验。但与传统油动无人机类似，燃料电池无人机航时也要受限于其携带的氢燃料。为了追求更长的航时，人们也在尝试太阳能与燃料电池相结合的途径。如美国在太阳能无人机的基础上加装燃料电池(太阳神3

9、)，以解决蓄电池能量密度低的问题，结果由于高翼载荷下