用于高空任务的轻型无人机被动混合动力装置性能分析
创新点：
在稳态试验中，动力装置将累计效率提高到7%以上。
对于高功率需求，直流总线的电压由锂离子电池控制。
所需电流的突然变化被平滑化，从而延长了堆叠寿命。
净化频率和持续时间随发电功率的变化而优化。
考虑到储气系统，可以达到目标高度。
关键词：
质子交换膜燃料电池 高温 无人机 锂电池 被动混合动力装置
摘要：
本研究的目的是分析被动混合动力装置控制系统的性能，该系统将被应用于能够飞行到10000米高空的对流层的轻型无人机上。该无人机的动力装置基于一个高温质子交换膜电池与一组锂电池并联，由两个功率二极管调节。在稳态下的测试表明，采用混合系统可以提高累计的效率超过7%，这是因为主直流总线的电压受到电池的限制。被动控制系统的可靠性通过长期试验得以证明，试验中对控制系统在上升飞行中所需的平均功率施加了plusmn;15%的随机扰动。堆栈与电池消除了由电池组产生的电流的突然峰值，避免了电池组迅速的退化现象，这种现象会大大缩短了它的使用寿命。研究表明，使用被动混合动力装置，可以通过储气系统达到目标高度。在考虑应用时，则与一般发电厂的情况相反。
1、引言
任何飞行器的推进系统包括四个主要部分，分别是：能源、存储介质、机械能量转换器和升/推力转换器。目前，大多数的无人机（UAV）平台使用传统的燃料和内燃机形式，这种形式由军事工业发展而来，因而技术成熟可靠。在最近几年，人们对于发展基于全电力系统的无人机有了越来越广泛的兴趣，这是因为其低噪声水平和难以通过热循迹的特性正是在军事应用中所需要的。然而，全电力无人机的最大缺陷是它的飞行范围。
一种解决方法是将不同的能源形式以串联、并联或串并联的方式进行连接，这种方法被称为混合动力，混合动力的实现将能确保高能量值和高功率系数。第一个混合动力装置（HPP）基于ICEs，它实现了消耗率的显著降低。混合电力控制系统可以是主动的，也可以是被动的。主动系统采用基于直流或直流变换器的能量控制和管理策略，而被动系统则是通过直接连接或使用功率二极管来调节主直流母线上不同电源的电压。主动系统通常会包括控制算法，从而可以在制动过程中回收能量以降低油耗。这种系统通常被用于重量不是限制因素的运输应用中，例如汽车、卡车、公共汽车、大型游艇或船舶。然而，即使把电子小型化的最新成果考虑在内，把重型电感器作为滤波器应用在直流/直流变换器中也将极大地限制在轻型无人机上安装主动控制系统的可能性。被动系统的主要优点是成本低、简单、重量轻、可靠性高，这些正是在无人机应用中所需要的。但是，在设计和挑选控制系统原件时必须解决的一个问题是，不同能量源接在主直流母线上的电压必须相等。一些作者认为，把电池作为一个简单的能量缓冲器，可以保证动力装置的动态性能。因此，HPP的比能量与燃料电池的比能量几乎相同，但提高了比功率。
本研究的目的是优化适用于能上升至10000米高度对流层的轻型无人机的被动混合动力装置的控制系统运行。P-HPP是基于高温质子交换膜燃料电池（HTPEMFC）和锂聚合物电池（LiPo）来改善其动态性能的。为此，要设计和制造不同的电子电路。一种商用Arduino单片机被用来对P-HPP进行自动控制。
2、被动混合动力装置说明
本无人机所考虑的P-HPP电气布置图方案如图1所示。它由高温质子交换膜燃料电池和一组锂离子电池两个电源组成，由于它们的高比能范围在170到270 W- h kg之间，因此很常用。除此之外，本研究还包括HTPEMFC的简单动力装置的性能。然而，选择混合配置有两个主要原因。一方面，P-HPP中的锂离子电池确保了在高温质子交换膜燃料电池突然失效的情况下安全回收无人机所需的功率最少。这种方法可以被理解为降低飞行器的受控度，由于重量限制，电池组永远无法提供完成任务所需的动力。另一方面，正如后文中将讨论的，锂离子电池中的能量提高了动力装置的动态性能。
在摘要中展示了一些关于螺旋桨在10000米的高对流层在恒定功率下上升所需的功率的数据分析，在摘要中同样可以找到无人机平台的主要气动特性。总之，对于考虑使用在本项目中的无人机，必须要能向螺旋桨提供422.5W的功率，才能完成高空任务。因此，考虑到推进系统（从直流总线到螺旋桨）的效率为68.4%，直流总线所需的最小功率为617.7W。依据总线上的电压水平的高低，高压质子交换膜燃料电池和锂电池都可以向主直流总线供电。如果所有的电力都由HT-PEMFC提供，则额定值将增加到688.5W，考虑到烟囱辅助系统的额外损耗为10%，等同于控制电子设备所需的功率。另一方面，如果所有的能量都由电池来提供，由于电池中只有极小的功率二极管的损耗需要考虑，所以效率更高（98%），也就只有630.3W。任务三个阶段（海平面巡航、恒功率爬升和目标高度巡航）所需功率的总结见表1。还应注意的是，锂离子电池的性能也会受到放电过程中电化学行为的影响。放电速度越快，电池的性能就越差，也就意味着能够释放的能量更少。
2.1. 高温质子交换膜燃料电池组
本项目制造的燃料电池是一个非常紧凑、重量轻的原件，由巴斯夫燃料电池公司提供塞尔特P-1100高温测量，标准矩形有效面积为81.28平方厘米，原始厚度为1毫米（无压缩）。工作温度从120℃到180℃不等，反应气体不需要加湿。有关这些MEA特性的详细描述皆在参考文献中。高温质子交换膜燃料电池组是由50个单极片石墨制成的电池（阳极板厚1.5 mm，阴极板厚2.1 mm）组成的，这样它就能工作在低电流密度下，它的使用寿命也就由此延长。在这种配置下，烟囱能够在升空飞行过程中以0.28 A cm的低电流密度提供螺旋桨所需的686.3 W功率。当电流密度为0.363A cm2，每个电池的电压为0.503V时，最大功率为805W。反应气体采用纯度为99.999%的氢和氧alpha;1。为了简化系统的复杂性并限制辅助系统的总重量，反应气体要求为室温，工作压力为0.5巴。两种气体都在死区模式下工作。图2显示了该工作过程中的极化曲线，其中包括水平轴上的电流密度和垂直轴上每个电池的电压和功率。由于元件具有50个81.28 cm2的活性表面单元，故图2可容易地通过重新缩放以描述总电流、电压和功率值。应特别提出，电流应达到60A，总叠加电压应在15V到50V之间，功率范围应在100W到1100W之间。虚线对应的是上升飞行期间直流总线所需最大功率的操作点，即30.6 V、22.5 A和686.3 W。
图1 无人机被动混合动力装置电气布置图
2.2. 锂电池
锂离子电池的大小受限于无人机的总重量必须低于16kg，在此条件下应尽可能大。构成不同系统的元件的重量如下：
机身：3512克（21.9%）
高温质子交换膜燃料电池：3873克（24.2%）
控制电子：192克（1.2%）
储气系统（GSS）：6353 g（39.7%）
电机：570克（3.6%）
有效载荷：150 g（0.9%）
总重为14650g，因此，锂离子电池的最大剩余重量为1350克，占总重量的8.5%。
串联电池的数量取决于所需的总电压，该电压应与HT-PEMFC兼容，并联元件的数量受总有效重量的限制。对于本项目，电池组由10个串联锂电池（10S）组成一个单链（1P），此配置称为10S1P。总重量为1343g，假设平均电化学放电效率为95%，二极管效率为98%，最大储能为299.1w-h，则应有8.1a-h的容量和191 w-h-kg1的比能，放电深度为92%。
2.3. 电力系统
在这些初步试验中，所有电路都安装在原型板上，但将制造合适的电路板，以将它们集成到无人机动力装置中。所有电气元件的测量系统都包含在电源板中，需要5 V直流电。它由LTS 25NP霍尔效应电流传感器、用于HT-PEMFC和锂电池的电源二极管、用于电压测量的几个电压分路器和两个连接器组成，一个用于控制板，另一个用于为测量电子设备供电。
气体控制系统中使用两块板，每种反应气体一块。低功率继电器用于调节气体供应阀，IRF543 MOSFET晶体管用于控制吹扫频率和时间。而这两个元件是由BJT 2N3904BU晶体管控制。为了控制排气温度，需要一个冷却系统控制电路和一个温度测量板。如果集成到无人机中，该系统需要比例输出来调节滑动锥和可移动闸门的位置，以固定排气管周围的冷却流量。参考文献中给出了该无人机被动冷却系统的完整描述。但是，应注意的是，在试验台上进行的试验中，实际系统用4个轴流风扇进行了模拟。为了控制风扇系统移动的气流，使用集成在HT-PEMFC板中的B57540G1104F热敏电阻测量的堆栈温度的PWM信号。电阻直接在主电路上测量，控制板由惠斯通电桥供电，电压为3.3 V。
采用基于Atmel Sam3x8e Arm Cortex-M3 CPU的Arduino-Due微控制器对不同的电气参数进行监控，采样率为84MHz。该装置集成了动力装置所有传感器的控制，专门设计用于需要灵活性、可靠性和高性能的应用中。它有54个数字输入/输出引脚以3.3 V的电压运行。从这些引脚中，12个引脚可以用作PWM输出，而其他12个引脚是12字节的模拟输入。除其他端口外，它还具有4个通用异步收发器（UART）硬件串行端口。在测试过程中，数据是在连接到其中一个串行端口的SD卡中获取的。高温质子交换膜燃料电池组和锂离子电池连接到二极管上，确保电流由可用电压最高的电源供应到直流总线上。
3、结果
为了分析P-HPP的性能，我们在试验台上进行了不同的试验和测量。在实验中，螺旋桨在不同飞行阶段所需的功率（见表1）由电子负载模拟。因此，P-HPP的直流总线是连接到BK Precision IT8514F可编程动态电子负载上的。针对不同的需求功率值，需要测量每个元件的电流和电压的结果值。通过与以高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）为唯一动力源的简单动力装置（SPP）的比较，我们研究了HPP的稳态特性和动态响应。最后，为了研究P-HPP的性能，我们进行了一次长期试验，模拟了一次持续1小时的飞行。为了控制长期试验期间的飞行状态，我们将动态电子负载的通信端口连接到无人机微控制器板上，在该板上存储了作为时间函数的所需功率的不同曲线，以此来模拟真实的无人机自动驾驶仪指挥员。
图二a）高温质子交换膜燃料电池组的极化曲线；b）带有主传感器的流程图
3.1. 稳态性能试验
在本试验中，针对可编程动态电子负载在直流总线上的不同功率需求，分析了各电源（HTPEMFC堆和锂电池）的电性能。即使当锂离子电池的充电状态（从80%到55%）以及电压（从38 V到35.3 V）在试验过程中发生变化时，考虑到高温质子交换膜燃料电池组的工作模式，也可以看作稳态。因此，在该试验过程中，避免了直流总线所需功率的突然变化，并且在每一个试验点的电流保持稳定至少1分钟后进行测量。结果显示在图3中，图中我们可以观察到，对于小于5 A的电流，直流总线的电源仅由stack提供。然而，由于二极管的损耗，在PHPP的直流总线上测得的功率要比HT-PEMFC提供的功率低5%。事实上，我们发现二极管中的电压损失随电流的变化而变化，在最大需求点从0.5 V变化到1.5 V。当所需电流达到5 A时，电池组的电压等于锂离子电池组的电压，这时开始向直流母线供电。从这一点开始，P-HPP的性能曲线与高温质子交换膜燃料电池的极化曲线分离，即使要求的电流增大，也能仍保持高电压。尽管如此，对于5 A至12 A的电流，叠层的行为与在试验台上获得的图2a）中预测的也非常相似。
为了量化电缆和功率二极管中的功率传输损耗，需要计算混合配置中的电子效率和堆叠性能。结果如图4a）和b）所示。图4a）的值是根据方程式P-HPP的效率计算得出的，其中p是功率（单位：w），下标的DC bus stack y batt是指在DC总线上测量的功率，以及由高温质子交换膜燃料电池组和锂电池产生的功率。
图3功率曲线作为p-hpp所需电流的函数
在图4b）中，将在试验台上获得的高温质子交换膜燃料电池组（虚线）的电化学性能曲线与两种不同情况下装置（被动HPP和SPP）的效率进行比较，此过程中，高温质子交换膜燃料电池组是唯一的电源。图3中绘制的高温质子交换膜燃料电池组的功率是总发电量，其中一部分消耗在辅助系统（冷却和供气系统以及控制电子设备）中。在低电流负载下，这些系统的附件功率消耗为12W，导致装置效率低于10%。因此，控制系统的配置得保证当直流总线中的所需电流低于3 A时，所有电能必须由锂离子电池提供。这种行为与在不考虑辅助系统实际消耗的情况下进行高温质子交换膜燃料电池极化曲线时所获得的行为有所不同，这种情况下，电流越低，效率越高。
最大效率为3.2A，对应143W的功率。从12瓦低负荷到32瓦最大叠加功率的备用功率补偿范围。根据飞行过程中的计算，最大备用功率接近20瓦，这与备用冷却系统的低功耗有关[23]。在以桥接模式运行期间，最大备用功率接近20瓦。（高于3.2a），发电厂的最低效率为93.4%，电流为29.15A，对应于948.8W的CBU的电力负荷。此时，燃料电池发电量占总功率的47.6%，效率为44.3%。对于该发电厂，燃料电池的最大发电量约为800W，其中转换效率高达36.4%，在操作点对应于测量功率（617.7%的CBU），燃料电池发电量占总功率的55%，电池电池发电量占总功率的45%，有效的电力性能为94.5%，电池发电效率为46.4%。或者，HT-PEMFC应提前交付675.8W实际效率为91.4%。
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英语原文共 9 页
资料编号：[5164]
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