以无人机为载体的氢电混合动力供电系统的研究

文/丁树凯 刘海 徐义磊 吕兵 王明

无人机正在朝着多元化的方向发展，例如在传统农业生产中，利用无人机喷洒农药，解决了低效、强度大的问题。一个理想型的无人机，应该具备续航能力强的特性。本文详细介绍了锂电池与燃料电池的特性，分析了各自优缺点，并设计出了一种氢电混合动力供电系统。

1 混合动力供电系统的特点与方案设计

1.1 氢电混合动力供电系统的特点分析

图1：氢电混合动力供电系统拓扑

氢电混合动力供电系统主要由锂电池、燃料电池、氢气发生装置、电流控制模块及其他辅助电子设备组成。

1.2 氢电混合动力供电系统的方案设计

氢电混合动力供电系统是锂电池/燃料电池混合式供电系统，其拓扑结构如图1所示。方案中燃料电池与锂电池混合供电，利用二极管低功耗单向导通性的特性处理燃料电池与锂电池并联的电压匹配问题。避免了初期锂电池电压较高对燃料电池充电。

2 实验装置介绍

2.1 氢气原理及发生装置

氢气和氧气是燃料电池的反应物，氧气来自空气。本文选择制作氢气发生装置，以NaBH4作反应物，H3BO3为催化剂制取H2。

反应方程式为：NaBH4+2H2O→4H2↑ +NaBO2

瓶盖与氢气收集瓶可拆卸，溶液释放瓶固定在瓶盖上，导管与瓶盖连接，均做密封处理。溶液释放瓶中加入30ml弱酸性溶液，药品为硼氢化钠与硼酸的固体混合物。

操作：装置平放，配好药品，用渗透纸包裹平放在瓶底，向溶液释放瓶注入弱酸性溶液，关闭阀门。后将瓶盖拧紧，应时刻保持溶液释放瓶缺口处向上。在确定拧紧后，将装置由平放逆时针竖直放置。溶液从溶液释放瓶滚落，与药品接触，反应发生。

2.2 试验选用设备具体参数

表1、表2是实验选用设备的详细参数。

我们选用12V、40W的直流灯泡作为替代负载进行实验。

3 试验研究与结果分析

为了验证氢电混合动力供电系统相较于纯锂电池与纯燃料电池供电，所具有更高的续航能力及其他的优越性，本文设计了三组实验。分别用三个供电设备为负载供电，直至设备电量用完。

3.1 锂电池、燃料电池为负载供电

图2、图3是前两组实验数据图，锂电池及燃料电池单独为负载供电。

从图2看出锂电池电压从最初的12.54V随时间下降到11.19V，电流从最初的3.08A随时间下降到2.72A。电流电压总体趋于下降趋势，下降区间较小，基本无波动。输出十分稳定可靠。

本文选取了1.52g硼氢化钠和4.92g硼酸参与反应。图3是燃料电池电流电压随时间变化曲线。65-69秒，电流电压陡降趋于0，是未能控制好氢气流量所致。在促进药品反应制氢后，又于69秒后趋于正常。114秒之后，因药品损耗，电流电压逐渐下降。波动的原因是未能控制好氢气流量。若能稳定输出氢气，可以猜测燃料电池U/T、I/T应是两条趋于水平的直线。可见，燃料电池比锂电池输出功率更大，只要维持氢气流量稳定，输出功率也稳定。

3.2 氢电混合动力供电系统为负载供电

这一实验是氢电混合动力供电系统为负载供电，供电系统是根据图1的拓扑图进行设计。由图4发现：

（1）从启动至138秒内，锂电池的电压基本维持不变，电流基本为0。燃料电池输出电流电压。可见此时供电系统中只有燃料电池为负载供电，而锂电池基本没供电。

（2）从138秒至最后，锂电池输出电压电流。燃料电池电流趋于0，电压在138-280秒区间内有波动，之后趋于0。可见138秒之后燃料电池药品消耗，不能再为负载供电。在停止工作瞬间锂电池开始工作，继续为负载输出功率。

（3）在65-83秒区间内，燃料电池电流突然降低，与此同时，锂电池作为储备能源电流突然增加，补充功率差。

3.3 锂电池、燃料电池、混合供电系统三者的比较

完成三组实验，将混合动力供电系统、纯锂电池以及纯燃料电池供电时间进行了对比。混合动力供电系统供电时间：704秒；纯燃料电池：128秒；纯锂电池：536秒。混合动力供电系统的供电时间比后两者相加的时间还要长40秒。

?

?

图2：锂电池U/T、I/T折线图

图3：燃料电池U/T、I/T折线图

图4：混合动力供电系统U/T、I/T图

4 总结

根据以上三个方案数据评估以及可行性分析，得出以下结论。

（1）锂电池连接负载后，随时间功率逐渐下降，但幅度较小。能较为稳定可靠的输出功率，维持负载运行。作为储备能源瞬间功率输出能力强。但锂电池容量固定，也限制了无人机的续航时间。

（2）氢气流量稳定是燃料电池稳定输出功率的前提，因通过化学反应供电，不会有锂电池固定容量的限制。理论上只要氢气能够稳定充足的供应，燃料电池可以一直为负载供电。但其功率瞬间变化能力不足，限制其发展。

（3）氢电混合动力供电系统是锂电池与燃料电池混合供电。它具有燃料电池与锂电池的优点，且弱化了各自的缺点。燃料电池可以延长无人机的续航时间，在无人机功率突变时，锂电池又可以瞬间补充燃料电池不能及时满足的功率差值，满足无人机的飞行要求，降低无人机的事故率。