基于燃料電池的無人飛機(jī)混合動力系統(tǒng)設(shè)計

王 珂， 陳維榮，李 奇，趙振元

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610000）

燃料電池作為一種清潔的新能源，以其零排放、高效率、高能量密度和質(zhì)量輕等特點非常適合在移動場合應(yīng)用。美國早在阿波羅登月飛船中就采用了燃料電池作為電源，奔馳、通用、豐田等各大汽車公司推出了各自的燃料電池汽車[1]，通用電氣、日本鐵路公司等研發(fā)出了燃料電池列車，國內(nèi)西南交通大學(xué)也在進(jìn)行燃料電池列車的研制。但在航空領(lǐng)域，燃料電池的應(yīng)用還處在非常早期的階段[2]。波音和德國航空中心研制出了載人燃料電池飛機(jī)，美國、以色列、臺灣等少數(shù)國家和地區(qū)相繼研制成功無人飛機(jī)，但目前國內(nèi)還沒有相關(guān)的研究報道。燃料電池?zé)o人機(jī)可以廣泛應(yīng)用于國防、森林監(jiān)測、救災(zāi)等眾多領(lǐng)域，對比傳統(tǒng)無人機(jī)，有續(xù)航時間長、低噪音、低紅外特征等優(yōu)點。

燃料電池雖然有高效率、高能量密度、低噪音、低紅外特征等優(yōu)點，但是其缺點為較低的功率密度和較軟的伏安特性，因此不適合功率突變以及瞬時峰值功率較大的應(yīng)用。為了克服燃料電池的這種不足，混合動力是一種可行的方案[3]?；旌蟿恿梢杂行ЫY(jié)合幾種電源的優(yōu)點，已逐漸成為燃料電池應(yīng)用的趨勢。本文設(shè)計了一種基于鋰電池與燃料電池的混合動力系統(tǒng)，作為無人機(jī)的電源使用，結(jié)合了兩種電源的優(yōu)點，使整體性能更好。

1 燃料電池和無人機(jī)

本文選用PHYX-220質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)及鋰電池。燃料電池陰極使用空氣，利用自帶的風(fēng)扇進(jìn)行吸氣和冷卻，額定功率220 W，額定工作電壓24 V，氫氣進(jìn)氣壓力0.05 MPa。電池堆由40片單電池串聯(lián)構(gòu)成，單片電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在陽極催化層中，氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)[4]：

反應(yīng)產(chǎn)生的電子由外電路經(jīng)過負(fù)載到陰極，氫離子由質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)：

典型的燃料電池I-V和I-P曲線如圖2所示，在燃料電池功率上升時，電壓下降很快。如果只考慮燃料電池的靜態(tài)特性，那么每個電壓值對應(yīng)唯一的電流，也就是唯一的功率。

考慮到燃料電池及其儲氫罐質(zhì)量比較大，故無人機(jī)采用起飛質(zhì)量較大的滑翔機(jī)改裝而成。該機(jī)為玻璃纖維機(jī)身，翼展4 m，長1.7 m，起飛質(zhì)量3.8 kg，如圖3所示。

圖2 燃料電池I-V和I-P曲線

圖3 改裝前的滑翔機(jī)

由于燃料電池體積較大，故在機(jī)身下方加裝吊艙和起落架以安放燃料電池，儲氫罐和控制系統(tǒng)放入原駕駛艙。加裝動力和控制系統(tǒng)包括電動機(jī)、40 A電子調(diào)速器、接收機(jī)、舵機(jī)和槳葉。

2 混合動力系統(tǒng)的設(shè)計

由于燃料電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的速度相對較慢，不能跟上突變的功率需求。因此如果使用純?nèi)剂想姵毓╇?，既滿足不了負(fù)載的需求，也會損害燃料電池并減少其壽命[5]。由于無人機(jī)加速的功率需求較大，最大功率可達(dá)到300 W，而且加減速可能比較頻繁，所以采用鋰電池和燃料電池的混合動力系統(tǒng)是一種合理的方案。根據(jù)燃料電池和鋰電池的特性，混合動力系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是讓燃料電池最多只輸出其額定功率并且在增大功率時要比較緩慢。而鋰電池由于放電能力較強(qiáng)，將提供峰值功率和突然增加的功率。

2.1 混合動力系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于無人機(jī)質(zhì)量和體積的限制，除了實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的控制目標(biāo)之外，還必須盡量減小控制系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，并盡可能采用簡單、可靠的控制電路以滿足可靠性較高的要求。為此，本文設(shè)計了如圖4所示的一個混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了鋰電池直接接入DC總線，燃料電池輸出由DC/DC(BUCK)控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由于鋰電池的接入使負(fù)載的電壓比較穩(wěn)定，并且結(jié)構(gòu)比較簡單，所需元器件較少，可以有效減輕質(zhì)量和體積[5]。同時，這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的可靠性得到極大的提高，在燃料電池或者控制系統(tǒng)失效的情況下，也可以保證鋰電池給負(fù)載供電，使無人機(jī)有余力降落。

圖4 混合動力系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中鋰電池的投入和切除靠圖4中的二極管實現(xiàn)，當(dāng)DC/DC的輸出電壓高于鋰電池的電壓時，鋰電池不參與負(fù)載供電。當(dāng)DC/DC輸出電壓等于鋰電池電壓時，電池和燃料電池一同向負(fù)載供電，此時DC總線電壓為鋰電池電壓不再服從DC/DC的占空比關(guān)系，DC/DC此時只起控制燃料電池功率的作用。由于無人機(jī)最大功率時電流約為20 A，燃料電池能提供約10 A電流，僅能維持無人機(jī)在空中飛行，在加速和起飛階段都要靠鋰電池一起供電，只有在降落的短暫時間里燃料電池有多余功率向鋰電池充電。同時，為克服增加充電單元所帶來的質(zhì)量、體積和控制難度的增加，本文沒有設(shè)計燃料電池為鋰電池充電的充電單元。

采樣濾波模塊由分壓電阻和RC濾波器組成，信號接入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳?？刂破鞑捎肅8051F340單片機(jī)，該芯片具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核，并且有10位的AD轉(zhuǎn)換器和多達(dá)5個可產(chǎn)生PWM波的PCA模塊。電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理運算，最后由PCA模塊發(fā)出PWM波到隔離驅(qū)動模塊。隔離驅(qū)動模塊由6N136高速光耦和IR2117 MOSFET驅(qū)動芯片組成，PWM波經(jīng)過光耦隔離之后由IR2117直接驅(qū)動DC/DC中的MOSFET開關(guān)管[6]。

2.2 混合動力系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件主要工作為根據(jù)燃料電池電壓計算所需的DC/DC輸出電壓，發(fā)出PWM波，并且對燃料電池進(jìn)行低壓保護(hù)。圖5為混合動力系統(tǒng)軟件流程圖。

圖5 混合動力系統(tǒng)軟件流程圖

程序初始化之后就開始測量燃料電池的電壓（該電壓已經(jīng)過分壓和濾波處理），然后計算所需的DC/DC輸出電壓。DC/DC輸出電壓由式(3)可得：

式中：Vout為DC/DC輸出電壓；VFC為測量的燃料電池電壓。

由式(3)可知，燃料電池電壓從開路30 V到額定工作電壓的24 V，DC/DC輸出電壓從13 V線性降至12 V。由于鋰電池充滿后端電壓為12 V，當(dāng)燃料電池達(dá)到額定工作電壓24 V之前，DC/DC輸出電壓大于12 V，鋰電池被二極管關(guān)斷，燃料電池單獨供電；當(dāng)燃料電池電壓低于24 V時，DC/DC輸出電壓低于12 V，此時鋰電池切入DC總線，此時鋰電池提供額外的功率。本系統(tǒng)對于燃料電池來說是閉環(huán)控制，但是對于DC/DC來說是開環(huán)控制，當(dāng)負(fù)載功率突然增大的時候會先拉低DC總線電壓，然后拉低燃料電池電壓，這時控制系統(tǒng)才做出反應(yīng)。正是因為控制系統(tǒng)對燃料電池控制比較滯后，而DC總線電壓會先被拉低到12 V以下，此時鋰電池就會立刻切入，因此在遇到負(fù)載功率突然增加時鋰電池會首先供電。

3 混合動力系統(tǒng)實驗測試

整個無人機(jī)裝配完成后如圖6所示，主要的系統(tǒng)部件都在圖中標(biāo)明，飛機(jī)其余部分可以參照圖3。

本文設(shè)計了3個實驗來驗證系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。實驗主要針對混合動力控制系統(tǒng)進(jìn)行，飛機(jī)的電機(jī)和遙控等測試不再贅述。在實驗中采用EL1500電子負(fù)載進(jìn)行測試，燃料電池、鋰電池、氫氣瓶和混合動力系統(tǒng)控制板如圖6所示。實驗分成3個部分，第一個部分用示波器觀察DC/DC的輸出，看輸出電壓范圍和電壓紋波是否滿足要求。當(dāng)負(fù)載電流小于1 A時，DC/DC處于DCM狀態(tài)，續(xù)流二極管電壓波形如圖7所示。

圖7 續(xù)流二極管電壓與燃料電池電壓波形

在DCM狀態(tài)電感續(xù)流作用斷續(xù)，濾波電容的存在導(dǎo)致續(xù)流二極管電壓波形的畸變，最終輸出電壓偏大[7]，而DC/DC的開路輸出電壓為燃料電池的開路電壓。因此在DCM狀態(tài)下DC/DC輸出電壓很可能高于電機(jī)調(diào)速器能承受的電壓。解決方法為先開動電動機(jī)（此時鋰電池供電），再合上混合動力系統(tǒng)控制板的電源讓燃料電池供電。

在CCM模式下，DC/DC輸出電壓如圖8所示，輸出電壓紋波較小可以符合負(fù)載要求。燃料電池電壓波形也在圖8中顯示，紋波為MOSFET開關(guān)導(dǎo)致，由于燃料電池不允許充電，所以沒有加濾波電容。從圖8中可以清楚看到MOSFET閉合時燃料電池電壓下降，開通時電壓小幅上升，體現(xiàn)了燃料電池本身的伏安特性。

圖8 DC/DC輸出電壓與燃料電池電壓波形

第二部分實驗測試混合動力系統(tǒng)能否讓燃料電池最多只輸出其額定功率。實驗中讓電子負(fù)載緩慢增大功率，分別觀察記錄純?nèi)剂想姵毓╇姾突旌蟿恿╇妰煞N情況下的燃料電池電壓、負(fù)載電流和DC總線電壓。

從圖9可以看出，在燃料電池單獨供電時，隨著電流的增加燃料電池電壓不斷下降，根據(jù)燃料電池的靜態(tài)伏安特性（見圖2）可知燃料電池輸出功率在不斷地增大[1]。而當(dāng)混合動力供電的時候，負(fù)載電流大約在3.7 A以后燃料電池的電壓就不再下降，并且維持在約21.5 V。這說明在3.7 A之后燃料電池輸出功率就沒有再增加，增加的負(fù)載功率都由鋰電池提供。

圖9 負(fù)載電流和燃料電池電壓關(guān)系

如圖10所示，純?nèi)剂想姵毓╇姇rDC/DC輸出電壓和式(3)吻合，混合動力供電時DC總線電壓下降至鋰電池電壓之后鋰電池接入，最終導(dǎo)致DC總線電壓為鋰電池電壓。圖9和圖10說明2.1和2.2節(jié)的設(shè)計目標(biāo)達(dá)到，當(dāng)負(fù)載增大時DC總線電壓下降，在下降到鋰電池電壓之前由燃料電池單獨供電，之后由鋰電池和燃料電池共同供電，并且燃料電池最多只輸出其額定功率。

第三部分實驗測試負(fù)載功率突然增加時燃料電池功率變化情況，實驗步驟為讓電子負(fù)載電流從0突然增大到7 A，記錄燃料電池電壓和DC總線電壓。

如圖11所示，當(dāng)負(fù)載突然增大時DC總線電壓從燃料電池電壓迅速降到鋰電池電壓，但是燃料電池電壓比較緩慢地下降到其工作電壓，并且最后呈平穩(wěn)態(tài)勢不再下降。這說明在負(fù)載突然增大的時候，燃料電池的功率是比較緩慢地上升至其額定功率的，并且最終穩(wěn)定在其額定輸出功率。因此鋰電池負(fù)擔(dān)了階躍負(fù)載中的大部分突變功率。

圖11 階躍負(fù)載時燃料電池和DC總線電壓

4 結(jié)論

本文根據(jù)燃料電池的特性和無人機(jī)的特性首先確定了該混合動力系統(tǒng)需要達(dá)到的目標(biāo)，然后進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計，最后進(jìn)行了實驗測試。測試表明該混合動力系統(tǒng)達(dá)到了以下兩個設(shè)計目標(biāo)：(1)燃料電池最多只輸出其額定功率，剩余功率由鋰電池輸出；(2)負(fù)載功率突然增加時，燃料電池仍然緩慢增大其功率，突增的功率由鋰電池暫時提供。

該系統(tǒng)對負(fù)載而言使其能即時獲得所需的功率，而對燃料電池而言不會突然增大其功率也不會輸出超過額定的功率。因此該系統(tǒng)既滿足了無人機(jī)的需求，又增加了燃料電池的壽命，保證其安全。但該系統(tǒng)也還存在一些不足，如不能給鋰電池充電，由于二極管的使用使得系統(tǒng)整體效率不是很高等。但相信隨著燃料電池功率密度的進(jìn)一步提高[8]和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，這些問題可以逐步得到解決，燃料電池?zé)o人機(jī)必將在軍事、測繪、救災(zāi)等各方面大有作為。

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