無人機(jī)電池技術(shù)的進(jìn)展

賀作豪

大多數(shù)無人機(jī)用戶最迫切的要求是延長航時(shí)和增加任務(wù)載荷。對(duì)民用用戶來說，這可使公司能快速收集高質(zhì)量數(shù)據(jù)，創(chuàng)造更大的利潤。而對(duì)軍方來說，無人機(jī)傳感器持續(xù)獲取數(shù)據(jù)，可獲得更多的情報(bào)，增加完成任務(wù)的機(jī)會(huì)。

假如一架以電池為動(dòng)力的四旋翼無人機(jī)只能在空中停留20～40min，需要再次充電，則用戶就需要采用多架無人機(jī)，以及主電源和幾個(gè)充電器，以確保始終有幾套充好電的電池可供使用，從而增加了業(yè)務(wù)成本。

研究人員還著眼于用一些新的方法為電池充電，特別是在偏遠(yuǎn)和危險(xiǎn)地區(qū)目前沒辦法為無人機(jī)的電池充電。而且，還有一些廠家在大力發(fā)展燃料電池技術(shù)，以期取得突破。

無人機(jī)尺寸和執(zhí)行任務(wù)的不同，對(duì)動(dòng)力的要求也是千差萬別。對(duì)小型無人機(jī)來說，幾個(gè)電池就可解決從推進(jìn)到任務(wù)載荷用電的一切要求。像“全球鷹”這樣的大型無人機(jī)盡管需要采用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，但其機(jī)上的一些系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)急動(dòng)力仍離不開電池。

“美洲豹”無人機(jī)電池的改進(jìn)

航空環(huán)境公司生產(chǎn)的一系列小型I類無人機(jī)，包括“美洲豹”（Puma）、“渡鴉”（Raven）和“黃蜂”（Wasp）都通過由可充電的鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行。這些電池組件是可替代的，并可快速更換，使這些手持式發(fā)射無人機(jī)盡可能快地返回到空中。

最新的“美洲豹”AE（全環(huán)境）航時(shí)約3～4h，而以前“美洲豹”的航時(shí)只有約2h。航空環(huán)境公司已通過不斷監(jiān)控電池技術(shù)及電池中的化學(xué)反應(yīng)，并使其系統(tǒng)盡可能地高效，已延長了“美洲豹”無人機(jī)的航時(shí)。

“美洲豹”還具有一個(gè)即插即用電力適配器，以便與未來的電源集成。航空環(huán)境公司還發(fā)展了“美洲豹”的一種太陽能機(jī)翼型別，稱為“美洲豹”延程（XE）型，大大增加了平臺(tái)的航程，可實(shí)現(xiàn)9h的航時(shí)。

燃料電池

航空環(huán)境公司還將按與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和Protonex公司的合作項(xiàng)目，在“美洲豹”上采用燃料電池技術(shù)。“美洲豹”采用的燃料電池技術(shù)利用鋰離子蓄電池在起飛和俯沖機(jī)動(dòng)期間提供峰值功率，而燃料電池本身則為蓄電池充電，并為平臺(tái)和任務(wù)載荷在巡航飛行期間提供恒定功率。在試飛期間，這種無人機(jī)續(xù)航約9h。

新加坡H3動(dòng)力集團(tuán)的一家分公司，HES能量系統(tǒng)公司在研究將先進(jìn)的燃料電池技術(shù)應(yīng)用于民用無人機(jī)。2016年，該公司與新加坡ST航空航天公司、DSO國立實(shí)驗(yàn)室和新加坡國防部的未來系統(tǒng)和技術(shù)局合作，試飛了一架采用燃料電池的“天刀”（Skyblade）360無人機(jī)，在6h的時(shí)間里飛行了350km。

采用燃料電池最大的好處是它的比能為一般蓄電池的兩到三倍。最好蓄電池的比能約250Wh/kg，而取決于燃料電池的氫儲(chǔ)存技術(shù)，其比能可從500Wh/kg提高到近800Wh/kg。

HES公司已與其姐妹公司HUS無人系統(tǒng)公司合作，發(fā)展了Hycopter，一種采用氫燃料電池的四旋翼無人直升機(jī)，據(jù)稱攜帶1kg任務(wù)載荷能飛4h之久。Hycopter的新奇之處是其機(jī)體結(jié)構(gòu)能儲(chǔ)存氫形式的能量。這種概念不僅可用于多旋翼無人機(jī)，還可用于固定翼無人機(jī)。

在“天刀”項(xiàng)目上，HES公司采用了便宜固態(tài)化學(xué)材料的2.5kg燃料電池系統(tǒng)，而不是普通燃料電池中的加壓氫氣。在未來，它將作為一個(gè)可處置卡件很易更換，很像蓄電池在電耗盡后被更換那樣。此系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是重量輕，與它等效的蓄電池重量約為5kg。

無線充電

在民用無人機(jī)領(lǐng)域中，一些公司正在研究對(duì)平臺(tái)進(jìn)行無線充電的可能性。新加坡HUS無人系統(tǒng)公司正在試驗(yàn)的Dronebox就是這樣一種產(chǎn)品。它能為無人機(jī)電池自主充電，并將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信傳回到指揮中心。該公司看到這種產(chǎn)品有多種用途，包括基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)距檢查，警察或邊境部隊(duì)對(duì)周圍情況的監(jiān)視，甚至包裹投遞系統(tǒng)。為了能真正自主工作數(shù)月或數(shù)年之久，Dronebox可由太陽能電池和燃料電池組合供電。燃料電池可由HUS無人系統(tǒng)公司的姐妹公司HES能量系統(tǒng)公司提供。

無人潛行器用電池的進(jìn)展

不僅無人機(jī)需要長航時(shí)和較大的任務(wù)載荷能力，對(duì)于無人潛行器也有相同的要求。為此，一些公司正在研究能延長無人潛行器航時(shí)的電池技術(shù)。藍(lán)鰭（Bluefin）機(jī)器人公司（現(xiàn)為通用動(dòng)力任務(wù)系統(tǒng)公司的一部分）為無人潛行器設(shè)計(jì)了可空運(yùn)到世界各地的耐受水壓的稱為Quanta的鋰聚合物電池組件。Quanta能滿足水下環(huán)境中的各種電氣和外形因素的要求。

薩夫特電池公司（Saft）可為無人機(jī)、無人車和無人潛行器提供電池。該公司的超磷酸鹽鋰離子磷酸鹽電池技術(shù)已用在洛克希德·馬丁公司的“馬林”（Marlin）無人潛行器中。這種電池的工作電壓比普通鋰離子電池的低，更能耐受惡劣的環(huán)境條件，適合安全至關(guān)重要的水下使用。

美國海軍水面作戰(zhàn)中心的研究人員已成功地驗(yàn)證了將電力從水下的入塢電力站水下無線傳輸?shù)浇缘囊凰抑械瘸叽缪芯啃妥灾鳠o人潛行器的電池，在2kW下進(jìn)行充電。這樣就可顯著增加無人潛行器自主工作的時(shí)間。