太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)輕型化設(shè)計(jì)研究

陳中

摘要：能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)飛行的關(guān)鍵所在。目前，能源系統(tǒng)質(zhì)量占比嚴(yán)重制約了無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，因此能源系統(tǒng)的輕型化是無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。從太陽(yáng)能電池、儲(chǔ)能電池、電能變換裝置、配電設(shè)備等方面研究了能源系統(tǒng)的減重設(shè)計(jì)，介紹了利用能量管理技術(shù)提高能源系統(tǒng)效能以降低能源系統(tǒng)質(zhì)量的控制思路。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能無(wú)人機(jī);能源系統(tǒng);電池;能量管理

中圖分類(lèi)號(hào)：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.049

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)由于飛行高度高、巡航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[l]，但要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)飛行，能源、推阻與升重平衡等問(wèn)題亟待解決。能源、推力、升力均與無(wú)人機(jī)的質(zhì)量密切相關(guān)，因此太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的輕型化設(shè)計(jì)尤為重要。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的輕型化設(shè)計(jì)是涉及材料、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、動(dòng)力、能源等多個(gè)學(xué)科，既需要從總體上宏觀調(diào)控，又需要各分系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)從微觀方面努力。針對(duì)能源領(lǐng)域，闡述了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能源系統(tǒng)基本組成，研究了其輕型化設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)組成

縱觀無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)，能源系統(tǒng)通常采用太陽(yáng)能電池與儲(chǔ)能電池聯(lián)合供電的技術(shù)路線。能源系統(tǒng)基本組成為太陽(yáng)能電池、MPPT控制模塊、儲(chǔ)能電池、DC/ DC電源、應(yīng)急電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及配電柜，太陽(yáng)能電池屬于一次能源，儲(chǔ)能電池、應(yīng)急電池屬于二次能源，MPPT控制器、DC/DC電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電能變換裝置屬于電力電子電路范疇，配電柜屬于配電設(shè)備。

2 能源系統(tǒng)輕型化設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電池

2.1.1 新型太陽(yáng)能電池

傳統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域的單晶硅或多晶硅太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率約為22%，面密度一般達(dá)到10 kg/m²左右，質(zhì)量性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)使用需求。一次能源太陽(yáng)能電池進(jìn)行減重設(shè)計(jì)的主要方法是研究新型的輕質(zhì)高效太陽(yáng)能電池，減小面密度與提高光電轉(zhuǎn)化效率。各國(guó)學(xué)者都在致力于研究輕質(zhì)高效太陽(yáng)能電池技術(shù)，主要有異質(zhì)結(jié)薄型太陽(yáng)能電池、砷化鎵太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池等，這些電池組件面密度基本可以達(dá)到300 - 650 g/m²左右。其中，砷化鎵太陽(yáng)能電池單體效率高達(dá)33%左右，組件面密度約為500 g/m²，目前在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

2.1.2 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)一體化

太陽(yáng)能電池陣列在機(jī)身上的布局形式，對(duì)于無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)減重，提升發(fā)電效率都有重要的作用。在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)層面進(jìn)行減重的措施有：①選擇透光性能良好，具有較好柔性與機(jī)械強(qiáng)度的高分子膜作為太陽(yáng)能電池組件封裝材料;②研究利用太陽(yáng)能電池組件與無(wú)人機(jī)機(jī)翼蒙皮一體化技術(shù)，太陽(yáng)能電池組件直接作為無(wú)人機(jī)機(jī)翼蒙皮。

2.2 儲(chǔ)能電池

2.2.1 新型儲(chǔ)能電池

由于太陽(yáng)能電池夜間無(wú)發(fā)電能力，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)必須配置儲(chǔ)能電池，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的跨晝夜長(zhǎng)航時(shí)飛行。目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)儲(chǔ)能電池采用鋰離子電池，技術(shù)成熟，但能量密度較低，通常只有150 - 250 Wh/kg?，F(xiàn)有典型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)案例中，儲(chǔ)能電池質(zhì)量占比嚴(yán)重制約了無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行以及帶載能力。瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”總質(zhì)量2 300 kg，儲(chǔ)能電池質(zhì)量633 kg，占比達(dá)27.5%[2]。為了解決儲(chǔ)能電池能量密度較低引起的無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)笨重問(wèn)題，發(fā)展新型高能量密度儲(chǔ)能電池是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)減重設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究方向。

2.2.1.1 鋰硫電池

鋰硫電池理論能量密度可高達(dá)2 600 Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰電池能量密度的數(shù)十倍。國(guó)外鋰硫電池研究較早，英國(guó)OXIS公司、美國(guó)Sionpower公司都在致力于相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，Sionpower公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能量密度在400 - 500 Wh/kg的鋰硫電池?？梢灶A(yù)見(jiàn)，采用鋰硫電池作為無(wú)人機(jī)的儲(chǔ)能電池，可以大大降低其質(zhì)量占比。

2.2.1.2 鋁空氣電池

鋁空氣電池是將鋁作為燃料的新型電池，理論能量密度可高達(dá)8 100 Wh/kg，國(guó)內(nèi)外已有產(chǎn)品的能量密度可達(dá)到600 Wh/kg。鋁空氣電池放電終止時(shí)鋁電極消耗殆盡，需要重新更換鋁板電極，因此鋁空氣電池相當(dāng)于“一次電池”。無(wú)人機(jī)正常飛行時(shí)，應(yīng)急電池處于待機(jī)狀態(tài)，無(wú)人機(jī)故障緊急降落時(shí)，應(yīng)急電池才開(kāi)始放電提供電能，采用鋁空氣電池作為應(yīng)急電池是減重設(shè)計(jì)的一個(gè)可行方案。

2.2.2 儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)一體化

儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)一體化[s]最早由美國(guó)公司提出，將儲(chǔ)能電池安裝在衛(wèi)星內(nèi)部的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中，使儲(chǔ)能電池既可以提供電能又可以作為承載結(jié)構(gòu)件，從而減輕能源系統(tǒng)質(zhì)量，提升儲(chǔ)能電池能量密度。大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)儲(chǔ)能電池規(guī)模往往比較大，采取儲(chǔ)能電池分布式配置技術(shù)，結(jié)合太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在機(jī)身內(nèi)部空間，形成儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，如圖1所示。機(jī)翼內(nèi)部采用碳纖維材料做成圓柱形肋梁，根據(jù)肋梁尺寸結(jié)構(gòu)，將部分儲(chǔ)能電池做成與之匹配的圓柱形狀，安裝在肋梁中，可以有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)減重。

2.3 電能變換裝置

2.3.1 新型開(kāi)關(guān)器件技術(shù)

功率開(kāi)關(guān)器件IGBT、MOSFET以及二極管是電能變換裝置的重要組成部分，對(duì)于其質(zhì)量指標(biāo)、性能影響很大。目前功率開(kāi)關(guān)器件多為基于Si材料的半導(dǎo)體器件，傳統(tǒng)Si材料開(kāi)關(guān)器件存在導(dǎo)通電阻與功率損耗較大，嚴(yán)重制約了電能變換裝置功率密度的提高。近年來(lái)，碳化硅作為一種新型寬帶材料，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率特性，在電力電子領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。相比Si材料，SiC材料具有更高的能隙參數(shù)和熱導(dǎo)率，耐高溫能力更好，因此SiC器件可以采用簡(jiǎn)單的冷卻方式，降低對(duì)散熱器的要求，提升電源模塊功率密度。相比Si材料，SiC材料具有更高的臨界場(chǎng)強(qiáng)，使得在相同耐壓等級(jí)下，SiC器件的尺寸更小，導(dǎo)通電阻更小。例如，日本日立公司基于Si與SiC材料的3 300 V/1 200A功率器件對(duì)比，SiC器件尺寸減小了約30%。