多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略探讨

多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略探讨

唐霜华

深圳市科比特航空科技有限公司518000

摘要：续航时间制约着无人机的作业效率，随着无人机使用范围的不断扩大，续航时间的瓶颈效应愈加明显。多旋翼无人机是众多种类无人机当中的一种，在巡检作业、影响数据采集等领域具有广泛的应用。氢燃料电池具有能量密度高，但是功率密度低、功率随负载变化响应变化慢的特点。本文针对多旋翼无人机续航问题，进行了能量管理策略的研究和探讨，提出了氢燃料电池混合动力系统模糊控制能量管理策略。这种技术能够在对无人机混合动力进行管理分配，显著提升了多旋翼无人机的续航时间，相比传统单一锂电池动力系统，这一能量管理策略有效提高了无人机动力系统效率，促进了无人机技术的发展。

关键词：多旋翼无人机；氢燃料电池；能量管理；策略

使用传统能量管理系统的多旋翼无人机续航时间较短，这也是影响无人机技术发展的主要问题。而目前能源管理技术的发展，为延长无人机续航提供了技术支持，也提供了新的思路；混合动力系统已经逐渐取代传统单一锂电池动力系统，为无人机续航提供能量。由于氢燃料电池技术目前很难满足无人机在湍流、变换飞行姿态过程中的工况要求，所以对混合电力系统进行能量管理就成为提升无人机能力的核心技术。

一、无人机混合动力系统概述

质子交换膜氢燃料电池系统、蓄电池是无人机混合动力系统主要的组成部分；很（混）合动力系统的能量控制通过DC-DC变换器、无人机电调、无刷直流电机等零部件实现。无人机飞行所需的能量主要由电池性能较软的氢燃料电池提供；无人机在复杂环境中实现姿态变换操作需要较大功率的电能，氢燃料电池很难满足这一需求，所以蓄电池在无人机飞行过程中起到短时间内提供大功率的作用。在无人机功率需求不高的情况下，无人机混合动力系统还能实现氢燃料电池对蓄电池进行充电的功能。另外，对氢燃料电池和蓄电池输出功率的控制与分配，还能在最大程度上延长续航时间，并提高氢燃料经济型[1]。

二、多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略

无人机的飞行环境往往十分复杂，所以也很难建立起精准的数学模型，而模糊推理则能有效克服系统模型不确定性的问题。本文讨论的多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略示意图如下图所示。其中的模糊控制器则是实现能量管理策略的关键所在。无人机需求功率误差信号Pe、氢燃料电池氢气压强PH2、锂电池SOC输入模糊控制器，并输出氢燃料电池和锂电池的输出功率信号，从而控制两个电源的能量输出，实现能量管理[2]。

模糊控制规则应该根据无人机混合动力系统的特点制定。具体可以根据以下几点制定模糊控制规则：

第一，了解无人机实时的功率需求。

第二，氢燃料电池应该保持供电状态，且在功率需求大于氢燃料电池额定功率是（时），需要氢燃料电池保持以额定功率输出能量。

第三，当氢燃料电池电能充足时，正常输出功率，如果电能小于设定值是（时），则应该停止工作。

第四，氢燃料电池在无人机需求功率小于氢燃料电池额定功率时，应该对锂电池进行充。

三、多旋翼氢燃料电池无人机系统控制器

对于混合动力系统来说，系统控制器是核心技术之一；决定着系统是否能实现能量管理策略，一般来说，控制器主要由硬件电路和软件两部分组成。

（一）硬件电路

控制器硬件主要由电源、信号检测、锂电池充电、氢燃料电池控制等部分组成，各个部分的功能如下所示：

电源模块主要通过控制板与锂电池相接，并实现向锂电池供电，但需要根据不同模块的需求，对输入电压进行转换。

信号检测模块主要对电池输出的电压、电力以及环境进行检测。

锂电池充电模块通过控制充电电流的大小，避免出现锂电池充电电流过大的问题，

氢燃料电池控制模块则通过对PEMFC的工作环境和气体流量进行控制，从而保持氢燃料电池工作环境的稳定。

氢燃料电池和锂电池功率的输出则通过并流控制模块实现。

通讯模块、数据存储模块、告警保护模块则负责信息的传输、存储以及系统异常报警工作[3]。

（二）软件

控制器软件主要分为主程序设计和功能模块程序设计。主程序的功能主要包括系统的初始化、能量管理与控制、参数配置等。功能模块程序功能则负责实现数据的采集、通讯、存储、锂电池SOC估算等功能。

一般来说，中断是主程序控制子程序的主要方式，分为事件中断和时间中断两种方式。当发生大电流等情况下，能够利用触发中断相应事件，这就是事件中断；时间中断则是通过设定固定的时间间隔，对特定事件进行访问，时间中断可以在非紧急事件中实现主程序对子程序的控制[4]。

四、多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略的优化

目前采用的无人机能量管理策略仍然存在诸多的问题，需要我们通过系统配置优化、系统最优控制等方面对其进行优化。具体来说就是对系统的配置选型进行优化，从而提高系统的经济型；对于控制参数的选择仍然需要系统化的建模和优化，从而模拟出最优参数；无人机功重比对于实际飞行仍然有一定的影响，所以无人机动力系统的重量也应该作为主要的设计考量，实现无人机负载能力的提升。并且，随着无人机应用范围的不断扩大，无人机的飞行环境越来越复杂，对无人机电磁兼容性测试就显得十分重要，后续的研究过程中也可以考虑对无人机能源系统抗恶劣环境的能力进行提升[5]。

五、总结

随着我国电子技术以及信息技术的发展，无人机在各行各业都有广泛的应用。无人机续航问题也成为人们主要关注的问题，混合动力技术的发展则为无人机的制造与创新提供了新的思路。多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略的提出能够在很大程度上延长无人机的续航时间，并实现复杂环境中无人机的稳定飞行；但是该能源管理策略仍需要不断地优化，才能进一步提升无人机的整体性能。希望本文对多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略的介绍，能够为各位（研究人员）提供一定的借鉴与参考。

参考文献：

[1]戴月领,贺云涛,刘莉,张晓辉.氢燃料电池无人机发展及关键技术分析[J].战术导弹技术,2018(01):65-71.

[2]张志祥,肖铎,王佳斌.多旋翼氢燃料电池无人机能量管理策略研究[J].信息技术与网络安全,2018,37(01):122-126.

[3]赵保国,谢巧,梁一林,蔡森丹,白晶玉.无人机电源现状及发展趋势[J].飞航导弹,2017(07):35-41.

[4]杨明明.氢燃料电池无人机电源管理系统的研究[D].沈阳航空航天大学,2015.

[5]文苏丽,叶蕾.寻求更好的电池和能量系统——无人机对动力的需求推动续航能力研究[J].飞航导弹,2009(01):15-16.