燃料电池无人机的动力系统设计

燃料电池无人机的动力系统设计

摘要：燃料电池具有无噪声，无污染，高效率等特点，因此将燃料电池运用于长航时无人机是其发展的一个方向。本文针对小型低空的燃料电池无人机，根据其燃料电池无人机总体设计要求，对其动力系统进行设计分析，概述了燃料电池无人机动力系统的设计的基本流程，主要分析设计内容包括：动力系统设计，燃料电池的选型，燃料电池放电特性曲线分析，电机选型及与螺旋桨配合分析，燃料电池动力系统总体性能分析

关键词：燃料电池氢动力系统无人

1引言

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器，其飞速发展和广泛运用是在海湾战争后，以美国为首的西方国家首先认识到无人机在战争中的作用，竞相将高新技术应用于无人机的研制与发展上。同时美国宇航局（NASA）的最新报告指出：21世纪的航空动力系统应当具备高效率，智能化，低噪音和零排放等特性，航空业必将进行革命性的创新[1]。为满足未来航空发展的更高要求，NASA确认了一系列新型推进系统，其中包括基于燃料电池的电推进系统。除此之外，燃料电池所具有的无噪音的特点，如运用于无人机上，将大大降低无人机的噪音。因此，将燃料电池运用于无人机上将是无人机发展的一个必然趋势。目前，美国、欧盟和韩国等已相继研制出相关的燃料电池无人机并已试飞成功。此外，美国和德国已在进行以燃料电池为动力的载人飞机的相关研制工作。2005年5月，AeroVironment公司成功试飞第一架采用液氢燃料电池的无人机[2]--“全球观察者”（GlobalObserver）。该无人机的翼展长达15米，可以在平流层连续飞行7天，适用于通讯中继站或进行远程监控。2006年佐治亚大学成功将一功率500w的燃料电池运用于一架翼展约6.58米的无人机上。该飞机最大起飞重量为24.9公斤，续航时间约为45分钟[3]。

本文根据某型燃料电池无人机总体设计要求，设计与之匹配的燃料电池动力系统，并进行验证。

2动力推进系统设计

PEMFC燃料电池将氢气罐中的氢气和空气中的氧气转化为电能，并通过电能管理系统分配于电动机及无人机其他电子设备中。系统中的遥控信号接受器负责接收地面控制信号，调节电流输出，控制无人机动作等。电动机驱动螺旋桨为飞机产生推力。本设计燃料电池无人机动力推进系统[6]组成如图1所示。

图1燃料电池动力系统组成

3电池选型及性能测试分析

3.1.燃料电池选型

燃料电池选型，需首先对几种不同种类燃料电池的性能及特性进行系统分析比较，确定合适的燃料电池动力系统并将其运用于无人机上。目前正在开发的燃料电池类型[4-5]包括碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。PEMFC具有效率高，启动迅速，工作温度低，无噪音，无污染等优点，最适合于用作本设计的轻型燃料电池无人机的电源。根据本次设计的燃料电池无人机总体设计要求，作者选用了电压24伏，功率350W，尺寸163×160×59mm3，重量1.84kg的氢燃料电池（如图2所示），以及与之匹配的氢气罐（如图2所示），直径为110mm，高430mm。此氢气罐充满氢气后能保证无人机持续飞行50分钟左右。

3.2.燃料电池性能测试

利用燃料电池测试平台测试燃料电池性能。整个燃料电池测试系统的构成如下：氢气、氮气和空气由三个不同的阀门进入，经过过滤器等系统后氢气和氮气混合进入电堆，与来自阳极的空气进行反应，反应后将电能输出给系统，而将多于的气体混合反应产生的水蒸气经由电风扇排出。本设计采用计算机控制，设定燃料电池测试台参数，电池的输出功率恒定在300w，记录相关数据并绘制曲线，如图3，4，5所示。

图3定功率时燃料电池实测电流-时间曲线图

图4定功率时燃料电池实测电压-时间曲线图

4电动机与螺旋桨的选型

推进系统的效率随着螺旋桨直径的增加和前进比的加大而提高，这就使推进系统的设计朝着由低转速、大力矩电机带动的大直径螺旋桨方向设计，但过大的螺旋桨将会导致效率下降以及电机过热，因此选择合适的电动机及螺旋桨极其重要。本文燃料电池无人机的设计参数如下：最大起飞重量8.0kg，翼展约为 2.8米，续航时间≥30min，巡航速度≥20km/h，最大速度60km/h，飞机采用大翼展，高展弦比的设计，推重比接近0.2，故所需推力约为15N。本设计中，使用的电机和螺旋桨为标准型号，根据无人机总体设计要求，优化电动机和螺旋桨配合，发挥燃料电池动推进系统最高效率。

4.1.电动机的选型

电动机的型号需要符合燃料电池的特性，上面所测得的燃料电池特性曲线为

电动机的选择提供主要参考。根据燃料电池电压，电流以及功率值以及电机转速对动力系统的影响选择电动机型号。

4.2.螺旋桨的选型

无人机螺旋桨的设计，一般都是采取半经验的方法。先根据以往的经验或统计数据，确定螺旋桨直径，估计飞行速度，然后用粗略计算和作图相结合的方法进行设计，但最终还是靠模型的试飞来评定设计的螺旋桨是否良好。设计螺旋桨的具体流程如下：

（1）确定设计的原始数据。

首先估计无人机的飞行速度V、电机的特性、螺旋桨效率、无人机的特性和飞行姿态等因素。

（2）用作图法设计螺旋桨。

（3）已知螺旋桨大小求出螺旋桨几何螺距。

已知螺旋桨的长度D，宽度C，厚度B，螺旋桨最宽的地方在0.7R处，那么螺距为:

（4）通过实验结果修改设计。

4.3.螺旋桨与电机匹配

螺旋桨与电机的选型匹配，以系统所产生的推力及整个系统效率作为设计准则。在了解了模型飞机螺旋桨选型和设计之后，借助Javaprop程序来协助选择合适的无人机螺旋桨和电动机相匹配.选择程序输入螺旋桨桨叶数目、转速、直径、巡航速度和电动机功率运行后可以得到该螺旋桨的相关数据。当无人机巡航速度设为20km/h时，根据各电动机转速不同，分别绘制转速为5000r/min，7500r/min和10000r/min的推力曲线并进行比较，来研究螺旋桨直径以及电机转速对于动力系统产生的拉力的影响。计算所得数据汇成曲线图，如图6所示。

由图6可知，在低功率输出时，采用低转速大扭矩的电动机能获得较大推力，在电动机转速为5000r/min，螺旋桨在直径为0.4-0.425m时具有峰值拉力约17N，达到此无人机设计要求。经过综合考虑，选取型号为C5050KV500的电动机，选取型号为14×8E的螺旋桨。经过推力试验台验证，所设计的燃料电池动力系统符合无人机推力要求。

图6螺旋桨拉力-直径曲线图

5总结