張曉輝，劉莉，戴月領(lǐng)，沈輝

北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081

燃料電池?zé)o人機(jī)是以燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ吹男滦碗妱?dòng)無(wú)人機(jī)，是中低空電動(dòng)無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)應(yīng)用需求背景下最具潛力的無(wú)人機(jī)類型，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1-8]。一些驗(yàn)證性的燃料電池?zé)o人機(jī)已經(jīng)完成了試飛[9-12]，并在不斷刷新航時(shí)紀(jì)錄，其中最具代表性的是美國(guó)海軍的離子虎無(wú)人機(jī)，已經(jīng)突破48 h的航時(shí)紀(jì)錄[13]。

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相比，具有效率高、啟動(dòng)快、動(dòng)力控制簡(jiǎn)單、可靠性高、聲熱噪聲小、且排放無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。但是，考慮到電機(jī)的電壓適用范圍有限，燃料電池作為主要能源時(shí)，特性較軟，電壓變化幅度較大，使用時(shí)一般需要配合直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)的電源轉(zhuǎn)換模塊或蓄電池，以匹配電源和電機(jī)的電壓。因此，基于燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)可以具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于燃料電池?zé)o人機(jī)，不同的動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)重量和復(fù)雜程度區(qū)別很大，對(duì)無(wú)人機(jī)的影響也各有優(yōu)劣。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在燃料電池?zé)o人機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)開展了一定的研究工作。主要集中在燃料電池?zé)o人機(jī)總體方案設(shè)計(jì)[14-17]、基于某種動(dòng)力系統(tǒng)的能源管理策略[18-22]以及探索性飛行驗(yàn)證試驗(yàn)等方面。對(duì)于燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)方面開展的研究工作主要是結(jié)合以上工作，選擇一種動(dòng)力系統(tǒng)方案，進(jìn)行半實(shí)物仿真[23-24]，或試驗(yàn)特性研究[25-27]，尚未見到針對(duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)開展的較為系統(tǒng)的比較和分析。

本文研究目的是在分析燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3種燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案。以空冷質(zhì)子交換膜燃料電池為例，搭建燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)一體化試驗(yàn)平臺(tái)。考慮多種加載形式，開展燃料電池動(dòng)態(tài)特性和3種動(dòng)力系統(tǒng)方案的對(duì)比試驗(yàn)研究?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，給出3種方案的適應(yīng)性建議，為燃料電池?zé)o人機(jī)設(shè)計(jì)以及針對(duì)不同任務(wù)需求時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)方案的選擇提供依據(jù)。

1 動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)分析

燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氫裝置、燃料電池、電子調(diào)速器、電機(jī)、螺旋槳，及其他輔助電力電子設(shè)備組成。

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度高、可支持更長(zhǎng)飛行航時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。但與蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)相比，其功率密度較??；由于燃料在膜之間擴(kuò)散,以及氫氧的電化學(xué)反應(yīng)都需要一定的時(shí)間，其電力響應(yīng)相比蓄電池要慢，且電壓特性較軟。大電流會(huì)導(dǎo)致大幅度的壓降，所以燃料電池一般需要配合DC/DC轉(zhuǎn)換器或蓄電池等輔助電力設(shè)備，以穩(wěn)定匹配電源和電機(jī)的電壓。

因此，基于燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)可以通過多種組合，形成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，以滿足無(wú)人機(jī)總體方案和任務(wù)需求。

1.2 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)能源種類可以分為：純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)和燃料電池/蓄電池混動(dòng)力系統(tǒng)。其中，燃蓄混合動(dòng)力系統(tǒng)又可根據(jù)能源管理方式，分為被/主動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了3種燃料電池(FC)動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案以進(jìn)行分析比較。

1.2.1 FC+DC/DC動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

本方案是純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該方案中燃料電池直接通過直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電,具有動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)?FC+ DC/DC)Fig.1 Fuel cell power system topology (FC+ DC/DC)

1.2.2 FC+B動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

本方案是燃料電池/鋰電池(簡(jiǎn)稱燃鋰)混合式被動(dòng)控制方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。方案中燃料電池與蓄電池被動(dòng)混合供電，利用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)低功耗的特點(diǎn)和反向截止特性處理燃料電池與蓄電池并聯(lián)的電壓匹配問題，以防負(fù)載較低時(shí)燃料電池電壓較高而對(duì)蓄電池充電。該方案具有混合形式簡(jiǎn)單，被動(dòng)無(wú)控的功率流分配，無(wú)需充電管理的特點(diǎn)，其采用蓄電池突破燃料電池最大功率的限制，使無(wú)人機(jī)具有更大的機(jī)動(dòng)性和抗風(fēng)能力，也降低了無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)難度。

1.2.3 FC+DC/DC+B動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

本方案是燃鋰混合式主動(dòng)控制方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。方案中燃料電池與蓄電池主動(dòng)混合供電，通過調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池功率的主動(dòng)控制，而蓄電池則根據(jù)功率平衡的原則，被動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電的控制。本方案可兼顧不同電源的電力特性，使燃料電池工作在高效區(qū)域，蓄電池充分發(fā)揮大功率快速響應(yīng)的作用，同時(shí)也能夠進(jìn)行合理的充放電管理，可提高系統(tǒng)效率，降低氫耗，增加航時(shí)，且延長(zhǎng)使用壽命。

MOSFET—Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor圖2 燃鋰混合被動(dòng)控制動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)?(FC+B)Fig.2 Hybrid fuel cell and battery power system topology with passive control (FC+B)

圖3 燃鋰混合主動(dòng)控制動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)?(FC+DC/DC+B)Fig.3 Hybrid fuel cell and battery power system topology with active control (FC+DC/DC+B)

2 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)一體化試驗(yàn)平臺(tái)

為了開展以上3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案的試驗(yàn)研究，本文以空冷質(zhì)子交換膜燃料電池為例，搭建了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)3種方案一體化試驗(yàn)平臺(tái)。而作為輔助能源的蓄電池則采用能量密度較高的鋰電池。

2.1 空冷質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

本文選用的EOS600空冷質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)如圖4所示，其基本參數(shù)見表1。該燃料電池堆由40片電極板組成，其額定功率為600 W，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

圖4 EOS600空冷質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)Fig.4 EOS600 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) System

表1 EOS600 PEMFC系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of EOS600 PEMFC system

ParameterValueRated power/W600Rated voltage/V24Rated current/A25DC voltage range/V20-40Cell number40Efficiency/%≥40Pure hydrogen/%≥99.95Pressure/MPa0.05—0.06Hydrogen/(L·min-1)8.4Mass/kg3Length×width×height/(mm×mm×mm)231×113×199Environment temperature/℃-5—+40Relative humidity/%10-95

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)一體化試驗(yàn)平臺(tái)框架

本文搭建了動(dòng)力系統(tǒng)一體化試驗(yàn)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)框架如圖5所示，以用于：① 燃料電池動(dòng)態(tài)性能測(cè)試；② FC+DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案測(cè)試；③ FC +B拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案測(cè)試；④ FC+DC/DC+B拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案測(cè)試。

試驗(yàn)平臺(tái)主要包括：儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)載荷模擬系統(tǒng)，以及試驗(yàn)臺(tái)控制面板。其中，儲(chǔ)氫采用標(biāo)準(zhǔn)高壓儲(chǔ)氫鋼瓶；燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)分別為EOS600質(zhì)子交換膜燃料電池和容量5.3 A·h最大放電倍率30 C的6 s格氏鋰電池；可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器采用NiQor非隔離DC/DC模塊；能源管理控制器采用STM32F767的阿波羅開發(fā)板，主要用于采集和記錄電源系統(tǒng)狀態(tài)，以及嵌入一定的能源管理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)DC/DC的合理控制；動(dòng)態(tài)載荷模擬系統(tǒng)采用上位機(jī)控制ZY8717中鷹電子負(fù)載，通過上位機(jī)模擬任務(wù)工況產(chǎn)生負(fù)載信號(hào)發(fā)送至可編程電子負(fù)載以模擬電機(jī)所需功率；而試驗(yàn)臺(tái)控制面板主要用于供氫控制、輔助設(shè)備配電、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案切換，以及緊急停車控制等。試驗(yàn)平臺(tái)及設(shè)備如圖6所示。

3 試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

3.1 燃料電池動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

燃料電池的動(dòng)態(tài)特性直接影響燃料電池對(duì)負(fù)載波動(dòng)的承載能力，也決定了電堆的適應(yīng)能力和使用模式，是燃料電池控制器設(shè)計(jì)，以及燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。通過一體化試驗(yàn)平臺(tái)的控制面板斷開DC/DC開關(guān)和蓄電池開關(guān)，閉合燃料電池通電開關(guān)，短路MOSFET管，打開通氫開關(guān)，啟動(dòng)試驗(yàn)。由于燃料電池電力特性較軟，大電流導(dǎo)致大壓降，本文采用2種加載形式，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和啟動(dòng)特性進(jìn)行分析。

第1種為階梯型功率剖面，功率先逐級(jí)增大再逐級(jí)下降，電子負(fù)載采用定功率模式，每級(jí)需求功率所占燃料電池的額定功率的百分比為：0%—10%—30%—60%—90%—60%—30%—10%—0%，且每級(jí)持續(xù)5 s。所得燃料電池功率響應(yīng)和伏安特性變化如圖7所示。

PEMFC—Proton Exchange Mebran Fuel Cell MOSFET—Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor DC/DC—Direct Current/Direct Current圖5 一體化試驗(yàn)平臺(tái)框圖Fig.5 Schematic of integrated test platform

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)及設(shè)備Fig.6 Test bench and equipment

圖7(a)表明該燃料電池能夠及時(shí)跟蹤需求功率的逐級(jí)階梯變化，功率響應(yīng)迅速。而圖7(b)則為燃料電池在滿足功率剖面的同時(shí)電壓和電流的變化情況，可見功率的逐級(jí)增大，導(dǎo)致電壓的逐級(jí)下降，電流的逐級(jí)增大，且在每級(jí)功率突變的1～2 s內(nèi)，電壓陡降后會(huì)略微回升至穩(wěn)定狀態(tài)，電流變化與之相反，這是由于極板間燃料的擴(kuò)散和反應(yīng)都需要一定的時(shí)間，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)合逐級(jí)增大的功率變化幅度，可以得到突變幅度越大，這個(gè)反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。

第2種為階躍型功率剖面，主要測(cè)試燃料電池的大功率啟動(dòng)特性，電子負(fù)載依然采用定功率模式，加載功率序列占燃料電池額定功率的百分比為：0%—50%—0%—40%—0%—30%—0%—20%—0%—10%—0%, 每步持續(xù)時(shí)間5 s，所得燃料電池的功率響應(yīng)和伏安特性如圖8所示。

圖8(a)表明燃料電池啟動(dòng)功率最大為50%額定功率時(shí)，燃料電池響應(yīng)依然能夠及時(shí)跟蹤需求功率的變化，支持連續(xù)啟動(dòng)和停止。圖8(b)顯示每次啟動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致電壓陡降和電流激增，而在功率穩(wěn)定階段，電壓會(huì)緩增而電流緩降現(xiàn)象。其原因也是由于局部燃料濃差較大所致，且啟動(dòng)功率越大，壓降幅度越大，電流陡增幅度也越大，壓降和電流恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間也越長(zhǎng)。而由于燃料濃度長(zhǎng)時(shí)間不足所引起的壓降，會(huì)導(dǎo)致燃料電池的產(chǎn)水過多，從而發(fā)生水淹現(xiàn)象損害燃料電池的使用壽命。因此，在使用過程應(yīng)盡量避免過大的啟動(dòng)功率，或大幅度的功率突變。

圖7 階梯型加載形式Fig.7 Stair-mission profile

圖8 階躍型加載形式Fig.8 Pulsed-mission profile

3.2 純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)

對(duì)于純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，通過一體化試驗(yàn)平臺(tái)控制面板斷開燃料電池開關(guān)和蓄電池開關(guān)，閉合DC/DC開關(guān)，短路MOSFET管，并通過能源管理系統(tǒng)設(shè)定DC/DC輸出電壓為25 V略低于鋰電池的充電截止電壓25.2 V，而電子負(fù)載以恒流模式按0 A—5 A—10 A—15 A—20 A—15 A—10 A—5 A—0 A的序列逐級(jí)加載，從而根據(jù)系統(tǒng)電流、電壓以及功率的變化情況分析DC/DC對(duì)系統(tǒng)電力性能的影響，以及該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)特性Fig.9 Characteristics of pure fuel cell power system

圖9(a)給出了電子負(fù)載的加載情況，以及燃料電池電流和通過DC/DC后的電流情況?？梢娙剂想姵剌敵鲭娏鞯陀谕ㄟ^DC/DC后的電流，而DC/DC的電流即等于電子負(fù)載的需求電流。之所以燃料電池的電流比通過DC/DC之后的電流小，是因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鲭妷好黠@高于DC/DC的輸出電壓，如圖9(b)所示，燃料電池的電壓隨電流加載而大幅度波動(dòng)，而經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓后，輸出電壓始終穩(wěn)定在25 V，從而達(dá)到了為直流總線提供穩(wěn)定電壓的目的。而圖9(c)為燃料電池功率和通過DC/DC后的功率情況，以及DC/DC的效率。燃料電池與通過DC/DC后的功率差值為DC/DC進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換過程中所損失的功率，其通過的功率越大時(shí)轉(zhuǎn)換效率也越高，效率最低時(shí)也高于80%，而最高時(shí)可達(dá)到97%。

結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以提供高效穩(wěn)壓的輸出條件，且結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，但其所提供的功率受燃料電池自身及DC/DC轉(zhuǎn)換效率的限制，無(wú)法應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)干擾和高機(jī)動(dòng)時(shí)的大功率需求。

3.3 被/主動(dòng)燃鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)

3.3.1 無(wú)人機(jī)參數(shù)和任務(wù)剖面

以澳大利亞的Aerosonde無(wú)人機(jī)[28]為動(dòng)力系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)，其總體參數(shù)見表2；所采用的任務(wù)剖面如圖10所示，包括爬升、巡航、下降、巡邏等任務(wù)階段，其中WP 1-WP 9為飛行任務(wù)航點(diǎn)，關(guān)于剖面的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)[29]。

假設(shè)螺旋槳、電機(jī)和電子調(diào)速器的效率分別為60%，90%和90%,通過仿真得到總線的需求電功率隨時(shí)間的變化如圖11所示。其中，爬升階段的需求功率接近1 200 W，下降階段需求功率約400 W，巡航需求功率基本在500 W附近。飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)動(dòng)過程，需求功率會(huì)劇烈波動(dòng)，波幅明顯超過本文所選燃料電池的最大功率(600 W)，因此純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)方案可以維持巡航飛行，但無(wú)法滿足整個(gè)任務(wù)階段的機(jī)動(dòng)要求。

表2 Aerosonde無(wú)人機(jī)的參數(shù)Table 2 Parameters of Aerosonde UAV

圖10 飛行任務(wù)剖面Fig.10 Flight mission profile

圖11 模擬飛行過程需求功率剖面Fig.11 Power demand profile of simulated flight

本文所設(shè)計(jì)的2種燃鋰混合方案可以克服純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)最大功率的局限。2種燃鋰混合方案主要區(qū)別在于對(duì)蓄電池的管理。其中，燃鋰混合被動(dòng)控制方案蓄電池只可放電無(wú)法充電，從感性角度降低充電過程所產(chǎn)生的額外氫氣消耗；燃鋰混合主動(dòng)控制方案，則可實(shí)現(xiàn)燃料電池對(duì)鋰電池充電，且根據(jù)電源系統(tǒng)狀態(tài)和需求功率的情況，采用能源管理策略進(jìn)行主動(dòng)功率流的分配，本文采用在線模糊能源管理策略。

3.3.2 被/主動(dòng)燃鋰混合系統(tǒng)試驗(yàn)與對(duì)比分析

采用圖11所示的飛行需求功率剖面，通過一體化試驗(yàn)平臺(tái)控制面板切換開關(guān)，進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的切換，分別進(jìn)行被/主動(dòng)燃鋰混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)，其能源輸出功率和能源系統(tǒng)狀態(tài)見圖12和圖13。

圖12(a)為2種燃鋰混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的燃料電池通過DC/DC的輸出功率Pcovt情況，燃鋰混合主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中燃料電池通過DC/DC的輸出功率絕大部分時(shí)間明顯低于燃鋰混合被動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，僅在第2次爬升階段兩者功率基本相同。

圖12(b)為鋰電池在2種結(jié)構(gòu)方案中的輸出功率Pbatt情況，對(duì)于燃鋰混合被動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，由于鋰電池電壓低于燃料電池電壓，鋰電池僅在需求功率超過燃料電池的最大功率時(shí)才會(huì)有輸出，否則鋰電池?zé)o輸出。燃鋰混合被動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中采用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管反向截止了充電電流，所以即使需求功率很低時(shí)，燃料電池也不會(huì)對(duì)鋰電池充電；而對(duì)于燃鋰混合主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，鋰電池一直有輸出功率，且在需求功率低于燃料電池額定功率時(shí)，能夠跟隨需求功率的波動(dòng)，使得燃料電池盡量工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。通過比較2種結(jié)構(gòu)方案功率流的分配情況，可以看出燃鋰混合主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中鋰電池的作用能夠充分的發(fā)揮，尤其是在功率波動(dòng)較大的時(shí)候，能夠大幅分擔(dān)燃料電池的功率波動(dòng)壓力，以減輕負(fù)載波動(dòng)對(duì)燃料電池的沖擊，能夠更好地保護(hù)燃料電池。

圖12 被動(dòng)與主動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸出功率比較Fig.12 Comparison of output power between passive and active topology

圖13為被/主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中鋰電池當(dāng)前剩余電量和氫耗的對(duì)比結(jié)果。圖13(a)顯示2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)中鋰電池初始電量為滿電狀態(tài)，且最終的剩余電量也基本相同，均由100%的電量放到約75%的狀態(tài)。但從蓄電池剩余電量狀態(tài)(State of Charge, SOC)也可看出被動(dòng)結(jié)構(gòu)基本為2個(gè)爬升階段的急劇放電，而主動(dòng)結(jié)構(gòu)則為持續(xù)的、較為緩和的放電。2種結(jié)構(gòu)方案的鋰電池放電方式對(duì)燃料電池氫耗的影響如圖13(b)所示。主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案在任務(wù)初始階段即第1次爬升階段，耗氫量幾乎一樣，而轉(zhuǎn)入平飛后，需求功率降低，2種結(jié)構(gòu)方案的功率分配方式差異明顯，燃鋰混合主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中鋰電池持續(xù)發(fā)揮作用，使得氫氣消耗相對(duì)減少，最終僅消耗了62 L，而被動(dòng)結(jié)構(gòu)方案消耗了71 L，從而主動(dòng)結(jié)構(gòu)方案比被動(dòng)結(jié)構(gòu)方案節(jié)省約13%的氫耗。

圖13 能源系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)比Fig.13 Comparison of energy system state

3.4 3種動(dòng)力系統(tǒng)方案特性

本文所設(shè)計(jì)的3種燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)方案各有特點(diǎn)，如表3所示。其中：Power為動(dòng)力系統(tǒng)可提供的最大功率；Mass為不含儲(chǔ)氫裝置的動(dòng)力系統(tǒng)重量；EMS為是否可用主動(dòng)能源管理策略；Chargeable為是否可為蓄電池充電。對(duì)比可見，純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)重量最輕，但局限于最大輸出功率較小，從而對(duì)任務(wù)剖面的適應(yīng)性較差。而燃鋰混合被動(dòng)方案以增加部分重量為代價(jià)克服了純?nèi)剂想姵氐娜毕荩珶o(wú)法進(jìn)行鋰電池的充電，當(dāng)鋰電池電量耗盡后也將失去大功率的優(yōu)勢(shì)。燃鋰混合主動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)燃料電池為蓄電池充電的功能，采用主動(dòng)能源管理方案進(jìn)行功率流的分配，從而克服被動(dòng)方案的缺陷，為進(jìn)一步節(jié)省氫耗提供可探索的空間。

表3 3種動(dòng)力系統(tǒng)方案特點(diǎn)對(duì)比

Note: EMS—Energy Management Strategy

4 結(jié) 論

基于本文搭建的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)一體化試驗(yàn)平臺(tái)，通過試驗(yàn)研究了本文提出的3種燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浞桨傅奶匦?，得出以下結(jié)論：

1) 燃料電池的功率特性能夠快速地跟蹤需求功率的變化，而其電壓和電流特性，更適應(yīng)小幅度逐級(jí)加載的過程；瞬時(shí)大功率啟動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓特性急劇下降，且恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，而電流與電壓趨勢(shì)相反。

2) 純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)可以提供高效穩(wěn)壓的輸出條件，且結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，但其所提供的功率受燃料電池自身及DC/DC轉(zhuǎn)換效率的限制，無(wú)法應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行過程中可能出現(xiàn)的高機(jī)動(dòng)大功率需求，適合用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕、機(jī)動(dòng)性要求不高的小型無(wú)人機(jī)。

3) 燃料電池和蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)與純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)相比，由于采用了鋰電池可以提供更大的功率，將短時(shí)大功率需求與燃鋰電池最大功率解耦，從而降低無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)難度，且為燃料經(jīng)濟(jì)性提供了優(yōu)化可能。

4) 通過比較燃料電池和蓄電池被/主動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)過程的功率流分配情況，可以看出燃鋰混合主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋰電池的作用，不僅能在功率波動(dòng)較大時(shí)，大幅降低對(duì)燃料電池的沖擊，而且可以減少氫氣的消耗。

5) 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重量和復(fù)雜度的角度分析，純?nèi)剂想姵胤桨附Y(jié)構(gòu)最輕也最簡(jiǎn)單，但最大功率的約束限制了對(duì)任務(wù)剖面的適應(yīng)性。燃料電池與鋰電池混合方案以犧牲部分重量和復(fù)雜度為代價(jià)，大幅提升無(wú)人機(jī)對(duì)任務(wù)剖面的適應(yīng)能力，可滿足大機(jī)動(dòng)需求。尤其對(duì)于中大型無(wú)人機(jī)，燃料電池與鋰電池混合方案所增加的重量影響相對(duì)較小，被動(dòng)拓?fù)浞桨高m用于大功率波動(dòng)較少的任務(wù)，而主動(dòng)拓?fù)浞桨笇?duì)剖面的適應(yīng)能力最強(qiáng)，可兼顧機(jī)動(dòng)性和燃料經(jīng)濟(jì)性，以支持更長(zhǎng)航時(shí)的任務(wù)需求。