符長青

本文介紹油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)與燃油發(fā)動機(jī)的類型，對油電混合動力系統(tǒng)的能量綜合管理系統(tǒng)具有的特點(diǎn)、系統(tǒng)開發(fā)和選用原則及系統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行闡述。

油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)與燃油發(fā)動機(jī)

油電混合動力系統(tǒng)主要由電推進(jìn)分系統(tǒng)和燃油發(fā)動機(jī)兩部分構(gòu)成，為無人機(jī)提供滿足飛行速度、飛行高度和航程所須要的動力，以及為無人機(jī)機(jī)載通信系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷設(shè)備等系統(tǒng)提供電力支持，使無人機(jī)能夠在一定高度，以一定速度飛行，執(zhí)行和完成所承擔(dān)的各種任務(wù)。

油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)

無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的電推進(jìn)分系統(tǒng)包括電動機(jī)、電調(diào)、電池、發(fā)電機(jī)等設(shè)備。其中，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的范疇。發(fā)電機(jī)是一種將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備，其工作原理是燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將航空汽油的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)采用高效高功重比發(fā)電機(jī)發(fā)電，為無人機(jī)飛行提供部分或全部電力需求，不僅能提高無人機(jī)的載重能力和續(xù)航時間，而且能有效地解決油動無人機(jī)產(chǎn)生的噪聲和污染排放問題。

（1）永磁同步發(fā)電機(jī)

電勵磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。通過改變勵磁繞組來控制電流，可方便調(diào)節(jié)氣隙磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)寬范圍的電壓輸出和調(diào)速特性。勵磁回路斷開能有效滅磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生短路或其他故障時，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。但是，電勵磁發(fā)電機(jī)存在勵磁繞組損耗，使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的效率相對較低，難以實(shí)現(xiàn)高功率密度，由于使用了電刷—集電環(huán)結(jié)構(gòu)，該種發(fā)電機(jī)可靠性不高。

永磁發(fā)電機(jī)（無刷直流發(fā)電機(jī)）取消了電刷—集電環(huán)結(jié)構(gòu)，省去了產(chǎn)生磁場所須要的勵磁功率，因而效率更高。與同功率、同轉(zhuǎn)速的其他類型電勵磁發(fā)電機(jī)相比，永磁發(fā)電機(jī)的效率可以提高3%～5%，且沒有勵磁線圈及磁極鐵心，能減小發(fā)電機(jī)尺寸，減輕發(fā)電機(jī)質(zhì)量。與其他類型發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)具有高效率、高功重比、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，成為無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的首選產(chǎn)品。

油電混合動力無人機(jī)的永磁同步發(fā)電機(jī)研究內(nèi)容包括高溫高速電機(jī)、電機(jī)電磁場—溫度場—流場—應(yīng)力場多場耦合設(shè)計、余度/容錯控制等技術(shù)。

（2）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)和電動機(jī)采用超導(dǎo)技術(shù)，將成為小型化產(chǎn)品，而功率更強(qiáng)大，工作性能更穩(wěn)定，電機(jī)的噪聲可能更低。在電機(jī)領(lǐng)域，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)是一種新型電機(jī)，具有功率密度大、同步電抗小、效率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是最理想的能源轉(zhuǎn)換裝置之一。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)之所以具有這些優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)槌瑢?dǎo)發(fā)電機(jī)中包含有超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)磁體能否正常運(yùn)行是決定超導(dǎo)發(fā)電機(jī)正常工作的關(guān)鍵因素。

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本組成包括超導(dǎo)勵磁繞組、支架結(jié)構(gòu)、冷卻回路、低溫恒溫器、電磁屏蔽、電樞繞組、交流定子繞組、機(jī)座鐵心、定子繞組支架、軸承和機(jī)殼。半超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組使用了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造，如果發(fā)電機(jī)的電樞繞組采用超導(dǎo)體，則稱為全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。

研究證實(shí)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)具有以下特性。

（1）在負(fù)載范圍內(nèi)，效率較高。

（2）體積和質(zhì)量小，功率密度較高。

（3）噪聲小，使用壽命長，生產(chǎn)成本低。

（4）負(fù)序能力較強(qiáng)，維護(hù)要求低。

絕大多數(shù)在研超導(dǎo)電機(jī)為半超導(dǎo)電機(jī)，全超導(dǎo)電機(jī)是未來超導(dǎo)電機(jī)的重要發(fā)展方向。

超導(dǎo)電機(jī)的研究涉及電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、超導(dǎo)體載流能力、超導(dǎo)永磁體技術(shù)、超導(dǎo)交流繞組繞制技術(shù)，以及電機(jī)的強(qiáng)度、可靠性、壽命試驗(yàn)等內(nèi)容。

油電混合動力系統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)

（1）油電混合動力系統(tǒng)常用燃油發(fā)動機(jī)類型

目前，活塞發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)等燃油發(fā)動機(jī)能夠滿足無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的使用要求。這幾類燃油發(fā)動機(jī)都有其特定的工作包線，在工作包線以外，發(fā)動機(jī)不能正常工作，工程技術(shù)人員在無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)選型過程中應(yīng)具備這種基本認(rèn)知。

表1列出了滿足當(dāng)下無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)使用要求的幾種燃油發(fā)動機(jī)性能優(yōu)缺點(diǎn)。僅從發(fā)動機(jī)本身來說，并沒有一種完美的發(fā)動機(jī)可供無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)使用，因此燃油發(fā)動機(jī)的選型就是在有限的發(fā)動機(jī)范圍內(nèi)，以滿足最大需求為出發(fā)點(diǎn)，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行一個揚(yáng)長避短的取舍過程。

表1 幾種燃油發(fā)動機(jī)性能對比表。

（2）油電混合動力系統(tǒng)常用燃油發(fā)動機(jī)的選型需求

無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)是以電動裝置為基礎(chǔ)，加裝燃油發(fā)動機(jī)和油箱，油電動力混合后，其優(yōu)勢比較明顯，例如無人機(jī)任務(wù)載荷重量增大，燃油能量密度高，將部分任務(wù)載荷替換為燃油，既可延長無人機(jī)的續(xù)航時間或航程，并且不受低溫影響。缺點(diǎn)是噪聲大，環(huán)保性比電動系統(tǒng)差。

為得到最適合無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)使用的燃油發(fā)動機(jī)，在發(fā)動機(jī)選型過程中，以滿足無人機(jī)飛行性能的最大需求為出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮燃油發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在可選擇的發(fā)動機(jī)類型中篩選。

①高可靠性需求

高可靠性是無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)對燃油發(fā)動機(jī)的首要需求。高可靠性的直觀表述是，無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時，發(fā)動機(jī)不出現(xiàn)故障，穩(wěn)定工作。除了嚴(yán)格把關(guān)質(zhì)量控制程序外，動力系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注重系統(tǒng)的備份設(shè)計和多裕度設(shè)計。

②較高功重比需求

燃油發(fā)動機(jī)的功重比將直接影響無人機(jī)的最大平飛速度、實(shí)用升限、任務(wù)載荷重量等指標(biāo)。在滿足功率要求的情況下，燃油發(fā)動機(jī)的功重比越大越好，這樣就可以減小發(fā)動機(jī)的重量來增加無人機(jī)的續(xù)航時間。通常，發(fā)動機(jī)推重比不小于4，功重比不小于0.745。

③較低耗油率需求

為滿足無人機(jī)續(xù)航時間的要求，油電混合動力系統(tǒng)應(yīng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，即低耗油率。如果選用活塞發(fā)動機(jī)，一般要求采用渦輪增壓技術(shù)，以滿足無人機(jī)高空、高效飛行需求。

④其他需求

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，迎風(fēng)面積小，振動小，噪聲低，維護(hù)簡單等。

（3）啟動/發(fā)電一體化系統(tǒng)

傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)的啟動方式一般有兩種，一是手拉式，二是采用電動機(jī)啟動。以燃油發(fā)動機(jī)為動力的絕大多數(shù)無人機(jī)使用第二種啟動方式。

眾所周知，旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，兩者統(tǒng)稱為電機(jī)。但是，它們的功用卻完全不同，電動機(jī)是一種把電能變作機(jī)械能的機(jī)器，而發(fā)電機(jī)是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臋C(jī)電設(shè)備。同一臺電機(jī)在不同外界條件下既可作為發(fā)電機(jī)，又可作為電動機(jī)運(yùn)行，稱為電機(jī)的可逆性原理。電機(jī)的可逆性與電機(jī)的性質(zhì)有關(guān)，電機(jī)是一種將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，在不同的客觀條件下，表現(xiàn)出不同的運(yùn)行工況。無人機(jī)啟動/發(fā)電一體化系統(tǒng)利用了電機(jī)的可逆性原理，對于同一臺電機(jī)，在燃油發(fā)動機(jī)啟動時，電機(jī)作為電動機(jī)使用；燃油發(fā)動機(jī)啟動后，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，在燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動下發(fā)電，向無人機(jī)蓄電池或驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)的主電動機(jī)輸送電能。

啟動/發(fā)電一體化系統(tǒng)啟動燃油發(fā)動機(jī)的過程是，燃油發(fā)動機(jī)在啟動階段，系統(tǒng)控制器操縱無人機(jī)蓄電池向啟動電機(jī)供電，電能驅(qū)動電機(jī)（處于電動機(jī)狀態(tài)）轉(zhuǎn)動，該電機(jī)轉(zhuǎn)軸與燃油發(fā)動機(jī)曲軸相連的飛輪嚙合，驅(qū)動燃油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，達(dá)到燃油發(fā)動機(jī)啟動與運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。當(dāng)燃油發(fā)動機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，電機(jī)在系統(tǒng)控制器操縱下進(jìn)入發(fā)電整流模式，即電動機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)在燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動下發(fā)電，發(fā)動機(jī)輸出的電力進(jìn)行整流后，供給蓄電池或驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)的主電動機(jī)使用。

這種做法的優(yōu)點(diǎn)是，可以去掉燃油發(fā)動機(jī)專用的啟動電動機(jī)，從而減輕無人機(jī)的一部分重量，提高油電混合動力系統(tǒng)的功重比。另外，在無人機(jī)飛行過程中，燃油發(fā)動機(jī)萬一出現(xiàn)故障，停止工作，此時系統(tǒng)控制器進(jìn)入緊急供電模式，直接將蓄電池的電量供給主電動機(jī)驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)，電池的電量只能支持一小段飛行時間，但已經(jīng)足夠讓無人機(jī)完成迫降。

無人機(jī)采用啟動/發(fā)電一體化技術(shù)的顯著優(yōu)勢是，油電混合動力系統(tǒng)的啟動與熄火更容易完成。通過增加無人機(jī)控制系統(tǒng)與通信鏈路，無人機(jī)操控員只須在地面控制站點(diǎn)擊操控臺或遙控器上的啟動或熄火按鍵，就可以完成無人機(jī)的啟動與熄火。

油電混合動力無人機(jī)的能量綜合管理

油電混合動力無人機(jī)的能量綜合管理屬于智能管理（IM）的范疇，是人工智能（AI）技術(shù)與管理科學(xué)、知識工程與系統(tǒng)工程、計算技術(shù)與通信技術(shù)、軟件工程與信息工程等多學(xué)科、多技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透而產(chǎn)生的一門新技術(shù)、新學(xué)科。它在集成管理信息系統(tǒng)(MIS)、辦公自動化系統(tǒng)(OAS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、5G網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法和技術(shù)，構(gòu)建新一代人工智能管理系統(tǒng)。

無人機(jī)能量綜合管理概述

在無人機(jī)發(fā)展史上，油動無人機(jī)和電動無人機(jī)僅利用各自的分系統(tǒng)或組件的技術(shù)進(jìn)步，來提高無人機(jī)的性能。隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是油電混合動力技術(shù)的推廣應(yīng)用，這種“孤立式”各自分系統(tǒng)的設(shè)計方式已很難取得更大的效益。因此，性能先進(jìn)的無人機(jī)設(shè)計必須綜合考慮各分系統(tǒng)之間的能量動態(tài)交互信息，探索新的控制策略，使無人機(jī)各分系統(tǒng)內(nèi)部和分系統(tǒng)之間更有效地利用能量，挖掘各分系統(tǒng)整體組合、相互協(xié)調(diào)、共同運(yùn)作的潛力，提高無人機(jī)的能量使用效率和飛行性能。

人工智能技術(shù)是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，包含的內(nèi)容十分廣泛，它研究如何使用計算機(jī)技術(shù)來模擬人類的某些思維過程以及學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等智能行為，是一門極富挑戰(zhàn)性的科學(xué)。近年來，人工智能技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航空、航天、航海、通信、企業(yè)管理等領(lǐng)域。

無人機(jī)擁有新穎的結(jié)構(gòu)、高效氣動布局、獨(dú)特的飛行方式，已引起眾多行業(yè)用戶的關(guān)注和重視。短短幾年時間，人工智能技術(shù)在無人機(jī)中的應(yīng)用已經(jīng)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

在市場需求和人工智能技術(shù)廣泛應(yīng)用的大背景下，無人機(jī)能量綜合管理的概念應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 油電混合動力無人機(jī)的能量綜合管理系統(tǒng)功能示意圖。

油電混合動力無人機(jī)能量綜合管理是應(yīng)用人工智能技術(shù)，通過優(yōu)化能量控制策略，在油電混合動力無人機(jī)整個飛行任務(wù)中，讓無人機(jī)與各分系統(tǒng)之間的電能和熱能實(shí)現(xiàn)動態(tài)、高效分配和管理。能量綜合管理目的是，控制能量在能源供應(yīng)裝置與能源使用裝置之間的正常流動，使能源具有最高的使用效率。對油電混合動力無人機(jī)而言，能源供應(yīng)裝置主要包括電池、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、燃油發(fā)動機(jī)、燃油和油箱等，能源使用裝置主要指旋翼、機(jī)載設(shè)備和任務(wù)載荷等。

油電混合動力無人機(jī)的能量綜合管理系統(tǒng)（Integrated Energy Management System，IEMS）是以微處理器為核心的電控系統(tǒng)，由微處理器、傳感器和控制器組成。能量綜合管理系統(tǒng)集合了感知、控制和驅(qū)動功能，能適時感知和響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部能源的使用和分配，以及外界環(huán)境變化，做出判斷，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成相應(yīng)的反饋動作。

能量綜合管理系統(tǒng)利用無人機(jī)各種機(jī)載傳感器，可以獲得所須的信息，隨時向無人機(jī)地面控制站和操控員提供有用的信息，例如無人機(jī)飛行速度，飛行高度，飛行距離，電池的電壓、電流、溫度、剩余電量、充電狀態(tài)，油箱剩余油量，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)等信息，使操控員心中有數(shù)。

無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)

無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)不同于分離式能量管理系統(tǒng)，它能通過無人機(jī)機(jī)載傳感器獲取外界信息，由微處理器做出判斷和決策，向控制器發(fā)出指令，然后控制器執(zhí)行能源分配?，F(xiàn)概括無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的智能功能。

（1）測量與感知功能

能量綜合管理系統(tǒng)能測量無人機(jī)負(fù)荷、位置、飛行速度、加速度、飛行高度、飛行距離、溫度、電壓、電流、熱量、電量、電耗率、油耗率、電池充電量、油箱剩余油量等指標(biāo)的變化情況，以及感知無人機(jī)所處的環(huán)境條件。

（2）信息識別功能

能量綜合管理系統(tǒng)能夠識別和積累傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得的各類信息，具有自動處理信息、去偽存真、判別原因、做出決策等能力。

（3）數(shù)據(jù)采集功能

能量綜合管理系統(tǒng)對所有測量和獲取的信息進(jìn)行識別與處理，去除信息中的各種干擾信號后，將這些有效數(shù)據(jù)輸入微處理器，微處理器對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分發(fā)、儲存和管理。數(shù)據(jù)采樣速度、精度和前置濾波特性是衡量能量綜合管理系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)。

（4）通信功能

傳感器網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比后，得出判斷結(jié)果，能量綜合管理系統(tǒng)將判斷結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。與此同時，能量綜合管理系統(tǒng)即時啟動遠(yuǎn)程通信功能，將判斷結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。

（5）適時響應(yīng)功能

能量綜合管理系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境和無人機(jī)內(nèi)部條件的變化，適時動態(tài)地做出響應(yīng)，并采取必要的控制行動。

（6）自診斷功能

能量綜合管理系統(tǒng)能分析和比較無人機(jī)系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對系統(tǒng)故障、系統(tǒng)判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷，并予以校正。

（7）自調(diào)節(jié)功能

能量綜合管理系統(tǒng)根據(jù)不斷變化的外部環(huán)境和無人機(jī)內(nèi)部條件，及時、自動地調(diào)整無人機(jī)的狀態(tài)和功能，從而補(bǔ)充無人機(jī)的能量消耗，以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。

（8）安全管理功能

能量綜合管理系統(tǒng)利用安全管理功能，可監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等指標(biāo)是否超過極限，防止電池過度放電，尤其是防止個別電池單體過度放電，防止電池過熱而發(fā)生熱失控，當(dāng)電池出現(xiàn)能量回饋時，防止電池過度充電，在電源系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣度下降時，發(fā)出報警信息或強(qiáng)行切斷電源，當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)短路時，對電源系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)等。

（9）電池?zé)峁芾砉δ?/p>

對大功率放電和在高溫條件下工作的電池組，電池的熱管理尤為必要。電池?zé)峁芾砉δ苁闺姵貑误w溫度均衡并保持在合理的范圍內(nèi)，以及對高溫電池實(shí)施冷卻，在低溫條件下對電池進(jìn)行加熱等。由于溫度變化對其他參數(shù)有影響，所以一般以電池模塊的溫度作為控制的指令信號。

無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)所具有的優(yōu)良特性，對改進(jìn)和提高無人機(jī)飛行性能具有重大意義，受到業(yè)界高度關(guān)注。

無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

能量綜合管理系統(tǒng)集合了感知、控制和驅(qū)動功能。其中，控制和驅(qū)動是最重要的功能之一。

（1）無人機(jī)在各飛行階段所須功率的控制

根據(jù)電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度等信息，以及相關(guān)控制設(shè)備的狀態(tài)信息，無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)判斷電動機(jī)和發(fā)動機(jī)的工況，以確定發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率分配策略，滿足無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等指標(biāo)要求。

無人機(jī)油電混合動力的控制系統(tǒng)須與飛控系統(tǒng)、地面控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃信息，實(shí)時計算所須的能量，及時調(diào)節(jié)燃油發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測油電混合動力系統(tǒng)的負(fù)荷、油門量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)電壓、電池電壓、實(shí)時電流、溫度等信息。

功率分配策略與油電混合動力系統(tǒng)的組成關(guān)系密切，涉及發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測、性能匹配等核心技術(shù)，同時還與無人機(jī)構(gòu)型有關(guān)。從無人機(jī)構(gòu)型的總體設(shè)計入手，計算無人機(jī)所須的最大功率以及無人機(jī)在各種飛行姿態(tài)下的所須功率，以此確定無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)最大功率。

（2）無人機(jī)的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)

大多數(shù)無人機(jī)采用舵機(jī)作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是輸出力矩和角速度，驅(qū)動控制面偏轉(zhuǎn)，其工作過程包括兩方面，一是通過主傳動系統(tǒng)的減速器帶動鼓輪轉(zhuǎn)動，操縱控制面偏轉(zhuǎn)，二是通過測速傳動系統(tǒng)的減速器帶動測速發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出與控制面偏轉(zhuǎn)角速度成正比的電信號，作為控制回路的負(fù)反饋信號，實(shí)現(xiàn)對控制回路的閉環(huán)控制。常用舵機(jī)有電動舵機(jī)、液壓舵機(jī)和電液復(fù)合舵機(jī)三種類型。

①電動舵機(jī)

電動舵機(jī)以電力為能源，由電動機(jī)、傳感器、齒輪傳動裝置和安全保護(hù)裝置等設(shè)備組成。測速傳感器是舵回路的反饋元器件，用于測量控制面偏轉(zhuǎn)角速度。

②液壓舵機(jī)

液壓舵機(jī)以高壓液體作為能源，是一種直接驅(qū)動控制面偏轉(zhuǎn)的舵機(jī)。

③電液復(fù)合舵機(jī)

電液復(fù)合舵機(jī)是電液副舵機(jī)和液壓助力器（電液主舵機(jī)）的組合體，既可用作舵機(jī)，又可用作助力器。

（3）電池荷電狀態(tài)估算

電池荷電狀態(tài)（SOC）用于反映電池的剩余容量，其數(shù)值定義是剩余容量占電池容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。其取值范圍為0～1，當(dāng)SOC=0時，表示電池放電完全；當(dāng)SOC=1時，表示電池電量全部充滿。

電池的電池荷電狀態(tài)不能直接測量，只能通過電池端電壓、充放電電流及內(nèi)阻等參數(shù)來估算其大小，而這些參數(shù)會受到電池老化、環(huán)境溫度變化及無人機(jī)飛行狀態(tài)等多種不確定因素的影響。電池的電池荷電狀態(tài)估算方法如下所述。

①內(nèi)阻測量法

圖2 無人機(jī)在各飛行階段所須功率的示意圖。

內(nèi)阻測量法利用不同頻率的交流電激勵電池，測量電池內(nèi)部的交流電阻，并通過建立的計算模型，得到電池荷電狀態(tài)估算值。該方法得到的電池荷電狀態(tài)估算值反映了電池在某特定恒流放電條件下的電池荷電狀態(tài)值。

②線性模型法

線性模型法的原理是，基于電池荷電狀態(tài)的變化量、電流、電壓和上一個時間點(diǎn)的電池荷電狀態(tài)值，建立線性模型。這種模型適用于低電流、電池荷電狀態(tài)緩變的情況，對誤差和錯誤的初始條件測量，具有很高的魯棒性。

③卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法建立在安時積分法基礎(chǔ)之上。其主要思想是，對動力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計。

（4）電池充放電控制

無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)的本質(zhì)是，燃油發(fā)動機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，因此，該系統(tǒng)必然涉及電池的充放電問題。電池控制系統(tǒng)的主要功能是，測量電池的電壓及溫度，均衡電池能量，對電流進(jìn)行采樣，計算電池荷電狀態(tài)值，產(chǎn)生各類報警數(shù)據(jù)，對電池的故障模式、充放電、瞬態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行管理等，并通過數(shù)據(jù)鏈路與地面控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使相關(guān)數(shù)據(jù)在地面控制站上顯示。

（5）瞬態(tài)功率補(bǔ)償

瞬態(tài)功率補(bǔ)償是一種發(fā)動機(jī)故障模式的處理辦法。當(dāng)發(fā)動機(jī)過載或者工作不正常時，發(fā)電機(jī)所輸出的功率不能維持無人機(jī)的正常飛行，這時無人機(jī)油電混合動力系統(tǒng)瞬態(tài)功率必須存在一個正反饋和閉環(huán)控制。在備用電池與發(fā)電機(jī)之間安裝一個穩(wěn)壓源硬件，來控制備用電池的輸出功率，利用瞬態(tài)功率補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)輸出功率的補(bǔ)償。

無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)開發(fā)的指導(dǎo)原則

油電混合動力無人機(jī)的能量綜合管理系統(tǒng)開發(fā)和選用須堅持四個指導(dǎo)原則：能力、可靠性、敏捷性和經(jīng)濟(jì)性。

（1）能力原則

能量綜合管理系統(tǒng)應(yīng)對無人機(jī)電和熱相關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行控制，使這些分系統(tǒng)滿足更大、變化更劇烈的電和熱載荷需求，為無人機(jī)更強(qiáng)的任務(wù)執(zhí)行能力提供支撐。該系統(tǒng)利用整機(jī)資源共享，處理大的間歇性電和熱載荷，同時保護(hù)無人機(jī)的關(guān)鍵分系統(tǒng)不受間歇性電和熱載荷的影響。

（2）可靠性原則

無人機(jī)在飛行和執(zhí)行任務(wù)過程中，能量綜合管理系統(tǒng)須確保無人機(jī)關(guān)鍵分系統(tǒng)的魯棒性和彈性運(yùn)行。

（3）敏捷性原則

無人機(jī)所有分系統(tǒng)和設(shè)備供應(yīng)廠商擁有的新技術(shù)快速應(yīng)用到無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)中，能夠根據(jù)工作任務(wù)的變化即時調(diào)整能量控制策略。

（4）經(jīng)濟(jì)性原則

能量綜合管理系統(tǒng)開發(fā)和選用應(yīng)降低開發(fā)成本、軟件驗(yàn)證成本、無人機(jī)各分系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，以降低無人機(jī)的總成本。

無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計方法

無人機(jī)能量優(yōu)化技術(shù)是解決油電混合動力無人機(jī)能量管理問題的關(guān)鍵技術(shù)，對提高油電混合動力無人機(jī)的飛行性能和任務(wù)執(zhí)行能力至關(guān)重要。在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮各分系統(tǒng)之間的動態(tài)信息，克服傳統(tǒng)設(shè)計方案的局限性，利用分系統(tǒng)之間的動態(tài)交互信息來制定控制策略，克服傳統(tǒng)方案中余量設(shè)計過大的問題。

（1）采用多變量控制方法和預(yù)測控制算法，創(chuàng)建響應(yīng)更快的系統(tǒng)

在無人機(jī)動力裝置設(shè)計中，技術(shù)人員過去通常假設(shè)無人機(jī)上的電和熱載荷變化緩慢，主要采用偽穩(wěn)態(tài)分析方法計算能量。但是，對于油電混合動力無人機(jī)而言，電與熱相關(guān)分系統(tǒng)載荷具有更突出的動態(tài)特性，因而比例積分控制、基于規(guī)則的邏輯等傳統(tǒng)控制方法很難實(shí)現(xiàn)理想的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性。解決途徑是，在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，技術(shù)人員采用多變量控制方法和預(yù)測控制算法，可有效解決系統(tǒng)更快響應(yīng)特性的問題，其中多變量控制方法可以引入更高精度的系統(tǒng)信息和分系統(tǒng)間的交叉耦合，預(yù)測控制算法能針對預(yù)測的需求采取預(yù)期行動。

（2）優(yōu)化控制策略，處理更大動態(tài)載荷

在過去，無人機(jī)電和熱相關(guān)分系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和試驗(yàn)彼此獨(dú)立開展，各分系統(tǒng)設(shè)計須要留有較大余量。在飛行和執(zhí)行任務(wù)過程中，油電混合動力無人機(jī)會面臨更大的動態(tài)載荷，各分系統(tǒng)設(shè)計余量會很大，結(jié)果會導(dǎo)致無人機(jī)整個系統(tǒng)的重量和尺寸達(dá)到難以接受的程度。解決的途徑是，在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，優(yōu)化控制策略，使各分系統(tǒng)之間共享載荷和能源等信息，根據(jù)須要，分系統(tǒng)之間動態(tài)分配能源，提高系統(tǒng)能源的利用效率，降低各分系統(tǒng)的設(shè)計余量。例如，無人機(jī)能量優(yōu)化技術(shù)采用層級式和分布式控制架構(gòu)，分系統(tǒng)之間將能共享信息。

（3）快速集成新技術(shù)

在無人機(jī)設(shè)計過程中，如果采用“孤立式”分系統(tǒng)設(shè)計方法，只有減小分系統(tǒng)耦合才能回避系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度，分系統(tǒng)與整個系統(tǒng)開放性考慮不足，新技術(shù)的快速應(yīng)用受到制約。解決的途徑是，在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，通過定義開放式架構(gòu)和模塊化接口，降低新技術(shù)集成的難度。其中，開放式架構(gòu)設(shè)計具有可分解性、可擴(kuò)展性、交互性、可重構(gòu)性、可重用性、可升級性等特點(diǎn)；模塊化設(shè)計是開放式系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵，可克服由系統(tǒng)間緊耦合帶來的復(fù)雜性。

（4）運(yùn)用分布式控制技術(shù)

在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，將其他領(lǐng)域的成熟控制技術(shù)應(yīng)用于電與熱相關(guān)分系統(tǒng)的控制設(shè)計。例如，預(yù)測控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、以及可以支持控制系統(tǒng)在線重構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

（5）采用開放式架構(gòu)設(shè)計

在油電混合動力無人機(jī)設(shè)計過程中，可借鑒已有架構(gòu)方案來設(shè)計電與熱相關(guān)分系統(tǒng)的架構(gòu)，包括外場總線、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、綜合模塊化航電、先進(jìn)機(jī)載能力環(huán)境等。