邓涛教授团队：垂直起降固定翼无人机混合动力系统参数匹配
文摘
科技
2024-09-30 10:24
陕西
文章亮点：燃料电池无人机因其效率高、排放无污染、能量密度高等优点，成为绿色航空研究的热点。燃料电池混合动力系统参数匹配对无人机经济、环保和效率有重要影响。某垂直起降固定翼无人机采用燃料电池+锂离子电池混合动力系统，根据技术指标，对该无人机动力系统各部件进行选型。首先设计燃料电池混合动力系统拓扑结构，对混合动力系统中燃料电池、锂电池、无刷直流电机、螺旋桨、单向DC/DC变换器进行参数匹配；然后根据任务剖面创建负载功率，最后运用有限状态机能量管理控制策略，对混合动力系统进行MATLAB/Simulink仿真分析。结果表明：所设计的燃料电池混合动力系统能很好地满足飞行负载需求和飞行过程中的工况变化，实现了零排放飞行。
研究背景：碳达峰、碳中和大背景下，推动绿色低碳技术的发展成为重要方向。在民用航空领域，碳排放量占全球碳排放量的2.5%~4.0%，为了实现减少飞机排放，NASA N+3概念的目标是到2025年将飞机燃油消耗减少60%。在无人机中，垂直起降固定翼无人机兼顾了多旋翼和固定翼的优点，在动力系统上，其以电替代传统燃油成为趋势，但是锂电池无人机的续航较短，严重限制了无人机的使用。质子交换膜燃料电池因其高能量密度、零排放、转化效率高等优点成为了研究热点。然而质子交换膜燃料电池输出特性软、功率密度低，不能满足垂直起降固定翼无人机在飞行干扰、变换飞行姿态时所需的瞬时变化功率，通常需要配备锂电池、超级电容等具有高功率密度辅助电源，实现电源特性的互补，不仅满足无人机在各个飞行工况下的功率需求，也增加了动力系统的稳定性。
国内外对无人机动力系统参数匹配进行了研究。康桂文等对一款超轻型电动固定翼飞机动力系统进行参数匹配分析，提出一种电动飞机参数匹配的流程和方法，增加了飞机的航程；李慧颖结合钻石CA20飞机的设计参数，提出了一种油电混合动力系统参数匹配的方法，增加了飞机的续航时间，并通过仿真计算和实验加以验证；宗建安等基于对通用混电航空飞机和电动固定翼垂直起降飞机尺寸初步确定方法的研究，提出了垂直起降固定翼飞行器混电混合推进系统的设计流程；Ngoc等通过制造商提供的各部件规格和试验数据，给出动力系统中各部件的关系并进行参数化，提出了一种电力推进系统尺寸的设计方法；刘媛媛针对一款纯电的垂直起降固定翼无人机进行了总体设计，其动力系统设计采用了两种驱动方式，并通过样机飞行试验验证了设计的合理性；Coelho对燃料电池无人机和锂电池无人机进行了对比研究，结果表明采用燃料电池无人机的续航时间是锂电池无人机的两倍。综上所述，飞机使用锂电池动力系统参数匹配研究相对成熟，但采用锂电池的飞机续航时间不理想。
研究展望：1）无人机运用燃料电池混合动力系统成为一种新的发展方向。由于燃料电池具有较高的能量密度，与功率密度较高的能源混合使用，可以提高无人机的续航时间和飞行环境适应能力。
2）混合动力系统参数匹配为燃料电池系统优化奠定基础，为下一步进行Matlab/Simulink仿真建模提供参数基础。本文提出的燃料电池动力系统匹配的方法是一种适合垂直起降固定翼无人机电力系统初步设计的有效方法。
3）参数匹配需要考虑无人机飞行剖面和突变负载对功率的需求。
引用格式：任旭东, 邓涛, 杜童, 等. 垂直起降固定翼无人机混合动力系统参数匹配[J]. 航空工程进展, 2024, 15(4): 56-63. REN Xudong, DENG Tao, DU Tong, et al. VTOL fixed-wing UAV hybrid system parameter matching[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(4): 56-63. (in Chinese)
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