燃料电池-Discover蓄电池混合动力系统的设计与模拟，用于延长航时四旋翼无人机

随着全球技术的快速进步，无人机（UAV）在军事和民用领域日益普及。其应用涵盖地雷清除、灾害管理、电力线路检查、环境监测和通信网络[1]。无人机的尺寸差异很大，从昆虫级平台到大型飞机如11吨级的全球鹰，并且可以采用多种结构配置[2]。虽然没有统一的国际分类，各国通常根据高度、续航时间和起飞重量来分类无人机[3]，其中25公斤以下的通常被定义为迷你无人机[4]。

无人机的空气动力学构型主要由其任务目标决定。旋翼、固定翼和混合动力结构是最常见的。旋翼无人机具备垂直起飞能力、高机动性和悬停功能，适合搜救和监视等任务;然而，与固定翼设计相比，它们通常存在航程有限的问题。在此背景下，动力系统是无人机性能的关键决定因素。虽然内燃机（ICE）曾经占主导地位，但由于其高重量、噪音和低效率，不适合中小型无人机[5]。因此，电推进系统因其轻质结构、高可靠性和高达90%的能效而日益受到关注[4]。

近年来，日益严峻的环境问题加速了燃料电池驱动无人机的普及。与传统电池或内燃机系统相比，燃料电池具有更高的能量密度、安静的运行和更长的续航时间[5]。迷你无人机因其经济实惠和基础设施需求极少而受到青睐[6]，但由于电池配置的续航时间有限，尤其受限。虽然大容量电池可以延长飞行时间，但它们也会增加整体质量，降低效率。换电池或无线充电等替代方案在运营和经济上都面临挑战[7,8]。

因此，氢燃料电池成为一种有前景的解决方案，提供高比能和低环境影响。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其在低工作温度下的高效和紧凑的外形尺寸，对无人机尤为具有吸引力[5]。然而，由于其相对较低的功率密度，必须与锂基电池混合使用，以应对起飞或快速机动时的瞬态峰值负载。氢气唯一的副产物水蒸气确保了近乎零碳排放[9,10]，当由可再生能源生产时[11]，其生命周期影响接近完全碳中和[[12]， [13]， [14]， [15]]。此外，氢气相较化石燃料具有更高的比能，在长航时和高效空中应用中具有明显优势[16]。

燃料电池类型在无人机应用中的适用性取决于系统配置和任务需求。大量研究探讨了将燃料电池（如PEMFCCs和固体氧化物燃料电池（SOFC）与电池结合的混合架构，以提升续航和性能[17]。2008年，联合技术研究中心（UTRC）展示了一款由PEMFC发动机驱动的10公斤旋翼无人机，使用专用氢气罐实现了20分钟的飞行，预计续航时间为1小时45分钟[11]。Wang等人比较了PEMFC和SOFC系统用于固定翼无人机，得出结论，尽管SOFC功率密度更高，但其高工作温度和复杂的辅助系统使PEMFC成为更实用且更稳定的选择[18]。Savvaris等人提出了一种多模式混合架构，支持燃料电池、电池或复合模式运行，实现根据任务需求灵活的电力管理[19]。阿拉特和苏雷尔展示了一款30瓦PEMFC动力的固定翼无人机，其飞行续航提升了2分钟[20]。刘等人分析了多种推进配置的无人机，发现增加螺旋桨数量通过分布式推力优化提升续航性能[21]。王及其同事研究了直接和间接混合驱动拓扑结构，发现半主动配置是一种更轻且更高效的替代方案[22]。同样，基于TRNSYS的一项研究模拟了一个20公斤的混合无人机系统，以估算功耗和运行行为[23]。萧等人设计了一种结合PEMFC和锂电池的全主动混合动力系统，实现了优于传统架构的能源效率[5]。Boukoberine等人通过在配备650瓦PEMFC的DJI M100四旋翼飞机上实现能量管理系统（EMS）实现了这一改进，实现了更高的混合系统效率[24]。Ragupathi进一步表明，混合动力无人机在远程投送任务中优于纯电池系统[25]，而Suwe等人报告称，PEMFC-电池混合无人机的飞行时间增加了3.1倍，尽管独立电池配置的效率略高（约1.7%）[26]。

除了传统的优化方法外，近期研究越来越多地聚焦于基于学习的能源管理策略，特别是深度强化学习（DRL），以解决混合电力系统中复杂的多目标约束。例如，Jia C等人提出了一种燃料电池公交车的预测EMS，通过基于日行灯的框架，将速度预测与乘客载重估算整合起来，提升燃油经济性[27]。同样，其他先进研究也利用日间行车（DRL）通过将未来道路信息纳入控制策略，共同优化推进效率和车内热舒适度[28]。此外，近期提出的基于健康意识的DRL能源管理策略，如基于TD3的框架，明确考虑燃料电池的耐久性和电池健康，同时兼顾能源效率，进一步展示了基于学习的EMS在燃料电池混合系统中处理耦合性能和老化目标的能力[29]。

虽然这些数据驱动方法在拥有足够机载计算资源和辅助负载需求的大型平台上展现出强大的适应性和性能潜力，但通常涉及较高的计算复杂度和大量训练数据[30]。在小规模无人机平台中，有效载荷容量受严格限制，首要目标是飞行续航而非辅助系统优化，稳健且计算高效的基于规则的EMS架构依然是实用且可靠的解决方案。

基于文献综述，本研究提出了一款由PEMFC和锂聚合物（Li–Po）电池驱动的四旋翼无人机的设计。尽管基于燃料电池的混合旋翼无人机取得了显著进展，但在动态动力共享、系统保护和长期耐用性方面仍面临挑战。所提的混合配置和能源管理战略旨在通过实现最佳电力分配和延长运行续航力来解决这些局限。

四旋翼配置因其结构简洁、易于操控以及适合短程和中程任务而被选中。由于PEMFC本身无法满足起飞和爬升阶段的瞬时高功率需求，且启动时需要辅助电源，因此开发了集成锂波电池的混合结构。在这种配置下，PEMFC提供稳态电源，而电池则补偿瞬态负载变化。燃料电池输出通过直流/直流转换器连接到稳压直流母线，以确保电压稳定，并在能源生产和消耗阶段保护系统组件。

实现了智能EMS，协调PEMFC与电池之间的交互。该策略最大化飞行效率，延长能源寿命，从而提升整体系统可靠性。鉴于总质量是影响无人机性能的最关键因素，轻量化和航空级部件被优先考虑。因此，采用了Aerostak的高功率重量比和紧凑设计特点的A系列PEMFC，作为本研究中混合动力模型的基础。