太阳能无人机能源系统轻型化设计研究

陈中

摘要：能源系统是实现太阳能无人机长时飞行的关键所在。目前，能源系统质量占比严重制约了无人机的快速发展，因此能源系统的轻型化是无人机总体设计的一个重要研究内容。从太阳能电池、储能电池、电能变换装置、配电设备等方面研究了能源系统的减重设计，介绍了利用能量管理技术提高能源系统效能以降低能源系统质量的控制思路。

关键词：太阳能无人机;能源系统;电池;能量管理

中图分类号：V279

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.049

太阳能无人机由于飞行高度高、巡航时间长等特点，取得了突飞猛进的发展[l]，但要实现长航时飞行，能源、推阻与升重平衡等问题亟待解决。能源、推力、升力均与无人机的质量密切相关，因此太阳能无人机的轻型化设计尤为重要。太阳能无人机的轻型化设计是涉及材料、结构、强度、动力、能源等多个学科，既需要从总体上宏观调控，又需要各分系统专业从微观方面努力。针对能源领域，阐述了太阳能无人机的能源系统基本组成，研究了其轻型化设计技术。

1 太阳能无人机能源系统组成

纵观无人机发展历程，为了实现长航时，能源系统通常采用太阳能电池与储能电池联合供电的技术路线。能源系统基本组成为太阳能电池、MPPT控制模块、储能电池、DC/ DC电源、应急电池、电机驱动器及配电柜，太阳能电池属于一次能源，储能电池、应急电池属于二次能源，MPPT控制器、DC/DC电源及电机驱动器等电能变换装置属于电力电子电路范畴，配电柜属于配电设备。

2 能源系统轻型化设计

2.1 太阳能电池

2.1.1 新型太阳能电池

传统应用于电力系统领域的单晶硅或多晶硅太阳能电池，光电转换效率约为22%，面密度一般达到10 kg/m²左右，质量性能远远不能满足太阳能无人机使用需求。一次能源太阳能电池进行减重设计的主要方法是研究新型的轻质高效太阳能电池，减小面密度与提高光电转化效率。各国学者都在致力于研究轻质高效太阳能电池技术，主要有异质结薄型太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、非晶硅太阳能电池等，这些电池组件面密度基本可以达到300 - 650 g/m²左右。其中，砷化镓太阳能电池单体效率高达33%左右，组件面密度约为500 g/m²，目前在太阳能无人机领域应用最为广泛。

2.1.2 太阳能电池结构一体化

太阳能电池阵列在机身上的布局形式，对于无人机总体设计减重，提升发电效率都有重要的作用。在太阳能无人机总体设计层面进行减重的措施有：①选择透光性能良好，具有较好柔性与机械强度的高分子膜作为太阳能电池组件封装材料;②研究利用太阳能电池组件与无人机机翼蒙皮一体化技术，太阳能电池组件直接作为无人机机翼蒙皮。

2.2 储能电池

2.2.1 新型储能电池

由于太阳能电池夜间无发电能力，太阳能无人机必须配置储能电池，从而实现无人机的跨昼夜长航时飞行。目前大多数无人机储能电池采用锂离子电池，技术成熟，但能量密度较低，通常只有150 - 250 Wh/kg。现有典型太阳能无人机案例中，储能电池质量占比严重制约了无人机长航时飞行以及带载能力。瑞士“阳光动力2号”总质量2 300 kg，储能电池质量633 kg，占比达27.5%[2]。为了解决储能电池能量密度较低引起的无人机能源系统笨重问题，发展新型高能量密度储能电池是太阳能无人机减重设计的一个重要研究方向。

2.2.1.1 锂硫电池

锂硫电池理论能量密度可高达2 600 Wh/kg，是传统锂电池能量密度的数十倍。国外锂硫电池研究较早，英国OXIS公司、美国Sionpower公司都在致力于相关产品开发，Sionpower公司已经开发出能量密度在400 - 500 Wh/kg的锂硫电池。可以预见，采用锂硫电池作为无人机的储能电池，可以大大降低其质量占比。

2.2.1.2 铝空气电池

铝空气电池是将铝作为燃料的新型电池，理论能量密度可高達8 100 Wh/kg，国内外已有产品的能量密度可达到600 Wh/kg。铝空气电池放电终止时铝电极消耗殆尽，需要重新更换铝板电极，因此铝空气电池相当于“一次电池”。无人机正常飞行时，应急电池处于待机状态，无人机故障紧急降落时，应急电池才开始放电提供电能，采用铝空气电池作为应急电池是减重设计的一个可行方案。

2.2.2 储能电池结构一体化

储能电池结构一体化[s]最早由美国公司提出，将储能电池安装在卫星内部的复合材料夹层结构中，使储能电池既可以提供电能又可以作为承载结构件，从而减轻能源系统质量，提升储能电池能量密度。大型太阳能无人机储能电池规模往往比较大，采取储能电池分布式配置技术，结合太阳能无人机在机身内部空间，形成储能电池结构一体化设计，如图1所示。机翼内部采用碳纤维材料做成圆柱形肋梁，根据肋梁尺寸结构，将部分储能电池做成与之匹配的圆柱形状，安装在肋梁中，可以有效实现无人机总体设计减重。

2.3 电能变换装置

2.3.1 新型开关器件技术

功率开关器件IGBT、MOSFET以及二极管是电能变换装置的重要组成部分，对于其质量指标、性能影响很大。目前功率开关器件多为基于Si材料的半导体器件，传统Si材料开关器件存在导通电阻与功率损耗较大，严重制约了电能变换装置功率密度的提高。近年来，碳化硅作为一种新型宽带材料，具有高击穿场强、高热导率特性，在电力电子领域成为研究热点。相比Si材料，SiC材料具有更高的能隙参数和热导率，耐高温能力更好，因此SiC器件可以采用简单的冷却方式，降低对散热器的要求，提升电源模块功率密度。相比Si材料，SiC材料具有更高的临界场强，使得在相同耐压等级下，SiC器件的尺寸更小，导通电阻更小。例如，日本日立公司基于Si与SiC材料的3 300 V/1 200A功率器件对比，SiC器件尺寸减小了约30%。