学习燃料电池无人机及其燃料电池系统

Leolisk

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VTOL Taxi 曾发布了全球首个氢动力飞行汽车Skai。4月23日，Alakai Technologies 公司正式发布其氢动力飞行汽车Skai，这是全球首个可商用的VTOL Taxi。小编想到：燃料电池载人飞行器之前，燃料电池无人飞行器应该已经有了吧？在网上找了一圈，国内外还真有一些燃料电池无人机，经过筛选，小编以Intelligent Energy公司的燃料电池无人机为例和大家一起来看看究竟燃料电池无人机及其燃料电池系统是什么样的。





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外形






其外形和传统的动力电池无人机非常相似。机顶上的氢瓶使其非常有辨识度，能够与动力电池无人机进行区分。


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优势

• 环保。和其它的氢燃料电池产品一样，由于其能源来源为氢气，最后的产物为水，没有二氧化碳等污染排放，因此燃料电池无人机又可以称为“零排放无人机”
  
• 高能量密度。如下表中，例举Intelligent Energy公司旗下两款不同重量的燃料电池动力系统（搭载两套650W燃料电池系统与搭载一套2.4KW燃料电池系统），对比了与其相同重量下的动力电池无人机产品，可以看到燃料电池系统的能量密度均是动力电池系统的2~3倍。
  

• 高效储能设备。燃料电池的氢气存储在高压氢瓶中，且氢气密度远远小于动力电池密度，因此对用在燃料电池无人机的储能设备（氢瓶）比动力电池更高效。下图中，不同氢瓶体积和重量对比其相同能量下的无人机用动力电池TB48S，当1个13.0L重5.7Kg的氢瓶，其等价于35块TB48S动力电池（重量23.5Kg）。如不考虑重量方面近4倍的区别。这35块动力电池对整个动力系统的可靠性与安全性都带来相当高的挑战。
  

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燃料电池系统配置
针对不同功能需求的无人机，无人机被分为了四轴无人机与六轴无人机，其中六轴无人机需要更大的动力。Intelligent Energy 公司对应的推出了DJI M100四轴无人机与DJI M600六轴无人机。其燃料电池系统配置如下图所示。

• DJI M100。该款燃料电池无人机由供氢阀、氢瓶、蓄电池和燃料电池动力模块组成。其中氢瓶可根据不同里程需求选用1.5L与2L尺寸的氢瓶。供氢阀主要用来控制氢气进入燃料电池的频率与速率，以此来控制无人机的输出功率。蓄电池主要的功能为给供氢阀供电，同时在整台无人机变载的过程中与燃料电池配合，保证功率的稳定、高效的输出。燃料电池动力模块功率650W。
  

• DJI M600。该款燃料电池无人机与DJI M100四轴燃料电池无人机的燃料电池系统构成相同，总重量及功率高于前者。氢瓶可以选用4.7L、6.8L、9.0L和13L不同的尺寸。燃料电池动力模块输出功率2.4KW。
  

将燃料电池无人机上燃料电池系统与燃料电池汽车上搭载的动力系统来比较，可以看出其被简化很多。尤其是燃料电池动力模块，有了更高的集成性与轻量化设计，集成了燃料电池所需的供氢、供氧和冷却系统。

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能量管理策略
燃料电池无人机采用燃料电池与蓄电池配合工作的方式。需求功率大于800W时，由蓄电池输出；燃料电池恒定输出800W，当无人机需求小于800W时，燃料电池输出的功率给蓄电池充电。熟悉燃料电池混动系统的朋友可以知道，这种蓄电池“削峰填谷”的能量管理方式和燃料电池汽车采用的的基本策略相同。




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环境适应性
燃料电池无人机具有非常好的环境适应性，尤其针对海拔和环境温度，如下图所示




可以看到目前燃料电池无人机的温度适应性还是有一定局限的只有20℃~50℃，不能在温度低的时候用，如冬季。就海拔而言，燃料电池无人机可以满足大部分需求了，但是使用起来只能是中规中矩。

总结
1、燃料电池无人机比动力电池无人机的能量密度高；2、燃料电池无人机的动力系统与燃料电池汽车动力系统相似，其燃料电池动力模块的集成度和轻量化要求更高；3、燃料电池无人机的能量管理策略与燃料电池汽车采用的基本能量管理策略相同；4、燃料电池无人机的环境适应性有一定的局限性，不能在低温地区与高海拔地区使用。

作者：鲤琨
校核：楚轩

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