本實用新型屬于航空航天器能源系統(tǒng)領域，具體涉及一種用于高空無人機的新能源混合供電系統(tǒng)。

背景技術：

無人機飛行方向和動力控制靈活，可以完成多種類型的勘查監(jiān)測及運輸任務要求，也可以在惡劣環(huán)境下飛行。目前無人機面臨的最大問題是自身重量和供電系統(tǒng)儲電量，既要盡可能減輕自身重量，又要增大供電系統(tǒng)儲電量，才能滿足無人機長航時的飛行需求。

傳統(tǒng)的石化燃料無人機,采用柴油活塞發(fā)動機作為動力系統(tǒng),可滿足大功率無人機動力需求，且成本低廉，但能量轉換效率低，污染嚴重且性能不穩(wěn)定。

目前新能源無人機主要采用太陽能和蓄電池作為動力。專利201310419621.9提供的是一種太陽能無人機能源供給系統(tǒng)，包括太陽能電池陣、高能蓄電池電－電混動電源。太陽能電池陣提供無人機白天作業(yè)供電，蓄電池提供無人機光照不足時段和夜間供電，但蓄電池儲能密度小，儲存能量有限，且多次充放電后，性能逐漸下降，提供電量不能很好的保證無人機正常作業(yè)需求。

專利201010562953.9采用太陽能-燃料電池-蓄電池混合動力作為平流層飛艇的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能板、燃料電池、高能蓄電池、電解池組成。其中燃料電池用氧氣和氫氣來自系統(tǒng)配置的電解水裝置電解水，這種方式適用于空間較大的飛艇。但是因其空間體積和重量均較大，不適用于所有無人機供電系統(tǒng)。而且太陽能電解水的電轉化效率很低，電解水產生的氫氣和氧氣要滿足夜間無人機飛行使用，需要大面積的太陽能電池陣，所以該系統(tǒng)只適用于大型無人機，限制了系統(tǒng)的應用范圍。而且無人機動力和方向控制靈活，可以在惡劣的環(huán)境和不同高度高空飛行。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供用于高空無人機的新能源混合供電方法，由太陽能電池模塊、燃料電池模塊及蓄電池模塊三種電源系統(tǒng)聯合供電，使用高壓儲氫罐或固態(tài)儲氫方法和液氧罐作為燃料電池模塊燃料來源，滿足無人機對供電系統(tǒng)空間尺寸要求和質量要求，提高無人機電源供給系統(tǒng)的能量密度，提高無人機整體續(xù)航時間。

本實用新型是通過以下技術方案實現的：

一種用于高空無人機的新能源混合供電系統(tǒng)，包括太陽能電池模塊、燃料電池模塊、蓄電池模塊、單向DC/DC電源轉換器、雙向DC/DC電源轉換器和無人機能源監(jiān)控模塊；

所述太陽能電池模塊、燃料電池模塊分別與單向DC/DC電源轉換器連接；

所述蓄電池模塊與雙向DC/DC電源轉換器連接，雙向DC/DC電源轉換器再與單向DC/DC電源轉換器連接；

所述單向DC/DC電源轉換器與高空無人機的驅動電機和其它用電設備連接；

所述太陽能電池模塊、燃料電池模塊、蓄電池模塊分別與無人機能源監(jiān)控模塊連接。

所述燃料電池模塊包括燃料電池反應堆、供氫系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)；

所述燃料電池模塊根據無人機的飛行高度進行設置：

當飛行高度為2km－5km時，所述燃料電池反應堆采用開放式風冷燃料電池反應電堆，所述供氫系統(tǒng)采用高壓儲氫罐作為氫源，若不能滿足加氫條件，則采用固態(tài)儲氫方式供氫，例如硼氫化鈉儲氫；所述供氧系統(tǒng)采用空氣作為氧源；

當飛行高度為5km－8km時，所述燃料電池反應堆采用封閉式風冷燃料電池反應電堆，所述供氫系統(tǒng)采用高壓儲氫罐作為氫源，若不能滿足加氫條件，則采用固態(tài)儲氫方式供氫，例如硼氫化鈉儲氫；所述供氧系統(tǒng)采用空氣作為氧源，空氣經過濾器過濾，由風機鼓入燃料電池反應堆陰極；

當飛行高度在8km以上時，空氣中含極少量氧氣，所述燃料電池反應堆采用封閉式氫氧燃料電池反應堆，該反應堆可以根據環(huán)境條件選擇液冷型燃料電池反應堆或風冷型燃料電池反應堆，所述供氫系統(tǒng)采用高壓儲氫罐作為氫源，若不能滿足加氫條件，則采用固態(tài)儲氫方式供氫，例如硼氫化鈉儲氫；所述供氧系統(tǒng)采用液氧罐作為氧源，液氧經充分氣化和加熱，然后進入燃料電池反應堆陰極。

所述封閉式液冷氫氧燃料電池反應堆冷卻液采用去離子水或50％(V/V)的乙二醇水溶液。

所述無人機能源監(jiān)控模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、數據收集器和控制電路板；

所述電壓傳感器、電流傳感器分別與太陽能電池模塊、燃料電池模塊和蓄電池模塊相連，獲得三者的電壓數值、電流數值，并將三者的電壓數值、電流數值傳遞給所述數據收集器，所述數據收集器對數據進行分析后反饋給所述控制電路板，所述控制電路板控制調節(jié)三者的供電狀態(tài)和運行狀態(tài)。

所述驅動電機將電流、電壓、轉速數值傳遞給所述數據收集器，所述其它用電設備將電壓、電流數值傳遞給數據收集器，無人機能源監(jiān)控模塊根據獲得的數值實時監(jiān)控驅動電機和其它用電設備的運行狀態(tài)，發(fā)送指令給控制電路板并按需分配兩者的用電量。

所述太陽能電池模塊用作白天主供電源，所述燃料電池模塊用作夜間主供電源，蓄電池模塊用作輔助電源，所述單向DC/DC轉換器、雙向DC/DC轉換器用作電壓調節(jié)裝置，所述無人機能源監(jiān)控模塊用作設備用電監(jiān)控及分配。

當太陽能電池模塊提供電量不足時，無人機能源監(jiān)控模塊啟動燃料電池模塊補充剩余電量，以滿足無人機用電需求；

當太陽能電池模塊發(fā)電量較高時，無人機能源監(jiān)控模塊控制太陽能電池模塊將多余電量通過雙向DC/DC轉換器為所述蓄電池模塊充電；

當太陽能電池模塊和燃料電池模塊的電壓傳感器、電流傳感器的顯示數值均較低時，無人機能源監(jiān)控模塊啟動蓄電池模塊供電，并進入應急狀態(tài)。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：本實用新型能夠實現不同高度、多種環(huán)境條件下高空飛行作業(yè)無人機供電，將高空無人機供電系統(tǒng)儲電量提高4倍，降低無人機供電系統(tǒng)的整體質量，增加無人機整體續(xù)航時間，從而保證高空無人機光照不足時穩(wěn)定運行，提升高空無人機的載荷空間。在本實用新型的供電系統(tǒng)中，考慮到無人機的結構空間較小，耗電大，大功率運行情況下需要供電系統(tǒng)提供電量大，為保證高空無人機續(xù)航時長，本實用新型采用燃料電池為夜間主供電源，系統(tǒng)能量密度比蓄電池系統(tǒng)提高4倍，即同樣質量的系統(tǒng)能夠使傳統(tǒng)蓄電池動力無人機續(xù)航時長增加4倍。本實用新型中燃料電池采用高壓儲氫罐和液氧罐為燃料來源，減小燃料電池占用的空間體積和重量，使平流層無人機攜帶更多的載荷任務。本實用新型可成功應用于中小型高空無人機供電系統(tǒng)，而且在大型無人機供電系統(tǒng)應用效果更佳。

附圖說明

圖1是本實用新型用于無人機的太陽能燃料電池電－電混動供電系統(tǒng)結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述：

如圖1所示，本實用新型用于高空無人機的新能源混合供電系統(tǒng)，以太陽能電池模塊為白天主供電源，燃料電池模塊為夜間主供電源，蓄電池模塊為輔助電源，DC/DC轉換器為電壓調節(jié)裝置的新能源混合供電系統(tǒng)，無人機能源監(jiān)控模塊為設備用電監(jiān)控及分配裝置。

具體來說，該系統(tǒng)包括無人機能源監(jiān)控模塊10、太陽能電池模塊11、蓄電池模塊12、燃料電池模塊13、單向DC/DC轉換器14、雙向DC/DC轉換器15、驅動電機16、螺旋槳17、其他用電設備18。

所述太陽能電池模塊11通過電纜與單向DC/DC轉換器14相連，以獲得太陽能輸出功率；燃料電池模塊13通過電纜與單向DC/DC電壓轉換器14相連，以獲得燃料電池模塊輸出功率；單向DC/DC轉換器14通過電纜與其他無人機用電設備18相連；單向DC/DC轉換器14通過電纜與雙向DC/DC轉換器15相連，以便獲得蓄電池模塊輸出功率并在負載能耗較小時為蓄電池模塊充電；無人機能源監(jiān)控模塊10通過電纜與燃料電池模塊13連接，以便太陽能輻射強度低時為主供電源；無人機能源監(jiān)控模塊10通過電纜與蓄電池模塊12連接，在供電系統(tǒng)啟動時及特殊情況時供電。本實用新型中的太陽能電池模塊是采用現有的太陽能電池模塊或者根據不同應用目標和需求定制的。單向DC/DC轉換器14與驅動電機16連接，驅動電機16與螺旋槳17連接，無人機能源監(jiān)控模塊10與驅動電機連接。

所述燃料電池模塊13由燃料電池反應堆、供氫系統(tǒng)和供氧系統(tǒng)構成。其中根據無人機不同飛行高度設置，飛行高度2km－3km使用開放式空冷燃料電池反應電堆，高壓儲氫罐為氫源，空氣為氧源；飛行高度5km－8km使用封閉式空冷燃料電池反應電堆，高壓儲氫瓶為氫源，空氣為氧源；飛行高度8km以上使用封閉式氫氧燃料電池反應堆，高壓儲氫罐為氫源，液氧罐為氧源。采用通常的加熱設備進行液氧氣化加熱和通常的保溫設備對燃料電池反應堆的封閉環(huán)境進行保溫即可。

所述燃料電池反應堆可以是空冷式反應堆，也可以是液冷式反應堆。空冷式反應堆直接應用空氣冷卻反應堆；液冷式反應堆采用冷卻液冷卻反應堆，液冷式反應堆冷卻裝置由冷卻液循環(huán)管道、冷卻液循環(huán)泵及溫度傳感器構成，冷卻液采用去離子水或50％(V/V)的乙二醇水溶液。該循環(huán)回路通過控制出入口溫度差值，調節(jié)燃料電池反應堆反應溫度，確保其長期處于穩(wěn)定高效狀態(tài)。

所述無人機能源監(jiān)控模塊10由電壓傳感器、電流傳感器、數據收集器及控制電路板構成。太陽能電池模塊陣為主供電源，燃料電池為輔助電源。當太陽能電池模塊提供電量不足時，燃料電池模塊補充剩余電量，以滿足無人機用電需；當太陽能電池模塊發(fā)電量較高時，無人機能源監(jiān)控模塊控制太陽能電池模塊陣多余電量為蓄電池模塊充電(太陽能電池模塊中的多余電量是通過雙向DC/DC轉換器傳遞給蓄電池模塊充電)；當太陽能和燃料電池的電壓傳感器、電流傳感器均較低時，無人機能源監(jiān)控模塊控制蓄電池模塊啟動為主供電源，并進入應急狀態(tài)。

無人機能源監(jiān)控模塊中的電流傳感器分別與太陽能電池模塊、燃料電池模塊和蓄電池模塊相連，獲得三者的電流數值，傳遞給數據收集器，并根據算法進行分析，反饋給控制電路板，進而控制調節(jié)三者的供電狀態(tài)和運行狀態(tài)，以滿足用電設備的用電需求。

本實用新型的一個實施例如下：

20km高空氣象監(jiān)測無人機，其供電系統(tǒng)由太陽能電池模塊、15kw液冷燃料電池模塊和蓄電池模塊構成。高壓儲氫罐和液氧罐為燃料電池模塊提供燃料。本燃料電池系統(tǒng)正常運行4小時，平均功率10kw為例。經計算需要40kwh電量

(1)本實用新型儲氫罐氫氧燃料電池是夜間的主供電源，產生40kwh電量，需要燃料電池系統(tǒng)重量120kg，體積170L，質量儲能密度350wh/kg，體積儲能密度235wh/L。

(2)若采用蓄電池模塊為夜間主供電源的供電系統(tǒng)，產生40kwh電量，需要蓄電池重量400kg，體積560L，質量儲能密度100wh/kg，體積儲能密度71wh/L。

(3)若采用電解水氫氧燃料電池為夜間主供電源，白天太陽能電池模塊電解水產生的氫氣和氧氣極少，嚴重不能滿足夜間飛行用電需求。

經對比，本實用新型高空無人機的新能源混合供電系統(tǒng)的質量儲能密度是蓄電池的3.4倍，體積儲能密度是蓄電池的3.3倍，這樣在很大程度上減小了供電系統(tǒng)的質量和體積，增大了無人機的任務載荷空間。

上述技術方案只是本實用新型的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本實用新型公開了原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本實用新型上述具體實施例所描述的結構，因此前面描述的只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。