文/丁樹凱 劉海 徐義磊 呂兵 王明

無人機(jī)正在朝著多元化的方向發(fā)展，例如在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，解決了低效、強(qiáng)度大的問題。一個(gè)理想型的無人機(jī)，應(yīng)該具備續(xù)航能力強(qiáng)的特性。本文詳細(xì)介紹了鋰電池與燃料電池的特性，分析了各自優(yōu)缺點(diǎn)，并設(shè)計(jì)出了一種氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)。

1 混合動(dòng)力供電系統(tǒng)的特點(diǎn)與方案設(shè)計(jì)

1.1 氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

圖1：氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)主要由鋰電池、燃料電池、氫氣發(fā)生裝置、電流控制模塊及其他輔助電子設(shè)備組成。

1.2 氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)是鋰電池/燃料電池混合式供電系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方案中燃料電池與鋰電池混合供電，利用二極管低功耗單向?qū)ㄐ缘奶匦蕴幚砣剂想姵嘏c鋰電池并聯(lián)的電壓匹配問題。避免了初期鋰電池電壓較高對(duì)燃料電池充電。

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

2.1 氫氣原理及發(fā)生裝置

氫氣和氧氣是燃料電池的反應(yīng)物，氧氣來自空氣。本文選擇制作氫氣發(fā)生裝置，以NaBH4作反應(yīng)物，H3BO3為催化劑制取H2。

反應(yīng)方程式為：NaBH4+2H2O→4H2↑ +NaBO2

瓶蓋與氫氣收集瓶可拆卸，溶液釋放瓶固定在瓶蓋上，導(dǎo)管與瓶蓋連接，均做密封處理。溶液釋放瓶中加入30ml弱酸性溶液，藥品為硼氫化鈉與硼酸的固體混合物。

操作：裝置平放，配好藥品，用滲透紙包裹平放在瓶底，向溶液釋放瓶注入弱酸性溶液，關(guān)閉閥門。后將瓶蓋擰緊，應(yīng)時(shí)刻保持溶液釋放瓶缺口處向上。在確定擰緊后，將裝置由平放逆時(shí)針豎直放置。溶液從溶液釋放瓶滾落，與藥品接觸，反應(yīng)發(fā)生。

2.2 試驗(yàn)選用設(shè)備具體參數(shù)

表1、表2是實(shí)驗(yàn)選用設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)。

我們選用12V、40W的直流燈泡作為替代負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)相較于純鋰電池與純?nèi)剂想姵毓╇姡哂懈叩睦m(xù)航能力及其他的優(yōu)越性，本文設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)。分別用三個(gè)供電設(shè)備為負(fù)載供電，直至設(shè)備電量用完。

3.1 鋰電池、燃料電池為負(fù)載供電

圖2、圖3是前兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，鋰電池及燃料電池單獨(dú)為負(fù)載供電。

從圖2看出鋰電池電壓從最初的12.54V隨時(shí)間下降到11.19V，電流從最初的3.08A隨時(shí)間下降到2.72A。電流電壓總體趨于下降趨勢(shì)，下降區(qū)間較小，基本無波動(dòng)。輸出十分穩(wěn)定可靠。

本文選取了1.52g硼氫化鈉和4.92g硼酸參與反應(yīng)。圖3是燃料電池電流電壓隨時(shí)間變化曲線。65-69秒，電流電壓陡降趨于0，是未能控制好氫氣流量所致。在促進(jìn)藥品反應(yīng)制氫后，又于69秒后趨于正常。114秒之后，因藥品損耗，電流電壓逐漸下降。波動(dòng)的原因是未能控制好氫氣流量。若能穩(wěn)定輸出氫氣，可以猜測(cè)燃料電池U/T、I/T應(yīng)是兩條趨于水平的直線?？梢姡剂想姵乇蠕囯姵剌敵龉β矢?，只要維持氫氣流量穩(wěn)定，輸出功率也穩(wěn)定。

3.2 氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)為負(fù)載供電

這一實(shí)驗(yàn)是氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)為負(fù)載供電，供電系統(tǒng)是根據(jù)圖1的拓?fù)鋱D進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖4發(fā)現(xiàn)：

（1）從啟動(dòng)至138秒內(nèi)，鋰電池的電壓基本維持不變，電流基本為0。燃料電池輸出電流電壓?？梢姶藭r(shí)供電系統(tǒng)中只有燃料電池為負(fù)載供電，而鋰電池基本沒供電。

（2）從138秒至最后，鋰電池輸出電壓電流。燃料電池電流趨于0，電壓在138-280秒?yún)^(qū)間內(nèi)有波動(dòng)，之后趨于0?？梢?38秒之后燃料電池藥品消耗，不能再為負(fù)載供電。在停止工作瞬間鋰電池開始工作，繼續(xù)為負(fù)載輸出功率。

（3）在65-83秒?yún)^(qū)間內(nèi)，燃料電池電流突然降低，與此同時(shí)，鋰電池作為儲(chǔ)備能源電流突然增加，補(bǔ)充功率差。

3.3 鋰電池、燃料電池、混合供電系統(tǒng)三者的比較

完成三組實(shí)驗(yàn)，將混合動(dòng)力供電系統(tǒng)、純鋰電池以及純?nèi)剂想姵毓╇姇r(shí)間進(jìn)行了對(duì)比?；旌蟿?dòng)力供電系統(tǒng)供電時(shí)間：704秒；純?nèi)剂想姵兀?28秒；純鋰電池：536秒。混合動(dòng)力供電系統(tǒng)的供電時(shí)間比后兩者相加的時(shí)間還要長40秒。

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圖2：鋰電池U/T、I/T折線圖

圖3：燃料電池U/T、I/T折線圖

圖4：混合動(dòng)力供電系統(tǒng)U/T、I/T圖

4 總結(jié)

根據(jù)以上三個(gè)方案數(shù)據(jù)評(píng)估以及可行性分析，得出以下結(jié)論。

（1）鋰電池連接負(fù)載后，隨時(shí)間功率逐漸下降，但幅度較小。能較為穩(wěn)定可靠的輸出功率，維持負(fù)載運(yùn)行。作為儲(chǔ)備能源瞬間功率輸出能力強(qiáng)。但鋰電池容量固定，也限制了無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

（2）氫氣流量穩(wěn)定是燃料電池穩(wěn)定輸出功率的前提，因通過化學(xué)反應(yīng)供電，不會(huì)有鋰電池固定容量的限制。理論上只要?dú)錃饽軌蚍€(wěn)定充足的供應(yīng)，燃料電池可以一直為負(fù)載供電。但其功率瞬間變化能力不足，限制其發(fā)展。

（3）氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)是鋰電池與燃料電池混合供電。它具有燃料電池與鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，且弱化了各自的缺點(diǎn)。燃料電池可以延長無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，在無人機(jī)功率突變時(shí)，鋰電池又可以瞬間補(bǔ)充燃料電池不能及時(shí)滿足的功率差值，滿足無人機(jī)的飛行要求，降低無人機(jī)的事故率。