基于油電混合動力技術在無人機中的應用 Application of Hybrid Electric Technology in UAV

王飛 WANG Fei

摘要： 目前無人機動力多以純電動機或者純燃油發動機為主，純電動無人機易操控，穩定性高，但是續航里程較差，而純燃油發動機可以輕松解決續航問題，但發動機對空氣中氧濃度要求高，且控制響應靈敏性能較差，很難準確控制和協調驅動旋翼的槳距、轉速等，不能有效的保證無人機穩定飛行，高空高速及精確定位的性能。本文通過分析油電驅動的產生、前景、驅動形式、優缺點等，為油電混合動力技術應用于無人機動力系統中提供參考方案。

Abstract： At present， the power of UAV is mainly pure electric motor or pure fuel engine. Pure electric UAV is easy to operate and has high stability， But its endurance mileage is poor. Pure fuel engine can easily solve the endurance problem， But the engine has high requirements for oxygen concentration in the air and poor control response sensitivity， So it is difficult to accurately control and coordinate the pitch and speed of driving rotor， It can not effectively ensure the stable flight， High altitude， high speed and accurate positioning performance of UAV. By analyzing the generation， prospect， driving form， advantages and disadvantages of oil electric drive， this paper provides a reference scheme for the application of oil electric hybrid technology in UAV power system.

關鍵詞： 無人機;油電混合;插電混動;增程式;動力系統

Key words： UAV;oil electric mixing;plug in hybrid;add program;dynamic system

中圖分類號：V279+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0235-02

1? 無人機續航時間

目前制約無人機航時的主要因素是動力系統，一般10公斤左右的無人機理論上自帶電池的重量很難超過2.5公斤，這意味著航時不會超過15分鐘。在作業任務時受鋰電池的能量密度限制，及低溫環境影響加快放電，使得航行時間更短。電池技術在未來很長的一段時間內很難有質的突破，使用電池提供動力造成的續航時間不足一時很難解決解決。

燃油的能量密度比鋰電池高十余倍，燃油發動機在理論上是要比電池在驅動中有更優的解決方案。但是發動機的油門線性很復雜，調速程序繁瑣，造成無人機的響應速度變慢，發動機在最佳輸出功率下的轉速很窄，需要變速箱改變齒輪配比以適應不同的轉速，故會使無人機的設計尺寸增加，重量增加，因此現實油動多旋翼無人機驅動方案技術難度極高。

油動驅動無人機、油電混合驅動無人機、氫燃料電池驅動無人機、太陽能驅動無人機等被許多用戶所青睞。從技術難度和工作效率來講，油電混合技術驅動無人機是目前行業用戶最為看好的突破口之一。油電混合技術不僅具備電動無人機的穩定性和易操控性而且還具備油動的可持續性，可以應用到長航時和大載荷的作業任務中。

2? 油電混合技術應用于無人機驅動的前景

隨著無人機技術的發展，其應用領域和頻率將逐漸的擴大。對于電動無人機來說由于受限于電池的容量極限其發展空間非常有限，在山地、森林、島礁等復雜地區高度和距離的影響，單純的電動驅動已無法滿足長航時大載荷飛行。油電混合無人機可以根據需求對油箱進行改裝，只要燃油足夠就可以有效的解決續航問題。同時配合遠距離圖傳，探測范圍可達100公里以上，可以實施大范圍、長距離的空中監視、勘查任務。不僅如此，比如在受災地區沒有電力設施的情況下，燃油作為容易獲得的能源，避免了復雜環境下充電要求，又節省了寶貴的時間，對減災救援有極大意義。而且，油電混合無人機能夠游刃有余的面對高溫、低溫、大風、大雨等環境，其生存能力要遠大于電動無人機。油電混合無人機在應急搶險、環境監控、邊防巡邏等領域可以搭載幾款或者多款任務載荷，真正發揮一機多用的功能，如圖1所示。

3? 油電混動驅動形式

油電混動驅動模式主要是通過對無人機工作電機和發動機的工作進行有效的切換，來確保驅動螺旋槳能夠始終保持工作，發動機加載發電機后所發電能既可以給電池進行充電，也可以用來直接驅動電機工作。

插電混動在驅動模式下同樣會在無人機驅動電機和發動機之間切換，但是在短航程飛行時，無人機完全可以切換到純電模式下飛行，發動機完全不參與工作。而發動機在工作時通過傳動結部件和控制模塊來驅動無人機，只有少數情況下會用來發電。增程式驅動模塊在無人機工作時只會使用電池驅動電機進行飛行，發動機的作用完全是在電池電量不足時用來給電機發電，以滿足長航飛行需要。

4? 不同驅動模塊的優缺點

油電混動驅動的優點主要是不需要充電，使用起來和燃油飛機一樣方便，油耗卻可以做到很低，成本也可以做的比較低。缺點是電池容量有限，長航時沒有辦法在純電模式長時間運轉，動力性能較差。

插電混動驅動的主要優點是可以通過充電最大程度降低短航時是飛行成本，而在長航時采用燃油發動機飛行，實現一機兩用，此控制由于可以實現電動機和發動機一起出力，加速性能也會比較強。缺點是低油耗時電動機和發動機在切換時，很難做到平順。而短航行時所用電池容量如果增大，將會使整機制造成本升高，起飛重量增大，油耗增大。增程式驅動的主要優點是比插電混動、純電續航里程更大，在中短途都可以作為純電動驅動來使用，燃油發動機只用來帶動發電機給電動機發電，駕駛感受與純電動無人機一致，平順性和航向加速體驗都很好。缺點是由于要經過發電和驅動兩次能量轉換，在高速飛行時，尤為明顯情況是電動機的轉換效率變低，使得能耗增加。另外，增大驅動電池意味著提升制造成本。

油電混合驅動、插電混動驅動和增程式驅動目前并非自成體系，而是相互借鑒吸收。

5? 增程式驅動方案初步設計

通過分析顯示，增程式驅動對環境的適應性更強，且具有較高的系統復雜性，適合應用于中大型無人機;相比插電混動驅動而言，增程式驅動在控制上也具有優勢，是解決續駛里程、環境適應性等問題的較佳方案。在高寒高海拔地區，由于純電動無人機存在電池適應性差、動力不足等缺點，增程式驅動在無人機動力系統中應用具有較強的競爭力。同時增程式驅動的無人機駕駛感是最為接近純電動無人機的，是油電混動最優解決方案，如圖2所示。

增程油電混合動力關鍵部件是指由兩種以上能源（燃油和電池）提供動力的系統，其關鍵部件包括發動機、電機、螺旋槳、電池等，如圖3所示，這些部件的特性、性能進行分析，是確定滿足性能要求的無人機動力裝置選型時所需要重點考慮的因素。根據無人機在不同飛行狀態下所需的動力需求對無人機動力部件選型為下一步動力布局提供依據。

針對無人機增程油電混合動力設計流程如圖4所示，動力設計需要從平臺特性和主要性能需求出發，不論是動力配置還是動力部件選型都應和平臺的結構設計、幾何參數、氣動特性以及載荷、飛行時間、飛行速度等性能指標關聯考慮。

6? 結束語

由此可見使用油電混合動力技術后可大幅提升了無人機續航時間，既保留了汽油燃料的高能量密度，同時具備電動無人機的操作靈活、結構簡單的特點，可靠性強;適用環境范圍廣泛，可在零下20度至零上40度的環境下均可正常適用;可以給機載設備帶來更為充足的電能;不再需要頻繁更換無人機電池，簡化了無人機使用步驟，大幅降低了無人機的使用成本和維修成本。

參考文獻：

[1]楊健.無人機油箱油量測量的方法研究[J].工業儀表與自動化裝置，2020.

[2]吳雨桐.基于油電混合動力系統的多旋翼無人機設計[J].內燃機與配件，2019.

[3]高志強，肖陽.無人機油電混合動力系統的設計實現[J].電子世界，2019.

[4]張夢龍.植保無人機動力系統的改進及試驗研究[J].南方農機，2019.

[5]張云琦.油電混合無人機控制技術研究[D].北京理工大學，2016.