太阳能无人机能源系统轻型化设计研究

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%。

2.3.2 电力电子集成技术

电力电子集成通过电力电子拓扑与控制、计算机、通信、芯片封装等复合技术，将电力电子装置内部功率器件、采样电路、驱动电路、保护控制电路封装在一个模块中，可以有效提高电力电子装置的功率密度。采用电力电子集成封装技术，东芝公司生产的IPM智能功率驱动模块，集成了三相逆变器，可以直接驱动15 kW等级电机，功率密度很高。

2.3.3 高频软开关技术

电感、电容、变压器等磁性元件与滤波器件的质量体积，在电能变换装置占比较大，通过提高工作开关频率，可以有效减小磁性元件与滤波器件的尺寸质量，提高电能变换器的功率密度。开关频率提高会引起功率器件开关损耗变大，对电能变换装置的效率、散热带来了新的挑战。软开关技术是实现功率器件的零电压开通或关断、零电流开通或关断，从而大大降低开关损耗。因此高频软开关技术是实现电能变换装置轻型化设计的重要措施之一。

2.4 配电设备

太阳能无人机的配电环节是将电能分配给飞控、测控、动力、舵机等设备，通常使用接触器、继电器作为供电回路控制开关，使用熔断器作为供电回路保护开关，使用电压、电流传感器测量供电回路电压电流等信息，这种传统配电方式虽然技术成熟，质量上却比较笨重。以给某太阳能无人机推进电机配电为例进行说明，电机供电电压270 VDC，功率2 000 W。常规配电电路含有熔断器、接触器、电流传感器、电压互感器以及保护控制电路，整个配电回路质量保守估计约300 g。

固态功率控制器（ SSPC）是集电路通断、电压电流采样、保护控制、通信功能于一体的智能开关设备[4]。采用SSPCMDSPC270M-15设计配电回路，具有电路开关、电压电流采样、短路过载保护、过热保护等控制功能，质量只有80g。因此采用智能配电技术代替传统配电方式是太阳能无人机轻型化设计的发展趋势。

3 能量管理优化技术

无人机总体设计的能量管理策略优化[5]，可提高能源系统的最大效能发挥，增加发电量，从而在相同负载用电条件下，可以减轻能源系统的质量。目前在无人机的能量管理策略方面，主要有以下几种思路：①基于重力势能存储，增加太阳能无人机对能源的利用率，白天当储能电池充满电时，将太阳能电池剩余发电量用于无人机爬升，夜晚无人机可以通过降低高度滑行，减小对储能电池的能量需求。利用重力势能存储能量，部分代替储能电池功能，可以减小储能电池在无人机系统中质量占比。②基于利用风能的飞行路径规划，制订无人机的飞行策略，根据高空风场的预测，调整无人机飞行路径，利用风向飞行，减小无人机动力系统对电能的需求。③基于太阳光照角度，在不影响飞行稳定性的条件下，实时调整无人机的飞行姿态，使太阳能电池阵列与太阳光照保持接近垂直角度，從而提高太阳能电池的发电能力。

4 结论

太阳能无人机的轻型化设计是实现长时驻空飞行的关键技术之一。根据太阳能无人机的能源系统组成，首先从太阳能电池、储能电池、电能变换装置、配电设备四个方面分析了能源系统的减重设计，其次概述了利用能量管理技术提高能源系统发电能力的控制策略，对于太阳能无人机的工程化设计具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]李晨飞，姜鲁华.临近空间长航时太阳能无人机研究现状及关键技术[J].中国基础科学，2018（2）：22-31.

[2]王伟，耿健中，段卓毅，等.太阳能飞机的发展现状及设计特点分析[C]//探索创新交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛，2016.

[3]胡芸，谢凯，盘毅.结构电池的研究现况[J].电源技术，2008，32（ 12）：889-891.

[4]叶雪荣，郑志洪，陈哲，等.固态功率控制器国内外发展现状[J].电器与能效管理技术，2015（ 2）： 1-5.

[5]赵辉杰，马建超.小型太阳能无人机持久飞行技术研究[J].中国电子科学研究院学报，2013，8（4）： 384-387.

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