技术领域
[0001] 本实用新型属于航空
航天器能源系统领域，具体涉及一种用于高空无人机的新能源混合供电系统。
背景技术
[0002] 无人机飞行方向和动
力控制灵活，可以完成多种类型的勘查监测及运输任务要求，也可以在恶劣环境下飞行。目前无人机面临的最大问题是自身重量和供电系统储电量，既要尽可能减轻自身重量，又要增大供电系统储电量，才能满足无人机长航时的飞行需求。
[0003] 传统的石化
燃料无人机,采用柴油
活塞发动机作为动力系统,可满足大功率无人机动力需求，且成本低廉，但
能量转换效率低，污染严重且性能不稳定。
[0004] 目前新能源无人机主要采用
太阳能和
蓄电池作为动力。
专利201310419621.9提供的是一种太阳能无人机能源供给系统，包括
太阳能电池阵、高能
蓄电池电－电混动电源。太阳能电池阵提供无人机白天作业供电，蓄电池提供无人机光照不足时段和夜间供电，但蓄电池储能
密度小，储存能量有限，且多次充放电后，性能逐渐下降，提供电量不能很好的保证无人机正常作业需求。
[0005] 专利201010562953.9采用太阳能-
燃料电池-蓄电池混合动力作为
平流层飞艇的供电系统，该系统由太阳能板、燃料电池、高能蓄电池、
电解池组成。其中燃料电池用
氧气和氢气来自系统配置的电解
水装置电解水，这种方式适用于空间较大的飞艇。但是因其空间体积和重量均较大，不适用于所有无人机供电系统。而且太阳能电解水的电转化效率很低，电解水产生的氢气和氧气要满足夜间无人机飞行使用，需要大面积的太阳能电池阵，所以该系统只适用于大型无人机，限制了系统的应用范围。而且无人机动力和方向控制灵活，可以在恶劣的环境和不同高度高空飞行。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于解决上述
现有技术中存在的难题，提供用于高空无人机的新能源混合供电方法，由太阳能电池模
块、燃料电池模块及蓄电池模块三种电源系统联合供电，使用高压储氢罐或固态储氢方法和液氧罐作为燃料电池模块燃料来源，满足无人机对供电系统空间尺寸要求和
质量要求，提高无人机电源供给系统的
能量密度，提高无人机整体续航时间。
[0007] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种用于高空无人机的新能源混合供电系统，包括太阳能电池模块、燃料电池模块、蓄电池模块、单向DC/DC电源转换器、双向DC/DC电源转换器和无人机能源监控模块；
[0009] 所述太阳能电池模块、燃料电池模块分别与单向DC/DC电源转换器连接；
[0010] 所述蓄电池模块与双向DC/DC电源转换器连接，双向DC/DC电源转换器再与单向DC/DC电源转换器连接；
[0011] 所述单向DC/DC电源转换器与高空无人机的驱动
电机和其它用电设备连接；
[0012] 所述太阳能电池模块、燃料电池模块、蓄电池模块分别与无人机能源监控模块连接。
[0013] 所述燃料电池模块包括燃料电池反应堆、供氢系统和供氧系统；
[0014] 所述燃料电池模块根据无人机的飞行高度进行设置：
[0015] 当飞行高度为2km－5km时，所述燃料电池反应堆采用开放式
风冷燃料电池反应电堆，所述供氢系统采用高压储氢罐作为氢源，若不能满足加氢条件，则采用固态储氢方式供氢，例如
硼氢化钠储氢；所述供氧系统采用空气作为氧源；
[0016] 当飞行高度为5km－8km时，所述燃料电池反应堆采用封闭式风冷燃料电池反应电堆，所述供氢系统采用高压储氢罐作为氢源，若不能满足加氢条件，则采用固态储氢方式供氢，例如硼氢化钠储氢；所述供氧系统采用空气作为氧源，空气经
过滤器过滤，由风机鼓入燃料电池反应堆
阴极；
[0017] 当飞行高度在8km以上时，空气中含极少量氧气，所述燃料电池反应堆采用封闭式氢氧燃料电池反应堆，该反应堆可以根据环境条件选择液冷型燃料电池反应堆或风冷型燃料电池反应堆，所述供氢系统采用高压储氢罐作为氢源，若不能满足加氢条件，则采用固态储氢方式供氢，例如硼氢化钠储氢；所述供氧系统采用液氧罐作为氧源，液氧经充分
气化和加热，然后进入燃料电池反应堆阴极。
[0018] 所述封闭式液冷氢氧燃料电池反应堆
冷却液采用去离子水或50％(V/V)的乙二醇水溶液。
[0019] 所述无人机能源监控模块包括
电压传感器、
电流传感器、数据收集器和控制
电路板；
[0020] 所述电压传感器、电流传感器分别与太阳能电池模块、燃料电池模块和蓄电池模块相连，获得三者的电压数值、电流数值，并将三者的电压数值、电流数值传递给所述数据收集器，所述数据收集器对数据进行分析后反馈给所述控制
电路板，所述控制电路板控制调节三者的供电状态和运行状态。
[0021] 所述
驱动电机将电流、电压、转速数值传递给所述数据收集器，所述其它用电设备将电压、电流数值传递给数据收集器，无人机能源监控模块根据获得的数值实时监控驱动电机和其它用电设备的运行状态，发送指令给控制电路板并按需分配两者的用电量。
[0022] 所述太阳能电池模块用作白天主供电源，所述燃料电池模块用作夜间主供电源，蓄电池模块用作辅助电源，所述单向DC/DC转换器、双向DC/DC转换器用作电压调节装置，所述无人机能源监控模块用作设备用电监控及分配。
[0023] 当太阳能电池模块提供电量不足时，无人机能源监控模块启动燃料电池模块补充剩余电量，以满足无人机用电需求；
[0024] 当太阳能电池模块发电量较高时，无人机能源监控模块控制太阳能电池模块将多余电量通过双向DC/DC转换器为所述蓄电池模块充电；
[0025] 当太阳能电池模块和燃料电池模块的电压传感器、电流传感器的显示数值均较低时，无人机能源监控模块启动蓄电池模块供电，并进入应急状态。
[0026] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型能够实现不同高度、多种环境条件下高空飞行作业无人机供电，将高空无人机供电系统储电量提高4倍，降低无人机供电系统的整体质量，增加无人机整体续航时间，从而保证高空无人机光照不足时稳定运行，提升高空无人机的
载荷空间。在本实用新型的供电系统中，考虑到无人机的结构空间较小，耗电大，大功率运行情况下需要供电系统提供电量大，为保证高空无人机续航时长，本实用新型采用燃料电池为夜间主供电源，系统能量密度比蓄电池系统提高4倍，即同样质量的系统能够使传统蓄电池动力无人机续航时长增加4倍。本实用新型中燃料电池采用高压储氢罐和液氧罐为燃料来源，减小燃料电池占用的空间体积和重量，使平流层无人机携带更多的载荷任务。本实用新型可成功应用于中小型高空无人机供电系统，而且在大型无人机供电系统应用效果更佳。
附图说明
[0027] 图1是本实用新型用于无人机的太阳能燃料电池电－电混动供电系统结构图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
[0029] 如图1所示，本实用新型用于高空无人机的新能源混合供电系统，以太阳能电池模块为白天主供电源，燃料电池模块为夜间主供电源，蓄电池模块为辅助电源，DC/DC转换器为电压调节装置的新能源混合供电系统，无人机能源监控模块为设备用电监控及分配装置。
[0030] 具体来说，该系统包括无人机能源监控模块10、太阳能电池模块11、蓄电池模块12、燃料电池模块13、单向DC/DC转换器14、双向DC/DC转换器15、驱动电机16、螺旋桨17、其他用电设备18。
[0031] 所述太阳能电池模块11通过
电缆与单向DC/DC转换器14相连，以获得太阳能输出功率；燃料电池模块13通过电缆与单向DC/DC电压转换器14相连，以获得燃料电池模块输出功率；单向DC/DC转换器14通过电缆与其他无人机用电设备18相连；单向DC/DC转换器14通过电缆与双向DC/DC转换器15相连，以便获得蓄电池模块输出功率并在负载能耗较小时为蓄电池模块充电；无人机能源监控模块10通过电缆与燃料电池模块13连接，以便太阳能
辐射强度低时为主供电源；无人机能源监控模块10通过电缆与蓄电池模块12连接，在供电系统启动时及特殊情况时供电。本实用新型中的太阳能电池模块是采用现有的太阳能电池模块或者根据不同应用目标和需求定制的。单向DC/DC转换器14与驱动电机16连接，驱动电机16与螺旋桨17连接，无人机能源监控模块10与驱动电机连接。
[0032] 所述燃料电池模块13由燃料电池反应堆、供氢系统和供氧系统构成。其中根据无人机不同飞行高度设置，飞行高度2km－3km使用开放式空冷燃料电池反应电堆，高压储氢罐为氢源，空气为氧源；飞行高度5km－8km使用封闭式空冷燃料电池反应电堆，高压储氢瓶为氢源，空气为氧源；飞行高度8km以上使用封闭式氢氧燃料电池反应堆，高压储氢罐为氢源，液氧罐为氧源。采用通常的加热设备进行液氧气化加热和通常的保温设备对燃料电池反应堆的封闭环境进行保温即可。
[0033] 所述燃料电池反应堆可以是空冷式反应堆，也可以是液冷式反应堆。空冷式反应堆直接应用空气冷却反应堆；液冷式反应堆采用冷却液冷却反应堆，液冷式反应堆冷却装置由冷却液循环管道、冷却液
循环泵及
温度传感器构成，冷却液采用去离子水或50％(V/V)的乙二醇水溶液。该循环回路通过控制出入口温度差值，调节燃料电池反应堆反应温度，确保其长期处于稳定高效状态。
[0034] 所述无人机能源监控模块10由电压传感器、电流传感器、数据收集器及控制电路板构成。太阳能电池模块阵为主供电源，燃料电池为辅助电源。当太阳能电池模块提供电量不足时，燃料电池模块补充剩余电量，以满足无人机用电需；当太阳能电池模块发电量较高时，无人机能源监控模块控制太阳能电池模块阵多余电量为蓄电池模块充电(太阳能电池模块中的多余电量是通过双向DC/DC转换器传递给蓄电池模块充电)；当太阳能和燃料电池的电压传感器、电流传感器均较低时，无人机能源监控模块控制蓄电池模块启动为主供电源，并进入应急状态。
[0035] 无人机能源监控模块中的电流传感器分别与太阳能电池模块、燃料电池模块和蓄电池模块相连，获得三者的电流数值，传递给数据收集器，并根据
算法进行分析，反馈给控制电路板，进而控制调节三者的供电状态和运行状态，以满足用电设备的用电需求。
[0037] 20km高空气象监测无人机，其供电系统由太阳能电池模块、15kw液冷燃料电池模块和蓄电池模块构成。高压储氢罐和液氧罐为燃料电池模块提供燃料。本燃料电池系统正常运行4小时，
平均功率10kw为例。经计算需要40kwh电量
[0038] (1)本实用新型储氢罐氢氧燃料电池是夜间的主供电源，产生40kwh电量，需要燃料电池系统重量120kg，体积170L，质量储能密度350wh/kg，体积储能密度235wh/L。
[0039] (2)若采用蓄电池模块为夜间主供电源的供电系统，产生40kwh电量，需要蓄电池重量400kg，体积560L，质量储能密度100wh/kg，体积储能密度71wh/L。
[0040] (3)若采用电解水氢氧燃料电池为夜间主供电源，白天太阳能电池模块电解水产生的氢气和氧气极少，严重不能满足夜间飞行用电需求。
[0041] 经对比，本实用新型高空无人机的新能源混合供电系统的质量储能密度是蓄电池的3.4倍，体积储能密度是蓄电池的3.3倍，这样在很大程度上减小了供电系统的质量和体积，增大了无人机的任务载荷空间。
[0042] 上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的
基础上，很容易做出各种类型的改进或
变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
