平流层飞艇能源系统可靠性研究

刘剑， 王庶， 陈吉安

（1.上海飞机客户服务有限公司，上海 200240；2.上海交通大学航空航天学院，上海 200240；3.同济大学电信学院，上海 201804）

0 引言

由于平流层飞艇具有很高的军民战略使用价值，近年来成为各国研究的热点。平流层飞艇具有费效比高、机动性好、持续工作时间长、覆盖范围广、生存力强、滞空时间长以及易以更新和维护等优点。它可以在战场指挥与控制、通信、监视和侦察、实时跟踪以及边境控制等方面发挥巨大的作用。

平流层飞艇一般飞行在约20 km高度，具有时速30 m/s的风中、定点悬浮和机动飞行能力，其滞空时间可长达数月或1年以上。因此，其能源系统的设计对于飞艇设计工作至关重要，必须具有高可靠性，确保飞艇能够长时间地正常工作。

文献 [1-5]对平流层飞艇的能源系统进行了介绍，描述了能源系统的组成和功能。文献 [2-4]给出了飞艇能源系统的试验结果，但并未涉及能源系统可靠性设计的相关讨论。文献 [6]研究高空无人飞机的初步可靠性设计问题，虽然研究了电机推进配置、机队可靠性及太阳能电池阵可靠性方面的问题，但也未从总体上论述能源系统的可靠性。本文对平流层飞艇的能源系统基本可靠性：太阳能电池阵、可再生燃料电池、拓扑可靠性3个方面的内容进行了研究，对能源系统与推进系统的基本组合可靠性进行了分析和研究，并提出可靠性改进的组合模型。

1 平流层飞艇能源系统的概述

为了满足平流层飞艇长时间高空飞行的要求，飞艇能源系统必须具有长时间电能供给和免维护能力。因此其能源系统必须采用由太阳能电池阵和电池组组成的可再生能源系统，保证长时间的电源供给。由于飞艇承载重量的限制，希望能源系统具有最小的重量和最大的功率，平流层飞艇普遍采用新能源技术：薄膜太阳能电池阵和可再生氢氧燃料电池。薄膜太阳能电池重量轻，可弯曲，非常适合于安装在飞艇囊体的表面。典型的非晶硅薄膜太阳能电池阵的重量约为0.12 kg/m2，远低于空间站太阳电池阵的1.3 kg/m2[1]。可再生氢氧燃料电池的比能量可达400～600 W·h/kg，远高于比能量150 W·h/kg的锂离子电池[7]。因此，柔性薄膜太阳能电池阵和可再生氢氧燃料电池系统成为飞艇能源系统的最佳选择。

典型的飞艇可再生能源系统示意图如图1所示，由薄膜太阳电池阵、可再生氢氧燃料电池组和能源管理系统组成。薄膜太阳能电池阵敷设在飞艇的表面，白天吸收太阳能并转化为电能，供给飞艇负载使用；多余的电能储存在燃料电池组中，补充夜间释放的能量。在夜间，没有太阳能输入时，依靠可再生氢氧电池组的放电供给负载工作。

图1 平流层飞艇能源系统示意图

2 能源系统基本可靠性研究

2.1 薄膜太阳能电池阵可靠性

薄膜太阳能电池阵敷设在飞艇的表面，为飞艇提供电能。由于单片薄膜太阳能电池的电压、电流值比较低，不能满足最终功率的输出要求。在组成太阳能电池阵时，必须由多个太阳能电池片串联后组成单路太阳电池串，再多路并联组成，示意图如图2所示。其可靠性模型为各个太阳能电池片串联，单路电池串可靠度计算公式为：

式 （1）中：RC——太阳电池片的可靠度；

RW——太阳电池串引线可靠度；

RD——单路太阳电池串隔离二极管的可靠度。

整个太阳电池阵的可靠度为：

图2 太阳能电池阵原理图

薄膜太阳能电池阵的可靠度提高有两种方式：1）提高电池阵电路器件的内在可靠性，如电池片提高表面平整度以降低泄露阻抗[8]，封装改进、降低杂质、上下电极焊点多点冗余[9]、隔离二极管I级降额使用、电缆多线并联等措施；2）整体并联冗余，太阳能电池阵总共设置n路并联，其中k路是满足要求的功率所必须的并联数，其余n-k路为冗余。即最多允许损失n-k路太阳电池串，太阳能电池阵仍然能够正常工作。其可靠性计算公式如公式 （3）所示：

表1给出了薄膜太阳电池阵电路的器件失效率。假定由100片电池片串联后，20路并联组成太阳电池阵，要求工作时间1年，则太阳电池阵可靠度为0.981 681。如果期望太阳能电池阵可靠度大于0.999 5，则需要1路冗余。图3给出了工作时间3～12个月4种情况下，冗余数与太阳能电池阵的可靠度数值变化关系。可以看出，随着冗余支路的增加，可靠性也在增加。

表1 太阳电池阵器件失效率表

图3 太阳电池阵可靠度与冗余关系

2.2 可再生氢氧燃料电池可靠性

可再生氢氧燃料电池由燃料电池和电解器两部分组成。燃料电池部分包括燃料电池堆、氢气罐、氧气罐、阀门、调节阀、过滤器、管路、传感器和控制器。电解器部分包括电解器、加热的电水箱、连接至氢气罐和氧气罐的管路和阀门。图4给出了可再生氢氧燃料电池的原理图。

图4 可再生氢氧燃料电池原理图

假定可再生燃料电池系统的各个部件相互独立，互不影响，且可靠度服从泊松模型，则该系统的可靠性模型为串联模型，为各个部件串联。即该系统是没有冗余的。表2给出了可再生燃料电池部件的失效率统计表。由表中数据可算得，总失效率为15.58*10-61/h，则工作一年的可靠度为0.872 423。如果期望可靠度大于0.95，则该系统必须采取措施进行可靠性改进。

表2 燃料电池系统失效率统计表

可再生燃料电池的可靠性提高有两种方式：1）提高系统内在可靠性，即尽可能地减少系统中不必要的部件，提高部件的可靠性，如选择更高质量的质子交换膜等部件，减少使用时间，减少污染[10]；2）通过冗余来提高可靠性。这又分为两种方式：1）采用部件级冗余方式，如采用双氢气罐、双氧气罐、双进气管道等措施可以提高单个可再生燃料电池的可靠性指标；2）采用系统级冗余并联方式，如设置多套可再生燃料电池系统，每个系统都能满足系统最大负载输出功率需求。其可靠度变化情况如表3所示。要求可靠度大于0.95时，两个燃料电池系统并联能够满足要求。

表3 燃料电池系统可靠度与冗余关系

2.3 能源系统的拓扑与可靠性

平流层飞艇能源系统的工作环境与航天器的工作环境类似，因此其能源系统的拓扑结构与航天器相同。从能量传输的角度来看，能源系统的拓扑结构可以分为两大类：直接能量传递方式 （DET）和峰值功率跟踪方式 （PPT）[11]。

直接能量传递方式是指太阳能不经过连接元件直接传递给负载。电路的典型拓扑结构如图5所示。峰值功率跟踪方式是在太阳能电池阵、蓄电池组和负载之间，引入一个串联开关调节器，调节太阳电池阵的输出电压始终设定在输出功率最大的电压值上。电路的拓扑结构如图6所示。

图5 DET拓扑图

图6 PPT拓扑图

能源系统从母线电压的调节方式上又可以分为3种方式：不调节母线、部分调节母线和全调节母线。在能源系统的拓扑中，反映了分流调节器（SR）和放电调节器 （BDR）的配置情况。在不调节母线的方式中，没有设置SR和BDR；在白天或夜间，能源系统的母线电压都是波动变化的。在部分调节母线的方式中，仅设置了SR。在白天，由于SR的作用，始终保持母线电压是稳定的；在夜间，母线电压是变化的。在全调节母线的方式中，设置了SR和BDR，在白天和黑夜，母线电压都是稳定的。

飞艇能源系统的两种拓扑分类方式可以进行组合，组合方式如表4所示。

表4 能源系统拓扑分类组合

飞艇能源系统拓扑的可靠性框图如图7所示。其可靠性模型为各个模块串联。可靠性计算公式为：

图7 能源系统可靠性框图

飞艇能源系统的不同拓扑，其可靠性变化如图8所示。在直接传输方式中，不调节母线所设置的控制模块最少，其可靠性最高；全调节母线所设置的控制模块最多，其可靠性最低。峰值功率传输只有半调节和全调节两种拓扑结构方式。半调节方式的可靠性高于全调节方式。在实际的设计过程中，可以根据母线电压设计波动范围要求，能源系统的可靠性指标进行权衡，选择合适的拓扑结构。

图8 电源系统拓扑可靠性

3 能源系统与推进系统组合可靠性研究

3.1 推进系统配置与可靠性

平流层飞艇推进系统由直流电动机、齿轮箱和螺旋桨组成。飞艇的推进器配置方案主要有以下3种：尾部推进、两侧推进、尾部加两侧推进[12-14]。尾部推进采用单尾部矢量电机，实现矢量推力。从可靠性的角度来讲，由于不存在冗余措施，其可靠度是较低的。

在两侧推进中，推进器安装在飞艇两侧，距离质心较远，可以提供较大的偏航力矩。同时，通过改变螺旋桨的旋转可以实现飞艇倾斜或偏航控制，实现升降舵和方向舵面的功能。如果飞艇具有升降舵和方向舵面，且单侧推进器的推力足以使得飞艇完成各项功能，则两个推进器可以互为冗余。否则，该种推进方式，不具有冗余，为单点。

尾部加两侧推进，这种方式结合了前面两种方式的优势，但是，也带来了结构重量方面的问题。从可靠性角度来说，该种方案是具有冗余的。尾部推进器与两侧推进器互为冗余，都可以使得飞艇完成各种飞行功能。这种方案的可靠性最高。

表5给出了推进系统部件的失效率统计表[15]。如果要求工作寿命为1年，则推进系统的可靠度为0.811 534。假定尾部推进配置和两侧推进配置选用相同的零部件，则3种方案的可靠度如表6所示。尾部加两侧推进方案的可靠度最高，为0.935 655。

表5 推进系统部件失效率统计表

表6 推进方案可靠度表

3.2 基本组合可靠性

基本组合是能源系统作为一个整体输出功率给各个驱动电机，其可靠性框图如图9所示，为串联模型。可靠度为各环节可靠度乘积，计算公式为：

由于DET模式下能源系统有3种拓扑，推进系统有3种配置。因此，两系统组合后共有9种组合。图10给出了9种组合的可靠度。可以看出，不调节拓扑和尾部与两侧推进配置的组合可靠度最高，为0.901 858。而 全调节拓扑和尾部与两侧推进配置的组合可靠度仅为0.771 63。

图9 基本组合可靠性框图

图10 拓扑组合可靠性

3.3 可靠性改进组合

依据可靠性设计原理，通过并联方式可以提高可靠性。结合推进电机冗余方式，重新设计后的能源与推进系统组合方式如图11所示。图中设置了两个能源子系统。在正常工作模式时，能源子系统1给尾部推进子系统供电，能源子系统2给两侧推进系统供电；当一个能源子系统失效时，可闭合开关，由另外一个能源子系统同时给尾部推进子系统和两侧推进子系统供电。

图11 可靠性改进组合

图12 改进组合可靠性框图

假设开关完全可靠，这种可靠性增强组合的可靠性框图如图12所示。共有4种冗余工作状态。经过简化，其可靠性框图如图13所示。可以看出能源系统1与能源系统2并联，尾部推进子系统与两侧推进子系统并联。两部分再串联。在前述可靠性配置条件不变的情况下，组合的可靠度为0.906 901，提高了约17.5%。

图13 简化的可靠性框图

4 结束语

本文对平流层飞艇能源系统的可靠性进行了研究。首先介绍了飞艇的能源系统组成。然后研究了能源系统基本拓扑的可靠性，从太阳电池阵、可再生燃料电池和拓扑3个方面分别展开。通过太阳能电池片并联组合设置冗余，可以提高太阳电池阵的可靠性。通过提高燃料电池内部部件的可靠性，设置部件冗余和系统级冗余，可以切实地提高燃料电池的可靠性。在能源系统的拓扑方面，研究了两大类拓扑及其组合拓扑的可靠性，指出简单拓扑的可靠性最高。最后对能源系统与推进系统结合的可靠性问题进行了研究，研究了简单结合的可靠性，并在此基础上提出了可靠性增强的能源系统与推进系统拓扑构成方案。结果显示，可靠性提高了17.5%。

通过对平流层飞艇能源系统可靠性的研究，为飞艇能源系统的可靠性设计提供了强有力的支撑。

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