无人机电池技术的进展

贺作豪

大多数无人机用户最迫切的要求是延长航时和增加任务载荷。对民用用户来说，这可使公司能快速收集高质量数据，创造更大的利润。而对军方来说，无人机传感器持续获取数据，可获得更多的情报，增加完成任务的机会。

假如一架以电池为动力的四旋翼无人机只能在空中停留20～40min，需要再次充电，则用户就需要采用多架无人机，以及主电源和几个充电器，以确保始终有几套充好电的电池可供使用，从而增加了业务成本。

研究人员还着眼于用一些新的方法为电池充电，特别是在偏远和危险地区目前没办法为无人机的电池充电。而且，还有一些厂家在大力发展燃料电池技术，以期取得突破。

无人机尺寸和执行任务的不同，对动力的要求也是千差万别。对小型无人机来说，几个电池就可解决从推进到任务载荷用电的一切要求。像“全球鹰”这样的大型无人机尽管需要采用涡喷发动机作为动力，但其机上的一些系统和发动机发生故障时的应急动力仍离不开电池。

“美洲豹”无人机电池的改进

航空环境公司生产的一系列小型I类无人机，包括“美洲豹”（Puma）、“渡鸦”（Raven）和“黄蜂”（Wasp）都通过由可充电的锂离子电池驱动的电动机实现飞行。这些电池组件是可替代的，并可快速更换，使这些手持式发射无人机尽可能快地返回到空中。

最新的“美洲豹”AE（全环境）航时约3～4h，而以前“美洲豹”的航时只有约2h。航空环境公司已通过不断监控电池技术及电池中的化学反应，并使其系统尽可能地高效，已延长了“美洲豹”无人机的航时。

“美洲豹”还具有一个即插即用电力适配器，以便与未来的电源集成。航空环境公司还发展了“美洲豹”的一种太阳能机翼型别，称为“美洲豹”延程（XE）型，大大增加了平台的航程，可实现9h的航时。

燃料电池

航空环境公司还将按与美国空军研究实验室和Protonex公司的合作项目，在“美洲豹”上采用燃料电池技术。“美洲豹”采用的燃料电池技术利用锂离子蓄电池在起飞和俯冲机动期间提供峰值功率，而燃料电池本身则为蓄电池充电，并为平台和任务载荷在巡航飞行期间提供恒定功率。在试飞期间，这种无人机续航约9h。

新加坡H3动力集团的一家分公司，HES能量系统公司在研究将先进的燃料电池技术应用于民用无人机。2016年，该公司与新加坡ST航空航天公司、DSO国立实验室和新加坡国防部的未来系统和技术局合作，试飞了一架采用燃料电池的“天刀”（Skyblade）360无人机，在6h的时间里飞行了350km。

采用燃料电池最大的好处是它的比能为一般蓄电池的两到三倍。最好蓄电池的比能约250Wh/kg，而取决于燃料电池的氢储存技术，其比能可从500Wh/kg提高到近800Wh/kg。

HES公司已与其姐妹公司HUS无人系统公司合作，发展了Hycopter，一种采用氢燃料电池的四旋翼无人直升机，据称携带1kg任务载荷能飞4h之久。Hycopter的新奇之处是其机体结构能储存氢形式的能量。这种概念不仅可用于多旋翼无人机，还可用于固定翼无人机。

在“天刀”項目上，HES公司采用了便宜固态化学材料的2.5kg燃料电池系统，而不是普通燃料电池中的加压氢气。在未来，它将作为一个可处置卡件很易更换，很像蓄电池在电耗尽后被更换那样。此系统的另一优点是重量轻，与它等效的蓄电池重量约为5kg。

无线充电

在民用无人机领域中，一些公司正在研究对平台进行无线充电的可能性。新加坡HUS无人系统公司正在试验的Dronebox就是这样一种产品。它能为无人机电池自主充电，并将数据通过互联网或卫星通信传回到指挥中心。该公司看到这种产品有多种用途，包括基础设施远距检查，警察或边境部队对周围情况的监视，甚至包裹投递系统。为了能真正自主工作数月或数年之久，Dronebox可由太阳能电池和燃料电池组合供电。燃料电池可由HUS无人系统公司的姐妹公司HES能量系统公司提供。

无人潜行器用电池的进展

不仅无人机需要长航时和较大的任务载荷能力，对于无人潜行器也有相同的要求。为此，一些公司正在研究能延长无人潜行器航时的电池技术。蓝鳍（Bluefin）机器人公司（现为通用动力任务系统公司的一部分）为无人潜行器设计了可空运到世界各地的耐受水压的称为Quanta的锂聚合物电池组件。Quanta能满足水下环境中的各种电气和外形因素的要求。

萨夫特电池公司（Saft）可为无人机、无人车和无人潜行器提供电池。该公司的超磷酸盐锂离子磷酸盐电池技术已用在洛克希德·马丁公司的“马林”（Marlin）无人潜行器中。这种电池的工作电压比普通锂离子电池的低，更能耐受恶劣的环境条件，适合安全至关重要的水下使用。

美国海军水面作战中心的研究人员已成功地验证了将电力从水下的入坞电力站水下无线传输到近旁的一艘中等尺寸研究型自主无人潜行器的电池，在2kW下进行充电。这样就可显著增加无人潜行器自主工作的时间。