无人机油电混合动力系统（三）

符长青

本文介绍油电混合动力系统的发电机与燃油发动机的类型，对油电混合动力系统的能量综合管理系统具有的特点、系统开发和选用原则及系统设计方法进行阐述。

油电混合动力系统的发电机与燃油发动机

油电混合动力系统主要由电推进分系统和燃油发动机两部分构成，为无人机提供满足飞行速度、飞行高度和航程所须要的动力，以及为无人机机载通信系统、导航控制系统、任务载荷设备等系统提供电力支持，使无人机能够在一定高度，以一定速度飞行，执行和完成所承担的各种任务。

油电混合动力系统的发电机

无人机油电混合动力系统的电推进分系统包括电动机、电调、电池、发电机等设备。其中，发电机和电动机属于旋转电机的范畴。发电机是一种将其他形式的能源转换成电能的机械设备，其工作原理是燃油发动机驱动发电机运转，将航空汽油的化学能量转化为机械能，然后发电机将机械能转换为电能。

无人机油电混合动力系统采用高效高功重比发电机发电，为无人机飞行提供部分或全部电力需求，不仅能提高无人机的载重能力和续航时间，而且能有效地解决油动无人机产生的噪声和污染排放问题。

（1）永磁同步发电机

电励磁发电机结构简单、成本低。通过改变励磁绕组来控制电流，可方便调节气隙磁场强度，实现宽范围的电压输出和调速特性。励磁回路断开能有效灭磁，当发电机系统发生短路或其他故障时，实现系统保护功能。但是，电励磁发电机存在励磁绕组损耗，使发电机系统的效率相对较低，难以实现高功率密度，由于使用了电刷—集电环结构，该种发电机可靠性不高。

永磁发电机（无刷直流发电机）取消了电刷—集电环结构，省去了产生磁场所须要的励磁功率，因而效率更高。与同功率、同转速的其他类型电励磁发电机相比，永磁发电机的效率可以提高3%～5%，且没有励磁线圈及磁极铁心，能减小发电机尺寸，减轻发电机质量。与其他类型发电机相比，永磁同步发电机具有高效率、高功重比、高可靠性等优点，成为无人机油电混合动力系统发电机的首选产品。

油电混合动力无人机的永磁同步发电机研究内容包括高温高速电机、电机电磁场—温度场—流场—应力场多场耦合设计、余度/容错控制等技术。

（2）超导发电机

发电机和电动机采用超导技术，将成为小型化产品，而功率更强大，工作性能更稳定，电机的噪声可能更低。在电机领域，超导发电机是一种新型电机，具有功率密度大、同步电抗小、效率高、维护方便等优点，是最理想的能源转换装置之一。超导发电机之所以具有这些优点，是因为超导发电机中包含有超导磁体，超导磁体能否正常运行是决定超导发电机正常工作的关键因素。

超导发电机的基本组成包括超导励磁绕组、支架结构、冷却回路、低温恒温器、电磁屏蔽、电枢绕组、交流定子绕组、机座铁心、定子绕组支架、轴承和机壳。半超导发电机的转子励磁绕组使用了超导发电机的基本构造，如果发电机的电枢绕组采用超导体，则称为全超导发电机。

研究证实，超导发电机具有以下特性。

（1）在负载范围内，效率较高。

（2）体积和质量小，功率密度较高。

（3）噪声小，使用寿命长，生产成本低。

（4）负序能力较强，维护要求低。

绝大多数在研超导电机为半超导电机，全超导电机是未来超导电机的重要发展方向。

超导电机的研究涉及电机拓扑结构、超导体载流能力、超导永磁体技术、超导交流绕组绕制技术，以及电机的强度、可靠性、寿命试验等内容。

油电混合动力系统的燃油发动机

（1）油电混合动力系统常用燃油发动机类型

目前，活塞发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机等燃油发动机能够满足无人机油电混合动力系统的使用要求。这几类燃油发动机都有其特定的工作包线，在工作包线以外，发动机不能正常工作，工程技术人员在无人机油电混合动力系统选型过程中应具备这种基本认知。

表1列出了满足当下无人机油电混合动力系统使用要求的几种燃油发动机性能优缺点。仅从发动机本身来说，并没有一种完美的发动机可供无人机油电混合动力系统使用，因此燃油发动机的选型就是在有限的发动机范围内，以满足最大需求为出发点，对发动机进行一个扬长避短的取舍过程。

表1 几种燃油发动机性能对比表。

（2）油电混合动力系统常用燃油发动机的选型需求

无人机油电混合动力系统是以电动装置为基础，加装燃油发动机和油箱，油电动力混合后，其优势比较明显，例如无人机任务载荷重量增大，燃油能量密度高，将部分任务载荷替换为燃油，既可延长无人机的续航时间或航程，并且不受低温影响。缺点是噪声大，环保性比电动系统差。

为得到最适合无人机油电混合动力系统使用的燃油发动机，在发动机选型过程中，以满足无人机飞行性能的最大需求为出发点，综合考虑燃油发动机的各项性能及经济性指标，在可选择的发动机类型中筛选。

①高可靠性需求

高可靠性是无人机油电混合动力系统对燃油发动机的首要需求。高可靠性的直观表述是，无人机在执行飞行任务时，发动机不出现故障，稳定工作。除了严格把关质量控制程序外，动力系统设计应注重系统的备份设计和多裕度设计。

②较高功重比需求

燃油发动机的功重比将直接影响无人机的最大平飞速度、实用升限、任务载荷重量等指标。在满足功率要求的情况下，燃油发动机的功重比越大越好，这样就可以减小发动机的重量来增加无人机的续航时间。通常，发动机推重比不小于4，功重比不小于0.745。

③较低耗油率需求

为满足无人机续航时间的要求，油电混合动力系统应具有较好的经济性，即低耗油率。如果选用活塞发动机，一般要求采用涡轮增压技术，以满足无人机高空、高效飞行需求。

④其他需求

发动机结构紧凑，迎风面积小，振动小，噪声低，维护简单等。

（3）启动/发电一体化系统

传统燃油发动机的启动方式一般有两种，一是手拉式，二是采用电动机启动。以燃油发动机为动力的绝大多数无人机使用第二种启动方式。

众所周知，旋转电动机和发电机的结构相同，两者统称为电机。但是，它们的功用却完全不同，电动机是一种把电能变作机械能的机器，而发电机是一种把机械能转变为电能的机电设备。同一台电机在不同外界条件下既可作为发电机，又可作为电动机运行，称为电机的可逆性原理。电机的可逆性与电机的性质有关，电机是一种将机械能和电能相互转换的设备，在不同的客观条件下，表现出不同的运行工况。无人机启动/发电一体化系统利用了电机的可逆性原理，对于同一台电机，在燃油发动机启动时，电机作为电动机使用；燃油发动机启动后，电机作为发电机使用，在燃油发动机驱动下发电，向无人机蓄电池或驱动旋翼旋转的主电动机输送电能。

启动/发电一体化系统启动燃油发动机的过程是，燃油发动机在启动阶段，系统控制器操纵无人机蓄电池向启动电机供电，电能驱动电机（处于电动机状态）转动，该电机转轴与燃油发动机曲轴相连的飞轮啮合，驱动燃油发动机转动，达到燃油发动机启动与运转的目的。当燃油发动机进入正常工作状态后，电机在系统控制器操纵下进入发电整流模式，即电动机转换为发电机，发电机在燃油发动机驱动下发电，发动机输出的电力进行整流后，供给蓄电池或驱动旋翼旋转的主电动机使用。

这种做法的优点是，可以去掉燃油发动机专用的启动电动机，从而减轻无人机的一部分重量，提高油电混合动力系统的功重比。另外，在无人机飞行过程中，燃油发动机万一出现故障，停止工作，此时系统控制器进入紧急供电模式，直接将蓄电池的电量供给主电动机驱动旋翼旋转，电池的电量只能支持一小段飞行时间，但已经足够让无人机完成迫降。

无人机采用启动/发电一体化技术的显著优势是，油电混合动力系统的启动与熄火更容易完成。通过增加无人机控制系统与通信链路，无人机操控员只须在地面控制站点击操控台或遥控器上的启动或熄火按键，就可以完成无人机的启动与熄火。

油电混合动力无人机的能量综合管理

油电混合动力无人机的能量综合管理属于智能管理（IM）的范畴，是人工智能（AI）技术与管理科学、知识工程与系统工程、计算技术与通信技术、软件工程与信息工程等多学科、多技术相互结合、相互渗透而产生的一门新技术、新学科。它在集成管理信息系统(MIS)、办公自动化系统(OAS)、决策支持系统(DSS)、5G网络与物联网等系统功能的基础上，应用人工智能专家系统、知识工程、模式识别、人工神经网络等方法和技术，构建新一代人工智能管理系统。

无人机能量综合管理概述

在无人机发展史上，油动无人机和电动无人机仅利用各自的分系统或组件的技术进步，来提高无人机的性能。随着无人机技术的高速发展，特别是油电混合动力技术的推广应用，这种“孤立式”各自分系统的设计方式已很难取得更大的效益。因此，性能先进的无人机设计必须综合考虑各分系统之间的能量动态交互信息，探索新的控制策略，使无人机各分系统内部和分系统之间更有效地利用能量，挖掘各分系统整体组合、相互协调、共同运作的潜力，提高无人机的能量使用效率和飞行性能。

人工智能技术是计算机科学的一个分支，包含的内容十分广泛，它研究如何使用计算机技术来模拟人类的某些思维过程以及学习、推理、思考、规划等智能行为，是一门极富挑战性的科学。近年来，人工智能技术取得了巨大进展，已经广泛应用于工业、农业、交通运输、航空、航天、航海、通信、企业管理等领域。

无人机拥有新颖的结构、高效气动布局、独特的飞行方式，已引起众多行业用户的关注和重视。短短几年时间，人工智能技术在无人机中的应用已经取得突飞猛进的发展。

在市场需求和人工智能技术广泛应用的大背景下，无人机能量综合管理的概念应运而生。

图1 油电混合动力无人机的能量综合管理系统功能示意图。

油电混合动力无人机能量综合管理是应用人工智能技术，通过优化能量控制策略，在油电混合动力无人机整个飞行任务中，让无人机与各分系统之间的电能和热能实现动态、高效分配和管理。能量综合管理目的是，控制能量在能源供应装置与能源使用装置之间的正常流动，使能源具有最高的使用效率。对油电混合动力无人机而言，能源供应装置主要包括电池、发电机、电动机、燃油发动机、燃油和油箱等，能源使用装置主要指旋翼、机载设备和任务载荷等。

油电混合动力无人机的能量综合管理系统（Integrated Energy Management System，IEMS）是以微处理器为核心的电控系统，由微处理器、传感器和控制器组成。能量综合管理系统集合了感知、控制和驱动功能，能适时感知和响应系统内部能源的使用和分配，以及外界环境变化，做出判断，发出指令，并执行和完成相应的反馈动作。

能量综合管理系统利用无人机各种机载传感器，可以获得所须的信息，随时向无人机地面控制站和操控员提供有用的信息，例如无人机飞行速度，飞行高度，飞行距离，电池的电压、电流、温度、剩余电量、充电状态，油箱剩余油量，电动机和发动机的工作状态等信息，使操控员心中有数。

无人机能量综合管理系统的功能与特点

无人机能量综合管理系统不同于分离式能量管理系统，它能通过无人机机载传感器获取外界信息，由微处理器做出判断和决策，向控制器发出指令，然后控制器执行能源分配。现概括无人机能量综合管理系统的智能功能。

（1）测量与感知功能

能量综合管理系统能测量无人机负荷、位置、飞行速度、加速度、飞行高度、飞行距离、温度、电压、电流、热量、电量、电耗率、油耗率、电池充电量、油箱剩余油量等指标的变化情况，以及感知无人机所处的环境条件。

（2）信息识别功能

能量综合管理系统能够识别和积累传感器网络获得的各类信息，具有自动处理信息、去伪存真、判别原因、做出决策等能力。

（3）数据采集功能

能量综合管理系统对所有测量和获取的信息进行识别与处理，去除信息中的各种干扰信号后，将这些有效数据输入微处理器，微处理器对有效数据进行处理、分发、储存和管理。数据采样速度、精度和前置滤波特性是衡量能量综合管理系统性能好坏的重要指标。

（4）通信功能

传感器网络对系统输入与输出信息进行对比后，得出判断结果，能量综合管理系统将判断结果提供给控制系统。与此同时，能量综合管理系统即时启动远程通信功能，将判断结果数据传输到远程终端。

（5）适时响应功能

能量综合管理系统能够根据外界环境和无人机内部条件的变化，适时动态地做出响应，并采取必要的控制行动。

（6）自诊断功能

能量综合管理系统能分析和比较无人机系统目前的状况与过去的情况，对系统故障、系统判断失误等问题进行自诊断，并予以校正。

（7）自调节功能

能量综合管理系统根据不断变化的外部环境和无人机内部条件，及时、自动地调整无人机的状态和功能，从而补充无人机的能量消耗，以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。

（8）安全管理功能

能量综合管理系统利用安全管理功能，可监测电池的电压、电流、温度等指标是否超过极限，防止电池过度放电，尤其是防止个别电池单体过度放电，防止电池过热而发生热失控，当电池出现能量回馈时，防止电池过度充电，在电源系统出现绝缘度下降时，发出报警信息或强行切断电源，当电源系统出现短路时，对电源系统实施保护等。

（9）电池热管理功能

对大功率放电和在高温条件下工作的电池组，电池的热管理尤为必要。电池热管理功能使电池单体温度均衡并保持在合理的范围内，以及对高温电池实施冷却，在低温条件下对电池进行加热等。由于温度变化对其他参数有影响，所以一般以电池模块的温度作为控制的指令信号。

无人机能量综合管理系统所具有的优良特性，对改进和提高无人机飞行性能具有重大意义，受到业界高度关注。

无人机油电混合动力系统的控制系统

能量综合管理系统集合了感知、控制和驱动功能。其中，控制和驱动是最重要的功能之一。

（1）无人机在各飞行阶段所须功率的控制

根据电动机和发动机的转速、温度等信息，以及相关控制设备的状态信息，无人机油电混合动力系统的控制系统判断电动机和发动机的工况，以确定发动机与发电机的功率分配策略，满足无人机油电混合动力系统的动力性、经济性、排放性等指标要求。

无人机油电混合动力的控制系统须与飞控系统、地面控制站进行数据交互，根据无人机的任务规划信息，实时计算所须的能量，及时调节燃油发动机、电动机和发电机的工作状态，实时监测油电混合动力系统的负荷、油门量、发动机转速、电动机和发电机电压、电池电压、实时电流、温度等信息。

功率分配策略与油电混合动力系统的组成关系密切，涉及发动机和发电机的状态监测、性能匹配等核心技术，同时还与无人机构型有关。从无人机构型的总体设计入手，计算无人机所须的最大功率以及无人机在各种飞行姿态下的所须功率，以此确定无人机油电混合动力系统的发动机最大功率。

（2）无人机的伺服执行机构

大多数无人机采用舵机作为伺服执行机构。伺服执行机构的作用是输出力矩和角速度，驱动控制面偏转，其工作过程包括两方面，一是通过主传动系统的减速器带动鼓轮转动，操纵控制面偏转，二是通过测速传动系统的减速器带动测速发电机旋转，输出与控制面偏转角速度成正比的电信号，作为控制回路的负反馈信号，实现对控制回路的闭环控制。常用舵机有电动舵机、液压舵机和电液复合舵机三种类型。

①电动舵机

电动舵机以电力为能源，由电动机、传感器、齿轮传动装置和安全保护装置等设备组成。测速传感器是舵回路的反馈元器件，用于测量控制面偏转角速度。

②液压舵机

液压舵机以高压液体作为能源，是一种直接驱动控制面偏转的舵机。

③电液复合舵机

电液复合舵机是电液副舵机和液压助力器（电液主舵机）的组合体，既可用作舵机，又可用作助力器。

（3）电池荷电状态估算

电池荷电状态（SOC）用于反映电池的剩余容量，其数值定义是剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC=0时，表示电池放电完全；当SOC=1时，表示电池电量全部充满。

电池的电池荷电状态不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小，而这些参数会受到电池老化、环境温度变化及无人机飞行状态等多种不确定因素的影响。电池的电池荷电状态估算方法如下所述。

①内阻测量法

图2 无人机在各飞行阶段所须功率的示意图。

内阻测量法利用不同频率的交流电激励电池，测量电池内部的交流电阻，并通过建立的计算模型，得到电池荷电状态估算值。该方法得到的电池荷电状态估算值反映了电池在某特定恒流放电条件下的电池荷电状态值。

②线性模型法

线性模型法的原理是，基于电池荷电状态的变化量、电流、电压和上一个时间点的电池荷电状态值，建立线性模型。这种模型适用于低电流、电池荷电状态缓变的情况，对误差和错误的初始条件测量，具有很高的鲁棒性。

③卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波法建立在安时积分法基础之上。其主要思想是，对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估计。

（4）电池充放电控制

无人机油电混合动力系统的本质是，燃油发动机将化学能转换为电能，因此，该系统必然涉及电池的充放电问题。电池控制系统的主要功能是，测量电池的电压及温度，均衡电池能量，对电流进行采样，计算电池荷电状态值，产生各类报警数据，对电池的故障模式、充放电、瞬态补偿进行管理等，并通过数据链路与地面控制站进行数据交互，使相关数据在地面控制站上显示。

（5）瞬态功率补偿

瞬态功率补偿是一种发动机故障模式的处理办法。当发动机过载或者工作不正常时，发电机所输出的功率不能维持无人机的正常飞行，这时无人机油电混合动力系统瞬态功率必须存在一个正反馈和闭环控制。在备用电池与发电机之间安装一个稳压源硬件，来控制备用电池的输出功率，利用瞬态功率补偿算法，实现输出功率的补偿。

无人机能量综合管理系统开发的指导原则

油电混合动力无人机的能量综合管理系统开发和选用须坚持四个指导原则：能力、可靠性、敏捷性和经济性。

（1）能力原则

能量综合管理系统应对无人机电和热相关分系统进行控制，使这些分系统满足更大、变化更剧烈的电和热载荷需求，为无人机更强的任务执行能力提供支撑。该系统利用整机资源共享，处理大的间歇性电和热载荷，同时保护无人机的关键分系统不受间歇性电和热载荷的影响。

（2）可靠性原则

无人机在飞行和执行任务过程中，能量综合管理系统须确保无人机关键分系统的鲁棒性和弹性运行。

（3）敏捷性原则

无人机所有分系统和设备供应厂商拥有的新技术快速应用到无人机能量综合管理系统中，能够根据工作任务的变化即时调整能量控制策略。

（4）经济性原则

能量综合管理系统开发和选用应降低开发成本、软件验证成本、无人机各分系统的生产成本，以降低无人机的总成本。

无人机能量综合管理系统的设计方法

无人机能量优化技术是解决油电混合动力无人机能量管理问题的关键技术，对提高油电混合动力无人机的飞行性能和任务执行能力至关重要。在油电混合动力无人机设计过程中，应充分考虑各分系统之间的动态信息，克服传统设计方案的局限性，利用分系统之间的动态交互信息来制定控制策略，克服传统方案中余量设计过大的问题。

（1）采用多变量控制方法和预测控制算法，创建响应更快的系统

在无人机动力装置设计中，技术人员过去通常假设无人机上的电和热载荷变化缓慢，主要采用伪稳态分析方法计算能量。但是，对于油电混合动力无人机而言，电与热相关分系统载荷具有更突出的动态特性，因而比例积分控制、基于规则的逻辑等传统控制方法很难实现理想的系统动态响应特性。解决途径是，在油电混合动力无人机设计过程中，技术人员采用多变量控制方法和预测控制算法，可有效解决系统更快响应特性的问题，其中多变量控制方法可以引入更高精度的系统信息和分系统间的交叉耦合，预测控制算法能针对预测的需求采取预期行动。

（2）优化控制策略，处理更大动态载荷

在过去，无人机电和热相关分系统设计、开发和试验彼此独立开展，各分系统设计须要留有较大余量。在飞行和执行任务过程中，油电混合动力无人机会面临更大的动态载荷，各分系统设计余量会很大，结果会导致无人机整个系统的重量和尺寸达到难以接受的程度。解决的途径是，在油电混合动力无人机设计过程中，优化控制策略，使各分系统之间共享载荷和能源等信息，根据须要，分系统之间动态分配能源，提高系统能源的利用效率，降低各分系统的设计余量。例如，无人机能量优化技术采用层级式和分布式控制架构，分系统之间将能共享信息。

（3）快速集成新技术

在无人机设计过程中，如果采用“孤立式”分系统设计方法，只有减小分系统耦合才能回避系统集成的复杂程度，分系统与整个系统开放性考虑不足，新技术的快速应用受到制约。解决的途径是，在油电混合动力无人机设计过程中，通过定义开放式架构和模块化接口，降低新技术集成的难度。其中，开放式架构设计具有可分解性、可扩展性、交互性、可重构性、可重用性、可升级性等特点；模块化设计是开放式系统架构的关键，可克服由系统间紧耦合带来的复杂性。

（4）运用分布式控制技术

在油电混合动力无人机设计过程中，将其他领域的成熟控制技术应用于电与热相关分系统的控制设计。例如，预测控制技术、自适应控制技术、以及可以支持控制系统在线重构的机器学习技术。

（5）采用开放式架构设计

在油电混合动力无人机设计过程中，可借鉴已有架构方案来设计电与热相关分系统的架构，包括外场总线、互联网协议、综合模块化航电、先进机载能力环境等。