CN113193209A - 一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，属于燃料电池领域，包括机身、动力电机、高压储氢罐、机翼、两个对称设置于机身中部或机翼上的空冷型燃料电池电堆、及两个与空冷型燃料电池电堆对应的散热系统；电堆的空气流道为并行波浪型流道；电堆设置于机身中部时，散热系统还包括冷却风扇；电堆设置于机翼上时，动力系统适用于机翼上装有辅助螺旋桨的无人机，散热系统还包括机翼前置导流罩；在无人机启动或低速飞行，中速飞行，及高速飞行时，分别通过不同散热方式控制电堆反应温度处于理想温度区间。本发明还提出双堆系统运行时的一致性保障控制方案，在保证总体电功率需求的同时提高电堆性能一致性。

Description

一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统。
背景技术
燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，阴极处的质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品，均有着广泛的应用空间。
空冷燃料电池的阳极燃料为氢气，阴极反应物为空气，空气同时还作为冷却介质，因此空冷燃料电池的系统结构简洁，在备用电源、小型便携式电源以及小型动力电源等领域具有广泛的应用前景。尤其在工业无人机领域，空冷燃料电池能够大幅提升无人机续航时间至4小时以上。
在现有的固定翼无人机中，如中国专利CN107176301A公开的固定翼燃料电池植保无人机，一般将空冷燃料电池发电模块布置于密闭机舱内部，由于密闭机舱内空气容量有限，电堆不易散热，堆内反应温度升高，阴极侧相对湿度降低，导致质子交换膜内水含量降低，增加膜内阻，降低电堆电压，造成更高的能量损失与反应余热，形成正反馈，最终电堆输出电压降低至安全阈值，导致系统关机；此外，电堆散热需要额外提供风扇辅助用电，降低发电模块总体系统效率。
现有技术中也有将空冷燃料电池电堆布置于螺旋桨后方，如中国专利CN107200119A公开的燃料电池无人机，中国专利CN205900703U公开的一种用于无人机燃料电池的散热结构，通过螺旋桨为无人机提供动力时的空气流动，实现电堆被动散热，但该方式无法主动控制电堆承接风量，可能在无人机正常航行时造成风量过高，降低电堆内部相对湿度，造成膜电极过度干燥，增加膜内阻，降低电堆电压与发电效率；此外，电堆位于动力螺旋桨的正后方，容易造成过高的空气阻力，降低螺旋桨推力，造成动力浪费，降低动力系统能量效率。
此外，固定翼无人机上的多电堆集成存在无人机重力平衡、连接方式以及性能一致性等技术问题。因此在无人机多电堆方案设计中需要考虑电堆摆放位置对无人机系统重力平衡的影响，同时，解决串并联供电方式及反应物供应方式对电堆输出性能，使用寿命及运行过程中性能衰减的影响。
发明内容
针对上述现有技术中存在的电堆散热不佳、动力系统效率低的问题，本发明提出了一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，保证无人机重量平衡的同时提升电堆性能一致性，且提高燃料电池系统发电效率与无人机续航能力。
本发明具体技术方案如下：
一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，包括机身、位于机身前部的动力电机、位于机身后部的高压储氢罐和位于机身两侧的机翼；其特征在于，所述动力系统还包括两个对称设置于机身中部或机翼上的空冷型燃料电池电堆，及两个与空冷型燃料电池电堆对应的散热系统；两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端并联或串联，氢气管路并联。
进一步地，所述散热系统包括连通固定翼无人机外部和空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的空冷电堆前置导流模块，空冷电堆前置导流模块与固定翼无人机连接处的导流进气窗口，连通空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和固定翼无人机外部的空冷电堆后置导流模块，和空冷电堆后置导流模块与固定翼无人机连接处的导流出气窗口。
进一步地，所述空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道为并行波浪型流道，并行波浪型流道的结构与空冷型燃料电池电堆所需的功率等级、空气流道的流阻及阴极压力限制等因素有关。
进一步地，当两个空冷型燃料电池电堆对称设置于机身中部时，所述散热系统还包括设置于空冷电堆后置导流模块内部的冷却风扇；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，冷却风扇开启，外部空气在冷却风扇的强制对流作用下，经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块被吸入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，为空冷型燃料电池电堆提供所需空气，同时将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间；外部空气在阴极空气流道内反应后，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机中速飞行时，冷却风扇关闭，固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，为空冷型燃料电池电堆散热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，冷却风扇关闭，相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥；相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，为空冷型燃料电池电堆散热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出。
进一步地，当固定翼无人机启动或低速飞行时，通过在冷却风扇处施加预设定的风扇风量控制信号，控制冷却风扇的风量。
进一步地，当两个空冷型燃料电池电堆对称设置于机翼上时，所述动力系统适用于机翼上装有辅助螺旋桨的固定翼无人机，当固定翼无人机启动或飞行时，辅助螺旋桨自动开启；所述空冷型燃料电池电堆位于机翼上辅助螺旋桨的后方，所述散热系统还包括设置于辅助螺旋桨后方、空冷电堆前置导流模块前端的机翼前置导流罩，用于将辅助螺旋桨产生的空气导入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，进行反应与冷却；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，外部空气在辅助螺旋桨的强制对流作用下，经机翼前置导流罩、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，为空冷型燃料电池电堆提供反应所需空气，同时将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间；外部空气在阴极空气流道内反应后，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机中速飞行时，一方面外部空气在辅助螺旋桨的强制对流作用下经机翼前置导流罩、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，另一方面固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道；外部空气和相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，形成电堆出口空气流，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，外部空气和相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥；外部空气和相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，形成电堆出口空气流，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出。
进一步地，所述动力系统还包括DC-DC直流变换器、蓄电池、氢气减压阀、进堆电磁阀、出堆电磁阀、氢气一级压力传感器、氢气二级压力传感器、两个空气进堆温度传感器、两个空气出堆温度传感器、两个电堆输出电流传感器和两个电堆电压传感器；
所述高压储氢罐经氢气一级压力传感器、氢气减压阀、氢气二级压力传感器、进堆电磁阀连接两个空冷型燃料电池电堆阳极氢气进气端，两个空冷型燃料电池电堆阳极氢气出气端经出堆电磁阀连接外部环境；两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电经DC-DC直流变换器连接至动力电机；蓄电池的正极和负极分别与动力电机相连；两个空气进堆温度传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道进气端，两个空气出堆温度传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道出气端；两个电堆输出电流传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极，两个电堆电压传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的负极。
进一步地，当两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端并联时，两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极和负极均分别连接DC-DC直流变换器的正极和负极；两个空冷型燃料电池电堆运行时的输出电压一致，而输出电流则根据电堆瞬态性能状态，可能存在一定差异，得到二者的输出功率，进而获得并联差异性评价参数X1：
X1＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(I1-I2)/(I1+I2)|
其中，P1、P2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出功率；I1、I2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出电流；
当X1≤X0时，动力系统正常运行；当X1>X0时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求，并提高蓄电池功率输出，以保证电机的总体电功率需求，同时降低两个空冷型燃料电池电堆之间的功率差异，避免性能不一致性持续恶化；其中，X0为并联差异性评价参数阈值，数值范围为5～20％。
进一步地，当两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端串联时，一个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极连接DC-DC直流变换器的正极，负极经另一个空冷型燃料电池电堆连接DC-DC直流变换器的负极；两个空冷型燃料电池电堆运行时的输出电流一致，而输出电压则根据电堆瞬态性能状态，可能存在一定差异，得到二者的输出功率，进而获得串联差异性评价参数X2：
X2＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(V1-V2)/(V1+V2)|
其中，P1、P2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出功率；V1、V2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出电压；
当X2≤X0′时，动力系统正常运行；当X2>X0′时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求，并提高蓄电池功率输出，以保证电机的总体电功率需求，同时降低两个空冷型燃料电池电堆之间的功率差异，避免性能不一致性持续恶化；其中，X0′为串联差异性评价参数阈值，数值范围为5～20％。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，通过在机身中部或机翼上对称设置两个电堆，保证无人机的重量平衡，同时提出双堆系统运行时的一致性保障控制方案，在保证总体电功率需求的同时提高电堆性能一致性；
2、本发明将无人机正常飞行时形成的相对空气流动与电堆散热需求结合，保证空冷电堆散热需求，减少或消除辅助风扇耗能，从而提高燃料电池电堆的发电效率与无人机续航能力；
3、空冷型燃料电池电堆的空气流道为并行波浪型流道，波浪型设计使得在流道内传输的空气具有振荡变化的气体速度矢量和局部气体压强，一方面可以提升空气中氧气从流道至膜电极的传质效率，另一方面可以加强空气的对流散热效果；
4、优选地，本发明提出了一种适用于机翼上装有辅助螺旋桨的固定翼无人机的双堆集成动力系统，借助辅助螺旋桨散热，消除冷却风扇，减少无人机起飞重量的同时提升动力系统净功率输出能力。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中氢气流道的结构图；其中(a)为多路并行的蛇形流道，(b)为多路并行的双栏型蛇形流道；
图2为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中空气流道的结构图；其中(a)为并行直通流道，(b)为并行波浪型流道；
图3为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的整体布置顶视图；
图4为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统机身的布置顶视图；
图5为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的流程设计图；
图6为本发明实施例2提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的整体布置顶视图；
图7为本发明实施例2提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统单个机翼的布置侧视图；
图8为本发明实施例2提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的流程设计图。
附图包括以下附图标记：
An11：阳极侧的氢气进口
An12：氢气进口至反应区的导流槽
MEA1：阳极反应区
An13：氢气出口的导流槽
An14：阳极侧的氢气出口
An15：多路并行的蛇形阳极氢气流道
An25：多路并行的双栏型蛇形阳极氢气流道
Ca11：阴极侧的氢气进口
Ca12：阴极侧的氢气出口
MEA2：阴极反应区
Ca13：并行直通阴极空气流道
Ca23：并行波浪型阴极空气流道
U0：机身
U1：动力电机
U2：第一空冷型燃料电池电堆
U3：第二空冷型燃料电池电堆
U4：高压储氢罐
U5：机翼
U6：水平尾翼
U7：垂直尾翼
U8：辅助螺旋桨
U100：任务负载
U201：第一导流进气窗口
U202：第一导流出气窗口
U203：第一空冷电堆前置导流模块
U204：第一空冷电堆后置导流模块
U205：第一冷却风扇
U301：第二导流进气窗口
U302：第二导流出气窗口
U303：第二空冷电堆前置导流模块
U304：第二空冷电堆后置导流模块
U305：第二冷却风扇
U501：机翼前置导流罩
U502：辅助螺旋桨产生的空气流
U503：机翼下导流挡板
U504：机翼下侧的外部空气流
U505：机翼上导流挡板
U506：机翼上侧的外部空气流
U507：机翼电堆出口空气流
U508：机翼电堆导流出气窗口
U509：机翼电堆前置导流模块
U510：机翼电堆后置导流模块
Uair1：无人机前方正对的相对空气流
Uair21：贴近机身左侧的相对空气流
Uair22：贴近机身左侧的部分空气流
Uair23：第一空冷电堆出口空气流
Uair24：第一风扇散热空气流
Uair25：第一空冷电堆排放气流
Uair31：贴近机身右侧的相对空气流
Uair32：贴近机身右侧的部分空气流
Uair33：第二空冷电堆出口空气流
Uair34：第二风扇散热空气流
Uair35：第二空冷电堆排放气流
Sub1：DC-DC直流变换器
Sub2：蓄电池
F1：氢气减压阀
F2：进堆电磁阀
F3：出堆电磁阀
S1：氢气一级压力传感器
S2：氢气二级压力传感器
S3：第一空气进堆温度传感器
S4：第一空气出堆温度传感器
S5：第一风扇风量控制信号
S31：第二空气进堆温度传感器
S41：第二空气出堆温度传感器
S51：第二风扇风量控制信号
S6：第一电堆输出电流传感器
S7：第一电堆电压传感器
S61：第二电堆输出电流传感器
S71：第二电堆电压传感器
P1：第一空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极
P2：第一空冷型燃料电池电堆的输出直流电的负极
P11：第二空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极
P21：第二空冷型燃料电池电堆的输出直流电的负极
P3：DC-DC直流变换器前端的正极
P4：DC-DC直流变换器前端的负极
P5：DC-DC直流变换器后端的正极
P6：DC-DC直流变换器后端的负极
P7：蓄电池的正极
P8：蓄电池的负极
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，如图3所示，包括机身U0、位于机身U0前部的动力电机U1、位于机身U0后部的高压储氢罐U4、位于机身U0两侧的机翼U5、位于机身U0尾部的水平尾翼U6及垂直尾翼U7、位于动力电机U1和空冷型燃料电池电堆之间的任务负载U100、对称并排设置于机身U0中部的第一空冷型燃料电池电堆U2及第二空冷型燃料电池电堆U3、和分别与第一空冷型燃料电池电堆U2及第二空冷型燃料电池电堆U3对应的第一散热系统和第二散热系统。
所述第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3均包括多层叠放的双极板和膜电极，双极板的上表面为阳极，设有氢气流道，供燃料氢气流通反应，下表面为阴极，设有空气流道，供空气流通，其中空气同时作为氧化剂与冷却介质；
所述氢气流道的结构分为多路并行的蛇形流道和多路并行的双栏型蛇形流道两种；多路并行的蛇形流道的结构如图1(a)所示，氢气经阳极侧的氢气进口An11、氢气进口至反应区的导流槽An12，流入膜电极MEA的阳极反应区MEA1(虚线所示)内的多路并行的蛇形阳极氢气流道An15，反应后经反应区至氢气出口的导流槽An13、阳极侧的氢气出口An14流出；多路并行的双栏型蛇形流道如图1(b)所示，氢气经阳极侧的氢气进口An11、氢气进口至反应区的导流槽An12，流入膜电极MEA的阳极反应区MEA1(虚线所示)内的多路并行的双栏型蛇形阳极氢气流道An25，反应后经反应区至氢气出口的导流槽An13、阳极侧的氢气出口An14流出。
所述空气流道的结构为并行波浪型流道，与传统的并行直通流道不同；传统的并行直通流道的结构如图2(a)所示，Ca11与Ca12分别为阴极侧的氢气进口与氢气出口，外部环境的空气流入膜电极MEA的阴极反应区MEA2内的并行直通阴极空气流道Ca13，反应后流出；本实施例采用的并行波浪型流道的结构如图2(b)所示，Ca11与Ca12分别为阴极侧的氢气进口与氢气出口，外部环境的空气流入膜电极MEA的阴极反应区MEA2内的并行波浪型阴极空气流道Ca23，其结构与空冷型燃料电池电堆U2所需的功率等级、空气流道B2的流阻及阴极压力限制等因素有关，并行波浪型阴极空气流道Ca23内传输的空气具有振荡变化的气体速度矢量和局部气体压强，一方面可以提升空气中氧气从流道至膜电极的传质效率，另一方面可以加强空气的对流散热效果。
由于并行波浪型阴极空气流道Ca23会提高空气进出口的压差，应用于固定翼无人机中会增加风扇的散热能力需求，因此，本实施例提出的固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，将无人机正常飞行时形成的相对空气流动与电堆散热需求结合，形成风扇主动散热与空气对流被动散热结合的可控电堆散热，保证空冷电堆散热需求，同时减少或消除辅助风扇耗能，从而提高燃料电池电堆的发电效率与无人机续航能力。
如图4所示，所述第一散热系统包括连通固定翼无人机外部和第一空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的第一空冷电堆前置导流模块U203，第一空冷电堆前置导流模块U203与固定翼无人机连接处的第一导流进气窗口U201，连通第一空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和固定翼无人机外部的第一空冷电堆后置导流模块U204，第一空冷电堆后置导流模块U204与固定翼无人机连接处的第一导流出气窗口U202，和位于第一空冷电堆后置导流模块U204内部的第一冷却风扇U205；
所述第二散热系统包括连通固定翼无人机外部和第二空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的第二空冷电堆前置导流模块U303，第二空冷电堆前置导流模块U303与固定翼无人机连接处的第二导流进气窗口U301，连通第二空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和固定翼无人机外部的第二空冷电堆后置导流模块U304，第二空冷电堆后置导流模块U304与固定翼无人机连接处的第二导流出气窗口U302，和位于第二空冷电堆后置导流模块U304内部的第二冷却风扇U305。
所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统的流程设计图如图5所示，还包括DC-DC直流变换器Sub1、蓄电池Sub2、氢气减压阀F1、进堆电磁阀F2、出堆电磁阀F3、氢气一级压力传感器S1、氢气二级压力传感器S2、第一空气进堆温度传感器S3、第二空气进堆温度传感器S31、第一空气出堆温度传感器S4、第二空气出堆温度传感器S41、第一电堆输出电流传感器S6、第二电堆输出电流传感器S61、第一电堆电压传感器S7和第二电堆电压传感器S71；所述第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的直流输出端并联，氢气管路并联。
所述高压储氢罐U3经氢气一级压力传感器S1、氢气减压阀F1、氢气二级压力传感器S2、进堆电磁阀F2分别连接第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极氢气进气端，为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极提供氢气反应，反应后的氢气废气从第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极氢气出气端，经出堆电磁阀F3排出至外部环境；第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的输出直流电的正极P1、P11均连接DC-DC直流变换器Sub1前端的正极P3，负极P2、P21均连接DC-DC直流变换器Sub1前端的负极P4，DC-DC直流变换器Sub1后端的正极P5和负极P6连接至动力电机U1，DC-DC直流变换器Sub1将第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3输出的直流电转换为动力电机U1所需的直流电压；所述蓄电池Sub2的正极P7和负极P8分别与动力电机U1相连，当第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3输出的功率不足以满足动力电机U1需求时，为动力电机U1提供功率；所述第一空气进堆温度传感器S3和第一空气出堆温度传感器S4分别设置在第一空冷型燃料电池电堆U2的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端，第二空气进堆温度传感器S31和第二空气出堆温度传感器S41分别设置在第二空冷型燃料电池电堆U3的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端，实时监测空气进出堆温度；所述第一电堆输出电流传感器S6和第一电堆电压传感器S7分别设置在第一空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的正极P1和负极P2处，第二电堆输出电流传感器S61和第二电堆电压传感器S71分别设置在第二空冷型燃料电池电堆U3的输出直流电的正极P11和负极P21处。
第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3运行时的输出电压一致，而输出电流则根据电堆瞬态性能状态，可能存在一定差异，得到二者的输出功率，进而获得并联差异性评价参数X1：
X1＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(I1-I2)/(I1+I2)|
其中，P1、P2分别为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的输出功率；I1、I2分别为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的输出电流；
当X1≤X0时，动力系统正常运行；当X1>X0时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求，并提高蓄电池功率输出，以保证电机的总体电功率需求，同时降低两个空冷型燃料电池电堆之间的功率差异，避免性能不一致性持续恶化；其中，X0为并联差异性评价参数阈值，数值为10％。
在本发明中，对固定翼无人机的低速飞行的速度范围、中速飞行的速度范围和高速飞行的速度范围不做具体限制，具体飞行速度范围根据空冷型燃料电池电堆结构的不同人为设置；在本实施例中采用以下具体飞行速度范围：
当固定翼无人机启动或飞行速度不超过最大飞行速度的30％时，第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)开启，通过在第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)处施加预设定的第一风扇风量控制信号S5(第二风扇风量控制信号S51)，控制风量；外部空气在第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)的强制对流作用下，经第一导流进气窗口U201(第二导流进气窗口U301)、第一空冷电堆前置导流模块U203(第二空冷电堆前置导流模块U303)被吸入第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的并行波浪型阴极空气流道Ca23，为第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)提供所需空气，同时将第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的反应温度控制在理想温度区间；外部空气在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后，经第一空冷电堆后置导流模块U204(第二空冷电堆后置导流模块U304)、第一导流出气窗口U202(第二导流出气窗口U302)流出；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的30％～70％时，第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)关闭，无人机前方正对的相对空气流Uair1在靠近机身U0后成为贴近机身左侧的相对空气流Uair21(贴近机身右侧的相对空气流Uair31)，其中贴近机身左侧的部分空气流Uair22(贴近机身右侧的部分空气流Uair32)经第一导流进气窗口U201(第二导流进气窗口U301)、第一空冷电堆前置导流模块U203(第二空冷电堆前置导流模块U303)流入第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的并行波浪型阴极空气流道Ca23，在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，形成第一空冷电堆出口空气流Uair23(第二空冷电堆出口空气流Uair33)，流入第一空冷电堆后置导流模块U204(第二空冷电堆后置导流模块U304)，第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)在第一空冷电堆出口空气流Uair23(第二空冷电堆出口空气流Uair33)下被动转动，为第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)散热，将第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的反应温度控制在理想温度区间，经第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)后成为第一风扇散热空气流Uair24(第二风扇散热空气流Uair34)，经第一导流出气窗口U202(第二导流出气窗口U302)流出机身U0，形成第一空冷电堆排放气流Uair25(第二空冷电堆排放气流Uair35)；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的70％～100％时，第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)关闭，通过调节第一导流进气窗口U201(第二导流进气窗口U301)的开口大小，控制贴近机身左侧的相对空气流Uair21(贴近机身右侧的相对空气流Uair31)流入第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的进风量，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥；贴近机身左侧的部分空气流Uair22(贴近机身右侧的部分空气流Uair32)在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，形成第一空冷电堆出口空气流Uair23(第二空冷电堆出口空气流Uair33)，流入第一空冷电堆后置导流模块U204(第二空冷电堆后置导流模块U304)，第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)在第一空冷电堆出口空气流Uair23(第二空冷电堆出口空气流Uair33)下被动转动，为第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)散热，将第一空冷型燃料电池电堆U2(第二空冷型燃料电池电堆U3)的反应温度控制在理想温度区间，经第一冷却风扇U205(第二冷却风扇U305)后成为第一风扇散热空气流Uair24(第二风扇散热空气流Uair34)，经第一导流出气窗口U202(第二导流出气窗口U302)流出机身U0，形成第一空冷电堆排放气流Uair25(第二空冷电堆排放气流Uair35)。
实施例2
本实施例提供了一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，用于机翼U5上装有辅助螺旋桨U8的固定翼无人机，当固定翼无人机启动或飞行时，辅助螺旋桨U8自动开启；如图6所示，所述动力系统包括机身U0、位于机身U0前部的动力电机U1、位于机身U0后部的高压储氢罐U4、位于机身U0两侧的机翼U5、位于机翼U5上的辅助螺旋桨U8、位于机身U0尾部的水平尾翼U6及垂直尾翼U7、位于动力电机U1和空冷型燃料电池电堆之间的任务负载U100、对称并排设置于两侧机翼U5上的第一空冷型燃料电池电堆U2及第二空冷型燃料电池电堆U3、和分别与第一空冷型燃料电池电堆U2及第二空冷型燃料电池电堆U3对应的第一散热系统和第二散热系统；
所述第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的结构与实施例1中的结构相同。
所述第一空冷型燃料电池电堆U2及其对应的第一散热系统，与第二空冷型燃料电池电堆U3及其对应的第二散热系统的结构类似，呈对称设置，故在此仅描述第一空冷型燃料电池电堆U2及其对应的第一散热系统的具体结构及工作原理。
所述第一空冷型燃料电池电堆U2位于辅助螺旋桨U8的后方，第一空冷型燃料电池电堆U2及其对应的第一散热系统的布置侧视图如图7所示，所述第一散热系统包括连通固定翼无人机外部和第一空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的机翼电堆前置导流模块U509，机翼电堆前置导流模块U509与固定翼无人机连接处的机翼下导流挡板U503和机翼上导流挡板U505，位于辅助螺旋桨U8后方、机翼电堆前置导流模块U509前端的机翼前置导流罩U501，连通第一空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和固定翼无人机外部的机翼电堆后置导流模块U510，和机翼电堆后置导流模块U510与固定翼无人机连接处的机翼电堆导流出气窗口U508；
所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统的流程设计图如图8所示，还包括DC-DC直流变换器Sub1、蓄电池Sub2、氢气减压阀F1、进堆电磁阀F2、出堆电磁阀F3、氢气一级压力传感器S1、氢气二级压力传感器S2、第一空气进堆温度传感器S3、第二空气进堆温度传感器S31、第一空气出堆温度传感器S4、第二空气出堆温度传感器S41、第一电堆输出电流传感器S6、第二电堆输出电流传感器S61、第一电堆电压传感器S7和第二电堆电压传感器S71；所述第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的直流输出端串联，氢气管路并联。
所述高压储氢罐U3经氢气一级压力传感器S1、氢气减压阀F1、氢气二级压力传感器S2、进堆电磁阀F2分别连接第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极氢气进气端，为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极提供氢气反应，反应后的氢气废气从第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的阳极氢气出气端，经出堆电磁阀F3排出至外部环境；第一空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的正极P1连接DC-DC直流变换器Sub1前端的正极P3，第一空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的负极P2连接至第二空冷型燃料电池电堆U3的输出直流电的正极P11，第二空冷型燃料电池电堆U3的输出直流电的负极P21连接DC-DC直流变换器Sub1前端的负极P4，DC-DC直流变换器Sub1后端的正极P5和负极P6连接至动力电机U1，DC-DC直流变换器Sub1将第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3输出的直流电转换为动力电机U1所需的直流电压；所述蓄电池Sub2的正极P7和负极P8分别与动力电机U1相连，当第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3输出的功率不足以满足动力电机U1需求时，为动力电机U1提供功率；所述第一空气进堆温度传感器S3和第一空气出堆温度传感器S4分别设置在第一空冷型燃料电池电堆U2的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端，第二空气进堆温度传感器S31和第二空气出堆温度传感器S41分别设置在第二空冷型燃料电池电堆U3的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端，实时监测空气进出堆温度；所述第一电堆输出电流传感器S6和第一电堆电压传感器S7分别设置在第一空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的正极P1和负极P2处，第二电堆输出电流传感器S61和第二电堆电压传感器S71分别设置在第二空冷型燃料电池电堆U3的输出直流电的正极P11和负极P21处。
第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3运行时的输出电流一致，而输出电压则根据电堆瞬态性能状态，可能存在一定差异，得到二者的输出功率，进而获得串联差异性评价参数X2：
X2＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(V1-V2)/(V1+V2)|
其中，P1、P2分别为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的输出功率；V1、V2分别为第一空冷型燃料电池电堆U2和第二空冷型燃料电池电堆U3的输出电压；
当X1≤X0′时，动力系统正常运行；当X1>X0′时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求，并提高蓄电池功率输出，以保证电机的总体电功率需求，同时降低两个空冷型燃料电池电堆之间的功率差异，避免性能不一致性持续恶化；其中，X0为串联差异性评价参数阈值，数值为10％。
在本发明中，对固定翼无人机的低速飞行的速度范围、中速飞行的速度范围和高速飞行的速度范围不做具体限制，具体飞行速度范围根据空冷型燃料电池电堆结构的不同人为设置；在本实施例中采用以下具体飞行速度范围：
当固定翼无人机启动或飞行速度不超过最大飞行速度的30％时，无人机前方正对的相对空气流Uair1在辅助螺旋桨U8的强制对流作用下，经机翼前置导流罩U501、机翼电堆前置导流模块U509流入第一空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23，为第一空冷型燃料电池电堆U2提供反应所需空气，同时将第一空冷型燃料电池电堆U2的反应温度控制在理想温度区间；无人机前方正对的相对空气流Uair1在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后，形成机翼电堆出口空气流U507，经机翼电堆后置导流模块U510、机翼电堆导流出气窗口U508流出；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的30％～70％时，一方面无人机前方正对的相对空气流Uair1在辅助螺旋桨U8的强制对流作用下，经机翼前置导流罩U501、机翼电堆前置导流模块U509流入第一空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23，另一方面固定翼无人机飞行时形成的机翼下侧的外部空气流U504，经机翼下导流挡板U503、机翼电堆前置导流模块U509流入第一空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23，机翼上侧的外部空气流U506经机翼上导流挡板U505、机翼电堆前置导流模块U509流入第一空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23；无人机前方正对的相对空气流Uair1、机翼下侧的外部空气流U504和机翼上侧的外部空气流U506在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，将第一空冷型燃料电池电堆U2的反应温度控制在理想温度区间，形成机翼电堆出口空气流U507，经机翼电堆后置导流模块U510、机翼电堆导流出气窗口U508流出；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的70％～100％时，无人机前方正对的相对空气流Uair1、机翼下侧的外部空气流U504和机翼上侧的外部空气流U506流入第一空冷型燃料电池电堆U2的阴极空气流道，通过调节机翼下导流挡板U503和机翼上导流挡板U505的开口大小，控制机翼下侧的外部空气流U504和机翼上侧的外部空气流U506流入第一空冷型燃料电池电堆U2的进风量，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥；无人机前方正对的相对空气流Uair1、机翼下侧的外部空气流U504和机翼上侧的外部空气流U506在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，形成机翼电堆出口空气流U507，经机翼电堆后置导流模块U510、机翼电堆导流出气窗口U508流出。

Claims (9)

1.一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，包括机身、位于机身前部的动力电机、位于机身后部的高压储氢罐和位于机身两侧的机翼；其特征在于，所述动力系统还包括两个对称设置于机身中部或机翼上的空冷型燃料电池电堆，及两个与空冷型燃料电池电堆对应的散热系统；两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端并联或串联，氢气管路并联。
2.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，所述散热系统包括连通固定翼无人机外部和空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的空冷电堆前置导流模块，空冷电堆前置导流模块与固定翼无人机连接处的导流进气窗口，连通空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和固定翼无人机外部的空冷电堆后置导流模块，和空冷电堆后置导流模块与固定翼无人机连接处的导流出气窗口。
3.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，所述空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道为并行波浪型流道。
4.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，当两个空冷型燃料电池电堆对称设置于机身中部时，所述散热系统还包括设置于空冷电堆后置导流模块内部的冷却风扇；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，冷却风扇开启，外部空气在冷却风扇的强制对流作用下，经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块被吸入阴极空气流道，将反应温度控制在理想温度区间；外部空气在阴极空气流道内反应后，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机中速飞行时，冷却风扇关闭，固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入阴极空气流道，反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，将反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，冷却风扇关闭，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量；相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，将反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出。
5.根据权利要求4所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，当固定翼无人机启动或低速飞行时，根据风扇风量控制信号控制冷却风扇的风量。
6.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，当两个空冷型燃料电池电堆对称设置于机翼上时，所述动力系统适用于机翼上装有辅助螺旋桨的固定翼无人机，当固定翼无人机启动或飞行时，辅助螺旋桨自动开启；所述空冷型燃料电池电堆位于辅助螺旋桨后方，所述散热系统还包括设置于辅助螺旋桨后方、空冷电堆前置导流模块前端的机翼前置导流罩；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，外部空气在辅助螺旋桨的强制对流作用下，经机翼前置导流罩、空冷电堆前置导流模块流入阴极空气流道，将反应温度控制在理想温度区间；外部空气在阴极空气流道内反应后，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机中速飞行时，一方面外部空气在辅助螺旋桨的强制对流作用下经机翼前置导流罩、空冷电堆前置导流模块流入阴极空气流道，另一方面固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入阴极空气流道；外部空气和相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，将反应温度控制在理想温度区间，形成电堆出口空气流，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量；外部空气和相对空气流流入阴极空气流道，反应后带走产热，将反应温度控制在理想温度区间，形成电堆出口空气流，经空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口流出。
7.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，所述动力系统还包括DC-DC直流变换器、蓄电池、氢气减压阀、进堆电磁阀、出堆电磁阀、氢气一级压力传感器、氢气二级压力传感器、两个空气进堆温度传感器、两个空气出堆温度传感器、两个电堆输出电流传感器和两个电堆电压传感器；
所述高压储氢罐经氢气一级压力传感器、氢气减压阀、氢气二级压力传感器、进堆电磁阀连接两个空冷型燃料电池电堆阳极氢气进气端，两个空冷型燃料电池电堆阳极氢气出气端经出堆电磁阀连接外部环境；两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电经DC-DC直流变换器连接至动力电机；蓄电池的正极和负极分别与动力电机相连；两个空气进堆温度传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道进气端，两个空气出堆温度传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道出气端；两个电堆输出电流传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极，两个电堆电压传感器分别设置在两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的负极。
8.根据权利要求7所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，当两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端并联时，两个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极和负极均分别连接DC-DC直流变换器的正极和负极，获得并联差异性评价参数X1：
X1＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(I1-I2)/(I1+I2)|
其中，P1、P2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出功率；I1、I2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出电流；
当X1≤X0时，动力系统正常运行；当X1>X0时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求和功率差异，并提高蓄电池功率输出；其中，X0为并联差异性评价参数阈值，数值范围为5～20％。
9.根据权利要求7所述固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统，其特征在于，当两个空冷型燃料电池电堆的直流输出端串联时，一个空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极连接DC-DC直流变换器的正极，负极经另一个空冷型燃料电池电堆连接DC-DC直流变换器的负极，获得串联差异性评价参数X2：
X2＝|(P1-P2)/(P1+P2)|＝|(V1-V2)/(V1+V2)|
其中，P1、P2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出功率；V1、V2分别为两个空冷型燃料电池电堆的输出电压；
当X2≤X0′时，动力系统正常运行；当X2>X0′时，降低两个空冷型燃料电池电堆的功率输出需求和功率差异，并提高蓄电池功率输出；其中，X0′为串联差异性评价参数阈值，数值范围为5～20％。
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