CN114275167B - 一种无人机混合动力控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机混合动力控制系统及其控制方法，包括有混动控制器、分别与混动控制器连接的燃料电池和锂离子电池，燃料电池包括有燃料电池电堆和储氢反应器，储氢反应器内置有化学储氢物质，化学储氢物质吸热释放氢气，氢气在燃料电池电堆反应生成电能。本发明使用氢燃料电池体系，具有能量密度高、续航时间久的优点；本发明使用化学储氢物质作为储氢手段，安全性高，成本低，燃料充装方便；控制方法能够控制化学储氢物质稳定释放氢气，反应产生电能，满足无人机动力使用的要求，且避免了无人机出现无动力能源，造成坠落的问题。

Description

一种无人机混合动力控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机动力系统技术领域，具体是一种无人机混合动力控制系统及其控制方法。

背景技术

近年来，无人机技术取得较快进展。目前普遍使用锂离子电池提供无人机所需的能量。但锂离子电池的能量密度较低，严重限制了无人机的续航时间。

为了提升无人机的续航时间，近年来，以燃料电池供能的无人机开始引起关注。燃料电池具有较高的能量密度，能显著提升无人机的续航时间。

氢气的存储是燃料电池使用的核心问题，目前无人机大多使用物理储氢，即使用轻量化的碳纤维氢气罐存储氢气(一般为35MPa)。这种氢气罐重量较轻，能耐受较高的气压。然而，高压氢气具有一定危险性，使用维护需要专业知识和昂贵的专业设备，不利于这一技术的广泛普及。而且氢气罐需要耐受较高的气压，因此价格昂贵。而且循环寿命有限，一般仅能充装500次左右，也同样不利于这一技术的广泛普及。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无人机混合动力控制系统及其控制方法，具有成本低、安全性好和能量密度高、续航时间久、燃料充装方便的优点。

本发明的技术方案为：

一种无人机混合动力控制系统，包括有混动控制器、分别与混动控制器连接的燃料电池和锂离子电池，所述的燃料电池包括有燃料电池电堆和储氢反应器，储氢反应器包括有化学储氢物质装载容器、气体通道、电磁气阀、电加热器、温度传感器、气压传感器和气体流量计，气体通道、电加热器、温度传感器均设置于化学储氢物质装载容器内，气体通道的出气端伸出到化学储氢物质装载容器外且与电磁气阀的进口连接，电磁气阀的出口与燃料电池电堆连接，气压传感器设置于气体通道内，气体流量计连接于电磁气阀的出口上；所述的电加热器与混动控制器的电能输出端连接实现供电启动，所述的电磁气阀与混动控制器连接实现电磁阀启停控制，所述的温度传感器、气压传感器、气体流量计均与混动控制器的信号输入端连接，混动控制器的信号输出端与无人机的导航飞控系统连接。

所述的电加热器为电加热丝结构。

所述的化学储氢物质装载容器为氨硼烷装载容器，氨硼烷的体积占氨硼烷装载容器容积的40-60％。

一种无人机混合动力控制系统的控制方法，具体包括有如下步骤：

(1)、在启动状态时，储氢反应器处于冷态，燃料电池无法启动，即燃料电池无法通过混动控制器为化学储氢物质装载容器内的电加热器供电，此时锂离子电池通过混动控制器输出电能，为电加热器供电，加热化学储氢物质装载容器内的化学储氢物质，化学储氢物质进行吸热反应开始释放氢气；

(2)、化学储氢物质受热开始释放氢气后，燃料电池电堆开始反应进行供电，燃料电池通过混动控制器，能同时为无人机负载和电加热器供电，还能够为锂离子电池充电；

(3)、当化学储氢物质装载容器内气压高于高位阈值P1时，混动控制器控制电加热器停止加热，随着化学储氢物质吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器内的温度会自动降低，进而使得化学储氢物质装载容器释放氢气的速率减慢甚至停止，此时随着无人机负载的使用，化学储氢物质装载容器内的气压将降低；

(4)、当化学储氢物质装载容器内的气压低于低位阈值P2时，混动控制器控制电加热器开始加热，化学储氢物质吸热继续释放氢气，此时化学储氢物质装载容器内的气压增加；

(5)、化学储氢物质装载容器内的化学储氢物质为定量的，所能释放的氢气即是定量的，因此当化学储氢物质装载容器释放氢气的总流量达到流量阈值Q时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

(6)、化学储氢物质的吸热反应是分阶段的，多个阶段吸热反应需要的温度是逐步升高的，随着化学储氢物质吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器内的吸热反应温度也会随之提高，当化学储氢物质装载容器内的温度达到温度阈值T1时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

(7)、为了保证化学储氢物质装载容器内剩余化学储氢物质释放的氢气燃烧转化为的电能满足无人机降落的需求，混动控制器设置一个极限低压阈值P3，当化学储氢物质装载容器内的气压低于极限低压阈值P3时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

所述的化学储氢物质为氨硼烷时，温度阈值T1设定为250℃，流量阈值Q由内置氨硼烷的体积决定，极限低压阈值P3由化学储氢物质装载容器的容积决定。

所述的步骤(5)-(7)中的流量阈值Q、温度阈值T1和气压阈值P3中任一个设定值达到时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

本发明的优点：

(1)、相比以锂离子电池动力体系作为无人机动力系统，本发明使用氢燃料电池体系，具有能量密度高、续航时间久的优点。

(2)、相比于使用高压氢气罐储氢的无人机氢燃料电池系统，本发明使用化学储氢物质作为储氢手段，不再需要高压氢气罐，解决了氢气难存储、难运输，且避免了高压氢气罐价格昂贵、寿命短、需要专业维护，以及高压气体不安全等一系列的问题，使用时只需要向化学储氢物质装载容器内填装固态的化学储氢物质即可，安全性高，成本低。

(2)、通过本发明的控制方法，能够控制化学储氢物质稳定释放氢气，反应产生电能，满足无人机动力使用的要求，且避免了无人机出现无动力能源，造成坠落的问题。

附图说明

图1是本发明无人机混合动力控制系统的原理框图，其中，“————”表示能源传输线路，“-·-·-”表示信号传输线路。

图2是本发明储氢反应器的结构示意图。

附图标记：1-混动控制器，2-燃料电池，3-锂离子电池，22-储氢反应器，221-化学储氢物质装载容器，222-气体通道，223-电磁气阀，224-电加热器，225-温度传感器，226-气压传感器，227-气体流量计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1和图2，一种无人机混合动力控制系统，包括有混动控制器1、分别与混动控制器1连接的燃料电池2和锂离子电池3，燃料电池2包括有燃料电池电堆21和储氢反应器22，储氢反应器22包括有化学储氢物质装载容器221、气体通道222、电磁气阀223、电加热器224、温度传感器225、气压传感器226和气体流量计227，气体通道222、电加热器224、温度传感器225均设置于化学储氢物质装载容器221内，气体通道222的出气端伸出到化学储氢物质装载容器221外且与电磁气阀223的进口连接，电磁气阀223的出口与燃料电池电堆21连接，气压传感器225设置于气体通道222内，气体流量计227连接于电磁气阀223的出口上；

电加热器224与混动控制器1的电能输出端连接实现供电启动，电磁气阀223与混动控制器1连接实现电磁阀启停控制，温度传感器225、气压传感器226、气体流量计227均与混动控制器1的信号输入端连接，混动控制器1的信号输出端与无人机的导航飞控系统连接。

其中，电加热器224为电加热丝结构，化学储氢物质装载容器221的容积为12L，装载氨硼烷为4.68kg，即化学储氢物质装载容器221内氨硼烷的体积为6L。

氨硼烷的理论储氢容量高达19.8％，吸热释放氢气分为以下三个阶段，第一阶段为120℃；第二阶段为150℃；第三阶段为500℃：

nNH₃BH₃→[NH₂BH₂]_n+nH₂

(T>120℃,6.5wt％H₂)

[NH₂BH₂]_n→[NHBH]_n+nH₂

(T>150℃,6.9wt％H₂)

[NHBH]_n→nBN+nH₂

(T>500℃,7.3wt％H₂)。

一种无人机混合动力控制系统的控制方法，具体包括有如下步骤：

(1)、在启动状态时，储氢反应器处于冷态，燃料电池无法启动，即燃料电池2无法通过混动控制器1为化学储氢物质装载容器221内的电加热器224供电，此时锂离子电池3通过混动控制器1输出电能，为电加热器224供电，加热化学储氢物质装载容器221内的氨硼烷，氨硼烷进行吸热反应开始释放氢气；

(2)、氨硼烷受热开始释放氢气后，燃料电池电堆21开始反应进行供电，燃料电池2通过混动控制器1，能同时为无人机负载和电加热器224供电，还能够为锂离子电池3充电；

(3)、当化学储氢物质装载容器221内气压高于高位阈值P1时，混动控制器1控制电加热器224停止加热，随着氨硼烷吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器221内的温度会自动降低，进而使得化学储氢物质装载容器221释放氢气的速率减慢甚至停止，此时随着无人机负载的使用，化学储氢物质装载容器221内的气压将降低；

(4)、当化学储氢物质装载容器221内的气压低于低位阈值P2时，混动控制器1控制电加热器224开始加热，氨硼烷吸热继续释放氢气，此时化学储氢物质装载容器221内的气压增加；

(5)、化学储氢物质装载容器221内的氨硼烷为定量的，所能释放的氢气即是定量的，因此当化学储氢物质装载容器221释放氢气的总流量达到流量阈值Q时，混动控制器1发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

(6)、氨硼烷的吸热反应是分三个阶段的，三个阶段吸热反应需要的温度是逐步升高的，随着化学储氢物质吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器221内的吸热反应温度也会随之提高，当化学储氢物质装载容器221内的温度达到温度阈值T1(250℃)时，混动控制器1发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

(7)、为了保证化学储氢物质装载容器221内剩余氨硼烷释放的氢气燃烧转化为的电能满足无人机降落的需求，混动控制器1设置一个极限低压阈值P3，当化学储氢物质装载容器221内的气压低于极限低压阈值P3(4.5MPa)时，混动控制器1发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

上述步骤(5)-(7)中的流量阈值Q、温度阈值T1和气压阈值P3中任一个设定值达到时，混动控制器1均发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

步骤(6)中，当学储氢物质装载容器221内的温度达到温度阈值250℃时，此时第二阶段已经释放完成，第三阶段尚未开始，化学储氢物质装载容器221内的物质为[NHBH]_n缩合物。第二阶段反应完成后，随着燃料电池电堆21的使用，化学储氢物质装载容器221内的气压一直降低，当降低至低位阈值P2时，电加热器224启动，而由于第二阶段反应已完成，而第三阶段反应要到500℃才能启动，所以此时并没有氢气产生，化学储氢物质装载容器221内的气压还是继续降低，同时电加热器224的加热也不会停止，化学储氢物质装载容器221内温度会持续升高。当化学储氢物质装载容器221内温度上升至250℃时，此时判定化学储氢物质装载容器221内的第二阶段反应已经完毕，混动控制器1发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

本实施例理论上，在释氢进行到第二阶段后，总释放氢气为606g。

相比之下，目前主流的12L 35MPa储氢罐，能储存氢气仅为320g。因此，使用化学储氢物质，相比于目前主流的高压气瓶储氢，可以在同等体积下，实现更多氢气的释放。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种无人机混合动力控制系统，其特征在于：包括有混动控制器、分别与混动控制器连接的燃料电池和锂离子电池，所述的燃料电池包括有燃料电池电堆和储氢反应器，储氢反应器包括有化学储氢物质装载容器、气体通道、电磁气阀、电加热器、温度传感器、气压传感器和气体流量计，气体通道、电加热器、温度传感器均设置于化学储氢物质装载容器内，气体通道的出气端伸出到化学储氢物质装载容器外且与电磁气阀的进口连接，电磁气阀的出口与燃料电池电堆连接，气压传感器设置于气体通道内，气体流量计连接于电磁气阀的出口上；所述的电加热器与混动控制器的电能输出端连接实现供电启动，所述的电磁气阀与混动控制器连接实现电磁阀启停控制，所述的温度传感器、气压传感器、气体流量计均与混动控制器的信号输入端连接，混动控制器的信号输出端与无人机的导航飞控系统连接；

所述的电加热器为电加热丝结构；所述的化学储氢物质装载容器为氨硼烷装载容器，氨硼烷的体积占氨硼烷装载容器容积的40-60%；

所述的无人机混合动力控制系统的控制方法，具体包括有如下步骤：

（1）、在启动状态时，储氢反应器处于冷态，燃料电池无法启动，即燃料电池无法通过混动控制器为化学储氢物质装载容器内的电加热器供电，此时锂离子电池通过混动控制器输出电能，为电加热器供电，加热化学储氢物质装载容器内的化学储氢物质，化学储氢物质进行吸热反应开始释放氢气；

（2）、化学储氢物质受热开始释放氢气后，燃料电池电堆开始反应进行供电，燃料电池通过混动控制器，能同时为无人机负载和电加热器供电，还能够为锂离子电池充电；

（3）、当化学储氢物质装载容器内气压高于高位阈值P1时，混动控制器控制电加热器停止加热，随着化学储氢物质吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器内的温度会自动降低，进而使得化学储氢物质装载容器释放氢气的速率减慢甚至停止，此时随着无人机负载的使用，化学储氢物质装载容器内的气压将降低；

（4）、当化学储氢物质装载容器内的气压低于低位阈值P2时，混动控制器控制电加热器开始加热，化学储氢物质吸热继续释放氢气，此时化学储氢物质装载容器内的气压增加；

（5）、化学储氢物质装载容器内的化学储氢物质为定量的，所能释放的氢气即是定量的，因此当化学储氢物质装载容器释放氢气的总流量达到流量阈值Q时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

（6）、化学储氢物质的吸热反应是分阶段的，多个阶段吸热反应需要的温度是逐步升高的，随着化学储氢物质吸热反应的进行，化学储氢物质装载容器内的吸热反应温度也会随之提高，当化学储氢物质装载容器内的温度达到温度阈值T1时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落；

（7）、为了保证化学储氢物质装载容器内剩余化学储氢物质释放的氢气燃烧转化为的电能满足无人机降落的需求，混动控制器设置一个极限低压阈值P3，当化学储氢物质装载容器内的气压低于极限低压阈值P3时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。

2.根据权利要求1所述的一种无人机混合动力控制系统，其特征在于：所述的化学储氢物质为氨硼烷时，温度阈值T1设定为250℃，流量阈值Q由内置氨硼烷的体积决定，极限低压阈值P3由化学储氢物质装载容器的容积决定。

3.根据权利要求1所述的一种无人机混合动力控制系统，其特征在于：所述的步骤（5）-（7）中的流量阈值Q、温度阈值T1和气压阈值P3中任一个设定值达到时，混动控制器发出燃料即将耗尽的告警信息给无人机的导航飞控系统，导航飞控系统控制无人机开始降落。