燃料电池供电无人机执行长距离人道主义及商

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斗山集团应用几种创新技术与方法，构建了一款氢燃料电池无人机，实现真正改变扩展无人机使用范围的进程。一种新型商用远程无人机使用氢燃料电池提供能源，为距离一小时航程的偏远地区灾民提供人道主义救援。这款8个电机驱动的DS30无人机由斗山摩拜创新（DMI）制造，2.6kW的燃料电池同样由DMI制造。DS30的飞行速度高达80公里/小时。轻载时，补充一次燃料可飞行达两个小时。即使携带5公斤的设备、医疗用品或其它重要物资，它们也在飞行半径和续航时间方面展现出了极高的性能，这不仅帮助它们完成了在美国维尔京群岛之间运送口罩和急救物资的任务，而且还帮助它们完成了向韩国济州岛最高山汉拿山山顶（英尺）运送医疗AED的任务（图1）。图1.DMI无人机进行了长时间的水上飞行，在维尔京群岛之间运送紧急医疗物资。氢燃料电池组可实现超过2个小时的无人机飞行时间，因而实现了这一应用；其飞行时间比大多数电池供电无人机长4倍。DMI的远程无人机自近期推出以来，已发现其它几项商业应用，如监控大型太阳能发电厂，其中包括位于韩国HaenamSolasido的韩国最大太阳能发电厂（图2）。DMI的无人机能量密度比市场上现有的电池所提供的能量密度高4到5倍，因此可在不补充燃料的情况下完成检查任务。相比之下，普通电池供电无人机则需要更换6次以上电池才能完成该任务。图2.DMI无人机以极高的效率和速度实现对太阳能面板的检查。使用配备通用摄像头和热成像摄像头的氢燃料电池无人机，只进行了两次自动网格飞行，就获得了一座约20MW发电厂的发电厂图像。如果使用普通电池供电无人机来执行这一任务，则需要更换六次以上的电池。我们将看到，让无人机完成这些壮举的工程几乎和它们拯救的生命一样，让人印象深刻。

从月球到地球：为飞行优化燃料电池

氢燃料电池早在20世纪60年代就已出现，用于为阿波罗登月任务中使用的航天器提供动力。从那时起，各种类型的陶瓷、膜基及其它燃料电池技术已开始在固定发电系统中寻找商业应用，以及在汽车电源中有限的应用。但直到最近，这些系统的重量和成本对于航空应用仍然是个问题。虽然压缩氢本身的能量密度（Wh/kg）远远大于目前任何锂基电池的能量密度，但产生动力所需的燃料电池的重量则使得实现氢动力航空变得困难重重（图3）。然而，由于DMI多年来一直在开发和制造固定燃料电池以及为其供电的电子材料，他们觉得可以利用自己的经验来“扭转局势”，支持氢燃料。图3.能量密度比较：氢燃料电池与锂电池

模块化氢能电源

DMI设计团队认识到，为移动设备打造低成本的氢燃料电池需要多项创新技术支撑。由于增加的重量和体积会直接影响无人机的性能，设计团队集中力量开发一款能最大限度提供高能量密度的、非常紧凑的电池堆栈。双极板占堆栈重量的比例最大，DMI使用一种专有超薄金属沉积工艺来制造电池的双极板，节省了部分空间。此外，该轻量级燃料电池还采用膜电极组件（MEA），可实现更轻的重量、高能量输出和长时间续航。电池组的工作由一款紧凑型控制器模块管理，不仅可自动执行堆栈启动/关闭序列，而且还可自动执行管理、监控和保护功能。此外，它还可控制一对散热风扇，有助于在更宽范围的工作条件下保持其工作温度稳定。在启动过程中，控制器会执行几个过程，包括“净化”（可清除任何可能破坏薄膜的杂质），然后逐渐引入氢气，缓慢启动电池，达到工作温度。在该序列中，电池组后面的LED显示屏会让用户了解电池的进程（图4）。控制器执行类似的序列，以确保安全关闭。图4.燃料电池管理面板的状态显示有助于操作人员监控堆栈的启动和关闭序列、运行状态以及可能出现的任何故障。此外，DPI的电池组还包括一个可拆卸的、经过安全认证的10.8升高压（巴）储氢罐，可存储高达克的氢，提供的能量密度比现有电池高3到4倍。在补充燃料的过程中，1分钟内即可完成碳复合材料强化罐的拆卸与更换。DP30电池组整体设计的另一个关键元素是系统的供电网络（PDN），为支持推进及燃料电池管理系统，该网络可将燃料电池的高度可变输出电压（40至74V）转换为严格稳压电压。PDN由两个独立的功率级组成。第一个功率级可将高达12A的48V电源提供给无人机的旋翼电机，而另一个功率级则可将高达8A的12V电源提供给堆栈控制器电路板及其散热风扇。为了实现PDN子系统所需的高效率及高能量密度，DMI选择了预稳压器模块（PRM）、升降压稳压器和零电压开关（ZVS）降压稳压器，这两种稳压器均来自Vicor。如图5所示，PRM在提供严格稳压的48V输出同时，可接受整个燃料电池堆栈工作范围内的所有输入电压及其高达74V的开路电压（OCV）。图5.DM-30电源模块集成一个燃料电池堆栈、一个可拆卸的燃料罐、各种电池管理电子器件和功率调节电子器件。在PDN旋翼侧分支中，并行配置两个PRM升降压稳压器（PRM48AFTA00），以提供旋翼所需的12A电流（图6）。为燃料电池控制器电路板12V主母线供电的PDN分支采用一款低功耗PRM（PRM48AHTA00），然后连接一款ZVS降压稳压器（PI-00-LGIZ）。图6.为了实现PDN子系统所需的高效率及高能量密度，使用了VicorPRM升降压稳压器和一款ZVS降压稳压器。PRM在提供严格稳压的48V输出的同时，可接受整个燃料电池堆栈工作范围内的所有输入电压以及其高达74V的开路电压（OCV）。此外，电池组还可配备混合动力电池，在起飞和降落时提供额外的电源，并在燃料电池出现故障时作为备用电源系统。如果堆栈的电流突降，转换器可将其输出保持在安全范围内，并通过使用混合动力电池补充堆栈的输出来防止损坏。在堆栈全面发生故障时，该电池可使用长达3分钟的工作电源实现紧急着陆。

扩展电源的持续性

为了取得现已投入量产的DP.6kW电池组的成功，DMI计划通过其它几个单元扩展其产品线，以便为更广泛的应用提供服务。该系列将在计划明年发布的1.5kW氢燃料电池组基础上扩展至能够产生10kW电源的电池组。此外，DMI还打算进一步扩大其产品线，推出一系列无人机，每一款产品都可轻松与其中一款全新电池组整合。

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