燃料电池无人机关键技术与混合能量架构

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32679

固体力学与飞行器总体设计

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燃料电池无人机关键技术与混合能量架构

高怡宁¹, 颉文庆¹, 方淳¹, 朱丹丹², 赵冬冬²(), 刘春强³, 朱永峰¹

^1.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089
^2.西北工业大学自动化学院，西安 710129
^3.西安电子科技大学杭州研究院，杭州 311231

收稿日期:2025-08-14 修回日期:2025-08-26 接受日期:2025-11-04 出版日期:2025-11-20 发布日期:2025-11-13
通讯作者: 赵冬冬 E-mail:zhaodong@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52277226);陕西省重点研发计划(2024GX-YBXM-266)

Key technologies of fuel cell unmanned aerial vehicles and hybrid energy architecture

Yining GAO¹, Wenqing XIE¹, Chun FANG¹, Dandan ZHU², Dongdong ZHAO²(), Chunqiang LIU³, Yongfeng ZHU¹

^1.AVIC The First Aircraft Design Institute，Xi’an 710089，China
^2.School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^3.Hangzhou Institute of Technology，Xidian University，Hangzhou 311231，China

Received:2025-08-14 Revised:2025-08-26 Accepted:2025-11-04 Online:2025-11-20 Published:2025-11-13
Contact: Dongdong ZHAO E-mail:zhaodong@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52277226);Key R&D Program of Shaanxi Province(2024GX-YBXM-266)

摘要/Abstract

摘要：

在氢能源长航时无人机领域，氢燃料电池动力系统相较于涡轮发动机动力系统展现出更显著的适用性。深入剖析了燃料电池长航时无人机的发展现状，分析总结了典型大型氢燃料电池无人机的特点与适用场景，对制约氢燃料电池长航时无人机发展的关键技术进行了研究，全面梳理了国内外发展现状。提出了一种以航时最大为优化目标的大型氢能源无人机设计方案，开展了总体布局设计，对比不同动力架构形式并选取氢燃料电池-锂电池混合动力系统结构，开展了动力系统方案设计、电机设计、液氢燃料存储设计及能量管理策略设计，基于有限状态机思想构建了能量管理控制策略，仿真结果显示，在典型定速巡航工况和两种变功率工况下，该策略均能在满足总体功率需求的情况下保证燃料电池始终以最佳功率输出，锂电池在负载需求功率较大时放电，在负载需求功率较小时充电，有效保障了动力系统的可靠性，为大型燃料电池-锂电池混合能源动力系统无人机设计提供参考。

关键词: 氢燃料电池, 无人机, 长航时, 能量管理, 混合动力

Abstract:

In the field of long-endurance hydrogen-powered unmanned aerial vehicles， hydrogen fuel cell power systems demonstrate more significant applicability compared to turbine engine power systems. This paper delves into the current development status of long-endurance fuel cell unmanned aerial vehicles， analyzes and summarizes the characteristics and applicable scenarios of typical large-scale hydrogen fuel cell unmanned aerial vehicles， and studies the key technologies that restrict the development of long-endurance hydrogen fuel cell unmanned aerial vehicles. It comprehensively reviews the domestic and international development status. A design scheme for a large-scale hydrogen energy unmanned aerial vehicles with the maximum flight time as the optimization objective is proposed， and the overall layout design is carried out. Different power architecture forms are compared， and a hydrogen fuel cell-lithium battery hybrid power system structure is selected. The design of power system scheme， electric motor， liquid hydrogen fuel storage， and energy management strategy are carried out. Based on the finite state machine idea， an energy management control strategy is constructed. Simulation results show that under typical constant-speed cruise conditions and two variable-power conditions， this strategy can ensure that the fuel cell always operates at the optimal power output while meeting the overall power demand. The lithium battery discharges when the load demand power is large and charges when the load demand power is small， effectively ensuring the reliability of the power system. This provides a reference for the design of large-scale unmanned aerial vehicles with fuel cell-lithium battery hybrid energy power system.

Key words: hydrogen fuel cell, unmanned aerial vehicles, long endurance, energy management, hybrid power

中图分类号:

V279

高怡宁, 颉文庆, 方淳, 朱丹丹, 赵冬冬, 刘春强, 朱永峰. 燃料电池无人机关键技术与混合能量架构[J]. 航空学报, 2026, 47(11): 232679.

Yining GAO, Wenqing XIE, Chun FANG, Dandan ZHU, Dongdong ZHAO, Chunqiang LIU, Yongfeng ZHU. Key technologies of fuel cell unmanned aerial vehicles and hybrid energy architecture[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(11): 232679.

图/表 41

图 1

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表1

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电机额定负载点相关参数

参数	取值
输出转矩/（N $∙$ m）	69.5
输入功率/kW	84.12
输出功率/kW	80.05
给定转速/（r·min^-1）	11 000
效率/%	95.17

表11

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表13

能量管理策略

SOC状态	$P L$	$P f c_m a x$	状态
SOC≤40%	$P L ≤ P f c_m i n - P b_o p$	0	1
	$P L ≤ P f c_m i n$	$P f c_m i n$	2
	$P f c_m i n < P L ≤ P f c_m a x - P b_o p$	$P L + P b_o p$	3
	$P L > P f c_m a x - P b_o p$	$P f c_m a x$	4
40%<SOC≤80%	$P L ≤ P f c_m i n - P b_o p$	0	5
	$P L ≤ P f c_m i n$	$P f c_m i n$	6
	$P f c_m i n < P L ≤ P f c_o p$	$P L$	7
	$P f c_o p < P L ≤ λ P f c_o p$	$P f c_o p$	8
	$λ P f c_o p < P L ≤ λ P f c_m a x$	$P L / λ$	9
	$P L > λ P f c_m a x$	$P f c_m a x$	10
SOC>80%	$P L ≤ P b_m a x$	0	11
	$P b_m a x < P L ≤ P b_m a x + P f c_m i n$	$P f c_m i n$	12
	$P b_m a x + P f c_m i n < P L ≤ λ P f c_o p$	$P f c_o p$	13
	$λ P f c_o p < P L ≤ λ P f c_m a x$	$P L / λ$	14
	$P L > λ P f c_m a x$	$P f c_m a x$	15

表13

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表15

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图 18

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表16

图 20

图 21

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表17

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

机型	鬼眼^［12］	全球观察者^［10-11］
有效载荷/kg	204	172
燃料	液氢	液氢
起飞质量/kg	4 450	1 990
翼展/m	45.7	53.34
机身长度/m	16.2	21
飞行高度/m	19 800	19 812
最大巡航速度/（km·h^-1）	278	193
航时/h	96	120~168
起降方式	发射车滑轨	自动起降系统
任务系统功率/kW	4	2.8

类型	PEMFC	AFC	PAFC	MCFC	SOFC
催化层	铂	镍	铂	非金属	非金属
氧化剂	氧气	氧气	氧气	氧气	氧气
电解质材料	质子交换膜	碱性溶液	磷酸盐溶液	熔融碳酸盐	固体氧化物
导电离子	氢离子	氢氧根离子	氢离子	碳酸根离子	氧离子
功率/kW	1~100	10~100	100~400	300~3 000	1~2 000
效率/%	35~60	45~60	35~60	45~60	50~60
工作温度/℃	50~100	70~100	150~200	600~700	700~1 000
寿命/（10³ h）	60~80	10	80~130	20	20~90
燃料	纯氢	纯氢	甲醇、汽油	天然气	氢气、天然气
应用领域	交通、运输	军事、航天	分布式发电	分布式发电	分布式发电

原理	策略	特点	实时性	耐久性	经济型
基于规则	状态机	控制效果受工作模式数量影响		一般	一般
	传统模糊	鲁棒性，效率高	一般	一般	一般
	优化模糊	通过调节隶属函数减少经验依赖	一般	好	一般
基于优化	动态规划	全局最优，计算量大		一般	好
	等效氢耗最小	响应速度快	一般		好
	模型预测	实时性好，控制性能高	好		好
	庞特里亚金最小原则	近全局最优	一般	一般	好

指标	永磁同步电机	超导电机
功率密度/（kW·kg^-1）	3~4^［50］	8^［50］
峰值效率/%	94~96^［50］	98~99.5^［50］
冷却需求	无需特殊冷却	需要低温冷却系统^［49］
成本/（$·kW^-1）	50~100	500~2 000

储氢方式	高压气态	低温液态	固态
体积储氢密度/（kg·m^-3）	40.8	70.7	55~114
储氢温度	室温	20 K	室温
优点	技术成熟、充放速率高	储氢密度高	安全性能高
缺点	安全性低	技术工艺复杂，成本高	储氢能力低、成本高

燃料电池无人机关键技术与混合能量架构

Key technologies of fuel cell unmanned aerial vehicles and hybrid energy architecture

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储罐类型	材质	最大内压/ MPa	GI
Ⅰ	金属储罐	<20	<0.01
Ⅱ	纤维复合材料包覆的金属罐	<30	0.02
Ⅲ	带金属衬垫的复合罐	35~70	0.039~0.05
Ⅳ	带有聚合物内衬的复合罐	70	>0.05
Ⅴ	无内衬复合罐	>70	>0.075

动力系统类型	动力/能源单元	燃料电池功率/kW	体积（燃料电池）/L	质量/kg	总质量/kg	响应速度	优点	缺点
纯燃料电池	燃料电池	269	53.8	67.25		慢	质量最轻，控制简单	瞬态响应差
燃料电池-锂电池	燃料电池/ 锂电池/液氢	119	23.8	29.75/ 91/118	238.75	快	瞬态响应好，可靠性高	结构较复杂
燃料电池- 锂电池-太阳能	燃料电池/锂电池/ 液氢/太阳能板	109	21.8	27.25/91/ 108/240	466.25	快	降低氢耗，续航时间长	结构复杂，受天气影响
燃料电池-锂电池-超级电容器	燃料电池/锂电池/ 液氢/超级电容器	119	23.8	29.75/88/ 118/54	289.75	快	瞬态响应最好	结构最复杂，成本最高

核心关键技术	指标	2025年	2030年	2035年
氢燃料电池	功率密度/（kW·kg^-1）	1.5	2	2.5
氢燃料电池	氢电转化效率/%	55	60	65
氢存储系统	氢燃料质量比/%	25	30	35
电机	系统功率密度/ （kW·kg^-1）	3	4	5
储能电池	能量密度/（Wh·kg^-1）	500	700	1 000

参数	数值
直径/m	1.2
筒段长度/m	3.0
额定容积/m³	4.26
罐体总质量/kg	161.3

仿真时间/s	飞行任务阶段	需求功率/kW	电机输出功率/kW	燃料电池输出功率/kW	锂电池输出功率/kW
0~30	起飞	161	150	71	90
30~100	爬升	156	145	71	85
100~200	巡航	71	66	71	0

仿真时间/s	飞行任务阶段	需求功率/kW	电机输出功率/kW	燃料电池输出功率/kW	锂电池输出功率/kW
0~20	①	161	150	71	90
20~60	②	156	145	71	85
60~80	③	71	56	71	-10
80~120	④	156	145	71	85
120~150	⑤	78	73	81	0
150~160	⑥	65	60	81	0
160~200	⑦	65	60	81	0

仿真时间/s	飞行任务阶段	需求功率/kW	电机输出功率/kW	燃料电池输出功率/kW	锂电池输出功率/kW
0~20	①	161	150	71	90
20~60	②	156	145	71	85
60~90	③	71	56	71	-10
90~110	④	156	143	71	83
110~150	⑤	78	71	71	0
150~160	⑥	78~65	63	71	0
160~175	⑦	65	63	78.1	-10
175~190	⑧	154	143	78.1	83
190~200	⑨	58	54	78.1	0

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