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

Abstract

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

CLC Number:

V279

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.

Figures/Tables 41

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Fig.2

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Table 2

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Table 4

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Table 8

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Parameters related to rated load point of motor

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

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Energy management strategy

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

Table 13

Table 14

Table 15

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Table 16

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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

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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