无人机动力系统现状与发展趋势

无人机动力系统现状与发展趋势

摘要：目前无人机动力系统已发展为电动、液体燃料动力与油电混合动力等多

种类型，其中电动无人机需要通过电池材料的开发等方式以提升续航时间与安全性，液体燃料动力无人机则需要进一步提升系统的稳定性，油电混合动力无人机

目前仍处于初级试样阶段、需要进一步进行改进优化。

关键词：无人机；电动；液体燃料动力；油电混合动力

随着当今技术和军事需求的不断变化，无人机作为一种新的平台在民用和军

事领域发挥着日益重要的作用。在民用领域，无人机被广泛应用于农业、环境检测、视频拍摄、家庭娱乐等各个领域；在军事领域，无人机则主要用于战场侦察、电子干扰与执行攻击性任务等。由于作用在不同的应用环境中，无人机也分为不

同的种类，比如按飞行方式可分为固定翼无人机、旋翼无人机、扑翼无人机等，

按尺度可分为微型、轻型、小型以及大型无人机，军用无人机按照军事作用可分

为战略无人机与战术无人机。

对于以上的各种无人机种类，无人机的动力系统主要是使用电池和液体燃料

这两种动力来源。其中电池主要包括锂离子电池与太阳能电池。目前锂离子电池

已经大规模应用于各种类型的无人机，比如农业无人机、家用无人机及部分近程

军用无人机；锂离子电池具有能量密度高、超薄化、高安全性和低成本等诸多方

面的优势，能以较低的重量和体积提供较大的动能，因此获得了较广泛的使用。

但是动力锂离子电池也存在相应的弊端，动力锂离子电池的特性是体积越大容量

越大，但相应重量也会增加，为了延长续航时间需要更大容量的电池以提供更充

足的动能，而增大容量，锂电池和无人机的重量又会随之增加，并导致出现续航

时间的瓶颈问题，因为上述原因，经实践验证动力来源只是锂离子电池的无人机

续航时间一般不能超过1h。因此对于无人机用动力锂离子电池，当前一大重要研究方向就是电池材料的轻量化以提高电池的比能量，因而正负极以及隔离膜等材

料的开发是当前的重要研究方向；而参考电动汽车上电池管理系统（BMS）所起

的重要作用，在纯电动无人机上使用性能与功能均比较出色的电池管理系统可以

在有限的电池能量条件下提升电池的利用效率，从而延长纯电动无人机的连续飞

行时间。同时低温环境下放电量迅速变小也是锂电池的一大发展瓶颈，对此需要

提高材料的低温活性；另外，由于无人机的使用环境对于电池来说相对苛刻，同

时为了保证飞行器的持续稳定使用，锂电池等燃料的安全性也是重要的研究方向。

如上所述，通过对锂离子电池正极新材料的开发可以有效提高电池的比能量

以延长锂离子电池无人机的续航时间，结合近些年国内外对于电池正极材料的研究，目前锂离子电池正极材料的研究主要集中在以下3个方面：（1）进行新材

料的开发研究，或者对现有材料的构成、晶体结构等进行重新设计与合成，以发

现具有良好电化学性能的新型正极材料；（2）在材料化学方面，重点聚焦于合

成技术，其目的是对材料晶体结构、取向等材料结构因子进行优化，获得电化学

性能、加工性能和电池性能的最佳匹配；（3）在工程方面，主要是发展可实现

大规模生产、经济的设备与工艺，以达成先进的工程技术，满足实际需求。

在现有常用的正极材料中，钴酸锂LiCoO2压实密度最高，以其为正极材料的

锂电池可以达到最高的电池比能量，但钴资源有限（目前国内许多大型电池厂商

的钴矿单一来源于刚果（金）），需要制成方尽可能地扩展采购渠道；磷酸铁锂LiFePO4相对于钴酸锂资源要更丰富、且稳定与安全性较好，已在电动力领域得

到了广泛地应用，但相比钴酸锂，磷酸铁锂的比能量较低，且该材料具有显著的各向异性，在工程技术方面需要具有高度均匀的合成反应和精确的铁与磷元素比以保证较好的容量与倍率特性；另一类常用的正极材料----三元材料常用的材料种类包括NMC333、NMC532和NMC622等，其中NMC333综合性能最好，充电达到4.5V时也具有较高的比能量，但其钴含量较高，存在资源限制和成本较高的问题，与钴酸锂类似同样需要拓展更宽的采购渠道；相比之下，NMC532则具有更高的性价比，且其具有较高的容量，因而可以作为未来的正极材料发展方向；NMC622也具有较好的综合性能，但其制成工艺要求较高，需要进一步提升制成的工艺水平以提高该材料的单位时间产量。

无人机另一种常用的动力来源为燃油等液体燃料，其运用内燃机组成动力系统。采用燃油为动力的无人机续航时间相比动力锂离子电池无人机更长，一般可以达到1-4h，且加注燃油操作比较方便（相比之下，锂离子动力电池无人机在动力不足的情况下则一般需要更换电池，操作相对繁琐），动力系统能够提供足够的动力，燃油可较长时间持续使用。但是使用燃油的内燃机动力系统在长时间工作的情况下稳定性容易迅速下降，易出现供油不足甚至油泵损坏，而维护和修理发动机需要很强的专业能力，一般人员很难对于发动机出现的问题予以及时有效的处理，如果发生炸机的情况，修复的时间与经济成本均会很高。因此油动力无人机动力系统（尤其是油泵等关键器件）稳定性的提升是当前的一大课题。

而除了对于锂电池综合性能（比能量、低温性能等）进行提升和提高油动力无人机的稳定性以外，经近年的一些研究可以证实通过油电混合的方式也可较大的延长无人机的续航时间。在民用领域已有国内的大学等科研机构针对农用的旋翼无人机进行了动力系统的创新，通过试验表明，油电混合动力的多旋翼植保无人机的续航时间相对于纯电动和油动力的旋翼无人机均有提升（续航时间可比电动力无人机及油动力无人机长约30~40min/L）；同时国内的部分科研机构还提出了固定翼与多旋翼相结合的商用混合动力无人机，经研究其也具有更长的续航时间。在军事领域，对于适用于多种复杂地形的油电混合动力倾转旋翼无人机，美国航天局与波音公司联合开发了具备24小时飞行能力的样机，其他国外的军事机构比如DARPA也在进行这方面的样机验证工作；而对于固定翼的混合动力无人机美国科罗拉多大学等机构已在进行研究与试样。

综上所述，无人机动力源未来的发展方向有以下几点：

一、对于以锂电池为动力源的无人机，主要的工作包括：进行正负极与隔离膜材料的开发以提升锂电池的比能量；引用BMS技术以提升锂电池的利用效率；提升锂电池的低温活性，以增强锂电池在低温环境下的放电性能；提升锂电池的稳定性以保证锂电池在无人机飞行的各个阶段保持安全稳定；

二、对于以燃油为动力源的无人机，主要的工作是提升燃油动力系统的稳定性，减少油泵损坏等情况的出现；

三、发展油电混合动力无人机，油电混合动力无人机可以有效弥补单一动力无人机存在的不足以提升无人机的续航能力，目前国内外对于这种无人机的研究还处于初级阶段，需要继续进行试样与改进优化（比如优化油电混合动力系统的结构分布），以更好地发挥燃油与锂电池的各自优势并提升无人机的动力性能。

参考文献

[1] Bondyra A, Gardecki S, GaSior P, et al. Performance of Coaxial Propulsion in Design