[0001] 本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其涉及一种氢锂混合动力无人机及其控制系统和控制方法。

[0002] 无人驾驶飞机，简称无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)，是一种处在迅速发展中的新概念飞行器，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低的优点。无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前，无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、救援、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻和治安反恐等领域应用甚广。

[0003] 现有无人机普遍存在一个短板问题，即续航时间短。普通的民用小型无人机在持续飞行的情况下普遍不超过45分钟。民用小型无人机小巧的体型限制了其本身重量不能过大，因此电池体积始终存在限制，若是增大电池容积，则耗能也会相对应的增加。

[0004] 氢能是清洁能源重要组成体系之一，其最安全高效的使用方式便是通过燃料电池转换为电能。其原理为氢气与氧气(或空气)发生电化学反应生成水并释放出电能和热能。燃料电池内的能量转化为电能，氢能的理论利用率最高可达80％。因此，在同样的重量下，燃料电池的能量贮存和转换效率都要远高于传统内燃机和锂电池，采用燃料电池作为动力源来取代传统电池是完全可行的。

[0005] 采用氢燃料电池虽然满足了无人机长航时的需求，但是，由于氢燃料在进行供电充能时需要一定的启动时间才能达到正常工作的电压，因此无法满足无人机快速启动的需求，影响其在无人机上的应用。现有技术中采用锂电池单独来满足无人机的启动功率需求，飞行过程中锂电池和氢燃料电池均处于供电量的动态变化，因此需要合理分配和利用锂电池和氢燃料电池的供电量，以提高氢锂混合动力无人机的能量利用效率。

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

[0041] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0042] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0043] 在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

[0044] 本发明实施例提供一种氢锂混合动力无人机的控制系统，用于氢锂混合动力无人机。氢锂混合动力无人机包括氢燃料电池2和锂电池3，氢燃料电池2由储氢瓶6提供氢气原料，储氢瓶6和氢燃料电池2之间通过氢气管路连接，氢气管路上设有电磁减压阀用于监测氢气压力和控制氢气流量。本发明提供的氢锂混合动力无人机的控制系统如图1所示，包括电源控制模块、温控模块、控气模块、排气模块和控制单元，控制单元分别通讯连接电源控制模块、温控模块、控气模块和排气模块。其中，电源控制模块用于采集氢燃料电池2和锂电池3的供电量并控制和分配氢燃料电池2和锂电池3的供电量以驱动无人机启动和飞行；温控模块用于采集氢燃料电池2的实时温度并根据实时温度启动或关闭散热风扇4，散热风扇4设有氢燃料电池2的排气口并用于对氢燃料电池2进行散热降温；控气模块用于检测储氢瓶6内的氢气压力和控制氢气流量，可以理解，控气模块通过通讯连接电磁减压阀实现氢气压力信息采集和氢气流量控制。排气模块包括设于氢燃料电池2的排气口的排气阀，排气阀用于控制氢燃料电池2的排气；控制单元用于控制无人机的启动状态和飞行状态以及根据启动状态和飞行状态控制电源控制模块的供电量分配，控制单元通过温控模块、控气模块和排气模块对氢燃料电池2和锂电池3进行监测和控制。

[0045] 本发明提供的氢锂混合动力无人机的控制系统，根据模块化的设计方法，将控制系统划分为控制单元和分别通讯连接于控制单元的电源控制模块、温控模块、控气模块和排气模块，进而实现对无人机的启动和飞行控制，提高飞行效率；电源控制模块能够控制和分配氢燃料电池2和锂电池3的供电量，根据控制单元提供的无人机的启动驱动和飞行驱动的不同功率需求，电源控制模块对氢燃料电池2和锂电池3的供电量进行分配控制，满足无人机的启动功率需求和飞行功率需求，利于优化利用氢燃料电池2和锂电池3的供电量，提高供电效率和弥补氢燃料电池2启动时间长的不足，进而扩大了氢燃料电池2在无人机上的应用范围。

[0046] 需要解释说明的是，控气模块通过电连接电磁减压阀，用以控制电磁减压阀的阀门开度，以防止氢气流量太大导致氢燃料电池2损坏或氢气流量过小导致氢燃料电池2工作效率过低。在一些实施例中，氢气管上也可以通过设置流量计来检测氢气耗量或设置压力表检测储氢瓶6内的氢气压力来控制氢气流量。

[0047] 在一些实施例中，氢锂混合动力无人机的控制系统还包括DC‑DC转换器，DC‑DC转换器的输入端连接氢燃料电池2和锂电池3的供电输出端，DC‑DC转换器用于将氢燃料电池2的供电量和/或锂电池3的供电量转换为输出电量后发送给动力系统以驱动无人机启动或飞行，氢燃料电池2通过DC‑DC转换器能够为锂电池3充电。

[0048] 其中，动力系统包括电子调速器和电机，用于驱动无人机。

[0049] 在一些实施例中，电源控制模块的工作过程为：

[0050] 首先采集锂电池3的供电量，并判断锂电池3的供电量是否满足无人机的启动功率需求，若不满足则进行锂电池3充电或者更换锂电池3，直到满足启动功率需求后，由锂电池3向无人机供电以进行启动，并启动氢燃料电池2；

[0051] 无人机飞行过程中，电源控制模块实时采集氢燃料电池2的供电量和锂电池3的供电量，如果氢燃料电池2的供电量小于无人机稳定运行的所需功率则增加氢燃料电池2的供电量，若不增加或增加后还是小于无人机稳定运行的所需功率则启动氢燃料电池2和锂电池3混合供电；如果氢燃料电池2的供电量大于无人机稳定运行的所需功率则由氢燃料电池2单独供电，同时氢燃料电池2能够对锂电池3充电，如果锂电池3的供电量低于预警电量值则发出预警并提示返航。

[0052] 通过将氢燃料电池2的输出端连接锂电池3的输入端，使得氢燃料电池2所产生的电能在保证无人机正常工作的同时还可以将多余的电能存入锂电池3中，避免电能的浪费和保证锂电池3处于健康状态以应对紧急情况发生。

[0053] 在一些实施例中，温控模块的工作过程为：

[0054] 如图2，采集氢燃料电池2的实时温度，当实时温度大于第一设定温度时启动散热风扇4对氢燃料电池2进行散热降温，当实时温度低于第二设定温度时关闭散热风扇4，第一设定温度大于第二设定温度。

[0055] 其中，第一设定温度为80℃，第二设定温度为60℃，对于氢燃料电池2，膜电极的催化反应速率受到温度、湿度等影响，温度高则催化反应速率增加(50℃‑60℃最为适宜)，但是温度过高容易造成膜电极中质子交换膜的水分蒸发导致燃料电池催化反应速率的降低，因此，设置控温模块对氢燃料电池2进行散热降温控制，利于提高氢燃料电池2的工作效率。

[0056] 在一些实施例中，排气模块通过控制单元设定排气时间T，氢燃料电池2每间隔一个排气时间T则排气一次；或氢燃料电池2的性能(如转化功率)每下降Q则排气一次。

[0057] 氢燃料电池2在运行的过程中，由排气模块控制氢燃料电池2的定时排气，此时设置排气时间T一般为13s，若达到排气时间13s则控制氢燃料电池2的排气口处的电磁排气阀进行一次排气，同时排气模块重新开始计时，准备下一次排气。

[0058] 在一些实施例中，当氢燃料电池2连接负载工作时，则通过氢燃料电池2的性能来决定排气时间T，氢燃料电池2的性能每下降1％‑2％则排气一次，若达到排气时间T后还未出现性能下降，则根据排气时间T排气一次，T≤60s。此处排气时间T为强制排气时间，一般大于定时排气的排气时间，但是也不高于60s,即氢燃料电池2的性能若在13s‑60s周期内没有下降，则氢燃料电池2强制排气一次，这样有利于可以活化膜电极使膜电极的效率更高。

[0059] 本发明还提供一种氢锂混合动力无人机的控制方法，根据上述任一实施例提供的氢锂混合动力无人机的控制系统，氢锂混合动力无人机的控制方法包括如下步骤：

[0060] S1，电源控制模块采集氢燃料电池2和锂电池3的供电量并反馈给控制单元，控制单元根据无人机启动和飞行的所需功率，判断氢燃料电池2和锂电池3的供电量是否满足无人机的启动和飞行的所需功率；在确保满足后，控制单元向电源控制模块发出启动或飞行的供电量分配指令；

[0061] 其中，无人机启动和飞行时的所需功率，可以通过无人机飞控系统计算后发送给控制单元。如图3，启动前，电源控制模块首先判断锂电池3供电量是否满足无人机的启动功率需求，若不满足，则需要先对锂电池3进行充电或更换锂电池3。若满足，则转S2。

[0062] S2，电源控制模块启动锂电池3以驱动无人机启动，并同时启动氢燃料电池2开始工作。如此，实现了无人机通过锂电池3快速启动，解决了单独采用氢燃料电池2供电存在的启动时间长的问题。

[0063] S3，无人机启动后，控制单元通过电源控制模块实时采集氢燃料电池2的供电量和锂电池3的供电量、通过温控模块采集氢燃料电池2的实时温度和通过控气模块采集储氢瓶6内的氢气压力，通过排气模块控制氢燃料电池2的排气，确保无人机稳定飞行。

[0064] 本发明提供的氢锂混合动力无人机的控制方法，实现了对无人机启动状态和飞行状态的供电量分配控制，进而通过锂电池3弥补了氢燃料电池2在低温环境下启动时间长的问题，实现了对无人机上氢燃料电池2的实时温度、储氢瓶6内氢气压力和氢燃料电池2排气时间的监测和控制，利于提高无人机的飞行效率。

[0065] 在一些实施例中，步骤S3中，无人机启动后，控制单元根据温控模块采集氢燃料电池2的实时温度，当氢燃料电池2的实时温度大于第一设定温度时启动散热风扇4对氢燃料电池2进行散热降温，当实时温度低于第二设定温度时关闭散热风扇4，第一设定温度大于第二设定温度；通常地，第一设定温度为80℃，第二设定温度为60℃，氢燃料电池2的适宜工作环境温度为第一设定温度和第二设定温度之间，温度过高需要散热降温，温度过低需要自循环加热升温。无人机飞行过程中，温控模块可以实现对氢燃料电池2的实时温度的实时采集和监控，确保氢燃料电池2的稳定工作。

[0066] 其中，控制单元根据电源控制模块实时采集氢燃料电池2的供电量和锂电池3的供电量，根据控气模块采集储氢瓶6内的氢气压力；结合图3，如果氢燃料电池2的供电量小于无人机飞行的所需功率则增加氢燃料电池2的供电量，若不增加或增加供电量后还是小于无人机飞行的所需功率则启动氢燃料电池2和锂电池3混合供电；如果增加后氢燃料电池2的供电量大于无人机飞行的所需功率则由氢燃料电池2单独供电，同时氢燃料电池2能够对锂电池3充电；如果锂电池3的供电量低于预警电量值或氢气压力低于最低压力值，则发出预警并提示返航。

[0067] 在无人机飞行过程中，飞行状态不断发生变化，所需功率也不断发生变化。控制单元能够根据无人机的飞行状态，向电源控制模块发送供电分配指令。其中，飞行状态包括起飞状态、巡航或平稳飞行状态、加速状态和恶劣环境状态等，巡航或者平稳飞行时，由氢燃料电池2单独供电并检测锂电池3状态，当锂电池3电量低于85％时自动为锂电池3充电；加速状态则增加氢燃料电池2的供电量即功率或采用氢燃料电池2和锂电池3混合供电，恶劣环境则需注意检测电池性能，当锂电池3电量低于20％或储氢瓶6内氢气存储量低于20％(压力百分比)时则发出预警并提示返航。

[0068] 本发明还提供一种氢锂混合动力无人机，包括氢燃料电池2、锂电池3和上述任一实施例提供的氢锂混合动力无人机的控制系统。

[0069] 本发明提供的氢锂混合动力无人机，通过氢锂混合动力无人机的控制系统对无人机进行启动状态和飞行状态中的氢燃料电池2和锂电池3进行监测和控制，解决了氢燃料电池2在无人机上的应用限制问题，通过锂电池3进行启动驱动，解决了氢燃料电池2的启动时间长影响无人机快速启动的问题。

[0070] 在一些实施例中，氢燃料电池2、锂电池3和氢锂混合动力无人机的控制系统沿氢锂混合动力无人机的机身1长度方向依次布置，氢燃料电池2和锂电池3通过固定支架固定在机身1内部的顶部并与底板11之间具有散热空间，散热空间内设有散热风扇4，底板11上设有散热孔。

[0071] 如图4所示，无人机的机身1内部的顶部设置锂电池3、氢燃料电池2和储氢瓶6，氢燃料电池2与机身1的底板11之间具有散热空间便于散热，散热风扇4启动后能够将氢燃料电池2的排气口的高温排气通过散热孔迅速排出。无人机的机身1上设有通风口，无人机在飞行过程中，空气会因为压强的作用通过通风口进入氢燃料电池2的空气入口并满足氢燃料电池2对氧气的需求。优选地，通风口的出风侧即机身1内侧设置格栅和防尘网。

[0072] 本实施例中，无人机还包括起落架5，起落架5铰接在无人机机身1上，起落架5包括一体结构的横向设置的支撑杆52和竖向设置的连杆51，连杆51与无人机的机身1底部铰接，连杆51设置为伸缩杆，伸缩杆的伸缩活动部位采用套管压紧固定的方式，横杆的上套设有橡胶保护垫，起落架5整体可以采用碳钎维材料减轻重量。

[0073] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。