美军解决小型无人机电源问题的神来之笔-【浩博电池】

随着无人机技术的发展，无人机逐渐成为一种兼备攻击、防御甚至后勤性质的军事装备，并被各国指挥官广泛使用。但目前对小型无人机来说，飞行时间成为了实战运用中的最大掣肘。大多数单兵便携式无人机一次充电仅能运行30分钟，无法长时间执行军事任务。为此，美国陆军对该问题的答案却十分简单——为无人机配“移动电源”。

据美国陆军时报报道，近日，美国陆军研究实验室 (ARL)的一项重点项目取得了进展。美军研究人员希望由一辆无人驾驶的地面车辆为无人机充当“移动电源”。

美军士兵调试一架悬停式无人机

据ARL“通用战术动力和推进项目”负责人麦克·奎恩（Mike Kweon）称，美国陆军也许在未来会部署成百上千的无人机系统，如果同时派出大量无人机，那么这些机器回程后充电问题将成为一大考验。目前该团队试图为无人机返航充电专门设计一种算法，以便美军无人机能通过最佳路径返航，从而节约电力。

据报道，目前美军无人机充电方式仍较为原始，由士兵人工接线，并通过充电线补充电力。而ARL希望减轻美军士兵繁琐的工作，像许多智能手机一样，使无人机能够通过无线充电自行补充电力。

奎恩表示，这种无线充电方式存在一定技术难度，因为这对无人机着陆的位置与方向有精确要求，研究人员计划在未来一到两年内实现平台充电。

美国陆军研究实验室 (ARL)

报道指出，这种“移动电源”除了具有无线充电功能外，还将拥有大功率输出的能力。目前，美军现役的“乌鸦”无人机一次完整充电目前需要两小时，这给战斗轮换带来了许多困难。奎恩表示，研究人员“需要在6分钟内实现这一目标”。ARL中部地区负责人表示现有研究似乎遇到了困难，目前正在寻找提高充电速度的新思路。

编者分析

这种“移动电源”极有两种可能，

一种可能是Intelligent Energy公司早前推出的输出功率高达1.6千瓦的电源通路模块(PPM)，能让无人机的燃料电池动力单元(FCPM)的功率提升一倍。这种模块是“即插即用”式，能够连接两个650瓦的FCPM单元，或两个800瓦的FCPM单元，使无人机的飞行时间显著长于传统电池驱动的无人机。该设备的设计符合欧盟的CE认证和美国的FCC认证。

另一种可能是Analytic系统公司早先为美军RQ-7影子无人机提供的电源系统升级改进版。早在2013年，Analytic系统公司就与与AAI工程团队联合工作，改进LIAC600陆军/海军陆战队交流锂离子电池充电器、LIDC600陆军直流锂离子电池充电器和PWS1510MS坚固供电系统，作为一套完整电源系统支持AAI下一代通用地面控制站。Analytic系统公司采用从Aegis软件公司购买的业务制造软件，通过简化并控制流程规划和启动、过程跟踪与控制、质量和测试管理，来提高效率和质量。该软件提高了生产重要产品如无人机电源系统的可靠性、灵活性和可追溯性。

相关资料

国外无人机电源现状

国外无人机电源基本上以混合体系居多，比如太阳能+锂离子电池或锂硫电池或燃料电池、发动机+蓄电池等，而小无人机则以单独锂离子电池或燃料电池居多。RQ-7B、全球侦察者、MFX-2等先进无人机均尝试用高性能锂离子电池。RQ-11采用电推进，可充电锂离子电池作为其动力能源。全球观察者采用液氢燃料电池驱动，飞行高度19.5km，留空时间7～10天。

图：RQ-11电推进无人机

图：全球观察者电推进无人机

X-37B中的启动电源采用Yardney公司生产的锂离子蓄电池组，舵机电源采用规格为150V/12Ah的模块，舵机电源由42只功率型锂离子蓄电池串联组成，电池体系为多元正极-石墨体系，电压平台为3.6V，比能量为102Wh/kg，电池具有较好的倍率性能，在1C的倍率下电池容量大于12Ah，电池组可持续5C放电。由于要实现长期在轨运行，X-37B采用了航天电源系统应用成熟的太阳电池阵与蓄电池组联合供电体制，在轨运行期间，太阳电池阵发出的电能经功率控制与分配单元处理后，合理分配给飞行器平台载荷供电以及光照期蓄电池组充电，其电源系统采用双母线结构:平台28V低压母线用于给飞行器常规载荷供电;150V高压母线则用于飞行器返回时给舵机供电。

平台低压母线采用了比能量为142Wh/kg的28V/43Ah高比能锂离子蓄电池组;舵机电源采用102Wh/kg的150V/12Ah高比功率锂离子电池组。美国X-37B中的平台储能电池也采用Yardney公司生产的锂离子蓄电池组，主电源为28V/43Ah电池组。主电源由8个方形单体电池串联组合得到。电池体系为镍钴-石墨体系，电压平台为3.6V，比能量为142Wh/kg，电池具有较好的倍率性能，在1C的倍率下电池容量大于43Ah。无人轰炸机F-35系列已于2009—2010年间完成试飞，采用锂离子电池作为启动电源，该电池由法国Saft公司提供，容量为6Ah，额定电压270V，该电池具有良好的低温大功率性能，－40℃下可进行20C脉冲启动。

表：国外典型无人机电源技术参数

鉴于不同电池体系技术成熟度不同，目前国外无人机中使用的蓄电池主要以比能量大于200Wh/kg的18650电池为主，相关技术参数如下表所示。美军无人机执行任务持续时间发展包线为以小时计算(2009年）、以天计算至以月计算(2015年）、以年计算(2034年），足见有限质量体积下增大蓄电池容量，延长续航时间是无人机电源重要方向。

全球无人机电源发展趋势

美国防部发布的《无人系统一体化路线图》提出无人机更智能、更致命的武器发展目标。俄罗斯国防部组建统一的国家无人机中心，重点发展能实施打击的中远程无人机。中国军方组建专业化的无人机部队（解放军攻击型无人机精准实弹打击），最引人注目的是攻击-11“利剑”隐形超音速无人机和无侦-8高速临近空间侦察无人机，英国研制的塔拉尼斯隐形无人机和法国神经元无人机部署（法国绝密隐形无人机伴飞阵风与猎鹰），美军认为无人系统尤其适合执行长航时、有放射性侵害以及危险的任务，足见无人机工作环境更加苛刻。如美军无人机速度发展包线为亚声速、跨声速、超声速/高超声速（此型号中国已进入研发阶段，详见：号外！沈飞全新隐形双体无人机曝光）;机动性发展包线为1g、9g、40g。

图：无人机任务需求背景

锂离子电池在民用、航天领域应用已经比较广图7不同体系电源发展趋势图8电源自身发展趋势泛，而在航空领域应用还有待进一步验证。锂离子电池以其优越的特性，在航空领域大规模应用为时不远。为全面提高无人机机动性和战场生存能力，扩大活动范围，无人机也将向着小型化、微型化和高空长航时等方向发展，为适应无人机的工作环境需求，无人机用锂离子蓄电池必须发展以下几项关键技术:

1）高比能量技术。松下公司推出镍系18650电池容量4Ah，比能量约为250Wh/kg。无人机部分系统要求锂离子蓄电池比能量达到230Wh/kg以上;

2）宽温度范围大功率技术。无人机按业务种类不同，其航行高度从几千米至几万米不等，小型无人侦察机或民用无人机飞行高度为3～6km不等，而新型的无人战斗机或者轰炸机飞行高度均在10km以上，由于大气层温度以每1km海拔0.6℃的梯度降低，在10km高空，空气温度降至－40℃;除了在高空中的发动机重启，极寒地区的地面温度达到－50～－40℃，也对锂离子电池低温性能提出严峻考验。无人机启动电源瞬时启动功率在10C以上，甚至达到20C、30C;

3）电源管理技术。无人战斗机、无人轰炸机等是我国未来军队发展的重要方向，由于需要携带大量武器弹药，启飞质量大、功率高，无法单纯提高电池脉冲电流来满足这一要求，因此高电压锂离子蓄电池组研制也如火如荼地进行。地面高压锂离子蓄电池组通常用于储能电站等，用于航空领域正处于起步阶段。

美国F-35无人轰炸机正是采用的270V高电压锂离子蓄电池组，由84个单体电池串联组成。启动电源将发动机启动后，发动机带动发电机运转，发电机与蓄电池组并网，对蓄电池组充电，这就对锂离子电池的防过充保护和充电均衡提出了较高的要求。与地面电源管理不同，无人机空间体积有限，电源控制系统尽可能轻量化、小型化，因此，小型化的电源管理技术是未来发展的一大趋势。

此外，单体电池高一致性技术也是电源管理的重点方向。Tesla电动跑车之所以能将8000多只18650电池串并联后以信息化技术管理，得益于其单体电池的高一致性，可将每个电池作为相同的个体进行管理，有效提高了电源管理效率;

4）高安全可靠性技术。锂离子蓄电池安全可靠性技术一直是众人关注的焦点，由于无人机在空中飞行时不具有可维修性，电池一旦出现故障，就会造成不可挽回的后果。因此，无人机电源安全可靠性技术成为最关键的问题之一。

针对无人机用锂离子电池高比能量、大功率脉冲等工作特点，安全可靠性必须得到高度重视。