本發(fā)明涉及無人飛行器，尤其涉及一種氫鋰混動無人機的電池管理方法和系統(tǒng)。

背景技術：

1、無人駕駛飛機，簡稱無人機(uav，unmanned?aerial?vehicle)，是一種處在迅速發(fā)展中的新概念飛行器，其具有機動靈活、反應快速、無人飛行、操作要求低的優(yōu)點。無人機通過搭載多類傳感器，可以實現(xiàn)影像實時傳輸、高危地區(qū)探測功能，是衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空遙感的有力補充。目前，無人機的使用范圍已經(jīng)擴寬到軍事、科研、民用三大領域，具體在通信、氣象、農(nóng)業(yè)、海洋、勘探、攝影、救援、防災減災、農(nóng)作物估產(chǎn)、緝毒緝私、邊境巡邏和治安反恐等領域應用甚廣。

2、現(xiàn)有無人機普遍存在一個短板問題，即續(xù)航時間短。普通的民用小型無人機在持續(xù)飛行的情況下普遍不超過45分鐘。民用小型無人機小巧的體型限制了其本身重量不能過大，因此電池體積始終存在限制，若是增大電池容積，則耗能也會相對應的增加。

3、氫能是清潔能源重要組成體系之一，其最安全高效的使用方式便是通過氫燃料電池轉(zhuǎn)換為電能。其原理為氫氣與氧氣(或空氣)發(fā)生電化學反應生成水并釋放出電能和熱能。氫燃料電池內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化為電能，氫能的理論利用率最高可達80％。因此，在同樣的重量下，氫燃料電池的能量貯存和轉(zhuǎn)換效率都要遠高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機和鋰電池，采用氫燃料電池作為動力源來取代傳統(tǒng)電池是完全可行的。

4、采用氫燃料電池雖然滿足了無人機長航時的需求，但是，由于氫燃料在進行供電充能時需要一定的啟動時間才能達到正常工作的電壓，因此無法滿足無人機快速啟動的需求，影響其在無人機上的應用?，F(xiàn)有技術中采用鋰電池單獨來滿足無人機的啟動功率需求，飛行過程中鋰電池和氫燃料電池均處于供電量的動態(tài)變化，因此需要合理分配和利用鋰電池和氫燃料電池的供電量，以提高氫鋰混動無人機的能量利用效率。同時，由于氫燃料電池對環(huán)境溫度要求高，質(zhì)子交換膜對溫濕度的要求都很高，因此如何提高空冷型氫燃料電池環(huán)境適應能力，是目前亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種氫鋰混動無人機的電池管理方法和系統(tǒng)，以解決無人機快速啟動及飛行過程對能量的不同需求問題，解決電池的能量管理和熱管理問題，提高空冷型氫燃料電池環(huán)境適應能力，提高氫燃料電池的工作效率。

2、為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、本發(fā)明提供一種氫鋰混動無人機的電池管理方法，氫鋰混動無人機上設有鋰電池和氫燃料電池；所述氫鋰混動無人機的電池管理方法包括如下步驟：

4、采集所述鋰電池的第一電量，確保無人機的起動功率需求；

5、采集儲氫瓶的氫氣壓力，確保所述氫燃料電池的啟動需求；

6、所述氫燃料電池啟動后，實時采集所述氫燃料電池的第二電量，根據(jù)所述無人機的實時功率需求對所述鋰電池和所述氫燃料電池進行能量管理控制；

7、實時采集所述氫燃料電池的環(huán)境溫度，對所述氫燃料電池外部環(huán)境溫度進行熱管理控制；

8、實時采集所述氫燃料電池的堆芯溫濕度，對所述氫燃料電池的進氣側進行進氣溫濕度控制；控制所述氫燃料電池的排氣并對所述排氣進行熱管理控制。

9、在一些實施例中，對所述鋰電池和所述氫燃料電池進行能量管理控制，具體為：如果所述氫燃料電池的第二電量小于所述無人機飛行的所需功率則增加所述氫燃料電池的供電量或啟動所述鋰電池以進行混合供電；若增加所述氫燃料電池的供電量后，所述氫燃料電池的第二電量還是小于所述無人機飛行的所需功率則啟動所述鋰電池以進行混合供電；如果所述氫燃料電池的第二電量大于所述無人機飛行的所需功率則由所述氫燃料電池單獨供電。

10、在一些實施例中，對所述氫燃料電池的外部環(huán)境溫度進行熱管理控制，具體為：

11、在所述機身上設置第一空氣流道和第二空氣流道，當環(huán)境溫度大于第一設定溫度時，所述第一空氣流道和所述第二空氣流道同時開啟以增加外界空氣與所述氫燃料電池的接觸面積進行散熱降溫；當所述環(huán)境溫度低于第二設定溫度時，所述氫燃料電池通過所述第一空氣流道與外界空氣接觸以得到空氣供給和進行散熱，所述第二空氣流道為關閉狀態(tài)，所述第一設定溫度大于所述第二設定溫度。

12、在一些實施例中，對所述氫燃料電池進氣側進行進氣溫濕度控制，具體為：

13、采集空氣的溫濕度、所述氫燃料電池的排氣的溫濕度和所述堆芯溫濕度，根據(jù)所述空氣的溫濕度和所述堆芯溫濕度對所述排氣進行溫濕度處理，然后將溫濕度處理后的所述排氣與空氣進行混合得到混合氣，所述混合氣進入所述氫燃料電池的進氣側。

14、在一些實施例中，控制所述氫燃料電池的排氣，具體為：在所述氫燃料電池的排氣口設置排氣閥，所述氫燃料電池每間隔一個排氣時間t則打開所述排氣閥進行排氣一次；或所述氫燃料電池的性能每下降指定值q則打開所述排氣閥進行排氣一次。

15、在一些實施例中，當所述氫燃料電池連接負載工作時，所述氫燃料電池的性能每下降1％-2％則排氣一次，若達到排氣時間t后還未出現(xiàn)性能下降，則根據(jù)排氣時間t排氣一次，t≤60s。

16、在一些實施例中，對所述排氣進行熱管理控制，具體為：采集所述氫燃料電池的排氣的溫度，當所述排氣的溫度低于第三設定溫度時，至少部分所述排氣與空氣進行混合后進入所述氫燃料電池的進氣側以增加進氣側的氣體溫度；當所述排氣的溫度高于第三設定溫度時，所述排氣直接排出或至少部分所述排氣進行降溫處理后與空氣進行混合后進入所述氫燃料電池的進氣側。

17、本發(fā)明還提供一種氫鋰混動無人機的電池管理系統(tǒng)，氫鋰混動無人機包括設置在機身內(nèi)的儲氫瓶、鋰電池和氫燃料電池，所述氫燃料電池和所述機身的底板之間具有散熱空間；所述氫鋰混動無人機的電池管理系統(tǒng)包括：

18、電源控制模塊，所述電源控制模塊用于根據(jù)所述鋰電池的第一電量和所述氫燃料電池的第二電量，對所述鋰電池和所述氫燃料電池進行能量管理控制；

19、氫燃料電池熱管理控制模塊，所述氫燃料電池熱管理控制模塊用于根據(jù)所述散熱空間內(nèi)的環(huán)境溫度，并對所述氫燃料電池外部環(huán)境溫度進行熱管理控制；

20、氫燃料電池溫濕度控制模塊，所述氫燃料電池溫濕度控制模塊用于根據(jù)所述氫燃料電池的堆芯溫濕度，并根據(jù)所述堆芯溫濕度對所述氫燃料電池的陰極側的進氣的溫濕度進行控制，以及控制所述氫燃料電池的排氣并對所述排氣進行熱管理；

21、主控模塊，所述主控模塊用于采集所述儲氫瓶的氫氣壓力、所述氫燃料電池的環(huán)境溫度和所述堆芯溫濕度，所述主控模塊通信連接所述電源控制模塊、所述氫燃料電池熱管理控制模塊和所述氫燃料電池溫濕度控制模塊，并將所述儲氫瓶的氫氣壓力、所述環(huán)境溫度和所述堆芯溫濕度分別發(fā)送給所述電源控制模塊、所述氫燃料電池熱管理控制模塊和所述氫燃料電池溫濕度控制模塊，對所述鋰電池和所述氫燃料電池進行電池管理控制。

22、在一些實施例中，所述電源控制模塊首先采集所述鋰電池的第一電量，并判斷所述鋰電池的第一電量是否滿足所述無人機的啟動功率需求，若不滿足則進行鋰電池充電或者更換鋰電池，直到滿足所述啟動功率需求后，由所述鋰電池向所述無人機供電以進行起動；所述主控模塊根據(jù)采集的氫氣壓力向所述電源控制模塊發(fā)送啟動所述氫燃料電池的指令，所述電源控制模塊啟動所述氫燃料電池，并對所述鋰電池和所述氫燃料電池進行能量管理控制。

23、在一些實施例中，所述氫鋰混動無人機的電池管理系統(tǒng)還包括dc-dc轉(zhuǎn)換器，所述dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸入端連接所述氫燃料電池和所述鋰電池的供電輸出端，所述dc-dc轉(zhuǎn)換器用于將所述氫燃料電池的供電量和/或所述鋰電池的供電量轉(zhuǎn)換為輸出電量后發(fā)送給動力系統(tǒng)以驅(qū)動所述無人機起動或飛行，所述氫燃料電池通過所述dc-dc轉(zhuǎn)換器能夠為所述鋰電池充電。

24、在一些實施例中，所述氫燃料電池熱管理控制模塊包括：

25、溫度傳感器，設于機身內(nèi)，用于檢測所述氫燃料電池的環(huán)境溫度；

26、空氣流道控制機構，所述機身的底板上設有第二空氣孔以形成第二空氣流道，所述空氣流道控制機構用于選擇性打開或關閉所述第二空氣流道；

27、主控模塊，所述主控模塊通信連接所述溫度傳感器和所述空氣流道控制機構，所述主控模塊根據(jù)所述環(huán)境溫度控制所述空氣流道控制機構打開或關閉所述第二空氣流道。

28、在一些實施例中，所述空氣流道控制機構包括設于所述第二空氣孔處的分流板和驅(qū)動機構，所述驅(qū)動機構通信連接所述主控模塊，所述驅(qū)動機構的輸出端連接所述分流板，所述驅(qū)動機構用于驅(qū)動所述分流板打開或關閉所述第二空氣流道。

29、在一些實施例中，所述驅(qū)動機構固定設置在所述機身上，所述驅(qū)動機構驅(qū)動所述分流板朝向所述機身的內(nèi)部轉(zhuǎn)動能夠打開所述第二空氣流道，所述驅(qū)動機構驅(qū)動所述分流板從所述機身的內(nèi)部朝向所述第二空氣孔轉(zhuǎn)動能夠關閉所述第二空氣流道。

30、在一些實施例中，所述第二空氣孔設有兩個，兩個所述第二空氣孔分別正對兩個所述氫燃料電池設置。

31、在一些實施例中，所述機身的底板上間隔且分散設有多個第一空氣孔以形成第一空氣流道，設于所述機身內(nèi)的所述氫燃料電池通過所述第一空氣流道連通外界空氣以得到氧氣和進行散熱。

32、在一些實施例中，所述第二空氣孔設置于多個所述第一空氣孔的兩側，所述分流板轉(zhuǎn)動設于所述第二空氣孔的靠近所述第一空氣孔的一側。

33、在一些實施例中，所述氫燃料電池溫濕度控制模塊包括：

34、冷熱空氣混合室，所述冷熱空氣混合室設有冷空氣入口、熱空氣入口和混合氣出口，所述冷空氣入口連通外界空氣，所述氫燃料電池設有氧氣入口和排氣口，所述混合氣出口與所述氧氣入口連接并為所述氫燃料電池提供混合氣，所述排氣口設有排氣管，所述排氣管背離所述排氣口的一端連接于所述熱空氣入口；

35、排氣處理室，所述排氣處理室設于所述排氣管上，所述排氣處理室用于將所述氫燃料電池的排氣的溫濕度進行處理后送入所述冷熱空氣混合室；

36、第一控制閥，所述第一控制閥設于所述排氣管上以調(diào)節(jié)分配所述排氣進入所述冷熱空氣混合室的流量。

37、在一些實施例中，所述排氣處理室設于所述排氣管上，所述排氣處理室包括第二控制閥、氣體干燥室和濕度保持室，所述第二控制閥的第一端口連接于所述排氣管，第二端口和第三端口分別連接所述氣體干燥室和所述濕度保持室，所述氣體干燥室和所述濕度保持室的對所述排氣分別處理和排出后混合并通過所述排氣管進入所述冷熱空氣混合室，所述第二控制閥根據(jù)所述排氣的溫濕度調(diào)節(jié)所述排氣進入所述氣體干燥室和所述濕度保持室的氣體流量，所述第一控制閥設于所述冷熱空氣混合室的前端。

38、在一些實施例中，所述排氣處理室設于所述排氣管上，所述排氣處理室包括冷凝水收集裝置和分支管路，所述分支管路設于所述冷凝水收集裝置和所述排氣口之間的所述排氣管上，所述分支管路上設有待加熱設備，經(jīng)過所述分支管路的所述排氣在經(jīng)過所述待加熱設備的換熱后溫度降低并進入所述冷凝水收集裝置進行冷凝水收集，所述第一控制閥設于所述冷凝水收集裝置和所述冷熱空氣混合室之間的所述排氣管上。

39、在一些實施例中，所述分支管路和所述待加熱設備分別設有多個并一一對應設置，每個所述分支管路通過第三控制閥選擇性導通所述排氣管。

40、在一些實施例中，所述氫燃料電池溫濕度控制模塊還包括泄放閥，所述泄放閥設于所述所述氫燃料電池的排氣管上靠近所述排氣口的一端。

41、本發(fā)明還提供一種氫鋰混動無人機，包括上述任一實施例提供的所述氫鋰混動無人機的電池管理系統(tǒng)。

42、在一些實施例中，所述氫鋰混動無人機還包括散熱風扇，所述散熱風扇設于機身的內(nèi)部，所述散熱風扇的進風口朝向氫燃料電池，所述散熱風扇的出風口朝向所述機身的外側。

43、本發(fā)明的有益效果：

44、本發(fā)明提供的氫鋰混動無人機的熱管理控制方法，根據(jù)鋰電池第一電量和氫燃料電池的第二電量對鋰電池和氫燃料電池進行能量管理控制，根據(jù)氫燃料電池的環(huán)境溫度、堆芯溫濕度和排氣對氫燃料電池進行熱管理，解決無人機快速啟動及飛行過程對能量的不同需求問題，解決了電池的能量管理和熱管理問題，利于提高空冷型氫燃料電池環(huán)境適應能力。

45、本發(fā)明提供的氫鋰混動無人機的熱管理控制系統(tǒng)，通過設置主控模塊通信連接電源控制模塊、氫燃料電池熱管理控制模塊和氫燃料電池溫濕度控制模塊，并結合儲氫瓶的氫氣壓力對鋰電池和氫燃料電池進行電池管理控制，實現(xiàn)了對氫鋰混動無人機的電池能量管理和電池熱管理，利于提高空冷型氫燃料電池環(huán)境適應能力。

46、本發(fā)明提供的氫鋰混動無人機，通過氫鋰混動無人機的電池管理控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對氫鋰混動無人機進行快速啟動和飛行狀態(tài)中的氫燃料電池和鋰電池進行監(jiān)測和控制，解決了氫燃料電池在無人機上的應用限制問題和能量分配問題，實現(xiàn)對氫燃料電池的熱管理控制，提高氫燃料電池的環(huán)境適應能力。