無人機多模組燃料電池動力電源管理方法(上)：材料世界網

徐志瑋、周裕福、蔡麗端、康顧嚴 / 工研院材化所

旋翼型飛行器以向下氣流產生的反作用力抵抗重力而懸浮於空中，提供了定翼型飛行器所不能提供的便利性與機動性，卻也因此需要持續的大量電力供應旋翼馬達不斷向下推動氣流所需要的能量。現有無人機使用的鋰電池如果要提供更長的飛行時間所需擴充的電池組，將使得飛行器的起飛重量大幅增加，卻也因此消耗更多電力而限制了飛行時間。因而，以高能量密度的氫氣與燃料電池提供長時間的能量來源成為最被看好的發展方向之一。本文從燃料電池電堆發電平衡(Balance of Plant)的控制，以及二次電池的輔助供電控制、多電堆發電調節，探討用於無人機動力電源的燃料電池供電技術，以及目前國內外發展的進程。期在連續的電力供應、瞬間的電力供應，以及起飛重量三者之間取得平衡，達到大幅增加飛行時間的效果。

前言

近年來，隨著微控制器的性能提升，以及高功率輕量化的高分子鋰電池普及應用，使得多軸無人機的發展快速應用在許多不同領域。其中，多軸馬達的飛行操控與定位技術固然是大幅降低操作者的入門門檻，而鋰離子電池在電動工具與電動車輛等高功率應用的發展帶來高功率高能量密度的鋰電池普及化，則使得目前多軸無人機普遍可以有20~30分鐘的飛行時間。然而，這樣有限的連續飛行時間使得大部分的應用僅限於短距離的空拍、勘查與表演等性質，難以推廣到更高附加價值的長距離物資遞送或巡檢等用途。

為了在有限的起飛重量性能限制下，獲得更長時間的續航能量，尋求大幅提升馬達與螺旋槳效率，或者大幅增加能量密度的鋰電池是業者亟思突破的途徑，很可惜從過去的發展軌跡看起來，這兩者的提升速率都遠遠無法像半導體發展的摩爾定律這樣令人樂觀。因此，如果從能量密度的角度而言，要能大幅增加無人機的攜帶能量，跳脫到高能量密度的氫氣可能是一種最有效可行的方向。雖然氫氣的儲存攜帶、能量轉換裝置的效率與重量，都仍會使得整體的能量密度減少許多；然而，幸好純粹氫氣的能量密度高達33 kWh/kg，遠高於目前各種商用鋰電池百倍以上，這樣的優勢，提供了氫氣載體的儲氫罐、轉換成電能的電堆，及散熱溫控、輔助電力等周邊系統的重量與空間。本文將以無人機應用的電能需求，在電能轉換電堆的重量、性能限制下，搭配小容量二次電池(目前仍以鋰電池為最佳選擇)提供的瞬間功率，探討燃料電池系統提供長時間續航的電源管理方法。

雖然藉由氫氣的儲存能夠攜帶大量能量，然而要能及時轉換成電能方能持續供應無人機的電力需求，其中的關鍵就在於燃料電池電堆的發電作用。由於燃料電池的發電功率密度相較於鋰電池而言仍然低許多，因此，燃料電池僅用來提供飛行期間所需要的平均功率，而無人機所需要的瞬間峰值功率則由鋰電池供應。這樣的搭配方可盡量降低整體重量。為此，作為輔助電力來源的鋰電池，必須要適當控制其電力輸出的時機，以便用最少的電池容量達到足夠的峰值電力需求。另一方面，為配合無人機在高低酬載、順風/逆風，以及爬升/下降高度過程功率需求的大幅變動，採用多模組電堆依據需求動態調整發電機組數量，以維持電源供應的電壓準位在適當的範圍，也是用於無人機的燃料電池電源系統的重要課題。這些議題將在本文一一探討。

燃料電池的運作平衡控制

1. 燃料電池反應控制

氫燃料電池是以氫氣為燃料，氫氣由燃料電池的陽極進入，透過陽極觸媒將氫氣分離成氫離子與電子，其中氫離子經由質子交換膜傳導至陰極，與陰極空氣中的氧氣反應產生水。在此同時，來自陽極的電子則由外部迴路傳送至陰極，產生化學反應過程釋放能量進行發電程序。基於輕量化的考量，用於無人機的燃料電池以呼吸式質子交換膜燃料電池(PEMFC)較為常見，其反應工作原理如圖一所示。常見的氫氣燃料儲存方式包含高壓氣瓶、液態氫，以及吸氫材料等技術，其中以碳纖高壓氣瓶在無人機的應用較為實用。而氧氣則是經由外部風扇或小型鼓風機供應陰極來進行反應。高壓氫氣瓶提供的氫氣必須經過減壓閥調整到適當的氫氣出口壓力，當燃料電池系統接收到啟動指令時，儲氫罐透過閥門控制提供氫氣進入至陽極。因陽極觸媒在進行反應時會有熱量產生，為避免溫度過高造成燃料電池膜電極組損壞，必須有適當的散熱機制維持電堆運作溫度。使用於無人機的燃料電池系統為了兼顧輕量化需求，通常採用風扇帶動大量空氣對電堆進行散熱，而由於電堆之發電性能與運作溫度息息相關，環境溫度及電堆操作條件等因素，均會影響電堆整體的熱量平衡，因此必須有完善的溫度控制機制，包含監測空氣溫度、控制風扇啟閉或轉速等控制邏輯，以維持電堆運作於適當溫度範圍。