一、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。
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。
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。
二、无人机电源发展趋势
美国防部发布的《2013—2038无人系统一体化路线图》提出无人机更智能、更致命武器发展目标。2014年1月俄罗斯国防部决定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。2014年2月英国研制的塔拉尼斯无人机成功首飞，该机造价3亿美元，可超声速巡航，是英国第一款隐身战斗无人机。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(2009年）、跨声速(2015年）、超声速/高超声速(2034年）;机动性发展包线为1g(2009年）、9g(2015年）、40g(2034年）。
参考观研天下发布《2017-2022年中国电源产业竞争现状及发展策略研究报告》
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。松下公司最新推出镍系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。
2013年波音787事件引发了锂离子电池安全性问题的广泛讨论，而不久之后，该型号客机的锂离子电池再次出现冒烟现象，使得锂离子电池在航空领域的热度急剧降温。F-35轰炸机试飞时，底座冒烟，虽经证实此次冒烟并非锂离子电池问题，但也让业内人士唏嘘不已，锂离子电池安全性问题已成为影响锂离子电池应用范围的一大阻碍。
虽然无人机应用中不存在威胁人员安全问题，但飞行中一旦出现事故，将会造成巨大的经济损失，因此，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。
综上所述，无人机电源发展趋势及特征为低成本、高比能量、宽温度范围、大功率、不规则形状、高安全性、高性能控制器、混合能源等。无人机电源难点在于高比能量与低温大功率兼顾、低温容量保持率、热管理、控制器集成化、供配电智能化、小型化、轻型化、高安全可靠性等。
三、结束语
随着迅速发展的无人机在续航能力方面的需求不断增加，动力系统在满足无人任务的长航时需求方面还有很大的提升空间。相关研究者所面对的挑战是进一步开发续航时间更长且能量更多的蓄电池或混合体系供能，以延长无人机的工作时间。
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。
二、无人机电源发展趋势
美国防部发布的《2013—2038无人系统一体化路线图》提出无人机更智能、更致命武器发展目标。2014年1月俄罗斯国防部决定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。2014年2月英国研制的塔拉尼斯无人机成功首飞，该机造价3亿美元，可超声速巡航，是英国第一款隐身战斗无人机。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(2009年）、跨声速(2015年）、超声速/高超声速(2034年）;机动性发展包线为1g(2009年）、9g(2015年）、40g(2034年）。
图：无人机任务需求背景
参考观研天下发布《2017-2022年中国电源产业竞争现状及发展策略研究报告》
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。松下公司最新推出镍系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。
2013年波音787事件引发了锂离子电池安全性问题的广泛讨论，而不久之后，该型号客机的锂离子电池再次出现冒烟现象，使得锂离子电池在航空领域的热度急剧降温。F-35轰炸机试飞时，底座冒烟，虽经证实此次冒烟并非锂离子电池问题，但也让业内人士唏嘘不已，锂离子电池安全性问题已成为影响锂离子电池应用范围的一大阻碍。
虽然无人机应用中不存在威胁人员安全问题，但飞行中一旦出现事故，将会造成巨大的经济损失，因此，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。
图：不同体系电源发展趋势
图：电源自身发展趋势
综上所述，无人机电源发展趋势及特征为低成本、高比能量、宽温度范围、大功率、不规则形状、高安全性、高性能控制器、混合能源等。无人机电源难点在于高比能量与低温大功率兼顾、低温容量保持率、热管理、控制器集成化、供配电智能化、小型化、轻型化、高安全可靠性等。
表：无人机电源特点及发展趋势
三、结束语
随着迅速发展的无人机在续航能力方面的需求不断增加，动力系统在满足无人任务的长航时需求方面还有很大的提升空间。相关研究者所面对的挑战是进一步开发续航时间更长且能量更多的蓄电池或混合体系供能，以延长无人机的工作时间。
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