无人机动力系统理论建模与无人机拉力测试台实测结果对比

测试评估无人机电力系统架构

俄勒冈州立大学的Alastair P. Thulbeck和YueCao开发了一个建模框架，用于比较VTOL无人机的不同动力系统架构。他们在论文“无人机动力系统架构的分析和建模”中展示了他们的发现。

设计无人机的动力系统很少像选择一个合适的电池、电机和螺旋桨那么简单。对于从头开始构建的无人机，还必须考虑DC-DC转换器、DC-AC转换器、直流总线以及单一或混合电源。与推进系统的主要部件一样，这些元素的变化会对系统效率产生影响，从而影响到无人机的续航时间和飞行时间。

为了探索电力系统架构之间的差异，Thurlbeck和Cao设计了一个模型，该模型根据不同架构的组成部分来估计不同架构的性能。然后，他们使用TYTO的1780系列动力测试台（图1）测试了三个独特电力系统的真实结构来验证模型。

图1： 实验装置包括1780系列测试台、PMSM电机、DC-AC逆变器/ESC和螺旋桨

所有三种架构都包括电池电源、直流总线、直流-交流转换器和永磁同步电机(PMSM)。第一个架构是独一无二的，因为它在电池和固定直流总线之间使用了一个DC-DC转换器。第二种架构不包括DC-DC转换器，而是使用摆动DC总线。第三种架构采用混合电源，其中包含电池和燃料电池，两者都连接到DC-DC转换器和公共固定DC总线（图2）。 

图2：实验中测试的电力系统架构1、2 和 3

在他们的第一个实验中，他们测试了带有两个不同螺旋桨（T-Motor G28x9.2和G30x10.5）的 100KV电机(T-Motor U10II KV100)以提供真实的负载。使用G28x9.2螺旋桨将电机速度从零扫至其额定速度，使用 G30x10.5 螺旋桨将电机速度扫至其额定电流。1780系列测试台测量了DC-AC逆变器的拉力、扭矩、速度和功率。然后，他们在相同的扭矩和速度值上扫描他们的模型，以计算功率损失估计值。将这些结果与物理测试的结果进行了比较，如图3所示。

图3：实验和建模数据的电机速度扫描功率损耗

他们的模型估计的功率损耗与实验系统的测量损耗平行，但有些略高。基于这些结果，他们认为该模型“对于电力系统设计和分析而言足够准确”。

接下来，他们使用该模型来评估理论VTOL无人机在三种电力系统架构中的性能。在简单的功率损耗与拉力比较中，架构1和架构2显示出类似的损耗，主要来自电机和电池。架构3的主要功率损耗来自燃料电池，其次是电机和电池。他们制作了3D图，模拟了速度、扭矩和整体效率之间的关系，展示了在高转速和低扭矩条件下的最高效率（图4）。

图4：电力系统架构2的转速、扭矩和整体效率的3D图

他们的最终实验模拟了任务飞行剖面上的每个动力架构，并确定了它们的最大飞行时间。他们发现架构2在任务过程中所需的输入能量最低，因此效率最高，约为83%。架构3在任务剖面期间的效率最低，但最长的飞行时间为32分钟，而架构1和2的最长飞行时间为25.5分钟和30分钟（图5）。 

图5：三种电力系统架构的最大飞行时间曲线

架构3的主要效率损失发生在燃料电池在飞行中为电池充电时，但由于燃料电池的比能量更高，比所使用的锂聚合物电池高1.83倍，因此它仍然管理了最长的飞行时间。

这个由Thulbeck和Cao设计的模型对于想要在不构建多个原型的情况下比较电源系统架构的设计人员来说是一个有用的工具。它有可能为无人机制造商节省时间和资源，同时将他们引向最高效的设计。