2.2.2 能源与动力系统的拓扑结构
氢燃料电池具有能量密度高、可支持长航时飞行的优点。但是，与锂电池相比，其功率密度较小；同时，由于燃料在膜之间的扩散、氢氧的电化学反应都需要时间，因此其电力响应相比锂电池要慢，且电压特性较软，大电流会导致大幅度压降，所以燃料电池一般需要配合DC／DC转换器、锂电池等辅助电力设备，以稳定匹配电源电压和电机电压。太阳能电池输出特性具有明显的非线性，且输出受外界环境的影响较大，所以太阳能电池一般需要搭配MPPT控制器、锂电池等辅助电力设备，以稳定动力系统电源电压。
因此，可根据能源的特点对能源进行多种组合，发挥不同能源的优势，形成能源与动力系统的不同拓扑结构形式，以满足飞行任务需求；同时，根据能源管理方式的不同，又可将混合能源与动力系统分为被动式和主动式。下面分别对锂电池动力系统、太阳能电池动力系统、氢燃料电池动力系统、太阳能／氢能混合动力系统等常用的新能源飞行器能源动力系统拓扑结构方案进行介绍。
2.2.2.1 锂电池动力系统典型拓扑结构
锂电池动力系统是目前电动飞行器应用最广泛的一种动力方案，主要由锂电池、电子调速器、电动机、螺旋桨、机载辅助设备等组成，其典型拓扑结构如图2-3所示。
图2-3 锂电池动力系统的典型拓扑结构
锂电池通过电子调速器直接为无刷直流电机供电，锂电池的输出电压应在电子调速器允许的电压范围之内；电子调速器通过三相六个状态的切换控制电机转速，即通常所说的油门控制。一般电动机可以直驱螺旋桨，但当高速电动机需要带动较大的螺旋桨时，通常还需要增加减速机构，以匹配电动机和螺旋桨的工作点。其中，锂电池管理系统（BMS）可用于对锂电池进行充放电管理，调节电池片之间的电压均衡，以及保护锂电池防止过充、过放等，从而有利于保证锂电池的健康使用寿命，但其并不是必要设备。
锂电池动力系统具有拓扑结构简单、动态响应快、瞬时功率大、技术相对成熟等优点，其存在的主要问题是：目前锂电池的能量密度较低，能源系统在飞行器总质量中的占比较大，难以满足长航时飞行任务需求。
2.2.2.2 太阳能电池动力系统典型拓扑结构
太阳能电池动力系统主要由太阳能电池、电动机、电子调速器、螺旋桨、机载辅助设备等组成，主要包括纯太阳能动力系统、太阳能／锂电池被动混合动力系统、太阳能／锂电池主动混合动力系统，三种典型拓扑结构如图2-4所示。
纯太阳能动力系统如图2-4（a）所示。太阳能电池直接通过MPPT控制器为动力系统供电，系统结构相对简单，可以提供较为稳定的输出，具有质量轻、结构简单的优点。该系统存在的主要问题是：受太阳能电池自身及MPPT控制器转换效率的限制，所能提供的功率一般难以满足无人机飞行过程中快速机动和突发干扰情况下的高功率需求；而且，太阳能受天气的影响比较大，难以保证飞行任务所需的功率，在用于中低空轻小型无人机时，这个问题更加明显。
太阳能电池／锂电池被动混合动力系统如图2-4（b）所示。太阳能电池和锂电池被动联合为动力系统供电，利用二极管的正向导通、反向截止特性，解决太阳能电池与锂电池并联输出时的电压匹配问题，防止动力系统需求功率较低时出现太阳能电池对锂电池充电。该混合方案无须考虑能源与动力系统的功率流分配问题，也不必对锂电池进行充放电管理，形式简单，易实现；采用锂电池补充太阳能电池输出功率，可以使无人机具有更好的抗风能力和更优的机动性。但是，该类型动力系统的弊端也十分明显，由于二极管截断了反向充电电流，因此锂电池只能放电、无法充电，在太阳能电池输出功率大于动力系统用电功率、锂电池电量不满的情况下，不能有效利用太阳能电池产生的电能，造成电力浪费。
图2-4 太阳能电池动力系统的三种典型拓扑结构
（a）纯太阳能电池动力系统；（b）太阳能电池／锂电池被动混合动力系统；（c）太阳能电池／锂电池主动混合动力系统
太阳能／锂电池主动混合动力系统如图2-4（c）所示。太阳能电池与锂电池主动联合为动力系统供电，通过调节MPPT控制器的输出实现对太阳能电池输出功率的主动控制，通过功率平衡原则间接实现锂电池的充放电控制。该混合方案兼顾了太阳能电池和锂电池的电力特性，在充分发挥锂电池功率响应快速优势的同时合理进行充放电管理，可进一步提高太阳能利用率、延长锂电池使用寿命；能够根据需求功率情况，采用主动能源管理策略完成功率流分配，在有剩余功率的情况下，太阳能电池可对锂电池充电，从而实现对能源的充分利用。这种结构的主要不足是：能源管理与控制比较复杂，需要采用高效的能源管理策略，以及相应的软硬件设备。但是，由于其可以充分发挥能源的特性，实现飞行器的高性能飞行，因此是发展的重点方向之一。
2.2.2.3 氢燃料电池动力系统典型拓扑结构
氢燃料电池能源与动力系统主要由储氢装置、燃料电池、燃料电池控制器、燃料电池DC／DC转换器、电子调速器、电动机、螺旋桨，以及其他辅助电力电子设备等组成。与太阳能动力系统类似，氢燃料电池动力系统也有三种典型拓扑结构（图2-5）：纯氢燃料电池动力系统；氢燃料电池／锂电池被动混合动力系统；氢燃料电池／锂电池主动混合动力系统。
图2-5 氢燃料电池动力系统的三种典型拓扑结构
（a）纯氢燃料电池动力系统；（b）氢燃料电池／锂电池被动混合动力系统；（c）氢燃料电池／锂电池主动混合动力系统
纯氢燃料电池动力系统如图2-5（a）所示。氢燃料电池直接通过DC／DC转换器为动力系统供电，具有系统结构简单、质量较轻的优点，存在的主要问题是：难以满足飞行器机动飞行等动态变化较大时的功率需求。
氢燃料电池／锂电池被动混合动力系统如图2-5（b）所示。氢燃料电池和锂电池被动联合为动力系统供电，利用MOSFET场效应管（简称“MOS管”）的低功耗特点和反向截止特性，处理燃料电池与锂电池并联电压匹配问题，以防负载电压较低、燃料电池电压较高时，燃料电池对锂电池充电。该方案结构简单，不必考虑功率流分配，也无须对锂电池进行充放电管理，从而降低了混合动力系统的设计难度，但难以确保能源系统的高效性。
氢燃料电池／锂电池主动混合动力系统如图2-5（c）所示。氢燃料电池和锂电池主动联合为动力系统供电，为氢燃料电池加入DC／DC转换器，用以匹配锂电池的电压，并通过控制DC／DC的输出电流和电压，实现对燃料电池功率的主动控制；锂电池则根据功率平衡原则，间接实现充放电的控制。这一系统可兼顾不同电源的电力特性，使燃料电池工作在高效区域，锂电池充分发挥大功率、快速响应的作用；同时，能够进行合理的充放电管理，可提高系统效率，降低氢耗，以及延长能源系统使用寿命和提高航时。
2.2.2.4 太阳能／氢能混合动力系统典型拓扑结构
太阳能／氢能混合动力系统综合利用太阳能电池和氢燃料电池，辅助锂电池为无人机提供驱动力。该混合动力系统比较复杂，其拓扑结构可以有多种组合形式，根据对能源管理的方式不同，可以分为被动混合和主动混合两种形式。
图2-6所示为太阳能／氢能混合动力系统的被动混合拓扑结构。在该结构中，太阳能电池、燃料电池系统、锂电池分别与MPPT控制器、DC／DC转换器、BMS控制器相连。
图2-6 太阳能／氢能混合动力系统的被动混合拓扑结构
MPPT控制器和DC／DC转换器分别用于匹配太阳能电池和燃料电池的电压，升压（或降压）调节后，使MPPT控制器的输出开路电压与DC／DC转换器的输出开路电压基本一致，考虑到太阳能电池的供电优先级，也可使MPPT控制器的输出电压略高于DC／DC转换器的输出电压，但两者的开路电压都应小于或等于锂电池的充电截止电压。例如，对于无人机常用的6S（即6片串联）锂电池，其充电截止电压为25.2 V，则MPPT控制器的开路电压可设定在25.1～25.2 V之间，DC／DC的输出电压可设定在25.0～25.2 V之间，从而保护锂电池不会发生过充。需要注意的是，MPPT和DC／DC要具有防反灌功能。
该系统能够对各电源的输出进行有限程度的调节，但无法实现对各类电源输出功率的主动分配。例如，当载荷需求很大时，MPPT控制器可以主动调节，使太阳能电池工作在最大功率点，但当需求功率略大于太阳能电池的最大功率而小于三种电源的可用功率总和时，由于无法进行主动功率分配，三类电源可能同时输出，也可能仅有燃料电池和太阳能电池输出，此时，太阳能电池可能无法工作在最大功率点，从而无法达到最优的能量应用状态，造成能量的非必要损失。
图2-7所示为太阳能／氢能混合动力系统的主动混合拓扑结构。与被动混合拓扑结构的最大区别是：除了对各电源进行控制外，在顶层增加了能源管理控制器，可对各个电源主动进行功率分配调节。其特点是：能够根据母线的功率需求和各个电源的工作状态，主动进行能量管理，如通过限制氢燃料电池和锂电池的输出电流，使太阳能电池得到充分利用；可灵活地支持各种在线能源管理策略，进行次优（或最优）能量利用的空间探索。该系统的不足是：能源管理系统复杂且与飞行状态耦合，实现难度比较大。但是，为了获得更好的飞行性能，这种混合能源形式正逐渐成为重要的发展方向之一。
图2-7 太阳能／氢能混合动力系统的主动混合拓扑结构