文章总结： 本研究针对多旋翼飞行器氢基混合动力推进系统进行建模与优化，通过将2kW质子交换膜燃料电池与12s锂聚合物电池集成，采用NSGA-II算法多目标优化，结果表明氢电架构相比燃烧系统具有更高续航、更低排放和更好可扩展性，适用于长航时无人机应用。 综合评分： 0 文章分类： 其他

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蓝军开源情报

2026年5月25日 06:48 湖南

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【导读】

2026年4月18日，MDPI 期刊发布报告《多旋翼飞行器氢基混合动力推进系统研究》。对可持续航空推进系统日益增长的需求，使得人们对氢燃料电池系统作为内燃机替代方案的兴趣日益浓厚。

本研究针对MIMIQ无人机的氢电混合动力系统进行了建模、仿真和优化。该系统通过DC-DC转换器将2 kW质子交换膜燃料电池与12S锂聚合物电池集成，实现了并联功率分配和飞行中电池充电。

基于MATLAB，利用飞行数据导出的任务功率曲线，并结合动量理论对模型进行了优化，建立了动态模型。通过对同一平台内燃机混合动力系统进行对比仿真，验证了所建立模型的有效性，结果表明其在电气和能量特性方面具有一致性。

采用NSGA-II算法进行多目标优化，以最大化悬停续航时间、最小化能耗并最大化有效载荷。计算结果表明，续航时间主要受氢气供应量的限制，而非电池容量，且燃料电池的工作效率接近其最佳效率区域。

研究结果表明，与燃烧系统相比，氢电架构具有更高的续航能力、更低的排放和更好的可扩展性，这支持了它们适用于长航时无人机应用。

本报告《多旋翼飞行器氢基混合动力推进系统研究》英文原文17页，译文34页，1.1万字。扫码文末二维码，立即加入“蓝军开源情报知识星球会员”，免费下载本文原文及译文。需要译文或者报告联系电话：19118805880（微信同号）。

关键词：混合动力无人机；氢燃料电池；能量管理；多目标优化；动力系统建模

这是蓝军开源情报的第 601期分享

编译 l 所长007

来源 l 蓝军开源情报（ID：Lanjunqingbao） 转载请联系授权（微信号：19118805880）

一、引言

对化石燃料的持续依赖仍然是航空业面临的一项重大挑战。化石资源目前仍占全球一次能源供应的约80%，预计到2050年将占40%至60%。民用航空约占全球一次能源供应的2.5%。

一氧化碳2航空运输排放量占总排放量的3.5%至4%，且预计未来几十年航空运输量将稳步增长。因此，减少对碳氢化合物的依赖需要替代推进和能量转换技术。

氢气是可行的能源之一，但目前全球氢气生产主要依赖化石燃料工艺：约47%来自天然气重整，27%来自煤气化，22%来自石油副产品，而通过水电解制氢的比例不足1%。

因此，氢动力系统的环境效益很大程度上取决于低碳生产路线的采用，特别是可再生能源驱动的电解制氢。氢气具有极高的比能量，高达33.3 kWh/kg，超过传统燃料和电池，但其低体积能量密度给储存和集成带来了挑战。

二、系统建模与实现

本节介绍MIMIQ无人机，重点在于基于一系列假设的计算框架对其推进系统进行建模，这些假设也带来了一定的局限性。随后，将该仿真框架与同款无人机的汽油混合动力版本进行对比测试。

2.1. 飞机和动力系统架构

如图1所示，MIMIQ 无人机是一款中型四旋翼飞行器，由加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚大学开发，是航空航天研究中心正在进行的无人机可持续推进技术研究项目的一部分。

MIMIQ 平台设计可兼容不同的混合动力推进系统配置，目前已测试过汽油燃烧和氢燃料电池两种版本，并辅以电池组。然而，后者尚未进行飞行测试。本文主要关注氢燃料电池混合动力版本，该版本以PEMFC系统作为主要动力源，并辅以锂聚合物 电池提供瞬态支持。

图 1. 由维多利亚大学 (UVic) 航空航天研究中心 (CfAR) 开发的 MIMIQ 无人机平台，能够实现内燃混合动力和氢电配置

两种MIMIQ混合动力机型的核心区别在于其能量生成子系统的组成和质量。虽然两种机型的推进单元相同，但它们的内部动力架构和结构集成有所不同，这会影响系统总质量、能量可扩展性和有效载荷能力。表1列出了两种混合动力推进配置的比较。汽油混合动力配置比氢混合动力配置重约2.8公斤。假设两种机型的最大起飞重量相同，这种质量差异会降低其可用有效载荷或传感器容量。

2.2 氢基混合动力推进系统仿真模型

为了在预设的实际飞行条件下，通过功率曲线捕捉氢燃料电池混合动力系统的动态特性（其简化版本如图 3所示），我们在Matlab / Simulink中开发了一个动态模型。该模型包含多个相互连接的子系统：

图 3. Simulink 中动态模型的简化流程图。

三、结果

首先，在与已进行飞行测试的汽油混合动力系统相同的任务剖面下，对氢基混合动力系统进行评估，并设定所需的螺旋桨功率。然后，开展多目标优化研究，以探索提升性能的潜在设计改进方案。

3.1 仿真结果

在典型任务剖面下对氢燃料电池混合动力配置进行仿真，揭示了质子交换膜燃料电池（PEMFC）和电池如何相互作用以满足不同的功率需求。如图5所示，燃料电池在任务的大部分时间内提供稳定的基础负载，并接近其标称设定点运行以最大化效率。同时，锂聚合物电池在起飞、爬升或负载突变等瞬态峰值期间补充功率，而在稳定运行阶段则回收能量或保持空闲状态。

图 5. 任务过程中燃料电池和电池提供的电力。

四、讨论

数值模拟和优化相结合的结果揭示了几个关键见解。

首先，混合动力无人机的根本限制因素是氢气质量而非电池容量；一旦提供最小的电池容量用于瞬态支持，续航时间几乎与氢气负载和燃料电池设定值呈线性关系。

其次，电池容量超过一定阈值后，收益递减，甚至会因增加质量而降低续航时间。

第三，最优配置集中在燃料电池的标称效率平台（2 kW）附近，这表明当与基于规则的SoC管理相结合时，固定设定值运行是有效的。

第四，多旋翼无人机对质量的敏感性凸显了轻量化组件设计的重要性，包括氢气存储系统和高比能量电池。

最后，多目标优化提供了一种结构化的方法来探索续航时间、有效载荷和总质量之间的权衡，使设计人员能够选择符合任务优先级的配置。

五、总结发言

本文对用于多旋翼无人机的氢燃料电池混合动力推进系统进行了全面的数值建模和优化研究。利用Matlab / Simulink开发了一个动态仿真框架，用于捕捉2 kW PEM燃料电池、12S锂聚合物电池、DC-DC转换器和基于规则的混合动力管理器之间的耦合行为。

该模型与基于内燃机的混合动力推进系统的飞行遥测数据进行了对比验证，在电池荷电状态变化和功率流方面均取得了高度一致性。对比计算仿真结果表明，尽管氢燃料电池混合动力推进系统系统复杂度更高，但与汽油混合动力推进系统相比，氢燃料电池混合动力推进系统能够提高续航时间并降低排放。

采用NSGA-II算法进行多目标优化，探索了氢气质量、电池容量和燃料电池设定点等设计空间。悬停续航时间优化结果表明，续航时间主要受限于氢气质量，电池容量在满足瞬态需求后固定为最小值。任务级优化揭示了能量消耗和有效载荷能力之间的权衡存在一个拐点，表明中等电池容量与接近 2 kW 的燃料电池输出功率相结合，能够提供最佳的折衷方案。

这些数值结果为长航时无人机的设计提供了实用指导：在结构约束下最大化氢气存储，电池容量根据瞬态需求而非续航时间进行设计，并使燃料电池在其最佳效率附近运行。

未来的工作应着重解决模型假设的局限性。目前的模型采用基于规则的能量管理，燃料电池设定点固定。实施模型预测控制、动态规划或等效的能耗最小化策略，可以提高不同任务阶段的效率。

将电气模型与热管理仿真相结合，可以分析冷却需求和温度相关的性能，并检验流经开放式无人机框架的气流是否充足。纳入更高保真度的飞行动力学和气动反馈将提高预测精度。最后，对氢基PEMFC混合动力配置进行飞行试验至关重要，这有助于验证仿真预测结果并优化组件选择，从而为长航时、零排放无人机的实际部署铺平道路。

《多旋翼飞行器氢基混合动力推进系统研究》

目录

一、引言

二、系统建模与实现

2.1. 飞机和动力系统架构

2.2 氢基混合动力推进系统仿真模型

2.3. 模型假设和局限性

2.4 模型基准测试

三、结果

3.1 仿真结果

3.2 多目标优化

3.2.1.悬停续航时间优化

3.2.2 任务级优化

四、讨论

五、总结发言

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