48VDC 双向直流电源在氢燃料电池无人机供电系统的应用

application 2025年4月06日点击数：97

DC UPS

氢能源燃料电池无人机，是近年来炙手可热的技术之一，结合了清洁能源与智能飞行两大趋势，具有广阔的应用前景。相对锂电池供电系统，氢能源燃料电池加氢只需几分钟，排放物仅为水蒸气，符合绿色低碳趋势，燃料电池系统稳定，适合长时间任务。以燃料电池作为动力在电动汽车,电动船舶,电动无人机,等领域得到广泛研究和应用。

双向直流电源”（Bidirectional DC Power Supply），顾名思义，就是可以双向流动电能的直流电源。它既可以像普通DC电源一样向负载供电（正向模式），也可以接收负载返回的电能并处理或反馈到电网或内置电池中（反向模式）。这类电源在许多电池测试、储能系统、电动汽车、电机驱动测试中非常常见。相对于12-24VDC, 48VDC拥有较低的供电损耗，更高的能效比，符合电压安全用电范围，非常适合无人机供电系统。

1 燃料电池输出特性

从电压电流的趋势图可以看出，氢能源质子交换膜燃料电池的电压和电流的特性：

电压电流特性

电压最大的时候，电流最小；
电压最小的时候，电流最大；

电压功率特性。

存在最大输出功率点
开始电压降低功率增加，至最大功率点。
过了最大功率点，电压增加，功率下降。

类似光伏面板发电系统，我们希望燃料电池获得最大的功率输出。须要我们的电源系统支持动态最大功率点跟踪的稳压技术。

2 系统结构总览

系统采用“氢燃料电池 + 辅助锂电池/超级电容 + 双向DC/DC模块”的复合供电架构，兼顾长续航与动态功率需求。

2.1 燃料电池系统（PEMFC）

整个供电单元核心采用一高高密度及高功率48V稳压器和一个双向DC稳压电源模块为核心，组成稳定的48VDC 不间断电源供电系统。燃料电池堆的输出电压不是固定的，它会随负载电流，堆栈温度，氢气流量，老化状态等产生动态变化

2.2 双向DC 充放电管理模块

（1）再生制动模式（放电回收）：双向DC-DC可以控制能量双向流动，实现电机的再生制动能量回收

无人机在降落、减速或滑翔时，电机转子仍然带动电机旋转，产生反向电流。
双向DC-DC模块会将这部分能量转换为直流电，回充至蓄电池或燃料电池母线，提高能量利用率。
这样不仅提高了续航，还减少了燃料电池和电池的负担。

（2）动态功率分配

燃料电池不适用于稳定供电，但它的响应速度较慢，无法快速适应无人机在不同飞行模式下的负载变化。

双向DC-DC的动态功率分配作用体现在：

低负载时（巡航、悬停）：

燃料电池功率大于负载需求，多余电能通过双向DC-DC为蓄电池充电。

高负载时（起飞、加速、爬升）：

燃料电池来不及提供大功率输出，双向DC-DC控制蓄电池放电，补充功率缺口。

燃料电池低功率状态：

例如氢气不足或燃料电池系统故障时，双向DC-DC会切换到蓄电池主供电模式，确保无人机安全运行。

高负载时（起飞、加速、爬升）

燃料电池来不及提供大功率输出，双向DC-DC控制蓄电池放电，补充功率缺口。

燃料电池低功率状态：

例如氢气不足或燃料电池系统故障时，双向DC-DC会切换到蓄电池主供电模式，确保无人机安全运行。

（3）宽电压范围：

双向电源可以工作在单向模式，类似宽电压直流稳压器工作状态，支持宽电压输入的升降压结构，将燃料电池输出的能量稳定输出到48V供电母线上。为了提供能量密度，双向DC转换效率超过98%。采用零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）**技术，提高转换效率，减少损耗。在燃料电池系统中，MPPT算法可确保燃料电池在最佳功率点工作，提高能源利用率。

（3）动态功率管理：

双向电源集成DPM(动态功率管理)功能，通过扫描输出功率优化系统，从而最大效率调整系统功率，实现燃料电池发电效率最大化.