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创新燃料电池与标准 DC 模块带来外形小巧的长航程无人机

谈到无人机,你很可能会想到无人机采用锂基电池供电,按照重量和体积评估,这种电池的功率密度是同类产品中最好的。但是,如果认为小型无人机仅仅局限于由化学基电池提供动力,那你能就陷入传统思维的框架了。由韩国 Doosan Mobility Innovation (DMI) 推出的一款小型无人机打破了这一思维定势,这款无人机采用氢气加压罐为燃料电池供电(图 1)。

图 1:这款来自 Doosan Mobility Innovation 的紧凑型无人机采用氢燃料而非传统电池作为动力。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)

这款无人机并非一次性定制研究项目或是先进的实验机。相反,Doosan DS30 无人机已投入商用,可用于检查大型太阳能电池板安装或湖泊、河流等水道的检查,以及向偏远地区运送包括自动体外除颤器 (AED) 在内的医疗用品。

这种紧凑的八翼机(8 个旋翼)尺寸不到 2 × 2 米,高 750 毫米 (mm),连同 10.8 升的油箱,重量为 21 公斤(图 2)。为了便于运输,可以将其折叠成一个每边长度不到一米的箱子。

图 2:DS30 是一款尺寸约为两米见方的八旋翼无人机,可折叠成一米见方。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)

该公司的数据显示,由于氢气的有效能量密度约为锂基电池的 4 至 5 倍,加上相关的燃料电池,这款无人机的飞行时间约为 120 分钟,有效载荷为 5 公斤(最大),飞行距离可达 80 公里 (km)。象使用电池一样方便,加注燃料也很简单:当轻质碳纤维燃料箱中的燃料用尽后(图 3),几分钟内就可以更换另一个燃料箱,从而最大限度缩短地面时间。燃料箱的尺寸不大:只有长 435 mm,直径 225 mm,加压至 350 巴。

图 3:10.8 升的氢气罐由轻质碳纤维制成,工作压力为 350 巴。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)

升级后的燃料电池

基本规格只是说明了一部分,因为燃料电池才是创新设计的整体性能的起点(图 4)。虽然燃料电池技术已经使用了几十年,甚至在阿波罗月球任务中也使用了燃料电池,但 Doosan 利用其专有设计和材料设计出了更高效、更轻便电池。

图 4:燃料电池的原理很简单,但最近在配置细节和材料方面取得的进步提高了效率,降低了重量。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)

燃料电池占只占整个动力包的一小部分(图 5),从插入的罐体中获取氢气并与氧气结合发电。

图 5:燃料电池与氢气罐属于动力包的一部分。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)

DS30 无人机完整的 DP30 动力包的额定功率为连续 2.6 kW 和 5 kW 峰值功率输出。安装 10.8 升油箱后,重量为 12.34 公斤。

从原始燃料电池到稳压电源轨

当然,仅有原始燃料电池直流输出是不够的。必须对该输出电压进行稳压,为转子电机以及电子器件提供清洁稳定的直流电源轨。

Doosan 的工程师们在这里面临一个传统设计决策:在所设计的众多所需功能中,创新型定制设计与合适的标准组件,你究竟选择哪一种?现实情况是,往往只有在那些能够发挥作用的领域进行创新才是最合理的。在这里,首要部分是燃料电池动力单元。然后,尽可能使用高性能现成组件,设计人员可以最大限度地减少设计中的未知因素、风险、集成问题、上市时间延迟以及其他不需要或不可预见的“惊喜”。

对于 DS30 无人机来说,燃料电池的开路电压 (OCV) 范围广且可在 40 V 至 74 V 范围内可变。由此,电源组提供了两个主要配电网络 (PDN):一个为无人机的 8 个转子电机供电(48 V,12 A),另一个为 12 V、8 A 输出,为控制器板和冷却风扇供电。为了实现 PDN 的高效率和高能量密度,Doosan 选择了 Vicor Corp 的三款标准产品(图 6):

图 6:来自燃料电池的动力子系统有两个主要分路:一路用于转子,一路用于控制板和冷却风扇。(图片来源:Vicor Corp)

对于转子,降压升压稳压器接受两个氢燃料电池堆的输出,以提供稳定、规范的 48 V 输出。将两个大小为 32.5 mm × 22 mm 的 Vicor PRM48AF480T400A00 降压升压稳压器并联,提供转子所需的 12 A 电流(图 7)。

图 7:两个 Vicor PRM48AF480T400A00 降压升压稳压器并联,向转子电机供电。(图片来源:Vicor Corp)

对于堆栈控制器板,采用 Vicor PRM48AH480T200A00 22.0 mm × 16.5 mm 的较小功率稳压器提供 4.17 A 48 V 稳压输出(图 8)。然后,采用 PI3546-00-LGIZ 10×10 mm 48 V 至 12 V 零压切换 (ZVS) 降压稳压器(图 9)。

图 8:Vicor PRM48AH480T200A00 用于在末级稳压器之前对直流电轨进行“预稳压”。(图片来源:Vicor Corp)

图 9:用于向为控制板和风扇供电的最后一个稳压器是 Vicor PI3546-00-LGIZ。(图片来源:Vicor Corp)

选用这些 DC-DC 稳压器后,燃料电池电源系统的直流输入到电源轨的输出效率达到 96.6% ,而损耗仅为 23.4 W。DIY 解决方案很难做到更好,需要更长的时间,且需要进行仔细的性能评估。

总结

成功的产品创新往往需要融合前沿技术进步、非常规思维和坚持不懈的精神,而且所有这些都结合使用了能够提供所需性能的现有标准产品。这样,设计团队就可以专注于系统开发、调试和集成方面的问题,同时从考虑事项清单中尽可能多地删除功能块。

参考文献和规范

1 – Doosan DS30 Drone: https://www.doosanmobility.com/en/products/drone-ds30/

2 – Doosan DP30 Power Pack: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 – Doosan Hydrogen Tank: https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

4 – Vicor: http://www.vicorpower.com/resource-library/case-studies/doosan

关于此作者

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Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

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