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