Skip to main content
文章

燃料电池供电无人机使用电源模块提供 4 倍的飞行时间

Vicor’s power-dense modules enabled Doosan to minimize payload and maximize power.

Doosan fuel cell drone

一种新型商用远程无人机使用氢燃料电池提供能源,能够为距离基地长达一小时航程的偏远地区的灾民提供人道主义救援。这款有 8 个电机的 DS30 无人机由斗山创新 (DMI) 制造,同样由 DMI 打造的 2.6kW 燃料电池为其提供动力。

DS30 的飞行速度高达 80 公里/小时,轻载时,补充一次燃料可飞行达两个小时。即使携带 5 公斤的设备、医疗用品或其它重要物质,它们的飞行半径和续航时间都有极佳的表现,,这不仅帮助它们完成了在美国维尔京群岛之间运送口罩和急救物资的任务,而且还帮助它们完成了向韩国济州岛最高山汉拿山山顶(6388 英尺)运送医疗 AED 的任务(图 1)。

DMI 的无人机能量密度比当前电池高 4 到 5 倍,因此可在不补充燃料的情况下完成检查任务。相比之下,电池供电无人机则需要更换 6 次以上电池才能完成任务。

Doosan fuel-cell drone image

图 1:DMI 无人机在维尔京群岛进行长时间的水上飞行,运送紧急医疗物资。氢燃料电池组可实现超过 2 个小时的无人机飞行时间,因而实现了这一应用;其飞行时间比大多数电池供电无人机长 4 倍。

DMI 的远程无人机自近期推出以来,已发现其它几项商业应用,如监控大型太阳能发电厂,其中包括位于韩国海南 Solasido 的韩国目前最大太阳能发电厂(图 2)。DMI 的无人机能量密度比当前电池所提供的能量密度高 4 到 5 倍,因此可在不补充燃料的情况下完成检查任务。相比之下,电池供电无人机则需要更换 6 次以上电池才能完成该任务。

Doosan solar panel with fuel-cell drone image

图 2:DMI 无人机以极高的效率和速度实现对太阳能面板的检查。使用配备通用摄像头和热成像摄像头的氢燃料电池无人机,只进行了两次自动网格化飞行,就获得了一座约 20MW 发电厂的发电厂图像。如果使用电池供电无人机来执行这一任务,则需要更换六次以上的电池。

正如我们看到的,让无人机完成这些壮举的工程几乎和它们拯救的生命一样,让人难以忘怀。

为飞行优化燃料电池

虽然压缩氢本身的能量密度 (Wh/kg) 远远高于目前的任何锂电池,但产生动力所需的燃料电池的重量则使得实现氢动力航空变得困难重重(图 3)。然而,由于 DMI 多年来一直在开发和制造固定燃料电池以及为其供电的电子材料,他们觉得可以利用自己的经验来“扭转局势”,使用氢燃料。

Energy density comparison chart

图 3:能量密度比较:氢燃料电池与锂电池。

模块化氢能源电源

DMI 设计团队认识到,为移动设备打造经济高效的氢燃料电池,需要几项技术创新。由于增加的重量和体积会直接影响无人机的性能,设计团队集中力量开发了一款可能是最高能量密度的、非常紧凑的电池堆栈。

该电池组的工作由一款紧凑型控制器模块管理,不仅可自动执行堆栈的启动/关闭顺序,而且还可自动执行管理、监控以及保护功能。此外,它还可控制一对散热风扇,可在各种工作条件下保持其工作温度的稳定。

在启动过程中,该控制器可执行包括“清除”在内的几个进程,清除进程可清除DPI 的电池组还包括一个可拆卸的、经过安全认证的 10.8 升高压(350 巴)储氢罐,其可存储多达 300 克的氢,从而可提供比当前电池高 3 到 4 倍的能量密度。在补充燃料的过程中,1 分钟内即可完成碳复合材料强化罐的拆卸与更换。

Vicor 高密度电源模块提供高效率的转换

为了充分发挥其高密度燃料电池组的优势,DMI 与 Vicor 合作,基于 Vicor 的高性能高密度电源模块开发了一种供电网络 (PDN)。该 PDN 采用 48V 母线提高效率,进一步实现了 DMI 的超常飞行时间。

系统的 PDN 将燃料电池可变性极高的输出电压(40 至 74V)转换为严格稳压的电压,用于推进及燃料电池管理系统。PDN 由两个独立的供电链组成。第一个供电链可将高达 12A 的 48V 电源提供给无人机的旋翼电机,而另一个供电链则可将高达 8A 的 12V 电源提供给堆栈控制器电路板及其散热风扇。

为了实现 PDN 子系统所需的高效率及高能量密度,DMI 选择了预稳压调节 (PRM™) 升降压稳压器和零电压开关 (ZVS) 降压稳压器,这两种稳压器均来自 Vicor。PRM 在提供严格稳压 48V 输出的同时,可接受整个燃料电池堆栈的工作范围内的输入电压以及其高达 74V 的开路电压 (OCV)。

在 PDN 旋翼侧分支中,并联配置两个 PRM 升降压稳压器 (PRM48AF480T400A00),以提供旋翼所需的 12A 电流(图 4)。为燃料电池控制器板载电子设备的 12V 主母线供电的 PDN 支线使用一款较低功耗的 PRM (PRM48AH480T200A00),然后连接一款 ZVS 降压稳压器 (PI3546-00-LGIZ)。

Doosan PDN image

图 4:为了实现 PDN 子系统所需的高效率及高能量密度,使用了 Vicor PRM 升降压稳压器和一款 ZVS 降压稳压器。PRM 在提供严格稳压 48V 输出的同时,可接受整个燃料电池堆栈的工作范围内的输入电压以及其高达 74V 的开路电压 (OCV)。

此外,电池组还可配备混合动力电池,提供起飞和着陆所需的额外电源,并在燃料电池出现故障时作为备用电源系统。如果堆栈的电流突降,转换器可将其输出保持在安全范围内,并通过使用混合动力电池补充堆栈的输出来防止损坏。在堆栈完全发生故障时,该电池可使用长达 3 分钟的工作电源实现紧急着陆。

扩展电源的持续性

为了让现已投入量产的 DP30 2.6kW 电池组取得成功,DMI 计划通过其它几个单元扩展其产品线,以便为更广泛的应用提供服务。该系列将从计划于明年发布的 1.5kW 氢燃料电池组,到能够产生高达 10kW 电源的单元。此外,DPI 还打算通过一系列无人机进一步扩大其产品线,每款产品都可便捷地与一款全新电池组整合。 了解 无人机产品系列 的更多详情。

本文 最初由《电子设计》发表。

资源

Contact Form

联系Vicor

感谢您与我们联系。

您将在一个工作日内收到答复。