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商用氢燃料电池强力驱动无人机执行救援任务
[作者 Vicor]   2021年01月12日 星期二 浏览人次: [3568]

斗山摩拜创新(DMI)正在使用由其创新的能量密集型氢燃料电池驱动的无人机,向偏远地区运送人道主义救援物资。这些无人机飞行时间长达两个小时,已将口罩和应急物资从美国大陆运送到维京群岛,从韩国大陆运送到济州岛,并已飞上韩国最高山—汉拿山,提供医疗AED。这项技术为开发具有更大活动范围及载荷能力的移动机器人铺平了道路。



图1 : DMI无人机向维京群岛运送紧急医疗物资。氢燃料电池组可为无人机实现超过 2 个小时的飞行时间,因而实现了此一应用;其飞行时间比大多数电池供电无人机长4倍。
图1 : DMI无人机向维京群岛运送紧急医疗物资。氢燃料电池组可为无人机实现超过 2 个小时的飞行时间,因而实现了此一应用;其飞行时间比大多数电池供电无人机长4倍。

此外,DMI航程更大的无人机现在也用于商业应用,其中较长的飞行时间实现了对大型太阳能发电厂的监控,例如韩国位于海南郡 Solasido 的最大太阳能发电厂。如果使用电池供电无人机来执行此一任务,则需要更换六次以上的电池。



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。使用配备通用摄影机和热成像摄影机的氢燃料电池无人机,只进行了两次自动网格飞行,就获得了一座约 20 兆瓦的发电厂的发电厂影像。如果使用电池供电无人机来执行此一任务,则需要更换六次以上的电池。
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。使用配备通用摄影机和热成像摄影机的氢燃料电池无人机,只进行了两次自动网格飞行,就获得了一座约 20 兆瓦的发电厂的发电厂影像。如果使用电池供电无人机来执行此一任务,则需要更换六次以上的电池。

高密度电源设计,优化电池组效能

为行动装置开发氢燃料电池,需要从材料科学到整个系统级设计优化的整体技术创新。行动性的关键是小型化、提高效率和减轻系统重量。此外,还应结合高能量输出和耐用性,以实现长期、稳定的飞行。因此,必须减轻堆叠的重量,配置具有高功率密度的动力系统,并简化包括周边元件在内的整个电池组的设计,以全面优化系统。


这些设计目标的核心是系统供电网路(PDN)的架构和实施。 DP30电池组有两大动力系统,为无人机的转子和两个堆叠的控制器供电。 DP30电池组的输出电压范围宽,而且可在40V至74V之间变化,因此动力系统旨在确保向无人机转子电机提供严格稳压的48V 12A输出,向堆叠控制器电路板及风扇提供12V 8A输出。



图3 : 能量密度比较:氢燃料电池和锂电池
图3 : 能量密度比较:氢燃料电池和锂电池

为了在PDN中实现高效率和高能量密度,DMI选择了Vicor PRM升降压稳压器和ZVS降压稳压器。 PRM支持高达74V的氢燃料电池组开路电压(OCV),能够针对48V电压执行稳定稳压,如图5所示。



图4 : 氢燃料电池组的结构
图4 : 氢燃料电池组的结构

在无人机的转子侧PDN中,并行配置了两个PRM升降压稳压器 (PRM48AF480T400A00),以提供转子所需的 12A 电流。堆叠中用于数位控制器电路板的 PDN 先使用较低功耗的 PRM(PRM48AH480T200A00),然后接48V至12V ZVS降压稳压器 (PI3546-00-LGIZ)。



图5 : 为实现高效率和高能量密度,采用了Vicor PRM升降压稳压器和 ZVS 降压稳压器。PRM 支援高达 74V 的氢燃料电池堆叠开路电压 (OCV),能够针对 48V 电压执行稳定稳压。
图5 : 为实现高效率和高能量密度,采用了Vicor PRM升降压稳压器和 ZVS 降压稳压器。PRM 支援高达 74V 的氢燃料电池堆叠开路电压 (OCV),能够针对 48V 电压执行稳定稳压。

按电源容量提供多样化的产品线

除了目前正在生产的2.6kW DP30电池组,DMI 计画按电源容量提供多样化的产品线。该公司不仅将开发各种容量的产品,从1.5kW氢燃料电池组(计画在明年发布)到10kW氢燃料电池组应有尽有,而且还将推出适合每一款电池组的相应无人机。


Vicor模组化电源配置能够实现可扩充性,支援这些不同的产品线。此外,这也有助于DMI集中精力解决由电源容量扩大引起的各种其它工程问题,如堆叠结构变化、动力系统及外接元件以及散热方法等。有了Vicor解决方案,DMI能够更好地实现其重要目标:增强耐用性和稳定性;以高能量密度实现小型化的轻量级燃料电池。


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