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商用氫燃料電池強力驅動無人機執行救援任務
[作者 Vicor]   2021年01月12日 星期二 瀏覽人次: [1545]

斗山摩拜創新(DMI)正在使用由其創新的能量密集型氫燃料電池驅動的無人機,向偏遠地區運送人道主義救援物資。這些無人機飛行時間長達兩個小時,已將口罩和應急物資從美國大陸運送到維京群島,從韓國大陸運送到濟州島,並已飛上韓國最高山—漢拏山,提供醫療AED。這項技術為開發具有更大活動範圍及載荷能力的移動機器人鋪平了道路。



圖1 : DMI無人機向維京群島運送緊急醫療物資。氫燃料電池組可為無人機實現超過 2 個小時的飛行時間,因而實現了此一應用;其飛行時間比大多數電池供電無人機長4倍。
圖1 : DMI無人機向維京群島運送緊急醫療物資。氫燃料電池組可為無人機實現超過 2 個小時的飛行時間,因而實現了此一應用;其飛行時間比大多數電池供電無人機長4倍。

此外,DMI航程更大的無人機現在也用於商業應用,其中較長的飛行時間實現了對大型太陽能發電廠的監控,例如韓國位於海南郡 Solasido 的最大太陽能發電廠。如果使用電池供電無人機來執行此一任務,則需要更換六次以上的電池。



圖2 : DMI無人機以極高的效率和速度實現對太陽能面板的檢查。使用配備通用攝影機和熱成像攝影機的氫燃料電池無人機,只進行了兩次自動網格飛行,就獲得了一座約 20 兆瓦的發電廠的發電廠影像。如果使用電池供電無人機來執行此一任務,則需要更換六次以上的電池。
圖2 : DMI無人機以極高的效率和速度實現對太陽能面板的檢查。使用配備通用攝影機和熱成像攝影機的氫燃料電池無人機,只進行了兩次自動網格飛行,就獲得了一座約 20 兆瓦的發電廠的發電廠影像。如果使用電池供電無人機來執行此一任務,則需要更換六次以上的電池。

高密度電源設計,優化電池組效能

為行動裝置開發氫燃料電池,需要從材料科學到整個系統級設計優化的整體技術創新。行動性的關鍵是小型化、提高效率和減輕系統重量。此外,還應結合高能量輸出和耐用性,以實現長期、穩定的飛行。因此,必須減輕堆疊的重量,配置具有高功率密度的動力系統,並簡化包括週邊元件在內的整個電池組的設計,以全面優化系統。


這些設計目標的核心是系統供電網路(PDN)的架構和實施。DP30電池組有兩大動力系統,為無人機的轉子和兩個堆疊的控制器供電。DP30電池組的輸出電壓範圍寬,而且可在40V至74V之間變化,因此動力系統旨在確保向無人機轉子電機提供嚴格穩壓的48V 12A輸出,向堆疊控制器電路板及風扇提供12V 8A輸出。



圖3 : 能量密度比較:氫燃料電池和鋰電池
圖3 : 能量密度比較:氫燃料電池和鋰電池

為了在PDN中實現高效率和高能量密度,DMI選擇了Vicor PRM升降壓穩壓器和ZVS降壓穩壓器。PRM支持高達74V的氫燃料電池組開路電壓(OCV),能夠針對48V電壓執行穩定穩壓,如圖5所示。



圖4 : 氫燃料電池組的結構
圖4 : 氫燃料電池組的結構

在無人機的轉子側PDN中,並行配置了兩個PRM升降壓穩壓器 (PRM48AF480T400A00),以提供轉子所需的 12A 電流。堆疊中用於數位控制器電路板的 PDN 先使用較低功耗的 PRM(PRM48AH480T200A00),然後接48V至12V ZVS降壓穩壓器 (PI3546-00-LGIZ)。



圖5 : 為實現高效率和高能量密度,採用了Vicor PRM升降壓穩壓器和 ZVS 降壓穩壓器。PRM 支援高達 74V 的氫燃料電池堆疊開路電壓 (OCV),能夠針對 48V 電壓執行穩定穩壓。
圖5 : 為實現高效率和高能量密度,採用了Vicor PRM升降壓穩壓器和 ZVS 降壓穩壓器。PRM 支援高達 74V 的氫燃料電池堆疊開路電壓 (OCV),能夠針對 48V 電壓執行穩定穩壓。

按電源容量提供多樣化的產品線

除了目前正在生產的2.6kW DP30電池組,DMI 計畫按電源容量提供多樣化的產品線。該公司不僅將開發各種容量的產品,從1.5kW氫燃料電池組(計畫在明年發佈)到10kW氫燃料電池組應有盡有,而且還將推出適合每一款電池組的相應無人機。


Vicor模組化電源配置能夠實現可擴充性,支援這些不同的產品線。此外,這也有助於DMI集中精力解決由電源容量擴大引起的各種其它工程問題,如堆疊結構變化、動力系統及外接元件以及散熱方法等。有了Vicor解決方案,DMI能夠更好地實現其重要目標:增強耐用性和穩定性;以高能量密度實現小型化的輕量級燃料電池。


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