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什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

發(fā)布時間:2024-05-17 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】無人機是一種無人駕駛的航空器,可以由人類操作員遠(yuǎn)程控制,也可以由編程的機載計算機自主導(dǎo)航。由于其為人類提供了一種利用天空的新方式,近年來備受追捧,其潛在的巨大價值也正在釋放出來。


無人機是一種無人駕駛的航空器,可以由人類操作員遠(yuǎn)程控制,也可以由編程的機載計算機自主導(dǎo)航。由于其為人類提供了一種利用天空的新方式,近年來備受追捧,其潛在的巨大價值也正在釋放出來。


根據(jù)Mordor Intelligence的研究報告,全球無人機市場規(guī)模預(yù)計在2024年為352.8億美元,到2029年將增長至676.4億美元,這期間的復(fù)合年增長率高達13.9%。


雖然無人機起步于軍用領(lǐng)域,不過其高速而持續(xù)的市場增長,主要得益于無人機在民用市場的開疆?dāng)U土,在建筑、農(nóng)業(yè)、能源、娛樂、執(zhí)法、消防、航空測繪等領(lǐng)域,無人機的滲透力越來越大,并正在定義一個區(qū)別于傳統(tǒng)航空業(yè)的全新的“低空經(jīng)濟”。以中國為例,按照工業(yè)和信息化部等四部門的規(guī)劃,到2030年,通用航空裝備(以無人機為主導(dǎo))與各個行業(yè)融合而推動的低空經(jīng)濟,將形成萬億級的市場規(guī)模。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖1:快速興起的無人機應(yīng)用(圖源:Vicor)


不過,如果你置身于這個新興行業(yè),在為樂觀的市場預(yù)期而歡欣鼓舞的同時,也一定會感受到,這種增長預(yù)期正在受到傳統(tǒng)技術(shù)的限制和阻礙——想要讓無人機經(jīng)受得住市場和用戶的考驗,就需要實現(xiàn)更大的有效載荷能力、更長的飛行時間(更遠(yuǎn)的航程),而傳統(tǒng)技術(shù)顯然不具備這種能力,這時就需要新的技術(shù)和解決方案來提供“動力”。


其實,人們對新技術(shù)的期待說起來也簡單:考慮到載荷和航程都與自重相關(guān),誰能夠在確保所需性能和功能的前提下,實現(xiàn)機載設(shè)備的輕量化、小型化和高效率,那就是理想的解決方案!這一核心訴求,也影響到無人機設(shè)計開發(fā)的方方面面。


無人機PDN輕量化設(shè)計的挑戰(zhàn)


眾所周知,目前主流無人機的動力都來自于電能,同時,無人機上搭載的各種設(shè)備,如傳感器、攝像機和通信設(shè)備,也都需要電源,這就決定了供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)是必不可少的一環(huán)。如何提高PDN的效率、可靠性,減輕重量和尺寸,為更大的有效載荷和功能騰出空間,也就成為了無人機設(shè)計中一個重要命題,這也是提升無人機有效載荷和航程的一個關(guān)鍵抓手。


無人機PDN輕量化的要求,可以被分解為三個電源管理上的設(shè)計目標(biāo):


小型輕量:PDN中所有電源管理組件,都要盡可能做到更小、更輕,這一要求顯而易見。同時,考慮到無人機總功率會不斷增加(基于不斷增長的動力和功能性需求),電源管理組件的功率密度也要增加,這就十分考驗相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計能力了。


高效率:在恒定的功率輸出下,效率越高,則意味著傳輸和轉(zhuǎn)換過程中無謂的能耗更少,自然有利于提高無人機的續(xù)航能力。同時,高效率也有助于簡化散熱系統(tǒng),避免使用笨重的散熱組件,為無人機“減負(fù)”。


寬輸入范圍:為了支持更充沛的電能輸出,PDN需要對高至幾百伏的輸入電壓進行轉(zhuǎn)換,而后將電能配送至各個用電負(fù)載,因此寬輸入范圍也是一個重要的設(shè)計考量。此外,方案也需要具備可擴展性,比如隨無人機電源需求的增加,通過簡單的并聯(lián)即可輕松進行電源擴展。


想要實現(xiàn)上述的目標(biāo),需要在深入理解無人機應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)架構(gòu)到每個電源管理節(jié)點上的模塊/器件,做全面的優(yōu)化,以形成理想的解決方案。在這方面,Vicor就是個中高手。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖2:Vicor無人機PDN解決方案(圖源:Vicor)


在系統(tǒng)架構(gòu)上,Vicor將無人機PDN解決方案分為兩級:第一級是將高壓電池輸出的母線電壓降壓轉(zhuǎn)換為一個中間母線電壓(比如圖2所示 ,從800V轉(zhuǎn)換為40V),這通常是通過一個固定比率母線轉(zhuǎn)換器來完成;第二級則是使用低電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,將中間母線電壓降至通用的28V電壓。實踐證明,這樣的架構(gòu),不僅可優(yōu)化效率和功率密度,而且還有利于簡化熱管理,應(yīng)該是更優(yōu)的選擇。


從器件層面來看,Vicor在每個電源轉(zhuǎn)換節(jié)點上,都采用了其開發(fā)的高效、高功率密度的電源模塊。每個電源模塊都是將數(shù)百個電子元器件集成在一個緊湊的封裝中,根據(jù)需要提供隔離、穩(wěn)壓、轉(zhuǎn)換和變壓等功能,且每個電源模塊都經(jīng)過了測試,即插即用,大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)的工作。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖3:Vicor電源模塊優(yōu)勢特性(圖源:Vicor)


歸納起來,在無人機應(yīng)用中,Vicor這種基于電源模塊的PDN解決方案,可以帶來三大優(yōu)勢:


高度集成,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,支持更大的功率密度。


高效率簡化了散熱系統(tǒng),優(yōu)化了整個系統(tǒng)的熱管理。


經(jīng)過測試的電源模塊,便于在系統(tǒng)中應(yīng)用集成,無需重復(fù)測試和確認(rèn)設(shè)計,加速開發(fā)進程。


有了優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu),加上Vicor豐富的電源模塊產(chǎn)品組合,這就構(gòu)成了一個完整的開發(fā)平臺,無論是哪種無人機的PDN應(yīng)用,都可以在其中快速找到對應(yīng)的解決方案。


理想的母線轉(zhuǎn)換器模塊


在Vicor的無人機PDN解決方案中,作為第一級的母線轉(zhuǎn)換器是關(guān)鍵的第一步。為此,Vicor提供了BCM??母線轉(zhuǎn)換器模塊,這是一款高密度、高效率、固定比率(非穩(wěn)壓)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊,其可將輸入電壓按照一定比例進行降壓轉(zhuǎn)換,并提供電流隔離,峰值效率高達98%,功率密度高達2,870W / in3。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖4:BCM母線轉(zhuǎn)換器模塊(圖源:Vicor)


BCM模塊本質(zhì)上是一個非常小的高頻DC-DC“變壓器”,按照固定比例(K值)進行電壓轉(zhuǎn)換。之所以選擇這種固定比率的DC-DC轉(zhuǎn)換方式,而不是常見的穩(wěn)壓式方案,是因為穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜——而對于中間配電母線電壓而言,穩(wěn)壓并不那么重要;與之相較,固定比率轉(zhuǎn)換器則可在更小的尺寸下提供比穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器更高的效率,對于簡化系統(tǒng)、實現(xiàn)小型化和輕量化、提升PDN整體系統(tǒng)效率大有裨益。


BCM系列支持從48V到800V的輸入范圍,提供各種K值的產(chǎn)品,以適應(yīng)不同應(yīng)用所需。同時,BCM系列利用Vicor諧振正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC)拓?fù)洌酶哳l零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)實現(xiàn)了出色的高效率和功率密度,同時具有低噪聲和快速瞬態(tài)響應(yīng)。


此外,BCM的低交流阻抗超出了大多數(shù)下游穩(wěn)壓器的帶寬,這使得通常放置于穩(wěn)壓器輸入端的大容量電容可以移至BCM的高壓輸入端,有利于降低對大容量電容的要求,節(jié)省電路板面積和系統(tǒng)成本。


值得一提的是,BCM模塊還可以很輕松地并聯(lián)到更高功率的陣列中;BCM也可通過串聯(lián)實現(xiàn)更高的Vout,具有靈活的可擴展性。


Vicor的BCM采用ChiP或Vicor集成型適配器 (VIA) 封裝,它們都在散熱方面都進行了優(yōu)化,而且有些模塊還集成了PMBus通信和EMI濾波,以滿足更復(fù)雜的功能性要求。


總之,高效率、高功率密度、有利于散熱的封裝、靈活可擴展……這些差異化的特性,讓BCM模塊在高輸入電壓、大功率的無人機應(yīng)用中,確立了獨特的價值優(yōu)勢。


賦能輕量化無人機PDN應(yīng)用


BCM模塊在無人機領(lǐng)域的一個典型應(yīng)用,就是通信無人機的PDN設(shè)計。


通信無人機的特點是利用太陽能作為能量源,來滿足其長時間飛行的需求,為特定場景提供無線通信連接服務(wù)。太陽能電源系統(tǒng)使用極大功率點跟蹤 (MPPT) 電路確保太陽能的采集和轉(zhuǎn)換,PDN的工作則是將太陽能電池板輸出的350V高壓直流母線電壓轉(zhuǎn)換為48V的中間母線電壓,或者可以作為二級電池的充電電壓。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖5:通信無人機利用太陽能作為能量源(圖源:Vicor)


針對這一特定應(yīng)用,Vicor的解決方式是:采用BCM6123完成350V到48V中間母線的隔離轉(zhuǎn)換;再由具有極寬輸入電壓范圍的PI3741 ZVS升降壓穩(wěn)壓器,將中間母線電壓轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格穩(wěn)壓的28V輸出,為各個無人機負(fù)載供電。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖6:面向通信無人機的PDN解決方案(圖源:Vicor)


該方案中用到的BCM6123是BCM系列的主打產(chǎn)品之一,是一款基于ChiP封裝的母線轉(zhuǎn)換器模塊,額定工作輸入電壓為380VDC,具有隔離式安全超低電壓 (SELV) 二次輸出,輸出電流高達125A。BCM6123模塊的輸出電壓為8.1V至51.3V,效率高達98%。其同樣可以通過并聯(lián)輸入和輸出實現(xiàn)高功率陣列。同時,BCM6123還具有數(shù)字PMBus通信功能,可在系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)控制和遙測功能。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖7:BCM6123 ChiP母線轉(zhuǎn)換器模塊(圖源:Vicor)


可以說,BCM6123模塊能夠滿足通信無人機對于高效、小型化、輕量級PDN的所有需要。同樣,如果你需要其他無人機PDN解決方案,也可以在Vicor的方案集中找到心儀的那一款。


什么樣的電源設(shè)計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠(yuǎn)?

圖8:Vicor的無人機PDN解決方案集(圖源:Vicor)


本文小結(jié)


無人機技術(shù)正在迅猛發(fā)展,隨著產(chǎn)品的迭代升級,其對電能需求也越來越大。簡單地讓無人機“背”上容量更大的電池、增大輸出功率,顯然會犧牲掉更為關(guān)鍵的有效載荷和續(xù)航能力,這是不能接受的。而傳統(tǒng)的無人機動力系統(tǒng),缺乏高功率密度、高效率、輕量級的解決方案,來滿足新型無人機的新需求。


為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),Vicor提出了一個創(chuàng)新的思路:打造一個基于模塊化電源產(chǎn)品的為無人機專門優(yōu)化的PDN,提高效率、可靠性、減輕重量和尺寸,以實現(xiàn)更大的航程和飛行時間。這應(yīng)該就是無人機電源系統(tǒng)設(shè)計這道難題的正確答案。

文章來源:貿(mào)澤電子


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