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          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          發布時間:2024-05-17 責任編輯:lina

          【導讀】無人機是一種無人駕駛的航空器,可以由人類操作員遠程控制,也可以由編程的機載計算機自主導航。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程控制,也可以由編程的機載計算機自主導航。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Mordor Intelligence的研究報告,全球無人機市場規模預計在2024年為352.8億美元,到2029年將增長至676.4億美元,這期間的復合年增長率高達13.9%。


          雖然無人機起步于軍用領域,不過其高速而持續的市場增長,主要得益于無人機在民用市場的開疆擴土,在建筑、農業、能源、娛樂、執法、消防、航空測繪等領域,無人機的滲透力越來越大,并正在定義一個區別于傳統航空業的全新的“低空經濟”。以中國為例,按照工業和信息化部等四部門的規劃,到2030年,通用航空裝備(以無人機為主導)與各個行業融合而推動的低空經濟,將形成萬億級的市場規模。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖1:快速興起的無人機應用(圖源:Vicor)


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


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


          無人機PDN輕量化設計的挑戰


          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備,如傳感器、攝像機和通信設備,也都需要電源,這就決定了供電網絡(PDN)是必不可少的一環。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計目標:


          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,這就十分考驗相關產品的設計能力了。


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


          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換,而后將電能配送至各個用電負載,因此寬輸入范圍也是一個重要的設計考量。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,通過簡單的并聯即可輕松進行電源擴展。


          想要實現上述的目標,需要在深入理解無人機應用需求的基礎上,從系統架構到每個電源管理節點上的模塊/器件,做全面的優化,以形成理想的解決方案。在這方面,Vicor就是個中高手。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖2:Vicor無人機PDN解決方案(圖源:Vicor)


          在系統架構上,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換為一個中間母線電壓(比如圖2所示 ,從800V轉換為40V),這通常是通過一個固定比率母線轉換器來完成;第二級則是使用低電壓DC-DC轉換器,將中間母線電壓降至通用的28V電壓。實踐證明,這樣的架構,不僅可優化效率和功率密度,而且還有利于簡化熱管理,應該是更優的選擇。


          從器件層面來看,Vicor在每個電源轉換節點上,都采用了其開發的高效、高功率密度的電源模塊。每個電源模塊都是將數百個電子元器件集成在一個緊湊的封裝中,根據需要提供隔離、穩壓、轉換和變壓等功能,且每個電源模塊都經過了測試,即插即用,大大簡化了系統開發的工作。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖3:Vicor電源模塊優勢特性(圖源:Vicor)


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


          高度集成,結構緊湊,重量輕,支持更大的功率密度。


          高效率簡化了散熱系統,優化了整個系統的熱管理。


          經過測試的電源模塊,便于在系統中應用集成,無需重復測試和確認設計,加速開發進程。


          有了優化的系統架構,加上Vicor豐富的電源模塊產品組合,這就構成了一個完整的開發平臺,無論是哪種無人機的PDN應用,都可以在其中快速找到對應的解決方案。


          理想的母線轉換器模塊


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


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖4:BCM母線轉換器模塊(圖源:Vicor)


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


          BCM系列支持從48V到800V的輸入范圍,提供各種K值的產品,以適應不同應用所需。同時,BCM系列利用Vicor諧振正弦振幅轉換器(SAC)拓撲,利用高頻零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)實現了出色的高效率和功率密度,同時具有低噪聲和快速瞬態響應。


          此外,BCM的低交流阻抗超出了大多數下游穩壓器的帶寬,這使得通常放置于穩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,節省電路板面積和系統成本。


          值得一提的是,BCM模塊還可以很輕松地并聯到更高功率的陣列中;BCM也可通過串聯實現更高的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化,而且有些模塊還集成了PMBus通信和EMI濾波,以滿足更復雜的功能性要求。


          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、大功率的無人機應用中,確立了獨特的價值優勢。


          賦能輕量化無人機PDN應用


          BCM模塊在無人機領域的一個典型應用,就是通信無人機的PDN設計。


          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。太陽能電源系統使用極大功率點跟蹤 (MPPT) 電路確保太陽能的采集和轉換,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。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖5:通信無人機利用太陽能作為能量源(圖源:Vicor)


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


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          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系列的主打產品之一,是一款基于ChiP封裝的母線轉換器模塊,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輸入和輸出實現高功率陣列。同時,BCM6123還具有數字PMBus通信功能,可在系統設計中實現控制和遙測功能。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖7:BCM6123 ChiP母線轉換器模塊(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。


          什么樣的電源設計,能讓無人機載荷更大、飛得更遠?

          圖8:Vicor的無人機PDN解決方案集(圖源:Vicor)


          本文小結


          無人機技術正在迅猛發展,隨著產品的迭代升級,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鍵的有效載荷和續航能力,這是不能接受的。而傳統的無人機動力系統,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。


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

          文章來源:貿澤電子


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