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为无人驾驶飞行器UAV供电：适用于多种系统电源解决方案的直流-直流电源转换器

供稿：博大科技股份有限公司

• 关键词：无人驾驶飞行器,直流电源转换器,工业电源

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• 摘要：有人可能会说，1783年蒙哥菲尔推出的热气球是架无人驾驶飞机。没有绳索的无人驾驶热气球的飞行只能由风决定。

有人可能会说，1783年蒙哥菲尔推出的热气球是架无人驾驶飞机。没有绳索的无人驾驶热气球的飞行只能由风决定。

1892 年，托马斯-爱迪生展示了线导鱼雷，1898年，尼古拉-特斯拉展示了他的无线电遥控船。几十年后，市场上出现了批遥控无人驾驶汽车和飞机。如今，应用范围从玩具到自主、制导或遥控飞行、驾驶或潜水无人驾驶车辆。

图1：基本无人飞行器电源架构-无人飞行器UAV电源解决方案示例

所有这些设备都面临着一些共同的挑战。其中重要的是安全运行，以防止与人或物体相撞或失控空难。飞行器应该重量轻，但动力要足够大，以携带尽可能多的有效载荷并实现长时间运行。

在许多情况下数量很少，但每种应用可能需要不同配置的传感器、机械手或监控设备。制造商可以通过使用灵活的模块化平台和现成设备来应对这一挑战，从而以低成本快速满足特定需求。

这些无人驾驶车辆如何提供电能动力？

这取决于应用和必要的运行时间。对于短期运行，可使用电池或超级电容器，现代燃料电池可延长运行时间，而对于长期运行，则可使用内燃机或通过系绳提供能量。

有了所有这些不同的参数，为这些车辆上的电子设备供电就成为保证安全、预期运行时间和高有效载荷的关键因素。源电压各不相同，许多负载需要自己的稳定电源电压。在本文中，我们将介绍P-DUKE 的电源模块如何实现极为灵活的电源模块解决方案。

这些车辆的机载电源架构，无论是空中、地面或水下，都非常相似，由电源供应器、用于各种负载的DC-DC电源转换器、速度控制器和推进马达组成（图 2）。

图 2：基本无人机电源架构 - 基本电源架构的简化框图

在大多数应用中，推进马达直接由电源供电，以避免额外的转换损耗。

在许多应用中，使用电池组，所需的电压和容量取决于系统的尺寸和大功率。为了避免额外的转换损耗，马达通常直接由电池供电，但系统的其余部分需要稳定的电压。

对于无人机，3.7V 锂聚合物电池串联连接，标称电压范围为 3s = 11.1V 至 16s = 59.2V（s =串联电池数量）。对于更长的飞行时间，可以使用燃料电池。

现代仓库机器人，无论是自主式(UAV) 或引导式(UGV) 都配备了锂离子或LiFePO4 电池，标称电压从适用于较小系统的24V左右到适用于堆高机等重载应用的高达100V 以上。

哪些类型的DC DC转换器电源解决方案适合用于无人机中不同电源供应系统的应用中？

对于寻求在不同应用中使用的灵活、模组化电源解决方案的设计人员来说，这些宽电源电压是一个真正的挑战。P-DUKE提供了满足这些要求的大型 DC/DC电源转换器 产品组合，输入电压范围为 9 – 75V 和 14 – 160V，单或双输出电压范围为3.3V 至 48V，功率等级为 10W 至 200W。这些产品也适合这些车辆有时运行的恶劣环境。

为了给运输的货物和安全设备留出尽可能多的有效载荷和空间，所有其他部件应尽可能轻且小。在内部电源链中使用高效能、小型 DC/DC电源转换器的另一个原因。效率对整体重量有重大影响，因为损耗越低，需要的散热器就越小。使用模组而不是集中式电源解决方案的优点是，转换器及其散发的热量可以分布在整个系统中，靠近负载，从而使热管理更加容易。

透过 P-DUKE的小型轻量转换器，可以轻松设计出适合各种应用中不同电源的单一解决方案。如果需要另一个或额外的负载电压？非常简单，添加另一个 DC/DC模组或用同系列的即插即用替代品替换一个，工作就完成了。

让我们来看几个例子：

现代智慧工厂必须非常灵活，需要车辆在生产或仓库设施内自主导航和运输货物。这些车辆使用雷射和摄影机进行导航，并直接与制造系统和其他机器人进行通讯。自动驾驶车辆几乎可以自由移动，而引导车辆(UGV)则遵循由视觉标记、磁带、物体识别和里程计资料定义的预定义路径。

关键的挑战是安全操作，因为这些强大而重型的车辆必须在任何情况下都能侦测到人类工人或其他障碍物。这种自主旅行是透过摄影机、感测器、雷射和物体识别技术的显著改进实现的。

电源架构与图 1 类似，用于提升和移动运输货物的较高功率马达通常直接由电池供电。对于电池充电，使用有线或无线解决方案。

在图3所示的应用中，制造商的目标是使用标称电压为 24V 或 48V的电池，具体取决于所需的功率和所需的有效负载。对于自动驾驶，车辆的车载电脑处理来自现成摄影机和雷射雷达的资讯。许多工业设备已经具有更宽的电源电压范围，但不涵盖24V和48V电池。以下是功率等级从4W 到 10W 不等的不同光达系统的几个范例

选择了用于 CPU、摄影机、雷射雷达和其他12V设备的12V汇流排，并在需要时使用小型下游转换器产生 5V或3.3V电压。隔离转换器用于避免杂讯耦合到敏感感测器。

电源解决方案请参考P-DUKE 的 HAE150W 系列-12V 电压, UDH03系列/ PDL12W系列-5V 电压和OSR03系列-3.3V 电压。

图3：用于自动化工厂的无人驾驶车辆（驾驶仓库机器人）的电源系统架构图

在低功耗应用中，可以实现短的间歇运行时间和快速充电，超级电容器可能是一种选择。能量密度较低，似乎可以达到与镍氢电池类似的值。超级电容器的优点是不含任何危险材料，内阻低得多，从而能够提供比电池更高的峰值电流。电池的使用寿命于2000 至 5000 次充电周期，而超级电容器可充电超过 100万次而不会出现明显的效能下降。它们还可以在非常低的温度下工作，例如在食品或冷冻货物的仓库中。

除了在放电过程中保持几乎恒定电压的电池外，超级电容器的电压会显著下降。以下范例适用于总耗电量为 100W、充电周期之间长运行时间为60 秒的小型机器人。

Energy calculation:

E = P * t = 100W * 60s = 6kJ = 1.67Wh

Maximum voltage of the capacitor bank: 48V

Minimum voltage: 12V

Required capacity:  

透过串联17个3V/100F超级电容，可以达到大额定电压51V时所需的容量。

图 4 显示了此超级跑车解决方案与标准 48V 电池的放电曲线。

图 4：超级电容器与电池的放电曲线

价格肯定比电池高，但超级电容器组可以在运行过程中在几秒钟内充电，使机器人能够不间断地工作 24小时。考虑到寿命的差异以及更换有缺陷电池的成本，从长远来看，超级电容器解决方案更便宜。

需要一个涵盖 12V 至 48V宽电容器电压摆幅的转换器。没问题，P-DUKE有一个9-75V输入电压和100W输出功率的转换器，请参考P-DUKE的 QAE100U系列，请见图5。

图 5：使用超级电容器电源解决方案的机器人的典型电源架构图

后一个例子是飞行时间超过 4 小时、需要燃油引擎的无人小型直升机系统。除了图 1所示之外，转子直接由引擎驱动，引擎还为飞行控制系统提供 28V的典型飞机电压。该直升机可配备红外线/光学万向节、各种感测器、光达、3D测绘和地理标记系统以及许多其他需要稳定12V供电电压的设备，总功率为170W。

必要的 28V 至 12V DC/DC 转换器必须重量轻，能够在低至 -40°C 的环境温度下工作，并能承受转子的高冲击和振动应力。IP67 保护和完整的 EMI 屏蔽需要用于整个电子设备的密封底盘，需要对电源转换器进行传导冷却。

理想的解决方案是P-DUKE的 HAE200W 系列，半砖电源转换器（图 6）。它的工作电压范围为16.5-75V，环境温度低至-40°C，金属底板可对直升机底盘进行传导冷却。由于采用矽灌封，它可以承受MIL标准的冲击和振动要求。该转换器重量仅105克，不到直升机总重量的0.5%。大功率为212W，也为额外的有效负载或短负载峰值提供了空间。

图6：无人直升机系统的简化电源动力链

远端控制单元可由 12V 电池或船舶或地面车辆的 28V (16 – 50V) mil 电网供电。RF 放大器需要强大的 28V电源，选择该电压作为主总线电压。P-DUKE QAE100U 系列的 100W 转换器（输入范围为 9V – 75V）产生此28V 汇流排，而 P-DUKE 的下游低功率转换器则为远端控制单元提供必要的电源电压（图 7）。

图 7：远端遥控系统单元架构图

凭借P-DUKE广泛的隔离和非隔离产品，可以根据负载要求产生各种电压。

电源解决方案请参考P-DUKE的 PDL12W 系列-12V和5V电压，OSR03 系列-3.3V电压。

每个无人机应用可能有不同的挑战和要求。在本文中，我们希望将其范围缩小到电源链的一些关键要素，这些要素在大多数情况下具有共同的要求：小空间、轻重量、高效率和可靠性，但更重要的是灵活性、模组化和易用性。后，设计师需要一个有能力的合作伙伴提供必要的产品组合，并能够支援客户找到满足其特定要求的佳解决方案。

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