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什么样的电源设计,能让无人机载荷更大、飞得更远?

关键词:电源设计 无人机

时间:2024-05-16 10:08:33      来源:贸泽电子

无人机是一种无人驾驶的航空器,可以由人类操作员远程控制,也可以由编程的机载计算机自主导航。由于其为人类提供了一种利用天空的新方式,近年来备受追捧,其潜在的巨大价值也正在释放出来。

无人机是一种无人驾驶的航空器,可以由人类操作员远程控制,也可以由编程的机载计算机自主导航。由于其为人类提供了一种利用天空的新方式,近年来备受追捧,其潜在的巨大价值也正在释放出来。

根据Mordor Intelligence的研究报告,全球无人机市场规模预计在2024年为352.8亿美元,到2029年将增长至676.4亿美元,这期间的复合年增长率高达13.9%。

虽然无人机起步于军用领域,不过其高速而持续的市场增长,主要得益于无人机在民用市场的开疆扩土,在建筑、农业、能源、娱乐、执法、消防、航空测绘等领域,无人机的渗透力越来越大,并正在定义一个区别于传统航空业的全新的“低空经济”。以中国为例,按照工业和信息化部等四部门的规划,到2030年,通用航空装备(以无人机为主导)与各个行业融合而推动的低空经济,将形成万亿级的市场规模。


图1:快速兴起的无人机应用(图源:Vicor)

不过,如果你置身于这个新兴行业,在为乐观的市场预期而欢欣鼓舞的同时,也一定会感受到,这种增长预期正在受到传统技术的限制和阻碍——想要让无人机经受得住市场和用户的考验,就需要实现更大的有效载荷能力、更长的飞行时间(更远的航程),而传统技术显然不具备这种能力,这时就需要新的技术和解决方案来提供“动力”。

其实,人们对新技术的期待说起来也简单:考虑到载荷和航程都与自重相关,谁能够在确保所需性能和功能的前提下,实现机载设备的轻量化、小型化和高效率,那就是理想的解决方案!这一核心诉求,也影响到无人机设计开发的方方面面。

无人机PDN轻量化设计的挑战

众所周知,目前主流无人机的动力都来自于电能,同时,无人机上搭载的各种设备,如传感器、摄像机和通信设备,也都需要电源,这就决定了供电网络(PDN)是必不可少的一环。如何提高PDN的效率、可靠性,减轻重量和尺寸,为更大的有效载荷和功能腾出空间,也就成为了无人机设计中一个重要命题,这也是提升无人机有效载荷和航程的一个关键抓手。

无人机PDN轻量化的要求,可以被分解为三个电源管理上的设计目标:

小型轻量:PDN中所有电源管理组件,都要尽可能做到更小、更轻,这一要求显而易见。同时,考虑到无人机总功率会不断增加(基于不断增长的动力和功能性需求),电源管理组件的功率密度也要增加,这就十分考验相关产品的设计能力了。

高效率:在恒定的功率输出下,效率越高,则意味着传输和转换过程中无谓的能耗更少,自然有利于提高无人机的续航能力。同时,高效率也有助于简化散热系统,避免使用笨重的散热组件,为无人机“减负”。

宽输入范围:为了支持更充沛的电能输出,PDN需要对高至几百伏的输入电压进行转换,而后将电能配送至各个用电负载,因此宽输入范围也是一个重要的设计考量。此外,方案也需要具备可扩展性,比如随无人机电源需求的增加,通过简单的并联即可轻松进行电源扩展。

想要实现上述的目标,需要在深入理解无人机应用需求的基础上,从系统架构到每个电源管理节点上的模块/器件,做全面的优化,以形成理想的解决方案。在这方面,Vicor就是个中高手。


图2:Vicor无人机PDN解决方案(图源:Vicor)

在系统架构上,Vicor将无人机PDN解决方案分为两级:第一级是将高压电池输出的母线电压降压转换为一个中间母线电压(比如图2所示 ,从800V转换为40V),这通常是通过一个固定比率母线转换器来完成;第二级则是使用低电压DC-DC转换器,将中间母线电压降至通用的28V电压。实践证明,这样的架构,不仅可优化效率和功率密度,而且还有利于简化热管理,应该是更优的选择。

从器件层面来看,Vicor在每个电源转换节点上,都采用了其开发的高效、高功率密度的电源模块。每个电源模块都是将数百个电子元器件集成在一个紧凑的封装中,根据需要提供隔离、稳压、转换和变压等功能,且每个电源模块都经过了测试,即插即用,大大简化了系统开发的工作。


图3:Vicor电源模块优势特性(图源:Vicor)

归纳起来,在无人机应用中,Vicor这种基于电源模块的PDN解决方案,可以带来三大优势:

• 高度集成,结构紧凑,重量轻,支持更大的功率密度。
• 高效率简化了散热系统,优化了整个系统的热管理。
• 经过测试的电源模块,便于在系统中应用集成,无需重复测试和确认设计,加速开发进程。

有了优化的系统架构,加上Vicor丰富的电源模块产品组合,这就构成了一个完整的开发平台,无论是哪种无人机的PDN应用,都可以在其中快速找到对应的解决方案。

理想的母线转换器模块

在Vicor的无人机PDN解决方案中,作为第一级的母线转换器是关键的第一步。为此,Vicor提供了BCM®️母线转换器模块,这是一款高密度、高效率、固定比率(非稳压)隔离式 DC-DC 转换器模块,其可将输入电压按照一定比例进行降压转换,并提供电流隔离,峰值效率高达98%,功率密度高达2,870W / in3。


图4:BCM母线转换器模块(图源:Vicor)

BCM模块本质上是一个非常小的高频DC-DC“变压器”,按照固定比例(K值)进行电压转换。之所以选择这种固定比率的DC-DC转换方式,而不是常见的稳压式方案,是因为稳压DC-DC转换器的结构更复杂——而对于中间配电母线电压而言,稳压并不那么重要;与之相较,固定比率转换器则可在更小的尺寸下提供比稳压转换器更高的效率,对于简化系统、实现小型化和轻量化、提升PDN整体系统效率大有裨益。

BCM系列支持从48V到800V的输入范围,提供各种K值的产品,以适应不同应用所需。同时,BCM系列利用Vicor谐振正弦振幅转换器(SAC)拓扑,利用高频零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)实现了出色的高效率和功率密度,同时具有低噪声和快速瞬态响应。

此外,BCM的低交流阻抗超出了大多数下游稳压器的带宽,这使得通常放置于稳压器输入端的大容量电容可以移至BCM的高压输入端,有利于降低对大容量电容的要求,节省电路板面积和系统成本。

值得一提的是,BCM模块还可以很轻松地并联到更高功率的阵列中;BCM也可通过串联实现更高的Vout,具有灵活的可扩展性。

Vicor的BCM采用ChiP或Vicor集成型适配器 (VIA) 封装,它们都在散热方面都进行了优化,而且有些模块还集成了PMBus通信和EMI滤波,以满足更复杂的功能性要求。

总之,高效率、高功率密度、有利于散热的封装、灵活可扩展……这些差异化的特性,让BCM模块在高输入电压、大功率的无人机应用中,确立了独特的价值优势。

赋能轻量化无人机PDN应用

BCM模块在无人机领域的一个典型应用,就是通信无人机的PDN设计。

通信无人机的特点是利用太阳能作为能量源,来满足其长时间飞行的需求,为特定场景提供无线通信连接服务。太阳能电源系统使用极大功率点跟踪 (MPPT) 电路确保太阳能的采集和转换,PDN的工作则是将太阳能电池板输出的350V高压直流母线电压转换为48V的中间母线电压,或者可以作为二级电池的充电电压。


图5:通信无人机利用太阳能作为能量源(图源:Vicor)

针对这一特定应用,Vicor的解决方式是:采用BCM6123完成350V到48V中间母线的隔离转换;再由具有极宽输入电压范围的PI3741 ZVS升降压稳压器,将中间母线电压转换为严格稳压的28V输出,为各个无人机负载供电。


图6:面向通信无人机的PDN解决方案(图源:Vicor)

该方案中用到的BCM6123是BCM系列的主打产品之一,是一款基于ChiP封装的母线转换器模块,额定工作输入电压为380VDC,具有隔离式安全超低电压 (SELV) 二次输出,输出电流高达125A。BCM6123模块的输出电压为8.1V至51.3V,效率高达98%。其同样可以通过并联输入和输出实现高功率阵列。同时,BCM6123还具有数字PMBus通信功能,可在系统设计中实现控制和遥测功能。


图7:BCM6123 ChiP母线转换器模块(图源:Vicor)

可以说,BCM6123模块能够满足通信无人机对于高效、小型化、轻量级PDN的所有需要。同样,如果你需要其他无人机PDN解决方案,也可以在Vicor的方案集中找到心仪的那一款。


图8:Vicor的无人机PDN解决方案集(图源:Vicor)

本文小结

无人机技术正在迅猛发展,随着产品的迭代升级,其对电能需求也越来越大。简单地让无人机“背”上容量更大的电池、增大输出功率,显然会牺牲掉更为关键的有效载荷和续航能力,这是不能接受的。而传统的无人机动力系统,缺乏高功率密度、高效率、轻量级的解决方案,来满足新型无人机的新需求。

为了应对这一挑战,Vicor提出了一个创新的思路:打造一个基于模块化电源产品的为无人机专门优化的PDN,提高效率、可靠性、减轻重量和尺寸,以实现更大的航程和飞行时间。这应该就是无人机电源系统设计这道难题的正确答案。

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