有人可能會(huì)說，1783年 蒙哥菲爾推出的熱氣球是第一架無人駕駛飛機(jī)。然而，沒有繩索的無人駕駛熱氣球的飛行只能由風(fēng)決定。

1892 年，托馬斯-愛迪生展示了線導(dǎo)魚雷，1898 年，尼古拉-特斯拉展示了他的無線電遙控船。幾十年后，市場上出現(xiàn)了第一批遙控?zé)o人駕駛汽車和飛機(jī)。如今，應(yīng)用范圍從玩具到自主、制導(dǎo)或遙控飛行、駕駛或潛水無人駕駛車輛。

圖1：基本無人飛行器電源架構(gòu)-無人飛行器UAV電源解決方案示例

所有這些設(shè)備都面臨著一些共同的挑戰(zhàn)。其中最重要的是安全運(yùn)行，以防止與人或物體相撞或失控空難。飛行器應(yīng)該重量輕，但動(dòng)力要足夠大，以攜帶盡可能多的有效載荷并實(shí)現(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行。

雖然在許多情況下數(shù)量很少，但每種應(yīng)用可能需要不同配置的傳感器、機(jī)械手或監(jiān)控設(shè)備。制造商可以通過使用靈活的模塊化平臺(tái)和現(xiàn)成設(shè)備來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從而以低成本快速滿足特定需求。

這些無人駕駛車輛如何提供電能動(dòng)力？

這取決于應(yīng)用和必要的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于短期運(yùn)行，可使用電池或超級(jí)電容器，現(xiàn)代燃料電池可延長運(yùn)行時(shí)間，而對(duì)于長期運(yùn)行，則可使用內(nèi)燃機(jī)或通過系繩提供能量。

有了所有這些不同的參數(shù)，為這些車輛上的電子設(shè)備供電就成為保證安全、預(yù)期運(yùn)行時(shí)間和高有效載荷的關(guān)鍵因素。源電壓各不相同，許多負(fù)載需要自己的穩(wěn)定電源電壓。在本文中，我們將介紹 P-DUKE 的電源模塊如何實(shí)現(xiàn)極為靈活的電源模塊解決方案。

這些車輛的機(jī)載電源架構(gòu)，無論是空中、地面或水下，都非常相似，由電源供應(yīng)器、用于各種負(fù)載的 DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、速度控制器和推進(jìn)馬達(dá)組成（圖 2）。

圖 2：基本無人機(jī)電源架構(gòu) - 基本電源架構(gòu)的簡化框圖

在大多數(shù)應(yīng)用中，推進(jìn)馬達(dá)直接由電源供電，以避免額外的轉(zhuǎn)換損耗。

在許多應(yīng)用中，使用電池組，所需的電壓和容量取決于系統(tǒng)的尺寸和最大功率。為了避免額外的轉(zhuǎn)換損耗，馬達(dá)通常直接由電池供電，但系統(tǒng)的其余部分需要穩(wěn)定的電壓。

對(duì)于無人機(jī)，3.7V 鋰聚合物電池串聯(lián)連接，標(biāo)稱電壓范圍為 3s = 11.1V 至 16s = 59.2V（s = 串聯(lián)電池?cái)?shù)量）。對(duì)于更長的飛行時(shí)間，可以使用燃料電池。

現(xiàn)代倉庫機(jī)器人，無論是自主式(UAV) 或引導(dǎo)式(UGV) 都配備了鋰離子或LiFePO4 電池，標(biāo)稱電壓從適用于較小系統(tǒng)的24V 左右到適用于堆高機(jī)等重載應(yīng)用的高達(dá)100V 以上。

哪些類型的DC DC轉(zhuǎn)換器電源解決方案適合用于無人機(jī)中不同電源供應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用中？

對(duì)于尋求在不同應(yīng)用中使用的靈活、模組化電源解決方案的設(shè)計(jì)人員來說，這些寬電源電壓是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。P-DUKE 提供了滿足這些要求的大型 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器 產(chǎn)品組合，輸入電壓范圍為 9 – 75V 和 14 – 160V，單或雙輸出電壓范圍為 3.3V 至 48V，功率等級(jí)為 10W 至 200W。這些產(chǎn)品也適合這些車輛有時(shí)運(yùn)行的惡劣環(huán)境。

為了給運(yùn)輸?shù)呢浳锖桶踩O(shè)備留出盡可能多的有效載荷和空間，所有其他部件應(yīng)盡可能輕且小。在內(nèi)部電源鏈中使用高效能、小型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)原因。效率對(duì)整體重量有重大影響，因?yàn)閾p耗越低，需要的散熱器就越小。使用模組而不是集中式電源解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，轉(zhuǎn)換器及其散發(fā)的熱量可以分布在整個(gè)系統(tǒng)中，靠近負(fù)載，從而使熱管理更加容易。

透過 P-DUKE 的小型輕量轉(zhuǎn)換器，可以輕松設(shè)計(jì)出適合各種應(yīng)用中不同電源的單一解決方案。如果需要另一個(gè)或額外的負(fù)載電壓？非常簡單，添加另一個(gè) DC/DC 模組或用同系列的即插即用替代品替換一個(gè)，工作就完成了。

讓我們來看幾個(gè)例子：

現(xiàn)代智慧工廠必須非常靈活，需要車輛在生產(chǎn)或倉庫設(shè)施內(nèi)自主導(dǎo)航和運(yùn)輸貨物。這些車輛使用雷射和攝影機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，并直接與制造系統(tǒng)和其他機(jī)器人進(jìn)行通訊。自動(dòng)駕駛車輛幾乎可以自由移動(dòng)，而引導(dǎo)車輛(UGV)則遵循由視覺標(biāo)記、磁帶、物體識(shí)別和里程計(jì)資料定義的預(yù)定義路徑。

關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是安全操作，因?yàn)檫@些強(qiáng)大而重型的車輛必須在任何情況下都能偵測到人類工人或其他障礙物。這種自主旅行是透過攝影機(jī)、感測器、雷射和物體識(shí)別技術(shù)的顯著改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。

電源架構(gòu)與圖 1 類似，用于提升和移動(dòng)運(yùn)輸貨物的較高功率馬達(dá)通常直接由電池供電。對(duì)于電池充電，使用有線或無線解決方案。

在圖3所示的應(yīng)用中，制造商的目標(biāo)是使用標(biāo)稱電壓為 24V 或 48V 的電池，具體取決于所需的功率和所需的有效負(fù)載。對(duì)于自動(dòng)駕駛，車輛的車載電腦處理來自現(xiàn)成攝影機(jī)和雷射雷達(dá)的資訊。許多工業(yè)設(shè)備已經(jīng)具有更寬的電源電壓范圍，但不涵蓋24V和48V電池。以下是功率等級(jí)從 4W 到 10W 不等的不同光達(dá)系統(tǒng)的幾個(gè)范例

因此，選擇了用于 CPU、攝影機(jī)、雷射雷達(dá)和其他12V設(shè)備的12V匯流排，并在需要時(shí)使用小型下游轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 5V或 3.3V電壓。隔離轉(zhuǎn)換器用于避免雜訊耦合到敏感感測器。

電源解決方案請參考P-DUKE 的 HAE150W 系列-12V 電壓, UDH03系列/ PDL12W系列-5V 電壓和 OSR03系列-3.3V 電壓。

圖3：用于自動(dòng)化工廠的無人駕駛車輛（駕駛倉庫機(jī)器人）的電源系統(tǒng)架構(gòu)圖

在低功耗應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)短的間歇運(yùn)行時(shí)間和快速充電，超級(jí)電容器可能是一種選擇。能量密度較低，最新技術(shù)似乎可以達(dá)到與鎳氫電池類似的值。超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)是不含任何危險(xiǎn)材料，內(nèi)阻低得多，從而能夠提供比電池更高的峰值電流。電池的使用壽命僅限于 2000 至 5000 次充電周期，而超級(jí)電容器可充電超過 100 萬次而不會(huì)出現(xiàn)明顯的效能下降。它們還可以在非常低的溫度下工作，例如在食品或冷凍貨物的倉庫中。

除了在放電過程中保持幾乎恒定電壓的電池外，超級(jí)電容器的電壓會(huì)顯著下降。以下范例適用于總耗電量為 100W、充電周期之間最長運(yùn)行時(shí)間為 60 秒的小型機(jī)器人。

Energy calculation:

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

Maximum voltage of the capacitor bank: 48V

Minimum voltage: 12V

Required capacity:  

透過串聯(lián)17個(gè)3V/100F超級(jí)電容，可以達(dá)到最大額定電壓51V時(shí)所需的容量。

圖 4 顯示了此超級(jí)跑車解決方案與標(biāo)準(zhǔn) 48V 電池的放電曲線。

圖 4：超級(jí)電容器與電池的放電曲線

價(jià)格肯定比電池高，但超級(jí)電容器組可以在運(yùn)行過程中在幾秒鐘內(nèi)充電，使機(jī)器人能夠不間斷地工作 24 小時(shí)?？紤]到壽命的差異以及更換有缺陷電池的成本，從長遠(yuǎn)來看，超級(jí)電容器解決方案更便宜。

需要一個(gè)涵蓋 12V 至 48V 寬電容器電壓擺幅的轉(zhuǎn)換器。沒問題，P-DUKE有一個(gè)9-75V輸入電壓和100W輸出功率的轉(zhuǎn)換器，請參考P-DUKE的 QAE100U 系列，請見圖5。

圖 5：使用超級(jí)電容器電源解決方案的機(jī)器人的典型電源架構(gòu)圖

最后一個(gè)例子是飛行時(shí)間超過 4 小時(shí)、需要燃油引擎的無人小型直升機(jī)系統(tǒng)。除了圖 1 所示之外，轉(zhuǎn)子直接由引擎驅(qū)動(dòng)，引擎還為飛行控制系統(tǒng)提供 28V 的典型飛機(jī)電壓。該直升機(jī)可配備紅外線/光學(xué)萬向節(jié)、各種感測器、光達(dá)、3D測繪和地理標(biāo)記系統(tǒng)以及許多其他需要穩(wěn)定12V供電電壓的設(shè)備，總功率為170W。

必要的 28V 至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須重量輕，能夠在低至 -40°C 的環(huán)境溫度下工作，并能承受轉(zhuǎn)子的高沖擊和振動(dòng)應(yīng)力。 IP67 保護(hù)和完整的 EMI 屏蔽需要用于整個(gè)電子設(shè)備的密封底盤，因此需要對(duì)電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻。

理想的解決方案是P-DUKE的 HAE200W 系列，半磚電源轉(zhuǎn)換器（圖 6）。它的工作電壓范圍為16.5 -75V，環(huán)境溫度低至-40°C，金屬底板可對(duì)直升機(jī)底盤進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻。由于采用矽灌封，它可以承受MIL標(biāo)準(zhǔn)的沖擊和振動(dòng)要求。該轉(zhuǎn)換器重量僅105克，不到直升機(jī)總重量的0.5%。最大功率為212W，也為額外的有效負(fù)載或短負(fù)載峰值提供了空間。

圖6：無人直升機(jī)系統(tǒng)的簡化電源動(dòng)力鏈

遠(yuǎn)端控制單元可由 12V 電池或船舶或地面車輛的 28V (16 – 50V) mil 電網(wǎng)供電。RF 放大器需要強(qiáng)大的 28V 電源，因此選擇該電壓作為主總線電壓。P-DUKE QAE100U 系列的 100W 轉(zhuǎn)換器（輸入范圍為 9V – 75V）產(chǎn)生此 28V 匯流排，而 P-DUKE 的下游低功率轉(zhuǎn)換器則為遠(yuǎn)端控制單元提供必要的電源電壓（圖 7）。

圖 7：遠(yuǎn)端遙控系統(tǒng)單元架構(gòu)圖

憑借P-DUKE廣泛的隔離和非隔離產(chǎn)品，可以根據(jù)負(fù)載要求產(chǎn)生各種電壓。

電源解決方案請參考P-DUKE的 PDL12W 系列-12V和5V電壓，OSR03 系列-3.3V電壓。

每個(gè)無人機(jī)應(yīng)用可能有不同的挑戰(zhàn)和要求。在本文中，我們希望將其范圍縮小到電源鏈的一些關(guān)鍵要素，這些要素在大多數(shù)情況下具有共同的要求：小空間、輕重量、高效率和可靠性，但更重要的是靈活性、模組化和易用性。最后，設(shè)計(jì)師需要一個(gè)有能力的合作伙伴提供必要的產(chǎn)品組合，并能夠支援客戶找到滿足其特定要求的最佳解決方案。

原文鏈接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_133.htm

DC/DC電源轉(zhuǎn)換器：https://www.pduke.com/sc/product_sort2.htm

HAE150W: https://www.pduke.com/sc/product_list339.htm

UDH03: https://www.pduke.com/sc/product_list296.htm

PDL12W: https://www.pduke.com/sc/product_list313.htm

OSR03: https://www.pduke.com/sc/product_list266.htm

QAE100U: https://www.pduke.com/sc/product_list335.htm

HAE200W: https://www.pduke.com/sc/product_list344.htm

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