世界首款商業(yè)化氫燃料電池為，執(zhí)行人道主義任務(wù)的無人機(jī)提供強(qiáng)大動(dòng)力

斗山創(chuàng)新(DMI)正在使用由其創(chuàng)新的能量密集型氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)，向偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)送人道主義救援物資。這些無人機(jī)飛行時(shí)間長達(dá)兩個(gè)小時(shí)，已在美屬維爾京群島之間運(yùn)送口罩和應(yīng)急物資，并向位于濟(jì)州島的韓國最高峰漢拿山山頂（1947米）運(yùn)送醫(yī)療AED。這項(xiàng)技術(shù)為拓展移動(dòng)機(jī)器人的活動(dòng)范圍及載荷能力鋪平了道路。

圖1 DMI 無人機(jī)向維爾京群島運(yùn)送緊急醫(yī)療物資。氫燃料電池組可為無人機(jī)實(shí)現(xiàn)超過 2 個(gè)小時(shí)的飛行時(shí)間，比大多數(shù)電池供電無人機(jī)長 4 倍。

此外，DMI遠(yuǎn)程無人機(jī)現(xiàn)在也用于商業(yè)應(yīng)用，其中較長的飛行時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型太陽能發(fā)電廠的監(jiān)控，例如韓國位于海南郡Solasido的最大太陽能發(fā)電廠。如果使用電池供電無人機(jī)來執(zhí)行這一任務(wù)，則需要進(jìn)行六次以上的電池更換。

圖2 DMI 無人機(jī)以極高的效率和速度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能面板的檢查。使用配備通用攝像頭和熱成像攝像頭的氫燃料電池?zé)o人機(jī)，只進(jìn)行了兩次自動(dòng)網(wǎng)格飛行，就獲得了一座約 20 兆瓦的發(fā)電廠圖像。如果使用電池供電無人機(jī)來執(zhí)行這一任務(wù)，則需要進(jìn)行六次以上的電池更換。

高密度電源設(shè)計(jì)，優(yōu)化電池組性能

為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)氫燃料電池，需要全面的技術(shù)創(chuàng)新，從材料科學(xué)到整體系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化。移動(dòng)性的關(guān)鍵是小型化、提高效率和減輕系統(tǒng)重量。此外，還應(yīng)結(jié)合高能量輸出和耐用性，以實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定的飛行。因此，必須減輕堆棧的重量，配置具有高功率密度的動(dòng)力系統(tǒng)，并簡化包括外圍組件在內(nèi)的整個(gè)電池組的設(shè)計(jì)，全面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

這些設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心是系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)的架構(gòu)及其實(shí)施。DP30電池組有兩大動(dòng)力系統(tǒng)，為無人機(jī)的轉(zhuǎn)子和兩個(gè)堆棧的控制器供電。DP30電池組的輸出電壓范圍寬，而且可在40V至74V之間變化，因此動(dòng)力系統(tǒng)旨在確保向無人機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)提供嚴(yán)格穩(wěn)壓的48V，12A輸出，向堆?？刂破麟娐钒寮帮L(fēng)扇提供 12V， 8A 輸出。

圖3 能量密度比較：

氫燃料電池和鋰電池

為了實(shí)現(xiàn)高效率和高能量密度的供電網(wǎng)絡(luò)（PDN），DMI 選擇了 Vicor PRM? 升降壓穩(wěn)壓器和ZVS 降壓穩(wěn)壓器。PRM 支持高達(dá) 74V 的氫燃料電池組開路電壓 (OCV)，能夠針對(duì) 48V 電壓執(zhí)行穩(wěn)定穩(wěn)壓，如圖 5 所示。

在無人機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè) PDN 中，并行配置了兩個(gè) PRM 升降壓穩(wěn)壓器(PRM48AF480T400A00)，以提供轉(zhuǎn)子所需的 12A 電流。堆棧中用于數(shù)字控制器電路板的 PDN 先使用較低功耗的 PRM (PRM48AH480T200A00)，然后接 48V 至 12V ZVS 降壓穩(wěn)壓器 (PI3546-00-LGIZ)。

圖4 氫燃料電池組的結(jié)構(gòu)

按電源容量提供多樣化的產(chǎn)品線

除了目前正在生產(chǎn)的2.6kWDP30電池組，DMI計(jì)劃按電源容量提供多樣化的產(chǎn)品線。該公司不僅將開發(fā)各種容量的產(chǎn)品，從1.5kW氫燃料電池組（計(jì)劃于明年發(fā)布）到10kW氫燃料電池組應(yīng)有盡有，而且還將推出適合每一款電池組的相應(yīng)無人機(jī)。

Vicor模塊化電源方案能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展性，支持這些不同的產(chǎn)品線。此外，這也有助于DMI 集中精力解決由電源容量擴(kuò)展引起的各種其它工程問題，如堆棧結(jié)構(gòu)變化、動(dòng)力系統(tǒng)及外設(shè)組件以及散熱方法等。有了Vicor解決方案，DMI能夠更好地實(shí)現(xiàn)其重要目標(biāo)：增加耐用性和穩(wěn)定性；以高能量密度實(shí)現(xiàn)小型化的輕量級(jí)燃料電池。

圖5 為實(shí)現(xiàn)高效率和高能量密度，采用了 Vicor PRM? 升降壓穩(wěn)壓器和 ZVS 降壓穩(wěn)壓器。PRM 支持高達(dá) 74V 的氫燃料電池堆棧開路電壓 (OCV)，能夠針對(duì) 48V 電壓執(zhí)行穩(wěn)定穩(wěn)壓。

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