無人車両への電力供給 多様なシステム電源ソリューションのためのDC-DCコンバータ

1783年に発表されたモンゴルフィエの熱気球が最初の無人飛行機だと主張することもできる。しかし、地球にロープを張っていない無人気球の飛行は、風によってのみ決定される。

1892年にはトーマス・エジソンがワイヤー誘導魚雷を実演し、1898年にはニコラ・テスラがラジコンボートを展示した。その数十年後には、最初の遠隔操作無人車両や航空機が市場に登場した。今日、その用途は玩具から自律型、誘導型、遠隔操作型の飛行、走行、潜水用無人車両にまで及んでいる。

図1：基本的なUAV電源アーキテクチャ - 無人車両の電源ソリューションの例

これらの装置には共通の課題がある。最も重要なのは、人や物との衝突や制御不能な空中衝突を防ぐための安全な運用である。車両は軽量でなければならないが、可能な限り多くのペイロードを搭載し、長時間の運用を実現するのに十分なパワーを備えていなければならない。

多くの場合、数量はむしろ少ないが、用途ごとに異なる構成のセンサー、マニピュレーター、監視装置が必要になることもある。製造業者は、柔軟性のあるモジュール式プラットフォームと既製の機器を使用することで、この課題に対処することができ、特定のニーズに迅速かつ低コストで対応することができます。

これらの無人車はどのように動力を得ているのか？

用途や必要な稼働時間によって異なる。短時間の運転にはバッテリーやスーパーキャップが使われ、最新の燃料電池は長時間の運転を可能にし、長時間の運転には燃焼エンジンが使われるか、テザーでエネルギーが供給される。

このようなさまざまなパラメータがあるため、これらの車両の電子機器に電力を供給することは、安全性、予想される走行時間、および高い積載量を実現するための重要な要素になります。電源電圧はさまざまで、多くの負荷が独自の安定した電源電圧を必要とします。この記事では、P-DUKEのパワーモジュールがどのようにして極めて柔軟なパワーモジュールソリューションを実現したかを説明します。

空中、地上、水中を問わず、これらの乗り物のオンボード・パワー・アーキテクチャーは非常によく似ており、電源で構成されている、DC-DC converters 様々な負荷、スピードコントローラー、推進モーター用（写真2）。

図2：基本的なUAV電源アーキテクチャ-基本的な電源アーキテクチャの簡略ブロック図

ほとんどの用途では、追加の変換ロスを避けるため、推進モーターは電源から直接供給される。

多くのアプリケーションではバッテリースタックが使用されており、必要な電圧と容量はシステムのサイズと最大電力によって異なります。追加の変換損失を避けるために、通常、モーターにはバッテリーから直接電力が供給されますが、システムの残りの部分には安定した電圧が必要です。

無人航空機の場合、3.7V LiPo バッテリーは 3 秒 = 11.1V から最大 16 秒 = 59.2V の範囲の公称電圧で直列に接続されます (s = 直列セルの数)。より長い飛行時間の場合は、燃料電池を使用できます。 

最新の倉庫ロボットは、自律型 (UAV) か誘導型 (UGV) にかかわらず、公称電圧が小型システムの場合は約 24 V から、フォークリフトなどの重負荷用途の場合は最大 100 V 以上のリチウムイオンまたは LiFePO4 バッテリーを搭載しています。

UAVアプリケーションのさまざまな電源に適したDC DCコンバーター電源ソリューションの種類は？

これらの幅広い電源電圧は、さまざまなアプリケーションで使用できる柔軟なモジュール式電源ソリューションを求める設計者にとって、大きな課題です。 P-DUKE は、次のような大規模な製品ポートフォリオを提供しています。DC/DCコンバータ 9 - 75V および 14 - 160V の範囲の入力電圧、3.3V - 48V のシングルまたはデュアル出力電圧、10W - 200W の電力レベルでこれらの要件に対応します。これらの製品は、車両が時々走行する過酷な環境にも適合します。

輸送物品と安全装置のためにできるだけ多くの積載量とスペースを残すために、他のすべてのコンポーネントはできる限り軽量かつ小型である必要があります。内部パワーチェーンに高効率で小型の DC/DC コンバータを使用するもう 1 つの理由があります。損失が低いほど必要なヒートシンクは小さくなるため、効率は全体の重量に大きな影響を与えます。集中電源ソリューションの代わりにモジュールを使用すると、コンバータとその放散熱を負荷に近いシステム全体に分散できるため、熱管理が容易になるという利点があります。  

P-DUKE の小型軽量コンバータを使用すると、さまざまなアプリケーションのさまざまな電源に適した 1 つのソリューションを簡単に設計できます。また、別の、または追加の負荷電圧が必要な場合はどうすればよいでしょうか?非常に簡単で、別の DC/DC モジュールを追加するか、同じファミリーのプラグアンドプレイ代替品と交換するだけで作業は完了します。

いくつかの例を見てみましょう。

現代のスマート工場は非常に柔軟である必要があり、生産施設または倉庫施設内で商品を自律的に移動および輸送する車両が必要です。これらの車両はナビゲーションにレーザーとカメラを使用し、製造システムや他のロボットと直接通信します。自律走行車はほぼ自由に移動できますが、誘導車 (UGV) は視覚的マーカー、磁気テープ、物体認識、走行距離データによって定義された事前定義された経路をたどります。

これらの強力で重い車両は、あらゆる状況下で人間の作業者やその他の障害物を検出する必要があるため、主な課題は安全な運転です。この自律走行は、カメラ、センサー、レーザー、物体認識テクノロジーの大幅な改善によって可能になりました。

電力アーキテクチャは図 1 と似ており、輸送物品を持ち上げたり移動したりするための高出力モーターは通常、バッテリーから直接供給されます。バッテリーの充電には、有線または無線のソリューションが使用されます。

図 3 に示すアプリケーションでは、メーカーは、必要な電力と必要なペイロードに応じて、公称電圧 24V または 48V のバッテリーを使用するという目標を立てていました。自動運転では、車両の車載コンピューターが既製のカメラやライダーからの情報を処理します。多くの産業用デバイスはすでに広い供給電圧範囲を備えていますが、24V および 48V のバッテリには対応していません。ここでは、4 W から 10 W までの範囲の電力レベルを持つさまざまな LiDAR システムの例をいくつか示します。

したがって、CPU、カメラ、ライダー、その他の 12V 機器用の 12V バスが選択され、必要に応じて、小型の下流コンバータが 5V または 3.3V の電圧を生成します。絶縁コンバータは、高感度センサーにノイズが混入するのを避けるために使用されます。
12V 電圧については P-DUKE の HAE150W シリーズ、5V については UDH03 シリーズ / PDL12W シリーズ、3.3V の DC DC コンバータ電源ソリューションについては OSR03 シリーズを参照してください。

図3：自動化工場向け無人自動運転車（走行倉庫ロボット）のブロック図

短い断続的な動作時間と迅速な再充電が可能な低電力アプリケーションでは、スーパーキャパシタがオプションになる可能性があります。エネルギー密度は低く、最新の技術では NiMH バッテリーと同様の値を達成しているようです。スーパーキャップには、危険な物質が含まれておらず、内部抵抗がはるかに低いため、バッテリーよりも高いピーク電流が可能になるという利点があります。バッテリーの寿命は 2000 回に制限されています。 5000 回の充電サイクルに対し、スーパーキャパシタは重大な劣化を生じることなく最大 100 万回以上充電できます。また、食品や冷凍品の倉庫など、非常に低い温度でも動作します。

O放電プロセス中にほぼ一定の電圧を維持するバッテリーに比べて、スーパーキャパシタの電圧は大幅に低下します。次の例は、合計 100 W の電力消費と充電サイクル間の最大実行時間 60 秒の小型ロボットの例です。

Energy calculation:

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

Maximum voltage of the capacitor bank: 48V

Minimum voltage: 12V

Required capacity:  

17 個の 3V/100F スーパーキャパシタを直列に接続することで、最大定格電圧 51V で必要な容量を実現できます。
図 4 は、このスーパーカー ソリューションと標準の 48V バッテリーの放電曲線を示しています。

図 4: スーパーキャパシタとバッテリーの放電曲線

価格は確かにバッテリーよりも高いですが、スーパーキャパシタバンクは動作中に数秒以内に再充電できるため、ロボットは中断することなく24時間動作することができます。寿命の違いと欠陥のあるバッテリーの交換コストを考慮すると、長期的にはスーパーキャパシタ ソリューションの方が安価になります。

12 V ～ 48 V の広いコンデンサ電圧振幅をカバーするコンバータが必要です。問題ありません。P-DUKE には 9 ～ 75V の入力電圧と 100W の出力電力を備えたコンバータが搭載されています。P-DUKE の QAE100U シリーズを参照してください (図 5 を参照)。

図 5: スーパーキャパシタ電源ソリューションを使用したロボットの一般的な電源アーキテクチャ

最後の例は、燃料エンジンを必要とする飛行時間 4 時間以上の無人小型ヘリコプター システムです。図 1 に示されている以外に、ローターはエンジンによって直接駆動され、飛行制御システムに通常の航空機電圧 28V も供給されます。ヘリコプタには、赤外線/光学ジンバル、さまざまなセンサー、ライダー、3D マッピングおよび地理的タグ付けシステム、および総電力 170W の安定した 12V 電源電圧を必要とするその他の多くのデバイスを装備できます。

必要な 28V から 12V への DC/DC コンバータは軽量で、-40℃ という低い周囲温度でも動作し、ローターからの高い衝撃や振動ストレスに耐えることができなければなりません。 IP67 保護と完全な EMI シールドには、電子機器全体に密閉されたシャーシが必要であり、したがって電力コンバータの伝導冷却が必要です。

理想的なソリューションは、HAE200W ファミリの P-DUKE のハーフブリック コンバータでした (図 6)。 16.5 ～ 75 V の入力範囲で周囲温度 -40 °C まで動作し、金属ベースプレートによりヘリコプターのシャーシへの伝導冷却が可能になります。シリコンポッティングにより、MIL規格の衝撃および振動要件に耐えます。このコンバーターの重さはわずか 105g で、ヘリコプターの総重量の 0.5% 未満に相当します。最大電力 212W により、追加のペイロードや短い負荷ピークにも対応できる余裕があります。

図 6: 無人ヘリコプター システムの簡略化されたパワー チェーン

リモート コントロール ユニットは、12V バッテリー、または船舶または地上車両の 28V (16 ～ 50V) ミル グリッドから電力を供給できます。 RF アンプには強力な 28V 電源が必要なため、この電圧がメインバス電圧として選択されました。P-DUKE の QAE100U ファミリの 100W コンバータで、入力範囲は 9V です。 75V はこの 28V バスを生成し、下流の P-DUKE の低電力コンバータがリモート コントロール ユニット内で必要な電源電圧を提供します (図 7)。

図 7: リモート コントロール ユニットのブロック図

P-DUKE の幅広い絶縁型および非絶縁型製品により、負荷要件に応じてさまざまな電圧を生成できます。
12V および 5V 電圧については P-DUKE の PDL12W シリーズを、3.3V DC DC コンバータ電源ソリューションについては OSR03 シリーズを参照してください。

各 UAV アプリケーションには、異なる課題と要件がある可能性があります。この記事では、電源チェーンのいくつかの重要な要素に絞り込みたいと考えました。これらの要素には、ほとんどの場合、小型スペース、軽量、高効率、信頼性という共通の要件がありますが、さらに重要なのは柔軟性、モジュール性、使いやすさです。 。最終的に、設計者は必要な製品ポートフォリオを提供し、顧客が特定の要件に最適なソリューションを見つけるのをサポートできる有能なパートナーを必要とします。