為無人駕駛車輛UAV供電：用於多種系統電源解決方案的 DC DC電源轉換器

可以說，Montgolfier於1783年推出的熱氣球是第一架無人駕駛飛機。然而，沒有繩索的無人氣球飛向地球僅由風決定。

1892年，托馬斯·愛迪生(Thomas Edison) 展示了線導魚雷，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) 於1898 年展示了他的無線電遙控船。幾十年後，第一批遙控無人駕駛車輛和飛機進入市場。如今，應用範圍從玩具到自主、導引或遙控飛行、駕駛或潛水無人駕駛車輛。

圖1：無人機電源解決方案範例-Delivery robot, Multicopter UAV, Underwater robot

所有這些設備都面臨一些共同的挑戰。最重要的是安全操作，防止與人或物體發生碰撞或發生失控的空難。車輛應該重量輕，但動力充足，能夠承載盡可能多的有效載荷並實現較長的運行時間。

雖然在許多情況下數量相當小，但每種應用可能需要不同配置的感測器、操縱器或監視設備。製造商可以透過使用靈活的模組化平台和現成的設備來應對這項挑戰，從而能夠快速、低成本地滿足特定需求。

這些無人駕駛車輛如何提供電能動力？

這取決於應用和必要的操作時間。對於短期操作，使用電池或超級電容器，現代燃料電池允許延長操作，對於長期操作，使用內燃機或透過繫繩提供能量。

考慮到所有這些不同的參數，為這些車輛上的電子設備供電成為安全、預期運行時間和高有效載荷的關鍵因素。電源電壓各不相同，許多負載需要自己穩定的電源電壓。在本文中，我們將介紹P-DUKE的電源模組如何實現極為靈活的電源模組化解決方案。

這些車輛的機載電源架構，無論是空中、地面或水下，都非常相似，由電源供應器、用於各種負載的 DC-DC電源轉換器、速度控制器和推進馬達組成（圖 2）。

圖 2：基本無人機電源架構 - 基本電源架構的簡化框圖

在大多數應用中，推進馬達直接由電源供電，以避免額外的轉換損耗。

在許多應用中，使用電池組，所需的電壓和容量取決於系統的尺寸和最大功率。為了避免額外的轉換損耗，馬達通常直接由電池供電，但係統的其餘部分需要穩定的電壓。

對於無人機，3.7V 鋰聚合物電池串聯連接，標稱電壓範圍為 3s = 11.1V 至 16s = 59.2V（s = 串聯電池數量）。對於更長的飛行時間，可以使用燃料電池。

現代倉庫機器人，無論是自主式(UAV) 或引導式(UGV) 都配備了鋰離子或LiFePO4 電池，標稱電壓從適用於較小系統的24V 左右到適用於堆高機等重載應用的高達100V 以上。

哪些類型的DC DC轉換器電源解決方案適合用於無人機中不同電源供應系統的應用中？

對於尋求在不同應用中使用的靈活、模組化電源解決方案的設計人員來說，這些寬電源電壓是一個真正的挑戰。P-DUKE 提供了滿足這些要求的大型 DC/DC 電源轉換器 產品組合，輸入電壓範圍為 9 – 75V 和 14 – 160V，單或雙輸出電壓範圍為 3.3V 至 48V，功率等級為 10W 至 200W。這些產品也適合這些車輛有時運行的惡劣環境。

為了給運輸的貨物和安全設備留出盡可能多的有效載荷和空間，所有其他部件應盡可能輕且小。在內部電源鏈中使用高效能、小型 DC/DC 電源轉換器的另一個原因。效率對整體重量有重大影響，因為損耗越低，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點是，轉換器及其散發的熱量可以分佈在整個系統中，靠近負載，從而使熱管理更加容易。

透過 P-DUKE 的小型輕量轉換器，可以輕鬆設計出適合各種應用中不同電源的單一解決方案。如果需要另一個或額外的負載電壓？非常簡單，添加另一個 DC/DC 模組或用同系列的即插即用替代品替換一個，工作就完成了。

讓我們來看幾個例子：

現代智慧工廠必須非常靈活，需要車輛在生產或倉庫設施內自主導航和運輸貨物。這些車輛使用雷射和攝影機進行導航，並直接與製造系統和其他機器人進行通訊。自動駕駛車輛幾乎可以自由移動，而引導車輛 (UGV) 則遵循由視覺標記、磁帶、物體識別和里程計資料定義的預定義路徑。

關鍵的挑戰是安全操作，因為這些強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、感測器、雷射和物體識別技術的顯著改進實現的。

電源架構與圖 1 類似，用於提升和移動運輸貨物的較高功率馬達通常直接由電池供電。對於電池充電，使用有線或無線解決方案。

在圖3所示的應用中，製造商的目標是使用標稱電壓為 24V 或 48V 的電池，具體取決於所需的功率和所需的有效負載。對於自動駕駛，車輛的車載電腦處理來自現成攝影機和雷射雷達的資訊。許多工業設備已經具有更寬的電源電壓範圍，但不涵蓋24V和48V電池。以下是功率等級從 4 W 到 10W 不等的不同光達系統的幾個範例

因此，選擇了用於 CPU、攝影機、雷射雷達和其他12V設備的12V匯流排，並在需要時使用小型下游轉換器產生 5V或 3.3V電壓。隔離轉換器用於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：用於自動化工廠的無人駕駛車輛（駕駛倉庫機器人）的電源系統架構圖

在低功耗應用中，可以實現短的間歇運行時間和快速充電，超級電容器可能是一種選擇。能量密度較低，最新技術似乎可以達到與鎳氫電池類似的值。超級電容器的優點是不含任何​​危險材料，內阻低得多，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於 2000 至 5000 次充電週期，而超級電容器可充電超過 100 萬次而不會出現明顯的效能下降。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恆定電壓的電池外，超級電容器的電壓會顯著下降。以下範例適用於總耗電量為 100W、充電週期之間最長運行時間為 60 秒的小型機器人。

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17個3V/100F超級電容，可以達到最大額定電壓51V時所需的容量。
圖 4 顯示了此超級跑車解決方案與標準 48V 電池的放電曲線。

圖 4：超級電容器與電池的放電曲線

價格肯定比電池高，但超級電容器組可以在運行過程中在幾秒鐘內充電，使機器人能夠不間斷地工作 24 小時。考慮到壽命的差異以及更換有缺陷電池的成本，從長遠來看，超級電容器解決方案更便宜。

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

圖 5：使用超級電容器電源解決方案的機器人的典型電源架構圖

最後一個例子是飛行時間超過 4 小時、需要燃油引擎的無人小型直升機系統。除了圖 1 所示之外，轉子直接由引擎驅動，引擎還為飛行控制系統提供 28V 的典型飛機電壓。該直升機可配備紅外線/光學萬向節、各種感測器、光達、3D測繪和地理標記系統以及許多其他需要穩定12V供電電壓的設備，總功率為170W。

必要的 28V 至 12V DC/DC 轉換器必須重量輕，能夠在低至 -40°C 的環境溫度下工作，並能承受轉子的高衝擊和振動應力。IP67 保護和完整的 EMI 屏蔽需要用於整個電子設備的密封底盤，因此需要對電源轉換器進行傳導冷卻。

理想的解決方案是P-DUKE的 HAE200W 系列，半磚電源轉換器（圖 6）。它的工作電壓範圍為16.5 -75V，環境溫度低至-40°C，金屬底板可對直升機底盤進行傳導冷卻。由於採用矽灌封，它可以承受MIL標準的衝擊和振動要求。該轉換器重量僅105克，不到直升機總重量的0.5%。最大功率為212W，也為額外的有效負載或短負載峰值提供了空間。

圖6：無人直升機系統的簡化電源動力鏈

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

圖 7：遠端遙控系統單元架構圖

憑藉P-DUKE廣泛的隔離和非隔離產品，可以根據負載要求產生各種電壓。
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。

每個無人機應用可能有不同的挑戰和要求。在本文中，我們希望將其範圍縮小到電源鏈的一些關鍵要素，這些要素在大多數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。最後，設計師需要一個有能力的合作夥伴提供必要的產品組合，並能夠支援客戶找到滿足其特定要求的最佳解決方案。