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無人機電源系統方案設計

無人機電源系統方案設計

電源系統是由整流裝置、直流配電裝置、蓄電池組、直流變換器、機架電源裝置等和相關的配電線路組成的總體。下面就是小編整理的無人機電源系統方案設計,一起來看一下吧。

[導讀] 在設計無人機(UAV)用的電源系統時,設計人員所關心的引數是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和複雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無人機攜帶更多的有效負載,飛行和續航時間更長,並完成更多的任務。

關鍵詞:GaAs發射器無人機電源無人機

在設計無人機(UAV)用的電源系統時,設計人員所關心的引數是尺寸(S)、重量(W)、功率密度(P)、功率重量比、效率、熱管理、靈活性和複雜性。體積小、重量輕、功率密度高(SWaP)可以讓無人機攜帶更多的有效負載,飛行和續航時間更長,並完成更多的任務。

更高的效率可以儘可能利用能源效率,最大限度地延遲續航時間和飛行時間,也可使熱管理儘可能容易,因為即使是較少的功率損耗也會導致熱傳遞。高靈活性和低複雜性不僅可以使電源系統設計更加容易,而且還可讓無人機設計人員專注於無人機設計之其他部分,而不是在電源系統設計上花大量的時間;它不僅可節省設計完成時間,還可降低設計複雜性。

為了充分利用上述優勢,Vicor模組電源解決方案可透過最全面產品組合的高效率、高密度、配電架構,為效能關鍵性無人機應用提供完整的電源解決方案。

無人機的種類:

無人機可以從遠端位置進行控制,或基於預程式設計組態自動執行。無人機有許多應用,從具結到消防,都可以由不同類別的無人機來實現。

無人機的電源:

根據子系統之負載要求,無人機有幾個電源選項。

鋰離子電池是一種常用的電源,體積較小、成本較低,因此是100瓦和執行數天的'無人機的理想選擇。

為了有更高的能量密度和功率密度,還可以選擇其他的備選電源,包括太陽能電池系統、燃氣輪機以及柴油發電機等。

無人機的典型電源鏈:

圖1 : 無人機電源鏈

在典型的無人機電源鏈中,有一個基於渦輪的發電機提供3相AC電源,其可透過整流器轉換為270VDC電源,然後透過隔離式DC-DC轉換器轉換為48VDC電源或28VDC電源。

無人機上有許多有效負載,包括雷達、影像、航空電子、導航、制導、飛控系統和資料傳輸鏈路,其中每一個都需要一個3.3V、5V及12V等的電壓範圍。因此,下游DC-DC轉換器或非隔離式負載點(niPoL)都需要為所需的負載電壓提供28V或48V DC母線。

為了實現高效率,高電壓DC母線(270V、48V或28V)沿著無人機的電源鏈進行優先配電。配電引起的功率損耗系以I2R(R線阻)為主,由於提高電壓可以最大限度地降低配電損耗,因而可減少電流;對於大型無人機更是如此,因為有很長的配電長度。

在安全方面,在高電壓DC母線(270V)和低電壓DC母線之間需要進行隔離,當低於60V的電壓與高電壓隔離開時,就符合安全超低電壓(SELV)要求。

根據圖1所顯示的電源鏈,有兩級DC-DC轉換,由於穩壓在下一級完成,其中第一級需要隔離之非穩壓DC-DC轉換器,而由於隔離在上游完成,第二級則需要穩壓之非隔離DC-DC轉換器。為了實現更高的效率和更低的解決方案成本,隔離和穩壓沒有在DC-DC轉換器的每一級重複。

270V至28V DC-DC轉換:

圖2

除了整流器,還有非隔離之非穩壓270VDC電壓,藉由MIL-COTS BCM(母線轉換器模組)和MIL-COTS PRM(前置穩壓器模組)轉換到負載用的一個隔離、穩壓的電壓,如28V。

GaAs發射器:

270V至28V電源鏈的應用之一是GaAs發射器,其方框圖如圖3所示。

圖3 : GaAs發射器電源鏈

有效負載、GaAs發射器都需要超過200瓦的功率。為了滿足電力需求,需要將BCM模組和PRM模組並聯至電源陣列,以提高輸出功率。下面一段談談如何並聯具有均流能力的BCM和PRM。

BCM和PRM模組可以組態超過1千瓦的電源陣列。

BCM模組是一款隔離的非穩壓DC-DC轉換器模組,可藉由一個固定比K係數為SELV輸出提供高電壓輸入。就這個特定零部件(MBCM270x450M270A00)而言,K係數為1/6,因此輸出電壓始終為輸入電壓的1/6,270V輸入有45V輸出。

PRM模組是一款穩壓的非隔離DC-DC轉換器模組,可為負載提供穩壓的電壓。由於PRM輸出電壓可以微調,因此它可針對GaAs發射器調低至28V。

圖4 : GaAs發射器解決方案的效率

BCM是一款隔離的非穩壓DC-DC轉換器。

PRM是一款穩壓的非隔離DC-DC轉換器。

上一段已經提到,隔離和穩壓並沒有由DC-DC轉換的每一級、或電源鏈中的單個DC-DC轉換器重複,為的是獲得更高的效率。

因此,藉由使用BCM和PRM模組,270V至28V DC-DC轉換的整體效率可達到93.12%。