Projektowanie sprawnych, modułowych sieci zasilających dla dronów przewodowych

Bezzałogowe statki powietrzne (UAV), zwane dronami, są coraz częściej wykorzystywane do trudnych zastosowań, takich jak rozpoznanie terenu w wojskowości, gaszenie pożarów i rolnictwo. Te i wiele innych przypadków użycia wymaga, aby dron był w powietrzu przez długi czas, więc baterie nie są rozwiązaniem. Zamiast tego dron w czasie lotu jest zasilany przez kabel systemu uwięzi.

Jednak systemy uwięzi wprowadzają nowe wyzwania. Grubsza uwięź zapewnia niższy opór elektryczny, ale bardziej obciąża drona, ograniczając jego nośność. Cienkie kable zwiększają opór elektryczny, powodując nieakceptowalne straty mocy i spadek napięcia na typowo długich odcinkach uwięzi dronów. Inżynierowie dążą do obniżenia strat związanych z cieńszymi kablami poprzez zwiększenie napięcia w systemie uwięzi do 800V. Takie zwiększenie pomaga obniżyć prąd dla danego zapotrzebowania na moc.

Wyzwaniem staje się wtedy obsługa wysokiego napięcia w dronie. Sieć rozdziału zasilania drona musi być zdolna do przyjęcia wysokiego napięcia i skutecznego obniżenia go do niższych napięć wymaganych przez systemy bezzałogowego statku powietrznego (UAV). Wszelkie rozwiązania zarządzania zasilaniem muszą być lekkie i kompaktowe, aby zminimalizować wpływ na udźwig statku powietrznego.

W artykule omówiono korzyści płynące z zastosowania wysokonapięciowych systemów zasilania w dronach przewodowych. Następnie wyjaśniono, dlaczego wysokosprawne moduły przetwornic magistrali (BCM) o wysokiej gęstości mocy oraz przetwornice obniżające napięcie przełączające przy zerowym napięciu (ZVS) są dobrymi rozwiązaniami przy projektowaniu sieci rozdziału zasilania do stosowania w przewodowych, bezzałogowych statkach powietrznych (UAV). Artykuł przedstawia moduły przetwornic magistrali (BCM) i przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) firmy Vicor, używając ich jako przykładów projektowania lekkiej i sprawnej sieci zasilającej.

Wyższe napięcia umożliwiają zastosowanie lżejszych kabli

Systemy uwięzi uwalniają projektantów od ograniczeń, jakie są nakładane na drony przez baterie (ilustracja 1). Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) mogą pozostawać w powietrzu przez długi czas, przy założeniu, że dostępne jest zasilanie naziemne, co pozwala im działać w takich zastosowaniach, jak platformy obserwacyjne lub przekaźniki radiowe o zasięgu poza horyzont. Wadą tego rozwiązania jest to, że dron musi dźwigać potencjalnie ciężki kabel, co może ograniczać zarówno jego zasięg operacyjny, jak i nośność dla ładunków takich jak kamery czy sprzęt radiowy.

Ilustracja 1: Drony mogą pozostawać w powietrzu przez długi czas, korzystając

z zasilania dostarczanego przez system uwięzi. (Źródło ilustracji: Vicor)

Komercyjne drony wymagają kilku napięć prądu stałego dla poszczególnych systemów. Na przykład 48V jest typowe dla silników, natomiast 12, 5 i 3,3V są typowe dla czujników, aktuatorów i elektroniki sterującej. Cienkie, lekkie uwięzi pomagają ograniczyć obciążenie drona, ale większa rezystancja kabla (rezystancja wzrasta wraz ze zmniejszeniem przekroju poprzecznego kabla) może powodować niedopuszczalnie duży spadek napięcia (definiowany jako spadek napięcia większy niż 3 do 5 procent napięcia źródłowego na drugim końcu kabla) i straty mocy na długich odcinkach kabla w przypadku korzystania z zasilania 48V.

Spadek napięcia w kablu i straty mocy są proporcjonalne do przewodzonego prądu, a nie do napięcia. Na przykład komercyjny dron, który wymaga stałej mocy 1,5kW zapewnianej przez zasilanie 48V, będzie wymagał prądu 1500/48 = 31,25A. Identyczną moc można zapewnić poprzez zwiększenie napięcia, co obniża zapotrzebowanie na prąd, a w konsekwencji spadek napięcia i straty mocy. Przykładowo, zastosowanie zasilania 800V wymaga prądu o natężeniu zaledwie 1500/800 = 1,9A. Takie zasilanie pozwala projektantowi na bezpieczne zastosowanie lekkiego kabla.

Sieć zasilająca drona

Aby wykorzystać wyższe napięcie zasilania i lżejsze uwięzi, inżynierowie muszą zaprojektować sieci rozdziału zasilania, które mogą bezpiecznie i skutecznie obniżać wysokie napięcie przenoszone przez uwięź do napięcia roboczego potrzebnego dla systemów drona.

Ilustracja 2 przedstawia przykład takiej sieci. Sieć ta zbudowana jest z wykorzystaniem modułów BCM i przetwornic obniżających z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) firmy Vicor.

Ilustracja 2: Sieć rozdziału zasilania drona przewodowego. Warto zwrócić uwagę,

w jaki sposób napięcie 48V magistrali w systemach naziemnych zostaje podwyższone

do 800V w uwięzi, a następnie obniżone z powrotemdo 48V w dronie. (Źródło: Vicor)

W tym przykładzie moduł BCM przekształca trójfazowe zasilanie 208V~ na 48V= dla naziemnych systemów komputerowych drona. Przetwornice obniżające z przełączaniem przy zerowym napięciu (ZVS) obniżają napięcie 48V do poziomu 12, 5 i 3,3V używanego przez poszczególne urządzenia naziemne. Zasilanie 48V= jest następnie podwyższane przez drugi moduł BCM do 800V, aby zminimalizować spadek napięcia i straty mocy w uwięzi.

W dronie trzeci moduł BCM obniża następnie napięcie z powrotem do 48V. Sieć rozdziału zasilania w dronie zawiera kolejne przetwornice obniżające niezbędne do zasilania kamer, czujników i urządzeń logicznych odpowiednimi napięciami.

Sugerowane moduły BCM do tego zastosowania to BCM4414VD1E5135C02 firmy Vicor służący do początkowej konwersji 208V~ na 48V= oraz BCM4414VH0E5035M02 do konwersji 48V= na 800V= i z powrotem.

Urządzenie BCM4414VD1E5135C02 jest zasilane magistralą o napięciu od 260 do 400V i zapewnia wyjście po stronie niskiego napięcia od 32,5 do 51,3V. Urządzenie zapewnia maksymalnie 35A prądu ciągłego po stronie niskiego napięcia, gęstość mocy do 49W/cm3 oraz sprawność szczytową 97,7% (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Moduły przetwornic magistrali (BCM) firmy Vicor charakteryzują się wysoką sprawnością w szerokim zakresie prądów po stronie niskiego napięcia (TCASE = 25˚C). (Źródło ilustracji: Vicor)

Urządzenia BCM4414VH0E5035M02 są zasilane z magistrali o napięciu od 500 do 800V i po stronie niskiego napięcia zapewniają wyjście od 31,3 do 50,0V oraz maksymalną moc ciągłą 1,5kW. Prąd ciągły po stronie niskiego napięcia, gęstość mocy i sprawność szczytowa są takie same, jak w przypadku bliźniaczego produktu. Moduł BCM mieści się w obudowie o wymiarach 110,5 x 35,5 x 9,4mm i waży 145g.

Moduły BCM firmy Vicor oferują również elastyczne opcje odprowadzania ciepła o bardzo niskich impedancjach cieplnych po stronie górnej i dolnej. Dzięki zastosowaniu tych urządzeń projektanci systemów zasilania są w stanie zmniejszyć rozmiary i ciężar uwięzi, a także zasilania naziemnego i drona.

Moduły BCM firmy Vicor są zasilaczami prądu stałego, dlatego początkowy wejściowy prąd trójfazowy 208V~ musi zostać przekształcony na prąd stały przed pierwszym modułem BCM przedstawionym na ilustracji 2. Odpowiednim urządzeniem do prostowania prądu zmiennego jest moduł wejściowy prądu zmiennego (AIM) firmy Vicor, taki jak AIM1714VB6MC7D5C00 (Ilustracja 4). Moduł AIM może przyjmować na wejściu prąd zmienny o napięciu od 85 do 264V i zapewnia wyprostowany wyjściowy prąd stały o natężeniu do 5,3A i mocy do 450W.

Ilustracja 4: Moduł BCM wymaga zasilania wyprostowanym wejściowym prądem zmiennym. Rozwiązaniem może być na przykład trójfazowy moduł AIM firmy Vicor. (Źródło ilustracji: Vicor)