斗山創新/Vicor攜手發展氫能無人機

作者: 黃繼寬
2021 年 01 月 13 日

斗山創新(Doosan Mobility Innovation, DMI)就是斗山集團旗下專注於氫能無人機研發的公司。該公司與美商懷格(Vicor)合作,推出了結合電池與燃料電池的混合動力氫能燃料電池包,並在自家的氫能無人機上實現了120分鐘續航紀錄。這些使用氫燃料電池的無人機,未來將應用在基礎設施巡檢、農林漁牧監控與防災等專業應用上。

為追求比鋰電池更長的續航力、更高的能量密度,許多工業大廠如西門子(Siemens)、博世(Bosch),都將研發能量投入在氫能的開發、利用上。南韓重工業領域首屈一指的大財團斗山集團也不例外。但相較於德系工業大廠將資源放在工廠儲能、重型卡車等超大規模應用,斗山創新將目標放在無人機應用上。

為無人機開發氫燃料電池,需要從材料科學到整個系統級設計最佳化的整體技術創新。其關鍵是小型化、提高效率和減輕系統重量。此外,還應具備高能量輸出和耐用性,以實現長期、穩定的飛行。因此,設計者必須設法減輕堆疊的重量,配置具有高功率密度的動力系統,並簡化包括週邊元件在內的整個電池組的設計。此外,就像電動車、電動摩托車會有更大的瞬時功率需求,無人機也有一樣的需求,且為了提高系統安全性,電池包必須有備援設計。

這些需求都使得DMI在開發氫燃料電池包時,必須採用結合電池與燃料電池的混合動力設計。在一般運作下,無人機的電力是由燃料電池供應,但在需要更大功率輸出或遇到緊急狀況時,電池組會同時為無人機提供電力。

這些設計目標的核心是系統供電網路(PDN)的架構和實施。DP30電池組有兩大動力系統,為無人機的轉子和兩個堆疊的控制器供電。DP30電池組的輸出電壓範圍寬,而且可在40V至74V之間變化,因此動力系統必須向無人機轉子馬達提供嚴格穩壓的48V、12A輸出,並向堆疊控制器電路板及風扇提供12V、8A輸出。

為了在PDN中實現高效率和高能量密度,DMI選擇Vicor PRM升降壓穩壓器和ZVS降壓穩壓器。PRM支持高達74V的氫燃料電池組開路電壓(OCV),能針對48V電壓執行穩壓。

在無人機轉子側PDN中,並聯配置了2個PRM升降壓穩壓器(PRM48AF480T400A00),以提供轉子所需的12A電流。堆疊中用於數位控制器電路板的PDN先使用較低功耗的PRM(PRM48AH480T200A00),然後接48V至12V ZVS降壓穩壓器(PI3546-00-LGIZ)。整個PDN的架構如圖所示。

斗山創新的氫能無人機所使用的PDN架構

除了目前正在生產的2.6kW DP30電池組外,DMI計畫提供更多不同容量的產品,從1.5kW到10kW應有盡有。而且還將推出適合每一款電池組的相應無人機。

Vicor模組化電源配置能夠實現可擴充性,支援這些不同的產品線,也讓DMI可以更集中資源,解決由電源容量擴大引起的各種其它工程問題,如堆疊結構變化、動力系統及外接元件以及散熱等。與Vicor合作,讓DMI能夠更好地實現其重要目標:增強耐用性和穩定性;以高能量密度實現小型化的輕量級燃料電池。

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