燃料電池供電無人機使用電源模組提供 4 倍的飛行時間

一種新型商用遠程無人機使用氫燃料電池提供能源，能夠爲距離基地長達一小時航程的偏遠地區的災民提供人道主義救援。這款有 8 個電機的 DS30 無人機由斗山創新 (DMI) 製造，同樣由 DMI 打造的 2.6kW 燃料電池爲其提供動力。

DS30 的飛行速度高達 80 公里/小時，輕載時，補充一次燃料可飛行達兩個小時。即使攜帶 5 公斤的設備、醫療用品或其它重要物質，它們的飛行半徑和續航時間都有極佳的表現，這不僅幫助它們完成了在美國維爾京羣島之間運送口罩和急救物資的任務，而且還幫助它們完成了向韓國濟州島最高山漢拿山山頂（6388 英尺）運送醫療 AED 的任務（圖 1）。

DMI 的無人機能量密度比當前電池高 4 到 5 倍，因此可在不補充燃料的情況下完成檢查任務。相比之下，電池供電無人機則需要更換 6 次以上電池才能完成任務。

DMI 的遠程無人機自近期推出以來，已發現其它幾項商業應用，如監控大型太陽能發電廠，其中包括位於韓國海南 Solasido 的韓國目前最大太陽能發電廠（圖 2）。DMI 的無人機能量密度比當前電池所提供的能量密度高 4 到 5 倍，因此可在不補充燃料的情況下完成檢查任務。相比之下，電池供電無人機則需要更換 6 次以上電池才能完成該任務。

正如我們看到的，讓無人機完成這些壯舉的工程幾乎和它們拯救的生命一樣，讓人難以忘懷。

爲飛行優化燃料電池

雖然壓縮氫本身的能量密度 (Wh/kg) 遠遠高於目前的任何鋰電池，但產生動力所需的燃料電池的重量則使得實現氫動力航空變得困難重重（圖 3）。然而，由於 DMI 多年來一直在開發和製造固定燃料電池以及爲其供電的電子材料，他們覺得可以利用自己的經驗來“扭轉局勢”，使用氫燃料。

模組化氫能源電源

DMI 設計團隊認識到，爲移動設備打造經濟高效的氫燃料電池，需要幾項技術創新。由於增加的重量和體積會直接影響無人機的效能，設計團隊集中力量開發了一款可能是最高能量密度的、非常緊湊的電池堆棧。

該電池組的工作由一款緊湊型控制器模組管理，不僅可自動執行堆棧的啓動/關閉順序，而且還可自動執行管理、監控以及保護功能。此外，它還可控制一對散熱風扇，可在各種工作條件下保持其工作溫度的穩定。

在啓動過程中，該控制器可執行包括“清除”在內的幾個進程，清除進程可清除 DPI 的電池組還包括一個可拆卸的、經過安全認證的 10.8 升高壓（350 巴）儲氫罐，其可存儲多達 300 克的氫，從而可提供比當前電池高 3 到 4 倍的能量密度。在補充燃料的過程中，1 分鐘內即可完成碳複合材料強化罐的拆卸與更換。

Vicor 高密度電源模組提供高效率的轉換

爲了充分發揮其高密度燃料電池組的優勢，DMI 與 Vicor 合作，基於 Vicor 的高性能高密度電源模組開發了一種供電網絡 (PDN)。該 PDN 採用 48V 母線提高效率，進一步實現了 DMI 的超常飛行時間。

系統的 PDN 將燃料電池可變性極高的輸出電壓（40 至 74V）轉換爲嚴格穩壓的電壓，用於推進及燃料電池管理系統。PDN 由兩個獨立的供電鏈組成。第一個供電鏈可將高達 12A 的 48V 電源提供給無人機的旋翼電機，而另一個供電鏈則可將高達 8A 的 12V 電源提供給堆棧控制器電路板及其散熱風扇。

爲了實現 PDN 子系統所需的高效率及高能量密度，DMI 選擇了預穩壓調節 (PRM™) 升降壓穩壓器和零電壓開關 (ZVS) 降壓穩壓器，這兩種穩壓器均來自 Vicor。PRM 在提供嚴格穩壓 48V 輸出的同時，可接受整個燃料電池堆棧的工作範圍內的輸入電壓以及其高達 74V 的開路電壓 (OCV)。

在 PDN 旋翼側分支中，並聯配置兩個 PRM 升降壓穩壓器 (PRM48AF480T400A00)，以提供旋翼所需的 12A 電流（圖 4）。爲燃料電池控制器板載電子設備的 12V 主母線供電的 PDN 支線使用一款較低功耗的 PRM (PRM48AH480T200A00)，然後連接一款 ZVS 降壓穩壓器 (PI3546-00-LGIZ)。

此外，電池組還可配備混合動力電池，提供起飛和着陸所需的額外電源，並在燃料電池出現故障時作爲備用電源系統。如果堆棧的電流突降，轉換器可將其輸出保持在安全範圍內，並通過使用混合動力電池補充堆棧的輸出來防止損壞。在堆棧完全發生故障時，該電池可使用長達 3 分鐘的工作電源實現緊急着陸。

擴展電源的持續性

爲了讓現已投入量產的 DP30 2.6kW 電池組取得成功，DMI 計劃通過其它幾個單元擴充其產品線，以便爲更廣泛的應用提供服務。該系列將從計劃於明年發佈的 1.5kW 氫燃料電池組，到能夠產生高達 10kW 電源的單元。此外，DPI 還打算通過一系列無人機進一步擴大其產品線，每款產品都可便捷地與一款全新電池組整合。瞭解 DMI 無人機產品系列的更多詳情。