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Industry-leading power density and innovative architectures of Vicor power modules for robotics, industrial IoT, and intelligent automation
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全球電影行業每年因使用移動式柴油發電機而排放 70 萬公噸二氧化碳。初創公司 ReVolt 利用高密度 Vicor 電源模組,為電影拍攝現場開發了一套幾乎無聲、零排放的電池供電系統。這套堅固耐用的系統成功克服了嚴峻的散熱和電雜訊難題,正迅速獲得索尼、亞馬遜和 HBO 等主要製片公司的青睞。
目前,圍繞人工智慧資料中心帶來的排放及相關問題,各方討論不絕於耳。 在這些話題持續佔據頭條的同時,全球電影行業每年僅因使用移動式柴油發電機,便產生高達 70 萬公噸的二氧化碳當量(CO2e)排放。
該行業每年的碳排放總量高達數百萬噸二氧化碳,其中發電機的燃料消耗與運輸環節約占片場總排放量的 45% 至 65%。
如今,大多數製片公司仍依賴雜訊大、污染重的汽油和柴油發電機為片場供電。 然而,隨著電影製作越來越精細——占地面積不斷擴張,各類專業電子設備日漸增多——能源需求以及不必要的二氧化碳排放量也隨之水漲船高。
ReVolt 開發了一種更好的方式來為電影片場和製片廠外景地供電,提供清潔、可移動且隨時可用的電力。 利用 Vicor 的高密度電源模組技術,該公司的系統可為從攝像機、錄音和燈光設備、特效裝置和營地等一切設備充電——安靜、高效,零二氧化碳排放。 這家初創公司成立於 2020 年,已迅速獲得亞馬遜、索尼影視、華納兄弟探索公司及其子公司 HBO 等製片公司的青睞。 以下是其首席執行官(本人也是一比特奧斯卡獎得主)J.D. Schwalm 接受 EPDT 採訪的問答實錄。
EPDT:請介紹一下 ReVolt 電源系統的核心架構,以及在實現高功率密度以提升機動性方面所需權衡取捨的關鍵因素。
JD:其核心架構其實很簡單——由一個高容量電池組驅動電源轉換級,並提供標準配電輸出,供劇組或施工團隊直接插入使用。 這些介面與現有柴油發電機所用的連接器完全相同。 轉換級是必須發揮關鍵作用的部分,這正是我們選擇圍繞 Vicor 模組而非眾多分立元件構建系統的原因。 核心在於功率密度與系統餘量之間的權衡。 我們設計的不是在清潔機房裏運行的機架,而是一個需要劇組在片場、攝影棚或升降平台上推拉到位的箱體,有時需要人力搬運到位。 重量限制了便攜性,我們希望以最小的體積、最輕的重量提供最大的可用功率。 但提高密度會壓縮散熱裕量,並加劇電磁干擾(EMI),而這兩項約束在我們的使用環境中尤為嚴苛。 適合我們需求的最佳架構,是將電源轉換集中於經過驗證的高密度模組,從而將剩餘空間留給電池和加固設計,以此化解這一衝突。
EPDT:在移動外景環境中,轉換效率、熱管理和 EMI 方面面臨的主要挑戰是什麼?
JD:在外景地,設備得不到固定安裝場所理所當然具備的任何條件——沒有乾淨的電源,沒有機房,也沒有保障的氣流。 設備暴露於戶外的多塵高溫環境中,有時直接暴曬在陽光下,旁邊還有其他設備,且需頻繁移動。 在這種條件下,轉換效率的意義加倍凸顯。 在固定安裝的電池系統中,每一次轉換都意味著續航時間會以散熱形式流失。 因此,效率和熱管理不是兩個獨立問題,而是同一個問題的兩個方面。 散熱管理的難度遠超典型固定安裝場景,因為我們無法保證受控的工作環境。 電源系統的外殼必須在最惡劣條件下完成散熱,而不能依賴恒溫設施。 EMI 是人們經常低估的一個問題。 電影片場是 EMI 最敏感的環境之一,無線音訊、攝像系統和燈光控制系統共處同一空間。 會產生電雜訊的電源設備會被直接扔出片場。 因此,轉換級必須同時做到高效、低熱、低噪——三者兼顧,缺一不可。 高密度模組化轉換在這三個方面均有裨益:損耗被集中在一個特性明確、易於管理和遮罩的部件中,而不是分散在多個分立開關元件上,讓每個元件都成為雜訊源。
EPDT:你們團隊是邊幹邊學,自己摸索,那麼外部專業知識和合作在加快項目進展方面發揮了怎樣的作用?
JD:這至關重要。 我們來自電影製作行業,而非電力電子領域。 我們深諳的是影片拍攝現場的痛點——片場的實際用電需求、柴油發電機的短板所在、後勤管理、雜訊問題、劇組對可靠性的底線要求等。 我們不可能從零起步,在電力電子工程能力上超過專注於電源轉換的專業公司。 因此,我們早期做出了一個深思熟慮的決策——在我們擅長的領域掌握主動權,即應用、部署、客戶,在電源轉換專業知識方面則尋求合作夥伴,而非試圖從零自學。 在電源方面,我們與 Vicor 合作,極大地縮短了我們的開發時間。 我們沒有耗費數年時間在電力電子領域艱難摸索,而是直接基於成熟的模組進行開發,並將精力聚焦於我們真正具備優勢的領域——系統集成、封裝設計和現場可靠性。 對於一支由一線操作者主導的團隊而言,清楚哪些該自己做、哪些該借力外部,是成功的關鍵所在。
EPDT:緊湊、高效的模組如何幫助你們優化尺寸、可擴充性和整體系統性能?
JD:轉換級的功率密度是使整個單元實現便攜的關鍵。 這是核心優勢。 電力電子設備越小越輕,箱體內就能有更多空間用於電池儲能,也越容易移動到所需位置。 可擴充性是第二個優勢。 由於轉換部分採用模組化設計,相同的構建模組可以應用於整個產品線——從較小的手推車尺寸的設備到大型平台——這樣我們就不需要為每個產品重新設計電源路徑。 通過並聯多個模組,我們無需每次從頭進行全新設計就能擴展輸出功率; 隨著產品線擴展,工程投入和成本隨之降低。 在效能方面,决定一台裝置能否在實際使用中勝任的兩項關鍵名額是續航時間和發熱量,而兩者相互關聯。 高轉換效率既能延長續航,又能减少廢熱,這正是電源裝置能够輕鬆完成超過 12 小時拍攝任務的關鍵。
圖 1:ReVolt 移動電源單元示例。
EPDT:與 Vicor 的合作如何影響了你們對電源轉換架構和系統設計的思路?
JD:這從根本上改變了我們的思維模式——從“設計一個電源”轉變為“用經過驗證的模組組合一套電源系統”。 這是兩種截然不同的方法論。 我們不再試圖自行設計轉換級,而是利用現成的可靠模組,並將我們的設計精力集中於集成、熱管理、封裝和部署,這才是我們產品真正形成差异化的地方。 Vicor 還為我們設立了更高的標杆,讓我們得以大幅壓縮產品外形尺寸,减小占地面積。 正是這些模組的高功率密度,使一台真正便攜、可現場部署的裝置從願景變為現實。 這種模組化、分比式的電源路徑設計思路,如今已成為我們整個產品線設計的核心理念。
EPDT:從系統層面來看,ReVolt 移動電源平台在效率、部署和易用性方面有哪些差异化優勢?
JD:第一是效率,體現在按需供電上。 ReVolt 裝置僅輸出實際所需的電量,空載時輸出為零。 柴油發電機組則無論負載高低都持續消耗燃油。 一台僅以 20% 負載運行的柴油發電機,其油耗仍然接近滿載時的大部分水准,並且整個過程中都在持續排放。 ReVolt 的產品沒有怠速消耗。 第二是部署。 我們的電源裝置在尺寸和封裝上經過專門設計,便於按需部署到片場或工地,我們從一開始就做好容量匹配。 我們的免費線上功率小算盘可讓統籌或監管人員輸入裝置清單和運行時長,獲得匹配的裝置推薦方案,再安排發貨。 這樣,客戶既不會因容量不足而導致拍攝中斷,也不會因過度配寘而為用不上的容量付費。 易用性是另一個關鍵考量。 我們採用劇組已經熟悉的標準介面,還提供近乎靜音的運行和零現場排放,這不僅對碳减排至關重要,對保證工作人員健康、减少鄰居投訴和提高音軌的純淨度同樣重要。 每位客戶還可以通過實时門戶查看每個項目的供電量(kWh)、節省的柴油量和抵消的二氧化碳量。 此外,還有一項柴油發電機從物理上無法實現的差异化優勢——在垂直建築工地,我們的裝置能够回收升降機和電梯下降時產生的制動能量,將其回饋至電池組,而非通過制動電阻以熱能形式白白耗散。 每一次下降過程都變成了一次免費充電。 最後,我們的移動應用和線上門戶還支持遠程監控和小幅電壓調整。
EPDT:除硬體本身之外,Vicor 的工程專業知識和技術支援在開發和部署過程中發揮了多大價值?
JD:坦率地說,與產品本身同等重要。 除模組之外,更重要的是應用工程支持——設計導入支持、參考設計,以及針對我們具體應用場景的轉換和散熱特性分析輔助。 對於一支從製作行業起步、而非電氣工程科班出身的團隊而言,這種支持有效降低了設計風險,幫助我們保持了單憑自身能力無法實現的研發節奏。 這就是‘買一個零件’和‘得到一個工程合作夥伴’之間的根本差別。
EPDT:ReVolt 正在為更廣泛的電氣化行程做出貢獻。 你們的技術如何支持臨時和移動供電領域更永續的能源利用?
JD:臨時和移動供電是電氣化行程中被忽視的關鍵支點。 在一部電影的製作過程中,車輛和發電機消耗的燃油約占總碳足迹的 50%,而發電機這一部分過去從未被人正視。 迄今為止,我們已在電影、電視和建築領域累計部署了 2.25 兆瓦的清潔電池電力——這不是試點項目,而是一個正在運行的機組,在對空氣和噪音污染最為敏感的用電點上直接替代了柴油。 更深層的變革在於模式本身的轉變。 隨著電網壓力與監管要求同步攀升,問題已不再是“我們還能安全燃燒多少柴油”,而是“如何在需要的時候、以精確匹配的容量供電,並留存完整的稽核記錄”。 這就是我們設計小算盘和客戶入口网站的初衷——前期精准匹配,此後對每一度電、每節省一加侖柴油、每抵消一磅二氧化碳進行計量和報告。 在垂直建築領域,能量回收技術回收了柴油以熱量形式浪費的能量。 縱觀整個行業,電池供電正從少數選擇變成行業默認方案,柴油反而退居備用——而高密度電源轉換技術正是讓這一切在現場變得切實可行的關鍵。
EPDT:除電影行業之外,還有哪些相鄰市場可以從你們的技術中受益?
JD:建築業是體量最大、增長最快的市場,尤其是垂直建築領域——制動能量回收優勢在此顯而易見,監管壓力也最為嚴峻:紐約市、洛杉磯和倫敦的低排放與禁止怠速區,歐盟第五階段非道路移動機械排放法規,以及英國到 2035 年將 78% 的柴油動力工程機械淘汰出建築工地的目標。 採用移動電池供電是實現合規的必由之路。 此外,同一平台同樣適用於所有電網不可及、現時默認依賴柴油的場景:現場活動與音樂節、戶外轉播、災難救援與應急供電、偏遠地區電信和基礎設施網站、農業生產以及電網受限地區的電動汽車充電。 這些場景的共同點與電影行業如出一轍——在需要的地點、需要的時間,提供安靜、清潔、可計量的電力,而無需燃料儲罐。
本文最初由 Electronic Product Design and Test 發佈。
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