氫動力無人機的市場突破

新的氫能技術(shù)可能標志著無人機的商業(yè)突破，為具有更大范圍和負載能力的移動機器人開發(fā)鋪平道路。Doosan Mobility Innovation （DMI） 宣布已成功使用氫動力無人機在偏遠地區(qū)提供人道主義援助。兩小時的飛行時間（比大多數(shù)電池供電的無人機長），氫無人機在美屬維爾京群島之間運送口罩和應(yīng)急物資，并將醫(yī)療物資運送到位于濟州島的韓國最高峰漢拿山山頂。

DMI 在與磷酸燃料電池 （PAFC） 和質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC）（也稱為聚合物電解質(zhì)膜 （PEM） 燃料電池）相關(guān)的材料和系統(tǒng)方面積累了多年的知識。PEMFC 發(fā)電并以與消耗電力的電解相反的原理運行。憑借這一經(jīng)驗，斗山正在開發(fā)用于無人機的 PEMFC 移動電源組。

在接受 EE Times 采訪時，Doosan Mobility Innovation 的銷售代表 Jiwon-Yeo 強調(diào)了氫動力遠程無人機的使用如何還可以對大面積區(qū)域進行商業(yè)監(jiān)控，例如韓國最大的太陽能發(fā)電廠 Haenam 。 “使用電池供電的無人機執(zhí)行相同的任務(wù)時，需要更換六次以上的電池。由于氫燃料電池的能量密度高，比傳統(tǒng)電池高 3~4 倍，因此氫燃料電池是一種更高效、更有效的能源，”Jiwon-Yeo 說。

氫能解決方案的開發(fā)包括從材料工程到優(yōu)化無人機動力系統(tǒng)的一系列技術(shù)。這些遠程燃料電池?zé)o人機一次充電能夠飛行長達兩個小時，甚至可以在一次飛行中覆蓋大型場地，而不必使用多個電池和多個發(fā)射點。無人機還在人員安全和事故預(yù)防方面提供優(yōu)勢，因為空中掃描消除了爬過現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的需要。

圖 1：太陽能電池板檢查示例（來源：斗山 Mobility Innovation）

氫燃料電池技術(shù)科學(xué)

氫是地球上最輕的元素。當氫氣與大氣中的空氣結(jié)合時，就會形成水，使氫氣成為一種無污染的氣體。世界范圍內(nèi)減少顆粒物、核能危險和溫室氣體的努力也增加了使用可再生能源的需求。因此，氫正在成為最有前途的替代能源。

燃料電池是一種不使用熱循環(huán)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的裝置。氫 （H2） 燃料電池由氫和氧產(chǎn)生電能和熱水。

該過程與電解正好相反：將水（H2O）分解成H2和O時，需要提供電流，相反的過程產(chǎn)生電流和水。

如圖 2 所示，無人機由電池堆中使用氫氣和氧氣產(chǎn)生的電力提供動力。

正如 Jiwon-Yeo 指出的那樣，該電池堆由幾個電池組成，這些電池由聚合物電解質(zhì)膜 （PEM） 和兩個電極組成，它們通過氫反應(yīng)和氧反應(yīng)產(chǎn)生離子和電子。氫氣在用于電池之前首先在高壓下進行壓縮，從而確保了較長的供應(yīng)周期?！癉MI 提供了一個完整的氫氣系統(tǒng)，將裝滿的氫氣瓶運送到客戶現(xiàn)場。用戶只需要更換氫氣瓶，這大約需要一分鐘，”Jiwon-Yeo 說。她補充說：“我們的儲罐不僅通過了獲得氫氣罐認證所需的測試，還通過了與無人機飛行最相似的各種安全測試?！?/p>

帶有聚合物膜的電池具有高電導(dǎo)率，可在 70 至 100°C 的溫度下工作。它們主要用于牽引和小規(guī)模發(fā)電/熱電聯(lián)產(chǎn)（1 - 250 kW）。燃燒電池具有很高的電效率，其值范圍為 40% 到 60%，具體取決于所使用的溫度。系統(tǒng)的模塊化使得增加裝機功率成為可能。電池可以串聯(lián)排列形成“堆疊”，可以組裝成模塊以獲得所需的發(fā)電量。

“最大的挑戰(zhàn)之一是缺乏氫基礎(chǔ)設(shè)施。我們認為無人機等氫燃料電池移動性的增加將刺激市場。通過當?shù)氐暮献骰锇殛P(guān)系，我們在韓國、中國和美國完成了氫供應(yīng)鏈。我們正在與當?shù)靥烊粴?a target="_blank">公司合作，為我們的氫氣瓶充電，該瓶已通過 DOT、TPED 和 KGS 標志認證，”Jiwon-Yeo 說。

圖 2：燃料電池如何發(fā)電（來源：DMI）

圖 3：能量密度比較：氫燃料電池與鋰電（來源：DMI）

氫氣增加了無人機的飛行時間

一個 48V 系統(tǒng)通過實施配電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 來處理類似于系留無人機的氫電池供電無人機的電源管理。在電源系統(tǒng)設(shè)計中，由于對設(shè)計選擇有重大影響的幾個因素，PDN 是最關(guān)鍵的元素之一。這些因素在技術(shù)驅(qū)動之前是市場驅(qū)動的。PCB設(shè)計中電源的優(yōu)化是一個系統(tǒng)范圍的問題。

PDN 旨在為源自大容量電源的系統(tǒng)內(nèi)的各種負載提供特定級別的電壓和電流。隨著系統(tǒng)電源需求的增加，傳統(tǒng) PDN 面臨著提供足夠性能的巨大壓力。基于新標準（如 48V）的 PDN 正在多個應(yīng)用中出現(xiàn)。

DMI 使用的 2.6 kW DP30 電源系統(tǒng)有兩個主要組，分別為無人機旋翼和兩個堆棧的控制器供電。由于 DP30 電源的輸出電壓范圍寬且可變，從 40 到 74V，輸出功率單元在 48V、12A 的電機和 12V、8A 的控制電路和風(fēng)扇下運行。該結(jié)構(gòu)由 Vicor PRM? 降壓-升壓穩(wěn)壓器和 ZVS 降壓穩(wěn)壓器提供支持。

“寬范圍的燃料電池電壓和與傳統(tǒng)鋰聚合物電池的混合連接是我們電源管理系統(tǒng)的關(guān)鍵配置。通過這樣做，它允許鋰電池在需要時由燃料電池自動充電，或者在無人機運行時燃料電池需要額外電力時放電。熱管理對氫燃料電池很重要，我們有一個內(nèi)部冷卻風(fēng)扇來調(diào)節(jié)熱量，”Jiwon-Yeo 說

DMI 計劃根據(jù)功率容量使其產(chǎn)品線多樣化。Jiwon-Yeo指出，該公司很快將開發(fā)各種容量的產(chǎn)品，從明年應(yīng)該發(fā)布的1.5kW氫燃料電池電源組到10kW電源組，并將為每個電源組推出匹配的無人機。

增加的飛行時間，加上快速加油，為使用無人機進行海上平臺檢查、搜索和救援行動、高質(zhì)量航空攝影、精準農(nóng)業(yè)、交付等的公司開辟了廣泛的新業(yè)務(wù)可能性。

谷歌、亞馬遜和阿里巴巴正在試驗使用無人機推出送貨服務(wù)的計劃。如果燃料電池驅(qū)動的無人機取得成功，樂觀主義者表示，它們可以在全球范圍內(nèi)建立一個低碳運輸系統(tǒng)，遏制空氣污染和排放，并取代公路運輸。這些飛機的建立必須遵守空中交通規(guī)則，這些規(guī)則需要修改并適應(yīng)新的移動場景。確實，在無數(shù)嗡嗡作響的機器人穿越大都市的摩天大樓之前，必須保證安全?！?/p>