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新的氫能技術(shù)可能標(biāo)志著無(wú)人機(jī)的商業(yè)突破，為具有更大范圍和負(fù)載能力的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)鋪平道路。Doosan Mobility Innovation （DMI） 宣布已成功使用氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供人道主義援助。兩小時(shí)的飛行時(shí)間（比大多數(shù)電池供電的無(wú)人機(jī)長(zhǎng)），氫無(wú)人機(jī)在美屬維爾京群島之間運(yùn)送口罩和應(yīng)急物資，并將醫(yī)療物資運(yùn)送到位于濟(jì)州島的韓國(guó)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(shí)。PEMFC 發(fā)電并以與消耗電力的電解相反的原理運(yùn)行。憑借這一經(jīng)驗(yàn)，斗山正在開發(fā)用于無(wú)人機(jī)的 PEMFC 移動(dòng)電源組。
在接受 EE Times 采訪時(shí)，Doosan Mobility Innovation 的銷售代表 Jiwon-Yeo 強(qiáng)調(diào)了氫動(dòng)力遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)的使用如何還可以對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行商業(yè)監(jiān)控，例如韓國(guó)最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠 Haenam 。 “使用電池供電的無(wú)人機(jī)執(zhí)行相同的任務(wù)時(shí)，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(shuō)。
氫能解決方案的開發(fā)包括從材料工程到優(yōu)化無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的一系列技術(shù)。這些遠(yuǎn)程燃料電池?zé)o人機(jī)一次充電能夠飛行長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)，甚至可以在一次飛行中覆蓋大型場(chǎng)地，而不必使用多個(gè)電池和多個(gè)發(fā)射點(diǎn)。無(wú)人機(jī)還在人員安全和事故預(yù)防方面提供優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭罩袙呙柘伺肋^(guò)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的需要。
圖 1：太陽(yáng)能電池板檢查示例（來(lái)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(dāng)氫氣與大氣中的空氣結(jié)合時(shí)，就會(huì)形成水，使氫氣成為一種無(wú)污染的氣體。世界范圍內(nèi)減少顆粒物、核能危險(xiǎn)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(guò)程與電解正好相反：將水（H2O）分解成H2和O時(shí)，需要提供電流，相反的過(guò)程產(chǎn)生電流和水。
如圖 2 所示，無(wú)人機(jī)由電池堆中使用氫氣和氧氣產(chǎn)生的電力提供動(dòng)力。
正如 Jiwon-Yeo 指出的那樣，該電池堆由幾個(gè)電池組成，這些電池由聚合物電解質(zhì)膜 （PEM） 和兩個(gè)電極組成，它們通過(guò)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(jìn)行壓縮，從而確保了較長(zhǎng)的供應(yīng)周期?！癉MI 提供了一個(gè)完整的氫氣系統(tǒng)，將裝滿的氫氣瓶運(yùn)送到客戶現(xiàn)場(chǎng)。用戶只需要更換氫氣瓶，這大約需要一分鐘，”Jiwon-Yeo 說(shuō)。她補(bǔ)充說(shuō)：“我們的儲(chǔ)罐不僅通過(guò)了獲得氫氣罐認(rèn)證所需的測(cè)試，還通過(guò)了與無(wú)人機(jī)飛行最相似的各種安全測(cè)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(jī)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(rèn)為無(wú)人機(jī)等氫燃料電池移動(dòng)性的增加將刺激市場(chǎng)。通過(guò)當(dāng)?shù)氐暮献骰锇殛P(guān)系，我們?cè)陧n國(guó)、中國(guó)和美國(guó)完成了氫供應(yīng)鏈。我們正在與當(dāng)?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(guò) DOT、TPED 和 KGS 標(biāo)志認(rèn)證，”Jiwon-Yeo 說(shuō)。
圖 2：燃料電池如何發(fā)電（來(lái)源：DMI）
圖 3：能量密度比較：氫燃料電池與鋰電（來(lái)源：DMI）
氫氣增加了無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間
一個(gè) 48V 系統(tǒng)通過(guò)實(shí)施配電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 來(lái)處理類似于系留無(wú)人機(jī)的氫電池供電無(wú)人機(jī)的電源管理。在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于對(duì)設(shè)計(jì)選擇有重大影響的幾個(gè)因素，PDN 是最關(guān)鍵的元素之一。這些因素在技術(shù)驅(qū)動(dòng)之前是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的。PCB設(shè)計(jì)中電源的優(yōu)化是一個(gè)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(fù)載提供特定級(jí)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(biāo)準(zhǔn)（如 48V）的 PDN 正在多個(gè)應(yīng)用中出現(xiàn)。
DMI 使用的 2.6 kW DP30 電源系統(tǒng)有兩個(gè)主要組，分別為無(wú)人機(jī)旋翼和兩個(gè)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(jī)和 12V、8A 的控制電路和風(fēng)扇下運(yùn)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(guò)這樣做，它允許鋰電池在需要時(shí)由燃料電池自動(dòng)充電，或者在無(wú)人機(jī)運(yùn)行時(shí)燃料電池需要額外電力時(shí)放電。熱管理對(duì)氫燃料電池很重要，我們有一個(gè)內(nèi)部冷卻風(fēng)扇來(lái)調(diào)節(jié)熱量，”Jiwon-Yeo 說(shuō)
DMI 計(jì)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(gè)電源組推出匹配的無(wú)人機(jī)。
增加的飛行時(shí)間，加上快速加油，為使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行海上平臺(tái)檢查、搜索和救援行動(dòng)、高質(zhì)量航空攝影、精準(zhǔn)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(yàn)使用無(wú)人機(jī)推出送貨服務(wù)的計(jì)劃。如果燃料電池驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)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(gè)低碳運(yùn)輸系統(tǒng)，遏制空氣污染和排放，并取代公路運(yùn)輸。這些飛機(jī)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(dòng)場(chǎng)景。確實(shí)，在無(wú)數(shù)嗡嗡作響的機(jī)器人穿越大都市的摩天大樓之前，必須保證安全?！?/p>
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