Abbildung 1: Beispiele für unbemannte Fahrzeuge: Lieferroboter, Multikopter-Drohne, Unterwasserroboter.
Alle diese Geräte stehen vor gemeinsamen Herausforderungen. Die wichtigste ist die Gewährleistung eines sicheren Betriebs, um Kollisionen mit Personen oder Objekten sowie unkontrollierte Flugunfälle zu vermeiden. Die Fahrzeuge müssen leicht, aber dennoch leistungsstark genug sein, um eine möglichst hohe Nutzlast zu transportieren und lange Betriebszeiten zu erreichen.
Obwohl die Nutzlasten oft recht klein sind, kann jede Anwendung unterschiedliche Konfigurationen von Sensoren, Manipulatoren oder Überwachungsgeräten erfordern. Hersteller können dieser Herausforderung durch flexible und modulare Plattformen sowie handelsübliche Ausrüstung begegnen und so eine schnelle und kostengünstige Anpassung an spezifische Bedürfnisse ermöglichen.
Die Energieversorgung dieser unbemannten Fahrzeuge hängt von der Anwendung und der benötigten Betriebszeit ab. Für Kurzstreckenflüge werden Batterien oder Superkondensatoren eingesetzt; moderne Brennstoffzellen ermöglichen längere Betriebszeiten; und für Langstreckenflüge kommen Verbrennungsmotoren zum Einsatz oder die Stromversorgung erfolgt über Kabel.
Angesichts all dieser Parameter ist die Energieversorgung der Fahrzeugelektronik ein Schlüsselelement für Sicherheit, erwartete Betriebszeiten und hohe Nutzlastkapazität. Die Spannungen der Stromquellen variieren, und viele Nutzlasten benötigen ihre eigene spezifische Versorgungsspannung. In diesem Artikel beschreiben wir, wie die P-DUKE-Leistungsmodule, Teil des umfangreichen Produktportfolios von Electronica OLFER, äußerst flexible und modulare Stromversorgungslösungen ermöglichen.
Die Bordarchitektur dieser Fahrzeuge – ob in der Luft, an Land oder unter Wasser – ist sehr ähnlich und besteht aus einer Stromquelle, DC/DC-Wandlern für die verschiedenen Verbraucher, Drehzahlreglern und Antriebsmotoren (Abbildung 2).
Abbildung 2: Grundlegende Stromversorgungsarchitekturen für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) – vereinfachtes Blockdiagramm
In den meisten Anwendungen wird der Antriebsmotor direkt von der Stromquelle versorgt, um zusätzliche Umwandlungsverluste zu vermeiden. Häufig kommen Akkumulatoren zum Einsatz, deren benötigte Spannung und Kapazität von der Systemgröße und der maximalen Leistung abhängen. Um zusätzliche Umwandlungsverluste zu vermeiden, werden die Motoren typischerweise direkt vom Akku versorgt, während der Rest des Systems stabile Spannungen benötigt.
Bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) werden 3,7-V-LiPo-Akkus in Reihe geschaltet, mit Nennspannungen von 3s = 11,1 V bis 16s = 59,2 V (wobei „s“ die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen angibt). Für längere Flugzeiten können Brennstoffzellen verwendet werden.
Moderne Lagerroboter, ob autonom (UAVs) oder gelenkt (UGVs), sind mit Li-Ion- oder LiFePO4-Akkus ausgestattet, deren Nennspannungen von ca. 24 V für kleinere Systeme bis über 100 V für Schwerlastanwendungen wie Gabelstapler reichen.
Welche DC/DC-Wandler eignen sich für die unterschiedlichen Stromversorgungen unbemannter Luftfahrzeuge (UAV)?
Die große Bandbreite an Versorgungsspannungen stellt Entwickler vor die Herausforderung, flexible und modulare Stromversorgungslösungen für diverse Anwendungen zu finden. P-DUKE und OLFER Electronics bieten ein umfassendes Portfolio an DC/DC-Wandlern, die diese Anforderungen erfüllen. Die Eingangsspannungen reichen von 9 V bis 75 V und 14 V bis 160 V, die Ausgänge von 3,3 V bis 48 V (einzeln oder doppelt) und die Nennleistungen von 10 W bis 200 W. Diese Produkte sind zudem für die rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt, denen diese Fahrzeuge mitunter ausgesetzt sind.
Um die Nutzlastkapazität und den Platz für Fracht und Sicherheitsausrüstung zu maximieren, müssen alle anderen Komponenten so leicht und kompakt wie möglich sein. Auch dies ist ein Grund, hocheffiziente und kompakte DC/DC-Wandler in der internen Stromversorgung einzusetzen. Die Effizienz wirkt sich maßgeblich auf das Gesamtgewicht aus, da geringere Verluste kleinere Kühlkörper erfordern. Der Einsatz von Modulen anstelle einer zentralen Stromversorgungslösung bietet den Vorteil, dass die Wandler und die entstehende Wärme im gesamten System nahe an den Verbrauchern verteilt werden können, was das Wärmemanagement vereinfacht.
Mit den kleinen und leichten Wandlern von P-DUKE lässt sich problemlos eine einheitliche Lösung für verschiedene Stromversorgungen in unterschiedlichen Anwendungen realisieren. Und falls eine zusätzliche Lastspannung benötigt wird? Ganz einfach: Fügen Sie ein weiteres DC/DC-Modul hinzu oder ersetzen Sie ein vorhandenes durch ein Plug-and-Play-Ersatzmodul derselben Familie – fertig!
Betrachten wir einige Beispiele:
• Intelligente und flexible Fabriken: Diese Fabriken benötigen Fahrzeuge, die innerhalb der Produktionsanlage oder des Lagers autonom navigieren und Waren transportieren. Diese Fahrzeuge nutzen Laser und Kameras zur Navigation und kommunizieren direkt mit dem Fertigungssystem und anderen Robotern. Autonome Fahrzeuge können sich nahezu frei bewegen, während fahrerlose Transportsysteme (UGVs) einer vordefinierten Route folgen, die durch visuelle Marker, Magnetbänder, Objekterkennung und Odometriedaten bestimmt wird.
• Zentrale Herausforderung: Sicherer Betrieb hat oberste Priorität, da diese leistungsstarken und schweren Fahrzeuge unter allen Umständen menschliche Arbeiter oder andere Hindernisse erkennen müssen. Diese autonome Fahrt wurde durch bedeutende Verbesserungen in der Kamera-, Sensor-, Laser- und Objekterkennungstechnologie ermöglicht.
• Energiearchitektur: Ähnlich wie in Abbildung 1 werden die leistungsstärkeren Motoren zum Heben und Bewegen der transportierten Güter typischerweise direkt von der Batterie gespeist. Zum Laden der Batterie werden kabelgebundene oder drahtlose Lösungen verwendet.
Anwendungsbeispiel: In der in Abbildung 3 dargestellten Anwendung beabsichtigte der Hersteller, je nach Leistungsbedarf und gewünschter Last Batterien mit Nennspannungen von 24 V oder 48 V zu verwenden. Für autonomes Fahren verarbeitet der Bordcomputer des Fahrzeugs Informationen von handelsüblichen Kameras und LiDAR-Systemen. Viele Industriegeräte verfügen bereits über größere Versorgungsspannungsbereiche, decken jedoch keine 24-V- und 48-V-Batterien ab. Im Folgenden sind einige Beispiele für verschiedene LiDAR-Systeme mit Leistungsstufen von 4 W bis 10 W aufgeführt.
Daher wurde für die CPU, Kameras, Lidarsensoren und andere 12-V-Geräte ein 12-V-Bus gewählt. Bei Bedarf erzeugen kleine nachgeschaltete Wandler 5-V- oder 3,3-V-Spannungen. Isolierte Wandler verhindern, dass Störungen auf empfindliche Sensoren einwirken. Weitere Informationen finden Sie in der HAE150W-Serie (12 V), den Serien UDH03 und PDL12W (5 V) sowie der OSR03-Serie (3,3 V) unter www.olfer.com.
Abbildung 3 zeigt das Blockdiagramm eines unbemannten autonomen Fahrzeugs (eines Fahrroboters für automatisierte Lager).
In Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, bei denen kurze, intermittierende Betriebszeiten und schnelles Aufladen möglich sind, können Superkondensatoren eine praktikable Option darstellen. Ihre Energiedichte ist zwar geringer, doch neuere Technologien erreichen Werte, die denen von NiMH-Akkus ähneln. Superkondensatoren bieten den Vorteil, keine Schadstoffe zu enthalten und einen deutlich geringeren Innenwiderstand zu besitzen, wodurch höhere Spitzenströme als bei Batterien möglich sind. Die Lebensdauer von Batterien ist auf 2.000–5.000 Ladezyklen begrenzt, während Superkondensatoren über 1 Million Mal ohne nennenswerte Leistungsverschlechterung geladen werden können. Sie funktionieren auch bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise in Lebensmittel- oder Tiefkühllagern.
Im Gegensatz zu Batterien, die während des Entladevorgangs eine nahezu konstante Spannung aufrechterhalten, sinkt die Spannung von Superkondensatoren deutlich ab. Das folgende Beispiel bezieht sich auf einen kleinen Roboter mit einer Gesamtleistungsaufnahme von 100 W und einer maximalen Betriebszeit von 60 Sekunden zwischen den Ladezyklen.
Energieberechnung:
E = P * t = 100 W * 60 s = 6 kJ = 1,67 Wh
Maximale Kondensatorbankspannung: 48 V Minimale Spannung: 12 V
Erforderliche Kapazität:
Durch die Reihenschaltung von siebzehn 3V/100F-Superkondensatoren lässt sich die erforderliche Kapazität bei einer maximalen Nennspannung von 51V erreichen.
Abbildung 4 zeigt die Entladekurve dieser Superkondensatorlösung im Vergleich zu einer Standard-48V-Batterie.
Abbildung 4 zeigt die Entladekurven von Superkondensatoren im Vergleich zu Batterien.
Obwohl Superkondensatoren deutlich teurer sind als Batterien, lässt sich der Superkondensatorspeicher im laufenden Betrieb innerhalb weniger Sekunden aufladen, sodass der Roboter 24 Stunden am Tag ohne Unterbrechung laufen kann. Angesichts der längeren Lebensdauer und der geringeren Kosten für den Austausch defekter Batterien ist die Superkondensatorlösung langfristig wirtschaftlicher.
Um den breiten Spannungsbereich von Kondensatoren (von 12 V bis 48 V) abzudecken, wird ein Spannungswandler benötigt. Kein Problem! P-DUKE bietet einen Spannungswandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 9 V bis 75 V und einer Ausgangsleistung von 100 W an. Sehen Sie sich die Serie QAE100U an.
Abbildung 5: Typische Stromversorgungsarchitektur eines Roboters mit Superkondensator-Stromversorgungslösung.
Das letzte Beispiel ist ein kleines unbemanntes Hubschraubersystem mit einer Flugzeit von über vier Stunden, das einen treibstoffbetriebenen Motor benötigt. Anders als in Abbildung 1 dargestellt, werden die Rotoren direkt vom Motor angetrieben, der auch die typische Bordspannung von 28 V für die Flugsteuerungssysteme liefert. Der Hubschrauber kann mit Infrarot-/optischen Kardanringen, verschiedenen Sensoren, Lidar, 3D-Kartierungs- und Geolokalisierungssystemen sowie vielen weiteren Geräten ausgestattet sein, die eine stabile 12-V-Versorgung mit einer Gesamtleistung von 170 W benötigen.
Der erforderliche 28-V-auf-12-V-DC/DC-Wandler muss leicht sein, bei Umgebungstemperaturen bis zu -40 °C funktionieren und den hohen Belastungen durch Stöße und Vibrationen der Rotoren standhalten. Die Schutzart IP67 und die vollständige Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) erforderten ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für die gesamte Elektronik und somit eine Kühlung des Wandlers durch Wärmeleitung.
Die ideale Lösung war der P-DUKE HAE200W-Halbgehäuse-Wechselrichter (Abbildung 6). Der Wechselrichter arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 16,5 bis 75 V, selbst bei Umgebungstemperaturen bis zu -40 °C. Sein Metallsockel ermöglicht die Kühlung der Hubschrauberzelle durch Wärmeleitung. Dank seiner Silikonverkapselung erfüllt er die Anforderungen der MIL-Normen hinsichtlich Stoß- und Vibrationsfestigkeit. Mit einem Gewicht von nur 105 g macht dieser Wechselrichter weniger als 0,5 % des Gesamtgewichts des Hubschraubers aus. Darüber hinaus bietet er mit einer maximalen Ausgangsleistung von 212 W ausreichend Leistungsreserve für zusätzliche Verbraucher oder Lastspitzen.
Abbildung 6: Vereinfachte Energiekette des unbemannten Hubschraubersystems.
Die Fernbedienung kann entweder mit einer 12-V-Batterie oder mit dem 28-V-Netzanschluss (16–50 V) eines Bootes oder Landfahrzeugs betrieben werden. Da der HF-Verstärker eine leistungsstarke 28-V-Quelle benötigt, wurde diese Spannung als Hauptbusspannung gewählt. Ein 100-W-Wandler der QAE100U-Familie von P-DUKE mit einem Eingangsspannungsbereich von 9–75 V erzeugt diese 28-V-Busspannung. Nachgeschaltete, leistungsschwächere P-DUKE-Wandler liefern die erforderlichen Versorgungsspannungen innerhalb der Fernbedienung (Abbildung 7).
Abbildung 7: Blockdiagramm der Fernbedienungseinheit.
Jede UAV-Anwendung stellt unterschiedliche Herausforderungen und Anforderungen. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf einige Schlüsselelemente der Stromversorgungskette, die in den meisten Fällen gemeinsame Anforderungen erfüllen: geringer Platzbedarf, niedriges Gewicht, hohe Effizienz und Zuverlässigkeit, aber noch wichtiger: Flexibilität, Modularität und Benutzerfreundlichkeit.
Letztendlich benötigen Entwickler einen kompetenten Partner, der das notwendige Produktportfolio bietet und den Kunden dabei unterstützt, die optimale Lösung für seine spezifischen Anforderungen zu finden. P-DUKE und OLFER Electronics können Ihnen dabei helfen.
Autor: Marketingabteilung P-DUKE.
Übersetzung: Marketingabteilung OLFER Electronics.
