Figure 1 : Exemples de véhicules sans pilote : robot de livraison, drone multicoptère, robot sous-marin.
Tous ces dispositifs sont confrontés à des défis communs. Le plus important est de garantir un fonctionnement sûr afin d'éviter les collisions avec des personnes ou des objets, ainsi que les accidents aériens incontrôlés. Les véhicules doivent être légers tout en étant suffisamment puissants pour transporter la charge utile la plus lourde possible et assurer une autonomie prolongée.
Bien que les charges utiles soient souvent de petite taille, chaque application peut nécessiter différentes configurations de capteurs, de manipulateurs ou de dispositifs de surveillance. Les fabricants peuvent relever ce défi en utilisant des plateformes flexibles et modulaires, ainsi que des équipements disponibles dans le commerce, permettant une adoption rapide et économique en fonction des besoins spécifiques.
L'alimentation de ces véhicules sans pilote dépend de l'application et de l'autonomie requise. Pour les opérations à courte portée, on utilise des batteries ou des supercondensateurs ; les piles à combustible modernes permettent une autonomie prolongée ; et pour les opérations à longue portée, on utilise des moteurs à combustion ou l'alimentation est fournie par câble.
Compte tenu de tous ces paramètres, l'alimentation de l'électronique de ces véhicules devient un élément clé pour la sécurité, l'autonomie prévue et la capacité d'emport élevée. Les tensions des sources d'alimentation varient et de nombreuses charges utiles nécessitent leur propre tension d'alimentation spécifique. Cet article décrit comment les modules de puissance P-DUKE, issus de la vaste gamme de produits Electronica OLFER, permettent de concevoir des solutions d'alimentation extrêmement flexibles et modulaires.
L'architecture embarquée de ces véhicules, qu'ils soient aériens, terrestres ou sous-marins, est très similaire et se compose d'une source d'alimentation, de convertisseurs CC-CC pour les différentes charges, de régulateurs de vitesse et de moteurs de propulsion (Figure 2).
Figure 2 : Architectures d'alimentation de base pour véhicules aériens sans pilote (UAV) - schéma fonctionnel simplifié
Dans la plupart des applications, le moteur de propulsion est alimenté directement par la source d'énergie afin d'éviter des pertes de conversion supplémentaires. Souvent, des batteries sont utilisées ; la tension et la capacité requises dépendent de la taille du système et de sa puissance maximale. Pour minimiser ces pertes, les moteurs sont généralement alimentés directement par la batterie, tandis que le reste du système nécessite des tensions stables.
Pour les drones (UAV), des batteries LiPo de 3,7 V sont connectées en série, avec des tensions nominales allant de 3s = 11,1 V à 16s = 59,2 V (où « s » représente le nombre d'éléments en série). Pour une autonomie de vol accrue, des piles à combustible peuvent être utilisées.
Les robots d'entrepôt modernes, qu'ils soient autonomes (UAV) ou guidés (UGV), sont équipés de batteries Li-Ion ou LiFePO4 dont les tensions nominales varient d'environ 24 V pour les petits systèmes à plus de 100 V pour les applications exigeantes telles que les chariots élévateurs.
Quels types de convertisseurs DC/DC conviennent aux différentes alimentations des drones (UAV) ?
La large gamme de tensions d'alimentation représente un véritable défi pour les concepteurs à la recherche de solutions d'alimentation flexibles et modulaires pour diverses applications. P-DUKE et OLFER Electronics proposent une gamme complète de convertisseurs DC/DC répondant à ces exigences, avec des tensions d'entrée de 9 V à 75 V et de 14 V à 160 V, des sorties simples ou doubles de 3,3 V à 48 V et des puissances de 10 W à 200 W. Ces produits sont également conçus pour les environnements difficiles dans lesquels ces véhicules peuvent évoluer. Afin d'
optimiser la charge utile et l'espace disponible pour le fret et les équipements de sécurité, tous les autres composants doivent être aussi légers et compacts que possible. C'est une raison supplémentaire d'utiliser des convertisseurs DC/DC compacts et à haut rendement dans la chaîne d'alimentation interne. Le rendement a un impact significatif sur le poids total, car des pertes réduites permettent de réduire la taille des dissipateurs thermiques. L'utilisation de modules plutôt qu'une alimentation centralisée présente l'avantage de répartir les convertisseurs et la chaleur dissipée dans tout le système, au plus près des charges, simplifiant ainsi la gestion thermique.
Grâce aux convertisseurs compacts et légers de P-DUKE, il est facile de concevoir une solution unique adaptée à différentes alimentations pour diverses applications. Besoin d'une tension de charge supplémentaire ? Rien de plus simple : ajoutez un module DC/DC ou remplacez-en un par un modèle compatible de la même gamme, et le tour est joué !
Prenons quelques exemples :
• Usines intelligentes et flexibles : Ces usines nécessitent des véhicules capables de se déplacer et de transporter des marchandises de manière autonome au sein de l’unité de production ou de l’entrepôt. Ces véhicules utilisent des lasers et des caméras pour la navigation et communiquent directement avec le système de production et les autres robots. Les véhicules autonomes peuvent se déplacer presque librement, tandis que les véhicules guidés (UGV) suivent un itinéraire prédéfini déterminé par des marqueurs visuels, des bandes magnétiques, la reconnaissance d’objets et les données odométriques.
• Principal défi : La sécurité d’exploitation est primordiale, car ces véhicules puissants et lourds doivent détecter les travailleurs humains ou tout autre obstacle en toutes circonstances. Ce parcours autonome a été rendu possible grâce à des progrès significatifs dans les technologies de caméra, de capteur, de laser et de reconnaissance d’objets.
• Architecture d'alimentation : Comme illustré à la figure 1, les moteurs de forte puissance servant à lever et à déplacer les marchandises transportées sont généralement alimentés directement par la batterie. Des solutions filaires ou sans fil sont utilisées pour recharger cette dernière.
Exemple d'application : Dans l'application illustrée à la figure 3, le fabricant souhaitait utiliser des batteries de tension nominale de 24 V ou 48 V, selon la puissance requise et la charge souhaitée. Pour la conduite autonome, l'ordinateur de bord du véhicule traite les informations provenant de caméras et de systèmes LiDAR. De nombreux appareils industriels fonctionnent déjà avec des plages de tension d'alimentation plus étendues, mais ne prennent pas en charge les batteries de 24 V et 48 V. Voici quelques exemples de différents systèmes LiDAR dont la puissance varie de 4 W à 10 W.
Par conséquent, un bus 12 V a été sélectionné pour le processeur, les caméras, les lidars et autres équipements 12 V. Le cas échéant, de petits convertisseurs aval génèrent des tensions de 5 V ou 3,3 V. Des convertisseurs isolés sont utilisés afin d'éviter que des interférences ne se propagent aux capteurs sensibles. Voir les séries HAE150W (12 V), UDH03 et PDL12W (5 V) et OSR03 (3,3 V) sur www.olfer.com.
La figure 3 présente le schéma fonctionnel d'un véhicule autonome sans pilote (un robot de conduite pour entrepôts automatisés).
Dans les applications basse consommation, où des durées de fonctionnement courtes et intermittentes ainsi qu'une recharge rapide sont possibles, les supercondensateurs pourraient constituer une option intéressante. Leur densité énergétique est plus faible, et les nouvelles technologies semblent atteindre des valeurs similaires à celles des batteries NiMH. Les supercondensateurs présentent l'avantage de ne contenir aucun matériau dangereux et d'avoir une résistance interne bien plus faible, permettant des courants de crête plus élevés que les batteries. La durée de vie des batteries est limitée à 2 000 à 5 000 cycles de charge, tandis que les supercondensateurs peuvent être chargés plus d'un million de fois sans dégradation significative. Ils fonctionnent également à très basse température, par exemple dans un entrepôt de produits alimentaires ou surgelés.
Contrairement aux batteries, qui maintiennent une tension quasi constante pendant la décharge, la tension des supercondensateurs chute considérablement. L'exemple suivant concerne un petit robot consommant 100 W et fonctionnant pendant 60 secondes maximum entre deux cycles de charge.
Calcul de l'énergie :
E = P * t = 100 W * 60 s = 6 kJ = 1,67 Wh.
Tension maximale du banc de condensateurs : 48 V. Tension minimale : 12 V.
Capacité requise :
En connectant en série dix-sept supercondensateurs de 3 V/100 F, la capacité requise peut être atteinte à une tension nominale maximale de 51 V.
La figure 4 compare la courbe de décharge de cette solution de supercondensateurs à celle d'une batterie standard de 48 V.
La figure 4 montre les courbes de décharge des supercondensateurs par rapport aux batteries.
Bien que les supercondensateurs soient assurément plus chers que les batteries, leur recharge en quelques secondes pendant le fonctionnement permet au robot de fonctionner 24 heures sur 24 sans interruption. Compte tenu de leur durée de vie supérieure et du coût de remplacement des batteries défectueuses, la solution des supercondensateurs s'avère plus économique à long terme.
Pour couvrir la large plage de tension des condensateurs (de 12 V à 48 V), un convertisseur est nécessaire. Aucun problème ! P-DUKE propose un convertisseur avec une entrée de 9 V à 75 V et une sortie de 100 W. Voir la série QAE100U.
Figure 5 : Architecture d'alimentation typique d'un robot utilisant une solution d'alimentation par supercondensateur.
Le dernier exemple est un petit hélicoptère sans pilote doté d'une autonomie de vol supérieure à quatre heures et nécessitant un moteur à combustion. Contrairement à ce qui est illustré sur la figure 1, les rotors sont entraînés directement par le moteur, qui fournit également la tension standard de 28 V pour les systèmes de commande de vol. L'hélicoptère peut être équipé de nacelles infrarouges/optiques, de divers capteurs, d'un lidar, de systèmes de cartographie 3D et de géolocalisation, ainsi que de nombreux autres dispositifs nécessitant une alimentation stable de 12 V d'une puissance totale de 170 W.
Le convertisseur CC/CC 28 V vers 12 V requis doit être léger, capable de fonctionner à des températures ambiantes aussi basses que -40 °C et résister aux fortes contraintes dues aux chocs et vibrations des rotors. La protection IP67 et le blindage complet contre les interférences électromagnétiques (IEM) ont nécessité un châssis hermétique pour toute l'électronique et, par conséquent, un refroidissement par conduction pour le convertisseur.
La solution idéale s'est avérée être l'onduleur demi-boîtier P-DUKE HAE200W (figure 6). Il fonctionne avec une tension d'entrée de 16,5 à 75 V, même à des températures ambiantes aussi basses que -40 °C, et son socle métallique assure le refroidissement par conduction de la cellule de l'hélicoptère. Grâce à son encapsulage en silicone, il répond aux exigences de résistance aux chocs et aux vibrations des normes militaires. Pesant seulement 105 g, cet onduleur représente moins de 0,5 % du poids total de l'hélicoptère. De plus, avec une puissance de sortie maximale de 212 W, il offre une marge de puissance suffisante pour les charges additionnelles ou les pics de consommation.
Figure 6 : Chaîne d'alimentation simplifiée du système d'hélicoptère sans pilote.
La télécommande peut être alimentée par une batterie 12 V ou par le réseau électrique 28 V (plage de 16 V à 50 V) d'un bateau ou d'un véhicule terrestre. L'amplificateur RF nécessitant une source de 28 V de forte puissance, cette tension a été choisie comme tension d'alimentation principale. Un convertisseur de 100 W de la gamme QAE100U de P-DUKE, avec une plage d'entrée de 9 V à 75 V, génère ce bus 28 V. Des convertisseurs P-DUKE de plus faible puissance, situés en aval, fournissent les tensions d'alimentation nécessaires à la télécommande (Figure 7).
Figure 7 : Schéma fonctionnel de l'unité de télécommande.
Chaque application de drone présente des défis et des exigences spécifiques. Cet article se concentre sur certains éléments clés de la chaîne d'alimentation qui, dans la plupart des cas, partagent des exigences communes : compacité, légèreté, rendement et fiabilité élevés, mais surtout flexibilité, modularité et facilité d'utilisation.
En définitive, les concepteurs ont besoin d'un partenaire compétent, doté d'une gamme de produits adaptée et capable de les accompagner dans la recherche de la solution optimale pour leurs besoins spécifiques. P-DUKE et OLFER Electronics sont là pour vous aider.
Auteur : Service marketing de P-DUKE.
Traduction : Service marketing d’OLFER Electronics.
