无人机由于可以快速部署等优点，被广泛应用到各行各业。目前大部分无人机采用机载充电锂电池供电，导致续航时间较短，然而某些应用场景要求无人机能够长时间不间断留空作业，系留无人机应运而生。系留无人机通过系留线缆将地面电源传输至无人机作为动力源来保证无人机长时间稳定工作。

 

系留无人机应用

佰才邦作为通讯领域的优秀企业，近几年来在系留式多旋翼无人机系统方面的发展取得了显著成绩。目前主打机型最大飞行高度为 200 米，最大负载能力 15 公斤，定点悬停时间在 4-24 小时，具有长时间无故障连续飞行的能力。

 


系留无人机系统包括无人机、系留箱、机载电源、地面电源、系留线缆等子系统。在自然灾害造成的通讯中断抢险中，传统应急方案可能需要长达 4 小时的到位时间，但系留无人机从运输到展开业务仅需 20 分钟，超短的展开、回收时间使得系留无人机备受青睐。

 

系留无人机应用领域包括

  • 应急通讯：自然灾害发生时通讯被中断，地面公共网络瘫痪，系留无人机携带移动基站快速投入，确保通讯网络长时间工作；

 

  • 科研院校：将特定设备长时间放置于空中进行测试，系留无人机为科研院所的课题研究起到极大助推作用；

 

  • 安保监控：系留无人机携带各种类型的摄像头在特定时间、特定地点进行长时间空中视频监控；

 

系留无人机电源子系统

 


系留无人机电源结构分布

 


系留无人机电源结构细化分布发电机输出的 220V/380V 交流电压通过地面电源子系统转换为 400V 高压，400V 高压通过系留电缆传输至空中机载电源子系统，在此系统中通过 Vicor BCM 电源模块转成至 48V 电压为马达系统供电。系统的运行功率大致为 5kW，但为了保证足够的抗风能力将设计指标提升至 7kW，系统中使用若干 BCM 电源模块。

 

系留无人机对电源的需求

系留无人机在空中作业时机载电源子系统是端到端系统中的核心部件，为无人机电机以及机载负载设备工作提供动力源，是保证系统长时间、不间断、安全可靠飞行的基础。如下是系统对机载电源的需求： 

 

  • 电源设备重量轻、体积小：机载电源自身重量的降低会提升系统的整体负载能力；

 

  • 输入、输出电压稳定性高：保证系统在强风、高海拔等多种条件下稳定工作；

 

  • 能量密度大、负载能力强：保证系统裕量设计时不增加器件数量；

 

  • 效率高：发热量少降低了散热设备的重量，进一步为提升系统整体负载能力做出贡献；

 

产品特点

采用 VIA 封装的 Vicor BCM4414 是一款高效率的母线转换器，通过 260V-410V DC 高压母线工作，可提供 32.5V-51.3V DC 的隔离式非稳压低压。独特的超薄模块将 DC-DC 转换、集成型滤波和 PMBus®指令及控制整合在底座或 PCB 安装封装中。BCM 可提供低噪声、快速瞬态响应以及业界领先的效率和功率密度。低压侧参考的 PMBus 兼容型遥测控制接口可提供对 BCM 配置、故障监控以及其它遥测功能的访问。BCM 模块利用 Vicor VIA 封装技术的散热及密度优势，能够使用上下两面极低的热阻抗提供高度灵活的散热管理选项。与下游 Vicor DC-DC 转换组件及稳压器相结合时，BCM 允许电源设计工程师采用简单、纤薄的设计，这将在不影响成本或性能指标的情况下，为终端系统实现差异化。

 

特性与优势

  • 输出 35A 的恒定电流；

 

  • 1/8 的固定变压比 (K)；

 

  • 高达 797W/in3 的功率密度；

 

  • 97.7%的峰值效率；

 

  • 内部集成 EMI 滤波器和浪涌保护电路；

 

  • 支持数千瓦阵列的并行工作；

 

  • OV、OC、UV、短路和热保护；

 

  • 4414 封装，重量 141g；

 

  • 平均无故障时间长；

 

  • 散热增强型 VIA 封装；

 

  • PMBus™ 通讯功能；

 

  • 热插拔应用

 

Vicor 产品的优势

系留无人机应用中，Vicor 电源产品的优势如下：

 

  • 功率密度大、体积小、重量轻；
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  • 转换效率高，峰值效率高达 98%，比市面上同类产品高出 2～3 个百分点；

 

  • 散热性能卓越，简化了散热器设计结构，降低了散热器体积，降低了重量，散热器体积是其他产品的 1/10；

 

  • 输入端工作电压高，机载前端在 400V 高电压工作时系留线缆上产生的热损降低，得益于此线缆设计得到优化，负载重量进一步减少；

 

  • BCM 模块可以对电压、电流、温度等关键指标进行实时工作状态的监控，若监控系统发现这些指标超过门限则提前预警，必要时触发迫降程序进行安全降落，避免对人员的伤害和设备损害，确保系统安全；

 

  • BCM 模块可以对电压、电流、温度等工作门限进行设置，其它子系统的设计也得到优化；

 

  • BCM 模块输入端的集成式共模电感及防浪涌设计解决了系统的 EMC 问题；

 

系统测试

相对于其它产品，系留无人机的测试更为严格、全面和复杂。佰才邦系留无人机的测试包括：

 

  • 子系统测试：针对电源子系统进行功能和性能方面的全面测试，通过长时间运行来考察工作状态是否正常，温度状态是否在设计范围；

 

  • 子系统和全系统的实验室联调测试：搭建实验室模拟环境，将机载电源，地面电源，系留电缆，模拟负载等进行联调，测试端到端输出情况，对监控系统、飞控系统、保护功能进行全面评估；

 

  • 外场测试：在不同负载，不同功率，不同高度，不同天气工况，不同飞行时间等条件下对系统进行组合飞行，完整的考察系统的所有设计指标性能。

 

双向设计满足需求

佰才邦在 4G/5G 小基站方面有较深积累，在无人机与通信基站的结合方面有大量研究和产品创新。系留无人机未来会支持更大的负载能力、更高的飞行高度，能力上限需要不断提升，对电源模块的要求更为严苛。Vicor 在电源模块领域处于行业领先地位，双方进一步的合作，将为行业应用和创新提供性能卓越的产品。

 

佰才邦在基站设计方面处于行业领先地位，对行业的深入理解和细节把控上都有自己独到见解。比如，应急移动通信基站的施放、安装、间距及抗干扰等都是系留无人机设计之初需要考虑的关键因素。同样，也会根据系留无人机的特点对应急移动通信基站进行产品优化，这种双向设计，让系统更加适应不同应用场景，发挥最大作用。

 

未来规划

除了现有应用领域外，佰才邦在系留无人机应用方面也在积极探索，开拓未来可能进入的新领域，比如环境监控、空气质量采集、应急照明服务等。在谈到未来产品规划时，佰才邦公司无人机产品总监李明表示，很大程度上未来应用的负载会更重、飞行高度会更高，能力上限需要不断提升，对电源模块的要求更为严苛。佰才邦认为 Vicor 在电源模块领域处于行业领先地位，期望双方进一步紧密合作，为行业应用和创新提供性能卓越的产品。