氢动力无人机的市场突破

新的氢能技术可能标志着无人机的商业突破，为具有更大范围和负载能力的移动机器人开发铺平道路。Doosan Mobility Innovation （DMI） 宣布已成功使用氢动力无人机在偏远地区提供人道主义援助。两小时的飞行时间（比大多数电池供电的无人机长），氢无人机在美属维尔京群岛之间运送口罩和应急物资，并将医疗物资运送到位于济州岛的韩国最高峰汉拿山山顶。

DMI 在与磷酸燃料电池 （PAFC） 和质子交换膜燃料电池 （PEMFC）（也称为聚合物电解质膜 （PEM） 燃料电池）相关的材料和系统方面积累了多年的知识。PEMFC 发电并以与消耗电力的电解相反的原理运行。凭借这一经验，斗山正在开发用于无人机的 PEMFC 移动电源组。

在接受 EE Times 采访时，Doosan Mobility Innovation 的销售代表 Jiwon-Yeo 强调了氢动力远程无人机的使用如何还可以对大面积区域进行商业监控，例如韩国最大的太阳能发电厂 Haenam 。 “使用电池供电的无人机执行相同的任务时，需要更换六次以上的电池。由于氢燃料电池的能量密度高，比传统电池高 3~4 倍，因此氢燃料电池是一种更高效、更有效的能源，”Jiwon-Yeo 说。

氢能解决方案的开发包括从材料工程到优化无人机动力系统的一系列技术。这些远程燃料电池无人机一次充电能够飞行长达两个小时，甚至可以在一次飞行中覆盖大型场地，而不必使用多个电池和多个发射点。无人机还在人员安全和事故预防方面提供优势，因为空中扫描消除了爬过现场结构的需要。

图 1：太阳能电池板检查示例（来源：斗山 Mobility Innovation）

氢燃料电池技术科学

氢是地球上最轻的元素。当氢气与大气中的空气结合时，就会形成水，使氢气成为一种无污染的气体。世界范围内减少颗粒物、核能危险和温室气体的努力也增加了使用可再生能源的需求。因此，氢正在成为最有前途的替代能源。

燃料电池是一种不使用热循环将燃料的化学能转化为电能和热能的装置。氢 （H2） 燃料电池由氢和氧产生电能和热水。

该过程与电解正好相反：将水（H2O）分解成H2和O时，需要提供电流，相反的过程产生电流和水。

如图 2 所示，无人机由电池堆中使用氢气和氧气产生的电力提供动力。

正如 Jiwon-Yeo 指出的那样，该电池堆由几个电池组成，这些电池由聚合物电解质膜 （PEM） 和两个电极组成，它们通过氢反应和氧反应产生离子和电子。氢气在用于电池之前首先在高压下进行压缩，从而确保了较长的供应周期。“DMI 提供了一个完整的氢气系统，将装满的氢气瓶运送到客户现场。用户只需要更换氢气瓶，这大约需要一分钟，”Jiwon-Yeo 说。她补充说：“我们的储罐不仅通过了获得氢气罐认证所需的测试，还通过了与无人机飞行最相似的各种安全测试。”

带有聚合物膜的电池具有高电导率，可在 70 至 100°C 的温度下工作。它们主要用于牵引和小规模发电/热电联产（1 - 250 kW）。燃烧电池具有很高的电效率，其值范围为 40% 到 60%，具体取决于所使用的温度。系统的模块化使得增加装机功率成为可能。电池可以串联排列形成“堆叠”，可以组装成模块以获得所需的发电量。

“最大的挑战之一是缺乏氢基础设施。我们认为无人机等氢燃料电池移动性的增加将刺激市场。通过当地的合作伙伴关系，我们在韩国、中国和美国完成了氢供应链。我们正在与当地天然气公司合作，为我们的氢气瓶充电，该瓶已通过 DOT、TPED 和 KGS 标志认证，”Jiwon-Yeo 说。

图 2：燃料电池如何发电（来源：DMI）

图 3：能量密度比较：氢燃料电池与锂电（来源：DMI）

氢气增加了无人机的飞行时间

一个 48V 系统通过实施配电网络 （PDN） 来处理类似于系留无人机的氢电池供电无人机的电源管理。在电源系统设计中，由于对设计选择有重大影响的几个因素，PDN 是最关键的元素之一。这些因素在技术驱动之前是市场驱动的。PCB设计中电源的优化是一个系统范围的问题。

PDN 旨在为源自大容量电源的系统内的各种负载提供特定级别的电压和电流。随着系统电源需求的增加，传统 PDN 面临着提供足够性能的巨大压力。基于新标准（如 48V）的 PDN 正在多个应用中出现。

DMI 使用的 2.6 kW DP30 电源系统有两个主要组，分别为无人机旋翼和两个堆栈的控制器供电。由于 DP30 电源的输出电压范围宽且可变，从 40 到 74V，输出功率单元在 48V、12A 的电机和 12V、8A 的控制电路和风扇下运行。该结构由 Vicor PRM™ 降压-升压稳压器和 ZVS 降压稳压器提供支持。

“宽范围的燃料电池电压和与传统锂聚合物电池的混合连接是我们电源管理系统的关键配置。通过这样做，它允许锂电池在需要时由燃料电池自动充电，或者在无人机运行时燃料电池需要额外电力时放电。热管理对氢燃料电池很重要，我们有一个内部冷却风扇来调节热量，”Jiwon-Yeo 说

DMI 计划根据功率容量使其产品线多样化。Jiwon-Yeo指出，该公司很快将开发各种容量的产品，从明年应该发布的1.5kW氢燃料电池电源组到10kW电源组，并将为每个电源组推出匹配的无人机。

增加的飞行时间，加上快速加油，为使用无人机进行海上平台检查、搜索和救援行动、高质量航空摄影、精准农业、交付等的公司开辟了广泛的新业务可能性。

谷歌、亚马逊和阿里巴巴正在试验使用无人机推出送货服务的计划。如果燃料电池驱动的无人机取得成功，乐观主义者表示，它们可以在全球范围内建立一个低碳运输系统，遏制空气污染和排放，并取代公路运输。这些飞机的建立必须遵守空中交通规则，这些规则需要修改并适应新的移动场景。确实，在无数嗡嗡作响的机器人穿越大都市的摩天大楼之前，必须保证安全。