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实测与预测出现近一倍误差,电源设计出了什么问题?

时间:2018-12-17 作者:Bill Schweber 阅读:
有时候,最好的电源或架构并不是你一开始以为会是最正确的选择…

在许多较大型的系统设计中,通常存在多种提供基础电源的可能性和方法。例如,你可以先在电力与碳氢化合物之间做一个初步的选择,然后再进一步决定细节:搜寻与采集太阳能、风力、天然气、丙烷、甲烷、压缩空气......等等「族繁不及备载」。

然而,假设传统上使用的电源会是正确的选择也很正常,特别是当设计团队拥有采用该方法的一些经验。

然而,成功的系统设计可能还需要确认数字,重新评估情况并保持客观。如果数字看来并不支持,就必须避免采用一些「时下流行」或「自我感觉良好」的解决方案。最近有两个例子,恰巧都来自美国麻省理工学院(MIT)——或许这也并非巧合,均显示了毫无偏颇的思维如何成功实现创新的系统级设计。

第一项设计是无人机,其目标是让无人机在承载约20磅(9公斤)的正常负重下,持续在高空停留五天。该无人机的设计目的在于作为机载通讯节点,当现有系统因暴风雨、洪水、地震和其他灾害而无法运行时,让无人机承载设备(蜂巢式网络、电话、无线电、因特网)并停留于空中以建立备援联机。

负责该计划的MIT研究团队(图1)一开始先考虑使用太阳能解决方案。毕竟,这个方法已经成功用于其他长期任务了。然而,当他们真正展开实际操作过程后,他们发现太阳能并不是最佳办法。以太阳能为基础的电力系统需要更重的电池来储存夜间、云端或高纬度部署时的多余电量(如果有的话)。因此,他们最后决定采用约有5匹马力(hp)引擎的传统汽油动力途径。

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MIT「丛林猫头鹰」(Jungle Hawk Owl)计划研究团队展示翼展约24英呎(7.3公尺)宽的轻型滑翔机(来源:MIT)

MIT在其发布的《工程师设计可在高空中停留五天的无人机》(Engineers design drones that can stay aloft for five days)一文中讨论到关键的设计和模拟工具GPkit,这是由MIT教授Warren Hoburg开发的,让工程师能够针对特定限制或任务要求,确定车辆的最佳设计决策或尺寸。该工具也让研究团队可以同时考虑大约200种限制和实体模型,并将它们组合在一起打造最佳的飞机设计,并且评估各种主要的设计权衡。

该团队的最终设计出称为「丛林猫头鹰」(Jungle Hawk Owl)的固定翼无人机,其重量不到150磅(68公斤),可可松携带10-20磅的通讯设备留空长达5天时间(图2)。

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这架固定翼无人机是从移动中的车顶起飞。当汽车达到最佳起飞速度时,释放Jungle Hawk Owl的夹具后,这架无人机即开始腾空起飞(来源:MIT)

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MIT「丛林猫头鹰」固定翼无人机在2017年5月4日首航…(来源:MIT)

另一个例子来自一支从MIT独立而出的研究团队——Top Flight Technologies,该公司开发出一款结合不同供电组合的新型无人机,目前并正为其实现商用化。这款新型的无人机设计试图结合两种动力世界之最:汽油和电力(图4)。

事实上,研究人员模拟混合动力车(HEV)采用直接混合(straight-hybrid)架构的途径,即以汽油引擎发电,然后再用于为马达、电子装置等各种汽车需求提供动力。(在一些HEV使用更复杂的并联途径中,汽油引擎和电动马达有时可同时用于动力传动系统,实际情况取决于充电和燃料状态、负载条件以及其他因素。这种作法可能会更有效率,但也更难以控制而导致机械和重量折衷的问题。)

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从MIT独立而出的Top Flight Technologies开发了混合汽油/电力的新型混合动力无人机,其续航力、有效载重以及供电都明显增加了,并超过仅限使用电池供电的同类产品(来源:Top Flight Technologies)

采用所谓的直接混合架构十分合理,因为它让马达进行全电子式智能控制,这部份任务在电力领域中更容易且有效率地完成。当然,它在汽油引擎阶段和电力电源轨之间还存在着耗损的权衡,但是,透过更有效控制以及提高纯电动驱动的效率,则有助于抵消这些损耗。这样的工程权衡很有意思,它需要更详细的系统分析。

在MIT发表的《混合动力无人机飞得更远载重更轻松》(Hybrid drones carry heavier payloads for greater distances)中,详细介绍了关于热问题的一些有趣观点。很显然地,无人机的引擎必须设计得小巧轻便,这为工程师带来了与过度振动和过热有关的重大技术挑战。该研究团队开发出一种新的引擎/变速箱/发电机组合,以满足系统的优先选择。

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Top Flight Technologies共同创办人、执行长兼技术长Long Phan说:「如果你一直让它过热飞行,引擎通常真的会逐渐『融化』。」因此,他解释,「研究团队为此使用了各种让热得以控制或转移的技术,例如策略性地加进小型风扇、散热片和橡胶减震器,最终解决了这些问题,并在一般的无人机上打造了一个混合动力引擎原型。」

根据研究人员的计算后预测,这架混合动力无人机大约可持续飞行一小时,然而,它实际上却飞行了将近2.5小时,载重约20磅(9公斤),实际续航力达到100英哩(160公里)。坦白说,对于研究人员作出这样的预测误差——虽然结果看起来更好——让我深感疑惑。难道是他们在建模时过于谨慎?或者是还有许多不确定因素和容错造成?我真的想知道更多内幕!

对于长程的中型无人机采用汽油引擎还是纯动力较优?以及短程的混合动力无人机你有何看法?

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹网站EETimes,参考原文:Being Honest About Your Power Source,编译:Susan Hong,EETTaiwan)

 

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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