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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, EE Times/EDN/Planet Analog 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)

 

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