Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Der Markt für kabelgebundene Drohnen und UAVs wächst rasant. Für 2020 wird ein Wachstum von 61 % im Vergleich zum Vorjahr prognostiziert.[2] Dieses Wachstum ist auf die zunehmende Anzahl von Anwendungen und Anwendungsfällen zurückzuführen, bei denen eine dauerhaft in der Luft schwebende Plattform sinnvoll ist. Im Gegensatz zu ihren Pendants mit begrenzter Laufzeit, die nicht kabelgebunden fliegen, müssen kabelgebundene UAVs ihre primäre Energiequelle nicht mitführen und können so ihre Nutzlastkapazität erhöhen. Sie können bis zu 24 Stunden in einer Höhe von bis zu 200 Metern und bei den meisten Wetterbedingungen eine lange Betriebsdauer erreichen. Zu den Anwendungsbereichen zählen unter anderem klassische Sicherheits-, Aufklärungs- und Überwachungsanwendungen.

Aufgrund ihrer langen Flugdauer eignen sie sich für die Bereitstellung von Notfall-Telekommunikationsnetzen während einer humanitären Krise, die Überwachung der Brandbekämpfung in einem großen Industriekomplex und das Filmen von großen Sportveranstaltungen im Freien. Mit der zunehmenden Verbreitung von kabelgebundenen UAVs wachsen auch die technischen Herausforderungen. Denn durch den Wunsch, mehr Funktionen in ein UAV zu integrieren, steigt die Nutzlast, und die Vorteile, die sich aus der Vergrößerung der Einsatzhöhe ergeben, führen zu einem höheren Kabelgewicht. Zudem müssen mit zunehmender Flugzeit eine verbesserte Sicherheitsüberwachung, eine Reservestromquelle und Sicherheitsmerkmale wie ein Fallschirm mit integriert werden.

Technische Herausforderungen bei der Stromversorgung kabelgebundener UAVs

Die Stromversorgung eines kabelgebundenen UAVs ist mit einigen technischen Herausforderungen verbunden. Der Energiebedarf des UAVs umfasst die Antriebsmotoren der Rotoren, die Steuerelektronik sowie die Nutzlastanwendung, wobei die Motoren den größten Anteil der verfügbaren Energie verbrauchen. Die Übertragung von genügend Energie durch ein langes Kabel ist aufgrund des Kabelwiderstands mit Übertragungsverlusten verbunden. Um die maximale Nutzlast zu erreichen, muss das Eigengewicht des Kabels so gering wie möglich gehalten und somit die Leitungsdicke eingeschränkt werden. Dünnere Kabel erhöhen jedoch den Kabelwiderstand, der mit zunehmender Betriebshöhe immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Um die Anforderungen an die Stromversorgung des UAVs zu erfüllen, besteht die einzige praktikable Option für geringe Leitungsverluste darin, eine hohe Spannung über das Kabel zu übertragen und die Energieumwandlung auf die gewünschten Werte innerhalb des UAVs durchzuführen. Das Gewicht ist hierbei ein entscheidender Faktor und daher müssen die Komponenten zur Energieumwandlung ebenfalls leicht sein. Die Verwendung einer hohen Gleichspannung senkt den im Kabel fließenden Strom (I = P/V), ermöglicht kleine Leitungsquerschnitte und reduziert die I2R-Verluste. Der Trend in der Industrie geht dahin, bis zu 400 VDC im Kabel zu übertragen und einen oder mehrere DC/DC-Wandler im UAV einzusetzen, um die Rotormotoren und Anwendungsschaltkreise zu versorgen.

Auswahl eines DC/DC-Wandlers mit Hochspannungseingang

Es gibt viele DC/DC-Wandler von verschiedenen Anbietern, aber die Suche nach einem Wandler, der eine Eingangsspannung von bis zu 400 VDC verarbeiten kann, schränkt die Auswahl erheblich ein. Der Wandler muss außerdem ein großes Übersetzungsverhältnis haben und beispielsweise auf einen 48-VDC-Ausgang herunterwandeln können.

Ein Beispiel für solche DC/DC-Wandler sind die Hochspannungs-Buswandlermodule der BCM6123-Serie von Vicor.

Die BCM6123-Serie besitzt ein festes Übersetzungsverhältnis, den so genannten K-Faktor, und hat einen hohen Wirkungsgrad von typischerweise 98 %. Der BCM6123xD1E5135T01 akzeptiert beispielsweise eine Eingangsspannung bis zu 400 VDC, hat einen K-Faktor von 1/8 und kann bis zu 1.750 Watt liefern. Wandler mit festem Verhältnis werden auch als Bus-Wandler bezeichnet und verfügen in der Regel nicht über eine Spannungsregelung am Ausgang. Dies kann jedoch bei Bedarf durch weitere nachgeschaltete DC/DC-Wandler erreicht werden. Da Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis keine Komponenten zur Spannungsregelung enthalten, arbeiten sie mit hohem Wirkungsgrad und zeichnen sich durch höhere Leistungsdichten aus. Durch die geringere Abwärme ist auch das Wärmemanagement einfacher, was zu einer weiteren Gewichtsreduzierung beitragen kann.
 

Abbildung 1 zeigt einen isolierten Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis und einem K-Faktor von 1/12. Durch den Aufbau der BCM-Serie können diese Wandler entweder zur Herauf- oder Herabsetzung der Spannung verwendet werden. Es ist jedoch zu beachten, dass falls ein Rückwärtsbetrieb erforderlich ist, bei dem eine hohe Spannung aus einer Niedrigspannungsquelle erzeugt wird, der Wandler zunächst im normalen Vorwärtsbetrieb gestartet werden muss. In diesem Beispiel wird mit einem 400 VDC-Eingang ein 33 VDC-Ausgang erreicht. Ebenso ergibt ein 33 VDC-Eingang auf der Niederspannungsseite einen 400 VDC-Ausgang. Die Wandler der BCM-Serie von Vicor mit festem Übersetzungsverhältnis können parallel geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsleistung bereitzustellen, oder in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erreichen.

Alle Wandler der BCM-Serie verwenden eine Sinus-Amplituden-Wandler-Topologie (SAC), um einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen. Die meisten DC/DC-Wandlertopologien verwenden das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten (PWM) Schalttreiberkreises des Wandlers, um die sekundäre Ausgangsleistung zu steuern. Um die Verluste der Schaltgeräte so gering wie möglich zu halten, beträgt die PWM-Frequenz nicht mehr als einige hundert kHz. 

Die SAC-Topologie ist eine transformatorbasierte Resonanztopologie. Der Schaltwandler arbeitet mit der festen Resonanzfrequenz des primärseitigen LC-Ersatzschaltbildes. Durch das Schalten im Nulldurchgang werden Leistungsverluste mit den Schaltgeräten eliminiert und somit der Wandlungswirkungsgrad deutlich verbessert sowie die Erzeugung von Oberwellen hoher Ordnung reduziert. Im Gegensatz zur Variation des PWM-Tastverhältnisses, bei dem ein Rechteck-Treibersignal verwendet wird, verwendet ein SAC-Wandler eine wesentlich höhere Frequenz, typischerweise mehrere MHz, und passt die Amplitude des Treibersignals an, um erhöhte Ausgangswerte zu erreichen. Durch die Verwendung einer höheren Schaltfrequenz kann zudem die Größe des Transformators verringert und somit Gewicht gespart werden. 

Übertragungsleitungseffekte

Die Schaltungseigenschaften der Übertragungsleitungen müssen im Rahmen des Entwicklungsprozesses untersucht werden. Die kritischen Faktoren sind hierbei der Widerstand, die Kapazität und die Induktivität pro Längeneinheit.

Kurze Kabelstränge verhalten sich wie ein Bulk-LCR-Kreis, aber längere Kabelstränge sind eher wie eine Übertragungsleitung mit verteilten LCR-Eigenschaften. Die Simulation des Kabels kann bei der Beherrschung der Übertragungsleitungseffekte hilfreich sein, insbesondere im Hinblick auf Eingangsüberspannungen beim ersten Einschalten. Die korrekte Abschirmung des Kabels mit einem Ausgangsfilter kann die Auswirkungen von Eingangsstößen auf das UAV verringern. Grundsätzlich gilt: Wenn die Anstiegszeit einer Eingangsspitze mehr als das Zehnfache der Leitungsverzögerung beträgt, gilt das Kabel als zu kurz.

Ein praktisches Beispiel für die Stromversorgung eines UAV

Abbildung 3 unten zeigt ein vereinfachtes Funktionsdiagramm einer Hochspannungs-DC-Übertragungslösung für ein UAV. Für die 400-VDC-Versorgung des UAV werden vier BCM6123-Buswandler mit festem Übersetzungsverhältnis verwendet, um eine Isolierung und eine 48-VDC-Busversorgung zu gewährleisten. Die Busspannung versorgt direkt die Rotormotoren, und zwei DCM-DC/DC-Wandler wandeln die 48-VDC-Busspannung in separate geregelte 12-VDC- und 24-VDC-Spannungen zur Versorgung der Steuer- und Telemetrieelektronik und der Videokamera des UAV um.