Stromwandler für autonome Verteidigungsfahrzeuge

Autonome und ferngesteuerte Fahrzeuge verändern weltweit die Art militärischer Einsätze. Von kleinen ferngesteuerten Flugsystemen (RPAS) für Überwachungszwecke bis hin zu großen Unterwasserfahrzeugen, die über Kabelverbindungen gesteuert und angetrieben werden, loten Konstrukteure die Grenzen dessen aus, was mit hochentwickelter Elektronik und Computersoftware möglich ist. 

Spannungswandlung in der Verteidigungstechnologie

Leistungsstarke, kompakte und zuverlässige Stromversorgung ist das Rückgrat moderner Verteidigungstechnologie. Neue Ansätze bei Topologie, Materialien und Design sorgen für Effizienz und Robustheit selbst unter extremen Einsatzbedingungen

Welche Rolle spielt die Energieversorgung in autonomen Militärsystemen?

Die Systeme reichen von ferngesteuerten Drohnen, die über Glasfaserkabel oder HF-Übertragungen gesteuert werden, bis hin zu vollständig autonomen Fahrzeugen, die Ziele mithilfe einer Kombination verschiedener Sensormodalitäten identifizieren und verfolgen können. Mit Aufgaben wie Aufklärung, Logistik, Kampfunterstützung sowie Offensivfähigkeiten muss jedes Design eine bestimmte Reihe von Aktuatoren unterstützen, um die Antriebskraft bereitzustellen und seine Kernaufgaben zu erfüllen.

Jeder Anwendungsfall hat Auswirkungen auf die Subsysteme, die die verschiedenen Motoren und elektronischen Steuerungen im Inneren der Drohne mit Strom versorgen. Ein kleineres RPAS wird wahrscheinlich einen Lithium-Ionen-Akku für seinen gesamten Energiebedarf verwenden. Um eine hohe Energiedichte zu erreichen, werden größere Fahrzeuge einen Verbrennungsmotor verwenden, der einen elektrischen Generator antreibt. Ein größeres UUV kann über ein Kabel von einem Mutterschiff oder einem landgestützten System mit Strom versorgt werden, wobei die Möglichkeit besteht, bei Unterbrechung der externen Stromversorgung eine Bordbatterie zu verwenden. Um elektrische Verluste im Kabel zu minimieren, wird der Strom in der Regel mit hoher Spannung geliefert. 

Stromversorgung in rauen Umgebungen sicherstellen

Ein gemeinsamer Faktor dieser Konstruktionen ist der Bedarf an stabiler, zuverlässiger und sauberer Energie, die von Schaltkreisen geliefert wird, die nicht nur Größe und Gewicht minimieren, sondern auch an die Zielumgebung angepasst sind. Beispielsweise verursachen die Kabel, die zur Stromversorgung von UUVs verwendet werden, häufig eine hohe Induktivität und Quellenimpedanz, was zu Spannungsschwankungen führen kann. Dies kann mit einer Stromrichter-Schaltung korrigiert werden, die an die Impedanz angepasst ist. Diese ist jedoch in handelsüblichen Stromrichtern oft nicht zu finden, da die meisten Anwendungen niedrigere Impedanzwerte aufweisen.

Ein weiteres Problem, das gelöst werden muss, ist die Stromversorgung aus thermischen Quellen, die in größeren RPAS und Landfahrzeugen verwendet werden. Die gelieferte Energie ist oft verrauscht und unterliegt kurzen Unterbrechungen. Ein Wandler, der empfindliche Sensoren und andere elektronische Steuerungen mit Strom versorgt, muss Störgeräusche, Spannungsabfälle und Spannungsspitzen herausfiltern. Außerdem muss er im Falle einer Kraftstoffunterbrechung von der thermischen Quelle auf eine Reservebatterie umschalten können. Ebenso müssen die Stromwandler in kabelgebundenen UUVs möglicherweise zwischen externen und internen Stromquellen umschalten können.

Selbst wenn das Fahrzeug nur mit einem einzigen Akku betrieben wird, muss ein Stromrichter einen großen Bereich von Eingangsspannungen verarbeiten können. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von Drohnen gehen die Konstrukteure von Akkus mit vergleichsweise wenigen in Reihe geschalteten Zellen und entsprechend niedrigen Ausgangsspannungen dazu über, zehn oder mehr Zellen in Reihe zu schalten, um die höheren Wirkungsgrade einer erhöhten Versorgungsspannung zu nutzen. Eine Mehrzellenarchitektur für ein RPAS oder UUV kann Spitzenwerte von 44 V liefern. Wenn die gespeicherte Energie aufgebraucht ist, sinkt die gelieferte Spannung auf fast die Hälfte des Maximums. Ein Stromrichter, der diesen gesamten Bereich nutzen kann, maximiert den nutzbaren Betriebsbereich und die Lebensdauer der Drohne.

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Zusätzlich zu diesen Anforderungen müssen die Stromrichter sowohl leicht als auch kompakt sein, was einen hohen Integrationsgrad und effiziente Schaltungsarchitekturen erfordert. Der Unterwassereinsatz bringt weitere Überlegungen mit sich. Obwohl sie in der Regel in versiegelten Behältern eingesetzt werden, müssen die Module hohen Drücken standhalten können. Konstrukteure müssen darauf achten, bestimmte ungeeignete Bauteiltypen zu vermeiden. Aluminiumkondensatoren stellen bei hohen Drücken eine Herausforderung hinsichtlich der Zuverlässigkeit dar. Luftblasen im Inneren des Gehäuses können kollabieren und zu einem Ausfall der Komponente führen. Durch den Ersatz durch Keramik oder eine andere Technologie wird dieses Risiko beseitigt.

Die kompakte Bauweise vieler unbemannter Fahrzeuge kann thermische Herausforderungen mit sich bringen, da nur begrenzte Möglichkeiten bestehen, Wärme von den Antriebssystemen abzuleiten, die möglicherweise tief im Inneren des Fahrzeugchassis untergebracht sind, wo sie einem hohen Flüssigkeits- oder Luftstrom ausgesetzt sind. Vibrationen von Propellern und Motoren können die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Der Einsatz von Verguss in Kombination mit Grundplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit trägt dazu bei, diese Umweltprobleme zu lösen.

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Magnetkoppler als Alternative zu Optokopplern

Es gibt noch weitere Effekte, die für den Entwickler schwieriger vorherzusagen sind, die jedoch von Zulieferern wie Gaia bei ihrer Schaltungsentwicklung berücksichtigt wurden. So können beispielsweise gängige Komponentenauswahlen die für Verteidigungsanwendungen erforderliche Langzeitzuverlässigkeit beeinträchtigen. Viele Schaltnetzteile verwenden Optokoppler, um Informationen über Änderungen der Ausgangsspannung an den Pulsweitenmodulationsregler weiterzuleiten und gleichzeitig die Isolation zwischen den elektrischen Bereichen aufrechtzuerhalten. Der Reiz des Optokopplers liegt in seinen relativ geringen Kosten und seiner Fähigkeit, ein Signal mit guter Linearität zu übertragen. Allerdings driftet die Übertragungsfunktion des Optokopplers. Ursache dafür ist eine allmähliche Verschlechterung der Effizienz der Leuchtdiode (LED), die Spannungsinformationen über die Isolationsbarriere überträgt. Diese Drift führt letztendlich zum Ausfall des Stromrichters.

Durch den Austausch des Optokopplers durch einen Magnetkoppler wird dieses Zuverlässigkeitsproblem gelöst. In den Wandlern von Gaia kann die Zuverlässigkeit eine Million Stunden überschreiten und liegt damit weit über den mehreren hunderttausend Stunden vieler Designs, die weiterhin Optokoppler verwenden

Angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Betriebsanforderungen kann kein einzelnes Stromrichterdesign alle Anforderungen erfüllen. Es gibt zwar einige Gemeinsamkeiten, wie beispielsweise die Notwendigkeit eines breiten Eingangsspannungsbereichs, selbst für Systeme, die von einer einzigen Stromquelle gespeist werden. Einige Projekte erfordern jedoch Front-End-Spitzen- und Überspannungsfilter sowie Hold-up-Schaltungen, um den Eigenschaften von Generatoren mit Verbrennungsmotoren gerecht zu werden, sowie für Situationen, in denen die Drohne zwischen der primären Stromquelle und einer Notstromversorgung umschalten muss. Andere erfordern möglicherweise mehrere unabhängige Ausgangsspannungsschienen oder bestimmte Formen der EMI-Filterung. 

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Modulare Stromwandler für flexible Systemarchitekturen

Traditionell waren Designer gezwungen, eine speziell entwickelte Lösung in Betracht zu ziehen, um den Stromrichter genau auf die Anforderungen der Anwendung abzustimmen und so ein geringes Gesamtgewicht zu gewährleisten. Dank der Fortschritte im Schaltungsdesign und der Verbesserungen in der Architektur bietet ein modularer Ansatz die Möglichkeit, Platz, Gewicht und Leistung (SWaP) für jeden Anwendungsfall zu optimieren.

Eine modulare Architektur bietet Entwicklern die Möglichkeit, bei Bedarf Funktionen hinzuzufügen und wichtige Militärstandards zu erfüllen. MIL-Std-1275 beispielsweise schreibt Filter zum Schutz vor Spannungsspitzen und elektromagnetischen Störungen vor. MIL-Std-704 oder DO-160 enthalten Anforderungen an die Stromversorgungssicherheit, die möglicherweise zusätzliche Unterstützung erfordern. Um Gewicht und Volumen zu minimieren und dennoch eine hohe Stromversorgungssicherheit zu gewährleisten, hat Gaia in seinen Frontend-Modulen ein internes Hochspannungsdesign verwendet. Dadurch kann die Größe des Pufferkondensators reduziert werden, der als Energiespeicher dient, um vorübergehende Stromunterbrechungen auszugleichen.

Ebenso ist eine saubere Stromversorgung der von Sensor-Array-Schaltungen verwendeten Schienen ein entscheidender Faktor in diesen Systemen, da sie verhindert, dass diese durch elektrische Störungen vom Ziel abweichen. Die Spezifizierung von Stromrichtern, die den strengen Anforderungen der MIL-Std-461 entsprechen, ist oft ein wichtiger Aspekt des Konstruktionsprozesses.

Obwohl sie Flexibilität bieten, verfügen nicht alle modularen Lösungen über die Eigenschaften, die für Drohnen in Verteidigungstechnik erforderlich sind. Viele sind für industrielle Umgebungen konzipiert, in denen die Eingangsspannung vorhersehbar ist, obwohl sie auch mit höheren oder niedrigeren Spannungswerten funktionieren können. Dies ermöglicht Abkürzungen im Design, bei denen die höchste Effizienz auf einen engen Spannungsbereich ausgerichtet ist. Bei solchen Designs nimmt die Effizienz außerhalb dieses Bereichs rapide ab. Bei Verwendung in einer Drohne kann dies die effektive Reichweite und Betriebszeit erheblich einschränken. Module wie die der MGDD-Serie von GAIA bieten einen konstanten Wirkungsgrad von 12 V bis über 100 V. Die Module können Überspannungen von bis zu 50 V ohne den Einsatz eines externen Filters tolerieren, was den Bedarf an einem externen Filter in einem System mit begrenztem Platzangebot verringern kann.

Eine weitere Funktion, die den Anforderungen der Verteidigung gerecht wird, ist die Möglichkeit, die Schaltfrequenz des Wandlers zu ändern, um Störungen hochsensibler Empfänger, wie sie beispielsweise für Radarsysteme benötigt werden, zu vermeiden. Wenn Module parallel verwendet werden, können sie auf die gleiche Frequenz synchronisiert werden, um die Gesamtauswirkungen von Störgeräuschen zu reduzieren.

Zukünftige Entwicklungen mit GaN- und SiC-Technologien

Zukünftige Entwicklungen werden kompaktere und leistungsfähigere unbemannte Fahrzeuge ermöglichen, die eine höhere Leistungsdichte erfordern. Gaia untersucht den Einsatz von GaN und SiC in seinen DC/DC-Wandlern, da diese Materialien höhere Schaltfrequenzen unterstützen und eine verbesserte Wärmeleistung aufweisen. Zusammen mit weiteren Innovationen im Schaltungsdesign, die sich an den Anforderungen des Verteidigungssektors orientieren, wird dies dazu beitragen, dass zukünftige Leistungsübertrager die Grenzen des Möglichen in einem Bereich erweitern, der von SWaP-Überlegungen bestimmt wird. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Gaia.