利用 Vicor 技術(shù)實現(xiàn)電影拍攝的碳中和

電影行業(yè)歷來將“便利性”置于“可持續(xù)性”之上，使用便攜式柴油發(fā)電機為現(xiàn)代電影制作所需的龐大供電系統(tǒng)供電。這些基于內(nèi)燃機的發(fā)電設(shè)備如今在好萊塢制片中極為普遍，從數(shù)碼攝像機、巨型燈陣到先進的運動控制設(shè)備及生活營地設(shè)施等，無不依賴其供電。

然而，這種依賴正對環(huán)境造成日益嚴(yán)重的危害。《時代》雜志指出，一個大型電影制片場的二氧化碳排放量，相當(dāng)于 650 戶美國家庭一年的碳排放總量。這一驚人的數(shù)字促使人們徹底反思娛樂行業(yè)的發(fā)電方式。

在接受《電力電子新聞》獨家專訪時，ReVolt Holdings 公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 JD Schwalm 分享了他們所開發(fā)的顛覆性技術(shù)。這項技術(shù)正徹底改變電影行業(yè)為本地及外景片場供電的傳統(tǒng)模式。

傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的噪聲和污染問題，早已不止是環(huán)保問題。一臺 10 千瓦柴油發(fā)電機產(chǎn)生的背景噪聲約為 75 分貝，相當(dāng)于一臺吹葉機的噪聲水平；而其二氧化碳排放量相當(dāng)于一輛汽油車在 12 小時內(nèi)行駛 225 英里（約 362 公里）。

由于噪聲和空氣污染，發(fā)電機必須放置在距離拍攝現(xiàn)場 1000 英尺（約 300 米）以外。這不僅需要鋪設(shè)大量電纜，還增加了材料成本、電纜輸電損耗以及耗費人力的安裝過程。

ReVolt 提出了一項創(chuàng)新構(gòu)想：將整個電影拍攝現(xiàn)場轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱钶d在移動平臺上的直流微電網(wǎng)。JD Schwalm 于 2020 年創(chuàng)立公司后，迅速與亞馬遜米高梅影業(yè)、蘋果影業(yè)、索尼影業(yè)、華納兄弟探索公司及其旗下 HBO 等頂級娛樂巨頭建立了合作關(guān)系。

ReVolt 的移動電源平臺提供多種規(guī)格，以滿足不同規(guī)模的拍攝需求。小型 WeVolt（圖 1）的儲能容量為 17.5 千瓦時，持續(xù)輸出功率為 14 千瓦，其性能可媲美家用發(fā)電機，適用于特定吊裝場景。

圖 1：ReVolt 的 WeVolt 移動電源解決方案。

Mule 平臺（圖 2）遠(yuǎn)比其他平臺龐大沉重，其重達 8500 磅，儲能容量為 210 千瓦時，并支持以 480V、208V、240V 和 110V 四種不同電壓持續(xù)輸出 120 千瓦電力。

這種靈活的輸出設(shè)計使您能夠靈活調(diào)配這些拖車式發(fā)電機——它們原本就是外景地及攝影棚后勤區(qū)的主要電力基礎(chǔ)設(shè)施。

圖 2：ReVolt 的 Mule 電池單元。

ReVolt 技術(shù)的重大創(chuàng)新在于其獨有的能力：在為不斷變化的負(fù)載持續(xù)供電的同時實現(xiàn)同步充放電。這解決了電池供電系統(tǒng)長期面臨的一個根本難題。

傳統(tǒng)柴油發(fā)電機只要持續(xù)加油，理論上可不間斷運行，而電池系統(tǒng)則無法做到這一點。ReVolt 于 2024 年獲得了兩項解決此問題的專利，另有三項專利申請正在審批中。

當(dāng)被問及在截然不同的負(fù)載情況下，如何通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制機制實現(xiàn)這種雙向功率流動時，Schwalm 表示：“我們的電池管理系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測電池單元參數(shù)。”一個大型 DC 電池組為多臺并聯(lián)運行的逆變器供電，形成一個交流微電網(wǎng)。這些逆變器為負(fù)載提供穩(wěn)定的電網(wǎng)級三相輸出功率。另一組由獨立電池組供電的并聯(lián)逆變器，具備相同的控制功能，既分?jǐn)傌?fù)載，同時也從外部電源取電，為電池組充電。

該系統(tǒng)配備多層級先進監(jiān)測功能。Schwalm 解釋道：“每臺逆變器實時監(jiān)測 DC 母線電壓和電流，以及三相 AC 負(fù)載的電壓、電流、相位角及功率因數(shù)。一個獨立的模塊化電能表分別測量每相的輸出電壓、電流和相位角，以及中性線的電流。而一個定制設(shè)計的能源管理系統(tǒng)（EMS）通過 CAN 母線、Modbus 和以太網(wǎng)，對每個部件進行監(jiān)控。”

輸送到精密電影拍攝設(shè)備的電力品質(zhì)是一項至關(guān)重要的性能指標(biāo)。柴油發(fā)電機輸出的“臟電”天然存在不穩(wěn)定的問題，這意味著在連接數(shù)字燈光控制器和運動控制系統(tǒng)之前，需要額外配備電源過濾設(shè)備。而 ReVolt 的電池供電架構(gòu)可生成具有穩(wěn)定電壓特性的純正弦波形，因此不再需要這些電源調(diào)節(jié)措施。

Schwalm 表示："我們采用三相濾波模塊來抵御負(fù)載諧波。"這指的是用于濾波和控制輸出、使其在負(fù)載變化時保持穩(wěn)定的方法。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測三相線路連接不平衡、中性線電流過高或功率因數(shù)過低等情況，并在其接近臨界狀態(tài)時向操作人員發(fā)出預(yù)警。

Schwalm 繼續(xù)道："我們的能源管理系統(tǒng)采用閉環(huán)電壓控制，根據(jù)負(fù)載情況指示逆變器調(diào)整電壓。"這確保了電壓不會出現(xiàn)驟降或驟升，這些波動由快速 PID 控制算法處理。”

Vicor 的高密度功率轉(zhuǎn)換模塊使 ReVolt 能夠?qū)⑵?800 伏牽引電池架構(gòu)適配到電影拍攝設(shè)備所需的各種電壓。該系統(tǒng)采用 BCM? 母線轉(zhuǎn)換器、DCM? 隔離轉(zhuǎn)換器和 PRM? 穩(wěn)壓器，將電力從高壓直流主干線分配至受到精密控制的低壓電源軌。

BCM4414 模塊（圖 3）負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換的第一級，它將 800 V 電池鏈路轉(zhuǎn)換并隔離為一個可在 48V 電壓下提供 35A 電流的配電母線。所有這些功能都集成在一個小巧的 VIA? 封裝模塊（4.35 × 1.4 × 0.37 英寸）內(nèi)，其功率密度高達 770W/in3。該模塊還充當(dāng) 48V 域的電池仿真器，使 ReVolt 能夠在不影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度的前提下減輕輔助電池的重量。

圖 3：BCM4414 母線轉(zhuǎn)換器模塊。

下游的 DCM 模塊負(fù)責(zé)處理 24V 負(fù)載，而 PRM 非隔離升降壓穩(wěn)壓器則以接近 96% 的效率在終端使用點創(chuàng)建電壓設(shè)定值，從而大幅降低散熱需求。

當(dāng)被問及 Vicor 模塊相較于其他方案的具體優(yōu)勢時，Schwalm 表示："客戶支持以及 Vicor 技術(shù)電氣工程團隊的協(xié)助對我們幫助極大。"這些器件因其高效率和緊湊尺寸而展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。他補充道："我們不需要并聯(lián)運行這些設(shè)備，而是采用串聯(lián)方式。我們的散熱管理技術(shù)能確保這些單元保持低溫運行。"

圖 4：BCM4414 將 800V 電壓轉(zhuǎn)換并隔離為 48V，輸出至 35A 母線，DCM3414 則從該母線取電以穩(wěn)壓 24V 負(fù)載。BCM4414 還充當(dāng)電池仿真器，減少了對笨重 48V 電池的需求。

要在極熱或極寒的室外環(huán)境（例如沙漠直射陽光）下發(fā)揮電氣系統(tǒng)的全部潛力，就需要采用先進的散熱管理技術(shù)。ReVolt 自主研發(fā)的電池模塊采用最利于散熱的蜂窩式布局。Schwalm 表示："我們通過特定的電芯排布方式自制電池模塊，并利用調(diào)速風(fēng)扇陣列提供的強制風(fēng)冷實現(xiàn)最佳散熱效果。氣流被引導(dǎo)通過每個電池組件中定制設(shè)計的通道。"

他補充道："熱監(jiān)控系統(tǒng)包含多個溫度區(qū)域。我們密切監(jiān)測電芯內(nèi)部、逆變器、功率級以及 Mule 平臺本身的溫度。操作人員可以通過手機或我們的網(wǎng)絡(luò)門戶實時查看系統(tǒng)的關(guān)鍵運行指標(biāo)，實現(xiàn)全天候監(jiān)控。即使在酷熱沙漠的烈日直射下，該系統(tǒng)也能滿負(fù)荷運行。"Schwalm 強調(diào)，即使在最惡劣的環(huán)境下，該系統(tǒng)也能保持其額定性能。

基于實際運營經(jīng)驗和供應(yīng)鏈情況，ReVolt 對電化學(xué)儲能技術(shù)的選擇歷經(jīng)演變。該公司最初采用鎳錳鈷（NMC）化學(xué)成分制造鋰離子電池，后來轉(zhuǎn)為磷酸鐵鋰（LFP）配方。Schwalm 表示："我們最初使用鋰離子 NMC 化學(xué)成分并取得了出色成果，但因供應(yīng)鏈和采購環(huán)節(jié)的問題，我們轉(zhuǎn)而采用磷酸鐵鋰。磷酸鐵鋰在熱管理和使用壽命方面表現(xiàn)更佳。"

這種模塊化系統(tǒng)架構(gòu)使得快速定位和更換故障部件變得簡便。他表示：“我們采用模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，能源管理系統(tǒng)就可以輕松定位故障或性能異常的模塊。所有系統(tǒng)核心部件均設(shè)計為可輕松插拔、維修或更換，從而實現(xiàn)極短的停機時間。”

展望未來的技術(shù)進步，Schwalm 表示：“借助 ReVolt 租賃計劃，我們能夠隨時將新一代固態(tài)電池等前沿技術(shù)引入現(xiàn)役平臺，保持技術(shù)領(lǐng)先。”