혁신적인 연료 전지 및 표준 DC 모듈 이용한 소형 장거리 비행 드론 설계

드론을 생각할 때, 무게 및 부피 면에서 동급 최강의 출력 밀도를 지닌 리튬 기반 배터리의 사용을 떠올리게 됩니다. 그러나 소형 드론이 화학 기반의 배터리 출력에 의해서만 제한된다는 것은 고루하며 틀에 박힌 생각입니다. 이러한 개념을 뒤집은 대한민국의 두산 모빌리티 이노베이션(DMI)이 개발한 소형 드론은 수소 압축 탱크에서 연료 전지에 수소를 공급함으로써 구동됩니다.

그림 1: 두산 모빌리티 이노베이션이 개발한 이 소형 드론은 기존의 배터리가 아닌 수소 연료에 의해 구동됩니다. (이미지 출처: 두산 모빌리티 이노베이션)

이 드론은 일회성으로 제작되었거나, 고객의 연구 프로젝트 또는 고급 실험용 제품으로 만들어진 것이 아닙니다. 두산 DS30은 대형 태양광 패널 설치 시 검사 또는 호수나 강 등의 수로에서, 그리고 체외형 자동 제세동기(AED) 등의 의료 기기를 장거리에 전달하는 등의 프로젝트를 위해 상업적으로 개발되어 이미 사용되고 있습니다.

이 소형 옥토콥터(8개의 로터)의 크기는 2m x 2m 미만이고 높이는 750mm, 무게는 21kg(10.8L 탱크 포함)입니다(그림 2). 이동을 위해서는 각 면이 1m 미만인 케이스 안에 들어가도록 접을 수 있습니다.

그림 2: DS30은 8개의 로터를 갖춘 드론으로, 2제곱 미터 크기이며 1제곱 미터 구성에 알맞은 크기로 접힙니다. (이미지 출처: 두산 모빌리티 이노베이션)

두산의 데이터에 따르면 수소의 에너지 밀도는 리튬 기반 배터리에 비해 약 4 ~ 5배에 달하기 때문에, 적합한 연료 전지와 함께 구축될 경우 이 드론은 5kg(최대)의 페이로드로 120분 정도, 최대 80km까지의 거리를 비행할 수 있습니다. 배터리의 연료 보급은 간단합니다. 경량의 탄소섬유 탱크가 비는 경우(그림 3), 수 분 이내에 다른 탱크로 교체가 가능하여 지상체류시간이 최소화됩니다. 탱크 크기는 435mm의 길이와 225mm의 지름으로 적당하며, 350바로 가압됩니다.

그림 3: 10.8L 수소 탱크는 경량의 탄소섬유로 제작되며 350바 압력에서 작동합니다. (이미지 출처: 두산 모빌리티 이노베이션)

업데이트된 연료 전지

기본 사양만으로는 이 드론을 설명하기에 충분하지 않은데, 그 이유는 이 혁신적인 설계의 전체적인 성능을 설명하기 위해 가장 중요한 요소가 연료 전지이기 때문입니다. 연료 전지 기술은 수십 년간 사용되어 왔으며 심지어 아폴로 달 착륙 시에도 활용된 기술이지만, 두산에서는 독점적인 설계 및 재료를 사용하여 더욱 효율적이고 가벼운 전지를 고안해 내었습니다.

그림 4: 이 연료 전지의 원리는 단순하지만, 최근 구성 관련 상세 사항과 재료의 발전으로 그 효율성이 증대되고 중량은 감소했습니다. (이미지 출처: 두산 모빌리티 이노베이션)

연료 전지는 전체 전력 팩(그림 5)의 작은 부분을 차지하며, 삽입된 탱크에서 수소를 꺼내어 산소와 결합시킴으로써 전기를 생성합니다.

그림 5: 연료 전지는 전력팩의 일부로 수소 탱크와 나란히 장착됩니다. (이미지 출처: 두산 모빌리티 이노베이션)

DS30 드론의 DP30 전체 전력팩은 2.6kW 연속/5kW 피크 전력 출력에 정격되었습니다. 무게는 10.8L 탱크를 포함하여 12.34kg입니다.

미가공 연료 전지에서 정격 레일까지

물론 미가공 연료 전지 DC 출력만으로는 충분하지 않습니다. 로터 모터 및 전자 장치에 깨끗하고 안정적인 DC 레일을 제공하기 위해서는 출력 전압이 정격되어야 합니다.

이 부분에서 두산의 엔지니어들이 설계와 관련되어 꼭 거치게 되는 결정에 직면했습니다. 많은 설계 기능이 요구되는 가운데 혁신적이고 맞춤형의 설계와 적합한 표준 부품 중 어떤 방식을 선택해야 할까요? 현실적으로, 주로 확실한 차이가 드러날 수 있는 영역에서만 혁신적인 방식을 사용하는 것이 가장 이상적입니다. 여기에서는 주로 연료 전지 전력 장치가 이에 해당합니다. 그런 다음 가능한 곳에는 고성능의 기성품 부품을 사용한다면, 설계자가 설계와 관련하여 잘 알지 못하는 부분, 리스크, 통합 문제, 출시 시간 지연, 기타 원치 않거나 예상하지 못한 "문제의 발생"을 최소화할 수 있습니다.

DS30 드론에서 연료 전지는 40V ~ 74V의 광범위하고 다양한 개방 회로 전압(OCV)을 지닙니다. 전력팩은 이를 통해 두 개의 주 전력 분배 네트워크(PDN)를 제공합니다. 하나는 드론의 8개 로터 모터에 전력(12A에서 48V)을 공급하고, 또한 컨트롤러 기판과 냉각 팬에 12V, 8A 출력을 공급합니다. PDN에서의 고효율 및 고 에너지 밀도를 달성하기 위해, 두산은 Vicor Corp.의 세 가지 표준 제품을 선택했습니다(그림 6).

그림 6: 연료 전지의 전력 서브 시스템에는 두 개의 주요 분기가 있습니다. 하나는 로터용, 다른 하나는 제어 기판 및 냉각 팬용입니다. (이미지 출처: Vicor Corp.)

로터의 경우 벅-부스트 조정기는 2개의 수소 연료 전지 스택의 출력을 받아들여 안정적이고 정격된 48V 출력을 제공합니다. 두 개의 32.5mm × 22mm Vicor PRM48AF480T400A00 벅-부스트 조정기는 병렬로 구성되어 로터가 요구하는 12A를 공급합니다(그림 7).

그림 7: 병렬로 구성된 두 개의 Vicor PRM48AF480T400A00 벅 부스트 조정기가 로터 모터를 구동합니다. (이미지 출처: Vicor Corp.)

스택 컨트롤러 기판의 경우 Vicor PRM48AH480T200A00 22.0mm × 16.5mm 저전력 조정기가 사용되어 4.17A에서 정격 48V 출력을 전달합니다. 그런 다음 PI3546-00-LGIZ 10mm ×10 mm 48V ~ 12V 무전압 스위칭(ZVS) 벅 조정기가 뒤따르게 됩니다(그림 9).

그림 8: Vicor PRM48AH480T200A00은 조정기의 마지막 단계에 이르기 전 DC 레일을 "사전 조정"하기 위해 사용됩니다. (이미지 출처: Vicor Corp.)

그림 9: 컨트롤러 기판 및 팬에 대한 전력의 마지막 조정기는 Vicor PI3546-00-LGIZ입니다. (이미지 출처: Vicor Corp.)

이러한 DC-DC 조정기 선택으로 인해, 연료 전지 전력 시스템은 단 23.4W의 손실을 포함한 96.6%의 DC 입력-레일 출력 효율을 제공합니다. DIY 솔루션은 더 나은 작업을 수행하기에 어렵고 시간이 더 오래 걸리며 신중한 성능 평가가 요구됩니다.

결론

성공적인 제품 혁신을 위해서는 종종 최첨단 기술, 비전통적인 사고 방식 및 지속성이 요구되며, 표준 기성품 제품이 충분한 성능을 제공하는 영역에서는 해당 제품의 사용을 적절히 통합해야 합니다. 이를 통해 설계 팀은 시스템 개발, 디버그 및 통합 문제에 집중할 수 있으며, 설계 시 우려되는 부분들에 대해 가능한 많은 기능 블록을 제거할 수 있습니다.

참고 자료 및 사양

1 – 두산 DS30 드론: https://www.doosanmobility.com/en/products/drone-ds30/

2 – 두산 DP30 파워팩: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 – 두산 수소 탱크: https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

4 – Vicor: http://www.vicorpower.com/resource-library/case-studies/doosan