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Vicor-DMI, 세계 최초로 수소 연료전지 드론 상용화에 성공

두산이노베이션모빌리티(이하 DMI)는 혁신적인 에너지 밀도의 수소 연료전지로 구동되는 드론을 통해 원격지에 인도적 구호물품 전달 등 드론 활용의 새로운 가능성을 열고 있다. 두 시간 비행이 가능한 이 드론은 미국령 버진아일랜드와 제주도에서 인근 섬까지 응급의료물 배송을 비롯해 한라산에 AED 배송 등의 임무를 성공적으로 수행했다. DMI의 수소 연료전지 기술은 확장된 비행거리와 부하 용량을 통해 모바일 로봇 개발을 가속화할 수 있는 기반을 마련했다. 

그림 1: DMI는 버진아일랜드에서 응급의료물 배송 시연을 성공적으로 완수했다. 
수소 연료전지 파워팩은 대부분의 배터리 드론에 비해 4배에 달하는 2시간 연속 비행 가능하게 UAV를 구동할 수 있다.

이외에도 비행거리 확장이 가능한 DMI의 드론은 국내 최대 규모의 태양광 발전소인 해남 솔라시도에서 방대한 태양광 패널검사를 성공적으로 완수하고, 상업용 애플리케이션의 가능성을 확인했다. 이러한 동일 조건의 임무를 기존 배터리 드론으로 수행할 경우 6번 이상의 배터리 교체가 필요하다.

그림 2: 해남 솔라시도 태양광 패널 검사는 DMI 드론을 이용해 훨씬 뛰어난 효율성과 속도로 진행되었다. 
실화상 및 열화상 카메라를 장착한 수소 연료전지 드론을 사용하여 약 20MW 부지의 발전소 이미지를 단 두 번의 자동 격자 비행으로 
모두 확보했다. 동일 작업을 배터리 드론으로 수행할 경우 6번 이상의 배터리 교체가 필요하다

파워팩 성능을 최적화하는 고밀도 전력설계

모바일 기기용 수소 연료전지를 개발하기 위해서는 소재 과학에서 시스템 레벨의 설계 최적화에 이르기까지 전반적인 기술 혁신이 수반되어야 한다. 모빌리티의 핵심은 소형화 및 경량화는 물론, 높은 효율성을 실현하는 것이다. 또한 안정적인 장시간 비행이 가능하도록 높은 에너지 출력과 내구성이 결합되어야 한다. 이를 위해서는 스택 자체의 경량화는 물론, 높은 전력밀도의 파워 트레인을 구성하고, 주변 부품을 포함한 파워팩 전반에 대한 설계를 단순화하여 시스템을 완벽하게 최적화해야 한다. 

이러한 설계의 핵심은 시스템의 PDN(Power Delivery Network) 구현 및 아키텍처에 있다. DP30 파워팩은 드론의 로터 측과 2개의 스택을 제어하는 컨트롤러 측에 전원을 공급하는 2개의 메인 파워트레인 구조를 가지고 있다. DP30 파워팩은 40V에서 74V에 이르는 넓은 범위의 가변 출력전압을 기반으로 드론의 로터 모터 측에 엄격하게 레귤레이션 된 48V, 12A 출력을 보장하고, 스택 컨트롤러 보드 및 팬으로는 12V, 8A 출력이 일관되게 공급될 수 있도록 설계되었다. 

그림 3: 애너지 밀도 비교: 수소 연료전지와 리튬폴리머 배터리

DMI는 PDN에서 고효율 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 바이코(Vicor)의 PRM(Pre-Regulation Module) 벅 부스트 레귤레이터와 ZVS(Zero-Voltage Switching) 벅 레귤레이터를 선택했다. PRM은 최대 74V까지 상승하는 수소 연료전지 스택의 OCV(Open Circuit Voltage)를 지원할 수 있으며, 아래 그림과 같이 48V까지 안정적인 전압 레귤레이션을 수행할 수 있다.

그림 4: 수소 연료전지 파워팩의 구조

드론의 로터측 PDN에는 바이코의 두 개의 RPM 벅 부스트 레귤레이터(PRM48AF480T400A00)를 병렬로 구성하여 로터에서 필요로 하는 12A를 공급한다. 스택의 디지털 컨트롤러 보드를 위한 PDN에는 저전력 PRM(PRM48AH480T200A00)과 48V-12V 변환 ZVS 벅 레귤레이터(PI3546-00-LGIZ)를 사용했다.

그림 5: 고효율 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 Vicor PRM™ 벅-부스트 레귤레이터와 ZVS 벅 레귤레이터가 사용되었다. 
PRM은 최대 74V까지 상승하는 수소 연료전지 스택의 OCV(Open Circuit Voltage)를 지원할 수 있으며, 
48V까지 안정적인 전압 레귤레이션을 수행할 수 있다.

파워용량별 제품라인 다각화

DMI는 현재 생산 중인 2.6KW급 DP30 파워팩 외에도 파워용량별 제품라인을 다각화할 계획이다. 내년에 출시 예정인 1.5KW급 수소 연료전지 파워팩을 비롯해 10KW급에 이르는 다양한 용량의 제품을 개발하고, 각 파워팩에 적합한 새로운 구조의 드론 또한 출시할 예정이다. 

DMI는 전력에 대한 바이코의 모듈식 접근방식을 활용하여 다양한 제품라인을 지원할 수 있는 확장성을 확보하고, 파워용량 확대에 따른 스택 구조 변경이나 파워트레인 및 주변 구성부품, 방열 방식 등에 대한 엔지니어링 문제를 해결하는데 주력할 방침이다. Vicor를 통해 DMI는 주요 목표들을 더욱 잘 추구할 수 있다: 드론의 비행시간을 연장할 수 있는 높은 에너지 밀도를 통해 수소 연료전지의 경량화 및 소형화를 달성하고, 내구성과 안정성을 높이는데 중점을 두고 있다. 

Vicor Corporation 소개
바이코는 미국 메사추세츠주 앤도버의 자동화 제조 공장에서 40년 이상 동급 최고의 고밀도 전력 모듈을 만들어 왔다. 바이코의 앤도버 공장은 전력 모듈의 성능과 확장성의 새로운 지평을 열도록 설계한 최초의 수직 통합 ChiP™ 팹을 제조할 수 있도록 최근 확장을 마쳤다. 바이코는 고성능 전력 모듈 분야의 리더로, 소스에서 POL(point-of-load)까지 최고의 밀도와 효율성을 제공하는 모듈식 전력 시스템 솔루션으로 고객 혁신을 가능하게 한다. 바이코는 기업용 및 고성능 컴퓨팅, 산업 장비 및 자동화, 로보틱스, UAV, 전기자동차 및 운송, 항공 우주 및 방위 분야 등의 고객에게 서비스를 제공한다. 바이코의 다양한 솔루션은 (www.vicorpower.com)에서 확인할 수 있다.