2시간 연속 비행 가능한 DMI 수소 드론, 그 기능과 설계는?

등록일 : 2021.02.03

두산모빌리티이노베이션(이하 DMI)은 지난 2019년 수소 연료전지의 신뢰성과 내구성, 안정성을 확보하며 세계 최초로 2.6KW급 수소연료전지 DP30 파워팩의 상용화 및 양산에 성공했다.

현재 DMI의 수소연료전지 드론은 원격지 긴급 보급품 전달을 비롯해 대규모 농업지 및 방대한 태양광 발전소 모니터링과 같은 주요 애플리케이션을 위해 활용하고 있다.

DP30은 기존 배터리 대비 약 4배~5배에 달하는 400-500Kh/kg의 탁월한 에너지 밀도를 제공한다.

이는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)의 2시간 연속 비행을 가능하게 함으로써 다른 드론에 비해 4배이상의 비행신간으로 산업용 드론 시장의 가장 큰 제약사하이었던 짧은 비행시간을 극복할 수 있도록 해준다.

DMI의 수소 연료전지 파워팩과 드론은 이런 성과를 인정받아 'CES 2020 혁신상(Innvation Aards)'에서 2관왕을 수상하는 영예를 안았다. 수소 연료전지 드론은 '드론 및 무인시스템' 부문에서 최고혁신상을, 또한 드론용 수소 연료전지팩 DP30은 '지속가능성, 에코 디자인 & 스마트 에너지(Suatainability, Eco-Design & Smart Energy)' 부문에서 헉신상을 받았다.

수소 연료전지 파워팩은 전력을 발전시키는 스택과 수소 용기만을 필요로 하기 때문에 가용 탑재공간과 무게가 제한된 드론에 유용하다.

DP30 수소 연료전지를 장착한 드론을 인프라 점검에 사용할 경우, 1회 비행시 40km 이상의 거리를 모니터링할 수있지만, 배터리 드론은 10km에 불과하다.

도달 가능한 범위 또한 배터리는 300㎢에 불과한 반면, 연료전지는 중심 기준 4000㎢까지 커버 할 수 있다. 따라서 장시간 비행이 가능한 수소 연료전지 드론을 이용하면, 인프라 점검 및 공공안전, 물류, 건설/광산, 임업, 농업 등의 분야에서 상업용 드론의 활용도를 극대화할 수 있어 운영자에게 유용하다.

DMI는 국내 최대 규모 98MW급 해남 솔라시도 태양광 발전소에서 태양광 패널검사 시연을 성공적으로 완수, 70Km 떨어진 섬에 응급의료물을 배송한느 시연에서도 안정적인 비행 임무를 달성한 바 있다. 수소 연료전지 드론의 장시간 비행 이점을 살려 다양한 분야에서 적용되고 있다.

파워팩 성능을 최적화하는 고밀도 전력설계

모바일 기기용 수소 연료전지를 개발하기 위해서는 소재 과학에서 시스템 레벨의 설계 최적화에 이르기까지 전반적인 기술 혁신이수반돼야 한다. 모빌리티의 핵심은 소형화 및 경량화는 물론, 높은 효율성을 실현하는 것이다.

이를 위해서는 스택 자체의 경량화는 물론, 높은 전력밀도의 파워 트레인을 구성하고, 주변 부품을 포함한 파워팩 전반에 대한 설계를 단순화하여 시스템을 완벽하게 최적화해야 한다.

이런 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 레귤레이션된 48V, 12A 출력을 보장하고, 스택 컨트롤러 보드 및 팬으로는 12V, 8A 출력이 일관되게 공급될 수 있도록 설계됐다.

DMI는 PDN에 고효율 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 바이코(Vicor)의 PRM(Pre-Regulation Module) 벅 부스트 레귤레이터와 ZVS(Zero-Voltage Switching) 벅 레귤레이터를 사용했다. 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.

노순석 DMI 사업본부 사업추진팀 과장은 "혁신적인 모빌리티용 DP30을 구현하기 위해 효율적이면서도 전력 밀도가 높은 PDN 구현 방식을 고려해야 했다. 전력변환 토폴로지 및 컴포넌트 설계, 패키징 기술 분야에서 40년 이상 경험을 갖추고 있는 바이코의 솔루션은 우리의 성공에 매우 중요한 역할을 했다"고 밝혔다.

파워용량별 제품라인 다각화

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

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 방식등에 대한 엔지니어링 문제를 해결하는데 주력할 방침이다.

DMI는 바이코를 통해 드론의 비행시간을 연장할 수 있는 높은 에너지 밀도를 통해 수소 연료전지의 경량화 및 소형화를 달성하고, 내구성과 안정성을 높이는데 중점을 두고 있다고 밝혔다.

또한 DMI는 최근 드론용 수소 연료 전지 파워팩 작업 외에도 현대자동차, 한화시스템, 대한항공, SK텔레콤 등과 함께 UAM(urban Air Mobility) 컨소시엄을 구성하고, 드론 택시 개발을 추진하고 있다.