고효율 및 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 Vicor PDN 솔루션 적용

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, 48V까지 안정적인 전압 레귤레이션을 수행할 수 있다.
 
두산모빌리티이노베이션(Doosan Mobility Innovation, 이하 DMI)은 두산 그룹의 업계 선도적인 수소 연료전지 기술을 활용하여 모바일용 수소 연료전지 파워팩과 이를 활용한 모빌리티 솔루션을 개발하기 위해 2016년 설립되었다. 현재 두산모빌리티이노베이션의 수소연료전지 드론은 원격지 긴급보급품 전달을 비롯해 대규모 농업지 및 방대한 태양광 발전소 모니터링과 같은 주요 애플리케이션을 위해 활용되고 있다.

DMI는 2019년 10월, 수소 연료전지의 신뢰성과 내구성, 안정성을 확보하며 세계 최초로 2.6KW급 수소연료전지 DP30 파워팩의 상용화 및 양산에 성공했다. DP30은 기존 배터리 대비 약 4배~5배에 달하는 400-500Wh/kg의 탁월한 에너지 밀도를 제공한다. 이는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)의 2시간 연속 비행을 가능하게 함으로써 다른 드론에 비해 4배 이상의 비행시간으로 산업용 드론 시장의 가장 큰 제약사항이었던 짧은 비행시간을 극복할 수 있도록 해준다.



DMI의 수소 연료전지 파워팩과 드론은 이러한 성과를 인정받아 ‘CES 2020 혁신상(Innovation Awards)’에서 2관왕을 수상하는 영예를 안았다. 수소 연료전지 드론은 ‘드론 및 무인시스템(Drones & Unmanned Systems)’ 부문에서 ‘최고혁신상(Best of Innovation)’을, 또한 드론용 수소 연료전지팩 DP30은 ‘지속가능성, 에코 디자인 & 스마트 에너지(Sustainability, Eco-Design & Smart Energy)’ 부문에서 ‘혁신상(Honoree)’을 받았다.

수소 연료전지 파워팩은 전력을 발전시키는 스택과 수소 용기만 필요로 하기 때문에 가용 탑재공간과 무게가 제한된 드론에 상당한 이점을 제공한다. 이러한 수소 연료전지 파워팩은 수소와 산소를 연료로 사용하여 스택에서 전력을 생성하며, 스택은 수소반응과 산소반응에 의해 이온과 전자를 발생시키는 2개의 전극과 고분자 전해질막으로 이루어진 다수의 셀로 구성된다. 산소는 대기 중에서 얻을 수 있기 때문에 수소만 공급할 수 있다면 지속적으로 전력을 생성할 수 있다.

수소 연료전지로 구동되는 드론의 이점은 상당하다. DP30 수소 연료전지를 장착한 드론을 인프라 점검에 사용할 경우, 1회 비행 시 50km 이상의 거리를 모니터링할 수 있지만, 배터리 드론은 10km에 불과하다. 도달 가능한 범위 또한 배터리는 300km2에 불과한 반면, 연료전지는 중심 기준 4,000km2까지 커버할 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 큰 이점을 가져다준다.

DMI는 2020년 완공된 국내 최대 규모의 98MW급 태양광 발전소인 해남 솔라시도에서 태양광 패널검사 시연을 성공적으로 완수했다. 실화상 및 열화상 카메라를 장착한 DP30 기반 드론은 약 20MW 부지의 발전소 이미지를 단 두 번의 자동 격자 비행으로 모두 확보할 수 있었다. 이러한 동일 조건의 임무를 배터리 드론으로 수행할 경우 실제 6번 이상의 배터리 교체가 필요하다.

또한 DMI는 70km 떨어진 섬에 응급의료물(혈액샘플)을 배송하는 시연에서도 확장된 구동범위와 안정적인 비행 임무를 달성했다. 이외에도 제주도 인근섬에 마스크 및 응급물자 배송, 한라산 AED 배송, 해상 풍력발전소 시설점검, 국내 송전선 점검, 가스배관 모니터링, 농산물 모니터링, 실종자 수색, 하천조사 및 관리 등 다양한 활용 사례를 개발하고 있다. 특히 수소 연료전지 드론의 장시간 비행 이점을 극대화할 수 있는 물류 분야에도 주력할 방침이다.

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

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, 그림 3과 같이 48V까지 안정적인 전압 레귤레이션을 수행할 수 있다.

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.

DMI 사업본부 사업추진팀의 노순석 과장은 “혁신적인 모빌리티용 DP30을 구현하기 위해 효율적이면서도 전력 밀도가 높은 PDN 구현 방식을 고려해야 했다. 전력 변환 토폴로지 및 컴포넌트 설계, 패키징 기술 분야에서 40년 이상 경험을 갖추고 있는 바이코의 솔루션은 우리의 성공에 매우 중요한 역할을 했다”며, “바이코는 크기 및 전력손실, 효율에 대한 최상의 조합으로 탁월한 전력 밀도를 갖춘 제품을 공급했다.




특히 이 솔루션들은 개별 파워소자들을 통합한 모듈형 제품으로 제공되기 때문에 시스템 설계를 간소화하고, 소형화 및 경량화가 용이하며, 개별 디스크리트 부품을 사용하는 것보다 신뢰성이 훨씬 뛰어나다”고 밝혔다. 또한 노순석 과장은 “바이코는 이미 수십 년간 군수용 등급의 제품을 통해 신뢰성을 인정받고 있으며, 높은 MTBF(Mean Time Between Failure)는 물론, 높은 효율과 모듈 기반의 패키지를 통한 용이한 방열 처리 등 다양한 이점을 제공한다”고 덧붙였다.

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.

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.