Innovadores módulos de CC estándar más pilas de combustible producen un dron compacto de vuelo largo

Al pensar en un dron, es probable que piense en su uso de baterías de litio con la mejor densidad de potencia de su clase, evaluada por peso y volumen. Pero es un pensamiento tradicional y convencional asumir que los drones pequeños están restringidos únicamente a la energía de la batería basada en productos químicos. Este proceso de pensamiento es refutado por un pequeño dron de Doosan Mobility Innovation (DMI) de Corea del Sur, que funciona con un tanque presurizado de hidrógeno que alimenta una pila de combustible (Figura 1).

Figura 1: Este dron compacto de Doosan Mobility Innovation funciona con combustible de hidrógeno en lugar de una batería convencional para obtener energía. (Fuente de la imagen: Doosan Mobility Innovation)

Este dron no es un proyecto de investigación personalizado único ni una unidad experimental avanzada. En cambio, el Doosan DS30 es un dron disponible comercialmente que ya se utiliza para proyectos, como la inspección de grandes instalaciones de paneles solares o vías fluviales, como lagos y ríos y la entrega de suministros médicos, incluidos desfibriladores externos automáticos (DEA) a ubicaciones remotas.

Este compacto octocóptero (ocho rotores) mide poco menos de 2 × 2 metros por 750 milímetros (mm) de alto y pesa 21 kilogramos (kg) con su tanque de 10.8 litros (Figura 2). Para el transporte, se puede plegar en una caja de menos de un metro de cada lado.

Figura 2: El DS30 es un dron de ocho rotores que mide aproximadamente dos metros cuadrados que se pliega en una configuración de un metro cuadrado. (Fuente de la imagen: Doosan Mobility Innovation)

Los datos de la empresa muestran que debido a la densidad de energía favorable del hidrógeno de aproximadamente cuatro a cinco veces la de una batería de litio, junto con la pila de combustible asociada, su dron tiene un tiempo de vuelo de aproximadamente 120 minutos con una carga útil de (máximo) 5 kg y puede viajar hasta 80 kilómetros (km). Al igual que con las baterías, el reabastecimiento de combustible es simple: cuando el tanque de fibra de carbono liviano se vacía (Figura 3), se reemplaza por otro en unos minutos, lo que minimiza el tiempo en tierra. El tamaño del tanque es modesto: solo 435 mm de largo con un diámetro de 225 mm y está presurizado a 350 bar.

Figura 3: El tanque de hidrógeno de 10.8 litros está hecho de fibra de carbono ligera y funciona a una presión de 350 bar. (Fuente de la imagen: Doosan Mobility Innovation)

Pilas de combustible, actualizadas

Las especificaciones básicas cuentan solo una parte de la historia, ya que la pila de combustible es el punto de partida para el rendimiento general del diseño innovador (Figura 4). Aunque la tecnología de pilas de combustible se ha utilizado durante décadas e incluso se utilizó en la misión lunar Apolo, Doosan ha ideado una pila más eficiente y liviana con un diseño y materiales patentados.

Figura 4: El principio de la pila de combustible es simple, pero los avances recientes en detalles de configuración y los materiales han mejorado la eficiencia y reducido el peso. (Fuente de la imagen: Doosan Mobility Innovation)

La pila de combustible ocupa una pequeña porción del paquete de energía total (Figura 5), tomando hidrógeno del tanque insertado y combinándolo con oxígeno para generar electricidad.

Figura 5: La pila de combustible encaja junto al tanque de hidrógeno como parte del paquete de energía. (Fuente de la imagen: Doosan Mobility Innovation)

El paquete de energía DP30 completo del dron DS30 tiene una potencia nominal de 2.6 kilovatios (kW) continuos/5 kW de potencia máxima. Pesa 12.34 kg con el depósito de 10.8 litros instalado.

De la pila de combustible sin procesar a los rieles regulados

Por supuesto, tener una salida de CC de pila de combustible sin procesar por sí sola no es suficiente. Ese voltaje de salida debe regularse para proporcionar rieles de CC limpios y estables para los motores de rotor y la electrónica.

Aquí es donde los ingenieros de Doosan se enfrentaron a la decisión de diseño clásico: ¿para cuál de las muchas funciones necesarias de un diseño se elige un diseño innovador y personalizado frente a un componente estándar adecuado? La realidad es que a menudo tiene más sentido innovar solo en aquellas áreas en las que marcará la diferencia. En este caso, es principalmente la unidad de energía de la pila de combustible. Luego, utilizando componentes estándar de alto rendimiento siempre que sea posible, los diseñadores pueden minimizar las incógnitas de diseño, los riesgos, los problemas de integración, los retrasos en la comercialización y otras "sorpresas" no deseadas o imprevistas.

Para el dron DS30, la pila de combustible tiene un voltaje de circuito abierto (OCV) variable y de amplio rango de 40 a 74 voltios. A partir de esto, el paquete de energía eléctrica proporciona dos redes principales de distribución de energía (PDN): una para suministrar energía (48 voltios a 12 amperios [A]) a los ocho motores de rotor del dron, más una salida de 12 voltios y 8 A a las placas del controlador y los ventiladores de enfriamiento. Para lograr una alta eficiencia y alta densidad de energía en la PDN, Doosan eligió tres productos estándar de Vicor Corp. (Figura 6):

Figura 6: El subsistema de energía de la pila de combustible tiene dos ramas principales: una para los rotores y otra para los tableros de control y los ventiladores de enfriamiento. (Fuente de la imagen: Vicor Corp.)

Para los rotores, los reguladores reductores-elevadores aceptan la salida de las dos pilas de las pilas de combustible de hidrógeno para proporcionar una salida estable y regulada de 48 voltios. Dos reguladores-elevadores de 32.5 mm × 22 mm Vicor PRM48AF480T400A00 están configurados en paralelo para suministrar los 12 A requeridos por los rotores (Figura 7).

Figura 7: Dos reguladores reductores-elevadores Vicor PRM48AF480T400A00 en paralelo alimentan los motores de rotor. (Fuente de la imagen: Vicor Corp.)

Para las placas controladoras de pila, se utiliza un regulador de potencia inferior Vicor PRM48AH480T200A00 de 22.0 mm × 16.5 mm para entregar una salida regulada de 48 voltios a 4.17 A (Figura 8). A esto le sigue un regulador reductor de conmutación de voltaje cero (ZVS) PI3546-00-LGIZ de 10 × 10 mm de 48 voltios a 12 voltios (Figura 9).

Figura 8: Se utiliza un regulador Vicor PRM48AH480T200A00 para “prerregular” el riel de CC antes del regulador de etapa final. (Fuente de la imagen: Vicor Corp.)

Figura 9: El regulador final de la potencia a la placa controladora y los ventiladores es el Vicor PI3546-00-LGIZ. (Fuente de la imagen: Vicor Corp.)

Como resultado de estas opciones de reguladores CC-CC, el sistema de energía de la pila de combustible ofrece una entrada de CC a una eficiencia de salida del riel del 96.6 % con una pérdida de solo 23.4 vatios. Una solución que hace usted mismo (DIY) sería difícil de mejorar, tomaría más tiempo y requeriría una evaluación cuidadosa del rendimiento.

Conclusión

La innovación de productos exitosa a menudo requiere una combinación de avances de vanguardia, pensamiento poco convencional y persistencia, todo combinado con el uso de productos estándar listos para usar que ofrecen el rendimiento necesario. Al hacerlo, el equipo de diseño puede centrarse en el desarrollo del sistema, la depuración y los problemas de integración mientras elimina tantos bloques funcionales como sea posible de la lista de preocupaciones.

Referencias y especificaciones

1. Dron Doosan DS30: https://www.doosanmobility.com/en/products/drone-ds30/

2. Paquete de energía Doosan DP30: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3. Tanque de hidrógeno Doosan: https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

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