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Innovative Brennstoffzelle plus DC-Standardmodule ergeben kompakte Drohne mit großer Reichweite

Wenn Sie an Drohnen denken, denken Sie wahrscheinlich an deren Verwendung von Lithium-basierten Batterien mit ihrer erstklassigen Leistungsdichte, gemessen an Gewicht und Volumen. Aber es ist ein konventionelles Schubladendenken, anzunehmen, dass kleine Drohnen ausschließlich auf chemiebasierten Batteriebetrieb beschränkt sind. Dieser Gedankengang wird durch eine kleine Drohne von Doosan Mobility Innovation (DMI) aus Südkorea widerlegt, die von einem Drucktank mit Wasserstoff angetrieben wird, der eine Brennstoffzelle speist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Diese kompakte Drohne von Doosan Mobility Innovation wird nicht mit einer herkömmlichen Batterie, sondern mit Wasserstoff betrieben. (Bildquelle: Doosan Mobility Innovation)

Diese Drohne ist kein einmaliges, kundenspezifisches Forschungsprojekt oder fortschrittliches Versuchsgerät. Stattdessen ist die Doosan DS30 eine kommerziell erhältliche Drohne, die bereits für Projekte wie die Inspektion riesiger Solarpanel-Installationen oder von Wasserstraßen wie Seen und Flüssen sowie für die Lieferung von medizinischem Material einschließlich automatisierter externer Defibrillatoren (AEDs) an entlegene Orte eingesetzt wird.

Dieser kompakte Oktokopter (acht Rotoren) misst knapp 2 × 2 Meter bei 750 Millimetern (mm) Höhe und wiegt mit seinem 10,8-Liter-Tank 21 Kilogramm (kg) (Abbildung 2). Für den Transport lässt er sich zu einem Koffer zusammenfalten, der auf jeder Seite weniger als einen Meter misst.

Abbildung 2: Die DS30 ist eine Drohne mit acht Rotoren, die etwa zwei Meter im Quadrat misst und sich zu einem Quadrat von einem Meter zusammenfalten lässt. (Bildquelle: Doosan Mobility Innovation)

Die Daten des Unternehmens zeigen, dass seine Drohne aufgrund der günstigen Energiedichte von Wasserstoff von etwa dem Vier- bis Fünffachen einer lithiumbasierten Batterie zusammen mit der zugehörigen Brennstoffzelle eine Flugzeit von etwa 120 Minuten mit einer Nutzlast von maximal 5 kg hat und bis zu 80 Kilometer (km) zurücklegen kann. Wie bei den Batterien ist das Betanken einfach: Wenn der leichte Kohlefasertank leer ist (Abbildung 3), wird er in wenigen Minuten durch einen anderen ersetzt, was die Bodenzeit minimiert. Die Größe des Tanks ist bescheiden: nur 435 mm lang mit einem Durchmesser von 225 mm, und er steht unter einem Druck von 350 bar.

Abbildung 3: Der 10,8-Liter-Wasserstofftank ist aus leichter Kohlefaser gefertigt und arbeitet mit einem Druck von 350 bar. (Bildquelle: Doosan Mobility Innovation)

Brennstoffzellen, aktualisiert

Die grundlegenden Spezifikationen erzählen nur einen Teil der Geschichte, denn es ist die Brennstoffzelle, die der Ausgangspunkt für die Gesamtperformance des innovativen Designs ist (Abbildung 4). Obwohl die Brennstoffzellentechnologie schon seit Jahrzehnten im Einsatz ist und sogar bei der Apollo-Mondmission verwendet wurde, hat Doosan eine effizientere und leichtere Zelle entwickelt, bei der ein eigenes Design und eigene Materialien zum Einsatz kommen.

Abbildung 4: Das Prinzip der Brennstoffzelle ist einfach, aber die jüngsten Fortschritte bei den Konfigurationsdetails und Materialien haben den Wirkungsgrad verbessert und das Gewicht gesenkt. (Bildquelle: Doosan Mobility Innovation)

Die Brennstoffzelle nimmt einen kleinen Teil des Gesamtaggregats ein (Abbildung 5). Sie entnimmt Wasserstoff aus dem eingelegten Tank und kombiniert ihn mit Sauerstoff zur Stromerzeugung.

Abbildung 5: Die Brennstoffzelle passt als Teil des Aggregats neben den Wasserstofftank. (Bildquelle: Doosan Mobility Innovation)

Das komplette DP30-Powerpack der DS30-Drohne hat eine Nennleistung von 2,6 Kilowatt (kW) Dauerleistung/5 kW Spitzenleistung. Es wiegt 12,34 kg mit dem eingebauten 10,8-Liter-Tank.

Von der rohen Brennstoffzelle zu geregelten Versorgungsschienen

Natürlich reicht es nicht aus, nur die DC-Rohleistung der Brennstoffzelle zu haben. Diese Ausgangsspannung muss geregelt werden, um saubere und stabile Gleichstromschienen für die Rotormotoren sowie die Elektronik bereitzustellen.

Hier standen die Doosan-Ingenieure vor der klassischen Designentscheidung: Für welche der vielen geforderten Funktionen einer Konstruktion wählt man eine innovative, kundenspezifische Komponente gegenüber einer geeigneten Standardkomponente? Die Realität ist, dass es oft am sinnvollsten ist, nur in den Bereichen innovativ zu sein, in denen es einen Unterschied machen wird. Hier ist es vor allem das Brennstoffzellen-Aggregat. Durch die Verwendung von leistungsstarken Standardkomponenten können Entwickler Unbekannte, Risiken, Integrationsprobleme, Verzögerungen bei der Markteinführung und andere unerwünschte oder unvorhergesehene „Überraschungen“ minimieren.

Für die Drohne DS30 hat die Brennstoffzelle eine weitreichende und variable Leerlaufspannung (OCV) von 40 bis 74 Volt. Davon ausgehend stellt die elektrische Versorgung zwei Hauptstromverteilungsnetze (PDNs) bereit: eines für die Stromversorgung (48 Volt bei 12 Ampere (A)) der acht Rotormotoren der Drohne sowie einen 12V/8A-Ausgang für die Steuerplatinen und die Kühllüfter. Um einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Energiedichte im PDN zu erreichen, wählte Doosan drei Standardprodukte von Vicor Corp. aus (Abbildung 6):

Abbildung 6: Das Energie-Subsystem von der Brennstoffzelle hat zwei Hauptzweige: einen für die Rotoren und einen für die Steuerplatinen und Kühlventilatoren. (Bildquelle: Vicor Corp.)

Für die Rotoren nehmen Abwärtsregler die Leistung der beiden Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel auf, um einen stabilen, geregelten 48-Volt-Ausgang zu liefern. Zwei 32,5 mm × 22 mm große Abwärtsregler PRM48AF480T400A00 von Vicor sind parallel geschaltet, um die von den Rotoren benötigten 12 A zu liefern (Abbildung 7).

Abbildung 7: Zwei parallel geschaltete Abwärtsregler PRM48AF480T400A00 von Vicor versorgen die Rotormotoren. (Bildquelle: Vicor Corp.)

Für die Stack-Controller-Platinen wird ein PRM48AH480T200A00 von Vicor (22,0 mm × 16,5 mm) für geringere Leistungen verwendet, der einen geregelten 48-Volt-Ausgang mit 4,17 A liefert (Abbildung 8). Darauf folgt ein 10 × 10 mm 48-Volt-zu-12-Volt-Nullspannungsschaltregler (ZVS) PI3546-00-LGIZ (Abbildung 9).

Abbildung 8: Ein PRM48AH480T200A00 von Vicor wird zur „Vorregulierung“ der DC-Schiene vor dem Endstufenregler eingesetzt. (Bildquelle: Vicor Corp.)

Abbildung 9: Der endgültige Regler für die Stromversorgung des Controllerboards und der Lüfter ist der PI3546-00-LGIZ von Vicor. (Bildquelle: Vicor Corp.)

Als Ergebnis dieser DC/DC-Reglerauswahl bietet das Brennstoffzellen-Stromversorgungssystem einen Wirkungsgrad von 96,6 % zwischen DC-Eingang und Rail-Ausgang mit einem Verlust von nur 23,4 Watt. Eine Selbstbaulösung würde kaum besser abschneiden, würde länger dauern und würde eine sorgfältige Leistungsbewertung erfordern.

Fazit

Erfolgreiche Produktinnovationen erfordern oft eine Mischung aus Spitzenleistungen, unkonventionellem Denken und Beharrlichkeit, kombiniert mit dem Einsatz von Standardprodukten, wenn diese die erforderliche Leistung bieten. Auf diese Weise kann sich das Designteam auf die Systementwicklung, das Debugging und die Integration konzentrieren und gleichzeitig so viele Funktionsblöcke wie möglich aus der Liste der Probleme entfernen.

Referenzen und Spezifikationen

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

2 – Doosan-Powerpack DP30: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 – Doosan-Wasserstofftank: https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

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

Über den Autor

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Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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