Une pile à combustible innovante et des modules CC standard pour un drone compact à grande autonomie

Lorsque vous pensez aux drones, vous pensez probablement à l'utilisation de batteries au lithium et à leur densité de puissance élevée, évaluée selon le poids et le volume. Mais c'est un mode de pensée très conventionnel de supposer que les petits drones se résument uniquement à l'alimentation fournie par une batterie à composition chimique. La société Doosan Mobility Innovation (DMI) de Corée du Sud a en effet fabriqué un petit drone qui va à l'encontre de ce mode de pensée et qui est alimenté par un réservoir pressurisé d'hydrogène qui alimente une pile à combustible (Figure 1).

Figure 1 : Ce drone compact de Doosan Mobility Innovation est alimenté par de l'hydrogène plutôt que par une batterie conventionnelle. (Source de l'image : Doosan Mobility Innovation)

Ce drone n'est pas une exception, un projet de recherche personnalisé ni une unité expérimentale unique. Le DS30 de Doosan est déjà disponible dans le commerce et utilisé dans des projets comme l'inspection d'immenses installations de panneaux solaires ou de voies navigables comme les lacs et les rivières, ou pour la livraison de fournitures médicales, notamment des défibrillateurs automatisés externes (DAE) sur des sites distants.

Cet octocoptère (huit rotors) compact mesure moins de 2 mètres (m) × 2 m par 750 millimètres (mm) de hauteur, et pèse 21 kilogrammes (kg) avec son réservoir de 10,8 litres (Figure 2). Pour le transport, il se plie pour être rangé dans un boîtier dont chaque côté mesure moins d'un mètre.

Figure 2 : Le DS30 est un drone à huit rotors qui mesure environ deux mètres carrés et qui peut être plié dans une configuration d'un mètre carré. (Source de l'image : Doosan Mobility Innovation)

Les données de la société montrent que grâce à la densité d'énergie favorable de l'hydrogène, qui est environ quatre à cinq fois supérieure à celle d'une batterie au lithium, et à la pile à combustible associée, son drone présente un temps de vol d'environ 120 minutes avec une charge utile de 5 kg (maximum) et peut parcourir jusqu'à 80 kilomètres (km). Comme avec les batteries, le ravitaillement est simple : lorsque le réservoir léger en fibre de carbone est vide (Figure 3), il est remplacé par un autre réservoir en quelques minutes, ce qui réduit le temps au sol. La taille du réservoir est modeste : seulement 435 mm de long, avec un diamètre de 225 mm et pressurisé à 350 bar.

Figure 3 : Le réservoir à hydrogène de 10,8 litres est léger, en fibre de carbone et fonctionne à une pression de 350 bar. (Source de l'image : Doosan Mobility Innovation)

Le renouveau des piles à combustible

Les spécifications de base ne racontent qu'une partie de l'histoire, car c'est la pile à combustible qui constitue le point de départ des performances globales de cette conception innovante (Figure 4). Bien que la technologie de pile à combustible soit utilisée depuis des décennies et ait même été utilisée pour la mission Apollo sur la lune, Doosan a conçu une pile plus efficace et plus légère utilisant une conception et des matériaux propriétaires.

Figure 4 : Le principe de la pile à combustible est simple, mais les progrès récents quant aux détails et aux matériaux de configuration ont permis d'en améliorer le rendement et d'en réduire le poids. (Source de l'image : Doosan Mobility Innovation)

La pile à combustible occupe une petite partie du bloc d'alimentation global (Figure 5). Elle utilise l'hydrogène du réservoir inséré et le combine à de l'oxygène pour générer de l'électricité.

Figure 5 : La pile à combustible est installée à côté du réservoir d'hydrogène et fait partie du bloc d'alimentation. (Source de l'image : Doosan Mobility Innovation)

Le bloc d'alimentation DP30 complet du drone DS30 est répertorié à 2,6 kilowatts (kW) en continu, avec une puissance de sortie de crête de 5 kW. Il pèse 12,34 kg avec le réservoir de 10,8 litres installé.

De la pile à combustible brute aux rails régulés

Bien sûr, le fait de disposer d'une seule sortie CC à pile combustible brute n'est pas suffisant. Cette tension de sortie doit être régulée pour fournir des rails CC propres et stables pour les moteurs des rotors et pour les composants électroniques.

Les ingénieurs de Doosan ont donc dû prendre une décision de conception inévitable : pour laquelle des nombreuses fonctions requises d'une conception faut-il privilégier une conception innovante et personnalisée plutôt qu'un composant standard adapté ? La réalité est que la décision la plus sensée est souvent d'apporter des innovations uniquement dans les domaines où cela fera une différence. Ici, il s'agit principalement de l'unité d'alimentation à pile à combustible. Ensuite, en utilisant si possible des composants hautes performances prêts à l'emploi, les concepteurs peuvent réduire les inconnues, les risques, les problèmes d'intégration, les retards de commercialisation et les autres « surprises » indésirables ou imprévues qui ont trait à la conception.

Pour le drone DS30, la pile à combustible présente une tension en circuit ouvert (OCV) à plage étendue et variable de 40 volts (V) à 74 V. À partir de là, le bloc d'alimentation électrique fournit deux réseaux de distribution d'énergie (PDN) principaux : un pour fournir une alimentation (48 V à 12 ampères (A)) aux huit moteurs de rotor du drone, et une sortie de 12 V, 8 A pour les cartes de contrôleur et les ventilateurs de refroidissement. Pour atteindre un rendement élevé et une haute densité d'énergie dans le réseau de distribution d'énergie, Doosan a choisi trois produits standard de Vicor Corp. (Figure 6).

Figure 6 : Le sous-système d'alimentation de la pile à combustible présente deux branches principales : une pour les rotors, et une autre pour les cartes de contrôleur et les ventilateurs de refroidissement. (Source de l'image : Vicor Corp.)

Pour les rotors, des régulateurs abaisseurs-élévateurs acceptent la sortie des deux piles à combustible à hydrogène pour fournir une sortie stable et régulée de 48 V. Deux régulateurs abaisseurs-élévateurs de 32,5 mm × 22 mm PRM48AF480T400A00 de Vicor sont configurés en parallèle pour fournir les 12 A requis par les rotors (Figure 7).

Figure 7 : Deux régulateurs abaisseurs-élévateurs PRM48AF480T400A00 en parallèle de Vicor alimentent les moteurs des rotors. (Source de l'image : Vicor Corp.)

Pour les cartes de contrôleur de pile, un régulateur de 22,0 mm × 16,5 mm à plus basse puissance PRM48AH480T200A00 de Vicor est utilisé pour fournir une sortie de 48 V à 4,17 A (Figure 8). Il est suivi d'un régulateur abaisseur à commutation au zéro de la tension (ZVS) de 48 V à 12 V, 10 mm × 10 mm PI3546-00-LGIZ (Figure 9).

Figure 8 : Le PRM48AH480T200A00 de Vicor est utilisé pour « pré-réguler » le rail CC avant le régulateur d'étage final. (Source de l'image : Vicor Corp.)

Figure 9 : Le dernier régulateur pour l'alimentation de la carte de contrôleur et des ventilateurs est le PI3546-00-LGIZ de Vicor. (Source de l'image : Vicor Corp.)

Grâce à cette sélection de régulateurs CC/CC, le système d'alimentation à pile à combustible offre un rendement de 96,6 % entre l'entrée CC et la sortie de rail, avec une perte de seulement 23,4 W. Une solution artisanale ne serait guère plus performante, prendrait plus de temps et nécessiterait une évaluation minutieuse des performances.

Conclusion

Pour qu'une innovation soit une réussite, il faut souvent des avancées de pointe, un mode de pensée non conventionnel et de la persévérance, combinés à l'utilisation de produits standard prêts à l'emploi offrant les performances requises. L'équipe de conception peut ainsi se concentrer sur le développement, le débogage et l'intégration du système tout en éliminant le plus grand nombre possible de blocs fonctionnels de la liste des problèmes.

Références et spécifications

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

2 – Bloc d'alimentation DP30 de Doosan : https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 – Réservoir à hydrogène de Doosan : https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

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