L'innovativa cella a combustibile e i moduli c.c. standard concorrono alla realizzazione di un drone compatto e dalla lunga autonomia

Quando si pensa ai droni, è probabile che la prima cosa che viene in mente sia l'utilizzo di batterie al litio con la migliore densità di potenza possibile, valutata in base al peso e al volume. In genere si dà per scontato che i piccoli droni siano alimentabili esclusivamente con batterie a base chimica. Questa convinzione è smentita da un piccolo drone della sudcoreana Doosan Mobility Innovation (DMI), alimentato da un serbatoio pressurizzato di idrogeno che alimenta una cella a combustibile (Figura 1).

Figura 1: Questo drone compatto di Doosan Mobility Innovation è alimentato da energia derivata dall'idrogeno invece che da una batteria convenzionale. (Immagine per gentile concessione di Doosan Mobility Innovation)

Questo drone non è un "concept" di ricerca personalizzato né un'unità sperimentale avanzata. DS30 di Doosan è un drone in commercio e già usato per progetti come l'ispezione di enormi installazioni di pannelli solari o specchi d'acqua come laghi e fiumi e per la consegna di forniture medicali tra cui defibrillatori esterni automatici (AED) in località remote.

Questo ottocottero (drone a otto rotori) compatto misura poco meno di 2×2 metri per 750 mm di altezza e pesa 21 kg con il suo serbatoio da 10,8 litri (Figura 2). Per il trasporto, può essere ripiegato in una custodia di meno di un metro per lato.

Figura 2: DS30 è un drone a otto rotori di circa due metri quadrati che si ripiega in una configurazione quadrata di un metro. (Immagine per gentile concessione di Doosan Mobility Innovation)

I dati dell'azienda mostrano che, data la densità di energia favorevole dell'idrogeno - circa quattro o cinque volte superiore a quella di una batteria al litio - e grazie alla cella a combustibile associata, il drone ha un tempo di volo di circa 120 minuti con un carico utile di 5 kg (massimo) e può percorrere fino a 80 chilometri. Come per le batterie, il rifornimento è semplice: quando il leggero serbatoio in fibra di carbonio è vuoto (Figura 3), viene sostituito in pochi minuti con un altro pieno, riducendo al minimo il tempo a terra. Il serbatoio ha una lunghezza di appena 435 mm e un diametro di 225 mm ed è pressurizzato a 350 bar.

Figura 3: Il serbatoio di idrogeno da 10,8 litri è realizzato in leggera fibra di carbonio e ha una pressione di 350 bar. (Immagine per gentile concessione di Doosan Mobility Innovation)

Celle a combustibile migliorate

Le specifiche di base raccontano solo una parte della storia, in quanto il punto di partenza per le prestazioni complessive di questo progetto innovativo è la cella a combustibile (Figura 4). Sebbene la tecnologia delle celle a combustibile sia usata da decenni e sia stata impiegata anche nella missione lunare dell'Apollo, Doosan ha ideato una cella più efficiente e leggera utilizzando un design e materiali proprietari.

Figura 4: Il principio della cella a combustibile è semplice, ma i recenti progressi nei dettagli della configurazione e nei materiali hanno migliorato l'efficienza e ridotto il peso. (Immagine per gentile concessione di Doosan Mobility Innovation)

La cella a combustibile occupa una piccola porzione del gruppo di alimentazione complessivo (Figura 5): preleva l'idrogeno dal serbatoio e lo combina con l'ossigeno per generare elettricità.

Figura 5: La cella a combustibile si trova accanto al serbatoio di idrogeno come parte del gruppo di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Doosan Mobility Innovation)

Il gruppo di alimentazione DP30 completo del drone DS30 ha una capacità nominale di 2,6 kilowatt continui (con una potenza di picco di 5 kW). Pesa 12,34 kg con il serbatoio da 10,8 litri installato.

Dalla cella a combustibile basica a rail regolati

Chiaramente l'uscita c.c. della cella a combustibile basica da sola non basta. Quella tensione di uscita deve essere regolata per fornire rail c.c. puliti e stabili per i motori dei rotori e per l'elettronica.

E qui gli ingegneri Doosan si sono trovati di fronte a una decisione classica: per quale delle molte funzioni richieste di un progetto scegliere un design innovativo e personalizzato invece di un componente standard idoneo? La realtà è che spesso è preferibile innovare solo in quelle aree in cui questo farà la differenza. In questo caso, si tratta principalmente dell'unità di potenza della cella a combustibile. Usando, quando possibile, componenti di serie ad alte prestazioni, i progettisti possono ridurre al minimo le incognite di progettazione, il rischio, i problemi di integrazione, i ritardi della commercializzazione e altre "sorprese" indesiderate o impreviste.

Nel caso del drone DS30, la cella a combustibile ha una tensione a circuito aperto (OCV) ampia e variabile da 40 a 74 V. Da qui, il gruppo di alimentazione elettrica fornisce due reti di distribuzione dell'energia elettrica principale (PDN): una per erogare energia (48 V a 12 A) agli otto motori dei rotori del drone, più un'uscita a 12 V, 8 A alle schede di controllo e alle ventole di raffreddamento. Per ottenere un'alta efficienza e un'alta densità di energia nel PDN, Doosan ha scelto tre prodotti standard di Vicor Corp. (Figura 6):

Figura 6: Il sottosistema di alimentazione dalla cella a combustibile ha due diramazioni principali: una per i rotori e una per le schede di controllo e le ventole di raffreddamento. (Immagine per gentile concessione di Vicor Corp.)

Per i rotori, i regolatori buck/boost accettano l'uscita dai due gruppi di celle a combustibile alimentate a idrogeno per fornire un'uscita stabile e regolata a 48 V. Due regolatori buck/boost di 32,5×22 mm PRM48AF480T400A00 di Vicor sono configurati in parallelo per fornire i 12 A richiesti dai rotori (Figura 7).

Figura 7: Due regolatori buck/boost PRM48AF480T400A00 di Vicor in parallelo alimentano i motori dei rotori. (Immagine per gentile concessione di Vicor Corp.)

Per le schede di controllo viene usato un regolatore a bassa potenza di 22,0×16,5 mm PRM48AH480T200A00 di Vicor per fornire un'uscita regolata di 48 V a 4,17 A (Figura 8). Questo è seguito da un regolatore buck PI3546-00-LGIZ di 10×10 mm, da 48 a 12 V con commutazione a tensione zero (ZVS) (Figura 9).

Figura 8: Un regolatore PRM48AH480T200A00 di Vicor è usato per "pre-regolare" il rail c.c. prima del regolatore dello stadio finale. (Immagine per gentile concessione di Vicor Corp.)

Figura 9: Il regolatore finale della potenza alla scheda di controllo e le ventole è PI3546-00-LGIZ di Vicor. (Immagine per gentile concessione di Vicor Corp.)

A seguito di queste scelte del regolatore c.c./c.c., il sistema di alimentazione della cella a combustibile offre un'efficienza del 96,6% dall'ingresso c.c. all'uscita del rail, con una perdita di soli 23,4 W. Una soluzione fai-da-te difficilmente potrebbe fare meglio. Inoltre, richiederebbe più tempo e una valutazione attenta delle prestazioni.

Conclusione

Perché l'innovazione di un prodotto abbia successo, spesso è richiesta una combinazione di progressi all'avanguardia, pensiero fuori dagli schemi e perseveranza, il tutto combinato con l'uso di prodotti standard di serie quando offrono le prestazioni richieste. In questo modo, il team di progettazione può concentrarsi sullo sviluppo del sistema, sul debug e sui problemi di integrazione, rimuovendo il maggior numero possibile di blocchi funzionali dall'elenco delle preoccupazioni.

Riferimenti e specifiche

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

2 - Gruppo di alimentazione DP30 di Doosan: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

3 - Serbatoio di idrogeno di Doosan: https://www.doosanmobility.com/en/products/hydrogen-tank/

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