In this paper, a novel conceptual design method of Battery-FC hybrid propulsion multirotor UAM was proposed. The proposed design method largely follows the process of "Design step – Design selection step". In the design step, each UAM is designed with varying hybridization ratio ranging from 0 to 1. The first half of the design step aims to calculate the power required for flight, and in the latter half, various elements are designed based on the calculated power and according to the hybridization ratio. In the design selection step, the design that does not pass discard criteria is discarded, and the most cost-effective design among the remaining designs is selected as the final design. A case study was conducted to identify the utility of the proposed design method and to verify the influence of each design variable. As a result of comparing the UAM designed according to the proposed method with published specifications of representative commercial UAM, there was a deviation of about 5%. The optimal hybrid ratio was when the fuel cell output power equal to the power for cruising flight and the battery supplement additional power for ascending and descending. This configuration could significantly reduce the take-off weight of the UAM, which led to a significant reduction in LCC. Hybrid configuration could flight much farther than battery-only and reduce LCC by about 1/3 of FC-only. 11C-rate discard condition satisfied both the safety and economic aspects of the battery. Each time the number of passengers was increased by one, the LCC increased by 15%, but the LCC burden per passenger decreased. As time goes by, LCC decreased according to changes in energy prices. A further research can be conducted with a conceptual design method for Regional Air Mobility (RAM) or other types of UAM, such as Lift & Cruise and Tiltrotor.
본 논문에서 배터리 연료전지 하이브리드 추진 멀티로터 UAM 도심 항공 모빌리티 의 개념설계 방법이 새로이 제안되었다 . 제안된 설계 방법은 크게 디자인 과정 디자인 선택 과정 ”의 단계를 따른다 . 디자인 과정 에서는 0 에서 1 범위를 가지는 하이브리드 비율 에 대해 각각의 하이브리드 비율이 적용된 UAM 을 설계한다 . 디자인 과정 전반부는 비행에 요구되는 파워 의 계산을 목표로 하며 , 후반부에서 계산된 파워 를 바탕으로 하이브리드 비율 에 따라 연료전지와 배터리를 포함한 여러 요소들을 설계한다 . 디자인 선택 과정 에서는 디자인 과정 에서 설계된 여러 UAM 중 설계 기 준을 만족시키지 못하는 설계를 폐기하고 , 남은 설계 중 가장 비용 효과적인 설계를 최종 설계로 선택한다 . 설계 폐기 과정에서 배터리 시뮬레이션을 포함한 추가적인 절차가 수행되며 , 비용 분석 을 위해서는 생애 전 주기 비용 분석 이 이루어진다 . 이후 제안된 설계 방법의 효용성을 확인하 고 각 설계 변수의 영향을 확인하기 위해 사례 연구 가 수행되었다 . 논문에서 제안된 방법대로 설 계된 UAM 을 대표적인 시중 UAM 의 사양과 비교한 결과 , 공표된 데이터 와 5% 내외의 편차를 보 이는 것을 확인하였다 . 최적 하이브리드 비율은 연료전지 파워 가 전진 비행에 요구되는 파워 와 동일하고 상승 및 하강 비행에 추가적으로 요구되는 파워를 배터리가 보완할 때였다 이때 비에 너지 와 비출력 측면에서 연료전지와 배터리의 장점을 각각 살려 UAM 이륙 중량을 대폭 낮출 수 있었으며 , 이는 생애 전 주기 비용 의 상당한 감소로 이어졌다 . 하이브리드 구성은 배터리 단독 추진보다 장거리 비행이 가능했으며, 연료전지 단독 추진보다 생애 전 주기 비용을 1/3 가까이 줄일 수 있었다. 방전율 폐기 조건은 ‘11 방전율’이 배터리 안전 및 경제성 측면을 모두 만족시켰다. 탑승 인원을 1명 늘릴 때 마다 생애 전 주기 비용이 15% 더 늘어났으나, 승객 당 생애 전 주기 비용 부담은 감소하였다. 에너지 측면에서는 대부분의 설계에서 액체수소보다 기체수소가 유리했으며, 시간이 흐를수록 에너지 가격 변동에 따라 생애 전 주기 비용이 감소했는데 하이브리드 비율이 낮을수록 감소 폭이 더 컸다. 본 논문에서 제안된 설계 방법은 멀티로터 형태의 UAM에 국한된다. 그러나 운행에 필요한 파워 계산 등 몇몇 과정을 수정하는 것으로, 다른 형태의 이동 수단에 대한 설계에도 적용 가능하다. 향후 다른 형태의 UAM이나 Regional Air Mobility (RAM)에 대한 개념설계 연구가 수행될 수 있다.
