Power management systems are a key point in combined multi-power sources such as fuel cells with a battery and solar cells to increase flight endurance. In order to develop such all integrated systems using three electric power sources, the properties of each power source need to be thoroughly investigated and understood.
Firstly, the fuel cell system is composed of fuel pump, hydrogen generator, separator, ice-water container, silica-filled container and PEM stack. A hydrogen generator is fabricated to house two catalysts such as Co-P/Ni foam and $Co/Al_2O_3$. Thus, it can provide required hydrogen to the PEM stack without the initial slow response time. Moreover, a 20 wt% NaBH4 solution and a byproduct removal method not only satisfy the carry-on hydrogen storage capacity, but also reduce the feeding hydrogen temperature with reduced total system. Therefore, this fuel cell system can be operated in continuous or discontinuous mode. A latter mode, a fuel cell system is operated for 20 minutes and then stopped for 20 minutes, followed by re-operation for another 20 minutes. This way, solar cells can be utilized during the inoperational mode of fuel cell systems.
Solar cells are tested on the ground to figure out the pattern of current and voltage changes as the environment conditions, such as temperature and weather vary. To minimize the power fluctuations during the flight the maximum power point tracking is adopted. Thus, solar cells can provide relatively constant power during the mission flight.
Additionally, the design of passive and active hybrid power management between a fuel cell or solar cell system and a battery in parallel is demonstrated to supply necessary power to a high load transition without a power conversion device which leads to minimization of power losses. As a result, the battery also plays an important role in responding excessive load changes and works as a backup power source in the event of a failure of the fuel cell system.
본 연구에서는 소형 무인기 동력원으로 연료전지와 배터리 그리고 태양전지를 이용한 복합 전기추진 시스템을 만들어 임무에 필요한 전력을 공급 하였다. 전력원의 통합을 위해 solid state relay를 이용한 전력관리 시스템을 구성 하였고, 각각의 전력원을 관리함에 따라 에너지 손실을 최소화 할 수 있었다.
연료전지 시스템은 수소발생장치, 제어기, 연료전지 스택으로 구성되며, 수소발생장치에는 Co/Ni foam과 $Co/Al_2O_3$ 의 촉매를 사용하였다. 수소공급을 위해 화학적 수소화물인 20 wt% NaBH4 수용액을 사용하여 PEM stack에 필요한 수소를 공급 하였다. 수소 발생 중 만들어지는 부산물은 펌프가 부착된 분리기를 설계하여 시스템 밖으로 배출 하였다. 그 결과 연료전지 시스템운용 중 무게 감소로 인해 에너지 밀도가 증가함을 확인 하였다.
태양전지 시스템은 SunPower사에서 제공하는 C60을 이용하여 태양전지 모듈을 구성 하였으며, 태양광 전력 제어기인 Maximum Power Point Tracking(MPPT)와 리튬 폴리머 배터리를 이용하여 시스템을 구성하였다. 날씨에 따른 태양에너지의 출력 변화를 최소화하기 위해 태양광 제어기인 MPPT를 이용하여 배터리를 충전 시켰고, 배터리에서 모터에 필요한 전력을 공급 하였다.
비행은 연료전지와 배터리를 이용하여 이륙한 다음 순항 시 연료전지로 비행 그 후 태양전지로 전환하여 모터에 필요한 전력을 공급하는 방법으로 비행 테스트를 하였다, 그 결과 연료전지와 태양전지 시스템에서 모터에 필요한 전력을 충분히 공급함을 확인 하였고, solid state relay를 이용한 전력제어도 효과적이 다는 것을 증명 하였다.
또한 연료전지와 배터리를 이용한 하이브리드 시스템을 구성하여, 모터에서 높은 출력이 필요 할 경우 부족한 전력은 배터리에서 공급하게 하여, 시스템 안정성을 증가 시켰다.
