The target mid-class UAV system used in this study consists of three types of power sources operating simultaneously. The different power sources, i.e. solar cells, fuel cells, and batteries, are considered. The power from the three different sources can be supplied to the propulsion system using a passive method or an active method. Under a passive method, power output from each source is manually determined depending on the characteristics of the power source. In contrast, an active method has full authority to control the power sources through a power converter. As a result, the efficiency of power usage and the safety of the power system are not as optimized under a passive method as they can be under an active method. Furthermore, hybrid power source performance may be unnecessarily limited by one of those three components. However, there are benefits to using a passive method. As the passive method does not require any power converters or controllers, it is simple and light. In addition, it can avoid the collateral power loss associated with power conversion. Therefore, the passive method is more widely used in small UAVs, while the active method is usually used in land-based Hybrid Electric Vehicles (HEVs) that emphasize power efficiency and are less concerned with weight reduction than aircraft.
This study investigates changes in the output characteristics of each power source due to the passive and active power management strategies of a solar cell/fuel cell/battery hybrid system connected in parallel.
The power sources are designed and constructed to share the same operation voltage range and connect to the power bus without the need for additional converters or controllers for the passive method. The flight test of the target UAV system was conducted for 22.13 hours after the take-off at 20:53. From analysis by the test results, the power management logic designed and suggested. In addition, Each power source is modeled in MATLAB/Simulink, and the power simulation to validate power management logic was conducted and validated against the flight test results proving that the dynamic behavior of each power source can be properly predicted.
A Power Management System (PMS) that controls the power sources is developed for the active method. In contrast with the passive system, which connects the power sources directly to the bus, active management connects the power sources through the PMS, which controls each source individually. The power output of each source is controlled in terms of the terminal voltage, which should be maintained separately from the bus voltage. Therefore, DC-DC buck boost converters are installed for the solar cells and fuel cell, respectively. The active power management logic employed by this study keeps each power source within optimal operating limits. At the same time, it actively assigns power to each source in order to reserve a certain level of battery power for emergencies.
Through ground integrated tests using the PMS, this study verifies the conceptual feasibility of the active power management system for UAVs. The capability of power build-up with various power source combinations under active management was verified through the load variation and power source failure simulations. The verification of the solar cell and fuel cell operations under passive management was conducted through the MPPT module failure simulation and processor board failure simulation.
The findings from the verification tests are as follows: the solar cell properly operates under the proposed active management. On one hand, for the hybrid electric system, the active management delivers a higher system level efficiency than the passive management as it accounts for the characteristics of each source. On the other hand, the solar cell under passive management can be as efficient as under active management when it operates within nominal voltage bounds of the battery.
The fuel cell also properly operates under the proposed active management. It can deliver its normal operation outputs that the active management demands. Although the employed fuel cell yields periodic purge and short every 5 seconds, the battery, which regulates the system voltage, successfully compensates the fluctuation of the fuel cell output. For the simulated failures, the transition between active and passive managements occurs promptly, resulting in a seamless power supply.
In summary, the proposed power management yields more efficient use of power by the active management, and provides a more reliable system against the potential risk of failure of power control devices.
연구에서 대상으로 삼은 중형 전기동력 무인기는 태양전지, 연료전지, 배터리를 동시에 주 전력원으로 사용한다. 이와 같이 성능특성이 다양한 전력원을 조합하여 비행에 필요한 추진요구전력을 공급하기 위한 방식으로는 패시브 방식과 액티브 방식으로 나눌 수 있다. 패시브 방식에서 각 전력원의 출력은 시스템의 특성에 따라 수동적으로 결정되는 방식이다. 이에 비해 액티브 방식은 각 전력원의 출력을 제어전략에 따라 전력변환기를 통해 능동적으로 관리하는 방식이다. 따라서 각 전력원은 운용요구조건에 부합되면서 효율적으로 사용될 수 있는 이점이 있다. 패시브 방식은 각 전력원의 출력을 제어할 전력변환기나 전력제어기가 필요하지 않으므로 경량화 측면에서 유리하며 전력 변환에 의해 부수적으로 발생하는 전력손실을 피할 수 있는 이점이 있어 소형 무인기에 일반적으로 사용되고 있다. 이에 비해 경량화에 대한 요구가 항공기보다 낮은 전기자동차(HEV)의 경우는 효율 향상을 위하여 적극적인 전력제어를 수행하므로 대부분 액티브 전력제어 방식을 적용하고 있다. 본 연구에서는 태양전지/연료전지/배터리 병렬 하이브리드 시스템에서 패시브와 액티브 제어전략에 따른 각 전력원별 출력특성을 알아보고자 한다.
세 가지 전력원을 별도의 전력변환기나 제어기 없이 전원버스에 직접 연결하기 위해 각 전력원의 주 전압범위는 일치되도록 제작 및 선정하였다. 전기동력 무인기의 비행시험은 20.53시 에 이륙하여 22.23시간동안 수행되었다. 시험결과 분석을 통해 전력제어로직이 설계되었다. 추가적으로 각 전력원은 Matlab/Simulink를 이용하여 각 전력원의 모델링을 수행하였으며 시뮬레이션을 통하여 전 비행영역에서 각 전력원 별 운전특성 및 통합 시스템의 구성이 적합함을 확인하였고, 엑티브 전력제어 시뮬레이션을 통해 패시브 방식에 비해 전력의 효율적 분배 및 시스템의 안전성 확보가 가능함을 알 수 있었다.
전력제어장치(PMS)는 각 전력원을 액티브 방식으로 제어하기 위해 개발되었다. 각 전력원의 출력이 직접 버스로 연결되는 패시브 방식과 달리, 추가된 PMS 를 통하여 전력원들이 전력 버스와 연결되므로, PMS가 각 전력원의 출력을 제어 할 수 있도록 되어있다. 각 전력원들의 출력은 출력단의 전압에 의해서 제어되는데, 전력제어를 위하여 전력원의 출력단 전압은 버스 전압과 별개로 제어되어야 하므로 태양전지와 연료전지용으로 DC-DC buck boost converter가 사용되었다.
전력제어장치를 사용한 지상통합시험을 통해 무인기용 액티브 전력제어의 개념을 실증하였다. 이를 위해 부하변동에 따른 액티브 방식 전력제어 확인시험, 전력원별 고장모사에 의한 액티브 방식 전력제어 확인시험, 태양전지용 MPPT 모듈 보드와 프로세서보드 고장모사에 의한 패시브 방식 전력제어 확인시험을 연속적으로 진행되었다. 이를 통해 여러 전력원을 사용하는 하이브리드 시스템에서는 각 전력원의 특징을 고려한 액티브 방식에 의해 전체 시스템의 효율이 패시브 방식에 비해 높아짐을 확인할 수 있었다. 그러나 태양전지는 배터리의 nominal 전압범위에서 패시브 방식으로도 액티브 방식 못지 않는 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 연료전지는 액티브 방식에 의해 저 출력 및 고 출력 영역에서 운전됨을 확인하였다. 해당 연료전지는 자체 특성상 5초간격으로 퍼지와 쇼트가 반복적으로 발생하게 되는데, 패시브 방식에 의한 연료전지의 출력변동은 전압 안정화 역할을 하는 배터리에 의해 보상됨을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 각 전력원별 출력은 고장모사가 발생할 경우 액티브 방식에서 즉각적으로 패시브 방식으로 (또는 패시브 방식에서 액티브 방식으로) 전환되어 추진요구전력을 원활히 공급함을 확인하였다. 이를 통해 전력제어방식은 액티브 방식에 의해 전력의 효율적인 사용측면에서 이점이 있으며, 전력제어장치를 탑재함에 따른 잠재적인 위험성에 대비할 수 있음을 확인할 수 있었다.
