[칼럼] 드론의 비행시간은 왜 짧아야만 하나?

드론에서의 효율적 에너지 관리와 모터 제어 방안은?

현재 상업화된 드론의 대부분이 10분내외의 비행시간에 그치고 있다. 장기간 비행 가능한 드론의 경우에도 30분 정도에 그친다. 그 10~30분을 날기 위해서 또한 90분 이상의 충전시간이 필요하다. 이러한 배터리 문제가 드론의 시장 확장을 가로막는 가장 큰 장애물이 아닐 수 없다. 겨우, 오락용 장난감으로 드론을 평가절하하게 만드는 요인이다.

이에 많은 업체들은 새로운 장시간 운용 가능한 배터리 개발에 나서고 있다. 또, 반도체 업체들은 최적화된 배터리 관리와 모터 제어 방안을 통해 배터리 사용시간을 늘리고자 노력중이다.

지난 2015년 무인항공기 드론은 약 300만대가 주로 소비재를 중심으로 판매되었다. 오는 2020년이면 1천만대의 드론이 판매될 전망이다. 그것도 상용 부문의 비중이 주요 시장으로 성장할 것이다. 그러나 현재와 같은 기술에서는 쉽지 않을 전망이다.

IHS 마킷의 최근 조사에 따르면, 시중에 나와 있는 드론의 약 50%는 배터리 수명이 30분 미만이며, 35%는 31~60분 간 비행할 수 있고, 나머지 15% 이하만 1시간 이상 비행할 수 있는 것으로 나타났다.

IHS 마킷(IHS Markit)의 데이터 전송 및 관리 서비스 부문 수석 분석가 스텔리오스 코타키스(Stelios Kotakis)는 “비행 시간은 드론의 최우선적인 설계 과제다. 취미용 쿼드콥터와 전문가용 드론뿐 아니라, 특히 눈에 보이는 가시선 밖의 운행을 위해 기업에서 사용되는 드론의 경우 비행시간은 더욱 중요하다. 택배 회사는 배터리 수명이 향상된 드론을 원하며, 드론이 얼마나 먼 거리를 비행할 수 있는지 알아보기 위해 드론을 이용한 물품 배송을 시험적으로 운영하고 있다.”고 말했다.

MIT, 충전식 리튬 금속 배터리 상용화 준비

MIT는 리튬 이온 배터리의 에너지 용량을 두 배로 늘리는 새로운 충전식 리튬 금속 배터리를 상용화하기 위해 준비 중인 것으로 나타났다. MIT 졸업생을 중심으로 2012년 설립된 SolidEnergy Systems는 여러가지 재료의 발전으로 ”양극이없는” 리튬 금속 배터리를 개발하여 에너지 밀도가 두 배로 향상되고, 안전하기 까지 하다고 밝혔다. 전기 자동차, 웨어러블, 드론 및 기타 장치에 사용되는 리튬 이온 배터리의 2배 성능을 제공한다는 것.

SolidEnergy의 CEO 인 후(Hu)는 ”에너지 밀도가 2 배이면 배터리를 절반 크기로 만들 수 있지만 리튬 이온 배터리와 같은 시간 동안 지속됩니다. 또는 배터리를 리튬 이온 배터리와 동일한 크기로 만들 수 있지만, 이제는 수명이 두 배나 길어질 것입니다.”라고 말했다. 후 CEO는 MIT에서 배터리를 공동 발명했다.

개발한 배터리는 본질적으로 배터리 애노드 재료인 흑연을 매우 얇고 고에너지의 리튬 금속 호일로 바꾸어 더 많은 이온을 담을 수 있어 더 많은 에너지 용량을 제공한다. 전해액을 화학적으로 변형시키면 일반적으로 수명이 짧고 휘발성이 큰 리튬 금속 배터리를 충전식으로 사용할 수 있으며 안전하다. 또한 배터리는 기존의 리튬 이온 제조 장비를 사용하여 제작되므로 확장이 가능하다는 장점을 제공한다.

2015 년 10 월 SolidEnergy는 이중 에너지 밀도의 충전식 리튬 금속 스마트 폰 배터리의 최초 프로토 타입을 시연하여 투자자로부터 1,200 만 달러 이상을 투자받았다. iPhone6에 사용된 리튬 이온 배터리의 절반 크기로 리튬 이온 배터리의 1.8Ahp와 비교하여 2.0Ah 시간을 제공한다. SolidEnergy는 배터리를 2017년초에 스마트 폰과 웨어러블에, 2018년에는 전기 자동차에 적용할 계획이다. 또한, 계획대로라면 이미 2016년말에는 무인 항공기 드론에 장착됐다. ”개발 도상국에 무료 인터넷을 제공하고 재해 구호를 위해 조사하기 위해 여러 고객이 무인 항공기와 풍선을 사용하고 있습니다.”고 밝힌 휴 CEO는 이것이 ”매우 흥미롭고 고귀한 응용 프로그램”이라고 밝혔다.

휴 CEO는 ”이 새로운 배터리를 전기 자동차에 넣으면 큰 사회적 영향을 줄 수 있다”고 밝히고, ”업계 표준은 전기 자동차가 단 한번의 충전으로 적어도 200 마일을 가야한다는 것입니다. 우리는 배터리를 절반 크기와 절반 무게로 만들 수 있고, 같은 거리를 여행하거나 같은 크기와 무게로 만들 수 있습니다. 이제는 한 번 충전하면 400 마일을 달릴 수 있습니다.”라고 강조했다.

TI, 쿼드콥터와 산업용 드론의 비행 시간 및 배터리 수명을 연장하는 기술 발표

TI는 물품 배송, 감시 또는 장거리 통신 및 지원 등에 활용되고 있는 쿼드콥터와 소비자/산업용 드론의 비행 시간을 늘리고 배터리 수명을 연장하는 2개의 회로 기반의 서브시스템 레퍼런스 디자인을 출시한다고 발표했다.

TI의 2S1P 배터리 관리 시스템(BMS) 레퍼런스 디자인은 드론의 배터리팩을 첨단의 진단 블랙박스 레코더로 변형시켜, 리튬이온(Li-Ion) 배터리 잔량을 정확히 모니터링하고 배터리를 보호한다. 드론 BMS 레퍼런스 디자인을 이용하면 개발자는 기존의 모든 드론 설계에 게이징, 보호, 밸런싱, 충전 기능을 추가하고 비행시간을 늘릴 수 있다. 이 레퍼런스 디자인은 bq4050 멀티셀 리튬이온 연료 게이지를 이용해 배터리 잔량을 정확히 측정한다. 또 bq24500 배터리 충전 컨트롤러 및 고효율 DC/DC 컨버터가 탑재되어 높은 전력 변환 효율을 제공한다.

비행 시간을 늘리는데 또 하나의 걸림돌은 드론에 사용되는 프로펠러의 비효율적인 회전에 있었다. 드론 전자변속기(ESC)를 위한 TI의 새로운 레퍼런스 디자인은 제조업체가 더 오래 비행하면서 매끄럽고 안정적으로 동작할 수 있는 드론을 제작할 수 있도록 한다. 드론 전자 변속기를 위한 센서리스 고속 FOC(Field Oriented Control) 레퍼런스 디자인은 전자 변속기에서 12,000rpm 이상(전기적 1.2kHz 이상)의 속도를 제공해 최고 효율을 구현할 수 있다. 또한 고속으로 역회전이 가능해 보다 안정적인 회전 운동을 제공한다.

이 레퍼런스 디자인은 정밀한 모터 제어를 위한 F28027F 마이크로컨트롤러 및 회전자 자속, 각도, 속도, 토크를 측정하는 FAST™ 필드 옵저버 소프트웨어 알고리듬을 포함한 InstaSPIN-FOC™ C2000™ 솔루션을 제공한다. 또한 모터의 파라미터 정보를 이용해 전류 제어 대역폭을 튜닝할 수 있다. 다른 기법과 달리 FAST 센서리스 옵저버 알고리듬은 완벽한 셀프 튜닝을 수행하므로 적절한 동작과 프로펠러 제어를 위해 추가적인 조정이 필요없다. 또한 드론의 리튬 폴리머(LiPo) 배터리를 효율적으로 관리하기 위해 설계되었고, 매우 낮은 대기 전류를 갖는 60V LMR16006 SIMPLE SWITCHER® DC/DC 컨버터를 포함하고 있다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr