수직 이착륙 무인기용 배터리 전력 시스템 설계 및 지상 시험 평가

The Design of a Battery Power System and Its Performance Evaluation on the Ground for Vertical Takeoff and Landing Drones

본 논문은 비행시험 전 수직 이착륙 드론용 배터리 시스템 설계 및 지상 성능 평가에 대하여 다룬다. 배터리를 포함한 드론의 무게는 약 45 kg이며, 4개의 모터를 이용하여 추력을 발생 시키고 방향도 전환할 수 있는 드론이다. 30분 동안 비행임무에 필요한 전력을 시뮬레이션 하였고 그 결과 총 2.4 kWh의 전력이 필요하였다. 전압 운영 범위는 54 V ~ 44 V이며 13셀로 구성된 두 개의 배터리팩을 (4 C-rate) 제작하였다. 그리고 배터리 관리시스템을 장착하여 과전압, 저전압 및 과전류를 방지할 수 있는 기능을 추가하여 무인기 운용 안전성을 높였다. 최종적인 배터리 성능 검증을 위해 -10 ℃, 25 ℃, 40 ℃에서 시뮬레이션 방전 시험을 수행하여 비행 임무를 위한 필요 전력이 충족됨을 확인 하였다.

This research shows how is designed, and its performance is evaluated on the ground for the VTOL drone before the flight test initiates. The targeted drone weight is approximately 45 kg including battery packs, and 4 motors are utilized to produce thrust and control directions. 30 min flight schedules were simulated to estimate the total power consumptions which result in 2.4 kWh. Then, two packs of 13-cells lithium-polymer battery with operating voltage ranging between 54 V and 44 V with up to 4 C-rate were fabricated to safely operate a VTOL drone. Moreover, the battery management system was installed to prevent over and under-voltage and over-current while running a battery system. To finally verify battery's performance, we conducted a ground evaluation for discharging battery tests at -10 ℃, 25 ℃ and 40 ℃, resulting in satisfying simulated power consumption conditions for flight schedules.