수소연료전지 드론(UAV) 고분자전해질(PEMFC) 막전극접합체(MEA) & 1,000Hz 0-Alloc C# 3시간 장기체공 전력 관리 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.HydrogenMobility;

/// 

/// 수소연료전지 드론 전력 관리 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct FuelCellDroneState
{
    public readonly double StackPowerWatts;       // 스택 출력 전력 (W)
    public readonly double BatteryPowerWatts;     // 배터리 보조 출력 (W)
    public readonly double TotalFlightPowerWatts; // 드론 총 비행 소모 전력 (W)
    public readonly double StackEfficiency;       // 스택 발전 효율 (LHV 기준)
    public readonly double HydrogenConsumptionGS; // 수소 소모율 (g/s)
    public readonly double RemainingEnduranceMin; // 잔여 비행 가능 시간 (분)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public FuelCellDroneState(
        double stackPowerWatts,
        double batteryPowerWatts,
        double totalFlightPowerWatts,
        double stackEfficiency,
        double hydrogenConsumptionGS,
        double remainingEnduranceMin)
    {
        StackPowerWatts = stackPowerWatts;
        BatteryPowerWatts = batteryPowerWatts;
        TotalFlightPowerWatts = totalFlightPowerWatts;
        StackEfficiency = stackEfficiency;
        HydrogenConsumptionGS = hydrogenConsumptionGS;
        RemainingEnduranceMin = remainingEnduranceMin;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# 수소 드론 PEMFC 하이브리드 전력 관리 시뮬레이터
/// 
public static class DroneFuelCellEngine
{
    private const double FaradayConst = 96485.33;
    private const int CellCount = 48;                 // 48셀 직렬 스택
    private const double MaxStackPowerWatts = 1800.0; // 최대 1.8 kW
    private const double MaxBatteryPowerWatts = 800.0;// 버퍼 배터리 피크 보조 (800W)
    private const double DroneMassKg = 9.5;           // 드론 총중량 (kg)

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 비행 기동에 따른 하이브리드 전력 분배 연산 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static FuelCellDroneState StepPowerManagement(
        double demandedThrustN,
        double remainingHydrogenGrams,
        double dtSec = 0.001)
    {
        // 1. 공기역학적 소모 전력 계산: P_aero = T^1.5 / (sqrt(2*rho*A) * eta)
        double rhoAir = 1.225;
        double diskArea = 0.45; // m^2 (4 로터 유효 면적)
        double propEff = 0.72;
        double denom = Math.Sqrt(2.0 * rhoAir * diskArea) * propEff;
        double flightPower = (Math.Pow(demandedThrustN, 1.5) / denom) + 85.0; // 85W 항법 장비

        // 2. 하이브리드 전력 분배: 스택은 최고 효율점(1.2kW) 위주 완만 추종, 급가속은 배터리 충당
        double targetStackPower = Math.Clamp(flightPower, 200.0, MaxStackPowerWatts);
        double stackPower = targetStackPower;
        double batteryPower = Math.Max(flightPower - stackPower, 0.0);

        if (batteryPower > MaxBatteryPowerWatts)
        {
            batteryPower = MaxBatteryPowerWatts;
        }

        // 3. 단일 셀 분극 전압 근사
        double currentAmps = stackPower / (CellCount * 0.72); // 공칭 0.72V 가정
        double cellVoltage = 0.98 - 0.06 * Math.Log(Math.Max(currentAmps, 0.1)) - 0.008 * currentAmps;
        double stackEff = Math.Clamp(cellVoltage / 1.253, 0.40, 0.65); // LHV 1.253V

        // 4. 수소 소모율 (g/s): m_dot = (I * N_cell * M_H2) / (2 * F)
        double h2MolarMass = 2.016; // g/mol
        double h2FlowRateGS = (currentAmps * CellCount * h2MolarMass) / (2.0 * FaradayConst);

        // 5. 잔여 체공 시간 계산 (분)
        double enduranceMin = h2FlowRateGS > 0.0 ? (remainingHydrogenGrams / h2FlowRateGS) / 60.0 : 0.0;

        return new FuelCellDroneState(
            stackPower,
            batteryPower,
            flightPower,
            stackEff,
            h2FlowRateGS,
            enduranceMin);
    }
}