Power conditioning system in hybrid fuel cell vehicles can be used to store energy generated at one operating load and then supplement the propulsion requirements at a different load condition. Key features of power conditioning system are 1) high-power dc to dc 2) bidirectional power flow 3) guaranteed safety & reliance 4) simple structure and high power density. Prior research of power conditioning system has been preceded but they have complex structure.
To solve this problem, 4kW power conditioning system has been proposed. Proposed power conditioning system has simple structure and simple control strategy. By adopting the simple structure and simple control strategy, power conditioning system of fuel cell hybrid vehicle effectively works. And it is implemented by widely used commercial controllers. The operational principle of proposed power conditioning system is presented and verified experimentally by the 4kW prototype.
화석 연료는 지구상에서 매장지역의 편중이 심하고 매장량이 한정되어 있어 가격과 공급 면에서 항상 불안정한 요소를 지니고 있다. 뿐만 아니라, 화석연료의 배기가스로 인한 환경 오염의 문제가 날로 심각해짐에 따라 21세기에 접어들면서 대체 에너지원에 대한 관심이 증가되고 있다. 이에 따라 자동차 업계 역시 환경 오염에 대한 규제 및 에너지 고갈에 따른 문제를 해결하기 위하여 친환경 적이며 미래 지향적인 고효율의 자동차 기술 개발에 많은 노력을 가하고 있다. 그 중 연료전지 자동차는 가장 주목 받고 있는 기술로서 상용화를 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
연료전지는 에너지 캐리어인 수소의 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 연료전지는 에너지 밀도 및 에너지 이용효율이 높으며 수소를 연료로 사용하므로 친환경적이라는 장점이 있으나 변이구간 반응이 느리며 가격이 비싸다는 단점이 있다. 따라서 연료전지를 자동차에 적용시키기 위하여 최근에는 연료전지 외에 다른 에너지 저장장치로서 배터리를 이용한 하이브리드 시스템을 이용한 자동차 시스템에 대한 연구가 많이 진행 중에 있다. 이러한 연료전지 하이브리드 자동차에서는 연료전지 및 배터리에서 발생하는 전력을 전력변환시스템을 통하여 모터를 통해 자동차를 구동하게 된다. 따라서 실제적으로 자동차 구동의 핵심적인 역할을 맡게 되는 전력관리 시스템(Power conditioning system)에 대한 연구가 필수 불가결한 요소가 되었다. 전력관리 시스템은 실제 자동차 구동 하게 되는 전력을 담당하게 되는 부분으로 보장된 신뢰성과 안전성, 간단한 구조, 에너지 이용 효율을 높이기 위한 유연한 전력 제어 등이 요구되어왔다. 기존의 연구에서는 여러 구조의 DC/DC 컨버터 및 DSP, MICOM등을 이용한 제어전략 등이 제안되어왔으나 이는 보장되지 않은 신뢰도 및 복잡한 구조를 가지고 있는 단점 등을 가져 왔다.
따라서 본 논문에서는 연료전지 자동차에서 사용되는 전력관리 시스템의 요구조건을 조사하고 이를 토대로 간단한 구조를 가지면서도 효율적으로 자동차의 전력을 관리하는 전력관리 시스템을 제안하였다. 연료전지는 변이구간 반응속도가 느려 공급하는 전력을 수시적으로 변화시킬 경우 원하지 않은 동작을 얻어 일부분이 소손 되는 현상 등이 발견되어왔다. 이를 보완하기 위하여 제안하는 전력관리 시스템은 연료전지를 효율적인 동작영역에서 일정한 전력을 공급하는 방식으로 동작하도록 제어하여 연료전지의 수명을 증가하도록 하였으며 자동차의 안정적인 운전동작을 하도록 하였다. 또한 평상시 연료전지의 에너지를 통하여 배터리를 충전하도록 하여 연료전지 자동차의 에너지 이용효율을 높일 수 있었다. 배터리 역시 기준 정격 전류 이상의 전류를 방전할 경우 배터리의 수명이 감소 되는 원인이 될 수 있다. 따라서 전류 한계 제어를 통하여 배터리의 방전전류를 제한 함으로 배터리의 운영 수명 역시 증가 시킬 수 있었다. 또한 제안하는 전력관리 시스템은 Boost 컨버터 및 두 개의 상용화된 아날로그 제어기를 사용하여 구성함으로써 간단한 구조를 가지면서도 연료전지, 배터리, 모터간의 전력 흐름을 유연하게 제어하여 자동차의 운전 상태에 따라 자동적으로 전력의 이동이 이루어 지도록 하였다.
제안된 전력관리 시스템의 동작과 특징을 검증하기 위해서 4kW 전력관리 시스템을 제작하여 실험 하여 보았다. 전기부하를 통하여 기본 동작을 확인하고 4kW 골프 하이브리드 연료전지 자동차에 전력관리 시스템을 적용시켜 자동차의 전체적인 동작을 수행하여 전체적으로 전력관리시스템의 동작을 검증하였다. 이를 통하여 자동차의 안정적인 동작 및 개선효과를 검증하였다.
결론적으로, 제안된 전력관리 시스템은 예상했던 효과를 모두 검증하고 확인 할 수 있었다. 제안된 시스템은 간단한 구조, 간단한 제어기를 가지면서도 효과적으로 동작을 하여 자동차가 유연하게 동작함을 알 수 있었다. 추후 과제로는 전체적인 시스템의 모델링을 통하여 시스템을 분석하여 전력관리 시스템의 동작을 향상시키는 연구가 진행되어야 하며 연료전지의 에너지 이용률에 대한 연구도 병행되어야 한다.
