Pure hydrogen fuel cell vehicles have been proposed as a key technology to transportation, energy, and environmental problems of future. Pure hydrogen fuel cell vehicle face fundamental challenges such as high cost, compromised driving range per refueling and lack of a refueling infrastructure. Fuel cell hybrid vehicle with auxiliary energy storage devices has several advantages such as fuel cell stack down sizing, down cost, use regenerative braking, and flexible operating strategy. Fuel cell hybrid vehicle is divided into non plug-in type and plug-in type. Driving range of plug-in type fuel cell hybrid vehicle is limited by hydrogen consumption and battery state of charge(SOC). Therefore, plug-in type hybrid fuel cell vehicle needs the operating strategies to effective use of hydrogen and battery SOC. In this research, operating strategies of fuel cell and lead-acid battery plug-in type hybrid vehicle were proposed in terms of power distributed ratio of fuel cell and battery, change control current, battery SOC, battery discharge limit, and stable operation of fuel cell. A vehicle loaded fuel cell and lead-acid battery hybrid system was operated in field and simulated by MATLAB/$Simulink^{TM}$. Optimized operating strategies were established by comparison of in field driving test and simulation. Established operating strategies are as follows : ⅰ) fuel cell is operated by load following mode ⅱ) On/Off time of Battery discharge for power distributed ratio change of fuel cell and battery is changed by control current ⅲ) Fuel cell and battery share load after battery discharge start ⅳ) Driving range is changed by hydrogen consumption and battery SOC according to power distributed ratio change. Selection of control current is maximum value as much as possible at ideal state if fuel cell stack operation is stable. The range of optimal control current is reasonable between 18A and 25A at real operation state.
본 논문에서는 연료전지와 납축전지를 이용한 외부 충전 방식의 하이브리드 자동차의 전력분배 특성을 주행 실험과 MATLAB/$Simulink^{TM}$ 이용한 전력분배 모델 모사를 통해 확인하고 주행거리를 최대화하기 위한 운전전략에 대하여 연구하였다. 연료전지 하이브리드 자동차를 구성하기 위한 기본 차체인 전기 자동차의 KAIST 교내 주행 실험을 통해 전기 자동차의 감속 시 회생전류가 발생함과 전기 자동차에서 요구하는 전력이 연료전지 하이브리드 자동차 설계 용량을 초과함을 확인하였고 모터 컨트롤러의 설정값 변경을 통해 전기 자동차의 최고 속도를 줄여 하이브리드 자동차의 설계 용량에 맞도록 수정하였다. 연료전지 하이브리드 자동차는 배터리 충전회로가 없는 단방향 DC/DC 컨버터를 사용하여 정격 2kW의 연료전지와 155AH 의 용량을 갖는 납축전지 3개를 병렬로 구성하여 외부 충전 방식의 하이브리드 자동차를 구성하였다. 사용된 컨버터의 특징을 고려하여 다음과 같은 운전전략을 수립하였다. ⅰ) 연료전지는 요구 부하를 추종ⅱ) 제어전류($I_c$) 조절을 통한 배터리의 On/Off 시점 조절로 연료전지와 배터리의 전력분담 비율 조절 ⅲ) 배터리 출력 On 이후에는 연료전지와 배터리가 요구 부하를 함께 담당 ⅳ) 전력분담 비율 변화에 따른 수소 소모량과 배터리 충전상태 변화를 통해 주행거리 변화를 유도한다. 수립된 운전전략을 적용하여 제어전류 변경에 따른 주행 실험을 수행하여 제어전류 변화 시 연료전지 하이브리드 자동차의 주행특성 변화를 확인하였다. 제어전류의 증가는 연료전지의 전력분담 비율을 증가시켜 연료전지에서 소모되는 수소 소모량을 증가시키고 배터리의 전력분담 비율을 감소시켜 배터리의 SOC를 상승시킴을 확인하였다. 반면에 제어전류의 증가는 연료전지의 불안정성을 증가시켜 제어전류가 30A이상인 영역에서는 안정적인 연료전지의 동작이 불가능 함을 확인하였고 이를 통해 제어전류 선정 시 연료전지의 안정성을 고려해야 함을 알 수 있었다. 그리고 제어전류 조절로 인한 수소 소모량과 배터리 충전상태의 변화가 나타남을 확인하였고 이를 통해 주행거리를 변화시키고자 하는 운전전략의 타당성을 확인하였다. 주행거리를 최대화하기 위한 제어전류를 선정하기 위하여 MATLAB/$Simulink^{TM}$을 이용하여 모사한 연료전지 하이브리드 자동차의 전력분배 모델을 실험값과 비교 검증하여 검증된 MATLAB/$Simulink^{TM}$ 모델을 통해 제어전류에 따른 연료전지 하이브리드 자동차의 수소 소모량과 배터리 충전상태 변화를 예측하였다. 제어전류가 10A 이하인 구간에서는 출발 및 가속과 오르막길 구간에서만 연료전지가 실질적인 전력을 분담하며 해당 구간에서 소요되는 전력은 제어전류에 따라 변하지 않고 거의 일정하게 소모되기 때문에 제어전류가 10A이하인 경우 운전전략에 따른 주행거리 변화가 불가능하였다. Dead-end 방식의 연료전지에서 소모되는 수소는 모두 전기화학반응에 의한 것으로 생각할 수 있으며 이러한 경우 주행거리의 제한은 배터리의 충전상태에 따른 제한이 지배적으로 작용한다. 또한 배터리 방전 허용 한계를 높게 선정할수록 사용 가능한 배터리의 총 에너지가 증가하기 때문에 주행 가능 거리는 증가하게 된다. 수소 이용률이 100%에 가까운 상황에서 주행거리를 최대화하기 위한 제어전류는 배터리 충전상태와 배터리 방전 허용한계, 연료전지의 안정성을 고려하여 10A~25A를 넘지 않는 범위에서 가능한 높게 선정하는 것이 유리하다. 그러나 실험에 사용된 연료전지는 사용에 따른 막전극 집합체의 열화현상으로 인해 수소가 누출됨을 확인할 수 있었으며 누출되는 수소를 고려하였을 때 주행거리의 제한은 수소 소모량에 의한 영향이 지배적으로 작용하게 된다. 배터리 충전상태에 의한 주행거리 변화는 미미한 수준이지만 배터리 방전허용 한계를 낮게 할수록 그 영향은 증가한다. 수소 누출이 있는 상황에서 주행거리 최대화를 위한 제어전류는 수소 소모량과, 배터리 방전 허용한계, 배터리 충전상태를 고려하여 18A~25A의 범위 내에서 선정하는 것이 타당하다.
