[논문]연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 작동을 위한 배터리 충전 시기에 대한 연구

권오정; 조인수; 현덕수; 천승호; 오병수

연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 작동을 위한 배터리 충전 시기에 대한 연구
A Study of Battery Charging Time for Efficient Operation of Fuel Cell Hybrid Vehicle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.1, 2009년, pp.38 - 44

(전남대학교 대학원) , 권오정 (삼성전자 생활가전사업부) , 조인수 (전남대학교 대학원) , 현덕수 (전남대학교 대학원) , 천승호 (전남대학교 대학원) , 오병수 (전남대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the research focused on fuel cell hybrid vehicles (FCHVs) is becoming an attractive solution due to environmental pollution generated by fossil fuel vehicles. The proper energy control strategy will result in extending the fuel cell lifetime, increasing of energy efficiency and an improvement of vehicle performance. Battery state of charge (SoC) is an important quantity and the estimation of the SoC is also the basis of the energy control strategy for hybrid electric vehicles. Estimating the battery's SoC is complicated by the fact that the SoC depends on many factors such as temperature, battery capacitance and internal resistance. In this paper, battery charging time estimated by SoC is studied by using the speed response and current response. Hybrid system is consist of a fuel cell unit and a battery in series connection. For experiment, speed response of vehicle and current response of battery were determined under different state of charge. As the results, the optimal battery charging time can be estimated. Current response time was faster than RPM response time at low speed and vice versa at high speed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 하이브리드 자동차를 효율적으로 운전하고 구동 시 에너지 손실을 최소화하기 위해서 연료전지 시스템 제어의 중요한 구성요소중 하나인 배터리의 충전시기에 대하여 연구하였다.
연료전지 하이브리드 시스템을 효율적으로 운전하기 위한 battery의 충전 시기에 대하여 연구하였다. 차량의 RPM응답과 battery의 전류응답시간을 통해서 battery의 충전 시기를 운전 중 실시간으로 파악할 수 있었다.

제안 방법

운전 중 SOC를 측정하는 다양한 실험이 있지만^7,8) 본 실험은 주로 차량의 속도 응답과 battery의 전류 응답 시간을 통해서 battery의 충전 상태를 파악하고 충전시기에 대하여 알아보는데 초점을 두었다. Fig. 7의 개로 전압(OCV)과 방전상태의 관계를 참고로 battery의 실험 전 충전 상태를 저용량 40%와 고용량 80% 2부분으로 나누어 실험을 하였다.
DC/DC converter는 연료전지로부터 나오는 전압을 일정하게 변환시킨다. NI PXI장비와 motor controller를 연계하여 모터의 구동을 제어하였다.
LabVIEW 프로그램을 NI PXI 장비와 SCXI 시스템과 연동시켜 데이터를 수집하였다. NI 시스템에 battery의 전원을 DC/AC inverter를 이용하여 공급하였다.
데이터 수집 하드웨어 모듈을 이용하여 아날로그 출력으로 구동제어를 실현하고 센서를 이용하여 데이터를 수집했다. 모터 컨트롤러를 통해서 아날로그 전압신호를 NI장치로 보내고 LabVIEW를 이용하여 정상상태에서 발전특성을 파악한다. 전류 센서와 RPM 센서의 신호를 NI장치로 수신한 후, LabVIEW를 이용하여 데이터 수집을 하였다.
시스템 제어와 데이터 수집은 LabVIEW프로그램을 이용하였다. 배터리의 충전 상태에 따른 차량의 RPM과 battery 전류의 응답시간을 비교하였다. 위의 데이터를 통해 가속할 때 RPM과 전류의 응답 시간이 battery의 충전 상태에 영향이 있는 것을 알 수 있다.
본 연구에 적용한 하이브리드 시스템은 연료전지, DC/DC 컨버터, 배터리를 직렬형으로 구성하였다. 시스템 제어와 데이터 수집은 LabVIEW프로그램을 이용하였다.
스쿠터의 성능을 측정하는 전류센서 및 RPM센서를 이용하였다. LabVIEW 프로그램을 NI PXI 장비와 SCXI 시스템과 연동시켜 데이터를 수집하였다.
1에 보여주는 것과 같다. 연료전지, DC/DC converter , battery를 직렬로 연결하여 하이브리드 구동 시스템을 구성하였다. Battery는 주로 에너지를 저장하고 공급하며 충전 상태에 따라 연료전지가 충전한다.
Battery의 개방회로 전압과 내부저항은 사실상 충전 상태와 온도에 따라서 비선형적으로 변화되는 특성을 가지고 있으므로 battery 충전 상태(SOC)를 파악하는데 어려움이 있다⁶⁾. 운전 중 SOC를 측정하는 다양한 실험이 있지만^7,8) 본 실험은 주로 차량의 속도 응답과 battery의 전류 응답 시간을 통해서 battery의 충전 상태를 파악하고 충전시기에 대하여 알아보는데 초점을 두었다. Fig.

대상 데이터

스쿠터의 성능을 측정하는 전류센서 및 RPM센서를 이용하였다. LabVIEW 프로그램을 NI PXI 장비와 SCXI 시스템과 연동시켜 데이터를 수집하였다. NI 시스템에 battery의 전원을 DC/AC inverter를 이용하여 공급하였다.
4와 같다. 데이터 수집 하드웨어 모듈을 이용하여 아날로그 출력으로 구동제어를 실현하고 센서를 이용하여 데이터를 수집했다. 모터 컨트롤러를 통해서 아날로그 전압신호를 NI장치로 보내고 LabVIEW를 이용하여 정상상태에서 발전특성을 파악한다.
본 시스템에 장착된 연료전지는 Ballard사의 Nexa Power Module 1.2kW급 PEMFC이고 연료 공급 및 온도, 습도 관리, 안전 등의 BOP시스템이 포함되어있다. 사진과 제원은 Fig.
본 연구에서 사용한 차량은 상용제품인 전동스쿠터를 사용하였다. 제원은 Table 1과 같다.
사용된 battery는 세방전지사의 12V, 40AH 납축전지 2개를 직렬로 연결하였다.
모터 컨트롤러를 통해서 아날로그 전압신호를 NI장치로 보내고 LabVIEW를 이용하여 정상상태에서 발전특성을 파악한다. 전류 센서와 RPM 센서의 신호를 NI장치로 수신한 후, LabVIEW를 이용하여 데이터 수집을 하였다. LabVIEW 프로그램을 개발하여 통신 방식을 동기화한 후 데이터를 Nexa의 통신 포트를 통해서 NI장치로 받았다.

데이터처리

본 연구에 적용한 하이브리드 시스템은 연료전지, DC/DC 컨버터, 배터리를 직렬형으로 구성하였다. 시스템 제어와 데이터 수집은 LabVIEW프로그램을 이용하였다. 배터리의 충전 상태에 따른 차량의 RPM과 battery 전류의 응답시간을 비교하였다.

이론/모형

8~Fig. 11까지 battery 상태에 따른 RPM과 전류응답 시간을 바탕으로 하여 Mini-Tab 프로그램의 완전요인 배치법을 이용해서 분석하였다. Fig.
하이브리드 시스템은 battery 와 연료전지를 이용한 직렬형 하이브리드 방식을 사용하였다.

성능/효과

1) 연료전지 하이브리드 시스템에서 battery는 주 에너지원 또는 보조 에너지원으로 출력을 공급하고, 운전 중 충전상태에 따라 DC/DC converter 를 통해서 연료전지를 이용하여 충전할 수 있다.
2) Battery가 작동할 때 RPM응답시간 및 전류응답시간은 충전상태에 따라 차이가 있고, 전류응답시간은 RPM응답시간보다 차이가 크다. Battery가 작동할 때 충전상태 40%일 때의 RPM응답 시간과 전류응답시간이 충전상태 80%일 때보다 지체되었다.
3) Battery의 충전상태는 RPM응답시간과 전류의 응답시간에 대한 영향이 있고, 전류응답시간에 대한 영향이 더 크다. RPM응답시간과 전류응답 시간을 통해서 충전시기 파악이 가능하다.
배터리의 충전 상태에 따른 차량의 RPM과 battery 전류의 응답시간을 비교하였다. 위의 데이터를 통해 가속할 때 RPM과 전류의 응답 시간이 battery의 충전 상태에 영향이 있는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순수한 연료전지 시스템의 어떤 점 때문에 연료전지 하이브리드 자동차에 대한 연구가 이루어지는가?	연료전지 자동차에 대한 연구는 순수한 연료전지 자동차와 연료전지 하이브리드 자동차 기술로 나눌 수 있다. 순수한 연료전지 시스템의 경우 가격이 높고 연료전지를 전 출력 영역에서 운전하게 됨으로 시스템의 출력 효율이 좋지 않게 되며, 느린 동특성을 가지게 된다. 시스템의 동력성과 경제성의 요구를 만족시키기 위해서 연료전지 하이브리드 자동차에 대한 연구가 이루어지고 있다 1,4) .
	연료전지 하이브리드 자동차의 장점은?	연료전지 하이브리드 자동차는 비용을 줄일 수 있고, 연비와 시스템의 효율도 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 연료전지 하이브리드 자동차는 구성 시스템이 복잡하고 정상적으로 구동하기 위해서 많은 에너지의 소모가 요구되기 때문에 하이브리드 구동 제어 전략이 필요하다 5) .
	연료전지 자동차에 대한 연구는 어떻게 나눌 수 있는가?	연료전지 자동차에 대한 연구는 순수한 연료전지 자동차와 연료전지 하이브리드 자동차 기술로 나눌 수 있다. 순수한 연료전지 시스템의 경우 가격이 높고 연료전지를 전 출력 영역에서 운전하게 됨으로 시스템의 출력 효율이 좋지 않게 되며, 느린 동특성을 가지게 된다.

참고문헌 (8)

Yaoqin Jia, Hewu Wang, Minggao Ouyang, 'Electric power system for a Chinese fuel cell city bus', Journal of Power Sources, Volume 155, Issue 2, 2006, pp. 319-324

상세보기
Junping Wang, Binggang Cao, Quanshi Chen, Feng Wang, 'Combined state of charge estimator for electric vehicle battery pack', Control Engineering Practice, Volume 15, Issue 12, December 2007, pp. 1569-1576

상세보기
이원용, 정귀성, 유상필, 업석기, 김창수, '가정용 고분자연료전지 시스템의 운전 방법에 따른 성능 비교', 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 16, No. 4, 2005, pp. 364-371

원문보기 상세보기
안상준, 김태진, 이교일, '다중 동력 연료전지 하이브리드 장갑차량의 동력관리 전략에 관한 연구', 한국신재생에너지학회 춘계학술대회 , 2005, pp. 273-276
Kwi Seong Jeong, Byeong Soo Oh, 'Fuel economy and life-cycle cost analysis of a fuel cell hybrid vehicle', Journal of Power Sources, Volume 105, Issue 1, 2002, pp. 58-65

상세보기
한수빈, 송유진, 정봉만, 박석인, 정학근, '연료전지 하이브리드 전력 시스템에 대한 에너지 제어 시뮤레이션', 한국조명.전기설비학회 추계 학술대회 눈문집, 2005, pp. 355-358
윤한석, '정전압 충전 리셋 알고리즘을 이용한 하이브리드 자동차용 36V 납축전지 잔존량 추정 알고리즘', 서울대학교 석사학위논문, 2005
선양국, '배터리의 잔존용량 산출 알고리즘에 관한 연구', 한양대학교 석사학위논문, 2007

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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