[논문]야전용 액체 연료개질 1 kW급 하이브리드 전원시스템 제어 연구

지현진; 하상현; 김영철; 조성백

doi:10.9766/kimst.2011.14.4.732

야전용 액체 연료개질 1 kW급 하이브리드 전원시스템 제어 연구
Control Model of 1 kW Class Tactical Hybrid Power Generation System with Liquid Fuel Processor 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.4, 2011년, pp.732 - 739

지현진 (국방과학연구소 4기술연구본부 1부) , 하상현 (국방과학연구소 4기술연구본부 1부) , 김영철 (국방과학연구소 4기술연구본부 1부) , 조성백 (국방과학연구소 4기술연구본부 1부)

Abstract ▼ AI-Helper

A fuel cell/secondary battery hybrid power generation system could extend well beyond the efficiency and interoperability of the conventional diesel generator. The suggested power source system consists of 2.3 kW class PEMFC, 100 Ah lithium polymer battery, and two DC/DC converters by serial connection type. It was known that interoperability of sub-systems is the key factor for stable and optimal control of the hybrid power generation system. The modeling and simulation methods have been proposed to reduce the number of configurations and performance tests for components selection and select the optimized control condition of the power generation system. The control model for power source system is implemented based on the empirical formulation and carried out in the Matlab/Simulink environment. The results show that the simulation can be used to establish the algorism of prototype and increase the durability of the power source system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

. 본 연구에서는 2차 전지의 동적 특성을 보다는 전류에 따른 전압 및 SOC의 변화가 중요하기 때문에 단순히 리튬 폴리머 전지의 용량과 작동 전압에 관련된 모델을 개발하여 사용하였다.
본 연구에서는 대대급 지휘소에서 사용할 수 있는 연료전지-2차전지의 하이브리드 전원 시스템을 구성하고 최적운전을 위한 제어전략에 대하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였다. 하이브리드 전원 시스템은 가솔린 연료개질기를 포함한 2.
이러한 주변장치의 소비전력은 인가 부하에 따라 변화된다. 본 연구에서는 블로어 및 펌프 등과 같은 주변기기에 대하여 이론식을 바탕으로 모델을 개발하기 보다는 인가 부하의 변화에 따른 소비전력의 총합의 변화에 대해서만 고려하였다. 연료전지 전원시스템의 주변기기는 최소 300 W에서 최대 500 W까지 인가부하에 따라 선형적으로 소비전력이 변한다고 가정하였다.
본 연구에서는 지휘소용 1.5 kW급 연료전지-2차전지 하이브리드 전원시스템 제안하였고 주요 구성품에 대한 모델링을 바탕으로 최적 제어 전략을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 인가부하의 조건, SOC 상한값의 변화, 운전점 최소유지시간의 입력변수에 따라 연료전지의 효율 및 내구성 등에 영향을 주었다.

가설 설정

가솔린 연료는 C₄와 C₁₂사이의 탄화수소계열 분자들로 구성되어 있으나 시뮬레이션을 위해서는 C₈H₁₈가 가솔린 연료를 대표할 수 있다고 가정하고 연구를 수행하였다^[5]. 본 연구에 사용된 연료 개질기 모델은 가솔린, 물 및 공기의 공급량에 따라 반응기 후단의 열 및 물질 수지를 계산하기 보다는 연료전지 스택요구 출력을 만족시키기 위한 필요 수소량을 계산한 다음, 이를 생산하기 위한 반응기 앞단의 가솔린, 물 및 공기의 필요량을 계산하도록 하였다.
리튬 폴리머 전지는 Fig. 2와 같은 이상전원 E와 내부저항 R₀인 등가 회로를 가정하여 모델링할 수 있다. 즉, 작동 전압은 식 (6)와 같이 개회로 전압(OCV : Open Circuit Voltage)과 내부저항 및 인가전류에 따른 전압강하의 차로 표현할 수 있다.
본 연구에서는 블로어 및 펌프 등과 같은 주변기기에 대하여 이론식을 바탕으로 모델을 개발하기 보다는 인가 부하의 변화에 따른 소비전력의 총합의 변화에 대해서만 고려하였다. 연료전지 전원시스템의 주변기기는 최소 300 W에서 최대 500 W까지 인가부하에 따라 선형적으로 소비전력이 변한다고 가정하였다.

제안 방법

가솔린 연료개질기는 반응기 온도 유지, 수소 수율 등을 고려하여 H₂O/C = 2, O₂/C = 0.7의 비율로 운전되도록 모델링하였다.
3 kW가 되도록 설계하였다. 가솔린 연료개질기는 연료전지 스택의 최대출력 및 화학양론 등을 고려하여 크기 및 성능을 결정하였다.
가솔린 연료개질기를 포함한 연료전지 스택은 리튬폴리머 전지와 비교하여 상대적으로 전류에 대한 동특성이 낮기 때문에 연료전지 스택과 리튬 폴리머 전지는 직렬형 하이브리드(hybrid) 형태로 구성하여 운전되도록 하였다.
각 구성품들에 대한 모델은 수학적 이론 및 실험적 데이터를 바탕으로 개발되었으며, Matlab/Simulink® 환경을 통해 제어 전략에 따른 연료전지 및 리튬 폴리머 전지의 특성 변화, 시스템의 효율 변화, 리튬 폴리머 전지 충/방전 특성 등에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
그러나 연료개질기를 한 지점에서만 운전하게 되면 전원시스템의 전체 효율이 감소될 수 있다. 따라서 전원시스템이 감당해야할 부하, 리튬 폴리머 전지의 용량 등을 고려하여 연료전지 스택의 운전점(operating point)을 3개로 제한하였다. 연료전지 전원시스템은 연료전지 스택과 리튬 폴리머 전지가 두 개의 전력변환기를 통해 직렬형 하이브리드로 구성되어 있으므로, 만약 인가부하가 연료전지 스택의 전력 생산량을 벗어나더라도 리튬 폴리머 전지가 충분히 보상해 줄 수 있다.
. 본 연구에 사용된 연료 개질기 모델은 가솔린, 물 및 공기의 공급량에 따라 반응기 후단의 열 및 물질 수지를 계산하기 보다는 연료전지 스택요구 출력을 만족시키기 위한 필요 수소량을 계산한 다음, 이를 생산하기 위한 반응기 앞단의 가솔린, 물 및 공기의 필요량을 계산하도록 하였다. 이를 위하여 Minimization of Gibbs Energy 원리를 이용하였다.
그러나 전원시스템이 감당해야할 지휘소의 인가 부하의 종류 및 동특성을 정확하게 정의하기는 현실적으로 불 가능하다. 본 연구에서는 예상 가능한 인가 부하의 특성을 크게 두 가지로 분류하여 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션 결과의 정확도를 향상시키기 위하여 전체 전원 시스템에 대한 시뮬레이션에 앞서 연료전지 및 리튬 폴리머 전지 모델에 대한 시뮬레이션을 수행하여 실험데이터와 비교하였다. Fig.
환경을 사용하였다. 시뮬레이션 시간은 지휘소의 연속 작전 상황을 고려하여 1,440분(24시간)으로 설정하였다.
연료전지 스택은 전원시스템 인가부하(1.5 kW), 주변장치의 기생 전력, 전력변환기의 효율, 리튬 폴리머 전지의 충전 전력 등을 고려하여 최대출력 2.3 kW가 되도록 설계하였다. 가솔린 연료개질기는 연료전지 스택의 최대출력 및 화학양론 등을 고려하여 크기 및 성능을 결정하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 연료 개질기 모델은 가솔린, 물 및 공기의 공급량에 따라 반응기 후단의 열 및 물질 수지를 계산하기 보다는 연료전지 스택요구 출력을 만족시키기 위한 필요 수소량을 계산한 다음, 이를 생산하기 위한 반응기 앞단의 가솔린, 물 및 공기의 필요량을 계산하도록 하였다. 이를 위하여 Minimization of Gibbs Energy 원리를 이용하였다.
전원 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행하기 위하여 연료개질기, 연료전지 스택, 리튬 폴리머 전지, 제어전략에 대한 수학적 모델을 바탕으로 Matlab/Simulink® 환경을 사용하였다.

성능/효과

또한 리튬 폴리머 전지 SOC의 상한값이 90 %로 증가함에 따라 연료전지는 초기에 충분한 시간동안 full 모드 및 part 모드로 운전되기 때문에 후반부의 part ↔ idle 변화 구간이 전반적으로 뒤쪽으로 지연되어 운전점 변화 횟수가 20회에서 18회로 감소되는 효과가 있었다.
따라서 시스템 내구성을 향상시키기 위해서는 연료전지 및 연료개질기의 운전점 변화 횟수를 감소시켜야 한다. 시뮬레이션 결과, SOC의 상한값 및 운전점 최소유지시간 모두 운전점 변화 횟수에 영향을 미쳤으며, SOC 상한값보다는 운전점 최소유지시간의 제어변수가 더 크게 작용 한다는 것을 알 수 있었다.
5 kW급 연료전지-2차전지 하이브리드 전원시스템 제안하였고 주요 구성품에 대한 모델링을 바탕으로 최적 제어 전략을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 인가부하의 조건, SOC 상한값의 변화, 운전점 최소유지시간의 입력변수에 따라 연료전지의 효율 및 내구성 등에 영향을 주었다. 이러현 결과는 추후 제작될 1 kW급 연료전지 전원 시스템에 제어시스템의 알고리즘으로 반영되어 실제 운용시험 결과와 비교 분석할 계획이다.
연료전지 스택의 전압은 전류밀도가 증가할수록 활성화 분극, 저항분극, 농도차 분극에 의해서 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 전류 밀도가 0 ∼ 1.2 A/cm2 구간에서 시뮬레이션 결과가 실험데이터와 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.

후속연구

시뮬레이션 결과, 인가부하의 조건, SOC 상한값의 변화, 운전점 최소유지시간의 입력변수에 따라 연료전지의 효율 및 내구성 등에 영향을 주었다. 이러현 결과는 추후 제작될 1 kW급 연료전지 전원 시스템에 제어시스템의 알고리즘으로 반영되어 실제 운용시험 결과와 비교 분석할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차세대 보병 전투차량에는 무엇이 있는가?	현재 스트라이커(stryker), 브래들리(bradley), K21 등과 같은 차세대 보병 전투차량의 경우 정지 상태에서 각종 전자장비 작동을 위한 안정적인 전원 공급이 중요하기 때문에 추진용 디젤엔진 이외에 보조전원용 내연기관 발전기가 장착되어 있다. 그러나 내연기관 발전기는 소음이나 적외선 신호에 의해 적에게 노출될 가능성이 높다.
	보병 전투차량의 내연기관 발전기에서 발생하는 소음의 문제점은?	그러나 내연기관 발전기는 소음이나 적외선 신호에 의해 적에게 노출될 가능성이 높다. 특히 소음은 전투요원 간의 대화를 단절시켜 작전 효율성을 감소시키고 지속적인 노출에 의한 병사들의 정신적 스트레스를 증가시킬 수 있다. 따라서 소음이 적고 열발생량이 적은 1～5 kW급 연료전지 전원 시스템 개발은 작전의 효율성을 향상시킬 수 있으므로 기존 내연기관 발전기를 대체할 가능성이 있다.
	차세대 보병 전투차량에 추진용 디젤엔진 이외에 보조전원용 내연기관 발전기가 장착되는 이유는?	현재 스트라이커(stryker), 브래들리(bradley), K21 등과 같은 차세대 보병 전투차량의 경우 정지 상태에서 각종 전자장비 작동을 위한 안정적인 전원 공급이 중요하기 때문에 추진용 디젤엔진 이외에 보조전원용 내연기관 발전기가 장착되어 있다. 그러나 내연기관 발전기는 소음이나 적외선 신호에 의해 적에게 노출될 가능성이 높다.

참고문헌 (6)

지현진, 조성백, "군용 연료전지의 필요성 및 발전 방향", 국방과학기술플러스, Vol. 122, 2011.
지현진, "연료전지 시스템의 최적운전에 대한 기초 연구", 국방과학연구소, ADDR-410-080679, 2008.
지현진, "연료전지 시스템 설계를 위한 기초 모델 연구", 국방과학연구소, ADDR-410-071106, 2008.
Ryan O'Hayre, Suk-Won Cha, Whitney Colella, Fritz B. Prinz, "Fuel Cell Fundamentals", John Wiley & Sons, 2006.
Christopher Severin, Stefan Pischinger, Jurgen Ogrzewalla, "Compact Gasoline Fuel Processor for Passenger Vehicle APU", Journal of Power Sources, Vol. 145, pp. 675-682, 2005.

상세보기
V. H. Johnson, "Battery Performance Models in ADVISOR", Journal of Power Sources, Vol. 110, pp. 321-329, 2002.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증