[논문]연료전지 하이브리드 자동차의 ECMS

정춘화; 박영일; 임원식; 차석원

doi:10.7467/ksae.2012.20.6.046

연료전지 하이브리드 자동차의 ECMS
Equivalent Consumption Minimization Strategy of Fuel Cell Hybrid Vehicles 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.6, 2012년, pp.46 - 51

정춘화 (서울대학교 기계항공공학부) , 박영일 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 임원식 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 차석원 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHVs) have become a major topic of interest in the automotive industry owing to recent energy supply and environmental problems. Several types of power management strategies have been developed to improve the fuel economy of FCHVs including optimal control strategy based on optimal control theory, rule-based strategy, and equivalent consumption minimization strategy (ECMS). The ECMS is applied in this study. This strategy is based on the heuristic concept that the usage of the electric energy can be exchanged to equivalent fuel consumption. This strategy is known as one of the promising solutions for real-time control of hybrid vehicles. The ECMS for an FCHV is introduced in this paper as well as the equivalent fuel consumption parameter. The relationship between the battery final state of charge (SOC) and the fuel consumption while changing the equivalent fuel consumption parameter is obtained for three different driving cycles. The function of the equivalent fuel consumption parameter is also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그중 등가 소모량 최소화 전략(ECMS)은 배터리의 전기적 에너지 소모를 연료전지 시스템의 연료 소모로 등가 처리하여 전체적인 에너지소모를 최소화하는 전략으로서 실차 적용에도 가능한 전략으로 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 연료전지 하이브리드 자동차에 대한ECMS를 소개하였다. 또한 연료전지시스템의 연료 소모량과 배터리의 전기적 에너지 소모량 사이의 등가 연료 소모량 파라미터가 최적해의 선정에 미치는 영향에 대하여 분석하였으며 세 가지 주행싸이클에서 이 파라미터를 변화시키면서 배터리 SOC의 최종 값과 연료 소모량 사이의 관계를 얻었다.
본 연구에서는 배터리 온도의 영향을 고려하지 않았는데 연료 전지 하이브리드 차량의 연비를 고려함에 있어 배터리 온도도 중요한 요소이다. 배터리 온도를 고려한다면 배터리의 OCV와 내부저항이 온도의 영향을 받으므로 3 파트에서 소개되었던 ECMS의 formulation을 새롭게 해야 할 것이고 또한 새로운 전략에 따라 연료소모가 달라질 것으로 예상된다.
이 컨셉을 적용하여 전체 등가 연료 소모량을 최소화시키는 해를 찾아냄으로써 동력 분배를 수행한다. 이 부분에서는연료전지 하이브리드차량에 대한 ECMS의 적용에 대하여 알아본다.

제안 방법

본 논문에서는 연료전지 하이브리드 자동차에 대한ECMS를 소개하였다. 또한 연료전지시스템의 연료 소모량과 배터리의 전기적 에너지 소모량 사이의 등가 연료 소모량 파라미터가 최적해의 선정에 미치는 영향에 대하여 분석하였으며 세 가지 주행싸이클에서 이 파라미터를 변화시키면서 배터리 SOC의 최종 값과 연료 소모량 사이의 관계를 얻었다. 이런 분석들을 통하여 실차 적용에서 등가 연료 소모량 파라미터를 제어함으로써 배터리 SOC의 경로를 제어할 수 있다는 결론을 얻었다.
본 논문에서는 ECMS를 연료전지 하이브리드 자동차에 적용하였다. ECMS는 배터리의 전기적 에너지 소모를 연료전지 시스템의 연료 소모로 등가화하여 전체 등가 연료 소모량을 최소화하는 주행전략이다.
그림에서 볼 수 있듯이 배터리의 내부저항 R 와 open circuit voltage (OCV) V는 배터리 SOC에 따라 변하고 있다. 본 연구에서 사용된 배터리 모델에서는 온도의 영향을 일단 무시하였다.
본 연구의 시뮬레이션에서는 ECMS의 등가 연료소모량 파라미터 k를 상수로 적용하였다. k값을 변화시키면서 배터리 SOC의 최종 값과 연료 소모량을 각 주행싸이클 별로 체크하여 도시하면 Fig.
ECMS는 하이브리드 자동차에서 배터리의 전기적 에너지 소모량을 연료 소모량으로 등가화 시킬 수 있다는 컨셉을 기반으로 하고 있다. 이 컨셉을 적용하여 전체 등가 연료 소모량을 최소화시키는 해를 찾아냄으로써 동력 분배를 수행한다. 이 부분에서는연료전지 하이브리드차량에 대한 ECMS의 적용에 대하여 알아본다.

이론/모형

배터리는 내부저항 모델^3,4)을 사용하였다. 이 모델에서 배터리 각 파라미터들 사이의 관계는 다음 수식으로 표현된다.

성능/효과

5 kWh의 배터리를 동력원으로 사용하였으며 모터는 75 kW짜리를 사용하였다. 본 연구에서 DC-DC 컨버터의 효율은 95%로 하였으며 연료 전지 시스템의 느린 응답성으로 인한 power rate는 18 kW/s로 하였다.
시뮬레이션 실행 시 매 타임 스텝마다 주어진 배터리 SOC에 대하여 등가 연료 소모율 C 를 최소화 시키는 P_fcs를 찾아내면 전반 주행싸이클에 대해 등가 연료 소모량을 최소화할 수 있는 최적의 경로를 구할수 있다.
또한 연료전지시스템의 연료 소모량과 배터리의 전기적 에너지 소모량 사이의 등가 연료 소모량 파라미터가 최적해의 선정에 미치는 영향에 대하여 분석하였으며 세 가지 주행싸이클에서 이 파라미터를 변화시키면서 배터리 SOC의 최종 값과 연료 소모량 사이의 관계를 얻었다. 이런 분석들을 통하여 실차 적용에서 등가 연료 소모량 파라미터를 제어함으로써 배터리 SOC의 경로를 제어할 수 있다는 결론을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	등가 소모량 최소화 전략은 무엇인가?	연료전지 하이브리드 자동차가 자동차 업계에서 차세대 자동차로 주목을 받으면서 이에 관한 여러가지 주행 전략들이 제기되고 있다. 그중 등가 소모량 최소화 전략(ECMS)은 배터리의 전기적 에너지 소모를 연료전지 시스템의 연료 소모로 등가 처리하여 전체적인 에너지소모를 최소화하는 전략으로서 실차 적용에도 가능한 전략으로 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 연료전지 하이브리드 자동차에 대한ECMS를 소개하였다.
	ECMS는 어떤 컨셉을 기반으로 하고있나?	ECMS는 하이브리드 자동차에서 배터리의 전기적 에너지 소모량을 연료 소모량으로 등가화 시킬 수있다는컨셉을 기반으로하고있다. 이 컨셉을 적용하여 전체 등가 연료 소모량을 최소화시키는 해를 찾아냄으로써 동력 분배를 수행한다.
	ECMS는 어떤 결과를 가지나?	ECMS는 배터리의 전기적 에너지 소모를 연료전지 시스템의 연료 소모로 등가화하여 전체 등가 연료 소모량을 최소화하는 주행전략이다. 이 주행전략에서 등가 연료 소모량 파라미터 k는연료전지시스템의 연료 소모와 배터리의 에너지 소모사이의 등가 파라미터로서 두 동력원 사이의 에너지 소모를 조절해 주는 작용을 한다. k가 클수록 배터리의 에너지 소모는 줄어들고 배터리 SOC는 증가하며 따라서 연료전지 시스템의 연료소모는 늘어난다. 이 관계를 ECMS의 실차 적용에 사용하면 주행 중 k를 제어함으로써 배터리 SOC의 경로를 제어할 수 있게 된다.

참고문헌 (5)

J. Bernard, S. Delprat, F. N. Buchi and T. Marie Guerra, "Fuel-cell Hybrid Powertrain: Toward Minimization of Hydrogen Consumption," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol.58, pp.3168-3176, 2009.

상세보기
J. T. Pukrushpan, H. Peng and A. G. Stefanopoulou, "Control-oriented Modeling and Analysis for Automotive Fuel Cell Systems," Transactions of the ASME, Vol.126, pp.14-25, 2004.
N. W. Kim, Energy Management Strategy for Hybrid Electric Vehicles Based on Pontryagin's Minimum Priciple, Ph. D. Dissertation, Seoul National University, Seoul, 2009.
N. W. Kim, S. W. Cha and H. Peng, "Optimal Control of Hybrid Electric Vehicles Based on Pontryagin's Minimum Principle," IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.19, pp.1279-1287, 2011.

상세보기
L. Xu, J. Li, J. Hua, X. Li and M. Ouyang, "Optimal Vehicle Control Strategy of a Fuel Cell/Battery Hybrid City Bus," Int. J. Hydrogen Energy, Vol.34, pp.7323-7333, 2009.

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