차량용 연료전지의 부하 변동시 열관리는 성능과 내구성에 직결되기 때문에 매우 중요하다. 본 연구에서는 작동 부하 조건 내에 온도를 유지할 수 있도록 하기 위한 열관리 시스템용 선형 상태 궤환 제어기를 설계하였다. 차량용 연료전지 열관리 모델은 레저버, 라디에이터, 바이패스 밸브, 팬 그리고 냉각수 펌프 등으로 구성하였으며, MATLAB/SIMULINK$^{(R)}$으로 개발하였다. 시스템 모델의 비선형성으로 인해, 부하 조건 $0.5A/cm^2{\sim}0.7A/cm^2$ 에서 온도 제어 지령을 정상적으로 달성하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation)과 수정된 상태 궤환 제어기를 적용하였고 제어 알고리즘의 성능은 ITAE(Integral time weighted error)로 평가하였다. 수정된 상태 궤환 제어기가 저 부하 구간에서 다른 알고리즘에 비해 더 효율적으로 온도를 제어하는 것을 확인하였다.
차량용 연료전지의 부하 변동시 열관리는 성능과 내구성에 직결되기 때문에 매우 중요하다. 본 연구에서는 작동 부하 조건 내에 온도를 유지할 수 있도록 하기 위한 열관리 시스템용 선형 상태 궤환 제어기를 설계하였다. 차량용 연료전지 열관리 모델은 레저버, 라디에이터, 바이패스 밸브, 팬 그리고 냉각수 펌프 등으로 구성하였으며, MATLAB/SIMULINK$^{(R)}$으로 개발하였다. 시스템 모델의 비선형성으로 인해, 부하 조건 $0.5A/cm^2{\sim}0.7A/cm^2$ 에서 온도 제어 지령을 정상적으로 달성하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation)과 수정된 상태 궤환 제어기를 적용하였고 제어 알고리즘의 성능은 ITAE(Integral time weighted error)로 평가하였다. 수정된 상태 궤환 제어기가 저 부하 구간에서 다른 알고리즘에 비해 더 효율적으로 온도를 제어하는 것을 확인하였다.
Thermal management of a fuel cell is important to satisfy the requirements of durability and efficiency under varying load conditions. In this study, a linear state feedback controller was designed to maintain the temperature within operating conditions. Due to the nonlinearity of automotive fuel ce...
Thermal management of a fuel cell is important to satisfy the requirements of durability and efficiency under varying load conditions. In this study, a linear state feedback controller was designed to maintain the temperature within operating conditions. Due to the nonlinearity of automotive fuel cell system, the state feedback controller results in marginal stable under load condition from $0.5A/cm^2$ to $0.7A/cm^2$. A PWM (Pulse Width Modulation) and the modified state feedback controller are applied to control the temperature under the load condition from $0.5A/cm^2$ to $0.7A/cm^2$. The cooling system model is composed of a reservoir, radiator, bypass valve, fan, and a water pump. The performance of the control algorithm was evaluated in terms of the integral time weighted absolute error (ITAE). Additionally, MATLAB/SIMULINK$^{(R)}$ was used for the development of the system models and controllers. The modified state feedback controller was found to be more effective for controlling temperature than other algorithms when tested under low load conditions.
Thermal management of a fuel cell is important to satisfy the requirements of durability and efficiency under varying load conditions. In this study, a linear state feedback controller was designed to maintain the temperature within operating conditions. Due to the nonlinearity of automotive fuel cell system, the state feedback controller results in marginal stable under load condition from $0.5A/cm^2$ to $0.7A/cm^2$. A PWM (Pulse Width Modulation) and the modified state feedback controller are applied to control the temperature under the load condition from $0.5A/cm^2$ to $0.7A/cm^2$. The cooling system model is composed of a reservoir, radiator, bypass valve, fan, and a water pump. The performance of the control algorithm was evaluated in terms of the integral time weighted absolute error (ITAE). Additionally, MATLAB/SIMULINK$^{(R)}$ was used for the development of the system models and controllers. The modified state feedback controller was found to be more effective for controlling temperature than other algorithms when tested under low load conditions.
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문제 정의
본 연구에서는 차량용 연료전지 냉각 시스템을 제어 할 수 있는 시스템 제어기를 개발하고 부하 변화에 따른 제어기 성능 특성을 평가 하고자 한다. 먼저, 열적 특성을 모사할 수 있는 시스템 모델을 개발하고, 냉각 계통을 제어하기 위한 상태 공간 제어기를 설계 한 후, 정상 상태 운전 특성을 확인한다.
본 연구에서는 차량용 연료전지 시스템 온도 제어를 하기 위한 상태 공간 제어기를 개발하였으며, 비 운전 점 구간에서의 제어 한계를 극복하기 위한 새로운 제어 기법을 연구하였다.
가설 설정
따라서, 시스템 전체 측면에서 냉각수 양이 전체 시스템의 온도 응답 시정수에 충분히 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 고려하는 온도 모델이 필요하다. 레저버 온도 모델은 단열 용기 모델로 가정하였으며, 다음과 같은 레저버 온도 모델 지배 방정식을 얻을 수 있다.
스택 내에서 발생된 열은 냉각수 및 대기와의 열교환에 의해 배출 되며, 에너지 보존 법칙을 적용하면 에너지 균형에 따른 스택 온도 변화 모델을 도출할 수 있다. 스택의 비정상 온도 응답 모델에서는 집중용량 모델을 가정하였으며, 다음과 같이 유도하였다.
제안 방법
(1) 운전 조건을 설정하여 비선형 시스템 모델을 선형화 하여 적분제어기를 포함한 상태 공간 선형 제어기를 개발하였다.
일반적으로 비선형 모델에서 제어기를 설계하는데는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 설계된 비선형 연료전지 시스템 모델을 선형화 하여, 선형적인 모델에서 제어기를 설계 하여야 한다. 선형화 하고자 하는 비선형 시스템 모델은 다음과 식과 같다.
따라서 본 연구에서는 0.5A/cm2 이상의 구간에서 연료전지가 동작할 때 제어기를 운전하였다. 하지만, 상태 공간 제어기를 설계하기 위해서는 연료전지 시스템 모델을 운전 점 부근에서 선형화를 수행하여야 한다.
5A/cm2 ) 경우 온도 제어가 원활히 이루어 지지 않는 것을 확인 할 수 있다. 따라서, 이 구간에서는 원활한 온도 제어를 위해 상태 공간 제어기가 아닌 PWM 또는 수정된 가중치 행렬을 사용하는 제어기법으로 온도제어를 수행하였다.
먼저, 열적 특성을 모사할 수 있는 시스템 모델을 개발하고, 냉각 계통을 제어하기 위한 상태 공간 제어기를 설계 한 후, 정상 상태 운전 특성을 확인한다. 마지막으로 운전 점에서 벗어난 구간에서의 각각 다른 제어 방법을 적용하여 냉각 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 차량용 연료전지 냉각 시스템을 제어 할 수 있는 시스템 제어기를 개발하고 부하 변화에 따른 제어기 성능 특성을 평가 하고자 한다. 먼저, 열적 특성을 모사할 수 있는 시스템 모델을 개발하고, 냉각 계통을 제어하기 위한 상태 공간 제어기를 설계 한 후, 정상 상태 운전 특성을 확인한다. 마지막으로 운전 점에서 벗어난 구간에서의 각각 다른 제어 방법을 적용하여 냉각 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서 적용된 라디에이터 모델은 이전의 연구에서 제안한 해석적 모델을 적용하였으며, 자세한 설계 변수는 이전의 연구에서 확인 할 수 있다. (9)
본 연구에서는 상태 궤환 제어기 설계를 위해 최적 제어 기법(Linear Quadratic Regulator, LQR)을 적용하였다. 일반적인 LQR 기법은 정상상태 오차를 발생 시키기 때문에, 오차를 줄이기 위해 목적함수에 적분제어기가 포함된 형태의 수정 목적 함수를 사용하여 본 연구에 적용하였다.
), 온도에 따라서 라디에이터와 바이패스로 나뉘어 주는 바이패스 밸브 개도( k )로 선정하였다. 전류와 외기 온도는 변화에 따라 제어가 가능하도록 외란으로 설정하였다. 전체 시스템의 개요는 다음과 같다.
대상 데이터
시스템 상태 변수로는 제어 변수인 연료전지 스택 온도( TFC ), 레저버 온도( TRV )를 선정하고, 입력 변수로 펌프에서 유출되는 냉각수 유량( # ), 온도에 따라서 라디에이터와 바이패스로 나뉘어 주는 바이패스 밸브 개도( k )로 선정하였다.
이론/모형
K 값을 찾기 위해서는 상태가중행렬 Q 와 제어가 중행렬 R 의 대각행렬에 가중치를 선정하여야 하며, 본 연구에서는 Bryson(10)이 제안한 방법을 이용하여 가중치 행렬을 선정하였다. 따라서, 적분기를 포함한 수정된 시스템 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 상태 궤환 제어기 설계를 위해 최적 제어 기법(Linear Quadratic Regulator, LQR)을 적용하였다. 일반적인 LQR 기법은 정상상태 오차를 발생 시키기 때문에, 오차를 줄이기 위해 목적함수에 적분제어기가 포함된 형태의 수정 목적 함수를 사용하여 본 연구에 적용하였다.
본 연구에서의 적용한 시스템 모델에서는 Wang 등이 제안한 실험 분극 곡선을 보정하여, 모델을 검증하였다.(8)
성능/효과
(2) 개발된 제어기는 운전 점 부근에서 부하 변화에 따라 요구 온도에 수렴 하는 것을 확인 하였으며, 운전 점을 벗어나는 경우, 비선형 성에 의해서 제어가 적절히 이루어 지지 않는 것을 확인하였다.
(3) 비 운전 구간(0.5A/cm2 ~ 0.7A/cm2)에서 ITAE 의 값은 수정된 가중치 행렬 값을 사용한 제어기일 경우 가장 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 요구 온도와의 에러가 가장 적어 안정된 제어를 하는 것을 알 수 있다.
(4) 비 운전 구간에서 연료전시 시스템 운전 시, 설계된 상태 공간 제어 기법으로 제어를 하는 것보다 수정된 가중치 행렬 값을 적용한 상태 공간 제어기를 적용 하는 것이 스택 및 냉각수 입구 온도 ITAE 값을 각각 최대 95.8%, 94.2% 감소시킬 수 있다.
0A/cm2) 일 경우는 ITAE 의 값이 동일한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 운전 점으로 부터 떨어진 구간에서는 기존의 운전 점 부근에서 설계된 상태 공간 제어기의 적용보다, 가중치 행렬을 수정하여 설계된 새로운 상태 공간 제어기를 적용하는 것이 스택 및 냉각수 입구 온도 제어에 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
즉, 냉각수입구 온도는 PWM 으로 제어를 하지만 펌프는 새로운 제어 알고리즘에 영향을 미치지 않기 때문이다. 반면에 가중행렬을 수정한 제어기는 제어 명령이 펌프와 바이패스 밸브 모두 영향을 미쳐 ITAE 의 값이 가장 작은 것을 확인 할 수 있다.
8은 냉각수 입구 온도의 운전 점과의 ITAE 값을 나타낸 것이다. 스택의 온도와 마찬가지로 가중치 행렬을 변환했을 경우에 가장 작은 ITAE 값이 나타나며, 기존의 상태 공간 제어기를 적용했을 때보다, PWM 제어기를 변환해서 운전했을 경우가 더 작은 ITAE 의 값을 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이것을 통해 비 운전 점 부근에서의 제어기는 운전 점을 기준으로 선형화 한 상태 공간 제어보다 PWM 제어가 더 유리하며, 더 나아가 상태 공간의 가중치 행렬 값을 수정하여 제어를 하는 것이 온도 제어 측면에서 가장 유리 한 것을 확인할 수 있었다.
스택의 온도와 마찬가지로 가중치 행렬을 변환했을 경우에 가장 작은 ITAE 값이 나타나며, 기존의 상태 공간 제어기를 적용했을 때보다, PWM 제어기를 변환해서 운전했을 경우가 더 작은 ITAE 의 값을 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이것을 통해 비 운전 점 부근에서의 제어기는 운전 점을 기준으로 선형화 한 상태 공간 제어보다 PWM 제어가 더 유리하며, 더 나아가 상태 공간의 가중치 행렬 값을 수정하여 제어를 하는 것이 온도 제어 측면에서 가장 유리 한 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
(5~7) 하지만 위의 연구들은 대부분 단일 입출력 시스템에서만 사용 가능한 PID 제어기에 의존하거나 또한, 운전 점을 벗어난 구간에서는 설계된 제어기 성능에 대해서는 연구가 되지 않았다. 따라서, PID 제어기 보다는 다수의 제어기에 의해 운전되는 차량용 연료전지에 적절한 상태 공간 제어 기법 개발이 필요하며, 운전 점을 벗어난 구간에서의 제어기 성능평가 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차량용 연료전지의 운전온도 유지를 위한 제어기 설계로 어떤 연구가 있어왔는가?
또한 잦은 부하 변동에 따른 운전온도 유지를 위해서는 제어기의 성능이 보장 받아야 하며, 이러한 운전온도 유지를 위한 제어기 설계에 많은 연구가들이 연구를 진행하였다. Vasu 등(1)은 Jay 등(2)이 개발한 연료전지 시스템 모델을 바탕으로 온도 동특성을 확인 할 수 있는 모델을 개발하여 전류 변화에 따른 스택의 온도를 예측하였다. Liso 등(3)은 지게차용 연료전지의 스택 온도를 제어 할 수 있는 제어 기법을 연구하였으며, Hu 등(4)은 냉각 시스템의 펌프 전압과 바이패스 밸브 인자를 조정하여 제어하는 퍼지 제어 기법을 연구하였다. 또 다수의 연구가들도 연료전지 냉각 시스템 제어의 기술적인 연구를 수행하였다.(5~7) 하지만 위의 연구들은 대부분 단일 입출력 시스템에서만 사용 가능한 PID 제어기에 의존하거나 또한, 운전 점을 벗어난 구간에서는 설계된 제어기 성능에 대해서는 연구가 되지 않았다.
연료전지는 무엇인가?
여러 신 에너지 중 연료전지는 여러 분야에 많이 적용되는 에너지원으로서, 국내에 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한, 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통하여, 최종 생성물인 전기, 물 그리고 열을 발생하는 장치로서 보통 차량용에는 고밀도, 빠른 시동특성, 양산성 그리고 낮은 운전 온도 등의 장점으로 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자 막 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)를 주로 사용한다.
고분자 막 전해질 연료전지의 장점은 무엇인가?
여러 신 에너지 중 연료전지는 여러 분야에 많이 적용되는 에너지원으로서, 국내에 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한, 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통하여, 최종 생성물인 전기, 물 그리고 열을 발생하는 장치로서 보통 차량용에는 고밀도, 빠른 시동특성, 양산성 그리고 낮은 운전 온도 등의 장점으로 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자 막 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)를 주로 사용한다.
참고문헌 (11)
Vasu, G. and Tangirala, A. K., 2008, "Control-Orientated Thermal Model for Proton-exchange Membrane Fuel Cell Systems," Journal of Power Sources, Vol. 183, pp. 98-108.
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Liso, V., Nielsen, M. P., Koer, S. K. and Mortensen, H. H., 2014, "Thermal Modeling and Temperature Control of a PEM Fuel Cell System for Forklift Applications," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39,No. 16, pp. 8410-8420.
Hu, P., Cao, G. Y., Zhu, X. J. and Hu, M., 2010, "Coolant Circuit Modeling and Temperature Fuzzy Control of Proton Exchange Membrane Fuel Cells," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 17, pp. 9110-9123.
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Bryson, A. E. and Ho, Y. C., 1975, Applied optimal control, Homisphere pub. Cor.
Sayglil, Y., Eroglu, I. and Kincal, S., "Model based Temperature Controller Development for Water cooled PEM Fuel Cell Systems," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 1, pp. 615-622.
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