Optimized design and power control strategy for fuel cell-battery hybrid power system

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Industrial drones are increasingly being utilized for a variety of applications such as surveillance, inspection, and surveying, offering greater efficiency, safety, and versatility in industrial settings. According to the Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, the drone market is projected to grow from 494.5 billion won in 2020 to 1 trillion won by 2025. However, conventional batterypowered drones face limitations due to their restricted flight time and lengthy charging periods. Consequently, there is a need for solutions that can offer high power density and faster charging speeds. Hydrogen fuel cells (FC) present a promising solution for industrial drones, as they can provide significantly longer flight times up to four times the range of battery-powered drones. Despite this advantage, fuel cells exhibit slow dynamic characteristics due to their longer operational startup times, which can lead to sluggish response and inadequate power supply during rapid changes in power demand. Moreover, hydrogen fuel cell systems require additional components, such as hydrogen storage tanks, power conversion units, and a balance of plant (BOP) system, to manage and stabilize the power supply and mitigate dynamic limitations. The BOP includes the fuel cell stack along with other essential components responsible for thermal management, water management, and air supply management. To address these dynamic constraints, fuel cells are often paired with batteries in a hybrid system, necessitating careful consideration of the structure and control strategies for effectively integrating the two power sources. To overcome these challenges, previous studies have proposed a variety of fuel cell-battery hybrid structures and control schemes. a parallel structure that directly connects the fuel cell and battery, simplifying the FC-battery hybrid system. While this parallel configuration reduces volume and weight, it also limits power distribution control performance because the operating range of the fuel cell and battery must be restricted to output the same rated voltage. To address this issue, configuration with converters at each output stage has been proposed, allowing for independent control of the two power sources. However, in systems where the fuel cell and battery are controlled independently, the differing control dynamics of the two sources can result in slower power transfer response, hindering the performance of FC-battery hybrid systems in industrial drones, especially those experiencing large load fluctuations. To address these issues, this thesis proposes a parallel configuration that integrates the FC-side converter with the battery, enabling unified control of both power outputs. The proposed control scheme and structure mitigate differences in control dynamics between the two power sources by adjusting the power delivered by the battery to the load side based on the FC output. This approach results in superior system response characteristics, facilitating highpower and high-density operation for industrial drones.

국문 초록 (Abstract)

산업용 드론은 산업 현장에서의 드론 사용이 보다 효율적이고 안전하며 다양한 작업에 적용될 수 있어 감시, 검사, 측량 등 다양한 작업에 활용되고 있다. 국토교통부에 따르면 드론 시장의 성장 규모는 2020년 4945억원에서 2025년 1조원 대로 확대될 예정이다. 그러나 기존의 배터리로 구동되는 드론은 한정된 비행 시간과 충전 시간의 문제로 인해 제약을 받고 있다. 따라서 높은 전력 밀도와 빠른 충전 속도를 충족시키는 방안이 필요하다. 이에 수소연료전지는 산업용 드론 분야에서 배터리 드론 대비 주행거리가 4배 정도의 긴 비행 시간을 확보할 수 있어 유용하게 활용될 수 있어 드론의 전원으로서 주목받고 있다. 하지만 수소연료전지 (Fuel cell, FC)는 작동 시간이 길어 동특성이 느려 전력 요구가 급격하게 변할 때 느리게 반응하여 충분한 전력을 공급하지 못할 수 있다. 또한, 수소연료전지 시스템에는 수소 저장 탱크, 전력 변환 장치 등 추가적인 구성 요소인 주변기기 (Balance of plants, BOP)가 필요하다. 이는 전체 시스템의 복잡도를 높이고 부피를 증가시키는 요인이 된다. 따라서 FC의 느린 동특성 보완과 전력 공급 안정화를 위해 배터리와 결합하여 하이브리드 시스템으로 적용되며, 두 전원의 결합에 대한 구조 및 제어 방안에 대한 고민이 필요하다. 이러한 문제에 대응하기 위해 기존 연구에서는 FC-Battery 하이브리드 구조를 단순화 할 수 있도록 연료전지와 배터리를 직접 연결한 병렬구조가 제안되었다. 병렬구조의 경우 부피 및 무게가 절감되지만, 연료전지와 배터리가 동일한 정격 전압을 출력하도록 동작 범위를 제한하기 때문에 전력분배 제어성능이 한정된다. 제어성능 문제를 해결하기 위하여 두 전원의 독립적인 제어가 가능하도록 각각의 출력단에 컨버터를 적용한 구조가 제안되었다. 하지만 두 전원의 독립적인 전력분배 제어 시, 연료전지와 배터리의 제어 동특성 차이로 인해 전력전달 응답특성이 감소하여 부하변동량이 큰 산업용 드론에 적용되는 FC-Battery 하이브리드 시스템 요구성능을 만족시키는 데 있어 한계가 존재한다. 따라서 본 논문에서는 FC 측 컨버터와 배터리를 병렬로 구성하여 두 전원 출력을 통합적으로 제어할 수 있도록 한다. 제안하는 제어방안 및 구조는 FC 출력에 따라 배터리가 부하 측에 전달하는 전력이 제어되기 때문에 전원 간 제어 동특성 차이를 극복할 수 있어 시스템 응답특성이 우수하며, 드론의 고출력/고밀도 동작이 가능하다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Research background and necessity 1
• 1.2 Literature review 6
• 1.3 Contents of the research 7
• II. Fuel cell-battery hybrid system structure 8
• 2.1 Design strategy for improved energy efficiency in drone 8
• 2.2 Proposed fuel cell-battery hybrid system architecture 10
• 2.3 Design for proposed fuel cell-battery hybrid system 14
• 2.3.1 Proposed fuel cell side converter structure design 14
• 2.3.2 Proposed battery side converter structure design 33
• Ⅲ. Proposed power distribution scheme for FC-battery hybrid system 43
• 3.1 Operation mode classification for drone system 45
• 3.2 Proposed power distribution control scheme for FC-battery hybrid system 49
• Ⅳ. Verification of proposed FC-battery hybrid system applicability 53
• 4.1 Verification of applicability based on 5kW FC-battery hybrid system simulation 54
• 4.2 Verification experiment based on FC-battery hybrid prototype 59
• Ⅴ. Conclusion 65
• References 67
• Korean Abstract 70