수소전기차용 연료전지-슈퍼커패시터 직병렬 운용을 위한 전력변환장치 설계 및 제어

국문 초록 (Abstract)

수소 연료전지 차량 (Fuel cell electric vehicle, FCEV)의 경우 차량 주행 시 발생할 수 있는 부하 측 급격한 전력 변동에 대응하기 위해 주 동력원인 FC-stack 외 보조 동력원인 Energy storage system (ESS)를 추가로 적용하고 있다. 보조 동력원인 ESS로 배터리 및 슈퍼커패시터 (Supercapacitor, SC)가 주로 적용되고 있으며 배터리 대비 우수한 전력 밀도 특성으로 인해 급가속 및 급감속과 같은 급격한 출력 변동 상황에 수월하게 대응이 가능할 뿐 아니라 긴 수명으로 인해 동력원 신뢰성을 확보할 수 있는 SC를 적용한 Power-train 구조 설계 관련 연구 및 개발이 활발히 수행되고 있다.
Power-train 내 SC를 단순 병렬 접속하는 경우 FC-stack의 전압 범위에 따라 SC의 전압 범위가 결정되기 때문에 이용률이 제한되는 단점이 존재하며 DC-link 전압 범위를 만족하기 위한 각 동력원의 정격 용량이 증가하여 부피 및 시스템 소형화 측면에서 한계를 갖는다. 이를 보완하기 위해 DC-DC 컨버터의 적용이 요구되며 이를 고려하여 SC를 보조 동력원으로 채택한 기존 Power-train의 경우 병렬 접속 방식을 기반으로 설계 및 다양한 연구가 수행되었다. 그러나 기존의 병렬 접속 방식을 채택하는 경우 양 동력원의 정격 전압이 감소할수록 부하 측 출력 조건을 만족시키기 위한 컨버터의 도통 전류 크기가 증가하기 때문에 손실 측면에서 불리한 특성을 갖는다. 따라서 이를 보완하기 위해서는 동력원 간 직렬 연결을 통해 컨버터 입력 전압을 상승시키고 SC와 FC-stack이 안정적으로 투입 및 절체될 수 있는 신규 구조 설계가 수행되어야 한다.
따라서 본 논문에서는 FC-stack 및 SC 직렬 운용이 가능한 통합형 전력변환기 구조와 이를 위한 제어 알고리즘을 설계하고 검증한다. 전력변환기 구조 설계를 위해서 적용가능한 DC-DC 컨버터 토폴로지 후보군 비교 및 분석을 진행하며 설계된 구조를 바탕으로 차량 주행 모드에 필수적인 컨버터 동작 모드 분석을 수행한다. 또한 필수 동작 모드 간 안정적인 전환을 위해 전력 제어 시퀀스 및 제어 알고리즘을 설계한다. 설계한 제어 알고리즘을 검증하기 위해 차량 주행 시나리오 플로우 차트를 작성하고 PSIM 시뮬레이션 플랫폼 기반 시퀀스 별 정상동작 확인 및 제어 알고리즘 검증을 진행한다. 최종적으로 제안하는 전력변환기 구조 및 제어 방안의 타당성을 검증하기 위해 12kW급 축소모델 테스트 베드를 제작하여 시험 및 성능 평가를 진행한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The conventional power-train of fuel cell electric vehicle (FCEV) utilizes fuel cell stack (FC-stack) as the main power source and energy storage system (ESS), such as a battery and supercapacitor, as an auxiliary power source in order to respond to rapid power fluctuation under the various load situations. Among the various auxiliary power sources, a SC has superior power density characteristics and lifetime compared to the battery. Thus, research and development related to the design methodology and control techniques of the power-train architecture with SC have been actively performed.
However, when SC is simply connected with parallel structure in the power-train of the FCEV, the utilization rate of the SC decreases because the voltage range of SC is determined by the voltage range of the FC-stack. In addition, the rated voltage must be increased in order to satisfy the DC-link voltage range, which is disadvantageous in terms of power density.
Therefore, in this dissertation, the fuel cell-super capacitor series connected power-train for FCEV and its control strategy is proposed. In order to design the power-train structure, bidirectional DC-DC converter topologies are compared and analyzed. Through proposed structure, the necessary operation modes for load situation are analyzed and control algorithms are designed to satisfy the flexible conversion process between each operation mode. In order to verify the proposed system, a vehicle driving scenario is designed, and each sequence of control algorithm is validated through PSIM simulation. Finally, 12kW-rated prototype, as a scaled-down model of 120kW FCEV, is configured and performance of the proposed system is evaluated.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 12
• 1.3. 연구 목적 18
• 1.4. 논문의 구성 21
• 제2장 직렬 운용 통합형 전력변환기 구조 설계 22
• 2.1. 토폴로지 후보군 분석 및 선정 22
• 2.1.1. 절연형 양방향 HDC 토폴로지 23
• 2.1.2. 비절연형 양방향 HDC 토폴로지 27
• 2.1.3. 토폴로지 별 손실 및 효율 양상 비교 및 분석 33
• 2.2. 통합형 전력변환기 구조 설계 결과 40
• 2.2.1. 차량 주행 모드에 따른 컨버터 필수 동작 모드 분석 44
• 제3장 동력원 정격 용량 및 수동 소자 설계 60
• 3.1. FC-stack 정격 용량 설계 62
• 3.2. SC 정격 용량 설계 66
• 3.3. 통합형 전력변환기 구조 적용 유무에 따른 동력원 정격 비교 67
• 3.4. 인덕터 및 DC-link 커패시터 설계 70
• 제4장 전력 제어 및 분배 알고리즘 설계 74
• 4.1. 직렬 접속 동작 시퀀스 및 제어 알고리즘 설계 76
• 4.2. FC-stack 및 SC 전력 분배 알고리즘 설계 81
• 4.3. 시뮬레이션 플랫폼을 통한 전력 제어 및 분배 알고리즘 검증 84
• 4.3.1. Pre-charge 모드 시뮬레이션 검증 87
• 4.3.2. 주행 모드 시뮬레이션 검증 90
• 제5장 시작품 설계 및 하드웨어 성능 평가 106
• 5.1. 축소모델 인덕터 및 DC-link 커패시터 설계 108
• 5.2. 전력 반도체 소자 설계 110
• 5.3. 하드웨어 성능 평가 시험 및 검증 112
• 제6장 결 론 129
• 참 고 문 헌 133