냉각시스템의 제어 특성에 따른 차량용 연료전지의 거동 분석

국문 초록 (Abstract)

수소연료전지자동차는 수소와 공기의 전기화학 반응 중 발생하는 전자를 이용해 모터를 구동하는 방식의 차량이다. 수소자동차는 배출가스가 없는 친환경적인 특성을 가지고 있으면서도 내연기관에 준하는 출력을 갖고 있기 때문에 차세대 수송 수단으로 주목받고 있다. 최근에는 중대형 트럭을 수소 전기 트럭으로 개발하여, 중장거리 물류 운송에 적용하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 수소 전기 트럭과 같은 중대형 차량용 연료전지 시스템은 주행 시 높은 전력 수요를 필요로 한다. 전력수요가 많으면 발열량이 많아지게 되며, 이러한 열 발생은 중대형 트럭의 성능과 내구성에 악영향을 끼친다. 따라서 연료전지 시스템의 효율적인 열관리가 필요하다.
이와 같이 효율적인 열관리를 위해서는 성능이 좋은 제어기를 사용해야하며, 제어기는 워터 펌프와 냉각 팬 그리고 삼방 밸브에 적용되어야 하고 각 제어기에 대한 특성을 이해할 필요가 있다. 본 연구에서는 수소 연료전지 중형 트럭에서의 시스템 주행 환경에 따른 특성을 이해하고 이를 통해 최적의 냉각 계통을 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 수소 연료전지 중형 트럭에 사용되는 스택은 다중 동특성 모델과 열관리 계통을 구성하는 각종 구성요소들을 개발하고, 연료전지의 열관리를 위해 적용되는 제어기에 의한 특성을 확인하고자 하였다. 주요 해석 변수로는 제어기의 특성이며, 적용된 제어는 단 제어와 비례적분제어 그리고 상태 공간 제어이며, 이러한 3가지 제어 형태를 적용하여 시스템 열관리 해석을 진행하였다. 차량용 냉각 계통 모델은 레저버, 냉각 팬, 라디에이터, 삼방 밸브 그리고 워터 펌프 등으로 구성되어있다. 연료전지와 냉각 계통 모델은 동특성 모델로 구축하였고, MATLAB/SIMULINK^®를 이용하여 개발 및 구성하였으며, 요구 전력을 얻기 위한 요구 전류가 사용자 측으로부터 입력되면, SIMULINK를 이용하여 해석을 진행하고, 결과적으로 이에 따른 연료전지의 출력, 연료전지의 온도, 발생되는 열량 그리고 냉각 시스템 및 관련 부속품들의 파라미터에 대한 출력을 얻을 수 있다. 또한, 냉각 시스템 구성품의 전력 소모에 따른 에너지 소모율을 도출하여 최소의 에너지 소모율을 보이는 조합을 최적의 방열 방식으로 선정하였다.