428 電力電子學會論文誌第 10 卷第 5 號 2005 年 10 月 論文 10-5-2 2005 전력전자학술대회우수추천논문 연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 趙眞相 *, 丁相玟 **, 李鎭熙 ***, 崔世琓 ****, 韓秀彬 A Control Method of Bidirectional DC-DC Converter for Fuel Utilization and Durability Improvement in Fuel Cell Vehicles Jinsang Jo, Sangmin Jung, Jinhee Lee, Sewan Choi, and Soobin Han 요 약 본논문에서는연료전지자동차와같은하이브리드시스템에서양방향 DC-DC 컨버터에의한충 방전동작시지령전력을정확히제어하여연료전지의내구성을향상시키기위한전력제어기를제안하고자한다. 또한연료이용률을향상시키고배터리의 SOC 를일정하게하여에너지를효율적으로사용하기위한양방향컨버터의충 방전운전알고리즘을제안한다. ABSTRACT In this paper a power controller is proposed to accurately control the commanded power for charge and discharge operation of a bidirectional DC-DC converter so that durability is improved in hybrid systems such as fuel cell vehicles. Also, a control algorithm for charge and discharge operation is proposed to improve fuel utilization and keep battery SOC constant so that energy is effectively utilized. Key Words : Hybrid system, Fuel cell vehicles, Fuel utilization, Durability, Bidirectional DC-DC converter 1. 서론 석유에너지의고갈과환경오염에의한지구온난화를방지하기위한도쿄의정서가발효됨에따라 CO 2 배출을억제하기위한하이브리드및연료전지자동차의개발이시급한과제로부상하고있다 [1-3]. 연료전지자동차의전력변환시스템의구성에는여러형태의것이있지만그림 1 에서와같이연료전지시스 교신저자 : 정회원, 서울산업대제어계측공학과부교수 E-mail : schoi@snut.ac.kr * 정회원, 서울산업대제어계측공학과석사 ( 졸업 ) ** 학생회원, 서울산업대제어계측공학과석사과정 *** 정회원, ( 주 ) 동아일렉콤전원연구소연구원 **** 정회원, 한국에너지기술연구원전기 조명연구센터장접수일자 : 2005. 6. 8 1 차심사 : 2005. 8. 3 심사완료 : 2005. 8. 10 템의느린응답성을보완하고에너지를효율적으로이용하기위하여 1 차에너지원인연료전지이외에주로배터리또는수퍼커패시터등의 2 차에너지저장장치를이용하여하이브리드시스템으로구성하게되는것이일반적이다 [4, 5]. 여기에서양방향컨버터는배터리등의에너지저장장치를통하여적절한에너지를충 방전함으로서일정한연료이용률을유지하고연료전지와부하간전력의균형을맞추는역할을하게된다 [6]. 그런데부하의급격한변동과같은과도상태에서배터리전류의신속한증가를위하여작은값의인덕터사용이요구되며이때문에인덕터전류의리플이커서양방향컨버터의피크전류모드제어시피크값과평균값의차이에기인하는적지않은오차가지령전력과실제출력전력사이에발생하게된다. 또한양방향컨버터의부스트동
연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 429 그림 1 연료전지자동차의전력변환시스템 Fig. 1 Power conditioning system for fuel cell vehicle 작시전력회로의손실에의한오차로인하여양방향컨버터가정확한유효전력을공급하지못하게된다. 따라서이와같이지령전력과실제출력전력사이의오차로인한전력의불균형이발생하게되어연료전지가과부하로동작하게된다. 이같이연료전지에서연료및산소의공급이원활하지않은과부하상태가반복되면연료전지내부에서반응가스의확산불량에의한연료전지수명단축을초래할수있으므로양방향컨버터에의한유효전력의공급을정확히제어하는것이필요하다 [7]. 본논문에서는그림 1 과같은하이브리드시스템에적용가능한양방향 DC-DC 컨버터토폴로지를선정하고선정한컨버터에대하여기본적인충 방전동작및원리에대하여고찰한후각소자를설계한다. 또한양방향 DC-DC 컨버터에의한충 방전동작시원하는지령전력을정확히제어하여연료전지의과부하에의한수명단축을개선하기위하여양방향 DC-DC 컨버터및제어부를소신호등가회로로모델링하여전력제어기를제안하고자한다. 또한연료이용률을향상시키고배터리의 SOC 를일정하게제어하여에너지를효율적으로사용하기위한양방향컨버터의충 방전운전알고리즘을제안한다. 2. 비절연형단상하프브리지컨버터동작원리및설계 그림 1 의연료전지자동차의전력변환시스템에적용할수있는양방향 DC-DC 컨버터로는절연형과비절연형이있다. 절연형양방향 DC-DC 컨버터는입 출력의전압비가매우큰경우 Push-Pull, Half-Bridge 또는 Full-Bridge 회로에고주파변압기를사용하여구현할수있지만이러한구조는고주파변압기에의 한손실과스위치수의증가로효율이감소할수있기때문에통상전압비가 5 이하에서는비절연형양방향 DC-DC 컨버터가가장우선적으로고려할필요가있는구조이다. 비절연형양방향 DC-DC 컨버터로는 Half-bridge, Cuk, 및 SEPIC/Luo 컨버터등이있는데이중 Half-bridge 컨버터는다른두컨버터에비하여다음의장점이있으므로본논문에서는 Half-bridge 컨버터를선정한다 [8]. 하나의인덕터와커패시터만필요하다. 인덕터의용량이작다. 스위치의전압 전류정격이작다. 표 1 축소된하이브리드시스템사양 Table 1 Reduced system specification of the hybrid system Energy source Output Power Capability 항목사양 Source Battery Nominal 30V~60V 12V/80Ah 250W~1kW Overload 1.5kW( 최대 5 초 ) 표 1 은본논문에서사용될축소된하이브리드시스템의사양이다. 그림 2 는선정한비절연형 Half-Bridge 컨버터로 V b 는배터리전압이고, 배터리측의인덕터 L 과스위치 S 1, S 2 와직류단측의커패시터 C 로이루어진다. 다음으로양방향컨버터의기본적인충 방전모드동작에대하여고찰한다. 2. 1 방전모드그림 2(a) 의 Half-bridge 컨버터에서두개의스위치중 S 2 가능동스위치로동작할경우다이오드 D 1 의동작으로그림 2(b) 의부스트컨버터가되어배터리에서직류단으로에너지가전달되고직류단측에연결된부하에서에너지가소비되는방전모드로동작한다. 그림 1 과같은하이브리드시스템에서방전모드로동작하는경우는최대부하가걸리는상태에서추가로과부하가걸리는경우와경부하가걸려있는상태에서급격히부하가증가하는경우이다. 이런경우양방향컨버터는필요한에너지를공급하기위하여부스트컨버터가된다.
430 電力電子學會論文誌第 10 卷第 5 號 2005 年 10 月 (1) 반대로컨버터가방전모드로되어있어 I b( ds) 의전류 (a) 컨버터회로도 로방전되는상태에서충전전류 의명령을받게되면그림 2(b) 의부스터에서 S 2 가 off되고다이오드 D 1 만동작하여방전전류는감소하게되고최종에는 0 이된다. 그이후에는 S 1 이충전전류의명령으로 on이된상태이므로인덕터의전류가 의상태가될때까지계속도통된다. 이때방전모드에서충전모드로전환하는과도시간은다음식과같다. (2) (b) 부스트 ( 방전 ) 모드 (c) 벅 ( 충전 ) 모드 그림 2 비절연형하프브리지컨버터 Fig. 2 Non-isolated half-bridge converter 2. 2 충전모드그림 2(a) 의 Half-bridge 컨버터에서두스위치중 S 1 이능동스위치가되는경우다이오드 D 2 의동작으로그림 2(c) 의벅컨버터로동작하여직류단측에서배터리로에너지가전달되는충전모드로동작하게된다. 과부하가걸리지않는대부분의동작시에는배터리의 SOC 를항상일정값 (0.97) 이상으로유지하기위해연료전지에서발생되는에너지로부터충전을하여야하며양방향컨버터는벅컨버터가되어충전모드로동작하게된다. 이때 SOC 가 0.85 이상 0.97 이하이면충전전류 I b( ch) 는배터리의용량의 0.2C에해당되는전류 (15A) 로충전하고 SOC가 0.85 이하이면급속충전을한다. 2. 3 충 방전모드전환의과도상태충전모드에서방전모드로또는방전모드에서충전모드로의전환시에는모드전환과정에서과도적상태가발생된다. 컨버터가충전모드로되어있어 I b( ch) 의전류로충전되는상태에서방전전류 의명령을받게되면그림 2(c) 의벅컨버터에서 S 1 이 off되고다이오드 D 2 만동작하여충전전류는감소하게되고최종에는 0이된다. 그이후에는 S 2 가방전전류의명령으로 on이된상태이므로인덕터의전류가 의상태가될때까지계속도통된다. 이때충전모드에서방전모드로전환하는과도시간은다음식과같다. 결과적으로방전에서충전모드로의전환시간보다충전에서방전모드의전환시간이더걸리게되지만컨버터의전환시간은인덕턴스가 100uH 인경우 1ms 이하로충분히짧은시간이다. 2. 4 인덕터의설계충 방전모드와관련하여인덕터의전류는항상연속모드로동작하도록인덕턴스값을결정한다. 따라서벅컨버터로동작할경우는다음식을만족하여야한다. L DT s 2I b( ch) (V o - V b ) (3) 또한부스트컨버터로동작할경우는다음식을만족하여야한다. L T sd(1-d) 2I b( ds) V o (4) 두가지모드와양방향컨버터의입출력동작변화를모두감안하면리플전류 10A 에대해연속모드로동작하기위한최소인덕터의값은스위칭주파수 20kHz 를기준으로벅모드에서 V o 가 60V, V b 가 12V, D=0.2 인조건일때이며이경우 48uH 가된다. 따라서설계값은 100uH 로결정하고이경우벅모드에서의리플전류는 5A 이며배터리정격의 0.2C 수준인 15A 의충전전류를유지할경우전류리플은 33% 에해당되지만충 방전전류값이증가할수록적은비율의리플전류를보이게된다.
연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 431 2. 5 직류단커패시터용량의선정배터리의경우는 12V, 80Ah 의배터리를사용한다. 최대방전시 1C 이상인 90A 의방전전류가흐르게되지만 5 초이하의백업시간이므로배터리에무리를주지않는다. 방전시배터리의최저방전전압은 10V 로제한한다. 또한컨버터의지연시간동안은캐패시터에서순간방전할수있으므로다음과같이커패시터의용량을설계한다. C = I max T d v (5) 여기서 T d 는양방향컨버터의동작지연시간, v 는커패시터전압강하허용값, I max 는인버터전류의최대값임. 3. 제안하는양방향컨버터의전력제어기및운전제어알고리즘 기서 P L 은부하전력, P F 는연료전지출력전력이다. 제안한양방향 DC-DC 컨버터및제어부를충전과방전의각모드별로교류소신호등가회로를이용하여모델링하여피크전류제어와컨버터의소자손실에의한오차를보상하기위한전력제어기를설계한다. 부스트모드시양방향컨버터를평균화방법을이용하여교류소신호모델링을하면그림 4 와같다. 이로부터듀티에대한인덕터전류, 즉배터리전류의전달함수 G id(s) 와배터리전류에대한출력전압의전달함수 G vi (s) 는다음식과같다. (6) (7) 3. 1 전력제어기설계그림 3 은제안하는양방향컨버터의제어시스템구성도로서이는상위제어기로부터의전력지령을수행하기위한전력제어기, 과도상태응답의향상을위한피드포워드제어및피크전류모드제어기로구성된다. 그림 4 부스트모드에대한교류소신호모델 Fig. 4 AC small signal model for boost mode (8) 그림 3 제안하는양방향컨버터제어시스템구성도 Fig. 3 Proposed control block diagram for bidirectional DC-DC converter 여기서양방향컨버터측에서보면부하측인인버터와전원측인연료전지가병렬로연결된부하로볼수있으므로 를이용하여이를등가적인저항으로표현하면다음수식과같이나타낼수있다. 여 식 (7) 와 (8) 에서구한양방향컨버터의부스트모델과피크전류모드제어에대한전달함수를포함하는상세한제어블록도그림 5에나타낸다. 피크전류모드제어부는전체듀티구간을사용하기위해추가한톱니파에의한영향을고려하여모델링하였으며 F M =0.5 이다. 또한본시스템의부스트모드의경우입력전압이배터리이기때문에변화가거의없으므로입력전압의변동에관한부분은무시할수있다. 연료전지전력과부하전력의차를상위제어기가계산하여양방향컨버터로지령하면양방향컨버터는지령전력 에의한배터리지령전류를추종하기위하여 G c (s) 로보상하여전력제어를수행한다.
432 電力電子學會論文誌第 10 卷第 5 號 2005 年 10 月 또한궤환신호로서실제양방향컨버터의출력측에서의전력변동분을얻기위해필요한양방향컨버터출력전류 i o 를측정하는것이용이하지않으므로먼저부스트컨버터의교류소신호모델로부터배터리전류에대한양방향컨버터출력전압에대한전달함수 G vi (s) 를구하고이로부터얻은출력전압의변동분에인버터입력전류 i i 에서연료전지출력전류 i f 를뺀값을곱하여실제양방향컨버터의출력측에서의전력변동분을구한다. 그리고부하의급격한변동시출력전압의변동분만을구하여보상하면과도상태의응답이느릴수있으므로연료전지출력전류의변동분을피드포워드하면과도상태의응답특성을개선할수있다. 그림 5 로부터전력지령치에대한출력전력의전달함수를구하면다음과같다. (9) 수식 (9) 를보드선도로나타내면그림 6 과같고여기서보상기를추가하지않았을경우를살펴보면 DC 게인은 57.8dB 이고위상여유는 -74 로시스템이불안정함을알수있다. 따라서 DC 게인과위상여유를증가시키기위하여 PID 보상기를설계하여추가하였다. 보상후의위상여유는 90 로증가하였고또한 DC 게인도증가하였으나밴드폭이감소하여과도상태응답이느려질수있지만이는연료전지출력전류의변동분을피드포워드하여개선하였다. 3. 2 양방향컨버터의운전제어알고리즘그림 7 은연료이용률을향상시키고배터리의 SOC 를일정하게유지하여하이브리드시스템의전력의균형을정확히맞춤으로서에너지를효율적으로사용하기위하여제안한양방향컨버터의충 방전운전알고리즘을나타낸다. 본논문에서는연료이용률은 0.8 로배터리의 SOC 는 0.97 로가정하였다. 우선연료전지와부하및배터리로부터다음의값을측정한다. P a (available power) : 연료전지로부터즉시내줄수있는전력 P F (fuel cell power) : 연료전지에서현재출력되고있는전력 P L (load power) : 현재부하전력 SOC (state of charge) : 배터리의충전상태를나타내는값으로다음식과같이구할수있다. 그림 5 부스트모드의제어블록도 Fig. 5 Control block diagram for boost mode 그림 6 보드선도 Fig. 6 Bode plot SOC= Q o - i bdt (10) Q n 이때, Q o 는배터리의초기충전전하량으로만충전상태를기준으로하며 Q n 은배터리의정격용량 80Ah 이다. 부하전력과연료전지출력전력을비교하여충전동작또는방전동작이가능한루틴으로들어가서양방향컨버터에요구할배터리충전또는방전전력의지령값 P * b(commanded battery power to bidirectional converter) 과연료전지측에요구할가능전력의지령값 P * a(commanded available power to fuel cell) 을계산한다. 부하전력이증가한경우 SOC 가 0.2 이상이고연료전지의가능전력 P a 이부하전력 P L 보다클때양방향컨버터를동작시킬필요없이연료전지에서바로가능전력을부하로공급할수있게하며연료전지의가능전력 P a 이부하전력 P L 보다작을때만이양방향컨버
연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 433 터를동작시켜배터리에서부족한전력을공급하고동시에연료전지측에가능전력을높일것을요구하게되는데이때연료이용률이일정하게유지되도록요구하게된다. 충전모드에서는배터리의 SOC 를항상 0.97 이상이되도록유지하는것을목표로한다. 부하전력이감소한경우 SOC 에따라충전전류의크기를달리하는데 SOC 가 0.85 이하로낮은경우에는연료전지에서가능한최대전력과부하전력의차로배터리를충전시키는것과동시에연료전지에가능전력을최대로높일것을요구하게된다. 또한 SOC 가 0.85 보다크고 0.97 보다작은경우에는 0.2C 의충전전류에해당하는전력인 200W 로충전시키게된다. 또한충전모드에서도방전모드와마찬가지로연료전지측에가능전력 P * a 를지령할때연료이용률이일정하도록가능전력을지령하게된다. 4. 시뮬레이션 그림 8 은부하가약 1000W 에서 1300W 로변동하였을때의시뮬레이션파형을보여준다. 그림 8(a) 에서와같이부하전류가계단파형으로증가한경우부하전력과연료전지전력의차에해당하는전류가그림 8(b) 와같이배터리로부터방전될때전력제어기가있는경우정확한전류가방전되어그림 8(c) 와그림 8(d) 에서보듯이연료전지출력전류와직류단커패시터전압파형 (a) 부하전류 i L 전력제어기가있는경우 전력제어기가없는경우 (b) 배터리전류 i b 전력제어기가없는경우 전력제어기가있는경우 (c) 연료전지출력전류 i F 전력제어기가있는경우 전력제어기가없는경우 그림 7 연료이용률향상및배터리 SOC 제어를위한양방향컨버터운전기법 Fig. 7 An operation algorithm of bidirectional DC-DC converters for fuel utilization improvement and battery SOC control (d) 커패시터전압 V o 그림 8 시뮬레이션파형 Fig. 8 Simulation waveforms
434 電力電子學會論文誌第 10 卷第 5 號 2005 年 10 月 의변화가거의없이제어되는것을볼수있지만전력제어기없는경우에는그림 8(b) 와같이부하전력과연료전지전력의차에해당하는전류가방전되지못하고또한그림 6 의보드선도에서보았듯이위상여유가없어서오실레이션이발생하는것을볼수있다. 따라서그림 8(c) 와그림 8(d) 에서보듯이연료전지출력전류가증가하고직류단커패시터의전압이감소하는것을볼수있다. (a) 부하전력 P L 5. 실험결과 축소모형은 1.5kW 급으로제작되었으며실험사양은다음과같다. 저전압측배터리 : 12V 고전압측전압 : 30~60V 인덕턴스 : 100uH 직류단커패시터 : 6800uF 스위칭주파수 : 20kHz 그림 9 는양방향컨버터의충 방전모드전환시배터리전류의변화를나타내는실험파형이다. 그림 9(a) 와 (b) 는충전모드에서방전모드로방전모드에서충전모드로전환시각각의배터리전류의과도상태를보여주고있다. (b) 배터리전류 i b (c) 연료전지출력전력 P F 그림 10 실험결과파형 Fig. 10 Experimental waveforms (a) 충전에서방전으로의모드전환 그림 10 은부하가약 600W 에서 800W 로증가시실험결과파형을보여준다. 그림 10(a) 에서와같이부하전력이계단파형으로증가한경우그림 10(b) 에서보면전력제어기가있는경우 200W 에해당하는전류가방전되나전력제어기가없는경우컨버터의손실과피크전류모드시오차로 170W 만이출력되는것을볼수있다. 따라서그림 10(c) 에서보듯이전력제어기가있는경우는연료전지출력전력이변화없이제어되고있는것을볼수있다. 6. 결론 (b) 방전에서충전으로의모드전환 그림 9 충방전모드변환실험파형 Fig. 9 Experimental waveforms of charge and discharge mode change 본논문에서는연료전지 - 배터리하이브리드시스템에서두전원과부하간의전력을효율적으로제어하여연료전지의과부하로인한수명단축을개선하기위한
연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 435 전력제어기를제안하고연료이용률을향상시키고배터리 SOC 를일정하게제어할수있는운전알고리즘을제안하였다. 제안한방식은 1.5kW 급의양방향 DC-DC 컨버터를통한실험및모의실험으로타당성을입증하였다. 제안한양방향컨버터의제어기법은연료전지자동차, 독립형 (stand-alone) 연료전지발전시스템및연료전지를이용한 UPS 등에활용될수있다. 저자소개 조진상 ( 趙眞相 ) 1977 년 12 월 6 일생. 2003 년 서울산업대 제어계측공학과 졸업. 2005 년 동 대학원 제어계측공학과 졸업 ( 석사 ). 현재 유학준 비중. 이논문은산업자원부의지원에의하여기초전력연구원 (R-2003-B-315) 주관으로수행된과제임. 참고문헌 [1] 최세완, 연료전지발전시스템에서의전력전자기술, 전력전자학회지특집기사, pp.30-35 2003. 8. [2] 이진희, 조진상, 장민수, 최세완, 한수빈, 고체산화물형연료전지를위한 10kW급독립전력변환장치의개발, 전력전자학회논문지, 제8권 6호, pp.551-560, 2003. 12. [3] 장수진, 김진태, 이태원, 이병국, 원충연 능동클랩프전류형하프브리지컨버터를적용한연료전지발전시스템 전력전자학회논문지, 제10권 1호, pp. 78-86, 2005. 2. [4] 강정일, 노정욱, 이성세, 문건우, 윤명중 전기자동차응용을위한 DC-DC 컨버터의설계및제어 전력전자학회논문지, 제7권 6호, pp 587-595, 2002. 12. [5] 정상민, 조진상, 최세완, 한수빈 하이브리드에너지시스템에서양방향 DC-DC 컨버터에의한배터리제어기법 전력전자학회하계학술대회논문집, pp. 359-363, 2004. 7. [6] Liu, C., Nergaard, T., Leslie, L., Ferrell, J., Huang, X., Shearer, T., Reichl, J., Lai, J., Bates, J. Power balance control and voltage conditioning for fuel cell converter with multiple sources, IEEE PESC, Vol. 4, pp. 2001-2006, 2002, June. [7] 한수빈, 연료전지 /Battery 복합운전의모델링시뮬레이션기술개발, 한국에너지기술연구원, 2003. 9. [8] R.M. Schupbach, J.C. Balda, Comparing DC-DC Converter for Power Management in Hybrid Electric Vehicles, Electric Machines and Drives Conference, Vol. 3, pp. 1369-1374, 2003, June. [9] K. Wang, C.Y. Lin, L. Zhu, D. Qu, F.C. Lee, J.S. Lai, "Bi-directional DC to DC Converters for Fuel Cell Systems", Power Electronics in Transportation, pp. 47-51, 1998, Oct. 정상민 ( 丁相玟 ) 1979 년 2 월 20 일생. 2004 년서울산업대제어계측공학과졸업. 2004 년 ~ 현재동대학원제어계측공학과석사과정. 이진희 ( 李鎭熙 ) 1976 년 7 월 12 일생. 2003 년서울산업대제어계측공학과졸업. 2005 년동대학원제어계측공학과졸업 ( 석사 ). 현재 ( 주 ) 동아일렉콤전원연구소연구원. 최세완 ( 崔世琓 ) 1963 년 3 월 3 일생. 1985 년인하대전자공학과졸업. 1992 년미국 Texas A&M Univ. 대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1995 년동대학원졸업 ( 공박 ). 1985 년 ~1990 년대우중공업중앙연구소주임연구원. 1996 년 ~ 1997 년삼성전기종합연구소수석연구원. 1997 년 ~ 현재서울산업대제어계측공학과부교수. 당학회재무이사. 한수빈 ( 韓秀彬 ) 1958 년 6 월 9 일생. 1981 년한양대전자공학과졸업. 1986 년한국과학기술원전기및전자공학과졸업 ( 석사 ). 1997 년한국과학기술원전기및전자공학과졸업 ( 공박 ). 현재한국에너지기술연구원전기 조명연구센터장. 당학회편집이사.