3.1 수소연료전지 하이브리드 시스템용 DC-DC 컨버터의 기능 및 기본 설계

본 논문에서 제안하는 컨버터는 연료전지 파워팩의 출력 전압 범위(110~150Vdc)를 안정적으로 100Vdc로 강압하여 전기 구동장치에 전원을 공급할 수 있도록 설계되었다. 이를 통해 하이브리드 파워시스템의 안정적이고 신뢰성 높은 전력 공급이 가능하다. 그림 3은 제안된 수소연료전지 DC-DC 컨버터의 3D 모델과 제안하는 토폴로지 구성을 나타낸다. 해당 컨버터는 2대의 연료전지 파워팩으로부터 각각 독립된 전력을 입력받는 구조로 설계되었으며, 이에 따라 양 측면에 2채널 입력부가 배치되었다. 또한, 전동기 구동 전원과 배터리 충전 전원이 분리되어야 하므로, 출력부는 그림 3(a)를 기준으로 컨버터 상단에 2개의 출력채널이 위치한다. 각 컨버터 회로에 사용되는 인덕터 4개는 상단에 배치하여 냉각 팬을 통해 효과적인 열 방출이 가능하도록 설계되었다. 발열이 집중되는 스위칭 소자와 다이오드는 컨버터 하단에 배치하여 그림 3(b)와 같이 방열판을 통한 직접 냉각이 가능하게 하여 전체 열관리 효율을 향상시켰다. 제안된 컨버터는 이러한 설계를 통해 고효율 전력 변환 및 안정적인 전원 공급 기능을 수행할 수 있으며, 하이브리드 파워시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서 제안하는 수소연료전지용 DC-DC 컨버터의 회로 구성은 그림 3(c)에 도시된 바와 같이, 총 4개의 Buck 컨버터를 병렬로 조합하여 단일 하드웨어로 시스템을 구성하였다. 이러한 다중 컨버터 구조는 연료전지 파워팩으로부터 출력되는 DC 전압(110~150V)을 안정적으로 강압하여 목표 전압인 100Vdc전압제어를 통해 전기 구동장치에서 필요로 하는 안정적인 DC 전압 공급이 가능하도록 설계되었다. 또한, 시스템 상위 제어기와의 실시간 통신을 위해 CAN(Controller Area Network) 통신 기능을 지원하며, 이를 통해 외부로부터의 제어 지령 수신과 컨버터 상태 정보 송신이 모두 가능하도록 하였다. 더불어, Telemetry를 활용하는 SCI(Serial Communication Interface) 통신 기능을 활용함으로써 원격에서의 제어 및 모니터링이 가능하게 하였다. 이러한 실시간 통신 기반 제어 아키텍처는 운항 중 컨버터의 동작 상태를 실시간으로 확인하고, 필요한 경우 즉각적인 제어를 수행할 수 있는 기반을 제공한다.

그림 3. 수소연료전지 컨버터의 3D 모델 및 전체 시스템 구성도

Fig. 3. 3D model & Fuel-Cell DC-DC Converter System Configuration

3.2 수소연료전지 DC-DC 컨버터의 제어

3.2.1 DC-DC 컨버터의 기본 기능 1 (Multi-Input Single Output)

제안하는 수소연료전지 DC-DC 컨버터는 수소연료전지 파워팩 2대로부터 입력을 받아 하나의 출력을 생성하는 구조를 가진다. Part 23급 항공기의 DC-BUS 전압은 비교적 낮은 약 800Vdc로 선정되므로 상대적으로 큰 전류를 가지게 된다.

이에 따라 적은 용량을 가지는 DC-DC 컨버터 모듈을 병렬연결로 확장하여 큰 전력을 생성할 수 있도록 하였다. 따라서, 출력 전압은 하나이지만, 수~수십개의 컨버터로 이루어진, MISO(Multi-Input Single Output) 제어시스템으로 간주할 수 있다. 즉 하나의 전압제어기가 마스터가 되고 전압제어 명령에 따라 개발 컨버터가 전압 및 전류를 제어하는 복합 시스템을 구현하여야 한다.

그림 4. MISO의 제어 블록도

Fig. 4. Control Block Diagram of MISO

그림 4는 MISO의 제어 블록도를 도식화하여 나타낸 그림이다. Master에서 전압제어기를 거쳐서 생성되는 전류 지령은 n개의 Slave 제어기 각각에 모두 1/n 씩 분배되어 각 컨버터의 부하 밸런싱을 이루는 구조이다.

본 논문에서는 축소형 하이브리드 시스템 컨버터의 출력제어 전압을 100Vdc 전압으로 가정하고, 2대의 Slave가 하나의 Master로부터 지령을 받아서 부하의 밸런싱을 이루며 목표하는 전압제어를 수행하도록 한다.

3.2.2 DC-DC 컨버터의 기본 기능 2 (Dual Input Single Output)

제안된 컨버터는 DC-BUS 전압을 일정하게 유지해야 함과 동시에, 배터리 충전 전류를 안정적으로 제어해야 하는 특징을 가진다. 이때 두 채널에서 공급받는 전원으로부터 동일하게 절반씩 전류가 분담되어야 수소연료전지 파워팩이 균등하게 수소를 소모하며, 성능 저하 없이 안정적인 전력 공급이 가능하다. 입력 전류가 불균형하게 분담될 경우, 특정 파워팩에 과도한 부하가 걸리게 되어 수소연료전지 파워팩의 불균형 및 수명 저하를 초래할 수 있다. 이를 방지하고 출력 전류의 적절한 부하 분담을 실현하기 위해, 본 논문에서는 전압제어기 내부에 듀얼 루프 전류제어기를 포함한 캐스케이드(cascade) 방식의 제어 구조를 사용하였다.

그림 5(a)는 전류제어기의 블록 다이어그램을, 그림 5(b)는 전압제어기의 블록 다이어그램을 나타내고, 그림 5(c)는 전체 제어시스템을 나타낸다. 전류제어기는 각 채널의 인덕터 전류를 실시간으로 모니터링하고, 전류 불균형이 발생하지 않도록 독립적으로 부하 밸런싱 제어를 수행한다.

전압제어기는 출력 전압의 안정성을 유지하기 위해 출력 전류 요구량을 동일하게 나누어 두 개의 전류제어기로 지령값을 전달하며, 컨버터의 전압제어 및 부하 밸런싱 제어가 이루어진다. 이러한 캐스케이드 제어 구조는 출력 전류의 정밀한 제어와 함께 빠른 응답 특성을 제공하며, 하이브리드 동력시스템의 안정성을 높이는 데 기여한다. 듀얼루프 전류제어기를 포함하는 캐스케이드 제어기의 듀티 지령 생성은 아래의 식과 같다. 먼저 전압 지령과 출력 전압 피드백 값을 비교하여 인덕터 전류 지령을 식 (1)과 (2)와 같이 생성한다. 인덕터 전류 지령은 두 스택의 입력 전원으로부터 부하를 절반씩 부담해야 하기 때문에 식 (3)을 통해 듀얼루프 전류제어기 A상, B상 각각이 절반씩 인덕터 전류 지령을 나눠 갖는다. 다음 각각의 전류제어기에서 독립적으로 전류제어를 수행하여 식 (4) ~ (7)과 같이 A, B상의 듀티 지령이 각 상의 전류 밸런싱이 이루어지도록 생성된다.

그림 5. DC-DC Converter 제어 블록도

Fig. 5. Control Block Diagram of Controller

(1)

$V_{err}=V_{out.ref}-V_{out.fb}$

(2)

$I_{L_{ref}}=k_{p\_vc}\times V_{err}+k_{i\_vc}\int V_{out.err}$

($k_{p\_vc}, k_{i\_vc} = \text{voltage controller P gain, I gain}$)

(3)

$1/2I_{L_{ref}}=I_{L\_ref_{A}}=I_{L\_ref_{B}}$

(4)

$I_{L_{err\_A}}=I_{L\_ref_{A}}-I_{L\_fb_{A}}$

(5)

$I_{L_{err\_B}}=I_{L\_ref_{B}}-I_{L\_fb_{B}}$

(6)

$Duty_{ref\_A}=k_{p\_cc}\times I_{L_{err\_A}}+k_{i\_cc}\int I_{L_{err\_A}}$

(7)

$Duty_{ref\_B}=k_{p\_cc}\times I_{L_{err\_B}}+k_{i\_cc}\int I_{L_{err\_B}}$

($k_{p\_cc}, k_{i\_cc} = \text{current controller P gain, I gain}$)

3.2.3 DC-DC 컨버터의 전력분배기능

수소연료전지 시스템의 연료전지 파워팩은 자체 정격 용량의 100% 이상을 출력으로 낼 수 없으며, 그 이상을 출력하게 되면 영구적인 손상을 가져올 수 있다. 따라서 정격 용량을 초과하지 않으면서 컨버터 출력모드의 동시 운영시에 잉여 전력을 배터리에 충전할 수 있는 전력분배 기능을 포함하였다.

그림 6(a)는 전력공급의 우선순위 및 배터리 충전전류를 고려하여 나타낸 전력분배 곡선이다. 그림 6(b)는 전력분배 알고리즘을 수행하기 위한 플로우차트를 나타낸다. 제안된 알고리즘은 배터리 충전 모드와 전동기 전력 공급 모드가 함께 구동될 때, DC-DC 컨버터 1대의 전체 정격 전류 50A(5kW) 내에서 추진 전동기의 전력 공급을 최우선으로 수행한다. 이후 남은 잉여 전력을 계산하여 배터리 충전 전류로 활용하도록 전력분배 알고리즘을 설계하였다. 또한, 전력분배 알고리즘은 보조 동력원으로 사용하는 27S 리튬이온 배터리팩의 충전 전류 30A 제한치를 초과하지 않도록 전류 제한 기능을 포함하고 있다. 이를 통해 배터리 보호 및 수명저하를 방지하며, 안전한 충전이 가능하도록 하였다.

그림 6. 전력분배 특성 곡선 및 알고리즘 플로우차트

Fig. 6. Power Distribution Curve & Algorithm Flow chart

4.1 시뮬레이션 모델링

Matlab/Simulink를 활용하여 수소연료전지 파워팩과 컨버터의 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 DSP에서 구현되는 디지털 제어와 동일한 환경을 구현하고자 시뮬레이션의 샘플링 타임, 전압제어기 및 전류제어기의 동작 주기, 피드백 신호들의 샘플링 타임, 스위칭 주파수를 DSP의 각 기능별 수행 시간을 고려하여 시뮬레이션에 반영하였다. 시뮬레이션 모델의 구성은 그림 7처럼 제어기, 전력변환 회로, 동력원 시스템과 같이 크게 3가지로 구분된다. 제어기의 시뮬레이션 모델은 3.2.2절에서 언급한 듀얼루프 전류제어기를 설계하였고, 전력변환 회로는 두 Buck 컨버터 회로가 하나의 출력을 생성할 수 있도록 한다. 또한 Matlab/Simulink에서 제공하는 Fuel-Cell Stack 블록을 이용해서 수소연료전지 파워팩 모듈을 모델링하였다. 단순화된 등가모델로 이루어져 있는 Fuel-Cell Stack 블록을 활용하였지만 연료전지의 전기화학적 특성이 반영되어, 연료전지의 출력 전압과 전류의 관계는 실제 수소연료전지 파워팩과 유사한 특성을 가진다 ^{[14- 15]}.

그림 7. 시뮬레이션 모델링 구성

Fig. 7. Configuration of Simulation model for Fuel-Cell DC-DC Converter

4.2 시뮬레이션 결과 – 듀얼루프 전류제어

제안된 수소연료전지 DC-DC 컨버터의 듀얼루프 전류제어기의 특성을 확인하기 위해 양측의 수소 스택의 출력 전압차이를 모의하여 출력특성 결과를 확인하였다. 가장 일반적으로 쉽게 적용할 수 있는 전압제어기만을 사용하였을 때와 듀얼루프 전류제어기가 적용된 시뮬레이션의 결과를 비교하였다. 두 가지 케이스 모두 초기에는 두 입력 전원이 동일하게 120V로 인가되다 0.25s 이후 A상 전원이 140V로 상승했을 경우를 시뮬레이션하여 컨버터의 출력을 그래프로 확인하였다.

그림 8. 전압제어기 적용

Fig. 8. Only Voltage Controller

그림 9. 듀얼루프 전류제어기 적용

Fig. 9. Cascade dual-loop current controller

그림 8(a)는 전압제어기만을 적용했을 때의 두 상의 입력전압, 컨버터 출력전압, 전류를 나타내고 그림 9(a)는 듀얼루프 전류제어기를 적용했을 때의 두 상의 입력전압, 컨버터 출력전압, 전류를 나타낸다. 두 가지 시뮬레이션에서 모두 출력 5kW/ 100Vdc를 만족하지만 그림 8(b)와 그림 9(b)의 인덕터 전류를 비교하면 두 제어기의 특성 차이가 확연함을 알 수 있다. 전압제어기만을 사용했을 때 한 쪽 입력이 상승하면 해당 채널이 제어 주도권을 가져가면서 한 상에서만 부하를 분담하는 것을 볼 수 있다. 반면에 듀얼루프 전류제어기가 적용된 인덕터 전류를 확인하면 리플 전류의 차이는 있지만 평균 전류는 두 상이 절반씩 분담하여 부하 밸런싱이 잘 이루어짐을 확인하였다.

4.3 시뮬레이션 결과 – 전력분배 알고리즘

그림 10은 인버터 전원 공급 모드와 배터리 충전 모드가 함께 동작 중일 때의 전력분배 알고리즘이 잘 동작하는지를 나타내는 파형이다. 출력 1채널은 배터리 블록을 사용하여 배터리의 충전 모드로 전력을 공급하고, 출력 2채널은 인버터 전원공급 모드로 전체 전력제어를 시뮬레이션 하였다. 그림 10의 1번 구간과 6번 구간은 배터리 충전모드시의 2개 채널의 전류파형이며, 충전전류 30A를 넘지 않으며 컨버터의 출력전류를 제어하고 있다. 3번 구간에서는 인버터 전력공급 모드, 2번, 4번, 5번 구간은 인버터에서 사용하고 남은 잉여전력을 배터리 충전 전력으로 출력하는 동시 전원 공급모드로 동작한다. 전체 용량 5kW 내에서 인버터 전력공급을 우선순위로 하며 배터리 충전전류 제한 기능이 잘 동작함을 확인할 수 있다.

그림 10. 전력분배제어 출력 결과

Fig. 10. Results of Power Distribution Control

5.1 수소연료전지 DC-DC 컨버터 단독 실험

저항 부하기와 Power Supply를 활용하여 수소연료전지 DC-DC 컨버터의 정격 운전 및 제어 알고리즘 검증을 위한 실험을 진행하였다. 그림 11은 실험환경 셋업 사진이다. 그림 12(a)는 정격 5kW 운전시의 두 상의 인덕터 전류 밸런싱이 잘 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.

그림 12(b)는 제안된 컨버터의 정격 운전시의 출력파형에 대한 그래프를 나타낸다. 출력 전압은 안정적으로 목표치에 도달하였으며, 출력전류 역시 필요로 하는 정격 부하를 유지하며 목표 출력 전력 5kW를 안정적으로 공급하였다. 그림 12(c)와 (d)의 오실로스코프 화면 상단 그래프는 인덕터 전류와 스위치 전압을 나타내고, 하단 그래프는 출력전압 및 출력전류를 나타낸다. 저항 부하기의 저항값을 가변하여 출력 부하가 증가하거나 감소할 때의 출력전압과 출력전류의 제어가 적절하게 잘 수행하는 것을 확인할 수 있다.

그림 11. 실험환경 셋업

Fig. 11. Experimental configuration

그림 12. 실험결과 그래프

Fig. 12. Experimental Results

5.2 수소연료전지 연계 실험

2.5kW급 4기의 수소연료전지 파워팩과 2대의 5kW급 DC-DC 컨버터를 연계하여 동력 시스템을 구성하였다. 수소연료전지 시스템의 안정적인 전력 공급을 위해 주변 장치로서 SCU(Stack Control Unit), MPDU(Main Power Distribution Unit), SPDU(Side Power Distribution Unit)를 포함하였다. 그림 13은 수소연료전지 연계 통합 실험 환경을 구축한 사진이다.

그림 13. 수소연료전지 연계 통합실험 셋업

Fig. 13. Integration Experiment setup

그림 14는 컨버터 1대의 정격 용량인 100Vdc / 5kW 에서 10분 이상 연속 운전시의 출력 파형이다. 약 120Vdc의 입력전압이 일정한 주기로 번갈아가며 떨어지는 현상이 나타나는데, 이는 수소연료전지 파워팩의 성능 저하를 방지하기 위해 적용된 Current Pulse의 영향에 의한 것이다. Current Pulse 제어는 스택의 활성 영역을 유지하고, 막힘 현상을 방지하기 위해 일정 주기마다 전류를 강제로 변화시키는 방식이다. 이를 통해 스택의 내구성을 높이고, 장기 운전 시 출력 저하를 방지할 수 있다. 이와 같은 입력전압의 주기적인 변동에도 불구하고 DC-DC 컨버터의 출력 전압은 목표값인 100Vdc를 안정적으로 유지하였다. 이는 수소연료전지 DC-DC 컨버터가 입력전압의 변화에 신속히 대응하며 출력 전압을 보상한 결과이다. 특히, 듀얼루프 전류제어기가 입력 전류 변동을 감지하고, 이에 따라 전압제어기가 실시간으로 보상함으로써 출력 전압의 변동을 최소화하였다.

그림 14. 5kW 정격운전 출력 그래프

Fig. 14. Rated 5kW Operation Output

그림 15는 수소연료전지 DC-DC 컨버터 1대(5kW / 100Vdc)에 대해서 2채널 출력모드가 동시에 동작할 때의 입출력 파형을 나타낸다. Push Output [A]는 컨버터의 2개의 출력 채널 중 인버터 전력공급용으로 사용되는 전류를 나타내며, Batt Output [A]는 배터리 충전용 전류를 나타낸다. Push Output으로 약 30A의 전류가 인버터에 공급되고 있을 때, 배터리 충전 채널을 동작시키면 잉여 전력인 약 2kW가 Batt Output 채널로 공급되며, 약 20A의 충전전류를 확인할 수 있다. 이는 수소연료전지에서 생성된 전력 중 인버터 전력공급에 사용하고 남은 전력을 배터리 충전에 활용하고 있음을 보여준다.

그림 15. 2채널 동시 전력공급모드 출력 결과

Fig. 15. Two-channel Simultaneous Operation

또한, 약 2200초 이후 인버터 부하가 증가하면서 Push Output 전류가 약 35A 이상으로 증가할 때, 배터리의 충전 전류는 약 15A로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 수소연료전지 DC-DC 컨버터가 인버터 부하의 증가에 따라 우선적으로 인버터에 전력을 공급하고, 남은 전력을 배터리 충전에 할당하도록 제어되고 있음을 나타낸다. 이와 같은 전류 분배 특성은 수소연료전지 DC-DC 컨버터가 전력분배 기능을 효율적으로 수행하고 있음을 입증한다.