2.1 시스템 구성 개념

본 연구에서는 연료전지와 배터리를 전원으로 사용하는 하이브리드 전기추진 시스템을 대상으로 전력 분배 제어 전략에 따른 운전 특성을 분석하였다. 일반적인 하이브리드 전기추진 시스템은 연료전지 시스템, 배터리 시스템, DC/DC 컨버터, DC bus, 인버터, 추진모터 및 선박 추진부하로 구성된다. 연료전지와 배터리는 각각 전력변환장치를 통해 DC bus에 전력을 공급하며, DC bus의 전력은 인버터를 통해 추진모터로 전달된다. 추진모터는 선박의 운항 조건에 따라 요구되는 추진부하를 담당하며, 선내 보조부하는 추진부하와 함께 전체 전력 요구량을 구성한다.

그림 1은 하이브리드 전기추진 시스템의 구성 및 본 연구의 모델링 범위를 나타낸다. 실제 전기추진 시스템에는 인버터, 추진모터 및 선박 동역학에 따른 추진부하가 포함된다. 그러나 본 연구의 목적은 선박의 운동성능이나 추진기 동특성을 상세히 예측하는 것이 아니라, 실운항 선박 부하 조건에서 연료전지와 배터리의 전력 분배 특성을 분석하는 것이다. 따라서 인버터, 추진모터 및 선박 동역학은 별도의 상세 모델로 구성하지 않고, 실제 전기추진차도선에서 계측된 부하 데이터를 이용하여 해당 부분을 대체하였다.

본 연구에서 사용한 실운항 부하 데이터는 실제 배터리 전기추진 차도선에서 계측된 추진전력 및 호텔부하 전력을 기반으로 한다. 계측 대상 선박에는 연료전지 시스템이 탑재되어 있지 않으며, 본 연구에서는 해당 실선 데이터로부터 선박 요구전력 프로파일을 구성한 후 이를 연료전지-배터리 하이브리드 전원 시스템 모델의 입력부하로 적용하였다. 따라서 표 1은 실운항 데이터의 출처가 되는 대상 선박의 주요 제원과, 전력 분배 전략 비교를 위해 구성한 시뮬레이션 전원 시스템의 주요 사양을 구분하여 제시한 것이다.

표 1에서 계측 대상 선박의 배터리 용량 1.85 MWh는 실제 배터리 전기추진 차도선에 탑재된 추진 배터리 총용량을 의미한다. 해당 선박은 운항 중 연료전지와 같은 별도 발전원이 없으므로, 운항에 필요한 에너지를 배터리로 저장해야 한다. 반면 본 연구의 시뮬레이션 전원 시스템은 연료전지-배터리 하이브리드 구조로 구성되며, 연료전지가 지속적인 전력 공급원으로 작동하고 배터리는 요구전력과 연료전지 출력 사이의 잔여 전력 및 순간 부하 변동을 보상하는 역할을 수행한다. 따라서 본 연구의 결과는 대상 차도선의 실제 전원 시스템을 그대로 재현한 결과가 아니라, 실운항 선박 요구전력을 입력부하로 사용하여 전원 시스템의 전력 분배 전략별 상대적 운전 특성을 비교한 결과로 해석되어야 한다.

본 연구에서는 계측된 추진전력과 호텔부하 전력을 합산하여 선박 전체 요구전력을 구성하였다. 추진전력은 실제 운항 중 선박 추진계가 요구한 전력 부하를 나타내며, 호텔부하 전력은 추진 이외의 선내 전력 소비를 나타낸다. 이렇게 구성된 선박 요구전력은 하이브리드 전원 시스템이 공급해야 하는 공통 입력부하로 정의하였다.

선박 전체 요구전력은 다음과 같이 정의하였다.

여기서 $P_{req}$는 선박 전체 요구전력, $P_{mtr}$는 추진모터 전력, $P_{aux}$는 보조부하 전력을 의미한다. 이렇게 구성된 $P_{req}$는 모든 전력 분배 제어 전략에 동일하게 입력되는 공통 부하 조건으로 사용된다. 이를 통해 제어 전략별 결과 차이가 입력부하의 차이가 아니라 전력 분배 방식의 차이에서 발생하도록 하였다.

전력 분배 제어기는 선박 전체 요구전력 $P_{req}$와 배터리 SOC를 입력으로 받아 연료전지 레퍼런스 출력 $P_{FC, req}$를 산정한다. 이후 연료전지는 산정된 기준 출력을 추종하도록 제어되며, 연료전지가 담당하지 않는 잔여 전력은 배터리가 보상한다. 따라서 본 연구의 시뮬레이션 구조는 전체 추진계와 선박 동역학을 상세히 재현하는 방식이 아니라, 실운항 부하 데이터를 기반으로 연료전지-배터리 전원 시스템의 전력 분배 특성을 평가하는 구조로 구성된다.

2.2 연료전지-배터리 전원 시스템 및 전력변환 모델

본 연구에서는 실운항 선박 요구전력을 연료전지와 배터리가 분담하여 공급하는 연료전지-배터리 하이브리드 전원 시스템 모델을 구성하였다. 대상 시스템은 연료전지 시스템, 배터리 시스템, DC/DC 컨버터 및 DC bus를 중심으로 구성된다. 전력 분배 제어기는 선박 요구전력과 배터리 SOC를 기반으로 연료전지 레퍼런스 출력을 산정하며, 산정된 값은 연료전지 측 DC/DC 컨버터 듀티비 제어기의 레퍼런스 입력으로 사용된다. 이에 따라 실제 연료전지 출력이 해당 레퍼런스 출력을 추종하도록 구성하였다.

연료전지 시스템은 스택 전압, 전류 및 전압 손실 관계를 고려한 수식 기반 모델로 구성하였다. 연료전지 단위 셀 전압은 Nernst 전압에서 활성화 손실, 저항 손실 및 농도 손실을 차감하여 계산하였다^{[17~ 18]}.

여기서 $V_{cell}$은 단위 셀 전압, $E_{Nern}$는 Nernst 전압, $V_{act}$는 활성화 손실, $V_{ohm}$은 저항 손실, $V_{conc}$는 농도 손실을 의미한다. Nernst 전압은 연료전지 작동 온도와 반응가스의 분압을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.

여기서 $T_{cell}$은 연료전지 작동 온도, $T_{atm}$은 대기 온도, $p_{H_2}$와 $p_{O_2}$는 각각 수소 및 산소의 분압, $p_{atm}$은 대기압을 의미한다. 활성화 손실은 전극 반응이 진행되기 위해 필요한 전기화학적 반응 저항을 나타내며, 연료전지 전류가 증가할수록 커지는 특성을 가진다. 본 연구에서는 활성화 손실을 다음과 같이 계산하였다.

여기서 $\xi_1$, $\xi_2$, $\xi_3$, $\xi_4$는 활성화 손실 계수, $T$는 스택 온도, $c_{O_2}$는 산소 농도, $i$는 연료전지 전류를 의미한다. 또한 고분자 전해질막의 수분 상태는 막 저항과 연료전지 성능에 영향을 미치므로, 막 수분함량을 함께 고려하였다. 막 수분함량은 수분활성도에 따라 다음과 같이 계산하였다.

여기서 $\lambda_i$는 막 수분함량, $a_i$는 수분활성도를 의미한다. 연료전지 모델은 운전 전류, 작동 온도, 반응가스 분압 및 막 수분 상태에 따른 전압 손실을 반영하도록 구성되며, 냉각수 펌프 및 팬과 같은 보조기기 소모전력을 고려하여 연료전지 순출력을 산정한다.

배터리는 연료전지 출력과 선박 요구전력 사이의 차이를 보상하는 전원으로 구성하였다. 저부하 구간에서는 연료전지의 잉여 전력을 저장하고, 고부하 구간에서는 선박 요구전력 중 연료전지가 담당하지 못한 전력을 공급한다. 배터리 SOC는 초기 SOC에서 배터리 충/방전 전류를 누적하여 다음과 같이 계산하였다.

여기서 $SOC_{init}$은 초기 SOC, $Q_{cap}$은 배터리 용량, $I_{Bat}$는 배터리 전류를 의미한다.

본 연구의 하이브리드 전원 시스템은 연료전지 측 컨버터와 배터리 측 컨버터로 구성된다. 연료전지 측 컨버터는 전력 분배 제어기에서 결정된 연료전지 레퍼런스 출력을 실제 연료전지 출력으로 구현하기 위한 출력 제어를 수행한다. 반면 배터리 측 컨버터는 별도의 전압 제어를 수행하기보다는 선박 요구전력과 연료전지 출력의 차이로 발생하는 잔여 전력을 보상하기 위한 전류 제어 요소로 사용하였다.

이에 따라 배터리 충방전 전류는 선박 요구전류와 연료전지 측 DC/DC 컨버터 출력 전류의 차이로 정의하였다.

여기서 $I_{Bat}$는 배터리 충방전 전류, $I_{Req}$는 선박 요구전류, $I_{FC, Conv}$는 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 의미한다. 따라서 선박 요구전류가 연료전지 측 DC-DC 컨버터 출력 전류보다 큰 경우 배터리가 부족 전류를 공급하고, 반대의 경우 배터리는 잉여 전력을 흡수하여 충전된다.

DC/DC 컨버터는 연료전지와 배터리가 DC bus에 전력을 공급하거나 흡수할 수 있도록 전압 및 전류 변환을 수행하는 전력 변환 장치이다. 본 연구에서는 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 고주파 스위칭 동특성을 상세히 고려하기보다는 정상상태 변환 관계를 중심으로 모델링하였다. 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 출력 전압과 출력 전류는 다음과 같이 계산하였다.

여기서 $V_{FC, Conv}$는 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 출력 전압, $I_{FC, Conv}$는 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 의미한다. 또한 $V_{FC}$는 연료전지 전압, $I_{FC}$는 연료전지 전류, $D$는 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 듀티비를 의미한다. 전력 분배 제어기에서 결정된 연료전지 레퍼런스 출력은 연료전지 출력 제어 루프의 입력으로 사용되며, 제어기를 통해 연료전지 측 DC/DC 컨버터의 듀티비 명령으로 변환된다. 배터리 측 DC/DC 컨버터는 식 (8)에 따라 요구전류와 연료전지 측 DC/DC 컨버터 출력 전류의 차이를 보상하도록 배터리 충방전 전류를 제어한다.

그림 2는 전력 분배 제어기에서 산정된 연료전지 레퍼런스 출력이 DC/DC 컨버터 제어를 통해 실제 연료전지 출력으로 구현되는 구조를 나타낸다. 전력 분배 제어기는 선박 요구전력과 배터리 SOC를 입력으로 받아 연료전지 레퍼런스 전력을 산정한다. 산정된 레퍼런스 전력은 연료전지 출력 제어 루프의 기준값으로 사용되며, 실제 연료전지 출력은 다시 제어 루프로 피드백된다. 선박 요구전력 중 연료전지가 담당하지 않는 잔여전력은 배터리가 담당한다.

따라서 전력 균형 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 $P_{Bat}$는 배터리 출력이다. $P_{Bat}$가 양수인 경우 배터리는 방전하여 부족한 전력을 공급하고, 음수인 경우 연료전지의 잉여 전력이 배터리 충전에 사용되는 것으로 해석하였다. 이 구조에서 전력 분배 전략은 연료전지 레퍼런스 전력을 결정하는 상위 제어 로직이며, DC/DC 컨버터는 해당 레퍼런스 출력이 실제 연료전지 출력으로 구현되도록 하는 하위 전력 제어 요소로 작동한다.

3.1 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략

연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 선박 요구전력을 연료전지가 우선적으로 담당하도록 구성한 방식이다. 본 전략에서는 대부분의 선박 요구전력을 기본 입력으로 사용하여 연료전지 레퍼런스 출력을 산정한다. 즉, 연료전지 출력이 선박 요구전력의 변동을 적극적으로 추종하도록 하여 배터리가 담당하는 잔여 전력을 최소화하는 것을 기본 개념으로 한다.

그림 3은 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략의 제어 구조를 나타낸다. 본 전략에서는 선박 요구전력이 연료전지 레퍼런스 출력 산정의 주요 입력으로 사용된다. 배터리 SOC가 기준 영역 내에 있는 경우에는 연료전지가 선박 요구전력을 직접적으로 추종하도록 레퍼런스 출력이 결정된다. 반면 배터리 SOC가 기준 영역보다 낮은 경우에는 배터리 방전을 억제하거나 충전을 유도하기 위해 연료전지 레퍼런스 출력을 선박 요구전력보다 높게 설정한다. 배터리 SOC가 기준 영역보다 높은 경우에는 배터리 사용을 유도하기 위해 연료전지 레퍼런스 출력을 선박 요구전력보다 낮게 설정한다.

따라서 본 전략은 연료전지의 요구전력 추종을 기본으로 하되, 배터리 SOC 상태에 따라 값이 보정되는 구조를 가진다. 연료전지가 부하 변동을 적극적으로 담당하기 때문에 배터리의 순간 출력 부담을 줄일 수 있으며, 고부하 구간에서도 배터리 피크 출력이 감소할 수 있다. 그러나 선박 요구전력의 급격한 변동이 연료전지 레퍼런스 출력에 직접 반영되므로, 연료전지 출력 변동성이 증가할 가능성이 있다. 따라서 본 전략은 배터리 부담 저감 측면에서는 유리하지만, 연료전지 출력 안정성 측면에서는 불리한 전략으로 볼 수 있다.

3.2 배터리 중심 SOC 기반 단계형 전략

배터리 중심 SOC 기반 단계형 전략은 배터리를 주된 부하 대응 전원으로 활용하고, 연료전지는 배터리 SOC 상태에 따라 보조적으로 출력 레벨을 결정하는 방식이다. 본 전략에서는 배터리 SOC를 여러 구간으로 구분하고, 각 SOC 구간에 대응되는 연료전지 레퍼런스 출력 또는 레퍼런스 전류를 단계적으로 설정한다.

그림 4는 배터리 SOC 구간에 따라 연료전지 레퍼런스 출력이 단계적으로 결정되는 구조를 나타낸다. 배터리 SOC가 낮은 구간에서는 배터리 방전을 억제하고 SOC 회복을 유도하기 위해 상대적으로 높은 연료전지 레퍼런스 출력이 선택된다. 이 경우 연료전지는 선박 요구전력보다 많은 전력을 공급할 수 있으며, 잉여 전력은 배터리 충전에 사용된다. 반대로 배터리 SOC가 높은 구간에서는 배터리 사용을 허용하기 위해 상대적으로 낮은 연료전지 레퍼런스 출력이 선택된다. 이 경우 선박 요구전력 중 연료전지가 담당하지 않는 부분은 배터리가 보상한다.

이 전략의 특징은 연료전지 레퍼런스 출력이 선박 요구전력의 순간 변동을 직접 추종하지 않고, SOC 구간에 따라 미리 설정된 레벨 중 하나로 결정된다는 점이다. 따라서 연료전지 출력은 SOC 구간에 따라 계단형으로 변화하며, 선박 요구전력과 연료전지 출력 사이의 차이는 배터리가 담당한다.

SOC 기반 단계형 전략은 제어 구조가 단순하고 구현이 직관적이라는 장점이 있다. SOC 구간과 각 구간에 대응되는 연료전지 출력 레벨을 설정하면 되므로, 배터리 상태에 따른 연료전지 운전 방향을 명확하게 정의할 수 있다. 그러나 SOC 경계 부근에서 운전 조건이 반복적으로 변화하는 경우 연료전지 레퍼런스 출력이 인접 단계 사이에서 지속적으로 전환될 수 있으며, 이로 인해 출력 명령의 불연속성이 발생할 수 있다. 또한 요구전력의 순간적인 증가나 감소가 레퍼런스 출력 산정에 직접 반영되지 않기 때문에, 고변동 부하 조건에서는 배터리가 잔여 부하를 크게 담당할 수 있다.

3.3 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략

평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 선박 요구전력의 평균적인 부하 성분을 연료전지가 담당하고, 순간적인 부하 변동은 배터리가 보상하도록 구성한 방식이다. 본 전략에서는 선박 요구전력을 저역통과필터에 입력하여 급격한 변동 성분을 완화하고, 이를 통해 요구전력의 저주파 또는 평균 부하 성분을 산정한다. 여기에 배터리 SOC 보정 항을 추가하여 연료전지 레퍼런스 출력을 결정한다.

그림 5는 선박 요구전력의 평균 부하 성분과 SOC 보정 항을 이용하여 연료전지 레퍼런스 출력을 산정하는 구조를 나타낸다. 저역통과필터를 통해 산정된 평균 부하 성분은 연료전지가 지속적으로 담당해야 하는 기본 출력 수준을 의미한다. 반면 SOC 보정 항은 배터리 상태에 따라 연료전지 출력을 증가 또는 감소시키는 역할을 한다. 배터리 SOC가 기준 영역보다 낮은 경우에는 SOC 회복을 유도하기 위해 양의 보정 전력이 추가되고, 배터리 SOC가 기준 영역보다 높은 경우에는 배터리 사용을 유도하기 위해 보정 전력이 감소하는 방향으로 작용한다.

따라서 본 전략에서 연료전지 레퍼런스 출력은 단순한 평균 요구전력이 아니라, 평균 부하 성분과 SOC 회복 요구를 함께 반영한 값으로 산정된다. 선박 요구전력은 운항 조건에 따라 급격하게 변화할 수 있으나, 저역통과필터를 거친 평균 부하 성분은 상대적으로 완만하게 변화한다. 이에 따라 연료전지 레퍼런스 출력도 급격한 부하 변동을 그대로 반영하기보다는 평균적인 부하 수준을 중심으로 결정된다. 이때 요구전력과 연료전지 출력 사이의 차이는 배터리가 보상한다.

평균부하 분담형 기준 전력 기반 전략은 연료전지 출력 변동성을 완화하는 데 유리할 수 있다. 또한 SOC 기반 단계형 전략과 달리 연료전지 레퍼런스 출력이 연속적으로 산정되므로, 계단형 변동의 경계 구간에서 발생할 수 있는 출력 명령의 불연속성을 줄일 수 있다. 그러나 연료전지가 요구전력의 순간 변동을 직접 담당하지 않기 때문에, 급격한 부하 피크나 짧은 시간의 출력 변동은 배터리가 더 많이 담당하게 된다. 따라서 본 전략은 연료전지 출력 안정성 측면에서는 유리하지만, 배터리 출력 부담이 증가할 가능성이 있다.

4.1 실운항 기반 선박 요구전력 특성

그림 6은 시뮬레이션 입력으로 사용된 실운항 기반 선박 요구전력 프로파일을 나타낸다. 선박 요구전력은 추진전력과 호텔부하 전력을 합산하여 구성하였다. 추진전력은 실제 운항 중 추진계가 요구한 전력이며, 호텔부하 전력은 추진 외 선내 보조부하를 의미한다. 전체 선박 요구전력은 추진전력의 변화 경향을 주로 따르지만, 호텔부하가 추가됨에 따라 추진전력보다 높은 수준으로 나타난다.

실운항 부하 프로파일에서는 운항 구간에 따라 전력 요구 수준이 크게 달라지는 특성이 확인되었다. 초기 약 300초 구간은 이안 구간으로, 추진전력이 낮은 수준에서 시작하여 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 약 300~1,500초 구간은 정속 운항 구간으로, 추진전력과 선박 요구전력이 상대적으로 높은 수준에서 유지되었다. 약 1,500초 이후에는 선회로 인한 급격한 부하 변동이 반복적으로 나타난 후, 저부하 접안 구간으로 전환되는 거동을 보였다. 또한 약 2,300초 이후의 재이안 구간에서는 선박 요구전력이 다시 급격히 증가하거나 감소하는 특성이 나타났다. 이러한 결과는 실제 전기추진선박의 요구전력이 운항 모드에 따라 크게 달라지며, 연료전지-배터리 하이브리드 전원 시스템의 전력 분배 전략 역시 운항 구간별 부하 특성을 고려하여 설계될 필요가 있음을 보여준다.

호텔부하는 추진전력에 비해 절대 크기는 작지만 일정한 값으로 유지되지 않고 운항 중 지속적으로 변화하였다. 따라서 선박용 하이브리드 전원 시스템의 입력부하를 구성할 때 추진전력만을 고려할 경우 실제 전원 시스템이 담당해야 하는 전체 부하를 과소평가할 수 있다. 이에 본 연구에서는 추진전력과 호텔부하를 함께 고려한 선박 요구전력을 전력 분배 전략 비교를 위한 공통 입력부하로 사용하였다.

4.2 제어 전략별 출력 및 SOC 특성

그림 7은 초기 SOC 조건에 따른 세 가지 전력 분배 전략의 연료전지 출력 응답을 나타낸다. 그림 7(a)의 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 선박 요구전력의 변동을 연료전지가 적극적으로 추종하는 특성을 보인다. 초기 SOC 20%와 50% 조건에서는 연료전지 출력이 거의 동일하게 나타났으며, 이는 해당 SOC 조건에서 SOC 보정보다 요구전력 추종 효과가 지배적으로 작용했기 때문으로 해석된다. 반면 초기 SOC 80% 조건에서는 일부 구간에서 연료전지 출력이 상대적으로 낮게 나타나며, 이는 높은 SOC 조건에서 배터리 사용을 유도하기 위해 연료전지 레퍼런스 출력이 낮아진 결과로 볼 수 있다.

연료전지 중심 요구전력 추종형 전략에서는 일부 고부하 구간에서 연료전지 출력이 일정한 상한값에 머무는 구간이 나타났다. 이는 해당 구간의 선박 요구전력이 연료전지 출력 제한에 근접하거나, SOC 보정에 의해 산정된 레퍼런스 출력이 시스템 상한에 의해 제한되었기 때문으로 해석된다. 이러한 saturation 구간은 연료전지가 요구전력 변동을 적극적으로 담당하는 전략에서 발생할 수 있는 출력 제한 특성을 보여준다.

그림 7(b)의 배터리 중심 SOC 기반 단계형 전략은 초기 SOC에 따라 연료전지 출력 수준이 뚜렷하게 달라지는 특성을 보인다. 초기 SOC가 낮은 20% 조건에서는 배터리 SOC 회복을 유도하기 위해 높은 연료전지 출력 레벨이 선택되었다. 반면 초기 SOC가 높은 80% 조건에서는 배터리 사용을 유도하기 위해 낮은 연료전지 출력 레벨에서 운전되었다. 초기 SOC 50% 조건에서는 중간 수준의 출력 레벨이 선택되었으며, 운전 중 SOC 구간 변화에 따라 연료전지 출력이 단계적으로 변화하였다. 이 결과는 SOC-step 전략의 핵심 특징인 SOC 구간 기반 레퍼런스 출력 선택이 실제 출력 응답에 반영되었음을 보여준다.

그림 7(c)의 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 요구전력의 평균 부하 성분과 SOC 보정 항이 함께 반영된 연료전지 출력 응답을 보인다. 초기 SOC가 낮은 조건에서는 SOC 회복을 위해 연료전지 출력이 상대적으로 높게 나타났고, 초기 SOC가 높은 조건에서는 배터리 사용을 유도하기 위해 연료전지 출력이 낮아지는 경향을 보였다. 그러나 출력 변화는 SOC-step 전략과 달리 단계적으로만 변하지 않고, 요구전력의 평균 성분을 따라 비교적 연속적으로 변화하였다. 이는 평균부하 분담형 전략이 연료전지 출력 변동을 완화하면서도 SOC 상태를 반영할 수 있음을 의미한다.

그림 8은 초기 SOC 조건에 따른 세 가지 전력 분배 전략의 배터리 출력 응답을 나타낸다. 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략에서는 연료전지가 부하 변동을 적극적으로 담당하므로 배터리 출력의 진폭이 상대적으로 작게 나타났다. 특히 초기 SOC 20%와 50% 조건에서는 연료전지 출력 응답이 유사하게 나타났기 때문에 배터리 출력 역시 큰 차이를 보이지 않았다. 반면 초기 SOC 80% 조건에서는 연료전지 출력이 일부 구간에서 낮게 제어되면서 배터리 출력 부담이 증가하는 경향을 보였다.

SOC-step 전략에서는 초기 SOC에 따라 배터리 출력 수준이 크게 달라졌다. 초기 SOC가 낮은 경우 연료전지 출력이 높게 설정되어 배터리 방전 부담이 상대적으로 감소하거나 충전 방향의 출력이 나타날 수 있다. 반대로 초기 SOC가 높은 경우 연료전지 출력이 낮게 설정되어 선박 요구전력 중 상당 부분을 배터리가 담당하게 되며, 이에 따라 배터리 출력 진폭이 증가하였다. 특히 부하 변동이 큰 구간에서는 연료전지 출력 레벨과 요구전력의 차이를 배터리가 보상하기 때문에 배터리 출력이 크게 변화하였다.

평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략에서는 배터리가 요구전력의 순간 변동 성분을 담당하는 특성이 나타났다. 연료전지는 저역통과필터를 통해 산정된 평균 부하 성분을 중심으로 운전되므로, 선박 요구전력의 빠른 변동은 배터리 출력으로 나타난다. 이에 따라 부하 급변 구간에서 배터리 출력의 피크가 발생하였다. 다만 SOC 보정 항에 의해 초기 SOC 조건별 배터리 출력 수준이 달라지며, 낮은 SOC 조건에서는 배터리 방전을 억제하고 높은 SOC 조건에서는 배터리 사용이 증가하는 경향을 보였다.

그림 9는 초기 SOC 조건에 따른 세 가지 전력 분배 전략의 SOC 변화를 나타낸다. 그림 9(a)의 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략에서는 모든 초기 SOC 조건에서 SOC가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 각 초기 SOC 조건의 곡선은 서로 다른 수준에서 시작하지만, 시간에 따른 변화 경향은 비교적 유사하게 나타났다. 이는 본 전략에서 연료전지가 요구전력을 적극적으로 추종하더라도, 운항 전체 구간에서 배터리 에너지가 일정 부분 사용되었음을 의미한다. 특히 낮은 초기 SOC 조건에서도 SOC 회복이 뚜렷하게 나타나지 않아, 본 전략은 배터리 부담 저감에는 유리할 수 있으나 SOC 회복 능력은 제한적일 수 있다.

그림 9(b)의 SOC-step 전략은 초기 SOC에 따른 SOC 변화 차이가 가장 뚜렷하게 나타났다. 초기 구간에서는 대부분의 조건에서 SOC가 감소하였으나, 약 1500초 이후 일부 조건에서 SOC가 다시 회복되는 경향이 확인되었다. 이는 SOC 구간 변화에 따라 연료전지 출력 레벨이 조정되면서 배터리 충전 또는 방전 억제 효과가 나타난 결과로 해석된다. 특히 낮은 초기 SOC 조건에서는 후반부에 SOC가 상승하는 경향이 나타나므로, SOC-step 전략이 배터리 SOC 상태에 따라 연료전지 출력을 조절하여 SOC 회복을 유도하는 특성을 가진다고 볼 수 있다.

그림 9(c)의 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 SOC-step 전략보다 완만한 SOC 변화 특성을 보였다. 초기 SOC가 낮은 조건에서는 약 1500초 이후 SOC가 완만하게 회복되거나 유지되는 경향이 나타났고, 높은 초기 SOC 조건에서는 SOC가 점진적으로 감소하였다. 이는 평균부하 성분과 SOC 보정 항을 함께 반영하여 연료전지 레퍼런스 출력이 연속적으로 조정되기 때문이다. 따라서 평균부하 분담형 전략은 SOC-step 전략과 같이 급격한 단계 전환은 나타나지 않지만, SOC 상태에 따라 배터리 사용을 완만하게 조절하는 특성을 보인다.

종합하면, 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 연료전지가 요구전력 변동을 적극적으로 담당하여 배터리 출력 부담을 줄이는 방향으로 작동하였다. 반면 SOC-step 전략과 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 연료전지 출력 변동을 상대적으로 완화하는 대신, 요구전력과 연료전지 출력 사이의 차이를 배터리가 더 많이 담당하는 경향을 보였다. 특히 SOC-step 전략은 초기 SOC 조건에 따라 출력 레벨이 크게 달라졌고, 평균부하 분담형 전략은 SOC 보정이 반영되면서도 연속적인 출력 변화를 보였다.

4.3 SOC 보정 연비 분석

그림 10은 초기 SOC 조건에 따른 배터리 에너지 사용량 차이를 보정하기 위해 dSOC와 연비의 관계를 나타낸 결과이다. 본 연구에서 dSOC는 초기 SOC와 최종 SOC의 차이로 정의하였다.

따라서 dSOC가 양수인 경우 운항 후 배터리 SOC가 감소한 것을 의미하며, dSOC가 음수인 경우 운항 종료 시점의 SOC가 초기 SOC보다 증가한 것을 의미한다. 초기 SOC 조건에 따라 배터리 에너지 사용량이 달라질 수 있으므로, 단순 수소소모량 또는 단순 연비만으로 전력 분배 전략의 에너지 성능을 비교하는 것은 적절하지 않을 수 있다. 이에 따라 dSOC와 연비 사이의 선형 관계를 이용하여 dSOC가 0인 조건에서의 보정 연비를 산정하였다^[20].

모든 전력 분배 전략에서 dSOC가 증가할수록 연비가 증가하는 경향이 나타났다. 이는 배터리 SOC가 더 많이 감소한 조건일수록 동일 운항거리에서 수소소모량이 상대적으로 작게 나타날 수 있음을 의미한다. 따라서 배터리 에너지 사용 효과를 고려하지 않고 단순 연비만 비교할 경우, 배터리 방전량이 큰 전략이 에너지 성능이 우수한 것처럼 해석될 수 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 dSOC와 연비의 관계를 이용한 보정 연비 개념을 적용하였다.

그림 10에서 SOC-step 전략은 전반적으로 높은 연비 값을 보였으며, dSOC 변화에 따른 연비 증가 경향도 비교적 완만하게 나타났다. 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 SOC-step 전략보다 낮은 연비 수준을 보였으나, dSOC에 따른 변화가 상대적으로 완만하였다. 반면 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 dSOC에 따른 연비 변화 기울기가 크게 나타났으며, 이는 초기 SOC 조건 및 배터리 사용량 변화에 대한 연비 민감도가 상대적으로 큰 것을 의미한다.

선형 추세선에서 dSOC가 0인 지점의 연비는 배터리 SOC 변화의 영향을 보정한 연비로 해석할 수 있다. 해당 조건은 운항 전후 배터리 SOC 변화가 없는 상태를 의미하므로, 배터리 에너지 사용 또는 회복에 따른 영향을 보정한 전력 분배 전략 비교 기준으로 활용할 수 있다. 본 결과에서는 SOC-step 전략과 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략이 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략보다 높은 보정 연비를 보이는 경향을 나타냈다. 이는 연료전지 출력이 요구전력 변동을 직접 추종하는 전략보다, 연료전지 출력을 일정 수준으로 완화하거나 평균부하 중심으로 운전하는 전략이 수소소모량 측면에서 유리할 수 있음을 시사한다.

다만 SOC-step 전략은 연료전지 출력이 단계적으로 결정되므로 SOC 구간 및 출력 레벨 설정에 따라 결과가 달라질 수 있다. 또한 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 연료전지 출력 변동성을 완화하는 장점이 있으나, 순간적인 부하 변동은 배터리가 담당하므로 배터리 출력 부담이 증가할 수 있다. 따라서 전력 분배 전략은 단순 연비만으로 평가하기보다, SOC 변화, 배터리 출력 부담 및 연료전지 출력 변동성을 함께 고려하여 평가할 필요가 있다.

전력 분배 전략별 정량적 차이를 비교하기 위해 평균 수소소모량, SOC 보정 연비, dSOC 범위, 배터리 출력 RMS 평균 및 연료전지 출력 변화율 RMS 평균을 표 2에 정리하였다. 각 전략은 초기 SOC 20~80% 조건에서 10% 간격으로 총 7회 수행되었으며, 평균 수소소모량, 배터리 출력 RMS 및 연료전지 출력 변화율 RMS는 7개 초기 SOC 조건에 대한 평균값으로 제시하였다. SOC 보정 연비는 dSOC와 단순 연비의 선형 회귀식에서 dSOC가 0인 조건의 절편값으로 산정하였으므로, 평균 수소소모량과 SOC 보정 연비의 순위가 반드시 일치하지 않을 수 있다.

표 2에서 Power-following 전략은 평균 수소소모량이 17.95 kg으로 가장 낮고, 배터리 출력 RMS 평균도 75.93 kW로 가장 낮게 나타났다. 이는 연료전지가 선박 요구전력 변동을 적극적으로 담당하여 배터리 출력 부담이 감소했기 때문으로 해석된다. 그러나 Power-following 전략의 dSOC는 11.48~21.79%로 모든 초기 SOC 조건에서 양수로 나타났으며, 이는 운항 중 배터리가 순방전 방향으로 사용되었음을 의미한다. 따라서 해당 전략의 낮은 평균 수소소모량에는 배터리 에너지 사용 효과가 함께 반영된 것으로 볼 수 있다. 또한 연료전지 출력 변화율 RMS 평균은 11.81 kW/s로 가장 높게 나타나, 연료전지 출력 안정성 측면에서는 불리한 특성을 보였다.

SOC-step 전략은 SOC 보정 연비가 0.7374 km/kg으로 가장 높게 나타났다. 이 전략은 dSOC 범위가 –13.92~34.74%로 가장 크게 나타났으며, 이는 초기 SOC 조건에 따라 배터리 SOC가 회복되거나 크게 감소할 수 있음을 의미한다. 특히 낮은 SOC 조건에서는 연료전지 출력 레벨이 높게 설정되어 SOC 회복이 유도되므로, dSOC=0 조건으로 보정했을 때 에너지 성능이 상대적으로 유리하게 평가되었다. 다만 배터리 출력 RMS 평균은 210.79 kW로 가장 높게 나타나, 요구전력과 연료전지 출력 사이의 차이를 배터리가 크게 담당하는 전략임을 보여준다.

Reference power-based 전략은 연료전지 출력 변화율 RMS 평균이 3.40 kW/s로 가장 낮게 나타났다. 이는 평균 부하 성분을 중심으로 연료전지 레퍼런스 출력을 산정하고, 순간적인 부하 변동은 배터리가 보상하도록 구성하였기 때문에 연료전지의 급격한 출력 변동이 완화된 결과로 해석된다. 또한 dSOC 범위는 0.56~15.25%로 SOC-step 전략보다 작게 나타나 SOC 변화가 비교적 완만하였다. 그러나 평균 수소소모량은 19.75 kg으로 가장 높게 나타났으며, 이는 연료전지 출력 안정성과 수소소모량 사이에 절충 관계가 존재함을 보여준다.

4.4 고찰

본 연구의 결과에서 가장 뚜렷하게 나타난 특징은 연료전지 출력 안정성과 배터리 출력 부담 사이의 트레이드오프이다. 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 선박 요구전력 변동을 연료전지가 적극적으로 담당하도록 구성되어 있으므로, 배터리가 보상해야 하는 잔여 전력이 상대적으로 작게 나타났다. 이에 따라 배터리 출력 진폭과 배터리 부담은 감소할 수 있다. 그러나 요구전력의 급격한 변동이 연료전지 출력에 직접 반영되므로 연료전지 출력 변동성이 증가하며, 일부 고부하 구간에서는 연료전지 출력이 상한값에 도달하는 saturation 특성이 나타났다. 이러한 결과는 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략이 배터리 사용을 줄이는 데 유리하지만, 연료전지 운전 안정성 및 내구성 측면에서는 불리하게 작용할 수 있음을 의미한다.

반면 배터리 중심 SOC 기반 단계형 전략은 연료전지 출력이 선박 요구전력의 순간 변동을 직접 추종하지 않고, 배터리 SOC 구간에 따라 단계적으로 결정되는 특성을 보였다. 낮은 초기 SOC 조건에서는 높은 연료전지 출력 레벨이 선택되어 SOC 회복이 유도되었고, 높은 초기 SOC 조건에서는 낮은 연료전지 출력 레벨이 선택되어 배터리 사용이 증가하였다. 이 전략은 SOC 상태에 따른 운전 방향이 명확하고 제어 구조가 단순하다는 장점이 있다. 그러나 출력 레벨이 이산적으로 설정되기 때문에 SOC 경계 부근에서 출력 명령의 불연속성이 발생할 수 있으며, 요구전력의 순간 변동은 배터리가 주로 담당하게 된다. 따라서 SOC-step 전략은 SOC 관리와 구현 용이성 측면에서는 유리하지만, 고변동 부하 조건에서는 배터리 출력 부담이 증가할 가능성이 있다.

평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 선박 요구전력의 평균 부하 성분과 SOC 보정 항을 함께 이용하여 연료전지 레퍼런스 출력을 산정하였다. 이에 따라 연료전지 출력은 요구전력의 고주파 변동을 직접 추종하지 않고 상대적으로 완만하게 변화하였다. 또한 SOC-step 전략과 달리 연료전지 레퍼런스 출력이 연속적으로 조정되므로, 단계 전환에 따른 출력 불연속성을 줄일 수 있다. 다만 순간적인 부하 변동은 배터리가 보상해야 하므로, 부하 급변 구간에서는 배터리 출력 피크가 발생할 수 있다. 따라서 평균부하 분담형 전략은 연료전지 출력 안정성과 배터리 부담 사이에서 절충적인 특성을 갖는 전략으로 해석할 수 있다.

실운항 부하 특성과 연계하면, 전력 분배 전략의 적합성은 운항 모드에 따라 달라질 수 있다. 이안 및 재이안 구간에서는 추진전력이 낮은 상태에서 빠르게 증가하고 순간적인 부하 변동이 발생하므로, 배터리가 초기 부하 응답과 피크 전력을 보조하고 연료전지는 완만하게 출력이 증가하도록 제어하는 방식이 적절할 수 있다. 이 경우 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 연료전지의 급격한 출력 변동을 완화하면서 배터리가 순간 부하를 담당하도록 하는 데 유리하다. 정속 운항 구간에서는 요구전력이 비교적 높은 수준에서 유지되므로, 연료전지가 평균적인 추진부하를 지속적으로 담당하고 배터리는 SOC 유지 또는 보조 역할을 수행하는 운전이 적합하다. 반면 접안 또는 저부하 구간에서는 추진전력 요구가 감소하므로, 배터리 SOC가 낮은 경우에는 SOC-step 전략과 같이 연료전지 출력을 일정 수준 유지하여 배터리 회복을 유도할 수 있다. 이러한 결과는 단일 전력 분배 전략을 전체 운항 구간에 동일하게 적용하기보다, 운항 모드에 따라 전략을 선택적으로 조합하는 방식이 선박용 하이브리드 전원 시스템에 적합할 수 있음을 시사한다.

고장 또는 비정상 운전 상황을 고려할 경우에도 전략별 특성은 서로 다른 장단점을 가질 수 있다. 예를 들어 배터리 출력 제한, 배터리 SOC 저하 또는 배터리 일부 모듈 이상과 같이 배터리 사용 가능 범위가 제한되는 상황에서는 배터리 부담을 줄이는 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략이 상대적으로 유리할 수 있다. 이 전략은 연료전지가 요구전력의 상당 부분을 직접 담당하므로, 배터리의 방전 부담을 줄이고 제한된 배터리 운전 조건에서 전력 공급을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 다만 이 경우 연료전지 출력 변동성이 증가하므로, 연료전지의 출력 응답 한계와 내구성 조건을 함께 고려해야 한다.

반대로 연료전지 출력 제한, 연료전지 응답 지연 또는 연료전지 시스템의 일시적 출력 저하가 발생하는 상황에서는 배터리가 잔여 부하를 담당하는 SOC-step 전략 또는 평균부하 분담형 전략이 유리할 수 있다. 특히 평균부하 분담형 전략은 연료전지가 급격한 부하 변동을 직접 추종하지 않도록 하므로, 연료전지 출력 응답이 제한된 조건에서 안정적인 운전을 유도할 수 있다. SOC-step 전략 역시 연료전지 출력을 사전에 설정된 단계로 제한할 수 있으므로, 연료전지의 운전 범위를 단순하게 관리하는 데 장점이 있다. 다만 두 전략 모두 배터리 의존도가 증가하므로, 배터리 SOC와 출력 여유가 충분하지 않은 경우에는 운전 지속성이 제한될 수 있다.

따라서 고장 대응 관점에서는 특정 전략 하나가 모든 상황에서 우수하다고 보기 어렵다. 배터리 측 이상이 발생한 경우에는 연료전지 중심 운전이 유리할 수 있고, 연료전지 측 출력 제한이나 응답 지연이 발생한 경우에는 배터리 보조 비중이 큰 전략이 유리할 수 있다. 또한 저부하 또는 접안 구간에서는 SOC-step 전략을 이용하여 배터리 회복을 유도하고, 이안 및 선회와 같은 부하 급변 구간에서는 평균부하 분담형 전략을 이용하여 연료전지 출력 변동을 완화하는 방식이 가능하다. 이러한 관점에서 선박용 연료전지-배터리 하이브리드 전원 시스템은 정상 운항 효율뿐만 아니라 고장 대응성, 출력 여유 및 SOC 관리성을 함께 고려한 운항 모드 기반 전력 분배 전략이 필요하다.

SOC 보정 연비 분석 결과에서도 단순 연비 비교만으로 전략의 에너지 성능을 판단하기 어렵다는 점이 확인되었다. 초기 SOC 조건에 따라 배터리 에너지 사용량이 달라지며, 이에 따라 수소소모량과 연비가 영향을 받을 수 있다. 따라서 dSOC와 연비의 관계를 이용한 보정 연비는 배터리 SOC 변화 영향을 고려한 상대적 에너지 성능 비교에 유용하다. 본 연구의 결과에서는 SOC-step 전략과 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략이 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략보다 보정 연비 측면에서 유리한 경향을 보였다. 이는 연료전지가 요구전력 변동을 직접 추종하는 방식보다, 연료전지 출력을 일정 수준으로 완화하거나 평균부하 중심으로 운전하는 방식이 수소소모량 측면에서 유리할 수 있음을 의미한다.

종합하면, 연료전지 중심 요구전력 추종형 전략은 배터리 부담 저감 및 배터리 이상 상황에서의 전력 공급 유지 측면에서 장점을 가질 수 있다. SOC-step 전략은 SOC 관리가 직관적이고 저부하 구간에서 배터리 회복을 유도하기 쉬운 장점이 있다. 평균부하 분담형 레퍼런스 출력 전략은 연료전지 출력 변동을 완화하면서도 SOC 보정이 가능한 절충적 특성을 보였다. 따라서 선박용 연료전지-배터리 하이브리드 전원 시스템의 전력 분배 전략은 수소소모량뿐만 아니라 운항 모드, 배터리 SOC 상태, 배터리 출력 여유, 연료전지 출력 응답성 및 비정상 운전 대응성을 함께 고려하여 설계되어야 한다. 본 연구의 결과는 향후 운항 모드별 전략 전환, 고장 대응형 전력 분배 로직 및 선박용 하이브리드 에너지 관리 전략 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.