KR102647821B1 - 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것으로서, 특히 PEMFC(Proton Exchange Membrane)와, ESD(energy storage device)인 배터리 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터 및 제3 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC의 기준 전력, 배터리 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것으로서, 특히 PEMFC(Proton Exchange Membrane)와, ESD(energy storage device)인 배터리 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터 및 제3 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC의 기준 전력, 배터리 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
통상, 수소 트램은 전철 대안으로 부상하고 있는 교통수단으로서 차량 내에 탑재된 수소 연료 전지를 통해 열차 운행에 필요한 전력을 공급받는다. 전철과 다르게 전력 설비 등 외부 전력공급 인프라가 필요 없어 건설비가 상대적으로 저렴하다.
HET(Hybrid Electric Tramway)는 PEMFC, 배터리, 슈퍼 커패시터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 4개의 주요 부품과, 보조 서비스 모듈, 제동 초퍼, DC/AC 인버터, 트랙션 모터 드라이브 및 에너지 관리 시스템을 포함한다.
전원은 부하 전력 수요를 충족시키기 위해 DC/DC 컨버터를 통해 DC 버스에 상호 연결된다. PEMFC는 1차 에너지원으로 사용되며 단방향 DC/DC 컨버터에 연결되어 PEMFC의 저전압을 DC 버스의 필요 전압으로 승압한다. 한편, 배터리 및 슈퍼 커패시터는 에너지 저장 장치인 ESD로 활용되며 양방향 DC/DC 컨버터에 연결되어 에너지 전달 및 복구 작업을 위해 양방향으로 전력 흐름을 전달한다. 이러한 ESD는 가속 시 보조 전원을 공급하고 제동 과정에서 회생 에너지를 흡수하는 데 사용된다. 슈퍼 커패시터는 빠른 동적 응답 특성으로 인해 PEMFC와 배터리가 단시간에 수용할 수 없는 견인 하중(마찰, 견인력 또는 제동으로 인해 움직이는 차량이 운동 방향으로 구조물에 가하는 하중)의 피크 출력을 보상하거나 소모하도록 구비되어 있다.
그러나, 배터리는 전극판 성능 저하, 전해질 분해, 분리막 노후화, 재료 구조 파괴 등의 내부 요인, 및 배터리 충방전율, 방전 심도(DOD), 환경 온도, 차단 전압 등의 외부 요인에 의해 열화되기 쉬우며, 이는 배터리 성능 저하를 가져온다.
따라서, DC 버스의 전압을 안정화하기 위해서는 배터리 수명 연장을 위한 전원 시스템의 관리가 필요하고, 에너지원의 상태에 따라 기준 전력을 결정할 필요성이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 주파수 디커플링 기반으로 퍼지 논리 규칙과 배터리 열화를 고려하여 에너지원의 필요 전력을 결정함으로써 안정적인 DC 버스 전압을 보장할 수 있는, 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템은 PEMFC(Proton Exchange Membrane)와, ESD(energy storage device)인 배터리 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터 및 제3 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC의 기준 전력, 배터리 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템으로서, 상기 배터리 및 슈퍼 커패시터의 충전상태와 부하 필요 전력을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙에 의해 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 정의하도록 구성된 퍼지 논리 규칙부; 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 주파수 디커플링에 의해 PEMFC의 기준 전력, 슈퍼 커패시터의 기준 전력 및 배터리 제1 전력을 결정하도록 구성된 주파수 디커플링부; 상기 배터리 제1 전력을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력을 결정하도록 구성된 배터리 열화부; 및 상기 배터리 열화부의 출력 전력과 DC 버스의 배터리 수요 전력을 조합시켜 배터리 기준 전력을 결정하도록 구성된 신호 조합기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 설정된 퍼지 논리 규칙은 입력 변수가 부하 필요 전력, 배터리 충전상태 및 슈퍼 커패시터 충전상태이며, 출력 변수가 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력이며, 상기 부하 필요 전력은 H(High) 전력, M(medium) 전력, L(low) 전력 및 재생(Regeneration) 전력으로 구분되는 4가지 MF(membership function)로 특징지어지며, 상기 배터리 충전상태 및 슈퍼 커패시터 충전상태는 퍼지 필드 범위가 각각 [0.4, 0.9] 및 [0.6, 0.9]이며, VL(Very Low), L(Low), M(Medium), H(High), VH(Very High)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어지며, 상기 PEMFC의 전력은 Min(Minimum), OL(Optimal Low), Opt(Optimal), OH(Optimal High) 및 Max(Maximum)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어지며, 상기 ESD의 전력은 [-1, 1] 간격 내에 분포되며, NL(Negative low), NM(Negative medium), NH(Negative high), Z(Zero), PL(Positive low), PM(Positive medium) 및 PH(positive high)로 구분되는 7개의 MF로 특징지어질 수 있다.
상기 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 주파수 디커플링부는 주파수 디커플링을 구현하기 위해 다음의 [수학식 1]의 전달 함수[]를 갖는 LPF(저역 통과 필터)로 설계되며, 두 개의 서로 다른 차단 주파수 및 를 가지며, 상기 제1 DC/DC 컨버터(30)에 공급되는 가장 낮은 주파수의 PEMFC 기준 전력을 생성하는 데 사용되는 제1 저역 통과 필터(LPF-1); 및 상기 배터리 열화부(300)에 대한 입력 데이터로 사용할 상기 PEMFC 기준 전력의 주파수보다 빠른 배터리 제1 전력을 생성하는데 사용되는 제2 저역 통과 필터(LPF-2);를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
[여기서, 는 다음의 [수학식 2]에 의해 정의되는 시정수임]
[수학식 2]
[여기서, 는 차단주파수임]
상기 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 PEMFC 기준 전력은 다음의 [수학식 3]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 3]
[여기서, 는 PEMFC의 기준 전력을 나타내며, 는 제1 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 PEMFC의 전력임]
상기 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 제1 전력은 다음의 [수학식 4]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 4]
[여기서, 는 배터리 제1 전력을 나타내며, 는 제2 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 ESD의 전력을 나타냄]
상기 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터의 기준 전력은 다음의 [수학식 5]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 5]
[여기서, 는 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 나타냄]
본 발명의 실시형태에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 의하면, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 충전상태와 부하 필요 전력을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙에 의해 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 정의하고, 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 주파수 디커플링에 의해 PEMFC의 기준 전력, 슈퍼 커패시터의 기준 전력 및 배터리 제1 전력을 결정하고, 상기 배터리 제1 전력을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력을 결정하고, 상기 배터리 열화부의 출력 전력과 DC 버스의 배터리 수요 전력을 조합시켜 배터리 기준 전력을 결정하도록 구성됨으로써, 주파수 디커플링 기반으로 퍼지 논리 규칙과 배터리 열화를 고려하여 에너지원의 필요 전력을 결정하므로 안정적인 DC 버스 전압을 보장할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 HET(Hybrid Electric Tramway)의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
도 3은 도 2의 주파수 디커플링부의 회로도이다.
도 4는 도 2의 배터리 열화부에서 이용하는 배터리 열화 모델의 상세 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
도 3은 도 2의 주파수 디커플링부의 회로도이다.
도 4는 도 2의 배터리 열화부에서 이용하는 배터리 열화 모델의 상세 블록도이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 자료 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 자료 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 자료 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 HET(Hybrid Electric Tramway)에 대해서 설명한다.
HET(Hybrid Electric Tramway)는, 도 1에 도시된 바와 같이, PEMFC(10), 배터리(21), 슈퍼 커패시터(23) 및 제1, 2, 3 DC/DC 컨버터(30, 33, 35)를 포함하는 4개의 주요 부품과, 보조 서비스 모듈, 제동 초퍼, DC/AC 인버터(40), 트랙션 모터 드라이브 및 에너지 관리 시스템(1000)을 포함한다.
전원은 부하 전력 수요를 충족시키기 위해 제1, 2, 3 DC/DC 컨버터(30, 33, 35)를 통해 DC 버스에 상호 연결된다.
PEMFC(10)는 1차 에너지원으로 사용되며 단방향의 제1 DC/DC 컨버터(30)에 연결되어 PEMFC(10)의 저전압을 DC 버스의 필요 전압으로 승압한다.
배터리(21) 및 슈퍼 커패시터(23)는 에너지 저장 장치인 ESD(20)로 활용되며 양방향 제2, 3 DC/DC 컨버터(33, 35)에 연결되어 에너지 전달 및 복구 작업을 위해 양방향으로 전력 흐름을 전달한다. ESD(20)는 가속 시 보조 전원을 공급하고 제동 과정에서 회생 에너지를 흡수하는 데 사용된다. 슈퍼 커패시터(23)는 빠른 동적 응답 특성으로 인해 PEMFC(10)와 배터리(21)가 단시간에 수용할 수 없는 견인 하중(마찰, 견인력 또는 제동으로 인해 움직이는 차량이 운동 방향으로 구조물에 가하는 하중)의 피크 출력을 보상하거나 소모하도록 구비되어 있다.
이하, 본 발명에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
본 발명에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템(1000)은 도 1의 제1 DC/DC 컨버터(30), 제2 DC/DC 컨버터(33) 및 제3 DC/DC 컨버터(35)를 제어하기 위해 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하는 제1, 2, 3 컨트롤러(600, 610, 620)에 PEMFC의 기준 전력(), 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 생성하여 제공하는 역할을 한다.
본 발명에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템(1000)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 퍼지 논리 규칙부(100), 주파수 디커플링부(200), 배터리 열화부(300), VDC 버스 전압 제어부(400) 및 신호 조합기(500)를 포함한다.
퍼지 논리 규칙부(100)는 배터리(21)의 충전상태(), 슈퍼 커패시터(23)의 충전상태(), 및 부하 필요 전력()을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙(FLR)에 의해 PEMFC의 전력() 및 ESD의 전력()을 정의하는 역할을 한다.
퍼지 논리 규칙부(100)는 배터리(21)의 충전상태(), 슈퍼 커패시터(23)의 충전상태(), 및 부하 필요 전력()을 기반으로 PEMFC(10) 및 ESD(20)에 수요 전력을 합리적으로 할당하도록 퍼지 논리 규칙(FLR)을 설정한다. FLR의 목표는 PEMFC(10)의 효율을 높이고 수소 소비를 최소화할 뿐 아니라, 를 0.4 ~ 0.9 범위 내에서 유지하여 배터리(21)의 수명을 연장하고, 를 0.6 ~ 0.9 범위 내에서 유지하는 것이다. FLR에는 3개의 입력 변수(부하 필요 전력, 배터리 충전상태, 슈퍼 커패시터 충전상태)와 2개의 출력 변수(PEMFC의 전력 및 ESD의 전력)가 있다.
부하 필요 전력()은 H(High) 전력, M(medium) 전력, L(low) 전력 및 재생(Regeneration) 전력으로 구분되는 4가지 MF(membership function)로 특징지어진다.
배터리 충전상태() 및 슈퍼 커패시터 충전상태()는 퍼지 필드 범위가 각각 [0.4, 0.9] 및 [0.6, 0.9]이며, VL(Very Low), L(Low), M(Medium), H(High), VH(Very High)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어진다.
PEMFC의 전력()은 Min(Minimum), OL(Optimal Low), Opt(Optimal), OH(Optimal High) 및 Max(Maximum)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어진다.
ESD의 전력()은 [-1, 1] 간격 내에 분포되며, NL(Negative low), NM(Negative medium), NH(Negative high), Z(Zero), PL(Positive low), PM(Positive medium) 및 PH(positive high)로 구분되는 7개의 MF로 특징지어진다.
부하 필요 전력의 4가지 경우인 H(High) 전력, M(medium) 전력, L(low) 전력 및 재생(Regeneration) 전력 각각의 행렬 규칙은 다음의 [표 1], [표 2], [표 3], [표 4]에 나와 있다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
[표 4]
주파수 디커플링부(200)는 퍼지 논리 규칙부(100)에서 입력된 PEMFC의 전력() 및 ESD의 전력()을 주파수 디커플링(decoupling)에 의해 PEMFC의 기준 전력(), 슈퍼 커패시터의 기준 전력() 및 배터리 제1 전력()을 결정하는 역할을 한다.
주파수 디커플링 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 에너지원의 전력 응답과 Rangone 다이어그램에 따라 FD 방법을 사용하여 부하 요구를 PEMFC의 기준 전력(), 슈퍼 커패시터의 기준 전력() 및 배터리 제1 전력()의 작동 범위 및 전력 변화율에 해당하는 3개의 주파수 대역으로 분해한다. 주파수 디커플링 방법의 구조는 도 3에 나와 있다. 이 접근 방식은 실험 응용 프로그램을 위한 짧은 시간의 계산과 간단한 설계의 장점이 있다. FD 알고리즘을 구현하기 위해 다음의 [수학식 1]과 같이 전달 함수로 저역 통과 필터(LPF)가 선택된다.
[수학식 1]
[여기서, 는 다음의 [수학식 2]에 의해 정의되는 시정수임]
[수학식 2]
[여기서, 는 차단주파수임]
두 개의 LPF인 제1 저역 통과 필터(LPF-1) 및 제2 저역 통과 필터(LPF-2)는 두 개의 서로 다른 차단 주파수로 설계되었다. 제1 저역 통과 필터(LPF-1)는 PEMFC(10)의 부스트 컨버터인 제1 DC/DC 컨버터(30)에 공급되는 가장 낮은 주파수의 PEMFC 기준 전력()을 생성하는 데 사용된다. 제2 저역 통과 필터(LPF-2)는 배터리 열화부(300)에 대한 입력 데이터로 사용할, PEMFC 기준 전력()의 주파수보다 빠른 주파수 전력을 구현하기 위해 적용된다. 이러한 전력들은 다음의 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 3]
[여기서, 는 PEMFC의 기준 전력을 나타내며, 는 제1 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 PEMFC의 전력임]
[수학식 4]
[여기서, 는 배터리 제1 전력을 나타내며, 는 제2 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 ESD의 전력을 나타냄]
느린 역학(slow dynamics)으로 인해 PEMFC(10)와 배터리(21)는 고주파 전력 수요에 즉시 적응할 수 없다. 따라서 슈퍼 커패시터(23)가 PEMFC(10) 및 배터리(21)의 부하 변동 및 고주파 전력을 보상하는 데 사용된다. 슈퍼 커패시터(23)의 기준 전력()은 다음의 [수학식 5]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 5]
[여기서, 는 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 나타냄]
배터리 열화부(300)는 주파수 디커플링부(200)에서 결정된 배터리 제1 전력()을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력을 결정하는 역할을 한다.
배터리 기준 전력()은 배터리 온도, 충전 상태(S0C), 피크 전력 적응성, 충전 최적화, 수명 평가 등의 배터리 특성을 종합적으로 고려하기 위해 배터리 열화를 고려하여 결정된다. 성능 저하의 영향 및 관련 경제적 비용을 추정하려면 신뢰할 수 있는 배터리 열화 모델이 필요하다. 배터리 쇠퇴 과정의 속성과 관련 실험 데이터는 구축 과정에서 추출해야 한다. 배터리 열화 모델은 배터리의 외형적 특성을 기반으로 한 반실증적 데이터 모델을 사용하여 설정되었다. 배터리의 열화 요인은 내부 요인과 외부 요인으로 나눌 수 있다. 내부 요인으로는 전극판 성능 저하, 전해질 분해, 분리막 노후화, 재료 구조 파괴 등이 있으며, 외부 요인으로는 배터리 충방전율, 방전 심도(DOD), 환경 온도, 차단 전압 등이 있다. 본 발명은 배터리 성능 저하에 대한 에너지 관리 시스템 전략의 영향에 중점을 두고 있기 때문에, 내부 요인의 영향은 제외된다. 배터리 용량의 감소율()은 다음 [수학식 6]과 같이 결정된다.
[수학식 6]
[여기서, 는 사용전에 캘리브레이션된 배터리의 실제 용량을 나타내고, 는 i사이클 후의 배터리의 이용가능한 용량임]
통상, 충전 상태(S0C)지수는 가용 전력을 평가하는 데에 사용된다. 따라서 안전한 작동 정도를 특성화하고 배터리에 대한 참조를 제공한다. 그러나 배터리의 최대 충방전 전력 및 변화율을 지정하는 전력 상태와 같은 다른 지표는 배전 설계에서 무시되었다. 또한 충전 프로세스는 충전 효율을 향상시키는 또 다른 중요한 핵심 요소이다. 따라서 배터리 전력 열화를 고려하는 것은 수명을 연장하고 운영 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다. 배터리 열화 모델은 도 4에 나와 있다.
시스템 온도, 측정된 전압 및 전류의 데이터는 시스템 역학 및 기타 시스템 상태(저항, 커패시터 등)를 식별하기 위해 수집된다. 노이즈 제거 기술은 노이즈 영향 하에서 상태 업데이트를 위한 보다 정확한 신호를 얻기 위해 사용된다. 다음, 피크 전류와 피크 전력을 예측하여 안전 동작에 적합한 최대 충, 방전 전력을 정의한다. 다음, 이러한 파라미터는 배터리 충전 프로세스를 최적화하기 위한 제약 조건으로 사용되며, 이를 통해 설계자가 정의한 다목적 기능 및 배터리 충전상태()의 전류 레벨을 기반으로 정전압, 정전류 또는 펄스 전류와 같은 적절한 모드를 결정할 수 있다. 결과적으로 필요한 배터리 전력()을 생성하기 위해 배전을 위한 적응적인 비율 계수가 결정될 수 있다.
VDC 버스 전압 제어부(400)는 부하 전력 수요가 급격히 증가하거나 감소할 때 DC 버스 전압 변동을 처리하기 위한 적응형 컨트롤러로서, DC 버스 전압의 안정성을 조절하고 보장한다. VDC 버스 전압 제어부(400)는 배터리 응답을 기반으로 개발되었다. VDC 버스 전압 제어부(400)의 입력은 - 이고 출력은 배터리 제2 전력()으로 정의된다.
신호 조합기(500)는 배터리 열화부(300)의 출력 전력()과 DC 버스의 배터리 수요 전력인 배터리 제2 전력()을 조합시켜 배터리 기준 전력()을 결정하는 역할을 한다.
배터리 기준 전력()은 다음 [수학식 7]에 의해 결정된다.
[수학식 7]
본 발명의 에너지 관리 시스템(High-level control)에서 결정된 PEMFC의 기준 전력(), 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()으로부터, 로 레벨 제어(Low-level control)가 수행되어 출력 순 전력 조정(output net power regulation)을 위해 제1, 2, 3 DC/DC 컨버터(30, 33, 35)에 공급되는 PWM 신호가 생성된다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 퍼지 논리 규칙부(100)가 배터리 및 슈퍼 커패시터의 충전상태(, )와 부하 필요 전력()을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙에 의해 PEMFC의 전력() 및 ESD의 전력()을 정의한다.
다음, 주파수 디커플링부(200)는 정의된 PEMFC의 전력() 및 ESD의 전력()을 주파수 디커플링에 의해 PEMFC의 기준 전력(), 슈퍼 커패시터의 기준 전력() 및 배터리 제1 전력()을 결정한다.
다음, 배터리 열화부(300)가 결정된 배터리 제1 전력()을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력()을 결정한다.
다음, 신호 조합기(500)가 결정된 배터리 열화부(300)의 출력 전력()과 DC 버스의 배터리 수요 전력()을 조합시켜 배터리 기준 전력()을 결정한다.
다음, 위 단계에서 결정된 PEMFC의 기준 전력(), 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()으로부터, 로 레벨 제어(Low-level control)가 수행되어 출력 순 전력 조정(output net power regulation)을 위해 제1, 2, 3 DC/DC 컨버터(30, 33, 35)에 공급되는 PWM 신호가 생성된다.
본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 의하면, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 충전상태와 부하 필요 전력을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙에 의해 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 정의하고, 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 주파수 디커플링에 의해 PEMFC의 기준 전력, 슈퍼 커패시터의 기준 전력 및 배터리 제1 전력을 결정하고, 상기 배터리 제1 전력을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력을 결정하고, 상기 배터리 열화부의 출력 전력과 DC 버스의 배터리 수요 전력을 조합시켜 배터리 기준 전력을 결정하도록 구성됨으로써, 주파수 디커플링 기반으로 퍼지 논리 규칙과 배터리 열화를 고려하여 에너지원의 필요 전력을 결정하므로 안정적인 DC 버스 전압을 보장할 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: PEMFC
20: ESD
21: 배터리
23: 슈퍼 커패시터
30: 제1 DC/DC 컨버터
33: 제2 DC/DC 컨버터
35: 제3 DC/DC 컨버터
40: DC/AC 인버터
100: 퍼지 논리 규칙부
200: 주파수 디커플링부
300: 배터리 열화부
400: VDC 버스 전압 제어부
500: 신호 조합기
600: 제1 컨트롤러
610: 제2 컨트롤러
620: 제3 컨트롤러
20: ESD
21: 배터리
23: 슈퍼 커패시터
30: 제1 DC/DC 컨버터
33: 제2 DC/DC 컨버터
35: 제3 DC/DC 컨버터
40: DC/AC 인버터
100: 퍼지 논리 규칙부
200: 주파수 디커플링부
300: 배터리 열화부
400: VDC 버스 전압 제어부
500: 신호 조합기
600: 제1 컨트롤러
610: 제2 컨트롤러
620: 제3 컨트롤러
Claims (6)
- PEMFC(Proton Exchange Membrane)(10)와, ESD(energy storage device)인 배터리(21) 및 슈퍼 커패시터(23)를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터(30), 제2 DC/DC 컨버터(33) 및 제3 DC/DC 컨버터(35)를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC의 기준 전력, 배터리 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템으로서,
상기 배터리 및 슈퍼 커패시터의 충전상태와 부하 필요 전력을 기반으로 설정된 퍼지 논리 규칙에 의해 상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 정의하도록 구성된 퍼지 논리 규칙부(100);
상기 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력을 주파수 디커플링에 의해 PEMFC의 기준 전력, 슈퍼 커패시터의 기준 전력 및 배터리 제1 전력을 결정하도록 구성된 주파수 디커플링부(200);
상기 배터리 제1 전력을 배터리 열화 모델을 이용하여 출력 전력을 결정하도록 구성된 배터리 열화부(300); 및
상기 배터리 열화부의 출력 전력과 DC 버스의 배터리 수요 전력을 조합시켜 배터리 기준 전력을 결정하도록 구성된 신호 조합기(500);를 포함하는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 설정된 퍼지 논리 규칙은
입력 변수가 부하 필요 전력, 배터리 충전상태 및 슈퍼 커패시터 충전상태이며,
출력 변수가 PEMFC의 전력 및 ESD의 전력이며,
상기 부하 필요 전력은 H(High) 전력, M(medium) 전력, L(low) 전력 및 재생(Regeneration) 전력으로 구분되는 4가지 MF(membership function)로 특징지어지며,
상기 배터리 충전상태 및 슈퍼 커패시터 충전상태는 퍼지 필드 범위가 각각 [0.4, 0.9] 및 [0.6, 0.9]이며, VL(Very Low), L(Low), M(Medium), H(High), VH(Very High)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어지며,
상기 PEMFC의 전력은 Min(Minimum), OL(Optimal Low), Opt(Optimal), OH(Optimal High) 및 Max(Maximum)로 구분되는 5개의 MF로 특징지어지며,
상기 ESD의 전력은 [-1, 1] 간격 내에 분포되며, NL(Negative low), NM(Negative medium), NH(Negative high), Z(Zero), PL(Positive low), PM(Positive medium) 및 PH(positive high)로 구분되는 7개의 MF로 특징지어지는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 주파수 디커플링부(200)는
주파수 디커플링을 구현하기 위해 다음의 [수학식 1]의 전달 함수[]를 갖는 LPF(저역 통과 필터)로 설계되며, 두 개의 서로 다른 차단 주파수 및 를 가지며,
상기 제1 DC/DC 컨버터(30)에 공급되는 가장 낮은 주파수의 PEMFC 기준 전력을 생성하는 데 사용되는 제1 저역 통과 필터(LPF-1); 및
상기 배터리 열화부(300)에 대한 입력 데이터로 사용할, 상기 PEMFC 기준 전력의 주파수보다 빠른 배터리 제1 전력을 생성하는데 사용되는 제2 저역 통과 필터(LPF-2);를 포함하는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
[수학식 1]
[여기서, 는 다음의 [수학식 2]에 의해 정의되는 시정수임]
[수학식 2]
[여기서, 는 차단주파수임]
- 제3 항에 있어서,
상기 PEMFC 기준 전력은 다음의 [수학식 3]에 의해 결정되는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
[수학식 3]
[여기서, 는 PEMFC의 기준 전력을 나타내며, 는 제1 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 PEMFC의 전력임]
- 제4 항에 있어서,
상기 배터리 제1 전력은 다음의 [수학식 4]에 의해 결정되는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
[수학식 4]
[여기서, 는 배터리 제1 전력을 나타내며, 는 제2 저역 통과 필터의 전달함수이며, 는 ESD의 전력을 나타냄]
- 제5 항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터의 기준 전력은 다음의 [수학식 5]에 의해 결정되는 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
[수학식 5]
[여기서, 는 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 나타냄]
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