KR102656116B1 - 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 - Google Patents
멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102656116B1 KR102656116B1 KR1020220059632A KR20220059632A KR102656116B1 KR 102656116 B1 KR102656116 B1 KR 102656116B1 KR 1020220059632 A KR1020220059632 A KR 1020220059632A KR 20220059632 A KR20220059632 A KR 20220059632A KR 102656116 B1 KR102656116 B1 KR 102656116B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- pemfc
- equivalent
- reference power
- battery
- efficiency
- Prior art date
Links
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 26
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 9
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 8
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 3
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 6
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000000707 layer-by-layer assembly Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
- B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
- B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
- B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
- B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
- B60L3/0053—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to fuel cells
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/40—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by capacitors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
- B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
- B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
- B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N20/00—Machine learning
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2210/00—Converter types
- B60L2210/10—DC to DC converters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
- B60L2240/40—Drive Train control parameters
- B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
- B60L2240/545—Temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
- B60Y2200/00—Type of vehicle
- B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
- B60Y2200/91—Electric vehicles
- B60Y2200/912—Electric vehicles with power supply external to vehicle, e.g. trolley buses or trams
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
본 발명은 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것으로서, 특히 듀얼 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, ESD(energy storage device)인 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 듀얼 PEMFC, 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터, 제3 DC/DC 컨버터, 제4 DC/DC 컨버터 및 제5 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC 1, 2의 기준 전력, 배터리 1, 2의 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 관한 것으로서, 특히 듀얼 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, ESD(energy storage device)인 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 듀얼 PEMFC, 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터, 제3 DC/DC 컨버터, 제4 DC/DC 컨버터 및 제5 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC 1, 2의 기준 전력, 배터리 1, 2의 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 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 듀얼 PEMFC, 듀얼 배터리, 슈퍼 커패시터(SC) 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 4종류의 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 듀얼 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터를 포함하는 에너지원에 대한 효과적인 배전과 듀얼 PEMFC의 최대 효율을 달성하고, ESD의 충전 상태(SOC)를 적절한 간격 내에서 조정할 수 있는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 의한멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 1 및 PEMFC 2와, ESD(energy storage device)인 배터리 1, 배터리 2 및 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC 1, PEMFC 2, 배터리 1, 배터리 2 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력 전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터, 제2 DC/DC 컨버터, 제3 DC/DC 컨버터, 제4 DC/DC 컨버터 및 제5 DC/DC 컨버터를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC 1의 기준 전력, PEMFC 2의 기준 전력, 배터리 1의 기준 전력, 배터리 2의 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템으로서, 상기 PEMFC 1의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 2의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 1의 실제 전력 데이터 및 상기 PEMFC 2의 실제 전력 데이터를 입력받아 등가 PEMFC 효율()을 산출하도록 구성된 등가 효율 계산부; 상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 충전상태 데이터를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성하도록 구성된 이득 조절부; 상기 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시켜 상기 등가 충전상태 데이터()를 안정화시켜 설정된 값으로 조정하고, 상기 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한하도록 구성된 등가 패널티 함수 실행부; 상기 등가 패널티 함수 실행부로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출하도록 구성된 등가 이론 전류 계산부; 상기 FC 등가 이론 전류 데이터를 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하도록 구성된 등가 기준 전력 계산부; 상기 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하고, 상기 PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 상기 PEMFC의 수명을 평가하고, 상기 PEMFC의 수명치를 기초로 상기 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 기준 전력을 결정하도록 구성된 PEMFC 기준 전력 결정부; 및 상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 특성을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정하도록 구성된 주파수 디커플링부; 및 상기 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고 상기 배터리 1, 2의 특성을 고려하여 상기 배터리 1의 기준 전력 및 배터리 2의 기준 전력을 결정하도록 구성된 배터리 관리 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 등가 PEMFC 효율()은 다음의 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
[여기서, 및 는 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 실제 전력을 나타내고, 는 PEMFC 1의 설정된 효율을 나타내고, 는 PEMFC 2의 설정된 효율을 나타낸다]
상기 실시형태에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 PEMFC 기준 전력 결정부는 PEMFC 1 및 PEMFC 2중 수명이 짧은 PEMFC는 설정된 최적 효율로 동작하도록 기준 전력을 결정하고, 나머지 PEMFC는 상기 최적 효율로 작동하는 PEMFC보다 낮은 효율로 작동하도록 기준 전력을 결정할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템이 상기 배터리 1, 2의 기준 전력 결정 시 고려하는 배터리의 특성은 배터리의 온도, 충전상태, 피크 전력 적응성 및 평가 수명을 포함할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 있어서, 상기 PEMFC 기준 전력 결정부는 장애 임계법 접근법, 모델 기반 접근법 및 기계 학습 접근법 중 하나를 사용하여 PEMFC에 대해 남은 수명을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 의하면, PEMFC 1의 설정된 효율 데이터, PEMFC 2의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 1의 실제 전력 데이터 및 상기 PEMFC 2의 실제 전력 데이터를 입력받아 등가 PEMFC 효율()을 산출하고, 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 충전상태 데이터를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성하고, 상기 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시켜 상기 등가 충전상태 데이터()를 안정화시켜 설정된 값으로 조정하고, 상기 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한하고, 상기 등가 패널티 함수 실행부로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출하고, 상기 FC 등가 이론 전류 데이터를 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하고, 상기 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하고, 상기 PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 상기 PEMFC의 수명을 평가하고, 상기 PEMFC의 수명치를 기초로 상기 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 기준 전력을 결정하고, 상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 특성을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정하고, 상기 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고 상기 배터리 1, 2의 특성을 고려하여 상기 배터리 1의 기준 전력 및 배터리 2의 기준 전력을 결정하도록 구성됨으로써, 듀얼 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터를 포함하는 에너지원에 대한 효과적인 배전과 듀얼 PEMFC의 최대 효율을 달성하고, ESD의 충전 상태(SOC)를 적절한 간격 내에서 조정할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 하이브리드 전기 트램(HET: Hybrid Electric Tramway)의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
도 3은 도 2의 PEMFC 기준 전력 결정부에서 PEMFC 1, 2의 기준 전력을 결정하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 배터리 관리 시스템에서 이루어지는 배터리 관리 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
도 3은 도 2의 PEMFC 기준 전력 결정부에서 PEMFC 1, 2의 기준 전력을 결정하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 배터리 관리 시스템에서 이루어지는 배터리 관리 방법을 나타낸 도면이다.
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, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 하이브리드 전기 트램(HET: Hybrid Electric Tramway)에 대해서 설명한다.
HET(Hybrid Electric Tramway)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 멀티 세트 하이브리드 전원(mHPS:multi-set hybrid power sources) 및 에너지 관리 시스템(1000)을 포함한다. mHPS는 듀얼 PEMFC[ PEMFC 1(10) 및 PEMFC 2(10′)], 듀얼 배터리[배터리 1(21) 및 배터리 2(21′)] 및 슈퍼 커패시터(23)를 포함한다.
슈퍼 커패시터(23)는 제5 DC/DC 컨버터(35)와 DC/AC 인버터(40)를 통해 DC 버스에 상호 연결되어서, HET 동적 시스템과 서브시스템[브레이크 초퍼, 덤프된(dumped) 부하, 보조 장치 등]에 전원을 공급한다.
mHPS의 동작은 현재 시스템에서 측정된 상태 데이터에 기초하여 제1, 2, 3, 4, 5 DC/DC 컨버터(30, 30′, 33, 33′, 35) 및 DC/AC 인버터(40)에 적합한 펄스폭 변조 신호(PWM)를 생성하는 에너지 관리 시스템(1000)에 의해 결정된다.
제1 DC/DC 컨버터(30), 제2 DC/DC 컨버터(30′), 제3 DC/DC 컨버터(33), 제4 DC/DC 컨버터(33′) 및 제5 DC/DC 컨버터(35)는 PEMFC 1(10), PEMFC 2(10′), 배터리 1(21), 배터리 2(21′) 및 슈퍼 커패시터(23)의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 역할을 한다.
배터리 1, 2(21, 21′) 및 슈퍼 커패시터(23)는 에너지 저장 장치인 ESD(20)로 활용되며 양방향 컨버터인 제3, 4, 5 DC/DC 컨버터(33, 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 1, 2(10, 10′)와 배터리(21, 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 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 회로도이다.
본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템(1000)은 도 1의 제1 DC/DC 컨버터(30), 제2 DC/DC 컨버터(30′), 제3 DC/DC 컨버터(33), 제4 DC/DC 컨버터(33′) 및 제5 DC/DC 컨버터(35)를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC 1(10)의 기준 전력(), PEMFC 2(10′)의 기준 전력(), 배터리 1(21)의 기준 전력(), 배터리 2(21′)의 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터(23)의 기준 전력()을 생성하는 역할을 한다.
본 발명에 의한 에너지 관리 시스템(1000)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 등가 효율 계산부(100), 이득 조절부(200), 등가 패널티 함수 실행부(300), 등가 이론 전류 계산부(400), 등가 기준 전력 계산부(500), PEMFC 기준 전력 결정부(900), 주파수 디커플링부(700), 및 배터리 관리 시스템(800)을 포함한다.
등가 효율 계산부(100)는 PEMFC 1(10)의 설정된 효율 데이터(), PEMFC 2(10′)의 설정된 효율() 데이터, PEMFC 1(10)의 실제 전력() 데이터 및 PEMFC 2(10′)의 실제 전력() 데이터를 입력받아 다음의 [수학식 1]에 의해 등가 PEMFC 효율()을 산출하는 역할을 한다.
[수학식 1]
[여기서, 및 는 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 실제 전력을 나타내고, 는 PEMFC 1의 설정된 효율을 나타내고, 는 PEMFC 2의 설정된 효율을 나타낸다]
이득 조절부(200)는 배터리 1, 2(21, 21′) 및 슈퍼 커패시터(23)의 충전상태 데이터(, )를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성하는 역할을 한다.
등가 패널티 함수 실행부(300)는 등가 효율 계산부(100) 및 이득 조절부(200)로부터 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시킴으로써, 등가 충전상태 데이터()를 소정의 간격 내에서 변화하도록 조정하여 등가 충전상태 데이터()의 최종값을 설정된 값에 맞추도록 안정화하며, 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한하는 역할을 한다.
등가 이론 전류 계산부(400)는 등가 패널티 함수 실행부(300)로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출하는 역할을 한다.
등가 기준 전력 계산부(500)는 등가 이론 전류 계산부(400)로부터 FC 등가 이론 전류() 데이터를 입력받아 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하는 역할을 한다.
등가 기준 전력 계산부(500)는 FC 등가 이론 전류()를 커브 피팅(Curve Fitting)에 의해 FC 등가 이론 전력(
)으로 변환하는 커브 피팅부(500), FC 등가 이론 전력(
)을 입력받아 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)하는 토탈 효율 맵(600), 및 토탈 효율 맵(600)의 토탈 효율 매핑 결과와 커브 커팅부(500)로부터의 FC 등가 이론 전력(
)을 곱셈 연산하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하는 제1 곱셈기(M1)를 포함한다.
PEMFC 기준 전력 결정부(900)는 등가 기준 전력 계산부(500)로부터 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC(듀얼 PEMFC)에 대해 남은 수명을 추정하고, PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 PEMFC의 수명을 평가하고, PEMFC의 수명치를 기초로 PEMFC 1(10) 및 PEMFC 2(10′)의 기준 전력(, )을 결정하는 역할을 한다. PEMFC 기준 전력 결정부(900)는 PEMFC 1(10) 및 PEMFC 2(10′)중 수명이 짧은 PEMFC는 최적 효율로 동작하도록 기준 전력을 결정하고, 나머지 PEMFC는 최적 효율로 작동하는 PEMFC보다 낮은 효율로 작동하도록 기준 전력을 결정할 수 있다.
도 3은 도 2의 PEMFC 기준 전력 결정부에서 PEMFC 1, 2의 기준 전력을 결정하는 과정을 나타낸 도면이다.
RUL(remaining useful life)(910)은 PEMFC의 남은 수명 추정 정보를 제공할 수 있으므로 적절한 제어 전략을 사용하여 PEMFC 1(10), 및 PEMFC 2(10′)의 작동을 최적화할 수 있다. PEMFC의 남은 수명 추정 과정에 대한 자세한 내용은 도 3에 제시되어 있다.
완전한 예후 프로세스(Prognostic process)는 열화 예측과 남은 수명 추정을 포함한 두 단계로 나눌 수 있다.
첫 번째 단계에는 학습 프로세스(Learning process)와 예측 프로세스(Prediction)의 두 가지 하위 프로세스가 포함된다:
- 학습 프로세스에서는 데이터베이스에서 입력된 PEMFC에 대한 전압, 전류, 온도, 압력 및 열화 추세의 데이터를 인공신경망에 입력시켜 기계 학습시킨다.
- 예측 프로세스는 수집된 PEMFC 1(10), 및 PEMFC 2(10′)의 측정 데이터(전압, 전류, 온도, 압력 등)를, 위에서 기계 학습된 인공신경망에 입력시켜 PEMFC 1, 및 PEMFC 2의 미래의 열화 추세를 예측한다. 예측은 장기 예측과 단기 예측으로 나눌 수 있다. 단기 예측은 1시간마다, 1일마다, 1주일마다 등 짧은 기간의 열화 추세를 예측하는 것이고, 장기 예측은 매월 또는 몇 주 등 장기적인 열화 추세를 예측하는 것이다.
두 번째 단계에서는, PEMFC의 남은 수명은 장애 임계값 접근법, 모델 기반 접근법 또는 기계 학습 접근법으로 추정될 수 있다. PEMFC의 남은 수명을 추정하고 내구성과 가용성을 최적화하기 위한 적절한 수정 조치를 취하기 위해 열화 예측이 필요하다. 이 예측 프로세스는 PEMFC의 복구 또는 장애의 경우에도 계속될 수 있는 장기적인 열화 정보를 저장할 수 있다.
마지막으로, 남은 수명이 짧은 PEMFC는 수명을 연장하기 위한 솔루션으로 가장 효율적인 영역에서 작동하도록 미리 설정되었으며, 다른 하나는 나머지 전력을 따를 수 있다.
이는 등가 효율이 항상 개별 효율보다 낮기 때문에 합리적이다. 따라서, 결정된 등가 효율로부터, 수명이 짧은 PEMFC가 최적의 효율로 동작할 때, 다른 PEMFC는 최적의 경우보다 더 많은 전력을 필요로 하는 낮은 효율로 동작한다.
주파수 디커플링부(700)는 배터리 1, 2(21, 21′) 및 슈퍼 커패시터(23)의 특성(배터리의 온도, 충전상태, 피크 전력 적응성, 및 평가 수명을 포함)을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정하는 역할을 한다.
배터리 관리 시스템(800)은 주파수 디커플링부(700)로부터 결정된 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고, 배터리 1, 2(21, 21′)의 특성(예컨대, 배터리의 온도, 충전상태, 피크 전력 적응성, 평가 수명)을 고려하여 배터리 1(21)의 기준 전력() 및 배터리 2(21′)의 기준 전력()을 결정하는 역할을 한다.
도 4는 도 2의 배터리 관리 시스템에서 이루어지는 배터리 관리 방법을 나타낸 도면이다.
기존의 배전 전략과는 달리, 각 배터리 시스템의 기준 전력(, )은 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 관리 시스템(BMS)(800)에 의해 결정되며, 배터리의 온도, 충전상태(SOC), 피크 전력 적응성, 평가 수명 등과 같은 배터리 특성을 종합적으로 고려한다.
일반적으로 SOC 지표는 사용 가능한 전력을 평가하는 데 사용된다. 따라서 안전한 작동 정도를 특성화하고 배터리에 대한 기준을 제공한다. 그러나 배터리의 최대 충전 및 방전 전력과 변화율을 지정하는 전력 상태(SOP)와 같은 지표는 배전 설계에서 무시될 수 있다. 또한 충전 프로세스는 충전 효율을 향상시키는 또 다른 중요한 요소이다. 따라서 배터리 기준 전력에 배터리 관리 시스템(800)를 사용하는 것은 수명을 연장하고 운영 효율성을 극대화하는데 중요한 역할을 한다.
결정된 듀얼 배터리 기준 전력으로부터 시스템 온도, 측정 전압 및 측정 전류의 데이터를 수집하여 시스템 역학과 저항 및 커패시터와 같은 다른 시스템 상태를 식별할 수 있다. 노이즈의 영향으로, 상태 업데이트를 위한 보다 정확한 신호를 얻기 위해 노이즈 제거 기술(칼만 필터 및 저역 통과 필터 등)이 채택될 수 있다. 이후, 피크 전류와 피크 전력이 SOP와 함께 예측되며, 안전 동작의 몇 가지 관점에서 각 배터리에 충분히 적절한 최대 충전 및 방전 전력이 정의된다. 이러한 파라미터는 배터리 충전 프로세스를 최적화하기 위한 제약으로 사용될 수 있다. 이를 통해 설계자가 정의한 다용도 함수와 SOCB1 및 SOCB2의 전류 레벨을 기반으로 정전압, 정전류, 펄스 전류와 같은 적절한 모드를 결정할 수 있다. 이 프로세스는 등가 제약된 배터리 1, 2의 충전 상태(, )로 리턴된다. 이에 따라 적응 비율 계수 r1과 r2를 배전을 위해 계산함으로써 각 배터리의 기준 전력이 된다.
본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 등가 효율 계산부(100)는 PEMFC 1(10)의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMF 2(10′)의 설정된 효율 데이터, PEMFC 1(10)의 실제 전력 데이터 및 PEMFC 2(10′)의 실제 전력 데이터를 입력받아 등가 PEMFC 효율()을 산출한다.
다음, 이득 조절부(200)는 배터리 1, 2(21, 21′) 및 슈퍼 커패시터(23)의 충전상태 데이터를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성한다.
다음, 등가 패널티 함수 실행부(300)는 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시켜 등가 충전상태 데이터()를 안정화시켜 설정된 값으로 조정하고, 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한한다.
다음, 등가 이론 전류 계산부(400)는 등가 패널티 함수 실행부(300)로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출한다.
다음, 등가 기준 전력 계산부(500)는 FC 등가 이론 전류 데이터를 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성한다.
다음, PEMFC 기준 전력 결정부(900)는 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하고, PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 PEMFC의 수명을 평가하고, PEMFC의 수명치를 기초로 PEMFC 1(10) 및 PEMFC 2(10′)의 기준 전력을 결정한다.
다음, 주파수 디커플링부(700)는 배터리 1, 2(21, 21′) 및 슈퍼 커패시터(23)의 특성을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정한다.
다음, 배터리 관리 시스템(800)은 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고 배터리 1, 2의 특성을 고려하여 상기 배터리 1의 기준 전력 및 배터리 2의 기준 전력을 결정한다.
본 발명의 실시예에 의한 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템에 의하면, PEMFC 1의 설정된 효율 데이터, PEMFC 2의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 1의 실제 전력 데이터 및 상기 PEMFC 2의 실제 전력 데이터를 입력받아 등가 PEMFC 효율()을 산출하고, 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 충전상태 데이터를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성하고, 상기 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시켜 상기 등가 충전상태 데이터()를 안정화시켜 설정된 값으로 조정하고, 상기 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한하고, 상기 등가 패널티 함수 실행부로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출하고, 상기 FC 등가 이론 전류 데이터를 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하고, 상기 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하고, 상기 PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 상기 PEMFC의 수명을 평가하고, 상기 PEMFC의 수명치를 기초로 상기 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 기준 전력을 결정하고, 상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 특성을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정하고, 상기 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고 상기 배터리 1, 2의 특성을 고려하여 상기 배터리 1의 기준 전력 및 배터리 2의 기준 전력을 결정하도록 구성됨으로써, 듀얼 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 듀얼 배터리 및 슈퍼 커패시터를 포함하는 에너지원에 대한 효과적인 배전과 듀얼 PEMFC의 최대 효율을 달성하고, ESD의 충전 상태(SOC)를 적절한 간격 내에서 조정할 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 1
10′: PEMFC 2
20: ESD
21: 배터리 1
21′: 배터리 2
23: 슈퍼 커패시터
30: 제1 DC/DC 컨버터
30′: 제2 DC/DC 컨버터
33: 제3 DC/DC 컨버터
33′: 제4 DC/DC 컨버터
35: 제5 DC/DC 컨버터
100: 등가 효율 계산부
200: 이득 조절부
300: 등가 패널티 함수 실행부
400: 등가 이론 전류 계산부
500: 등가 기준 전력 계산부
700: 주파수 디커플링부
800: 배터리 관리 시스템
900: PEMFC 기준 전력 결정부
10′: PEMFC 2
20: ESD
21: 배터리 1
21′: 배터리 2
23: 슈퍼 커패시터
30: 제1 DC/DC 컨버터
30′: 제2 DC/DC 컨버터
33: 제3 DC/DC 컨버터
33′: 제4 DC/DC 컨버터
35: 제5 DC/DC 컨버터
100: 등가 효율 계산부
200: 이득 조절부
300: 등가 패널티 함수 실행부
400: 등가 이론 전류 계산부
500: 등가 기준 전력 계산부
700: 주파수 디커플링부
800: 배터리 관리 시스템
900: PEMFC 기준 전력 결정부
Claims (5)
- PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 1(10) 및 PEMFC 2(10′)와, ESD(energy storage device)인 배터리 1(21), 배터리 2(21′) 및 슈퍼 커패시터(23)를 에너지원으로 하고, 상기 PEMFC 1, PEMFC 2, 배터리 1, 배터리 2 및 슈퍼 커패시터의 후단에 각각 설치되어 출력전압을 승압시키는 제1 DC/DC 컨버터(30), 제2 DC/DC 컨버터(30′), 제3 DC/DC 컨버터(33), 제4 DC/DC 컨버터(33′) 및 제5 DC/DC 컨버터(35)를 제어하는 PWM(pulse-width modulation) 신호를 생성하기 위해 사용되는 PEMFC 1의 기준 전력, PEMFC 2의 기준 전력, 배터리 1의 기준 전력, 배터리 2의 기준 전력 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력을 생성하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템으로서,
상기 PEMFC 1의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 2의 설정된 효율 데이터, 상기 PEMFC 1의 실제 전력 데이터 및 상기 PEMFC 2의 실제 전력 데이터를 입력받아 등가 PEMFC 효율()을 산출하도록 구성된 등가 효율 계산부(100);
상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 충전상태 데이터를 입력받아 이득을 조절하고 조합하여 등가 충전상태 데이터()를 생성하도록 구성된 이득 조절부(200);
상기 등가 PEMFC 효율() 데이터 및 등가 충전상태 데이터()를 입력받고 패널티 함수를 실행시킴으로써, 상기 등가 충전상태 데이터()의 최종값을 설정된 값으로 조정함과 아울러, 상기 등가 PEMFC 효율()의 변화율을 제한하도록 구성된 등가 패널티 함수 실행부(300);
상기 등가 패널티 함수 실행부로부터 패널티 함수 결과 데이터를 입력받아 ES(Extremum seeking)에 의해 FC 등가 이론 전류()를 산출하도록 구성된 등가 이론 전류 계산부(400);
상기 FC 등가 이론 전류 데이터를 커브 피팅(Curve Fitting) 및 토탈 효율 맵핑(Total-efficiency mapping)을 이용하여 FC 등가 기준 전력()을 생성하도록 구성된 등가 기준 전력 계산부(500);
상기 FC 등가 기준 전력() 데이터를 입력받고, PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하고, 상기 PEMFC의 남은 수명 추정치를 이용하여 상기 PEMFC의 수명을 평가하고, 상기 PEMFC의 수명치를 기초로 상기 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 기준 전력을 결정하도록 구성된 PEMFC 기준 전력 결정부(900); 및
상기 배터리 1, 2 및 슈퍼 커패시터의 특성을 기초로 주파수 디커플링에 의해 듀얼 배터리 기준 전력() 및 슈퍼 커패시터의 기준 전력()을 결정하도록 구성된 주파수 디커플링부(700); 및
상기 듀얼 배터리 기준 전력() 데이터를 입력받고 상기 배터리 1, 2의 특성을 고려하여 상기 배터리 1의 기준 전력 및 배터리 2의 기준 전력을 결정하도록 구성된 배터리 관리 시스템(800);을 포함하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 등가 PEMFC 효율()은 다음의 [수학식 1]에 의해 산출되는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
[수학식 1]
[여기서, 및 는 PEMFC 1 및 PEMFC 2의 실제 전력을 나타내고, 는 PEMFC 1의 설정된 효율을 나타내고, 는 PEMFC 2의 설정된 효율을 나타낸다]
- 제1 항에 있어서,
상기 PEMFC 기준 전력 결정부(900)는
PEMFC 1 및 PEMFC 2중 수명이 짧은 PEMFC는 설정된 최적 효율로 동작하도록 기준 전력을 결정하고, 나머지 PEMFC는 상기 최적 효율로 작동하는 PEMFC보다 낮은 효율로 작동하도록 기준 전력을 결정하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템(800)이 상기 배터리 1, 2의 기준 전력 결정 시 고려하는 배터리의 특성은 배터리의 온도, 충전상태, 피크 전력 적응성 및 평가 수명을 포함하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 PEMFC 기준 전력 결정부(900)는 장애 임계법 접근법, 모델 기반 접근법 및 기계 학습 접근법 중 하나를 사용하여 PEMFC에 대해 남은 수명을 추정하는, 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220059632A KR102656116B1 (ko) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220059632A KR102656116B1 (ko) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230160424A KR20230160424A (ko) | 2023-11-24 |
| KR102656116B1 true KR102656116B1 (ko) | 2024-04-12 |
Family
ID=88972471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220059632A KR102656116B1 (ko) | 2022-05-16 | 2022-05-16 | 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102656116B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117996111B (zh) * | 2024-04-03 | 2024-06-14 | 浙江大学 | 一种阴极开放式pemfc混合能源系统及控制方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101620222B1 (ko) | 2014-11-20 | 2016-05-13 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법 |
| KR102046536B1 (ko) | 2019-08-01 | 2019-11-19 | 서울대학교산학협력단 | 연료전지 열관리 시스템의 고장 진단 방법 |
| JP2020140930A (ja) | 2019-03-01 | 2020-09-03 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101299463B1 (ko) * | 2011-09-05 | 2013-08-29 | 서울대학교산학협력단 | 하이브리드 에너지 저장 시스템 및 그 시스템의 관리 방법 |
| KR102167068B1 (ko) * | 2019-04-04 | 2020-10-16 | 울산대학교 산학협력단 | 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템 |
| KR102403951B1 (ko) | 2020-06-03 | 2022-06-02 | 한국전력공사 | 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법 |
-
2022
- 2022-05-16 KR KR1020220059632A patent/KR102656116B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101620222B1 (ko) | 2014-11-20 | 2016-05-13 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법 |
| JP2020140930A (ja) | 2019-03-01 | 2020-09-03 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| KR102046536B1 (ko) | 2019-08-01 | 2019-11-19 | 서울대학교산학협력단 | 연료전지 열관리 시스템의 고장 진단 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230160424A (ko) | 2023-11-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6972076B2 (ja) | エネルギー貯蔵システムを有する車両推進システムおよびその動作を制御する最適化された方法 | |
| Herrera et al. | Adaptive energy management strategy and optimal sizing applied on a battery-supercapacitor based tramway | |
| García et al. | Control strategies for high-power electric vehicles powered by hydrogen fuel cell, battery and supercapacitor | |
| Fernandez et al. | Hybrid electric system based on fuel cell and battery and integrating a single dc/dc converter for a tramway | |
| US8587260B2 (en) | Method and system for control of a vehicle energy storage device | |
| US9160181B2 (en) | Energy storage system and method for operating same | |
| Torreglosa et al. | Hybrid fuel cell and battery tramway control based on an equivalent consumption minimization strategy | |
| CN102143902B (zh) | 基于电梯使用模式的来自多个源的电力的管理 | |
| JP2016047005A (ja) | エネルギー貯蔵システムを有する車両推進システムおよびその動作を制御する最適化された方法 | |
| Peng et al. | Development of robust suboptimal real-time power sharing strategy for modern fuel cell based hybrid tramways considering operational uncertainties and performance degradation | |
| CN108012538A (zh) | 混合能量存储 | |
| WO2010011458A2 (en) | Method and system for extending life of a vehicle energy storage device | |
| JP6765208B2 (ja) | 鉄道車両 | |
| KR102656116B1 (ko) | 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템 | |
| Garcia et al. | Comparative study of four control systems for a 400‐kW fuel cell battery–powered tramway with two dc/dc converters | |
| Zhang et al. | A review of energy management optimization based on the equivalent consumption minimization strategy for fuel cell hybrid power systems | |
| CN108583311B (zh) | 计及不确定性的混合动力有轨电车次优能量管理系统 | |
| Pavković et al. | Current and voltage control system designs with EKF-based state-of-charge estimator for the purpose of LiFePO4 battery cell charging | |
| Gillespie et al. | Energy storage in pennsylvania: Septa's novel and innovative integration of emerging smart grid technologies | |
| JP4856219B2 (ja) | 移動体制御装置 | |
| US20050095471A1 (en) | Method of operating a hybrid power system within a state of charge window | |
| Shekhawat et al. | An extensive review on hybrid electric vehicles powered by fuel cell-enabled hybrid energy storage system | |
| WO2020209200A1 (ja) | 電池システム、鉄道車両および電池管理方法 | |
| KR102647821B1 (ko) | 하이브리드 전기 트램의 에너지 관리 시스템 | |
| JP6858060B2 (ja) | 鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両用蓄電装置の制御方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |