주행 조건에 따른 제어 전략 - 소프트웨어 융합

1. 개요

수소 연료 전지 차량은 주행 조건에 따라 다양한 제어 전략을 적용해야 한다. 주행 조건은 크게 도심 주행, 고속 주행, 급가속 및 급제동 등으로 나눌 수 있다. 각 조건에 맞는 제어 전략은 배터리와 연료 전지 시스템의 효율성을 극대화하고, 차량의 성능을 안정적으로 유지하는 데 중점을 둔다. 이러한 전략을 적용함에 있어 차량의 상태, 배터리 잔량, 연료 전지 출력, 운전자의 주행 스타일 등을 고려해야 한다.

2. 도심 주행에서의 제어 전략

도심 주행은 낮은 속도와 잦은 정지 및 재가속이 반복되는 특징이 있다. 이때 연료 전지의 사용을 최소화하고 배터리로 주로 구동하는 것이 효율적이다. 배터리는 주행 중 회생 제동(regenerative braking)을 통해 충전되고, 연료 전지는 배터리가 일정 수준 이하로 소모될 때 보조적으로 충전하는 역할을 수행한다.

이를 위한 제어 방정식은 다음과 같다.

$\dot{E}_{\text{battery}} = -P_{\text{drive}} + P_{\text{regen}} + P_{\text{fuel cell}}$

여기서,

$\dot{E}_{\text{battery}}$ : 배터리의 에너지 변화율
$P_{\text{drive}}$ : 구동 모터에 의한 에너지 소비
$P_{\text{regen}}$ : 회생 제동에 의한 배터리 충전 에너지
$P_{\text{fuel cell}}$ : 연료 전지에 의한 배터리 충전 에너지

도심 주행에서는 $P_{\text{fuel cell}}$ 을 최소화하여 연료 전지의 작동을 줄이고, 회생 제동과 배터리의 활용도를 극대화하는 것이 목적이다.

3. 고속 주행에서의 제어 전략

고속 주행은 비교적 일정한 속도로 주행하는 경우가 많으며, 이때는 연료 전지와 배터리의 효율적인 협업이 중요하다. 고속 주행 시 연료 전지는 주요 동력원을 제공하고, 배터리는 부가적인 전력 수요에 대응하는 방식으로 사용된다. 연료 전지는 고효율 운전 구간에서 최대 출력을 유지하고, 배터리는 급격한 전력 변동에 대한 보조 역할을 한다.

고속 주행에서의 제어 방정식은 다음과 같다.

$P_{\text{total}} = P_{\text{fuel cell}} + P_{\text{battery}}$

여기서,

$P_{\text{total}}$ : 총 요구되는 차량의 전력
$P_{\text{fuel cell}}$ : 연료 전지에 의해 제공되는 전력
$P_{\text{battery}}$ : 배터리에 의해 제공되는 전력

고속 주행에서는 $P_{\text{fuel cell}}$ 이 $P_{\text{total}}$ 의 대부분을 차지하고, $P_{\text{battery}}$ 는 작은 변동을 보상하는 역할을 수행한다.

4. 급가속 및 급제동 상황에서의 제어 전략

급가속 및 급제동은 차량의 전력 수요가 급격하게 변하는 상황으로, 배터리의 역할이 매우 중요하다. 급가속 시에는 연료 전지의 반응 속도가 상대적으로 느리기 때문에 배터리가 즉각적인 전력 공급을 담당하게 된다. 급제동 시에는 회생 제동을 통해 에너지를 배터리로 다시 공급한다.

급가속 상황에서의 제어 방정식은 다음과 같다.

$P_{\text{accel}} = P_{\text{fuel cell}} + P_{\text{battery}}$

여기서,

$P_{\text{accel}}$ : 급가속 시 요구되는 전력

이때 $P_{\text{battery}}$ 는 순간적인 고출력을 담당하며, 연료 전지는 장기적으로 균형을 맞춘다.

급제동 시에는 다음과 같은 방정식이 적용된다.

$P_{\text{regen}} = -P_{\text{brake}}$

여기서,

$P_{\text{regen}}$ : 회생 제동에 의해 발생하는 전력
$P_{\text{brake}}$ : 제동 시 손실되는 에너지

급제동에서는 회생 제동이 최대화되어 배터리로 에너지를 회수하는 전략을 취한다.

5. 변속 상황에서의 제어 전략

변속 과정은 차량의 기계적 성능을 극대화하기 위해 중요한 요소이며, 수소 연료 전지 차량의 경우 변속 시 요구되는 출력 변화에 빠르게 대응하는 것이 필요하다. 연료 전지는 출력 변동에 대한 즉각적인 대응이 느리기 때문에, 배터리가 빠르게 전력 부족을 보충하는 역할을 한다. 이를 통해 변속 시 발생할 수 있는 출력 저하나 과도한 에너지 손실을 방지할 수 있다.

변속 상황에서의 제어 방정식은 다음과 같다.

$P_{\text{shift}} = P_{\text{fuel cell}} + \dot{P}_{\text{battery}}$

여기서,

$P_{\text{shift}}$ : 변속 시 필요한 총 출력
$\dot{P}_{\text{battery}}$ : 배터리가 보충하는 전력의 변화율

이 방정식에서 중요한 점은 배터리가 변속 중 부족한 출력을 신속하게 보충하고, 연료 전지는 이후에 에너지를 안정적으로 공급하는 역할을 한다는 것이다.

6. 경사로 주행에서의 제어 전략

경사로 주행은 차량의 중력 영향을 크게 받는 상황으로, 상향 경사로와 하향 경사로에서 각각의 전력 요구와 제어 전략이 달라진다. 상향 경사로에서는 차량의 부하가 증가하므로 연료 전지와 배터리가 동시에 전력을 공급해야 한다. 반면 하향 경사로에서는 회생 제동을 통해 에너지를 효율적으로 회수하여 배터리 충전을 극대화하는 것이 목표이다.

상향 경사로에서의 제어 방정식은 다음과 같다.

$P_{\text{hill}} = P_{\text{fuel cell}} + P_{\text{battery}} + P_{\text{gravity}}$

여기서,

$P_{\text{hill}}$ : 상향 경사로에서 요구되는 전력
$P_{\text{gravity}}$ : 중력에 의해 발생하는 추가 부하

하향 경사로에서의 제어 방정식은 다음과 같다.

$\dot{E}_{\text{battery}} = P_{\text{regen}} - P_{\text{drive}}$

여기서,

$\dot{E}_{\text{battery}}$ : 배터리의 에너지 변화율
$P_{\text{regen}}$ : 회생 제동에 의한 배터리 충전 에너지
$P_{\text{drive}}$ : 주행에 필요한 소모 에너지

하향 경사로에서는 회생 제동을 통해 배터리가 충전되며, 이때 주행에 필요한 최소한의 전력만을 소모한다.

7. 에너지 관리 시스템 (EMS)에서의 제어

에너지 관리 시스템(EMS)은 차량의 배터리와 연료 전지 간의 협업을 최적화하는 중요한 역할을 한다. EMS는 주행 조건에 따른 전력 수요를 실시간으로 예측하고, 이를 바탕으로 연료 전지와 배터리의 작동 모드를 결정한다. 특히, 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC)를 고려하여 연료 전지의 출력 수준을 조절하는 것이 필수적이다.

EMS의 주요 제어 방정식은 다음과 같다.

$P_{\text{output}} = P_{\text{fuel cell}} + P_{\text{battery}} \quad \text{for} \quad SOC_{\text{min}} \leq SOC \leq SOC_{\text{max}}$

여기서,

$P_{\text{output}}$ : 차량이 요구하는 총 출력
$SOC_{\text{min}}$ , $SOC_{\text{max}}$ : 배터리의 최소 및 최대 충전 상태

EMS는 주행 조건, 배터리 충전 상태, 운전자의 요구 출력을 기반으로 적절한 연료 전지와 배터리 출력을 조절하여 차량의 에너지 효율을 극대화한다.