온실가스와 자동차 배기가스에 의한 대기환경 오염이 세계적인 관심의 대상으로 확장됨에 따라, 자동차 제조업계는 친환경 자동차의 개발에 주력하고 있다. 그 중 수소연료전지차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 배기가스를 전혀 배출하지 않는 친환경성과 장거리 주행능력, 고갈의 우려가 없는 원료 사용의 장점을 바탕으로 친환경 사회를 주도할 무공해 차량으로 각광받고 있다. FCEV는 일반적으로 높은 전력밀도를 가진 고분자 전해질 연료전지와 빠른 반응속도를 갖추고 회생제동이 가능한 배터리를 동력원으로 채택한다. 복수의 동력원을 사용하기 때문에 연비 평가를 위해서는 연료전지가 소모하는 수소의 양 뿐만 아니라 배터리가 사용한 전기에너지 역시 결과에 반영할 필요가 있다. 종래의 연구에서는 등가 연료소모량 평가법이나 선형 회귀분석이 이용되었다. 그러나 등가 연료소모량 평가법은 연료전지와 배터리가 함께 사용되는 상황에서는 적절한 방법으로 여겨졌지만, 최근 배터리 기술의 비약적인 발전으로 인해 문제가 발생하였다. 배터리만으로도 연비 평가 사이클을 수행 할 수 있는 수준에 도달하게 되며, 제어 알고리즘에 의해 보조 동력원을 주로 활용하는 경우에는 환산 공식의 적용이 부적합한 상황에 놓이게 된 것이다. 뿐만 아니라, 멀티-스택 연료전지 시스템과 같은 차세대 파워트레인에 대해서도 주 동력원의 평균 연료소모량에 대한 명확한 기준을 새로이 확립해야 하므로 적용이 어렵다. 또 다른 연비 평가 기법인 선형 회귀분석의 경우, 주행 사이클의 시작 전, 후에 대해 배터리 충전 상태(State Of Charge, SOC)가 동일 값을 유지하는 것이 전제가 된다. 이는 공인 연비를 표기하는데도 활용되는 방법이지만, 다양한 초기 조건에 의해 달라질 수 있는 파워트레인이나 제어 전략의 성능을 반영할 수 없다는 단점이 있다. 본 연구에서는 차세대 FCEV로 듀얼 연료전지 탑재형 FCEV를 제안하고 이에 적합한 제어 전략을 설계하고, 단일 또는 복수의 연료전지 파워트레인 모두에 적용할 수 있는 새로운 연료소모량 평가법을 제시한다. 이를 활용하며 종래의 Thermostat Control Strategy(TCS)과 Power Follower Control Strategy(PFCS)을 탑재한 단일 연료전지 FCEV와의 연료소모량을 평가하여 시스템의 성능 향상을 검증하였다. 시스템 모델링은 LMS Imagine.Lab AMEsim과 Matlab/Simulink를 이용하였으며, 두 프로그램간의 연동해석을 통해 포워드 등가 모델에 대한 총 연료소모량 평가를 수행하였다. 주행 사이클은 UDDS와 HWFET에 대해 시행되었으며, 최초 SOC를 40, 50, 60%로 설정하여 다양한 초기 조건에 대한 제어 기법의 결과를 반영하여 검증하였다.
시뮬레이션 결과, Particle Swarm Optimization 기법에 의해 최적의 동력 분배 구간을 확립한 듀얼 연료전지 시스템에서는 단일 연료전지 시스템보다 더 적은 연료소모량을 보였다. 전체 시스템이 동일하게 운용되는 조건에서는 TCS 대비 9.69%, PFCS 대비 0.68% 가량 더 적은 등가 연료를 소모하였다. 그러나 초기 SOC가 높게 설정된 상황에 대해서는 부분 운용 전략의 이점으로 인해 시스템이 다운사이징 효과를 보여 최대 33.69%에 달하는 연료소모량 감축을 이루었다.
최적화 기법이 주행 사이클에 대한 선험적 데이터에 의존하기 때문에 본 연구에서는 획득한 최적 변수를 기반으로 상용화 제어기를 설계하는 방법을 제시하는 것 까지 연구 범위에 포함시켰다. 퍼지 로직과 캐스케이드 제어 기법을 응용하여 도심과 고속도로를 포함한 통합 주행 사이클에 대한 시뮬레이션을 진행하여 성능을 검증한 결과, 최소 1.67%부터 최대 20.35%까지의 연료 소모량 감축을 이루며, 외란에 대해 능동적으로 대응하는 시스템의 설계를 이루었고, 현실성 또한 입증 할 수 있었다.
본 연구는 FCEV 설계에 대한 새로운 방향성을 제시하며, 그 동안 멀티-스택 연료전지 시스템에서 부족했던 연비 향상 측면의 성과를 검증하였다는데서 큰 의미를 갖는다. 향후 본 연구에 HILS(Hardware In-the Loop Simulation) 테스트가 추가된다면 파워트레인 및 제어 전략의 효과를 보다 면밀하게 검증 할 수 있을 것이다.

In this paper, we propose the next generation powertrain of FCEV which equipped with dual fuel cells and suitable energy management strategy to improve the operating efficiency compared to the existing Single Fuel cell System(SFS) FCEV. To address the problems of SFS operation in the low efficiency region and limitation of output performance, the Minimum Efficiency based Control Strategy(MECS) and partial operating strategy are proposed to minimize fuel consumption. Total fuel consumption was calculated using the GPP conversion method presented in this paper and the simulation was conducted for two test cycles(UDDS and HWFET). The best design variables was searched by Particle Swarm Optimization and based on this, Fuzzy Logic''s membership function design criteria were established. In addition, we designed a commercial controller that actively responds to various external environments by applying cascade control. As a result, the powertrain and energy management strategies proposed in this study have significantly reduced fuel consumption through downsizing effects. In the future, reliability will increase if HILS studies using real fuel cells are combined.