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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이재우
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수53
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2022
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수소연료전지-배터리 하이브리드 eVTOL의 주요한 특징은 에너지 밀도가 높은 수소연료전지 시스템을 채택하여 긴 체공성능을 가질 수 있고 출력 밀도가 높은 배터리를 사용하여 수직이착륙이 가능하다는 점이다. 하지만 두 동력원을 사용한다고 했을 때 어떠한 방식으로 전력을 생산하여 전기 추진 시스템에 전력을 공급해야 하는지에 대한 고려가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 수소연료전지-배터리 하이브리드 eVTOL의 임무 수행 및 성능향상을 위해 필요한 전력을 어떤 방식으로 동력원들이 공급할지, 즉, 동력원들의 에너지 관리에 대한 기법 개발을 목표로 한다. 에너지 관리 기법을 수행하기 앞서 입력 데이터를 수집하기 위해 eVTOL의 전기 추진 시스템의 구성품인 프로펠러-모터-ESC의 제원들을 활용한 통합 해석 기법을 구현하였다. 이후 수소연료전지 시스템의 운용 조건에 맞는 모델링을 열역학적 이론 기반으로 구현하였으며 화학양론 기반의 해석을 통해 수소연료 소모량을 도출할 수 있었다. 배터리 해석은 State of Charge(SOC)에 따른 전압 변화를 고려하여 배터리의 사용량을 등가 수소연료 소모량으로 변환하여 에너지 관리 기법의 파라미터로 활용하였다. 전기 추진 시스템의 구성품들은 풍동 실험과 수소연료전지 시스템의 지상 실험 데이터를 통해 해석 기법에 대한 비교 및 검증을 수행하였으며 이를 에너지 관리 기법을 수행하기 위한 모듈로 구성하였다.
본 연구는 에너지 관리 기법 중 하나인 등가 소모량 최소화 전략을 사용하여 eVTOL의 임무 해석 단계에서 구현하였다. 배터리 사용량을 등가 수소연료 소모량으로 변환시키고 임무가 진행되는 시간에 따라 전체 등가 연료 소모량을 최소화시키는 최적화 문제를 구성하였고 이때 제약조건은 배터리의 충,방전율과 SOC의 허용 최대값, 최소값, 그리고 수소연료전지의 최대 출력으로 정립하였다. 이를 통해 4가지 Mission Profile을 구성하여 Case Study를 수행하였으며 Rule Based 기법을 정립하여 비교 분석을 하였다. 4가지 Case Study에서 모두 전체 등가 연료 소모량이 향상되었음을 확인하였으나 동력원의 성능과 제원에 따라 해석 결과가 영향을 받을 수 있음을 확인하였다. 따라서 추후 본 연구를 활용하여 항공기의 초기 설계 단계에서부터 에너지 관리 기법을 적용해 항공기 설계 프로세스에 활용될 수 있음을 기대한다.
본 연구는 에너지 관리 기법 중 하나인 등가 소모량 최소화 전략을 사용하여 eVTOL의 임무 해석 단계에서 구현하였다. 배터리 사용량을 등가 수소연료 소모량으로 변환시키고 임무가 진행되는 시간에 따라 전체 등가 연료 소모량을 최소화시키는 최적화 문제를 구성하였고 이때 제약조건은 배터리의 충,방전율과 SOC의 허용 최대값, 최소값, 그리고 수소연료전지의 최대 출력으로 정립하였다. 이를 통해 4가지 Mission Profile을 구성하여 Case Study를 수행하였으며 Rule Based 기법을 정립하여 비교 분석을 하였다. 4가지 Case Study에서 모두 전체 등가 연료 소모량이 향상되었음을 확인하였으나 동력원의 성능과 제원에 따라 해석 결과가 영향을 받을 수 있음을 확인하였다. 따라서 추후 본 연구를 활용하여 항공기의 초기 설계 단계에서부터 에너지 관리 기법을 적용해 항공기 설계 프로세스에 활용될 수 있음을 기대한다.
목차
제1장 서론 1제1절 연구 배경 1제2절 선행 연구 분석 7제3절 연구 목표 9제2장 수소연료전지-배터리 하이브리드 전기 추진 시스템 구성 11제1절 하이브리드 전기 추진 시스템 아키텍처 11제2절 추력 시스템 13제3절 제어 및 에너지 관리 시스템 17제4절 전기 동력원 19제3장 하이브리드 전기 추진 시스템 해석 기법 24제1절 프로펠러-모터-ESC 통합 해석 기법 24제2절 전기 동력원 29제3절 전기 추진 시스템 구성품 해석 결과 비교 및 검증 45제4장 에너지 관리 기법 54제1절 에너지 관리 기법 개요 54제2절 입력 데이터 수집 56제3절 에너지 관리 기법의 최적화 문제 정립 59제5장 에너지 관리 기법을 통한 eVTOL 성능 해석 67제1절 입력 데이터 수집 결과 67제2절 ECMS를 적용한 eVTOL 성능 해석 및 비교 분석 77제6장 결론 및 향후 계획 99제1절 결론 99제2절 향후 계획 100참고문헌 102부록 106ABSTRACT 111
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