Lift-Cruise 무인항공기의 수소연료전지-배터리 동력시스템 적용을 위한 에너지관리시스템(EMS) 개발 = Development of an Energy Management System (EMS) for Hydrogen Fuel Cell-Battery Power Systems in Lift-Cruise Unmanned Aerial Vehicles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents the development of an energy management system (EMS) for the application of a fuel cell-battery hybrid power system in a Lift-Cruise type unmanned aerial vehicle (UAV). When a fuel cell is used as the primary power source for a Lift-Cruise UAV, a secondary energy storage system is employed in parallel to enhance the system’s responsiveness to rapid load variations during different flight phases. However, such a hybrid configuration requires an efficient energy management strategy to achieve optimal power distribution among multiple power sources. For redundancy and scalability of the power capacity, a multi-stack fuel cell system was adopted, which necessitated the development of a converter tailored to the operating characteristics of the hydrogen fuel cell stacks.
In this study, a fuel-cell DC-DC converter (FDC) integrated with an energy management unit (EMU) was designed and controlled for the hybrid power system composed of multi-stack fuel cells and a battery. To accommodate the multi-stack configuration, the FDC was designed with a dual-input single-output structure, and a single-voltage dual-current control algorithm was implemented to achieve balanced load sharing among stacks. To address the transient characteristics of fuel cell outputs under current pulse (CP) operation, an Input Idle Period (IIP) compensator was applied, enabling the converter to adapt to the unique dynamic behavior of the aerial fuel cell system. Moreover, a power distribution algorithm was embedded to allocate power channels based on flight modes, thereby enabling integrated energy management of the hybrid system. The proposed FDC algorithm was validated through simulation and further examined via an iron-bird ground integration test to verify its applicability to an actual UAV hybrid power.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 Lift-Cruise 무인항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 수소연료전지–배터리 동력시스템 적용을 위한 에너지관리시스템(EMS)의 개발에 관하여 연구하였다. Lift-Cruise 무인항공기에서 수소연료전지를 주요 동력원으로 사용하는 경우, 비행 단계별 급격한 부하 변동에 대한 응답성을 향상시키기 위해 2차 에너지 저장장치를 병용한다. 이러한 시스템에서는 다중 전원 간의 전력 분배를 최적화하기 위한 효율적인 에너지관리 전략이 요구된다. 그리고 전원용량의 이중화와 용량의 확장성을 위해 다중 스택 수소연료전지 시스템을 채택하였으나, 이는 수소연료전지 스택의 출력 특성에 적합하게 운용되는 컨버터의 개발을 필요로 한다. 본 논문에서는 다중 스택 수소연료전지 시스템과 배터리로 구성된 하이브리드 전원 시스템에 적용하기 위한 에너지 관리유닛(EMU, Energy Management Unit)의 역할을 포함하는 수소연료전지용 DC-DC 컨버터(FDC, Fuel-Cell DC-DC Converter)의 개발과 이를 제어하기 위한 방법을 연구하였다. 다중 스택 수소연료전지 시스템에 대응하기 위해 듀얼-입력 단일-출력 구조로 FDC를 설계하였고, 스택 간의 균등한 부하 밸런싱을 위해 듀얼 전류 제어기를 포함하는 전압 제어 알고리즘을 적용하였다. 전기추진 항공기용 다중 스택 수소연료전지 시스템의 특수한 출력 특성에 대응하기 위해서 CP(Current Pulse) 운전에 의해 발생하는 입력의 일시적인 가변 구간을 IIP(Input Idle Period)로 정의하고, 이에 대한 보상 알고리즘을 적용하여 수소연료전지 특성에 대응이 가능하도록 하였다. 추가적으로 무인항공기의 비행 모드에 따라 출력 전력의 채널을 결정하는 전력 분배 알고리즘을 탑재하여 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템의 에너지관리 역할을 포함하였다. 제안된 FDC의 알고리즘은 시뮬레이션을 통해 검증하였고, 아이언버드 지상 통합실험을 통해서 실제 무인항공기의 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템을 위한 FDC 적용 가능성을 검토하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 연구의 목적 및 범위 6
• 3. 논문 구성 7
• II. 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템 8
• 1. 기존 하이브리드 동력시스템의 구성 8
• 가. 직렬식 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템 8
• 나. 병렬식 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템 10
• 2. Lift-Cruise 무인항공기의 하이브리드 동력시스템 11
• 가. Lift-Cruise 무인항공기의 하이브리드 동력시스템 구조와 특징 11
• 나. Lift-Cruise 무인항공기의 동력시스템 운용 22
• III. 제안된 Fuel-Cell DC-DC Converter의 개발 28
• 1. 제안된 Fuel-Cell DC-DC Converter의 설계 및 구조 28
• 가. Fuel-Cell DC-DC Converter의 구조 28
• 나. Fuel-Cell DC-DC Converter의 특징 31
• 2. 제안된 Fuel-Cell DC-DC Converter의 제어 33
• 가. 부하 밸런싱 제어 35
• 나. 제안된 적분기 공유 시퀀스 37
• 다. 제안된 하이브리드 동력시스템의 전력 분배 알고리즘 45
• IV. 시뮬레이션 51
• 1. 시뮬레이션 구성 51
• 2. 시뮬레이션 결과 54
• V. 실험 62
• 1. 아이언버드 지상 통합실험 환경 62
• 2. 실험 결과 67
• 가. 부하 밸런싱 제어 알고리즘 실험 결과 67
• 나. IIP 보상기 적용 실험 결과 69
• 다. 아이언버드 지상 통합실험 결과 73
• Ⅵ. 결론 94
• 참고문헌 95
• 영문 요약 104