차량 하중발전 장치의 최적 에너지 인출 저장 알고리즘

Abstract

본 논문에서는 날로 그 관심도가 높아지고 있는 친환경 에너지 분야 중 자동차를 이용한 하중발전에 대한 연구를 수행하여, 차량이 도로상의 감속구간, 주차시설, 톨게이트 등을 지나거나 정차할 때, 제동장치를 통하여 강제적으로 소모시켜야할 차량의 운동에너지를 효율적으로 포집하고 저장할 수 있는 최적의 에너지 인출 및 저장 알고리즘을 제안하고 그 성능을 시뮬레이션을 통하여 입증한다. 차량의 하중발전에 의한 에너지는 대부분 0.5초 이내의 지속시간이 짧은 펄스성 에너지이다. 이 때 발생한 에너지는 순간적으로 인출하지 않으면 대부분을 잃어버리게 되므로 최적의 알고리즘을 이용하여 제한된 시간동안에 최대한 많은 양을 인출해야 한다. 이를 위하여 인출과 저장이 통합적으로 고려되고 실시간으로 동작할 수 있는 정교한 알고리즘이 필요하며 고효율의 DC-DC 변환기와 전력밀도가 높은 에너지 저장장치가 요구된다. 도입부분에서는 신재생 에너지의 인출과 저장에 관한 기술내용을 고찰하고 그 방향을 소개하였다. 다음으로 제안하고자하는 하중 발전 알고리즘을 이해하는데 필요한 전자기 유도법칙과 선형 직류 발전시스템의 이론을 소개하고 그에 대한 해석 방법을 설명하였다. 차량 하중발전에서 순간적으로 발생하는 에너지를 효과적으로 저장하기 위하여 일반적인 이차전지보다는 높은 전력밀도를 가진 수퍼커패시터를 사용하는 것이 유리하므로 이에 대한 충전특성과 저장 방식을 소개하였다. 다음으로 하중발전 시스템의 구성도를 보이고 발전모형으로서 선형직류기를 택하여 그에 대한 발전방식과 특성을 분석하였다. 선형발전장치의 해석모델은 영구자석형 회전기기나 BLDC(Brush-Less Direct Current) 발전기에도 그대로 적용할 수 있는 이론적 모델이다. 알고리즘의 전개를 위하여 세 가지 형태의 에너지 인출 및 저장 방법을 소개하였다. 첫 번째로는 특별한 알고리즘을 적용하지 않고 선형발전장치에 수퍼커패시터를 직접 연결하여 그에 대한 에너지를 인출하는 직접저장법에 대한 특성을 분석하였으며, 두 번째로는 저항성 부하의 특성을 이용하여 차량의 속도에 따라 동적으로 부하를 조정하는 알고리즘과, 이 알고리즘을 통하여 인출된 에너지를 수퍼커패시터에 저장할 때 그 특성을 고려하여 효율적인 에너지의 변환을 가능하게 하는 새로운 알고리즘인 모의저항제어법을 제안하였다. 세 번째로는 두 번째의 방법을 개선하여 하중판의 하강속도를 특정 시점에서 선형적으로 감소시켜 추가적인 에너지를 인출하고 저장할 수 있는 보다 정교한 알고리즘인 선형감속제어법을 제시하였다. 선형감속제어법은 에너지의 발생, 인출, 저장의 전 과정을 통하여 최적의 에너지를 수집할 수 있도록 고안된 알고리즘으로서 보다 빠른 제어속도와 정밀한 전류제어를 필요로 한다. 이 알고리즘을 구현하려면 성능이 높은 제어용 하드웨어와 빠른 전력변환기가 필요하며 모의저항제어법에 비하여 비용이 증가하는 단점을 가지므로 두 알고리즘간의 선택에는 성능적인 면과 더불어 비용적인 면이 함께 고려되어야 한다. 선형감속제어 알고리즘을 사용하면 모든 차속과 환경에서 기 발생된 에너지를 상대적으로 더 많이 인출, 저장할 수 있고 발전장치나 저장장치의 특성 등 시스템 변수에 더 유연하게 대처할 수 있게 된다. 모든 제시된 알고리즘은 매트랩(MATLAB)으로 프로그램을 구현하였으며 시뮬링크(SIMULINK)를 통하여 세 개의 모델에 대하여 그 성능을 평가하고 비교하였다. 제시된 알고리즘을 통하여 차량의 속도에 따라 최적의 에너지 인출점을 찾아낼 수 있음을 입증하였으며 차량의 속도와 최적부하의 상관관계를 찾아 낼 수가 있었다. 또한 이 결과를 이용하여 저장장치인 수퍼커패시터의 충전전압과 전류에 대한 제어방법을 자세하게 제시하였다. 부록에서는 본 알고리즘을 개발하고 시뮬레이션을 행하는데 사용했던 매트랩 코드 중 중요한 부분을 발췌하여 기술하였다. 하중판의 하강속도제어와, 시스템 변수의 결정, 직접저장법, 모의저항제어법, 선형감속제어법에 이르기까지 본 알고리즘을 구현하는데 필수적인 코드를 포함시켰다. 알고리즘을 검증하는데 있어서 명확한 수식적인 해를 얻을 수 없는 경우에는 매트랩 프로그램과 수치해석법을 사용하였으며, 많은 변수가 들어가는 복잡한 미분 방정식의 해를 얻는데 있어서도 역시 수치해석법을 도입하였다.