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과제기본정보

(공공 공사 연계) 수소 연료전지 동적 성능 통합 평가 장비 국산화 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 21TBIP-C162201-01
국가과학표준분류 1순위 기계 | 측정표준 시험평가기술 | 융합기술 측정표준 적용분야 제조업(전기 및 기계장비)
2순위 에너지 자원 | 신재생에너지 | 수소 실용화대상여부 실용화
3순위 에너지 자원 | 신재생에너지 | 연료전지 과제유형 개발
과제명 (공공 공사 연계) 수소 연료전지 동적 성능 통합 평가 장비 국산화 개발
주관연구기관 (주) 에이앤지테크놀로지
총괄연구 책임자 성명 황해중
소속 (주) 에이앤지테크놀로지 직위 실장
전화번호 031-498-9406 FAX 031-498-9506
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 360,000,000 19,385,000 174,465,000 193,850,000 553,850,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ▶ 고출력 수소 연료전지 시스템 하드웨어 국산화 개발

연료전지 및 연료 전지 시스템(BOP)의 유량(가스/냉각수) 제어 및 전력 측정을 목적으로 하며, 시험 모드, 및 운전 모드에 따라 유량을 제어함.

▶ 전자부하기, 배터리 시뮬레이터 국산화 개발

연료 전지에서 발생되는 전력을 소모시키는 역할을 하며, 부가적으로 연료 전지 시스템(BOP)에 전력을 공급해주는 역할을 함.

▶ S/W 국산화 개발

위 하드웨어를 구동 및 제어하는 소프트웨어를 구성하며, 위 평가를 통해 확보된 DATA를 분석 할 수 있는 소프트웨어를 구현.

▶ 힐스(HILS) 시스템

힐스 시스템은 일반적으로 차량의 동적 성능을 시뮬레이션 하기 위한 프로그램으로 위 제어 프로그램과 인터페이스하여 실시간으로 차량의 동적 성능 시뮬레이션과 제어를 동시에 진행하고자함.
최종목표 ▶최종 목표
○ 고출력 수소 연료전지 시스템 (200kW 이상) 성능 평가 장비 및 전자부하기 (200kW이상) 국산화 개발
○ 수소 연료전지 동적 성능 평가 시스템 개발
○ 수소 연료전지 동적 성능 통합 평가 장비 테스트 배드 검증

▶주요 내용

1) 연료전지 신뢰성 평가 설비 개발을 위한 가스 제어 기술 확보 및 적용
2) 연료전지 신뢰성 평가 설비 개발을 위한 고정밀 및 고응답성 가습 시스템 성능 확보 및 적용
3) 연료전지 신뢰성 평가 설비 개발을 위한 고효율 열관리 시스템 확보 및 적용
4) 연료전지 신뢰성 평가 설비 개발을 위한 고정밀 압력 제어 기술 확보 및 적용
5) 연료전지 신뢰성 평가 설비 개발을 위한 고정도 Cell 전압 측정 기술 확보 및 적용
6) 전자부하기 및 배터리시뮬레이터 고정밀 전압 전류 제어 기술 확보 및 적용
7) 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 고성능 회생 전력 제어 기술 확보 및 적용
8) 연료전지의 동적 성능 평가를 위한 실제 차량 데이터 및 제어 로직 확보
9) 연료전지의 동적 성능 평가를 위한 차량 시뮬레이션 프로그램 연동 및 표준화
연구내용 및 범위 ▶1단계 목표
○ 연료전지 시스템 평가를 위한 주요 평가장치 기술 검토
○ 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 원천 기술 검토
○ 수소전기차 제어전략 파악

▶1단계 내용

○ 연료전지 시스템 평가를 위한 주요 평가장치 기술 검토

-가습 설비 시스템에 필요한 주요 장치에 대한 데이터 확보 및 신뢰성 확인

- 200kW 연료 전지 시스템을 위한 가습기 설계 및 제작

○ 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 원천 기술 검토

- 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 성능 검토 및 설계
- 요구 사양에 부합하는 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터에 적합한 주요 장치 데이터 확보 및 신뢰성 확인
- 200kW 연료 전지 시스템을 위한 전자부하기 제작

○ 수소전기차 차량모델 개발에 필요한 환경조건 과 주행부하에 따른 연료전지 시스템의 제어전략 파악

▶ 2단계 목표
○ 연료전지 시스템 평가 시스템 제작 및 검증

○ 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 검증

- 테스트 배드 활용을 통해 실제 연료전지를 활용하여 전기적 특성 검증

○ 수소 연료전지 동적 성능 평가 시스템 개발

▶2단계 내용

○ 연료전지 시스템 평가 시스템 제작 및 검증

- 1단계에서 검토한 데이터 및 핵심 부품을 활용한 연료전지 시스템 평가 장비 시제품 제작
- 테스트 배드 활용을 통해 실제 연료전지 및 수소를 활용하여 성능 검증

○ 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 검증
- 테스트 배드 활용을 통해 실제 연료전지를 활용하여 전기적 특성 검증

○ 연료전지 시스템 동적 성능의 시뮬레이션이 가능한 검증된 차량모델 개발
- 개발된 시뮬레이션 프로그램과의 실제 연료전지 평가 장치와 시험 연동 신뢰성 확보

▶ 요약

○ 수소전기차의 연료전지 시스템 모델은 전 세계적으로 발표되고 있지만, 차량 시험 결과로 검증된 연료전지 시스템을 포함한 수소전기차 차량 모델은 많지 않음. 이는, 차량 제작사가 아니면 차량 및 연료전지 시스템의 데이터 취득이 어렵기 때문이라 판단됨.

○ 실제 차량을 이용한 연료전지 시스템 성능 확인 및 최적화는 많은 시간과 경제적 지원이 요구되며 테스트 베드의 환경에 따라 다양한 환경조건의 재현에 대한 한계성이 존재함. 하지만 차량 및 구성품에 대해 다양한 환경조건의 재현이 가능한 차량 모델 기반의 동적 성능평가장비 (HILS (Hardware In the Loop System)) 를 개발하여 다양한 환경조건을 재현한다면 차량 운영조건에 따른 구성품의 특성 변화를 실제 차량 없이 확인이 가능함. 이렇듯 차량 부품 제작사에서의 HILS는 차량 부품의 개발 마지막 단계에서 설계검증용 시험으로 많이 쓰이는 방법임. 각 종 제어기, 배터리, 조향 시스템 등 HILS를 활용한 부품 개발 및 연구는 다수 보고되어지고 있지만, 수소전기차의 핵심부품인 연료전지 시스템 HILS는 아직까지 보고되어지지 않고 있음. 이는, 현재 연료전지 시스템을 부품사의 비밀유지에 따라 보고되어지지 않은 가능성과 연료전지시스템의 복잡한 시스템 구성 및 수많은 제어 인자의 구동특성을 파악해야 하기에 HILS개발의 난이도가 높기 때문이라고 판단됨.

○ 본 설비를 통해 단순히 수소연료전지 시스템 성능평가 뿐만 아니라, 수소차(FCEV)의 실주행 환경(도로, 운전 환경)을 모사할 수 있는 시스템을 구성하여 수소 연료전지 자동차의 복합적인 성능평가 장비를 개발을 목표로 함.

○ 본 통합 평가장비를 통해 수소 연료 전지(STACK) 시험, 연료전지 시스템(연료전지 스택 +MBOP+EBOP) 평가, 수소차 운행조건 기반 연료전지의 동적 성능 평가(시뮬레이션)를 수행할 수 있음
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ○ 가습 시스템 및 전자 부하기 개발

○ 수소전기차 제어로직 파악 및 차량 기본모델 구축

○ 연료전지 시스템 평가를 위한 주요 평가장치 기술 검토

- 가습 설비 시스템에 필요한 주요 장치에 대한 데이터 확보 및 신뢰성 확인
- 200kW 연료 전지 시스템을 위한 가습기 설계 및 제작

○ 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 원천 기술 검토

- 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 성능 검토 및 설계
- 요구 사양에 부합하는 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터에 적합한 주요 장치 데이터 확보 및 신뢰성 확인
- 200kW 연료 전지 시스템을 위한 전자부하기 제작

○ 수소전기차 차량모델 개발에 필요한 환경조건 과 주행부하에 따른 연료전지 시스템의 제어전략 파악
1. 가습 시스템 및 전자 부하기 기술 검토
* 가습 시스템 구조도 및 필수 장치 사양 및 성능 확인

2. 가습 설비 시스템 필수 장치 제어 확인
각 필수 장치의 제어를 소프트웨어를 통해 자동화 가능한지 여부를 확인.

3. 전자부하기 및 배터리 시뮬레이터 기술 검토
200kW 연료 전지 설비에 필요한 성능을 만족하기 위해 전자 부하기 및 배터리 시뮬레이터의 필수 장치 선정 및 설계를 목표로 함

4. 차량 모델 기반 구축
1단계에서는 차량 시스템 구조분석, 차량 시험을 통한 제어로직 파악, 차량 모델의 기반 구축을 상세 내용으로 설정.

5. 수소전기차 차량 시스템 구조분석
1단계에서 수소전기차를 구매하여 차량 시스템 구조를 분석하려 함. 본 분석은 향후 차량 모델 기반구축에 활용이 될 수 있음

6. 수소전기차 실차 시험을 위한 CAN 정보 취득 및 센서 장착
수소전기차의 제어로직 확인을 위해서는 차량의 데이터 취득이 가장 중요한 준비과정으로 판단

7. 차량 시험을 통한 연료전지 시스템 제어로직 파악
차량 데이터 취득 준비가 완료되면 차량 시험을 통하여 연료전지 시스템의 제어 로직 파악을 실시함. 차량을 환경챔버 내의 섀시다이노 시험설비에 셋팅하고 환경 온도에 따라 모드 주행 또는 부하별 정속주행을 하여 연료전지 시스템의 제어전략을 파악함

8. 수소전기차 차량 기본 모델 구축
수소전기차의 차량 기본 모델을 범용 Vehicel simulator tool을 활용하여 구축함.
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술성
- 연료전지 시스템의 차량 모델기반으로의 설계 검증에 따른 시스템 완성도 향상을 위한 시스템 검증 평가

○ 기술 보안

- 수소 연료전지 기술은 현재 대한민국이 선도하고 있으나, 평가 장비는 대부분 외산 장비로 평가를 진행하고 있음. 수소 연료전지 성능 평가를 위해서는 해외와의 정보 공유가 필요한 상황이므로 기술 유출 및 보안에 우려가 있음. 따라서, 장비 국산화를 통해 사전에 기술 유출 및 보안을 막을 수 있음.

○ 유연성

- 현재 대한민국이 수소 연료전지를 선도하고 있으며, 자동차, 드론, 발전 등 여러 분야에서 관련 기술 개발이 이루어지고 있음. 따라서 본 과제를 시작으로 관련 기술을 축적하여 다양한 분야에 연료 전지 평가 관련 기술을 접목시킬 수 있음.

○ 평가장치 표준화

- 국내에는 수소 연료전지 평가 장비와 관련하여 표준이 될만한 사례가 적음. 지금까지는 외산장비에 의존하는 사례가 대다수이며, 국내 기준에 적합하지 않음. 따라서, 본 과제를 통해 국내 수소 연료전지에 적합한 평가 표준 확보.

○ 신뢰성 확보

- 연료전지 평가 장비를 개발하는 기업은 대부분 실제 수소 및 연료전지를 활용하여 평가가 불가능한 상황임. 따라서 평가 장비에 대한 신뢰성 확보가 어려움.
본 과제의 테스트 베드 및 실제 수소 연료전지를 활용 정확한 데이터 확보가 가능.
사회 경제적 파급효과 ○ 사회적 측면
- 연료전지 시스템 자체 결함 조사가 가능하게 되어 제작사 기술 견제기능을 확보하여 수소전기차 안전성 향상 및 결함 조기 발견이 가능해 짐

○ 산업적 측면
- 국내 시장의 80% 이상을 장악하고 있는 해외 수입 설비에 대한 수입 대체 효과 기대
- 국산화 제품의 납기 단축으로 수소연료전지 개발 일정 단축 가능
- 현재 수소 자동차 관련하여 전세계적으로 양산을 진행하고 있는 국가는 대한민국뿐이며, 타 국가는 현재 준비 상태로 알고 있음.
- 수소 자동차와 관련하여 선행적으로 관련 법규 기반을 마련할 수 있으며, 이는 국제적인 선도 표준이 될 수 있음.
활용방안 ○ 스택의 성능평가 및 내구평가

○ 생산된 스택의 활성화 및 검사

○ 수소 연료전지 통합 모듈 평가
○ 수소 연료전지 동적 성능 평가

○ 연료전지 시스템 개발 시 차량 주행 중 시스템 정상 작동의 확인이 가능한 연료전지 시스템 설계 검증 장비로의 활용

○ 연료전지 시스템 제어기 도움 없이 BOP (Balance of Plant)의 구동이 가능하여 수소전기차의 자체 결함 조사 중 연료전지 시스템 결함 조사로의 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 평가 장치 표준화 신뢰성 확보 기술 보안 유연성 시뮬레이터
영문 Standardization Reliability Technology security Flexibility HILS
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