수소충전소는 70MPa(또는 35MPa) 시스템을 기준으로 빠른 시간 내 차량 압력을 목표값까지 충전해야 한다. 이 과정에서 수소는 Joule-Thomson 효과와 압축열에 의해 온도가 급상승하고, 이 온도는 곧 압력에 직접 반영된다.
즉, 온도를 보정하지 않으면 실제 수소 충전 압력은 목표 값과 크게 달라지며, 과충전(over-fill) 사고까지 발생할 수 있다.
따라서 Temperature Compensation 알고리즘은 수소 충전 제어에서 가장 핵심적인 안전·제어 기술이다.
아래에서는 실제 충전소에서 사용되는 Temperature Compensation의 구조를 기술적으로 분석한다.
1️⃣ Temperature Compensation 알고리즘이 필요한 이유
수소 충전 시 탱크 내부에서 발생하는 중요한 현상은 다음과 같다.
● 압력·온도 결합 법칙(P-T Coupling)
수소의 압력은 온도 변화에 매우 민감하며, 고압일수록 온도 상승에 따른 압력 증가량이 기하급수적으로 커진다.
예:
- 동일 충전량이라도 20℃ → 60℃ 상승 시 압력은 약 20~30% 증가
- 충전 중 순간 압력 스파이크 발생
● 과충전 위험
온도 보정 없이 목표 압력까지 충전하면, 연료전지가 냉각되면서 실제 압력은 목표를 초과한다.
이는 차량 Type IV Tank 기준 허용치 외 상승을 초래하여 구조적 안전에 영향을 준다.
2️⃣ Temperature Compensation 알고리즘의 기본 구조
Temperature Compensation 알고리즘은 크게 4단계 구조로 이루어진다.
1) 실시간 온도 추정(Temperature Estimation)
차량 탱크 내부 온도는 센서로 직접 측정하기 어렵기 때문에 모델 기반으로 추정한다.
사용되는 입력 값:
- 충전 압력 곡선
- 충전 유량
- 초기 탱크 온도(T₀)
- 탱크 용량 및 압력 용적 변화량
- 수소 비열(Cp) 및 압축 계수(Z-Factor)
온도 추정은 일반적으로 폴리트로픽(polytropic) 모델 또는 엔탈피 기반 모델을 이용한다.
2) 온도 보정 압력 산출(Temperature-Adjusted Target Pressure)
목표 압력(P_target)은 단순한 압력 수치가 아니라 온도를 보정한 “등온 기준 압력”으로 변환되어야 한다.
대표식:
ISO 19880 기반 알고리즘에서는 15℃ 기준 온도로 환산하여 목표 압력을 설정한다.
3) 충전 제어 곡선 결정(Fill Profile Control)
충전소는 실시간으로 충전 속도를 조절한다.
여기에는 다음 3가지 방식이 있다.
- Pressure Ramp Control: 압력 증가율 제한
- Mass Flow Control: 수소 질량 증가량 제한
- Hybrid Control: 온도 상승 속도에 따라 유량·압력을 동시에 제어
여기서 Temperature Compensation은 충전 속도를 결정하는 핵심 요소로, 온도 상승량이 일정 기준을 넘으면 자동으로 Ramp Rate를 낮춘다.
✔ 4) 충전 종료 조건 결정(Final Cut-off Logic)
충전 종료는 단순히 압력이 아니라 다음 조건의 조합으로 결정된다.
- 보정 압력(P_adj)이 차량 목표와 일치
- 온도 상승률(dT/dt)이 기준값 이하
- 내부 모델이 예측한 Full-mass Point 도달
- 수소 저장탱크의 압력/온도 곡선 안정화
Temperature Compensation은 이 종료 조건의 중심 로직 역할을 수행한다.
3️⃣ Temperature Compensation 알고리즘의 고급 기능
현대 충전소는 아래 기능을 포함하는 고급 Temperature Compensation 구조를 채택하고 있다.
A. Dynamic Cooling Adjustment
수소가 들어가는 속도에 따라 탱크 온도 상승을 실시간으로 예측해 냉각을 제어한다.
정확한 온도 예측이 불가능하면 차량 보호 기능이 개입하여 충전 속도가 낮아진다.
B. Hydrogen Thermodynamic Modeling
수소의 상태 방정식(EoS, Equation of State) 기반 모델을 사용한다.
- NIST REFPROP 기반
- Span-Wagner EoS 모델
- 비이상기체 압축 계수(Z) 반영
이는 단순 기체 모델보다 훨씬 정확한 보정이 가능하다.
C. Multi-sensor Fusion
차량 측 온도센서·충전노즐 센서·충전소 내부 배관 온도 등을 통합하여 알고리즘 정확도를 높인다.
4️⃣ 알고리즘의 기술적 설계 고려사항
Temperature Compensation 알고리즘은 아래 요인에 민감하다.
● 1) 탱크 종류(Type III / Type IV)에 따른 열응답 차이
Type IV는 열전도율이 낮아 온도 상승이 더 집중적으로 발생한다.
● 2) 충전 속도(Fill Rate)에 따른 경로 차이
초기 유량 증가 구간에서 온도 급등이 더 크게 발생한다.
● 3) 예측 오차 축적
온도 추정 모델의 작은 오차도 압력 보정값에 큰 차이를 만든다.
● 4) 차량별 시스템 차이
차량마다 초기압력, 잔압, 온도, 탱크 용적, 단열성능이 다르기 때문에 표준화된 하나의 알고리즘보다 개별 차량에 맞춘 알고리즘이 더 정밀하다.
5️⃣ Temperature Compensation 알고리즘의 핵심 기술 요약
- 단순한 “온도에 따른 압력 보정”이 아니라 수소 열역학 모델 기반 제어 알고리즘이다.
- 충전 중 온도·압력·질량 유량을 실시간 분석해 충전 속도를 결정한다.
- 탱크 온도 예측 모델 정확도가 안전성의 핵심이다.
- 차량별 특성을 반영하지 않을 경우 과충전 또는 충전 실패가 발생할 가능성이 높다.
- 고급 충전소 플랫폼은 Machine Learning 기반 온도 예측 모델까지 도입하고 있다.
🔚 결론
수소충전소의 Temperature Compensation 알고리즘은 수소 충전 기술에서 가장 높은 수준의 안전성과 정밀도를 요구하는 분야이며, 단순한 제어 로직이 아닌 열역학·압력 모델·유량 제어·안전 기준이 결합된 복합 알고리즘이다.
정확한 Temperature Compensation 없이는 과충전 위험, 압력 스파이크, 탱크 손상 가능성이 크게 증가하기 때문에, 충전 인프라의 핵심 기술로 반드시 이해해야 할 요소다.