KR101461918B1 - Power supply apparatus of fuel cell vehicle - Google Patents

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류창석
이준용
권순우
이동훈
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Abstract

The present invention relates to a power supply apparatus of a fuel cell vehicle. The power supply apparatus comprises: a fuel cell stack which generates a DC voltage, an inverter unit which converts the DC voltage into one among an AC voltage for a motor and an AC voltage for a grid according to a vehicle driving mode and a power generation mode, a relay unit which delivers the AC voltage for the motor to the motor in the vehicle driving mode and delivers the AC voltage for the grid to an external port in the power generation mode, a smoothing unit which is disposed between the relay unit and the external port and smooths the AC voltage for the grid, and a voltage detecting unit which detects an AC voltage of a power grid through the external port and extracts the phase angle of the AC voltage of the power grid.

Description

연료 전지 차량의 전원 장치{POWER SUPPLY APPARATUS OF FUEL CELL VEHICLE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a power supply device for a fuel cell vehicle,

본 발명은 연료 전지 차량의 전원 장치에 관한 것으로, 특히 계통 연계형 연료 전지 차량의 전원 장치에 관한 기술이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply apparatus for a fuel cell vehicle, and more particularly to a power supply apparatus for a grid-connected fuel cell vehicle.

연료 전지 스택은 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전력 발전원으로 개발되고 있다.The fuel cell stack has high power generation efficiency compared to existing power generation methods, and it is evaluated as a future power generation technology because there is no emission of pollutants due to power generation, and various fuel can be used as a future power generation source.

이와 같은 연료 전지 스택은 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예컨대 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기 중의 산소가 사용된다.Such a fuel cell stack oxidizes a substance having an activity such as hydrogen, such as LNG, LPG, or methanol through an electrochemical reaction, and converts the chemical energy released during the process into electric energy. Hydrogen that can be extracted and oxygen in the air are used.

연료 전지 스택의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 기존의 내연기관을 대체하는 차량의 동력원으로 적용되고 있다. 이러한 연료 전지 스택은 초기 냉 시동시 활성화가 되기 이전까지 모터의 구동에 필요한 충분한 전압을 생성하지 못하므로, 일반적으로 배터리가 장착되는 하이브리드 차량으로 개발되고 있다.The development of fuel cell stack has been applied as a power source for vehicles that replace existing internal combustion engines in order to solve energy saving, environmental pollution problem, and global warming problem that have recently come to the fore. Such a fuel cell stack can not generate a sufficient voltage necessary for driving the motor until the fuel cell stack is activated during the initial cold start, and is generally being developed as a hybrid vehicle in which a battery is mounted.

한편, 차량의 연료 전지 스택에서 발전되는 직류 전력을 외부 전력 계통과 연계시켜 주택, 충전소 등의 전원으로 사용하는 전원 장치가 개발되고 있다. 주택, 충전소 등으로 공급되는 전원은 교류 전력이기 때문에, 연료 전지 스택의 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 인버터가 필요하다.On the other hand, there has been developed a power supply device that uses DC power generated from a fuel cell stack of a vehicle as a power source for houses, charging stations, etc., in connection with an external power system. Since a power source supplied to a house, a charging station or the like is an AC power source, an inverter that converts the DC power of the fuel cell stack into AC power is required.

그런데, 이러한 인버터를 차량 외부에 별도로 배치하는 경우 인버터의 설치 및 이동이 어렵고, 공간적인 제약이 발생한다. However, when such an inverter is disposed separately on the outside of the vehicle, it is difficult to install and move the inverter, and there is a space limitation.

본 발명의 실시 예는 연료 전지 차량 내부의 모터 구동용 인버터를 이용하여 연료 전지 스택으로부터 생성된 직류 전력을 전력 계통 측으로 송전함으로써 별도의 외부 인버터의 설치가 필요 없고, 이동 및 공간적인 제약을 극복할 수 있는 연료 전지 차량의 전원 장치를 제공한다.The embodiment of the present invention does not require the installation of a separate external inverter by transmitting the direct current power generated from the fuel cell stack to the power system side by using the motor drive inverter in the fuel cell vehicle, The power supply of the fuel cell vehicle is provided.

본 발명의 실시 예에 따른 외부 포트를 통해 전력 계통과 전기적으로 접속되는 연료 전지 차량의 전원 장치에 있어서, 직류 전압을 생성하는 연료 전지 스택; 차량 운행 모드 및 발전 모드에 따라 상기 직류 전압을 모터용 교류 전압 및 계통용 교류 전압 중 어느 하나로 변환하는 인버터부; 상기 차량 운행 모드 시 상기 모터용 교류 전압을 모터에 전달하고, 상기 발전 모드 시 상기 계통용 교류 전압을 상기 외부 포트에 전달하는 릴레이부; 상기 릴레이부와 상기 외부 포트 사이에 배치되고, 상기 계통용 교류 전압을 평활하는 평활부; 및 상기 외부 포트로부터 상기 전력 계통 측 교류 전압을 감지하고, 상기 전력 계통 측 교류 전압의 위상각을 추출하는 전압 감지부를 포함한다.A power supply device of a fuel cell vehicle electrically connected to a power system through an external port according to an embodiment of the present invention, comprising: a fuel cell stack for generating a direct current voltage; An inverter unit for converting the direct current voltage into either one of an AC voltage for a motor and an AC voltage for a system in accordance with a vehicle operation mode and a power generation mode; A relay unit for transmitting the AC voltage for the motor to the motor in the vehicle operation mode and transmitting the AC voltage for the system to the external port in the power generation mode; A smoothing unit disposed between the relay unit and the external port for smoothing the system AC voltage; And a voltage sensing unit sensing the power system side AC voltage from the external port and extracting a phase angle of the power system side AC voltage.

그리고, 상기 인버터부는 상기 모터의 구동에 대응하여 상기 모터용 교류 전압을 제어하는 모터 제어 로직 및 상기 계통용 교류 전압을 상기 전력 계통 측 교류 전압에 연계시키는 계통 연계 전력 변환 로직을 포함하고, 상기 차량 운행 모드 시 상기 모터 제어 로직에 따라 상기 직류 전압을 상기 모터용 교류 전압으로 변환하고, 상기 발전 모드 시 상기 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 상기 직류 전압을 상기 계통용 교류 전압으로 변환한다.The inverter unit includes motor control logic for controlling the AC voltage for the motor in response to driving of the motor and grid-related power conversion logic for linking the system AC voltage to the power system side AC voltage, Converts the DC voltage into the AC voltage for the motor in accordance with the motor control logic in the operation mode, and converts the DC voltage into the AC voltage for the system in accordance with the grid-related power conversion logic in the power generation mode.

그리고, 상기 인버터부는 상기 발전 모드 시 상기 전력 계통 측 교류 전압의 위상 각에 동기되고, 설정된 레벨의 교류 전류를 이용하여 상기 계통용 교류 전압을 생성한다. The inverter unit is synchronized with the phase angle of the power system side AC voltage in the power generation mode, and generates the system AC voltage using the set AC current.

또한, 상기 인버터부는 상기 연료 전지 차량의 운행 상태에 따라 상기 차량 운행 모드로 진입하여 제1 제어 모드 신호를 생성하고, 상기 외부 포트와 상기 전력 계통 간의 접속 상태에 따라 상기 발전 모드 진입하여 제2 제어 모드 신호를 생성하는 모드 선택부; 상기 제1 제어 모드 신호 생성 시 상기 모터 제어 로직에 따라 상기 모터용 교류 전압을 제어하는 제1 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 제어 모드 신호 생성 시 상기 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 상기 계통용 교류 전압을 제어하는 제2 게이트 제어 신호를 생성하는 제어부; 적어도 하나의 펄스를 포함하는 제1 및 제2 게이트 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 게이트 신호 각각의 듀티 비를 제어하는 게이트 구동부; 및 상기 제1 및 제2 게이트 신호에 의해 스위칭되어 상기 직류 전압을 상기 모터용 교류 전압 및 상기 계통용 교류 전압 중 어느 하나로 변환하는 스위칭부를 포함한다.In addition, the inverter unit enters the vehicle operation mode according to the running state of the fuel cell vehicle to generate a first control mode signal, and enters the power generation mode according to the connection state between the external port and the power system, A mode selector for generating a mode signal; Generating a first gate control signal for controlling the AC voltage for the motor in accordance with the motor control logic when the first control mode signal is generated, A control unit for generating a second gate control signal for controlling the AC voltage; A gate driver for generating first and second gate signals including at least one pulse and controlling a duty ratio of each of the first and second gate signals in accordance with the first and second gate control signals; And a switching unit that is switched by the first and second gate signals to convert the direct current voltage into either one of the AC voltage for the motor and the AC voltage for the system.

그리고, 상기 릴레이부는 상기 제1 제어 모드 신호의 생성 시 상기 인버터부와 상기 모터를 전기적으로 연결하고, 상기 제2 제어 모드 신호의 생성 시 상기 인버터부와 상기 외부 포트를 전기적으로 연결한다. 또한, 상기 평활부는 상기 계통용 교류 전압을 정현파 형태로 필터링한다.The relay unit electrically connects the inverter unit and the motor when generating the first control mode signal, and electrically connects the inverter unit and the external port when generating the second control mode signal. In addition, the smoothing unit filters the system AC voltage in the form of a sinusoidal wave.

본 발명의 실시 예는 연료 전지 차량의 전원 장치에 관한 것으로, 연료 전지 차량 내부의 모터 구동용 인버터를 이용하여 연료 전지 스택으로부터 생성된 직류 전력을 전력 계통 측으로 송전함으로써 별도의 외부 인버터를 설치할 필요가 없고, 이동 및 공간적인 제약을 극복할 수 있다.An embodiment of the present invention relates to a power supply device for a fuel cell vehicle, and it is necessary to install a separate external inverter by transmitting the direct current power generated from the fuel cell stack to the power system side by using a motor drive inverter in the fuel cell vehicle And can overcome movement and spatial constraints.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 전원 장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 인버터부(40)의 상세 제어 블록도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a power supply unit of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a detailed control block diagram of the inverter unit 40 shown in FIG.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted. Like numbers refer to like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between. Also, when a part is referred to as "including " an element, it does not exclude other elements unless specifically stated otherwise.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 전원 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing a power supply unit of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 전원 장치(1)는 연료 전지 스택(10), 배터리(20), 컨버터부(30), 인버터부(40), 릴레이부(50), 모터(60), 평활부(70), 전압 감지부(80) 및 외부 포트(90)를 포함한다. 연료 전지 스택(10)은 연료 전지 차량의 동력원으로, 직류 전압을 생성하는 복수의 단위 전지(미도시)를 포함한다.1, a power supply unit 1 of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 10, a battery 20, a converter unit 30, an inverter unit 40, a relay unit (not shown) 50, a motor 60, a smoothing unit 70, a voltage sensing unit 80, and an external port 90. The fuel cell stack 10 is a power source of the fuel cell vehicle and includes a plurality of unit cells (not shown) for generating a DC voltage.

복수의 단위 전지 각각은 공기극(음극)(미도시) 및 연료극(양극)(미도시) 사이에 배치된 전해질 판을 포함한다. 복수의 단위 전지 각각은 수소와 산소의 반응에 의해 직류 전압을 생성한다.Each of the plurality of unit cells includes an electrolyte plate disposed between an air electrode (cathode) (not shown) and a fuel electrode (anode) (not shown). Each of the plurality of unit cells generates a direct current voltage by the reaction of hydrogen and oxygen.

배터리(20)는 일정 레벨의 직류 전압을 컨버터부(30)를 통해 인버터부(40)에 공급한다. 배터리(20)는 연료 전지 차량의 초기 시동 시 연료 전지 스택(10)으로부터 발전되는 직류 전압의 레벨이 낮을 때 보조 전원으로 이용할 수 있다. 또한, 배터리(20)는 연료 전지 스택(10)의 잉여 전압 또는 모터(60)의 회생 전압을 컨버터부(30)를 통해 전달받아 충전될 수 있다. The battery 20 supplies a DC voltage of a certain level to the inverter unit 40 through the converter unit 30. [ The battery 20 can be used as an auxiliary power supply when the level of the DC voltage generated from the fuel cell stack 10 is low at the initial start of the fuel cell vehicle. The battery 20 may be charged by receiving the surplus voltage of the fuel cell stack 10 or the regenerative voltage of the motor 60 via the converter unit 30.

인버터부(40)는 연료 전지 차량의 운행 상태에 따라 차량 운행 모드로 진입하여 제1 제어 모드 신호(MCONT1)를 생성하고, 모터(60)의 구동에 대응하여 미리 정의된 모터 제어 로직에 따라 연료전지 스택(10)의 직류 전압을 모터용 교류 전압으로 변환한다. 여기서, 연료 전지 차량의 운행 상태는 가속, 감속, 정속, 아이들(Idle) 등을 포함한다.The inverter unit 40 enters the vehicle driving mode according to the driving state of the fuel cell vehicle to generate the first control mode signal MCONT1 and outputs the first control mode signal MCONT1 according to the motor control logic defined in advance Converts the DC voltage of the battery stack 10 into an AC voltage for the motor. Here, the running state of the fuel cell vehicle includes acceleration, deceleration, constant speed, idle, and the like.

그리고, 인버터부(40)는 외부 포트(90)와 전력 계통 간의 접속 상태에 따라발전 모드로 진입하여 제2 제어 모드 신호(MCONT2)를 생성하고, 미리 정의된 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 연료 전지 스택(10)의 직류 전압을 계통용 교류 전압으로 변환한다.The inverter unit 40 enters the power generation mode according to the connection state between the external port 90 and the power system to generate the second control mode signal MCONT2 and generates the second control mode signal MCONT2 according to the pre- Converts the DC voltage of the stack 10 into a system AC voltage.

여기서, 연료 전지 차량은 연료 전지 차량의 운전석에 배치되어 사용자에 의해 조작되고, 차량 운행 모드 및 발전 모드 중 어느 하나를 선택하는 버튼(미도시)을 별도로 포함할 수 있다. 이 경우 인버터부(40)는 버튼을 통해 차량 운행 모드가 선택되고, 연료 전지 차량이 가속, 감속, 정속, 아이들 상태 중 적어도 어느 하나로 주행하면 차량 운행 모드로 진입할 수 있다. 또한, 인버터부(40)는 외부 포트(90)와 전력 계통이 서로 전기적으로 접속되고, 버튼을 통해 발전 모드가 선택되면 발전 모드로 진입할 수 있다. Here, the fuel cell vehicle may be disposed in the driver's seat of the fuel cell vehicle, operated by the user, and may include a button (not shown) for selecting either the vehicle operation mode or the power generation mode. In this case, the inverter unit 40 selects the vehicle operation mode through the button, and enters the vehicle operation mode when the fuel cell vehicle travels in at least one of acceleration, deceleration, constant speed, and idle state. In addition, the inverter unit 40 is electrically connected to the external port 90 and the power system, and can enter the power generation mode when the power generation mode is selected through the button.

또한, 인버터부(40)는 차량의 회생 제동 시 모터(60)로부터 발생하는 회생 전압(교류 전압)을 직류 전압으로 변환할 수 있다.The inverter unit 40 can also convert the regenerative voltage (alternating voltage) generated from the motor 60 during regenerative braking of the vehicle to a direct current voltage.

여기서, 차량 운행 모드는 연료 전지 차량이 가속, 감속, 정속, 아이들(Idle) 등의 상태로 운행되는 모드이며, 발전 모드는 외부 포트(90)와 전력 계통이 서로 전기적으로 접속되는 모드이다.Here, the vehicle operation mode is a mode in which the fuel cell vehicle is operated in the state of acceleration, deceleration, constant speed, idle, etc., and the power generation mode is a mode in which the external port 90 and the power system are electrically connected to each other.

구체적으로, 인버터부(40)는 차량 운행 모드시 모터 제어 로직에 따라 연료전지 스택(10)의 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환한다. 여기서, 모터 제어 로직은 모터(60)의 위상(회전 각도) 및 요구 토크에 따라 q축 전류를 피드백 제어하는 로직이다.Specifically, the inverter unit 40 converts the direct-current voltage of the fuel cell stack 10 into the three-phase alternating-current voltage in accordance with the motor control logic in the vehicle driving mode. Here, the motor control logic is a logic for feedback-controlling the q-axis current according to the phase (rotation angle) and the required torque of the motor 60.

그리고, 인버터부(40)는 발전 모드시 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 연료 전지 스택(10)의 직류 전압을 전력 계통에서 사용 가능한 3상 또는 단상 교류 전압으로 변환한다.The inverter unit 40 converts the DC voltage of the fuel cell stack 10 into a usable three-phase or single-phase AC voltage in the power system in accordance with the grid-connected power conversion logic in the power generation mode.

여기서, 계통 연계 전력 변환 로직은 전력 계통 측 교류 전압의 위상각에 따라 d축 전류 및 q축 전류를 피드백 제어하는 로직이다. 인버터부(40)는 전력 계통 측 교류 전압의 위상각에 동기되고, 설정된 레벨의 교류 전류로 3상 또는 단상 교류 전압을 생성한다.Here, the grid-connected power conversion logic is a logic that feedback-controls the d-axis current and the q-axis current according to the phase angle of the power system side AC voltage. The inverter unit 40 is synchronized with the phase angle of the power system side AC voltage, and generates a three-phase or single-phase AC voltage with an AC current of the set level.

릴레이부(50)는 인버터부(40)로부터 제1 및 제2 제어 모드 신호(MCONT1, MCONT2)를 전달 받고, 제1 및 제2 제어 모드 신호(MCONT1, MCONT2)에 따라 인버터부(40)로부터 출력된 모터용 교류 전압 및 계통용 교류 전압을 모터(60) 및 전력 계통에 각각 전달한다. 여기서, 릴레이부(50)는 제1 제어 모드 신호(MCONT1) 생성시 인버터부(40)와 모터(60)를 전기적으로 연결하고, 제2 제어 모드(MCONT2) 생성시 인버터부(40)와 외부 포트(90)를 전기적으로 연결한다.The relay unit 50 receives the first and second control mode signals MCONT1 and MCONT2 from the inverter unit 40 and receives the first and second control mode signals MCONT1 and MCONT2 from the inverter unit 40 according to the first and second control mode signals MCONT1 and MCONT2. And outputs the output AC voltage for the motor and the AC voltage for the system to the motor 60 and the power system, respectively. The relay unit 50 electrically connects the inverter unit 40 and the motor 60 when the first control mode signal MCONT1 is generated and the inverter unit 40 and the motor 60 when the second control mode MCONT2 is generated, And the port 90 is electrically connected.

모터(60)는 인버터부(40)로부터 공급된 모터용 교류 전압에 따라 회전 구동력을 발생시킨다. 예컨대, 모터(60)는 영구 자석이 매설된 로터를 포함하는 3상 교류 회전 장치일 수 있다. 또한, 모터(60)는 회생 제동 시 회전 구동력에 의해 교류 전압을 발생시킬 수 있다.The motor 60 generates a rotational driving force in accordance with the alternating-current voltage for the motor supplied from the inverter unit 40. For example, the motor 60 may be a three-phase alternating current rotating device including a rotor in which permanent magnets are embedded. Further, the motor 60 can generate an alternating voltage by the rotational driving force during regenerative braking.

평활부(70)는 인버터부(40)로부터 출력된 계통용 교류 전압을 평활하여 출력한다. 평활부(70)에 의해 인버터부(40)로부터 출력된 계통용 교류 전압이 정현파 형태로 필터링된다.The smoothing unit 70 smoothes the system AC voltage output from the inverter unit 40 and outputs the same. The system AC voltage output from the inverter unit 40 by the smoothing unit 70 is filtered in the form of a sinusoidal wave.

그리고, 전압 감지부(80)는 외부 포트(90)로부터 전력 계통 측 교류 전압을 감지하고, 감지된 전력 계통 측 교류 전압의 위상각을 추출하여 인버터부(40)로 전달한다. 전압 감지부(80)는 PLL(Phase-Locked Loop) 알고리즘을 이용하여 전력 계통 측 교류 전압의 위상 각을 추출할 수 있다. 외부 포트(90)는 전력 선(미도시) 및 커넥터(미도시)를 통해 전력 계통 측과 전기적으로 연결될 수 있다. The voltage sensing unit 80 senses the power system side AC voltage from the external port 90 and extracts the phase angle of the sensed power system side AC voltage and transmits the extracted phase angle to the inverter unit 40. The voltage sensing unit 80 can extract the phase angle of the power system side AC voltage using a PLL (Phase-Locked Loop) algorithm. The external port 90 may be electrically connected to the power system side through a power line (not shown) and a connector (not shown).

도 2는 도 1에 도시된 인버터부(40)의 상세 제어 블록도이다.2 is a detailed control block diagram of the inverter unit 40 shown in FIG.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 인버터부(40)는 모드 선택부(42), 제어부(44), 게이트 구동부(46) 및 스위칭부(48)를 포함한다. 모드 선택부(42)는 연료 전지 차량의 운행 상태에 따라 차량 운행 모드로 진입하여 제1 제어 모드 신호(MCONT1)를 생성하고, 외부 포트(90)와 전력 계통 간의 접속 상태에 따라 발전 모드로 진입하여 제2 제어 모드 신호(MCONT2)를 생성한다. 모드 선택부(42)는 제1 및 제2 제어 모드 신호(MCONT1, MCONT2)를 제어부(44) 및 릴레이부(50) 각각에 전달한다.2, the inverter unit 40 includes a mode selection unit 42, a control unit 44, a gate driving unit 46, and a switching unit 48. The mode selection unit 42 enters the vehicle operation mode according to the operation state of the fuel cell vehicle to generate the first control mode signal MCONT1 and enters the power generation mode according to the connection state between the external port 90 and the power system Thereby generating a second control mode signal MCONT2. The mode selection unit 42 transmits the first and second control mode signals MCONT1 and MCONT2 to the control unit 44 and the relay unit 50, respectively.

제어부(44)는 제1 제어 모드 신호(MCONT1) 생성시 모터 제어 로직에 따라 게이트 제어 신호(CPWM)를 생성한다. 예컨대, 제어부(44)는 모터(60)의 위상에 대한 정보를 전달받고, 모터(60)의 위상 및 요구 토크에 따라 3상 교류 전류에 대한 q축 전류를 피드백 제어한다. 그리고, 피드백 제어된 q축 전류를 이용하여 3상 교류 전압을 연산하고, 연산된 3상 교류 전압에 따라 게이트 신호(SPWM)의 듀티 비를 결정하여 게이트 제어 신호(CPWM)를 생성할 수 있다. The control unit 44 generates the gate control signal CPWM according to the motor control logic in generating the first control mode signal MCONT1. For example, the control unit 44 receives information on the phase of the motor 60 and feedback-controls the q-axis current for the three-phase alternating current according to the phase and required torque of the motor 60. [ Then, the three-phase AC voltage is calculated using the feedback-controlled q-axis current, and the duty ratio of the gate signal SPWM is determined according to the calculated three-phase AC voltage to generate the gate control signal CPWM.

또한, 제어부(44)는 제2 제어 모드 신호(MCONT2) 생성시 계통 연계 전력 변환 로직 및 전력 계통 측 교류 전압의 위상각에 따라 게이트 제어 신호(CPWM)를 생성한다. In addition, the control unit 44 generates the gate control signal CPWM according to the phase angle of the grid-connected power conversion logic and the power system side AC voltage when generating the second control mode signal MCONT2.

예컨대, 제어부(44)는 전력 계통 측 교류 전압의 위상각 및 출력 전류 지령에 따라 3상 교류 전류에 대한 d축 및 q축 전류를 피드백 제어한다. 그리고, 피드백 제어된 d축 및 q축 전류를 이용하여 3상 교류 전압을 연산하고, 연산된 3상 교류 전압에 따라 게이트 신호(SPWM)의 듀티 비를 결정하여 게이트 제어 신호(CPWM)를 생성할 수 있다. For example, the control unit 44 feedback-controls the d-axis and q-axis currents for the three-phase alternating current according to the phase angle and the output current command of the power system side AC voltage. Then, the three-phase ac voltage is calculated using the feedback-controlled d-axis and q-axis currents, and the duty ratio of the gate signal SPWM is determined according to the calculated three-phase ac voltage to generate the gate control signal CPWM .

여기서, 제어부(44)는 전력 계통 측 교류 전압이 3상인 경우 공간 벡터 펄스 변조(SVPWM; Space Vector Pulse Width Modulation) 방식으로 게이트 신호(SPWM)의 듀티를 제어하고, 전력 계통 측 교류 전압이 단상인 경우 DC 링크용 커패시터(미도시)의 전압 대비 3상 교류 전압의 비율에 따라 게이트 신호(SPWM)의 듀티 비를 제어할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 모터 제어 로직 및 계통 연계 전력 변환 로직은 변경될 수 있다. Here, the control unit 44 controls the duty of the gate signal SPWM by a space vector pulse modulation (SVPWM) method when the power system side AC voltage is three phases, and when the power system side AC voltage is a single phase The duty ratio of the gate signal SPWM can be controlled according to the ratio of the three-phase AC voltage to the voltage of the DC link capacitor (not shown). The embodiment of the present invention is not limited thereto, and the motor control logic and the grid-related power conversion logic may be changed.

게이트 구동부(46)는 게이트 제어 신호(CPWM)에 따라 게이트 신호(SPWM)의 듀티 비를 제어하여 출력한다. 여기서, 게이트 신호(SPWM)는 적어도 하나의 펄스를 포함하는 펄스 신호이다. 스위칭부(48)는 게이트 신호(SPWM)에 따라 온/오프 제어되는 복수의 스위칭 소자(미도시)를 포함하고, 복수의 스위칭 소자의 온/오프에 따라 연료 전지 스택(10)으로부터 출력된 직류 전압을 모터용 교류 전압 및 계통용 교류 전압 중 어느 하나로 변환하여 출력한다.The gate driver 46 controls the duty ratio of the gate signal SPWM according to the gate control signal CPWM and outputs the duty ratio. Here, the gate signal SPWM is a pulse signal including at least one pulse. The switching unit 48 includes a plurality of switching elements (not shown) that are on / off controlled in accordance with the gate signal SPWM. The switching unit 48 includes a plurality of switching elements Converts the voltage to either AC voltage for motor or AC voltage for system and outputs it.

여기서, 스위칭 소자는 GTO(gate turn-off thyristors), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistors), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Here, the switching element may be a gate turn-off thyristors (GTO), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), an integrated gate commutated thyristors (IGCT), a bipolar junction transistors (BJT), a metal oxide semiconductor field effect transistor ). ≪ / RTI >

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 전원 장치(1)는 연료 전지 차량의 내부에 모터(60)를 제어하기 위한 인버터부(40)를 이용하여 전력 계통에 필요한 교류 전압을 생성한다.That is, the power supply unit 1 of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention generates an AC voltage required for the power system by using the inverter unit 40 for controlling the motor 60 inside the fuel cell vehicle .

또한, 전원 장치(1)는 발전 모드 시 모터 제어 로직과 별개로 설계된 계통 연계 전력 변환 로직을 이용하여 인버터부(40)로부터 출력되는 교류 전압을 전력 계통의 전력 계통 측 교류 전압과 전압, 주파수 및 위상 등을 일치시킴으로써 전력 계통의 교류 전압과 연계시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지 차량의 외부에 별도의 인버터를 설치할 필요가 없어 설치, 이동 및 공간적인 제약을 극복할 수 있다.In addition, the power supply unit 1 uses the grid-connected power conversion logic designed separately from the motor control logic in the power generation mode to convert the AC voltage output from the inverter unit 40 to the power system side AC voltage and voltage, Phase and the like of the power system can be matched with the AC voltage of the power system. Therefore, it is not necessary to provide a separate inverter outside the fuel cell vehicle, which can overcome installation, movement, and spatial constraints.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

10: 연료 전지 스택
20: 배터리
30: 컨버터부
40: 인버터부
50: 릴레이부
60: 모터
70: 평활부
80: 전압 감지부
90: 외부 포트10: Fuel cell stack
20: Battery
30: Converter section
40:
50: relay part
60: motor
70: Smooth part
80:
90: External port

Claims (6)

외부 포트를 통해 전력 계통과 전기적으로 접속되는 연료 전지 차량의 전원 장치에 있어서,
직류 전압을 생성하는 연료 전지 스택;
차량 운행 모드 및 발전 모드에 따라 상기 직류 전압을 모터용 교류 전압 및 계통용 교류 전압 중 어느 하나로 변환하는 인버터부;
상기 차량 운행 모드 시 상기 모터용 교류 전압을 모터에 전달하고, 상기 발전 모드 시 상기 계통용 교류 전압을 상기 외부 포트에 전달하는 릴레이부;
상기 릴레이부와 상기 외부 포트 사이에 배치되고, 상기 계통용 교류 전압을 평활하는 평활부; 및
상기 외부 포트로부터 상기 전력 계통 측 교류 전압을 감지하고, 상기 전력 계통 측 교류 전압의 위상각을 추출하는 전압 감지부를 포함하고,
상기 인버터부는,
상기 모터의 구동에 대응하여 상기 모터용 교류 전압을 제어하는 모터 제어 로직 및 상기 계통용 교류 전압을 상기 전력 계통 측 교류 전압에 연계시키는 계통 연계 전력 변환 로직; 및
상기 연료 전지 차량의 운행 상태에 따라 상기 차량 운행 모드로 진입하여 제1 제어 모드 신호를 생성하고, 상기 외부 포트와 상기 전력 계통 간의 접속 상태에 따라 상기 발전 모드 진입하여 제2 제어 모드 신호를 생성하는 모드 선택부를 포함하고,
상기 차량 운행 모드 시 상기 모터 제어 로직에 따라 상기 직류 전압을 상기 모터용 교류 전압으로 변환하며, 상기 발전 모드 시 상기 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 상기 직류 전압을 상기 계통용 교류 전압으로 변환하는 연료 전지 차량의 전원 장치.1. A power supply apparatus for a fuel cell vehicle electrically connected to a power system via an external port,
A fuel cell stack for generating a direct current voltage;
An inverter unit for converting the direct current voltage into either one of an AC voltage for a motor and an AC voltage for a system in accordance with a vehicle operation mode and a power generation mode;
A relay unit for transmitting the AC voltage for the motor to the motor in the vehicle operation mode and transmitting the AC voltage for the system to the external port in the power generation mode;
A smoothing unit disposed between the relay unit and the external port for smoothing the system AC voltage; And
And a voltage sensing unit sensing the power system side AC voltage from the external port and extracting a phase angle of the power system side AC voltage,
The inverter unit includes:
Motor control logic for controlling the AC voltage for the motor in response to driving of the motor and grid-related power conversion logic for coupling the system AC voltage to the power system side AC voltage; And
Wherein the controller enters the vehicle operation mode according to a running state of the fuel cell vehicle to generate a first control mode signal and generates a second control mode signal by entering the power generation mode according to a connection state between the external port and the power system And a mode selection unit,
For converting the direct current voltage into the alternating current voltage for the motor in accordance with the motor control logic in the vehicle operation mode and for converting the direct current voltage into the system alternating current voltage in accordance with the grid- The power supply of the vehicle. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 인버터부는
상기 발전 모드 시 상기 전력 계통 측 교류 전압의 위상 각에 동기되고, 설정된 레벨의 교류 전류를 이용하여 상기 계통용 교류 전압을 생성하는 연료 전지 차량의 전원 장치.The method according to claim 1,
The inverter unit
And generates the system AC voltage using the AC current of the set level, which is synchronized with the phase angle of the power system side AC voltage in the power generation mode. 제1 항에 있어서,
상기 인버터부는
상기 제1 제어 모드 신호 생성 시 상기 모터 제어 로직에 따라 상기 모터용 교류 전압을 제어하는 제1 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 제어 모드 신호 생성 시 상기 계통 연계 전력 변환 로직에 따라 상기 계통용 교류 전압을 제어하는 제2 게이트 제어 신호를 생성하는 제어부;
적어도 하나의 펄스를 포함하는 제1 및 제2 게이트 신호를 생성하고, 상기 제1 및 제2 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 게이트 신호 각각의 듀티 비를 제어하는 게이트 구동부; 및
상기 제1 및 제2 게이트 신호에 의해 스위칭되어 상기 직류 전압을 상기 모터용 교류 전압 및 상기 계통용 교류 전압 중 어느 하나로 변환하는 스위칭부
를 더 포함하는 연료 전지 차량의 전원 장치.The method according to claim 1,
The inverter unit
Generating a first gate control signal for controlling the AC voltage for the motor in accordance with the motor control logic when the first control mode signal is generated, A control unit for generating a second gate control signal for controlling the AC voltage;
A gate driver for generating first and second gate signals including at least one pulse and controlling a duty ratio of each of the first and second gate signals in accordance with the first and second gate control signals; And
And a switching unit which is switched by the first and second gate signals and converts the DC voltage into either one of the AC voltage for the motor and the AC voltage for the system,
Further comprising a power supply for supplying power to the fuel cell vehicle. 제4 항에 있어서,
상기 릴레이부는
상기 제1 제어 모드 신호의 생성 시 상기 인버터부와 상기 모터를 전기적으로 연결하고, 상기 제2 제어 모드 신호의 생성 시 상기 인버터부와 상기 외부 포트를 전기적으로 연결하는 연료 전지 차량의 전원 장치.5. The method of claim 4,
The relay unit
Wherein the inverter unit and the motor are electrically connected when the first control mode signal is generated, and electrically connected to the inverter unit and the external port when the second control mode signal is generated. 제1 항에 있어서,
상기 평활부는
상기 계통용 교류 전압을 정현파 형태로 필터링하는 연료 전지 차량의 전원 장치.
The method according to claim 1,
The smoothing part
Wherein the system AC voltage is filtered in the form of a sinusoidal wave.
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