KR101516419B1 - 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 진단 및 로드 레벨링을 수행할 수 있는 전력변환장치 및 그 제어방법을 제공한다.
연료전지용 전력 변환 장치는 연료 전지에 연결되어 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터 및 진단 모드에서 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 임피던스 파라미터에 따라 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함하므로, 연료전지의 수명을 진단 및 로드 레벨링 동작을 수행할 수 있다.

Description

연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법{POWER CONVERSION DEVICES FOR FUEL CELL AND THE CONTROL METHOD}
연료전지의 진단 및 로드 레벨링을 수행할 수 있는 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell) 기술은 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술로서 오늘날 관심이 집중되고 있는 기술 중에 하나이다. 연료전지의 원리는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로서, 공기극(cathode)에 산소, 연료극(anode)에 수소가 공급되며 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열, 물이 발생하게 되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 얻을 수 있다. 이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서의 한계로 작용하는 카르노 순환(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40%이상의 효율을 올릴 수 있으며, 상술한 바와 같이 배출되는 물질이 물 뿐이기 때문에 공해의 염려가 전혀 없고, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 필요하지 않기 때문에 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서, 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 그러나 이러한 연료전지를 실제 전원시스템으로 실용화하기 위해서는 연료전지가 가진 몇 가지 문제점을 보완하는 것이 요구된다. 먼저 연료전지는 과부하 내량이 매우 적어 다른 에너지 저장장치를 연결한 하이브리드 시스템으로 꾸며져 사용되는 경우가 많다. 하이브리드 시스템은 갑작스러운 부하 변동이나 연료전지의 정격 용량을 초과하는 부하를 나누어 감당하기 위해 필요하며, 연료 전지 외에 단시간의 고출력을 위한 보조 에너지 저장장치를 사용하는 시스템으로서, 여기에 사용되는 보조 에너지 저장장치로는 배터리나 슈퍼 캐패시터 등이 있으며, 연료전지에 비하여 1/100 정도의 가격이기 때문에 경제적인 가격 절감 효과가 있다. 또한, 연료전지와 보조 에너지 저장장치를 연결하여 하이브리드 시스템을 구성한 후, 연료전지에서는 일정한 전력을 계속 출력하도록 하되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 에너지 저장장치를 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 에너지 저장장치에서 보충 출력하게 하는 로드 레벨링 방식이 적용하고 있다. 연료전지의 또 다른 문제점은 그의 상태에 따라 함께 구성된 시스템의 신뢰성을 좌우하게 된다는 것이며 따라서 주기적인 시험을 통한 평가가 요구된다. 연료 전지의 수명을 평가하기 위해 연료 전지를 하이브리드 시스템에서 분리하거나, 독립적인 측정 장비를 외부에서 부착하여야 하는 등 오프 라인 방식이 적용될 수 있는데 비효율적이며 번거롭다는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 연료전지의 로드 레벨링을 수행하는 동시에 연료 전지의 수명을 진단할 수 있는 연료전지용 전력 변환 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
이를 위한 본 발명의 일측면에 의한 연료전지용 전력 변환 장치는 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하는 연료전지용 전력 변환 장치에 있어서, 상기 연료 전지에 연결되어 상기 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터; 및 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 상기 임피던스 파라미터에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다.
상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 충전하거나, 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 높여 상기 로드에 인가할 수 있도록 방전하는 보조 에너지 저장장치를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 에너지 저장장치에 연결되어 상기 로드의 급작스런 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링할 수 있도록 스위칭되는 양방향 컨버터를 더 포함할 수 있다.
상기 양방향 컨버터는 상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터에 의해 상기 진단을 위한 섭동 전류 신호가 발생할 수 있도록, 상기 로드의 출력 전압을 제어할 수 있다.
상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터는 일정한 DC레벨의 섭동 전류를 유도하며, 상기 양방향 컨버터는 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 전압을 제어할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출하는 디지털 록인 앰프, 상기 디지털 록인 앰프에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하는 파라미터 추출부; 및 상기 파라미터 추출부에 의해 산출된 파라미터를 기준 파라미터와 비교 분석하는 파라미터 분석부와, 상기 파라미터 분석부에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 미리 저장된 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 수명 추정부를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법은 로드, 상기 로드에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 스위칭되는 부스트 컨버터, 상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 충전 또는 방전하는 보조 에너지 저장장치와, 상기 보조 에너지 저장장치가 충전 또는 방전될 수 있도록 스위칭하는 양방향 컨버터와, 상기 연료전지의 출력을 감지하여 신호 처리하는 디지털 신호 처리부를 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법에 있어서, 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하며, 상기 진단 모드로 동작하면 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지에 일정한 크기의 섭동 전류가 인가될 수 있도록 스위칭되며, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압이 일정한 DC레벨로 유지될 수 있도록, 상기 양방향 컨버터가 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 상기 로드에 걸리는 전압을 제어할 수 있다.
상기 정상 작동 모드로 동작하면, 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 양방향 컨버터가 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 레벨링 동작을 구현할 수 있다.
상기 진단 모드에서, 상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하고, 상기 출력 응답으로부터 임피던스 스펙트럼을 산출하며, 상기 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하고, 상기 파라미터를 미리 저장된 기준 파라미터와 비교하여 수명을 추정할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 수명이 기준치 이하인 것으로 확인되면 경고 신호를 발생할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 의하면 로드 레벨링을 구현할 수 있는 회로에서 연료 전지의 수명을 진단할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 회로도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치에 포함되는 디지털 신호 처리부의 제어 블록도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치에 포함되는 디지털 신호 처리부에서 연료 전지의 수명 산출 시 사용되는 등가회로의 예시도
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력변환장치의 제어흐름도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 회로도이다.
연료전지용 전력 변환 장치는 연료 전지(Fuel cell,100), 부스트 컨버터(L1,Q1), 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2), 보조 에너지 저장장치(200), 출력 커패시터(Cout), 로드(Rload), 디지털 신호 처리부(Digital Signal Processor,300) 및 제어부(Controller, 400)를 포함할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 로드(Rload)의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지(100)의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 정상 작동 모드에서, 로드(Rload)에 인가되는 전압을 제어하고, 급격한 로드 변화 등에 대응하여 로드 레벨링을 수행할 수 있다.
로드 레벨링은 연료 전지(100)의 파워가 로드(Rload)에 공급해야 하는 파워보다 부족하게 되면 보조 에너지 저장장치(200)의 파워를 사용하여 로드 파워를 보상하고, 연료 전지(100)의 파워가 로드(Rload)에 공급해야 하는 파워보다 크게 되면 여분의 파워를 보조 에너지 저장장치(200)에 충전하여 로드(Rload)에 과잉 공급되는 파워를 조정하는 것이다.
연료전지용 전력 변환 장치는 정상 작동 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 로드 전압을 정해진 크기로 제어하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 갑작스런 로드 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링하기 위해 사용될 수 있다. 부스트 컨버터(L1,Q1)는 연료 전지(100)에서 출력되는 전압을 증폭(boost)하여 일정 크기로 유지되도록 제어할 수 있고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 턴 온 또는 턴 오프시켜 연료 전지(100)의 전력이 보조 에너지 저장장치(200)에 충전되도록 제어하거나, 보조 에너지 저장장치(200)를 방전시켜 로드 전압을 높일 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 상술한 것처럼, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 로드 전압을 정해진 크기로 제어하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 갑작스런 로드 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링하기 위해 보조 에너지 저장장치(200)에 연료 전지(100)의 전력을 충전시키거나, 보조 에너지 저장장치(200)로부터 소정의 전력을 방전시켜 연료 전지(100)의 전력에 부가적인 전력을 합산시킬 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 진단 모드에서, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)으로 통합 진단을 수행할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 진단 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 임피던스 분광법의 작동을 위한 섭동 전류 신호를 발생하기 위해 입력 전류 제어를 수행하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 로드 전압을 제어하게 된다.
임피던스 분광법을 시도하는 동안, 부스트 컨버터(L1,Q1)의 동작은 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)의 동작과 별개로 이루어지게 된다. 이는 로드 변화에도 불구하고 성공적인 임피던스 측정을 하기 위한 전제 조건이다. 진단 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)는 섭동 전류를 만들어내고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 보조 에너지 저장장치(200)를 충전 또는 방전시킴에 의해 로드 전압을 제어하게 된다. 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 적절하게 제어됨으로 인해, 로드(Rload)의 변화에 따라 연료 전지(100)로부터 출력되는 전압의 DC레벨이 변화지 않게 된다.
연료 전지(100)는 사인파 형태의 전류에 의해 섭동되면, 전류 섭동에 대응하여 전압 응답이 측정된다. 디지터 록인 앰프(DLIA)는 디지털 신호 처리 장치(DSP)에 구비되며, 전류 섭동 및 전압 응답의 동상 및 이상 성분 및 각 주파수별 연료전지(100)의 AC 임피던스를 계산하는데 사용된다.
연료 전지(100)의 등가회로 파라미터는 복소 비선형 최소 자승기법을 사용하여 측정된 임피던스로부터 추출될 수 있다. 이 때, 추출된 파라미터는 연료전지(100)의 수명을 판단하는데 사용될 수 있다. 이것은 추출된 파라미터를 초기 파라미터와 비교하여 구현하게 된다. 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
제어부(Controller, 400)는 연료전지용 전력 변환 장치의 제어 전반을 관장한다.
제어부(400)는 부스트 컨버터(L1,Q1) 및 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)에 포함되어 있는 제1, 2, 3 스위치(Q1,Q2,Q3)를 스위칭하고, 디지털 신호 처리부(300)의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 상술한 정상 동작 모드 또는 진단 모드 중 어느 하나의 모드에 따라 동작하도록 회로 전반을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 적절한 타이밍에 스위칭 동작을 제어하여, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 포함되어 있는 인덕터(L1)나, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)에 포함되어 있는 인덕터(L2)에 전력을 충전하여 증폭(boost)하거나, 방전하는 등 여러 가지 동작을 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 신호 처리부의 제어 블록도이다.
디지털 신호 처리부(300)는 전압 검출부(310), 디지털 록인 앰프(320), 메모리(330), 파라미터 추출부(340), 파라미터 분석부(350), 수명 추정부(360) 및 경고부(370)를 포함할 수 있다.
전압 검출부(310)는 연료 전지(100)의 전압을 검출할 수 있다. 전압 검출부(310)는 부스트 컨버터(L1,Q1)가 디지털 신호 프로세서(100)에 의한 신호에 의해 연료 전지(100)로부터 유도한 주파수별 전압을 검출할 수 있다. 한편, 전압 검출부(310)는 전류 및 전압 검출부(310)로 치환되어 작용될 수 있으며, 전류 섭동에 의한 전압 응답 또는 전압 섭동에 의한 전류 응답을 모두 측정할 수 있는 블록으로 사용될 수 있다.
디지털 록인 앰프(320)는 전압 검출부(310)에 의해 검출된 주파수별 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출할 수 있다. 디지털 록인 앰프(320)가 수신한 ac 신호는 다음 수식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수식 1
Figure 112014005945798-pat00001

디지털 록인 앰프(320)는 탐지된 신호 X[n]에 동상(in-phase) 신호(Cn)와, 직각위상(quadrature-phase) 신호(Sn)를 곱하여 다음 수식 2 및 수식 3과 같은 결과를 얻을 수 있다.
수식 2
Figure 112014005945798-pat00002

수식 3
Figure 112014005945798-pat00003

디지털 록인 앰프(140)는 수식 2 및 수식 3의 AC 성분을 필터링함에 의해, 수식 4 및 수식 5와 같이 진폭(Magnitude) 및 위상(Phase)을 구할 수 있다.
수식 4
Figure 112014005945798-pat00004

수식 5
Figure 112014005945798-pat00005

메모리(330)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 산출된 임피던스 스펙트럼을 저장한다.
파라미터 추출부(340)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따른 연료 전지(100)의 등가회로 모델을 선정한다. 등가회로 모델은 공지된 랜들 등가 회로(Randles equivalent circuit)에 의해 모델링될 수 있다. 도 3을 참조하면, 등가회로는 2개의 저항(Rs, Rp)과 1개의 커패시터(Cdl)로 구성될 수 있다.
파라미터 추출부(340)는 연료 전지(100)의 등가회로의 임피던스를 다음 수식으로 계산할 수 있다.
수식 6
Figure 112014005945798-pat00006

파라미터 추출부(340)는 공지된 복소 비선형 최소 자승 피팅법(The complex nonlinear least-squares fitting)을 사용하여 연료 전지(100)의 파라미터를 산출할 수 있다.
파라미터 추출부(340)는 복소 임피던스 Z를 수식 7처럼 각주파수 함수로 변환할 수 있다.
수식 7
Figure 112014005945798-pat00007

파라미터 Rs, Rp, Cdl 는 다음과 같은 함수 'Φ'를 최소화함에 의해 산출될 수 있다.
수식 8
Figure 112014005945798-pat00008

여기서, yi는 실제 측정 데이터이고, Z(w)는 등가모델에 의해 계산된 임피던스이다. 함수 'Φ'는 수식 9처럼 셋팅함에 의해 최소화될 수 있다.
수식 9
Figure 112014005945798-pat00009

이 때, 산출된 함수가 변화(△θ)를 가진다면, 임피던스의 새로운 값은 수식 10과 같은 테일러 시리즈(Taylor series expansion)에 의해 획득될 수 있다.
수식 10
Figure 112014005945798-pat00010

여기서, △Rs, △Rp, △Cdl 는 수식 8 및 수식 10에 의해 계산될 수 있다. 결과적으로, Rs, Rp, Cdl 는 △Rs, △Rp, △Cdl에 의해 업데이트될 수 있다. 상술한 계산은 배터리(2)의 등가 모델 파라미터의 최적의 산출값을 획득하기 위해서 일정 제한(예를 들면, 10-6)에 수렴할 때까지 계속 수행될 수 있다.
파라미터 분석부(350)는 상술한 과정에 의해 추출한 임피던스 파라미터와 기준 파라미터를 비교하여 분석할 수 있다. 파라미터 분석부(350)는 추출한 임피던스 파라미터와 상응하는 기준치를 비교 분석할 수 있다. 상술한 임피던스 파라미터는 Rs, Rp, Cdl 등이 될 수 있다.
수명 추정부(360)는 파라미터 분석부(350)에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 연료 전지(100)의 수명을 추정할 수 있다. 수명 추정부(360)는 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터와 상응하는 기준치(기준 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터)의 비교에 의해 검출될 수 있다. 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터가 상응하는 기준치와 편차를 나타내거나 또는 편차를 나타내지 않으면, 관련 연료 전지(100)에 하나의 수명 상태가 할당될 수 있다. 예컨데, 연료 전지(100)의 임피던스가 저주파수의 범위에서 기준치보다 높으면, 연료 전지(100)의 에이징 상태가 기준치를 초과하지 않는 임피던스 값을 가진 연료 전지(100)의 에이징 상태보다 나쁘다. 연료 전지(100)의 에이징 상태는 산출된 임피던스 파라미터와 기준치 사이의 편차의 크기와 상관 관계가 있다. 산출된 임피던스 파라미터와 기준치 사이의 편차의 크기가 커지면 연료 전지(100)의 수명이 줄어드는 상태로 판단할 수 있고, 편차가 작으면 연료 전지(100)의 수명이 양호한 상태인 것으로 판단할 수 있다.
경고부(370)는 수명 추정부(360)에 의해 추정된 연료 전지(100)의 수명이 미리 정해진 기준치 이하이면 외부로 경고신호를 출력할 수 있다. 경고 신호는 음성 신호를 출력하거나, 외부 디스플레이로 그 상태를 표시하는 방식으로 출력될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력변환장치의 제어흐름도이다.
연료전지용 전력변환장치는 진단 모드 시, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 의해 섭동 전류가 발생하며, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 의해 유도된 섭동 전류가 연료 전지(100)에 인가된다.(400)
전압 검출부(310)는 연료 전지(100)의 전압을 검출할 수 있다. 전압 검출부(310)는 부스트 컨버터(L1,Q1)가 디지털 신호 프로세서(100)에 의한 신호에 의해 연료 전지(100)로부터 유도한 주파수별 전압을 검출할 수 있다.(410)
디지털 록인 앰프(320)는 전압 검출부(310)에 의해 검출된 주파수별 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출할 수 있다.(420)
파라미터 추출부(340)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따른 연료 전지(100)의 등가회로 모델을 선정한다. 등가회로 모델은 공지된 랜들 등가 회로(Randles equivalent circuit)에 의해 모델링될 수 있다. 파라미터 추출부(340)는 연료 전지(100)의 등가회로의 임피던스를 계산할 수 있다.(430)
파라미터 분석부(350)는 상술한 과정에 의해 추출한 임피던스 파라미터와 기준 파라미터를 비교하여 분석할 수 있다. 파라미터 분석부(350)는 추출한 임피던스 파라미터와 상응하는 기준치를 비교 분석할 수 있다. 수명 추정부(360)는 파라미터 분석부(350)에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 연료 전지(100)의 수명을 추정할 수 있다.(440)
경고부(370)는 수명 추정부(360)에 의해 추정된 연료 전지(100)의 수명이 미리 정해진 기준치 이하이면 외부로 경고신호를 출력할 수 있다.(450,460)
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (10)

  1. 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하는 연료전지용 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 연료 전지에 연결되어 상기 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터,
    상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 충전하거나, 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 높여 상기 로드에 인가할 수 있도록 방전하는 보조 에너지 저장장치,
    상기 보조 에너지 저장장치에 연결되어 상기 로드의 급작스런 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링할 수 있도록 스위칭되는 양방향 컨버터; 및
    상기 진단 모드에서 상기 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 상기 임피던스 파라미터에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 컨버터는 상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터에 의해 상기 진단을 위한 섭동 전류 신호가 발생할 수 있도록, 상기 로드의 출력 전압을 제어하는 연료전지용 전력변환장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터는 일정한 DC레벨의 섭동 전류를 유도하며, 상기 양방향 컨버터는 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 전압을 제어하는 것인 연료전지용 전력변환장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출하는 디지털 록인 앰프, 상기 디지털 록인 앰프에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하는 파라미터 추출부; 및
    상기 파라미터 추출부에 의해 산출된 파라미터를 기준 파라미터와 비교 분석하는 파라미터 분석부와, 상기 파라미터 분석부에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 미리 저장된 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 수명 추정부를 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  7. 로드, 상기 로드에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 스위칭되는 부스트 컨버터, 상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 충전 또는 방전하는 보조 에너지 저장장치와, 상기 보조 에너지 저장장치가 충전 또는 방전될 수 있도록 스위칭하는 양방향 컨버터와, 상기 연료전지의 출력을 감지하여 신호 처리하는 디지털 신호 처리부를 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법에 있어서,
    로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하며,
    상기 정상 작동 모드로 동작하면, 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 양방향 컨버터가 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 레벨링 동작을 구현하고, 상기 로드의 급작스런 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링할 수 있도록 스위칭되고,
    상기 진단 모드로 동작하면 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지에 일정한 크기의 섭동 전류가 인가될 수 있도록 스위칭되며, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압이 일정한 DC레벨로 유지될 수 있도록, 상기 양방향 컨버터가 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 상기 로드에 걸리는 전압을 제어하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 진단 모드에서, 상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하고, 상기 출력 응답으로부터 임피던스 스펙트럼을 산출하며, 상기 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하고, 상기 파라미터를 미리 저장된 기준 파라미터와 비교하여 수명을 추정하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 수명이 기준치 이하인 것으로 확인되면 경고 신호를 발생하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.

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