KR101710956B1 - 이동용 하이브리드 전원 시스템 및 그 시스템을 제어하는 방법 - Google Patents

이동용 하이브리드 전원 시스템 및 그 시스템을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

이동용 하이브리드 전원 시스템은, 배터리를 충전하거나 또는 부하에 소정의 전력을 공급하는 연료 전지; 상기 연료 전지에 의해 교번적으로 충전되고, 상기 부하에 상기 연료 전지가 제공하는 전력의 부족분의 전력을 공급하는 제1 배터리 및 제2 배터리; 상기 연료 전지로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리를 충전하는 충전부; 및 상기 연료 전지에서 공급되는 전력을 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리와 상기 부하에 분배하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 두 개의 배터리를 연료 전지 및 충전부를 이용하여 교번 충전함으로써 부하에 끊임없이 전력을 공급할 수 있다.

Description

이동용 하이브리드 전원 시스템 및 그 시스템을 제어하는 방법{MOBILE HYBRID FUEL CELL POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 이동용 하이브리드 전원 시스템 및 그 시스템을 제어하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하에 끊임 없이 전력을 공급할 수 있는 이동용 하이브리드 전원 시스템 및 그 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
소형 이동형 연료전지 전원시스템은 소형 발전기, 비상전원 등으로 활용이 가능하며, 특히 군사용 및 산업용 전원으로 사용이 가능하다. 응용형태는 특수목적의 이동식 로봇 및 관련 산업의 전원과 소형 비행선, 정찰비행기 등 무게를 최소화하고 효율을 최대화해야 하는 장거리 이동수단에 적합하다.
연료전지 시스템의 고효율화 전략으로는 스택 성능개선, 시스템 최적 기술, 고효율 BOP 개발 및 하이브리드 기술 등이 필요하며, 특히 EBOP(Electrical Balance of Plant)의 고효율화 및 경량화가 매우 중요하다.
연료전지 시스템의 에너지 효율을 증대시키는 방법으로는, 스택의 성능 개선, 복합 또는 하이브리드와 같은 새로운 개념의 도입을 생각할 수 있는데, 배터리와의 하이브리드 기술로 연료전지 발전시스템의 안정성 및 효율을 증대시키는 방식이 매우 유용하다고 평가받고 있다.
연료전지가 실용화되어 감에 따라, 연료전지 시스템 및 BOP 기술의 중요성이 부각되고 있으며, 스택 운전에 직접적으로 관련되는 부품의 개발은 많은 진척이 있었으나 하이브리드 전력변환기의 실질적 개발이 완성된 사례는 드물다.
기존에 개발된 여러 가지 개발된 전력변환기를 연료전지와 결합하여 운전하더라도, 전력변환기 자체에 문제가 있는 경우가 다수 있었고, 특히 연료전지와 결합 시 연료전지 스택의 운전이 정지하거나 단시간 내에 연료전지의 성능이 현저히 저하되는 사례를 다수 있어왔다.
연료전지 시스템의 EBOP는 시스템 운전 정지의 주요 원인이 되고 있다. 따라서, 연료전지 스택의 특성을 고려한 전력변환기의 개발과 배터리를 이용하여 연료전지를 보호하고 부하에 안정적으로 전력을 공급하기 위한 하이브리드 전원 시스템의 개발은 연료전지 시스템의 상용화에 있어서도 매우 중요하다.
연료전지와 배터리의 하이브리드 시스템용 전력변환기에 있어서 두 가지 전기화학적 에너지원들의 안정한 운전과 수명을 보장하기 위해서는 이들의 내부 임피던스를 고려한 낮은 리플전류 값을 갖는 전력변환기의 개발이 요구되며, 배터리와 연료전지가 함께 부하에 전력을 공급하기 위한 하이브리드 전력 제어 알고리즘의 개발이 요구된다.
기존의 시스템들은 대부분 하나의 배터리와 양방향 컨버터를 이용하여 연료전지와 배터리의 전력 분배를 제어하는 방식을 채택하고 있으며, 부하 변동에 따른 전류 지령 분배를 위해 복잡한 필터와 제어 알고리즘을 적용하여 배터리의 SOC(State of Charge)까지도 추정해야 구현이 가능한 단점이 있다.
KR 0906993 B1 JP 2012-033500 A KR 2010-0006815 A
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 두 개의 배터리 충전 및 과부하 제어를 위한 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템은, 배터리를 충전하거나 또는 부하에 소정의 전력을 공급하는 연료 전지; 상기 연료 전지에 의해 교번적으로 충전되고, 상기 부하에 상기 연료 전지가 제공하는 전력의 부족분의 전력을 공급하는 제1 배터리 및 제2 배터리; 상기 연료 전지로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리를 충전하는 충전부; 및 상기 연료 전지에서 공급되는 전력을 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리와 상기 부하에 분배하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는 컨버터를 포함하는 듀얼 제어 루프로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 듀얼 제어 루프는, 상기 컨버터의 전력 공급을 제어하는 제1 릴레이; 상기 제1 배터리의 충방전을 제어하는 제2 릴레이; 상기 제2 배터리의 충방전을 제어하는 제3 릴레이; 및 상기 제1 릴레이, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 제어하는 릴레이 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 릴레이 제어부는, 상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이는 오프(off)하고, 상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값과 같은 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제3 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제2 릴레이는 오프(off)하고, 상기 부하의 전류가 상기 연료 전지의 충전 전류보다 큰 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제3 릴레이는 오프(off)할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 충전 시에는 CC(Constant Current) 및 CV(Constant Volatge) 모드를 이용하고, 방전 시에는 CC 모드를 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리는 리튬 전지일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 연료 전지, 충전부, 제어부 및 제1 배터리 및 제2 배터리를 포함하는 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법은, 부하가 없는 상태에서, 상기 연료 전지에서 공급되는 전력에 의해 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리를 교번적으로 충전하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법은, 상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값보다 작은 경우, 상기 연료 전지에 의해 상기 제1 배터리를 충전하는 단계; 및 상기 연료 전지에 의해 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법은, 상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값과 같은 경우, 상기 연료 전지에 의해 상기 제1 배터리를 충전하는 단계; 및 상기 제2 배터리에 의해 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법은, 상기 부하의 전류가 상기 연료 전지의 충전 전류보다 큰 경우, 상기 연료 전지와 상기 제1 배터리에 의해 상기 부하에 전력을 공급할 수 있다.
이와 같은 이동용 하이브리드 전원 시스템에 따르면, 연료 전지의 출력에 충전부를 설계하여 연결하고, 이를 제어하여 두 개의 배터리를 교번 충전함으로써 부하에 끊임없이 전력을 공급할 수 있다. 이에 따라, 충전 중에도 부하가 걸리는 경우 연료 전지의 출력이 충분하다면 충전과 부하 구동을 동시에 할 수 있으며, 전류 제어에 의해 연료 전지는 과부하가 걸리지 않도록 보호할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템은 소형 이동용 발전기, 비상전원 등으로 활용 가능하며 특히, 군사용 및 산업용 전원으로 사용이 가능하다. 나아가, 특수목적의 이동식 로봇 및 관련 산업의 전원과 소형 비행선, 정찰비행기 등에 활용이 가능하며, 민수용으로는 레저용 비상전원, 휴대용 전자기기의 충전용 전원 등으로도 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 제어부의 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 이동용 하이브리드 전원 시스템의 상황별 동작 모드를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템의 과부하 방지 알고리즘을 실험한 결과의 파형도들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1의 제어부의 구성도이다.
본 발명은 연료 전지를 이용한 배터리 충전 시스템에 관한 것으로 연료 전지의 출력에 충전부를 설계하여 연결하고, 이를 제어하여 두 개의 리튬 배터리를 교번 충전함으로써 부하에 끊임없이 전력을 공급할 수 있는 장치에 관한 것이다. 충전 중에도 부하가 걸리는 경우 연료 전지의 출력이 충분하다면 충전과 부하 구동을 동시에 할 수 있으며, 전류 제어에 의해 연료 전지는 어떠한 상황에서도 과부하가 걸리지 않도록 보호하는 제어 알고리즘을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이동용 하이브리드 전원 시스템(1)는 연료 전지(10), 충전부(30), 제어부(50), 제1 배터리(60) 및 제2 배터리(70)를 포함한다.
상기 이동용 하이브리드 전원 시스템(1)은 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 연료 전지(10), 상기 충전부(30), 상기 제어부(50), 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
상기 이동용 하이브리드 전원 시스템(1)은 이동성을 가질 수 있다. 상기 이동용 하이브리드 전원 시스템(1)은, 장치(device), 엔진(engine), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
상기 연료 전지(10)는 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)를 충전하고, 동시에 부하(2)에 전력을 공급한다. 예를 들어, 상기 연료 전지(10)는 MEA(Membrane Electrode Assembly)로서, 복수개의 셀이 적층된 형태일 수 있으며, 300 W급 소형 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료 전지 스택일 수 있다.
상기 연료 전지(10)는 출력전류가 소정의 임계값(예를 들어, 12 A) 이상을 넘지 않도록 리미터(limiter)를 통해 제한될 수 있다.
상기 충전부(30)는 상기 연료 전지(10)의 출력 단자에 연결되며, 상기 연료 전지(10)로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)를 충전한다.
상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)는 상기 제어부(50)의 제어에 따라 교번적으로 충전되고, 상기 부하(2)에 전력을 공급한다. 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)는 각각 리튬 전지일 수 있다.
본 발명에서는 상기 연료 전지(10)와 두 개의 배터리(60, 70)를 포함하는 하이브리드 시스템을 구성하고, 상기 연료 전지(10)가 복수의 배터리(60, 70)를 교번하여 충전하면서 부하(2)에 끊임없이 전력을 공급할 수 있다.
이를 통해, 풀(full) 부하 또는 순시적인 과부하 운전시 발생할 수 있는 연료 전지(10) 스택 및 BOP(Balance of Plant)들의 오동작 요인을 줄여 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 제어부(50)는 상기 연료 전지(10)의 과부하를 방지하기 위하여 전력을 제어한다. 이를 위해, 상기 제어부(50)는 상기 연료 전지(10)에서 공급되는 전력을 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)와 상기 부하(2)에 분배한다. 연료 전지용 전력변환기의 조건은 연료 전지의 안정한 동작과 수명을 보장하여야 하며, 배터리의 CC(Constant Current)/CV(Constant Volatge) 모드 충전에서 배터리가 요구하는 전류 및 전압 리플을 만족시켜 배터리의 수명 역시 보장할 수 있어야 한다.
연료 전지는 과부하 내량의 거의 없으므로, 배터리 충전 시 연료 전지가 과부하(overload)되지 않도록 배터리와 연료 전지가 부하를 적절하게 나누어 담당할 수 있는 전력 제어 알고리즘이 요구된다. 또한, 연료 전지가 하나의 배터리를 완충시킨 후 자동으로 다른 배터리를 재충전할 수 있는 기능을 가져야 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 상기 제어부(50)를 듀얼 제어 루프로 구성한다.
도 2를 참조하면, 상기 제어부(50)는 하이브리드 전력 제어를 위해 연료 전지(10)의 전력을 두 개의 배터리(60, 70)와 부하(2)의 상황에 맞게 분배하기 위하여, 컨버터(51), 복수의 릴레이부 및 릴레이 제어부(55, 도 1 참조)를 포함한다.
상기 컨버터(51)는 동기식 벅컨버터(buck converter)일 수 있다. 일 일시예에서, 복수의 릴레이부는 제1 릴레이 내지 제3 릴레이(52, 53, 54)의 3 개의 릴레이부를 갖는다.
3개의 릴레이부로 구성되는 경우, 상기 제1 릴레이(52)는 상기 컨버터(51)의 전력 공급을 제어하고, 상기 제2 릴레이(53)는 상기 제1 배터리(60)의 충방전을 제어하고, 상기 제3 릴레이(54)는 상기 제2 배터리(70)의 충방전을 제어한다. 상기 릴레이 제어부(55)는 상기 제1 릴레이 내지 제3 릴레이(52, 53, 54)의 온/오프(on/off) 동작을 제어한다.
상기 하이브리드 연료 전지 시스템(1)의 배터리 충방전 알고리즘과, 하이브리드 전력 제어, 과부하 방지 및 보상 알고리즘을 개발하기 위하여 연료 전지(10)와 배터리(60, 70) 그리고 부하(2)의 전력을 분배하는 것이 중요하다.
먼저, 배터리(60, 70)의 충방전 알고리즘을 구현하기 위해서, 배터리 충전 시에는 CC(Constant Current)/CV(Constant Volatge) 모드를 이용하고, 방전 시 에는 CC(Constant Current) 모드를 사용하여 배터리(60, 70)의 충방전을 제어한다. 연료 전지(10), 부하(2) 및 배터리(60, 70)의 하이브리드 전력 제어 알고리즘은 4가지 모드로 나눠진다.
이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 각 모드에 따른 전력 분배 제어를 설명한다.
도 3은 제0 모드로서, 부하 없이 배터리만 충전되는 모드이다. 즉, 제1 배터리(60)는 충전 중이고, 제2 배터리(70)는 충전되어 사용 대기 중이다.
부하가 없는 상태로서, 제1 릴레이(52)의 접점 위치에 따라 상기 제1 배터리(60) 및 상기 제2 배터리(70)가 교번하여 충전된다. 구체적으로, 제1 릴레이(52)가 온(on)일 때, 컨버터(51)와 제1 배터리(60)가 연결되고, 제1 릴레이(52)가 오프(off)일 때 컨버터(51)와 제2 배터리(70)가 연결된다. 이 경우, 제2 릴레이(53) 및 제3 릴레이(54)는 오프(off) 상태를 유지한다.
도 4는 제1 모드로서, 연료 전지(10)가 제1 배터리(60)를 충전함과 동시에 부하(2)에 전력을 공급하는 모드이다. 이 경우, 제2 배터리(70)는 방전된 상태이다.
연료 전지(10)의 충전 전류(charger current)가 소정의 임계값(예를 들어, 12 A) 보다 작은 경우로서, 충전 전류가 제1 배터리(60)와 부하(2) 쪽으로 나눠서 흐르게 된다. 즉, 제1 배터리(60)은 충전 상태를 유지하고, 제1 릴레이(52)는 컨버터(51)와 제1 배터리(60)를 연결한다. 이 경우, 제2 릴레이(53) 및 제3 릴레이(54)는 오프(off) 상태를 유지한다.
도 5는 제2 모드로서, 제1 배터리(60)가 연료 전지(10)에 의해 충전되는 상태에서, 제2 배터리(70)는 부하(2)에 전력을 공급하는 모드이다.
연료 전지(10)의 충전 전류(charger current)가 소정의 임계값(예를 들어, 12 A)과 동일한 경우, 부하 전력은 제2 배터리(70)에 의해 공급 된다. 제1 릴레이(52)는 온(on) 상태로서, 컨버터(51)와 제1 배터리(60)가 연결되고, 제2 릴레이(53)는 오프(off) 상태, 제3 릴레이(54)는 온(on) 상태이다. 이 경우, 제1 배터리(60)는 충전 상태이고, 제2 배터리(70)는 부하(2)에 전력을 공급하게 된다.
도 6은 제3 모드로서, 제2 배터리(70)가 방전된 상태에서 연료 전지(10)와 제1 배터리(60)가 함께 부하(2)에 전력을 공급하는 하이브리드 모드이다.
부하(2)에 필요한 전류가 연료 전지(10)의 충전 전류(charger current)보다 큰 경우로서, 부하(2)는 연료 전지(10)와 제1 배터리(60)로부터 동시에 전력을 공급 받는다. 즉, 연료 전지(10)는 소정의 전력을 제공하고, 제1 배터리(60)에 의해 연료 전지(10)가 제공하는 전력의 부족분의 전력이 공급된다.
제1 릴레이(52)는 온(on) 상태로서, 컨버터(51)와 제1 배터리(60)가 연결되고, 제2 릴레이(53)는 온(on) 상태, 제3 릴레이(54)는 오프(off) 상태이다. 이 경우, 제1 배터리(60)는 방전 상태이고, 제2 배터리(70)는 제3 모드에 의해 완전히 방전된 상태이다.
연료 전지(10)의 과부하 방지 알고리즘은 도 7에서와 같이 듀얼 루프에서 전류를 제한하여 연료 전지(10)의 출력 전류가 12A를 넘지 않도록 임계값(Limiter)을 통해 제한함으로써 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 본원 발명에 따른 전원 시스템은 종래 기술에서 연료 전지 및 배터리가 포함하던 컨버터를 삭제하여 더욱 소형화 및 경량화를 실현할 수 있다.
도 7은 연료 전지 스택과 리튬 배터리 모듈(25.2 V, 6 A)을 이용하여, 본 발명에 따른 시스템의 모드별 동작을 확인한 실험 결과이다.
우선 모드 0(CC/CV모드 충전) 이후 46 % 부하를 인가하면 도 7과 같은 결과를 얻을 수 있는데, 연료 전지의 출력이 정전압 모드로 충전되는 배터리에 전력을 공급함과 동시에 부하에도 전력을 공급해준다.
이후, 부하 전류를 다시 0 A으로 하였을 경우, 연료 전지 출력 전류가 줄어들면서, 다시 CV 충전 모드로 돌아와 배터리를 충전하는 모습을 보인다. 따라서, 하이브리드 충전부가 교번하며 배터리와 부하에 전력을 나누어 공급하는 기능을 잘 구현되고 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 CC/CV 모드로 배터리를 충전한 후 200 %(12 A) 부하 인가 시 테스트 파형이다. 200 % 부하가 인가될 경우, 컨버터는 연료 전지가 부하 전류(6 A)를 공급하도록 제어하며, 부족한 나머지 전력은 배터리가 분담하여 부하에 전력을 공급함으로써 과부하 방지 및 보상을 하게 된다(제3 모드).
종래와 같이, 단일 배터리를 이용하는 경우 배터리 방전 시 부하에 전력 공급이 불가능하다. 그러나, 본 발명은 두 개의 배터리를 연료 전지 및 충전부를 이용하여 교번 충전함으로써 부하에 끊임없이 전력을 공급할 수 있다.
또한, 연료 전지를 이용하는 두 개의 배터리 충전 시스템 및 듀얼 제어 루프를 이용한 과부하 제어 알고리즘을 제공하여 배터리의 완전 방전 등에 의한 시스템 기동 불능이나 BOP(Balance of Plant)의 고장(failure)을 크게 줄일 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 하이브리드 전력 제어가 가능하여 연료전지를 과부하로부터 보호할 뿐 아니라 연료전지와 리튬 전지를 함께 이용하여 부하에 전력을 공급할 수 있어 연료 전지 자동차, 하이브리드 자동차, 무인항공기 등과 같은 다양한 응용 분야에 적용이 가능하다.
예를 들어, 전기자동차, 연료전지 자동차, 비상용 전원 및 다른 연료전지 시스템의 부품으로 활용할 수 있으며, 특수목적의 이동식 로봇 및 관련 산업의 전원과 소형 비행선, 정찰비행기 등에도 활용할 수 있다. 또한, 민수용으로는 레저용 비상전원, 휴대용 전자기기의 충전용 전원 등으로도 활용할 수 있다.
나아가, 소형 연료전지를 이용하는 다양한 전원시스템의 확산 가속화하고, 소형 연료전지 시스템 시장 선점 및 기술 선도, 연료전지 BOP 관련 산업의 활성화 등의 경제적 효과를 달성할 수 있다.
1: 이동용 하이브리드 전원 시스템 10: 연료 전지
30: 충전부 50: 제어부
51: 컨버터 52: 제1 릴레이
53: 제2 릴레이 54: 제3 릴레이
55: 릴레이 제어부 60: 제1 배터리
70: 제2 배터리 2: 부하

Claims (10)

  1. 배터리를 충전하거나 또는 부하에 소정의 전력을 공급하는 연료 전지;
    상기 연료 전지에 의해 교번적으로 충전되고, 상기 부하에 상기 연료 전지가 제공하는 전력의 부족분의 전력을 공급하는 제1 배터리 및 제2 배터리;
    상기 연료 전지로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리를 충전하는 충전부; 및
    상기 연료 전지에서 공급되는 전력을 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리와 상기 부하에 분배하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값과 같은 경우, 상기 연료 전지에 의해 상기 제1 배터리를 충전하면서 상기 제2 배터리에 의해 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 컨버터를 포함하는 듀얼 제어 루프로 형성되는, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 듀얼 제어 루프는,
    상기 컨버터의 전력 공급을 제어하는 제1 릴레이;
    상기 제1 배터리의 충방전을 제어하는 제2 릴레이;
    상기 제2 배터리의 충방전을 제어하는 제3 릴레이; 및
    상기 제1 릴레이, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 제어하는 릴레이 제어부를 포함하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 릴레이 제어부는,
    상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제2 릴레이 및 상기 제3 릴레이는 오프(off)하고,
    상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값과 같은 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제3 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제2 릴레이는 오프(off)하고,
    상기 부하의 전류가 상기 연료 전지의 충전 전류보다 큰 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이는 온(on) 시키고, 상기 제3 릴레이는 오프(off)하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 충전 시에는 CC(Constant Current) 및 CV(Constant Volatge) 모드를 이용하고, 방전 시에는 CC 모드를 이용하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리는 리튬 전지인, 이동용 하이브리드 전원 시스템.
  7. 연료 전지, 충전부, 제어부 및 제1 배터리 및 제2 배터리를 포함하는 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    부하가 없는 상태에서, 상기 연료 전지에서 공급되는 전력에 의해 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리를 교번적으로 충전하는 단계를 포함하며,
    상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값과 같은 경우,
    상기 연료 전지에 의해 상기 제1 배터리를 충전하는 단계; 및
    상기 제2 배터리에 의해 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료 전지의 충전 전류가 임계값보다 작은 경우,
    상기 연료 전지에 의해 상기 제1 배터리를 충전하는 단계; 및
    상기 연료 전지에 의해 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 부하의 전류가 상기 연료 전지의 충전 전류보다 큰 경우,
    상기 연료 전지와 상기 제1 배터리에 의해 상기 부하에 전력을 공급하는, 이동용 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100520086B1 (ko) * 2004-01-06 2005-10-11 삼성전자주식회사 계통연계형 연료전지 발전 시스템의 전력제어방법
JP2012033500A (ja) 2004-09-16 2012-02-16 Seiko Instruments Inc 燃料電池システム
KR20060093823A (ko) * 2005-02-22 2006-08-28 삼성에스디아이 주식회사 연료전지를 이용한 전원공급 시스템 및 이를 포함하는 휴대전자장치
KR100906993B1 (ko) 2007-11-09 2009-07-08 한국에너지기술연구원 연료전지 하이브리드 발전시스템의 전력제어시스템 및전력제어방법
KR20100006815A (ko) 2008-07-10 2010-01-22 주식회사 프로파워 연료전지 스택의 과전류 차단장치
KR101480991B1 (ko) * 2012-08-31 2015-01-09 엘아이지넥스원 주식회사 하이브리드 연료 전지를 제어하기 위한 시스템 및 그 방법
JP6459023B2 (ja) * 2013-06-18 2019-01-30 株式会社Ｇｓユアサ 蓄電素子及び蓄電モジュール

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