KR101867653B1 - 소스 보호를 위한 dc/dc 전력 컨버터 제어 전략 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 발전소(13)의 전력 출력에 응답하는 DC/DC 컨버터(10a)의 제어기(11a)는 연료 전지 전압이 제한을 초과하는지를 결정하고, 만약 초과한다면, 연료 전지 출력 전류 또는 DC/DC 컨버터 출력 전류 모두가 과도하지 않는 경우, DC/DC 컨버터 듀티 사이클에서의 증가를 야기하여 이에 의해 연료 전지 스택으로부터 요구되는 전력을 증가시키는 제어 전략 하에서 동작한다. 이는 연료 전지를 부식으로부터 보호하기 위한 종래 전압 제한에 대한 요구를 제거한다. 디지털 제어 루프 및 상태 머신들이 예시되어 있다.

Description

소스 보호를 위한 DC/DC 전력 컨버터 제어 전략{DC/DC POWER CONVERTER CONTROL STRATEGY FOR SOURCE PROTECTION}
DC/DC 전력 컨버터 제어 전략은, a) 임계 파라미터의 값이 제한 값 미만이 되게 하려는 경향이 있지만, b) 소스의 또는 컨버터의 또다른 임계 파라미터를 제한 값 미만으로 구동할 수 있는 방식으로, 컨버터 출력을 변경하기 위해, 연료 전지와 같은 DC 전력 소스의 출력 전압과 같은 임계 파라미터에 응답하는 것을 포함한다.
DC/DC 전력 컨버터들은 동작하는 버스들에서 현재 사용중인 연료 전지/배터리 하이브리드 전력 추진 시스템들과 같은, 다양한 전력 시스템들에서 사용된다. DC/DC 전력 컨버터들은 원하는 출력 전압이 가용 입력 전압보다 더 높은 경우 부스트(boost) 타입일 수 있거나, 또는 원하는 출력 전압이 가용 입력 전압보다 더 낮은 경우 벅(buck) 타입일 수 있다. DC/DC 컨버터들은 또한 두 방향 모두로의 전력 흐름을 허용하는 양방향성일 수 있거나, 또는 오직 한 방향으로의 전력 흐름을 허용하는 단방향성일 수 있다.
연료 전지 스택과 연관된 통상적인 종래 기술의 DC/DC 컨버터는, 일반적으로 디지털이며, 컨버터 입력 전류(DC 전력 소스, 예를 들어, 연료 전지 스택의 출력 전류임)와 컨버터 출력 전류 및 전압을 적절하게 제어하는 시스템에 의해 제어된다. 그러나, 종래의 전략들은 DC 전력 소스 출력 전압 제약들을 관리하기에는 효과적이지 않다. 연료 전지들은 단조 전압/전류 성능 곡선 관계를 가진다. 낮은 출력 전력에서, 각각의 전지의 전압은 음극 및 양극 촉매들과 탄소 촉매지지체들의 부식을 야기할만큼 충분히 높아질 수 있다. 이러한 부식은 연료전지 성능의 영구적인 저하(decay)를 야기한다.
지금까지는, 높은 전지 전압들에서의 촉매 및 지지체 부식의 결과로서, 연료 전지 성능 저하의 방지는 통상적으로, 보조 저항성 부하와 같은 전압 제한 디바이스(VLD)에 의해 방지되어 왔는데, 보조 저항성 부하는 펄스폭 변조(PWM) 신호에 의해 제어되는 전자 스위치에 의해 회로의 안팎에서 보조 저항성 부하를 스위칭함으로써 실질적으로 가변 부하가 된다.
도 1을 참조하면, 이 경우 단방향성이며, 부스터 컨버터일 가능성이 높은 DC/DC 컨버터(10)가 전력을 부하(16)에 제공하는 연료 전지 발전소 시스템(15) 내의 연료 전지 스택(13)으로부터 라인(12)을 통해 전력을 수신하는 것이 도시되어 있다. 부하(16)는 전기 또는 하이브리드 차량 내의 전기 모터를 포함할 수 있거나, 또는 전화 교환, 병원, 또는 피크 전력 보조를 요구하는 전력 분배 시스템과 같은 고정 연료 전지 발전소에 의해 서비스되는 임의의 개수의 부하들을 포함할 수 있다.
도 1에서, 저항성 보조 부하(29)는 VLD 제어기(34)에 의해 공급되는 라인(32) 상의 PWM 신호에 의해 제어되는 전기 스위치(30)에 의해 회로의 안팎에서 선택적으로 스위칭된다. 라인(12) 상의 전지 전압이 통상적으로 임계 부식 임계치(critical corrosion threshold) 미만의 수백 볼트인 임계치를 초과할 때마다, VLD 제어기는 스위치(30)의 듀티 사이클을 증가시켜, 평균 저항값을 낮추어 전류 및 전력 출력을 증가시킨다. VLD 제어기는, 라인(12) 상의 연료 전지 출력 전압이 더 낮은 안전 전압 미만으로 감소할 때마다 증분치만큼 듀티 사이클을 감소시킬 것이다. 보조 부하(29)는, 안전 전지 전압을 유지하기 위해 요구되는 임의의 전력량을 소모할 시에, 관련된 장치의 한계들 내에 수용되어야 하는 열을 생성한다. VLD 제어기는 통상적으로 연료 전지 발전소 제어기 뿐만 아니라 DC/DC 컨버터 제어기로부터 분리되어 떨어져 있다.
DC/DC 컨버터의 제어기의 입력들은 도 1에 예시된 바와 같이 복수의 신호 라인들(19-21) 상에서 제공된다. 연료 전지 스택 출력 전류(DC/DC 컨버터 입력 전류) Icel LIM에 대한 제한 신호가 라인(19) 상에 있다. 컨버터 출력 전류 제한 신호인 Iout LIM은 라인(20) 상에 있다. 원하는 컨버터 출력 전압 코맨드(converter output voltage command) Vout CMND는 라인(21) 상에 있다.
도 2를 참조하면, 종래 기술의 제어 전략은, 도 1의 DC/DC 컨버터(10)의 제어기(11)에 대해, 입력점(37)을 통해 도달하고, 제1 테스트(38)가 출력 전압이 지시된 출력 전압인 Vout CMND와 같거나 더 큰지를 결정한다. 출력 전압이 같거나 더 크지 않은 경우, 테스트(38)의 부정적 결과가 테스트(40)에 도달하여, 연료 전지 출력 전류인 lcel이 대응하는 제한 lcel LIM을 초과하는지를 결정한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "초과하다"는, 파라미터의 값에 대해, 값이 파라미터의 제한 또는 임계치의 덜 바람직한 측에 도달하는 것을 의미한다. 출력 전압이 같거나 더 큰 경우, 테스트(40)의 긍정적 결과는 DC/DC 컨버터에 대한 듀티 사이클 신호가 감소되게 하는 단계(42)에 도달한다. 이들 전류들은, 이하에서 도 4에 대한 본원의 전략에 더 풍부하게 관련하여 기술된다.
연료 전지 출력 전류가 대응하는 제한을 초과하지 않는 경우, 테스트(40)의 부정적 결과가 테스트(43)에 도달하여 DC/DC 컨버터 출력 전류인 Iout이 관련 제한을 초과하는지를 결정한다. 컨버터 출력 전류가 제한을 초과하는 경우, 테스트(43)의 긍정적 결과가 단계(42)에 도달하여 듀티 사이클을 감소시켜 전력이 약해지게 할 것이다. 그러나 연료 전지 출력 전류와 컨버터 출력 전류 모두가 제한 내에 있는 경우, 테스트들(40 및 43)의 부정적 결과들이 단계(45)에 도달하여 듀티 사이클을 증가시킬 것이다. 다시 말해, 출력 전류들이 둘 모두 제한 내에 있는 경우, 전압 출력이 테스트(38)에서 나타난 바와 같은 지시된 전압 출력보다 더 작을 때, 듀티 사이클이 단계(45)에서 증가하여, DC/DC 컨버터의 출력 전압을 증가시키고 출력 전력의 증가를 야기할 것이다.
DC/DC 컨버터의 전압 출력이 출력 전압 코맨드를 초과하는 경우, 테스트(38)의 부정적 결과가 단계(42)에 도달하여 듀티 사이클을 감소시킬 것이다. 이는 출력 전압에서의 감소, 및 출력 전력에서의 감소를 야기시킨다. 따라서, 단계(45)는 전력을 푸시(push)하는(전력을 증가시키는) 반면, 단계(42)는 전력이 감소하게(푸시되지 않게) 한다. 단계들(42, 45) 중 어느 것 이후에라도, 다른 루틴들은 리턴점(48)을 통해 되돌아간다.
제한 값을 가지는 임계 파라미터를 가지는 DC 전력 소스로부터 전력을 수신하는 DC/DC 컨버터에 대한 제어 전략은, 컨버터 출력을 조정하고, 따라서 다른 파라미터들의 제한들이 초과되지 않는 경우 임계 파라미터의 값에 우호적으로 영향을 주는 방식으로 소스에 의해 전달된 전력을 변경함으로써 임계 파라미터를 수용한다.
일 예에서, 임계 파라미터는 연료 전지 발전소의 전지 전압이고, 평균 또는 대표 전지 전압을 나타내는 전압은 출력 전력이 증가되어, 이에 의해 전지 전압을 감소하게 해야하는지를 결정하기 위해 이용된다.
개시된 실시예에서, 전압 제한 디바이스를 사용하는 것보다는, 통상적으로, 펄스 폭 변조 스위칭 회로와 VLD 제어기를 이용하여, 본원의 제어 전략은, 만약 다른 제한들이 초과되지 않는다면, 연료 전지 스택의 전압이 전력 출력을 푸시(부스트)하기에는 너무 높아져서 이에 의해 연료 전지 전압을 감소시키는 경우 동작 모드를 변경하기 위해, 또다른 입력으로서 연료 전지 전압을 가지는, DC/DC 컨버터의 제어기를 이용한다.
제어 전략은, 태양 전지와 같은, DC/DC 컨버터들에 의한 전력 변환을 사용하는 다른 DC 소스들과 함께 사용될 수 있다. 일반적인 경우, 본원의 제어 전략은, 제어 전략 내의 명령이 DC/DC 컨버터에 전력을 제공하는 DC 소스의 임계 파라미터를 차례로 변경시키는 방식으로 DC/DC 컨버터의 출력을 조정하는 임의의 상황에서 이용될 수 있다.
본원의 제어 전략은 부스트 또는 벅 타입의 단방향 또는 양방향 DC/DC 컨버터와 함께 사용될 수 있다. 본원의 제어 전략은 부하에 제공된 전력 출력 또는 전압 출력 어느 것이라도 제어하는 DC/DC 컨버터들과 함께 사용될 수 있다.
다른 변경들은, 첨부 도면들에 예시된 바와 같이, 후속하는 예시적인 실시예들의 상세한 설명의 견지에서 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 당해 기술분야에 공지되어 있는 DC/DC 컨버터를 공급하고 PWM-스위칭 전압 제한 디바이스를 이용하는 연료 전지 스택의 간략화된 개략적 블록도이다.
도 2는 도 1의 DC/DC 컨버터에 대한 종래 기술의 제어 전략의 간략화된 다이어그램이다.
도 3은 본원의 제어 전략을 사용하는 DC/DC 컨버터를 공급하는 연료 전지 스택의 간략화된 개략적 블록도이다.
도 4는 도 3의 제어 전략에서 테스트된 신호들의 간략화된 개략적 예시이다.
도 5는 도 3의 DC/DC 컨버터에 대한 본원의 제어 전략의 간략화된 다이어그램이다.
도 6은 차량용 전기 모터를 포함하는 도 3의 개선된 컨버터에 대한 부하의 간략화된 개략적 블록도이다.
도 7은 전화 교환을 포함하는 도 3의 개선된 컨버터에 대한 부하의 간략화된 개략적 블록도이다.
도 8은 본원의 양상을 구현하는 상태 머신의 예시이다.
도 9는 출력 전압을 제어하지 않는 시스템에서 본원의 양상을 구현하는 상태 머신의 예시이다.
도 10-12는 도 8의 각자의 상태들의 간략화된 개략적 다이어그램들이다.
도 13은 본원의 제어 전략의 간략화된 다이어그램이다.
구현 모드(들)
본원에 제공된 제어 정책을 사용하는 시스템은 도 3에 예시된 연료 전지 발전소 시스템(15a) 내에 존재한다. 도 3과 도 1 사이의 주목할만한 차이는 전력 제한 보조 부하(29)와 VLD 제어기(34)가 없다는 점이다. 중요한 차이는 DC/DC 컨버터(10a)가 라인(50) 상에서 연료 전지 스택 출력 제한 신호인 Vcel LIM을 포함하는, 자신의 제어기(11a)에 대한 추가적인 입력을 가진다는 점이다.
도 4는 명료함을 위해, 제어기(11a)에 제공되는 신호들 Vcel, lcel, Vout 및 Iout을 예시하며, 제어기에서 신호들 Vcel, lcel, Vout 및 Iout이 도 5의 테스트들(38, 40, 43 및 54)에서 테스트된다. 전지 전압은 라인(12) 상에 있다. 전지 출력 전류인 lcel은 그것이 DC/DC 컨버터(10a)에 입력될 때 라인(12)에서의 전류의 크기를 결정하기 위해 디바이스(57)에 의해 측정된다. Vout은 라인(18) 상에서의 DC/DC 컨버터의 출력 전압이고, Iout은 센서(58)에 의해 표시되는, 부하에 라인(18)을 통해 제공되는 전류이다.
도 4의 제어기(11a)의 출력은 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)와 같은 전기 스위치(62)에 제공되는, 라인(60) 상의 듀티 사이클 신호이고; 단방향 DC/DC 컨버터에서, 스위치는 절연된 게이트 전계 효과 트랜지스터 또는 또다른 적절한 전자 스위치를 포함할 수 있다. 이것은 DC/DC 컨버터에서의 전압 제어의 종래의 방식이다. 도시되어 있는 부스트 컨버터에서, 듀티 사이클의 증가는 출력 전압 및/또는 출력 전류를 증가시키고, 따라서 전력을 부하로 푸시할 것인 반면, 듀티 사이클의 감소는 출력 전압 또는 전류를 감소시키고, 따라서 부하에 제공된 전력을 약화시킬 것이다.
도 5에서, 본원에서의 제어 전략을 가지는 DC/DC 컨버터(10a)에 대한 제어기(11a)는 입력점(53)을 통해 도달한다. 제1 테스트(38)는 종래 기술의 테스트와 동일하며, 출력 전압이 출력 전압 코맨드보다 더 큰지를 결정한다. 만약 더 크다면, 제1 테스트는 연료 전지 전압인 Vcel이 연료 전자 전압 제한인 Vcel Lim보다 더 큰지를 결정하는 테스트(54)에 도달한다. 이것은 단일 대표 연료 전지의 테스트일 수 있거나, 또는 제한 전압 임계치의 N배인, 라인(12) 상의 전체 출력 전압의 테스트일 수 있으며, 여기서, N은 스택 내의 연료 전지들의 수이다. 또는, 그것은 몇몇 대표 전지들의 전압들의 합산일 수 있으며, 어느 경우든, 전지 전압 제한 신호는 제한 전지 전압 임계치의 N배를 포함할 것이며, 여기서 N은 관련된 대표 전지들의 수이다.
전지 전압이 너무 높은 경우, 테스트(54)의 긍정적 결과가 테스트들(40 및 43)에 도달하여, 연료 전지의 출력 전류 또는 DC/DC 컨버터의 출력 전류 중 어느 것이라도 그 대응하는 제한을 초과하는지를 결정할 것이다. 테스트들(40 및 43) 모두가 부정적인 경우, 듀티 사이클이 단계(45)에서 증가하고, 프로그래밍은 리턴점(48)을 통해 다른 루틴들을 되돌린다. 전지 전압을 낮추기 위한 전력 푸시가 어느 전류라도 그 제한을 초과하는 것을 초래하는 경우, 테스트(40 또는 43) 어느 것의 결과라도 도 5의 루틴의 다음 경로에서 긍정적으로 변경할 것이다. 이는 단계(42)에 도달하여 듀티 사이클을 감소시켜서, 전류를 감소시키려는 경향이 있을 것이다.
전지 전압이 높지만 전류들 중 어느 것이라도 그 제한들을 초과하는 경우, 테스트(40 또는 43) 어느 것의 긍정적 결과라도 듀티 사이클이 증가하는 것을 방지하며, 전술된 바와 같이 듀티 사이클을 감소시킬 단계(42)에 도달할 것이다.
그러나, DC/DC 컨버터의 출력 전압이 DC/DC 컨버터의 표시된 출력 전압을 초과할 때마다, 테스트(54)에 도달하는 테스트(38)의 긍정적 결과는 전지 전압이 테스트(54)에서 그 대응하는 제한을 초과하지 않는 한 듀티 사이클(42)에서의 감소를 초래할 것이다.
따라서, 제어기(11a)에서 하나의 추가적인 제어 인자를 제공함으로써, 본원의 제어 전략에 따라, 도 1의 장치(29-34)가 회피되는 반면, 연료 전지가 부식되는 것으로부터 보호하는 기능은 용이하게 달성된다.
본원의 제어 전략 하에서 동작하는 DC/DC 컨버터에 대한 하나의 가능한 부하(16a)는 도 6에 예시된 차량 주행을 위한 프라이머리 전력(primary power)으로서이다. 도 6의 주요 부하는 모든 전기 차량 내에 있거나, 또는 현재 서비스 중인 하이브리드 버스들과 같은 하이브리드 차량의 전기 모터 부분 내에 존재할 수 있는 전기 모터(67)이다. 모터(67)는 양방향 DC/AC 인버터(72)로부터 복수의 라인들(69)을 통해 3-상 전력을 수신한다. 인버터는 감속할 때 또는 내리막길을 이동할 때 모터가 제동 디바이스로서 동작하게 하도록 양방향성이다. 재생성 모드에서 모터에 의해 생성된 전력은 인버터(72)에 의해, 각각이 대용량인 다수의 커패시터들, 또는 적절할 때, 저장 배터리들을 포함하는 에너지 저장 시스템(74)에 인가된다. 에너지 저장 시스템(74)은 또한, 적절한 경우, 양방향 DC/DC 컨버터, 및 에너지의 저장 또는 리턴을 제어하기 위한 장치를 포함한다.
에너지 저장 시스템(74)에 추가하여, 또는 에너지 저장 시스템(74) 대신, 도 1에서 참조된 전압 제한 디바이스와 본질적으로 동일한 전력 소모 디바이스(PDD)(75)가 존재할 수 있다. 전력 소모 디바이스(75)는 제동 디바이스 단독으로서, 또는 완전히 충전되었을 때 에너지 저장 시스템에 대한 백업으로서의 모터의 사용을 허용할 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이, PDD(75)는 시스템의 시동을 위한 것과 같은 에너지를 제공할 수 없다. PDD는 그것이 에너지 저장 시스템보다 훨씬 덜 비싸고 훨씬 덜 무겁기 때문에 사용될 수 있으며, PDD와 에너지 저장 시스템 둘 모두 차량 응용들에서 중요하다.
본원의 제어 전략을 통해 동작하는 DC/DC 컨버터(10a)에 관련하여, 도 5의 DC/DC 컨버터 제어기(11a)의 제어 전략에서의 테스트들이 단계(45)에서 듀티 사이클을 증가시킴으로써 전력의 푸시를 초래하는 경우, 전력에서의 이러한 증가는 그 설계에 따라 모터(67)에서 요구되지 않아야 하며, 인버터(72)는 전압차에 대해 조정할 수 있고, 에너지 저장 시스템(74) 또는 전력 소모 디바이스(75) 어느 것이라도 추가 전력을 흡수할 수 있다.
본원의 제어 전략 하에서 동작하는 DC/DC 컨버터(10a)에 대한 또다른 가능한 부하(16b)는 도 7에 도시된 전화 교환을 위한 백업 전력으로서이다. 여기서, 궁극적인 부하는 약 12볼트와 30볼트 사이와 같은, 적절한 DC 전압에서 동작하는 전자 디바이스들(77)이다. 전자 디바이스들에 대한 주요 전력은 평범한 유틸리티 그리드(82)로부터 전원인가된 AC/DC 컨버터(79)이다. 컨버터(79)는 전술된 공칭 전압에서 3-상의 440볼트 AC 전력을 DC 전력으로 변환하려고 할 것이다. AC/DC 컨버터(79)는 공칭 전압에서 제공된 전력량을 조정하여, 가변 개수의 전자 디바이스들(77)의 가변적인 전력 사용을 수용할 수 있다.
유틸리티 그리드에서 제공된 전력의 중단들을 수용하기 위해, 대형 에너지 저장 시스템(84)이 제공된다. 이 시스템은 비교적 짧은 시간 기간 동안 전자 디바이스들에 공칭 DC 전압을 제공하고, 일단 유틸리티 그리드(82)로부터의 전력이 복원되면 AC/DC 컨버터(79)에 의해 공칭 DC 전압에서 재충전될 수 있다.
더 긴 송전 정지 기간 동안, 도 3의 연료 전지 발전소(15a)는 라인(18) 상의 전력을 DC/DC 컨버터(10a)를 통해 전자 디바이스들(77)에 제공하기 위해 시작될 수 있다. 이러한 환경 하에서, 에너지 저장 디바이스(84)는 전지 전압이 전지 전압 제한보다 더 큰 것에 의해 야기되는, 연료 전지 스택에 의해 생성된 임의의 가외 전력을 가정할 수 있다. 그것은, 테스트(54)의 결과로서, 도 5의 제어 전략이 단계(45)에 도달하여 듀티 사이클을 증가시키고 이에 의해 전력을 푸시한 것의 결과이다. 이것은, 단계들(40 및 43)에 의해 부정적인 것으로 나타나는 바와 같이, 전지 전류 및 컨버터 출력 전류 중 어느 것도 제한들 밖에 있지 않을 때에만 발생한다.
도 6 및 7의 부하들(16a 및 16b)은 단지 예시적이며, 광범위한 부하들을 방해하지 않고 전지 전압을 부식 제한 전압 미만으로 감소시키기 위한 전력의 푸시가 가능함을 예시한다. 부하들은 도 6에서와 같이 주요 전력으로서, 또는 도 7에서와 같이 백업 전력으로서, 연료 전지 발전소를 사용할 수 있다. 부하들은 도 6에서와 같이 이동식이거나, 또는 도 7에서와 같이 고정식일 수 있다.
본원에서의 양상은 그것이 디지털 루틴들에 의해 구현될 수 있는 것으로서 기술되어 있다. 그러나, 본원에서의 양상은, 도 8-12에 예시된 바와 같이, 상태 머신에 의해서와 같은 다른 방식들로 구현될 수 있다.
전력 인가(power up) 또는 임의의 다른 리셋이 존재하는 언제라도, 도 8의 라인(53a)에 의해 나타나는 바와 같이, 상태 머신(86)은 연료 전지 전류 제한을 받는, 도 10에 예시된 바와 같은, 라인(18) 상에서 DC/DC 컨버터(10a, 도 4)의 출력 전압(Vout)을 레귤레이팅(regulate)하는 제1 상태(87)에 도달한다. 여기서, 컨버터의 출력 전압인 Vout은 합산 합류점(summing junction)(89)에서 라인(21) 상에서의 출력 전압 코맨드 Vout CMND와 비교된다. 에러가 라인(91) 상에서 비례/적분 이득(42a/45a)을 통해 전달되어, 라인(92) 상에서 듀티 사이클의 정확한, 조건 값을 제공한다. 비례 이득 및 적분 이득(42a/45a)은 도 5에서 듀티 사이클을 감소 또는 증분 시키는 단계들(42 및 45)과 등가이다. 라인(92) 상의 비례/적분 이득의 출력은 연료 전지 전류 제한 스테이지(40a)를 통과하여 지난다(이는, 연료 전지 전류가 너무 높은 경우 듀티 사이클의 감소를 보장하는 도 5의 테스트(40)와 등가이다). 제한 디바이스는 통상적으로는 라인(57) 상의 연료 전지 전류(lcel)가 라인(19) 상의 제한 신호(lcel LIM)를 초과하는지를 결정하고, 만약 초과한다면, 에러를 비례/적분 이득을 통해, 라인(94) 상에서 듀티 사이클 신호를 제공하기 위해 2개의 출력들인, 라인(92) 또는 lcel와 관련된 유사한 라인 중 더 낮은 것을 선택하는 "~보다 미만" 회로와 함께, 라인(92)과 유사한 라인에 전달하기 위한 합산 합류점을 포함할 수 있다.
도 8에서, 상태 머신은 상태(87)에서 유지할 것이며, 여기서, 상태 머신은, 2개의 파라미터들 중 어느 하나라도 변경하지 않는 한, Vout을 레귤레이팅한다. 라인(54a)에 의해 나타나는 바와 같이, 연료 전지 전압인 Vcel이 그 제한인 Vcel LIM를 초과하는 경우, 상태 머신(86)은 도 11에 예시된 바와 같이, 연료 전지의 출력 전압을 레귤레이팅하는 상태(98)로 진행할 것이다. 도 11의 상태(98)는 합산 합류점(89)으로의 입력에서의 신호들에 대해서를 제외하고는 도 10의 상태(87)와 동일하다. 도 11에서, 연료 전지 전압(Vcel)은 합산 합류점(89)의 양의 입력으로 라인(12) 상에서 인가되고, 연료 전지 제한 전압 Vcel LIM은 합산 합류점의 음의 입력으로 라인(50) 상에서 인가된다.
일단 전지 전압 레귤레이팅 상태(98)에 있으면, 연료 전지 전압이 그 제한 미만의 값으로 리턴하지 않는 한, 그것은 그 상태를 유지할 것이다. 이후, 그것은 라인(54b)으로 나타난 바와 같이, DC/DC 컨버터 출력 전압 레귤레이팅 상태(87)로 리턴한다. 종래의 히스테리시스는 조건들(54a 및 54b) 사이에 제공되어 상태들 간의 헌팅(hunting)을 방지할 수 있다.
상태 머신이 DC/DC 컨버터 출력 전압을 레귤레이팅하는 상태(87)를 벗어나 진행할 수 있는 또다른 방식은, 라인(43a)에 의해 나타난 바와 같이, DC/DC 컨버터의 출력 전류가 그 제한을 초과하는 경우이다. 그것은 이후, 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, DC/DC 컨버터 출력 전류가 레귤레이팅되는 상태(100)에 도달할 것이다. 도 12는 합산 합류점(89)에 제공되는 신호들에 대한 것을 제외하고는 도 10 및 11과 동일하다. 상태(100)에서, 라인(58) 상의 DC/DC 컨버터의 출력 전류는 합산 합류점(89)에서 라인(20) 상에서의 DC/DC 컨버터의 출력 전류에 대한 제한인 Iout LIM와 비교된다. 비례 및 적분 이득(42a/45a)을 통과하는 차이는, 만약 존재하는 경우, 전술된 바와 같이, 연료 전지 전류(Icel)가 제한 밖에 있는 경우 이후 대체될 수 있는 라인 (92) 상의 잠정적인 듀티 사이클 신호를 제공한다.
DC/DC 컨버터 출력 전압(Vout) 또는 연료 전지 전압(Vcel) 중 어느 것이라도 대응하는 제한을 초과하는 경우, 각각, 상태는 출력 전압이 레귤레이팅되는 상태(87)로 되돌아갈 수 있거나, 또는 상태는 연료 전지 전압이 레귤레이팅되는 상태(98)로 되돌아갈 수 있다.
상태 머신의 견지에서 본원에서의 양상의 표현은 상황을 변경시키지 않는데, 즉, 본원의 양상은 전력 소모 또는 저장과 같은 임의의 종류의 전압 제한에 대한 필요성을 제거하는데, 왜냐하면, 전술된 바와 같이, (DC/DC 컨버터가 과도한 출력 전류를 가지지 않는 한) 그것이 DC/DC 컨버터가 필요할 때마다 전력을 푸시하여 연료 전지 전압을 그 제한 미만으로 유지하게 하기 때문이다.
도 9는 DC/DC 컨버터 출력 전압에 대한 제어를 요구하지 않는 시스템에서 사용될 수 있는, 간략화된 상태 머신을 예시한다. 일반적으로, 상태(100a)는 DC/DC 컨버터의 출력 전류인 Iout을 레귤레이팅하기 위해 DC/DC 컨버터를 제어할 것이다. 그러나 연료 전지 전압이 제한을 초과하는 경우, 도 9의 상태 머신은, 연료 전지 전압인 Vcel이 레귤레이팅되는 상태(98a)로 진행할 것이다. 상태들(98 및 98a)로 인해, 도 8 및 도 9에 예시된 상태 머신들은, 연료 전지의 출력 전력이 부하를 초과할 때 잉여 전력(dump power)에 대한 필요성을 회피하는데, 왜냐하면, 연료 전지 전압이 제한상태로 유지하는 것을 보장하기 위해 DC/DC 컨버터가 전력을 푸시할(증가시킬) 것이기 때문이다. 도 9의 상태 머신과 비교가능한 디지털 루틴은 도 13에 도시되어 있다. 도 13은 컨버터 출력 전압에 대한 제어가 없는 - 테스트(38)가 없는 - 것을 제외하고는 도 5와 동일하다.
개시된 실시예들의 변경들 및 변형들이 개념의 의도로부터의 이탈이 없이 이루어질 수 있으므로, 이는 첨부된 특허청구범위에 의해 요구되는 바가 아니고서는 개시내용을 제한하도록 의도되지 않는다.

Claims (13)

  1. 임계 파라미터의 값을 안전 제한 값 미만으로 유지하도록 DC 전력 소스의 전력 출력을 변경하기 위한 방식으로 DC/DC 컨버터를 동작시킴으로써, DC/DC 컨버터를 동작시키고 있는 DC 전력 소스의 임계 파라미터가 안전 제한 값을 초과하는 것을 방지하며,
    DC/DC 컨버터에 부착된 부하에 의해 요구되는 것으로부터 DC 소스의 출력 전력을 변경시키는 것은 DC 소스의 추가적인 임계 파라미터의 값 또는 DC/DC 컨버터의 임계 파라미터의 값에서의 초과가 존재하지 않는 것을 조건으로 하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    DC/DC 컨버터에 부착된 부하에 의해 요구되고 있는 것으로부터 DC 소스의 출력 전력을 변경시키는 것은, 오직 DC/DC 컨버터의 부하가 상기 임계 파라미터의 값이 상기 제한 값을 초과할 가능성을 더 크게 하려는 방식으로 변경할 때에만 발생하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    DC 전력 소스는 연료 전지 발전소인 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    DC 전력 소스의 임계 파라미터는 상기 연료 전지 발전소의 연료 전지 스택 내의 전지 전압인 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    DC/DC 컨버터에 부착된 부하에 의해 요구되는 것으로부터 전력 출력을 변경하는 것은 상기 전력 출력을 증가시키는 것을 포함하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    DC/DC 컨버터에 부착된 부하에 의해 요구되는 것으로부터 전력 출력을 변경하는 것은 연료 전지 스택 출력 전류 또는 DC/DC 컨버터 출력 전류 중 어느 하나의 값의 대응하는 제한을 넘는 초과가 존재하지 않는 것을 조건으로 하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  8. 초과되지 않아야 하는 제한 값을 가지는 임계 파라미터를 가지는 DC 전력 소스(13);
    DC/DC 컨버터의 원하는 출력을 제공하도록 상기 DC 전력 소스의 출력 전력을 변환하기 위해, 전력 변환이 제어 전략에 의해 제어되는, DC/DC 컨버터(10a)
    를 포함하는 장치에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터의 제어 전략은,
    a) 상기 임계 파라미터의 제한 값이 초과되는지를 결정하는 것, 및 만약 초과한다면,
    b) 상기 임계 파라미터가 상기 제한 값을 초과할 가능성을 더 적게 할 방향으로 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제1 변경을 야기하는 것을 포함하며,
    상기 제어 전략은, 상기 DC/DC 컨버터의 제2 임계 파라미터의 값이 제2 제한 값을 초과하는지를 결정하는 것, 및 만약 초과한다면,
    상기 제1 변경 대신, 상기 제2 임계 파라미터가 상기 제2 제한 값을 초과할 가능성을 더 적게 할 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제2 변경을 야기하도록, 상기 DC/DC 컨버터의 제어를 변경하는 것을 포함하는 것을 추가로 특징으로 하는 장치.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 전략은, DC 소스의 제3 임계 파라미터의 값이 제3 제한 값을 초과하는지를 결정하고, 만약 초과한다면, 상기 제1 변경 또는 상기 제2 변경 대신, 상기 제3 임계 파라미터가 상기 제3 제한 값을 초과할 가능성을 더 적게 할 상기 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제3 변경을 야기하도록 DC/DC 컨버터의 제어를 변경하는 것을 포함하는 것을 추가로 특징으로 하는 장치.
  11. 초과되지 않아야 하는 제한 값을 가지는 임계 파라미터를 가지는 DC 전력 소스(13)를 제어하고, DC/DC 컨버터(10a)의 원하는 출력을 제공하도록 상기 DC 전력 소스의 출력 전력을 변환하기 위해 전력 변환이 제어 전략에 의해 제어되는 DC/DC 컨버터(10a)에 전력을 제공하는 방법에 있어서,
    a) 상기 임계 파라미터의 제한 값이 초과되었는지를 결정하는 것, 및 만약 초과한다면,
    b) 상기 임계 파라미터가 상기 제한 값들을 초과할 가능성을 더 적게 할 방향으로 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제1 변경을 야기하며,
    DC/DC 컨버터의 제2 임계 파라미터의 값이 제2 제한 값을 초과하는지를 결정하는 것, 및 만약 초과한다면,
    상기 제1 변경 대신, 상기 제2 임계 파라미터가 상기 제2 제한 값을 초과할 가능성을 더 적어지게 할 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제2 변경을 야기하도록 DC/DC 컨버터의 제어를 변경하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어 전략은, DC 소스의 제3 임계 파라미터의 값이 제3 제한 값을 초과하는지를 결정하는 것, 및 만약 초과한다면, 상기 제1 변경 또는 상기 제2 변경 대신, 상기 제3 임계 파라미터가 상기 제3 제한 값을 초과할 가능성을 더 적게 할 DC/DC 컨버터의 출력에서의 제3 변경을 야기하도록 상기 DC/DC 컨버터의 제어를 변경하는 것을 포함하는 것을 추가로 특징으로 하는 방법.
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