KR101897164B1 - 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리와, 육상전원과 연결되어 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부와, 상기 배터리로부터 공급되는 전원을 차단하는 회로 차단부와, 상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부와, 상기 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 전력부하를 포함하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템을 이용한 선박용 연료전지의 전력 제어 방법에 있어서, 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 단계와, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 감소시키는 전압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 선박의 선내 전력부하사용에 따른 연료전지 및 배터리의 수명을 향상시킬 수 있으며, 급격한 전력부하로 인한 선내 블랙아웃(Black-out) 현상을 미연에 방지하여 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

선박용 연료전지의 전력 제어 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR CONTROLLING ELECTRIC POWER OF FUEL CELL FOR SHIP AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지를 주 추진 및 선내 전력공급원으로 사용하는 선박에서 중부하 및 급격한 전력 부하에도 사용 가능하도록 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
연료전지는 저전압, 고전류 시스템이며, 화학물질(수소 및 산소)의 전기화학적 반응을 통하여 전기에너지를 생산하는 시스템이다. 이러한 연료전지는 동일한 화학반응을 전기에너지로 변환하는 배터리(리튬이온 및 납축전지 등)와 달리 촉매반응 및 화학연료 투입으로 인한 다수의 문제점이 발생한다.
이러한 문제점은 연료전지 내부 반응으로 발생하는 활성화 손실, 농도 손실, 저항 손실 등으로 외부의 급격한 전력부하 증가는 연료전지 내부의 촉매(백금)소손 및 전해막의 소손으로 연료전지의 수명 및 고장을 유발하게 된다.
이러한 단점 및 초기 기동을 위한 전력공급을 위해 연료전지 시스템은 보조 배터리와 필수적으로 함께 적용되어 사용되고 있다.
종래의 선박용 연료전지 시스템은 선박의 급격한 전력부하 변동 시 연료전지의 소손을 방지하기 위해 Passive 방식의 배터리 연결로 갑작스런 부하 증가에 따른 모선전압(Main bus voltage)의 하강이 발생하면 배터리에서 부하를 자연스럽게 분담하도록 구성한다. 그러나 이러한 구성은 선박과 같이 전력부하 변동이 매우 큰 시스템에선 강인성을 갖지 못하고 여러 문제점을 야기하게 된다.
먼저, 연료전지의 발전시스템에서 급격한 전력부하 증가는 CV(Constant Voltage) 컨버터의 출력 전압의 전압 하강 현상을 발생시키게 된다. 이때, 정전압 컨버터는 출력전압을 기 설정전압으로 복귀시키기 위해 연료전지로부터 급격한 전력을 수급하도록 전력을 끌어쓰게 된다. 이때 앞서 설명한 것과 같이 연료전지 내부의 전류밀도 상승으로 내부 촉매의 소손 및 연료전지의 기능 정지를 초래하게 된다.
다음으로, 보조 배터리의 경우 배터리의 사용량(잔량)에 따라 OCV(Open Circuit Voltage)가 점차 감소하는 경향을 가진다. 이때 연료전지 컨버터의 정전압 출력값에 비하여 보조 배터리의 OCV의 차이가 많이 날 때 연료전지 컨버터와 배터리 간의 높은 전압 차로 인하여 순간적으로 배터리에서 전력을 공급하지 못한 형태가 된다. 이러한 현상으로 연료전지 컨버터에 순간적으로 많은 전력을 끌어쓰게 되어 연료전지 보호를 위하여 컨버터의 Emergency Shut-down 현상이 발생한다. 이때 선박의 모든 전력부하를 배터리가 감당하게 되므로, 배터리의 갑작스런 높은 전류의 방전이 일어나게 된다. 배터리의 갑작스런 큰 방전은 배터리의 수명에 큰 악영향을 미치며 배터리 내부 온도상승으로 화재 및 선내 전체 Black-out 현상을 초래하게 된다.
즉, 전술한 바와 같이, 종래 기술의 경우엔 전력부하의 변동이 작은 육상 및 소형 시스템엔 적용 가능하나, 선박과 같이 중부하(Heavy Load) 및 급격하게 변화하는 추진 부하에선 강인하게 대응할 수 없다는 한계가 존재한다.
KR 0001 B1 KR 0002 A
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중부하 및 급격한 전력 부하에도 사용 가능하도록 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 방법은, 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리와, 육상전원과 연결되어 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부와, 상기 배터리로부터 공급되는 전원을 차단하는 회로 차단부와, 상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부와, 상기 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 전력부하를 포함하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템을 이용한 선박용 연료전지의 전력 제어 방법에 있어서, 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 단계와, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 감소시키는 전압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리와, 상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부와, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 감소시키는 전압 제어를 수행하는 전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 선박의 선내 전력부하사용에 따른 연료전지 및 배터리의 수명을 향상시킬 수 있으며, 급격한 전력부하로 인한 선내 블랙아웃(Black-out) 현상을 미연에 방지하여 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템의 개략적인 구성도이고,
도 2는 도 1의 전력 제어부의 개략적인 기능 블록도이고,
도 3은 도 1의 BMS의 세부 구성을 나타낸 블록도이고,
도 4는 도 1의 DC/DC 컨버터의 세부 구성을 도시한 도면이고,
도 5는 도 1의 전력 제어부를 경유하여 송수신되는 데이터의 흐름을 나타낸 도면이고,
도 6은 도 1의 전력 제어부에 의한 전류 제어 및 전압 제어의 과정을 나타낸 블록도이고,
도 7은 도 1의 전력 제어부에 의한 전류 제어의 과정을 더욱 상세히 나타낸 제어 흐름도이고,
도 8은 도 1의 BMS의 배터리 충전 과정을 더욱 상세히 나타낸 제어 흐름도이고,
도 9는 시간에 따른 도 1의 DC/DC 컨버터의 출력전류 및 이의 변화량을 나타내는 그래프이고,
도 10은 일반적인 배터리의 특성에 기초하여, 배터리의 잔존용량에 따른 개방회로전압의 크기를 배터리의 출력전류별로 함께 나타낸 그래프이고,
도 11은 종래의 연료전지와 배터리를 포함하는 선박용 전력 관리 시스템이 정상 상태일 때의 시간에 따른 연료전지 및 배터리 각각의 출력전압과, 선박에 연결된 전력부하에서 요구하는 전력과, 연료전지 및 배터리 각각의 출력 전류를 함께 나타낸 그래프이고,
도 12는 종래의 연료전지와 배터리를 포함하는 선박용 전력 관리 시스템의 배터리의 잔존용량이 낮은 상태일 때의 시간에 따른 연료전지 및 배터리 각각의 출력전압과, 선박에 연결된 전력부하에서 요구하는 전력과, 연료전지 및 배터리 각각의 출력 전류를 함께 나타낸 그래프이고,
도 13은 일반적인 연료 전지의 특성에 기초하여, 시간에 따른 연료전지의 출력전류의 크기를 나타낸 그래프이고,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 전력 관리 시스템의 배터리의 잔존용량이 점차 낮아지는 상태일 때의 시간에 따른 연료전지 및 배터리 각각의 출력전압과, 선박에 연결된 전력부하에서 요구하는 전력과, 연료전지 및 배터리 각각의 출력 전류를 함께 나타낸 그래프이고,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 전력 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 전력 제어부의 개략적인 기능 블록도이고, 도 3은 도 1의 BMS의 세부 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 1의 DC/DC 컨버터의 세부 구성을 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 전력 제어부를 경유하여 송수신되는 데이터의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1의 전력 제어부에 의한 전류 제어 및 전압 제어의 과정을 나타낸 블록도이고, 도 7은 도 1의 전력 제어부에 의한 전류 제어의 과정을 더욱 상세히 나타낸 제어 흐름도이고, 도 8은 도 1의 BMS의 배터리 충전 과정을 더욱 상세히 나타낸 제어 흐름도이고, 도 9는 시간에 따른 도 1의 DC/DC 컨버터의 출력전류 및 이의 변화량을 나타내는 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템은 크게 연료전지(100), DC/DC 컨버터(110), 전력 제어부(120), 배터리(200), 배터리 충전부(210), 회로 차단부(220), SOC 추정부(230) 및 BMS(240)를 포함하여 구성된다. 이때, 선박에는 적어도 하나 이상의 전력부하(300)가 연결된 상태로, 전력부하(300)가 필요로 하는 전력은 연료전지(100) 또는 배터리(200)로부터 공급된다.
연료전지(100)는 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급한다.
예컨대, 도 2를 참조하면, 연료전지(100)는 복수 개의 연료전지 스택(fuel cell stack)이 적층된 구조로 마련되어 출력단이 DC/DC 컨버터(110)에 연결되며, DC/DC 컨버터(110)를 통해 통신 및 데이터를 송수신하게 된다.
DC/DC 컨버터(110)는 연료전지(100)로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력한다.
여기서, DC/DC 컨버터(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 1차측 권선단(111) 및 2차측 권선단(112)을 구비하여 1차측 권선단(111) 및 2차측 권선단(112) 사이의 권선비에 따라 1차측 권선단(111)으로 인가되는 1차측 전압의 전류 변화에 대응하는 2차측 전압을 2차측 권선단(112)에 생성하도록 하되, 1차측 권선단(111)에는 복수의 스위치(S1,S2,S3,S4)가 연결되고, 2차측 권선단(112)에는 복수의 다이오드들이 연결된 상태일 수 있다.
배터리(200)는 연료전지(100)의 보조 전력으로 사용된다.
배터리 충전부(210)는 육상전원(10)과 연결되어 배터리(200)를 충전한다.
회로 차단부(220)는 배터리(200)로부터 공급되는 전원을 차단하기 위한 것으로서, 예컨대, 무접점 릴레이 소자(SSR; Solid State Relay)를 포함할 수 있다.
SOC 추정부(230)는 배터리(200)의 전압, 출력전류 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 배터리(200)의 잔존용량(SOC; State of Charge)을 추정한다.
예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, 일반적으로 배터리의 잔존용량(SOC)이 낮아질수록 배터리의 개방회로전압(OCV; Open Circuit Voltage)이 감소하게 되고, 배터리의 출력전류(C; Current Rate)가 높을수록 동일한 잔존용량(SOC)에서 낮은 전압 값을 가지게 됨을 확인할 수 있다.
BMS(240)는 SOC 추정부(230)에 의해 추정된 잔존용량(SOC)이 기설정된 제2 기준값 미만이면 회로 차단부(220)를 오프시킨 후 연료전지(100)와 배터리 충전부(210) 중 어느 하나를 선택하여 배터리(200)를 충전하도록 제어한다.
구체적으로, BMS(240)는, 도 8에 도시된 바와 같이, SOC 추정부(230)에 의해 추정된 잔존용량(SOC)에 기초하여 배터리(200)의 충전이 필요하다고 판단되는 경우, 회로 차단부(220)를 오프시켜 배터리(200)로부터 전력부하(300)로의 전력 공급을 차단시킨 후, 상기 잔존용량(SOC)이 상기 제2 기준값보다 작은 기설정된 최소임계값 미만이면 상기 연료전지(100)를 통해 상기 배터리(200)를 정전류 방식(CC Mode)으로 충전하고, 상기 추정된 잔존용량(SOC)이 상기 제2 기준값보다 작고 상기 최소임계값 이상이면 상기 배터리 충전부(210)를 이용하여 상기 배터리(200)를 정전류-정전압 방식(CC-CV Mode)으로 충전할 수 있다.
이때, BMS(240)는 도 3에 도시된 바와 같이 내부에 배터리(200)의 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서, SOC 추정부(230), 회로 차단부(SSR)(220) 및 배터리 충전부(210)를 포함하여 구성될 수 있다.
전력 제어부(120)는 DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 SOC 추정부(230)에 의해 추정된 잔존용량(SOC)에 대응되는 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 DC/DC 컨버터(110)의 출력전압을 감소시키는 전압 제어를 수행한다.
이때, 전력 제어부(120)는 상기 추정된 잔존용량(SOC)이 90% 내지 100% 범위에 속하는 경우, DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량(SOC)에 대응되는 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)을 상기 기준값으로 설정할 수 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, SOC 추정부(230)에 의해 추정된 배터리(200)의 잔존용량(SOC)이 90%이고 DC/DC 컨버터(110)의 현재 출력전압(DC/DC Voltage)이 314[V]인 경우, 전력 제어부(120)는 기저장된 배터리 상태 테이블(Battery State)을 이용하여 잔존용량(SOC)이 90%일 때에 대응되는 기준전압값(Vref)인 "304[V]"를 획득한 후, DC/DC 컨버터(110)의 현재 출력전압(DC/DC Voltage)인 "314[V]"와 "304[V]" 간의 차이값(ΔV)인 "10[V]"을 최초 기준값으로 설정한 후, 상기 기준값을 유지하도록 DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 개폐 정도를 조절함으로써 정전압 제어(CV control) 및 정전류 제어(CC control)를 순차적으로 수행하게 된다.
또한, 전력 제어부(120)는, 전력부하(300)의 변동폭을 측정하여 기설정된 임계값과 비교한 결과 측정된 변동폭이 상기 임계값 이상인 경우, DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하여 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 변화량(ΔA)을 급격히 증가시키는 전류 제어를 수행한다.
여기서, 전력 제어부(120)는 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류가 상기 차이값(ΔV)에 대응하여 기설정된 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 증가량(ΔA)에 따라 증가하도록 DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하되, 상기 차이값(ΔV)이 클수록 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 증가폭이 커지도록 할 수 있다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 전력 제어부(120)는 DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 SOC 추정부(230)에 의해 추정된 잔존용량(SOC)에 기초한 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)을 계산하고, 기저장된 'ΔV-ΔA' 테이블을 이용하여 상기 차이값(ΔV)에 대응되는 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 증가량(ΔA)에 대한 정보를 획득한 후, DC/DC 컨버터(110)의 출력전류가 상기 획득된 증가량(ΔA)에 따라 증가하도록 제어하게 된다. 즉, 만일 상기 차이값(ΔV)이 "2N"이라면 이에 대응하는 상기 증가량(ΔA)으로 "7A/Sec"를 획득하게 된다.
한편, 도 2를 참조하면, 전력 제어부(120)는 BMS, 모터 드라이버(Motor Driver), 전력 분배기(Power Distributor) 및 DC/DC 컨버터(Controllable DC/DC) 각각의 하드웨어에 기반된 신호를 수신하여 수신된 신호를 배터리 상태 DB(Battery State DB), 추진 부하 DB(Propulsion DB), 배 부하 DB(Ship Load DB), 연료전지 상태 DB(Fuel Cell State DB) 각각에 저장하고, 입출력부(HMI)를 이용한 상태 모니터링(State Monitoring) 및 모드 선택(Mode Select)을 수행한 후, 저장된 각각의 DB와 상태 모니터링 및 모드 선택에 대한 데이터정보에 기초하여 회로 차단부(SSR)(220), DC/DC 컨버터(110)의 스위칭 PWM 제어부(DC/DC Switching PWM), 연료전지 제어부(Fuel cell Control) 및 배터리 충전부(Battery Charger)를 제어하게 된다.
이때, 전력 제어부(120)를 통해 송수신되는 데이터들로는, 도 5에 도시된 바와 같이, BMS(240)의 상태(BMS State) 및 알람(BMS Alarm)과, 배터리(200)의 잔존용량(SOC)(Battery SOC), 잔존수명(SOH; State of Health)(Battery SOH), 전압(Battery Voltage), 방전 전류(Discharging Ampere) 및 충전 전력(Charging Power), 연료전지(100)의 상태(Fuel Cell State), 전압(Fuel Cell Voltage), 전류(Fuel Cell Ampere), 온도(Temp.) 및 알람(Fuel Cell Alarm)과, DC/DC 컨버터(110)의 전압(DC/DC Voltage), 전류(DC/DC Ampere), 온도(DC/DC Temp.), 모드(DC/DC Mode) 및 알람(DC/DC Alarm)과, 전력 부하(Electric Load)와, 추진 명령에 관한 제어값(Propulsion Command)과, 회로 차단부(220)의 상태값(BMS SSR)과, DC/DC 컨버터(110)의 펄스 폭 변조 신호(DC/DC PWM)와, 연료전지 모드값(Fuel Cell Mode)이 포함된다.
이하, 도 10 내지 도 14를 참조하여 종래의 연료전지와 배터리를 포함하는 선박용 전력 관리 시스템과 본 발명에 따른 선박용 전력 관리 시스템을 비교하여 설명하도록 한다.
도 10은 일반적인 배터리의 특성에 기초하여, 배터리의 잔존용량에 따른 개방회로전압의 크기를 배터리의 출력전류별로 함께 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 일반적으로 배터리의 잔존용량(SOC)이 낮아질수록 배터리의 개방회로전압(OCV; Open Circuit Voltage)이 감소하게 되고, 배터리의 출력전류(C; Current Rate)가 높을수록 동일한 잔존용량(SOC)에서 낮은 전압 값을 가지게 됨을 확인할 수 있다.
도 11 및 도 12는 종래의 연료전지와 배터리를 포함하는 선박용 전력 관리 시스템이 정상 상태일 때와 배터리의 잔존용량(SOC)이 낮은 상태일 때 각각의 시간에 따른 연료전지 및 배터리 각각의 출력전압과, 선박에 연결된 전력부하에서 요구하는 전력과, 연료전지 및 배터리 각각의 출력 전류를 함께 나타낸 그래프이다.
종래의 선박용 전력 관리 시스템의 경우, 도 11 및 도 12를 참조하면, 전력부하(보라색선)의 변동폭이 작은 구간에선 배터리의 잔존용량(SOC)에 관계없이 DC/DC 컨버터, 즉, 연료전지의 출력전압(노란색선)이 전력부하(보라색선)로 공급되는 동작을 하는 점은 동일하나, 전력부하(보라색선)의 변동폭이 갑자기 커지는 시점(과부하 발생 시점)(Ta) 이후 구간부터는 배터리의 잔존용량(SOC)에 따라 동작이 상이해지게 된다.
먼저, 배터리의 잔존용량(SOC)이 80% 내지 100%인 정상 상태, 즉, 연료전지에 연결된 DC/DC 컨버터의 출력전압(빨간색선)이 배터리의 출력전압(초록색선)보다 크되 두 전압 간의 차이가 크지 않은 상태일 땐, 도 11에 도시된 바와 같이, 전력부하(보라색선)의 변동폭이 갑자기 커지는 시점(과부하 발생 시점)(Ta)에 DC/DC 컨버터의 출력전압이 일정 크기만큼 감소함에 따라 배터리의 출력전압보다 낮아져서 배터리로부터 부하로 전력 공급이 일어나게 된다.
예컨대, DC/DC 컨버터의 출력전압이 5V이고 배터리의 출력전압이 4.8V(SOC=100%)일 때, 과부하가 발생하게 되면, DC/DC 컨버터의 출력전압은 4.7V로 하강하고 배터리의 출력전압은 초기값을 유지함에 따라, DC/DC 컨버터와 배터리 중 상대적으로 전압이 높은 배터리로부터 전력부하로 전력이 공급되게 된다.
반면, 배터리의 잔존용량(SOC)이 60% 이하인 상태, 즉, DC/DC 컨버터의 출력전압(빨간색선)이 배터리의 출력전압(초록색선)보다 크되 두 전압 간의 차이가 매우 큰 상태일 땐, 도 12에 도시된 바와 같이, 전력부하(보라색선)의 변동폭이 갑자기 커지는 시점(과부하 발생 시점)(Ta)에 DC/DC 컨버터의 출력전압(빨간색선)이 일정 크기만큼 감소하였음에도 불구하고 배터리의 출력전압(초록색선)보다 높은 상태가 됨에 따라, DC/DC 컨버터에서 전력부하로 전력공급을 계속 수행하되 과부하를 감당하기 위해 연료전지에 너무 많은 전류가 흐르게 되면서 셧 다운(shut down)되고, 이후 배터리에도 짧은 시간 내 감당하지 못할 부하가 가해지면서 배터리 차단기가 동작하여 블랙아웃(Black Out) 현상을 초래하게 된다.
예컨대, DC/DC 컨버터의 출력전압이 5V이고 배터리의 출력전압이 4.5V(SOC=50%)일 때, 과부하가 발생하게 되면, DC/DC 컨버터의 출력전압은 4.7V로 하강하고 배터리의 출력전압은 초기값을 유지함에 따라, DC/DC 컨버터와 배터리 중 상대적으로 전압이 높은 DC/DC 컨버터로부터 전력부하로 계속하여 전력이 공급되면서 연료전지로부터 너무 많은 전류가 흘러 셧 다운되게 된다.
도 13은 일반적인 연료 전지의 특성에 기초하여, 시간에 따른 연료전지의 출력전류의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, DC/DC 컨버터의 출력전류의 기울기가 기설정된 지정값 미만인 구간(0~t1,t2~t3)에서는 정상 동작을 수행하나, 상기 기울기가 상기 지정값 이상으로 증가하는 구간(t1~t2)에서는 연료전지에 과도한 전류가 흘러 셧 다운되고, 만일 상기 기울기가 상기 지정값 이상으로 감소하더라도 이러한 경우(t3~t4)엔 아무런 문제가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 전력 관리 시스템의 배터리의 잔존용량(SOC)이 점차 낮아지는 상태일 때의 시간에 따른 연료전지 및 배터리 각각의 출력전압과, 선박에 연결된 전력부하에서 요구하는 전력과, 연료전지 및 배터리 각각의 출력 전류를 함께 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 선박용 전력 관리 시스템의 경우, 배터리의 잔존용량(SOC)에 관계없이 도 14에 도시된 바와 같은 동일한 동작을 수행하게 된다.
도 14를 참조하면, 전력부하(보라색선)의 변동폭이 작은 구간에선 DC/DC 컨버터의 출력전압(빨간색선)과 배터리의 출력전압(초록색선) 간의 차이가 일정 값을 유지하도록 전압 제어를 수행함에 따라, 전력부하의 변동폭이 갑자기 커지는 시점(과부하 발생 시점)(Ta)에서 DC/DC 컨버터의 출력전압(빨간색선)이 일정 크기만큼 감소하여 배터리의 출력전압(초록색선)보다는 항상 낮은 값을 가지게 되어 과부하 발생 이후부터는 배터리로부터 전력부하로 전력이 공급되도록 함으로써, 배터리의 잔존용량(SOC)에 관계없이 정상적인 동작을 수행할 수 있게 된다.
예컨대, DC/DC 컨버터의 출력전압과 배터리의 출력전압 간의 차이값이 0.2V가 되도록 설계한 상태에서, 배터리의 출력전압이 4.5V(SOC=50%)이면, DC/DC 컨버터의 출력전압이 4.7V가 되도록 제어하게 되고, 과부하가 발생하게 되면, DC/DC 컨버터의 출력전압은 4.4V로 하강하고 배터리의 출력전압은 초기값을 유지함에 따라, DC/DC 컨버터와 배터리 중 상대적으로 전압이 높은 배터리로부터 전력부하로 전력이 공급되게 된다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 전력 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 방법은, 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지(100)와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터(110)와, 상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리(200)와, 육상전원과 연결되어 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부(210)와, 상기 배터리로부터 공급되는 전원을 차단하는 회로 차단부(220)와, 상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량(SOC)을 추정하는 SOC 추정부(230)와, 상기 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 전력부하(300)를 포함하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템을 이용하여 구현될 수 있다.
이때, 상기 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템은 도 1 내지 도 14를 참조하여 전술한 바와 같은 특징을 가질 수 있으며, 내용상 중복되므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지의 전력 제어 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, SOC 추정부(230)를 이용하여 배터리(200)의 잔존용량(SOC)을 추정한다(S100).
S100단계에서 추정된 잔존용량은 도 6에 도시된 기저장된 배터리 상태 테이블(Battery State)을 이용하여 배터리(200)의 기준전압(Vref)을 추정하는 데 이용된다.
다음으로, DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 S100 단계에서 추정된 잔존용량(SOC)에 대응되는 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 DC/DC 컨버터(110)의 출력전압을 감소시키는 전압 제어를 수행한다(S200).
이때, 상기 추정하는 단계(S100)와 상기 전압 제어 단계(S200) 사이에는, S100 단계에 추정된 잔존용량(SOC)이 90% 내지 100% 범위에 속하는 경우, DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량(SOC)에 대응되는 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)을 상기 기준값으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, 상기 전압 제어 단계(S200)에서는, S100 단계에 추정된 배터리(200)의 잔존용량(SOC)이 90%이고 DC/DC 컨버터(110)의 현재 출력전압(DC/DC Voltage)이 314[V]인 경우, 기저장된 배터리 상태 테이블(Battery State)을 이용하여 잔존용량(SOC)이 90%일 때에 대응되는 기준전압값(Vref)인 "304[V]"를 획득하고, DC/DC 컨버터(110)의 현재 출력전압(DC/DC Voltage)인 "314[V]"와 "304[V]" 간의 차이값(ΔV)인 "10[V]"을 최초 기준값으로 설정한 후, 상기 기준값을 유지하도록 DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 개폐 정도를 조절함으로써 정전압 제어(CV control) 및 정전류 제어(CC control)를 순차적으로 수행하게 된다.
다음으로, 전력부하(300)의 변동폭을 측정하여(S300) 기설정된 임계값과 비교한다(S400).
다음으로, S300단계에 측정된 전력부하(300)의 변동폭이 상기 임계값 이상인 경우, DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 변화량(ΔA)을 급격히 증가시키는 전류 제어 단계를 수행한다(S500).
여기서, 상기 전류 제어 단계(S500)는, DC/DC 컨버터(110)의 출력전류가 상기 차이값(ΔV)에 대응하여 기설정된 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 증가량(ΔA)에 따라 증가하도록 DC/DC 컨버터(110)의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하되, 상기 차이값(ΔV)이 클수록 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 증가폭이 커지도록 할 수 있다. 다만, 증가 전류의 변화량(ΔA)은 기설정된 임계값보다 높게 제어하지 않는다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 상기 전류 제어 단계(S500)에서는, DC/DC 컨버터(110)의 출력전압과 SOC 추정부(230)에 의해 추정된 잔존용량(SOC)에 기초한 개방회로전압(OCV) 간의 차이값(ΔV)을 계산하고, 기저장된 'ΔV-ΔA' 테이블을 이용하여 상기 차이값(ΔV)에 대응되는 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 증가량(ΔA)에 대한 정보를 획득한 후, DC/DC 컨버터(110)의 출력전류가 상기 획득된 증가량(ΔA)에 따라 증가하도록 제어하게 된다. 즉, 만일 상기 차이값(ΔV)이 "2N"이라면 이에 대응하는 상기 증가량(ΔA)으로 "7A/Sec"를 획득하게 된다.
이때, 상기 전류 제어 단계(S400)는, 기설정된 연료전지(100)의 최대 허용 출력 전류(Max. A)를 넘지 않는 범위에서 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류를 증가시킬 수 있다.
예컨대, 도 9를 참조하면, DC/DC 컨버터(110)의 출력전류의 단위 시간당 변화량, 즉, 기울기(ΔA)는 다양한 값으로 조절 가능하나 어느 정도의 시간이 지난 이후부터 DC/DC 컨버터(110)의 출력전류(A)의 크기는 기설정된 최대 허용 출력 전류(Max. A)를 넘지 않도록 제한된다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 선박의 선내 전력부하사용에 따른 연료전지 및 배터리의 수명을 향상시킬 수 있으며, 급격한 전력부하로 인한 선내 블랙아웃(Black-out) 현상을 미연에 방지하여 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위는 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 육상전원
20: 전력부하
100: 연료전지
110: DC/DC 컨버터
120: 전력 제어부
200: 배터리
210: 배터리 충전부
220: 회로 차단부
230: SOC 추정부
240: BMS
300: 전력부하

Claims (10)

  1. 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지와, 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와, 상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리와, 육상전원과 연결되어 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부와, 상기 배터리로부터 공급되는 전원을 차단하는 회로 차단부와, 상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부와, 상기 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 전력부하를 포함하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템을 이용한 선박용 연료전지의 전력 제어 방법에 있어서,
    상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 단계;
    상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 감소시키는 전압 제어 단계; 및
    상기 추정하는 단계와 상기 전압 제어 단계 사이에 위치하되, 상기 추정된 잔존용량이 90% 내지 100% 범위에 속하는 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값을 상기 기준값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력부하의 변동폭을 측정하여 기설정된 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 전력부하의 변동폭이 상기 임계값 이상인 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하여 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 단위 시간당 변화량을 급격히 증가시키는 전류 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류 제어 단계는,
    상기 DC/DC 컨버터의 출력전류가 상기 차이값에 대응하여 기설정된 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 단위 시간당 증가량에 따라 증가하도록 상기 DC/DC 컨버터의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하되, 상기 차이값이 클수록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 증가폭이 커지도록 하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전류 제어 단계는,
    기설정된 상기 연료전지의 최대 허용 출력 전류를 넘지 않는 범위에서 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류를 증가시키는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 방법.
  6. 수소와 산소의 전기 화학 반응에너지를 전기 에너지로 변환시켜 선박의 구동에 필요한 주 전력을 공급하는 연료전지;
    상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 기설정된 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 연료전지의 보조 전력으로 사용되는 배터리;
    상기 배터리의 전압 및 온도를 측정하여 이를 바탕으로 상기 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부; 및
    상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값이 최초 설정된 기준값을 유지하도록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 감소시키는 전압 제어를 수행하되, 상기 추정된 잔존용량이 90% 내지 100% 범위에 속하는 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압과 상기 추정된 잔존용량에 대응되는 개방회로전압 간의 차이값을 상기 기준값으로 설정하는 전력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전력 제어부는,
    선박 내 전력부하의 변동폭을 측정하여 기설정된 임계값과 비교한 결과 상기 임계값 이상인 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하여 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 단위 시간당 변화량을 급격히 증가시키는 전류 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 제어부는,
    상기 전류 제어 수행 시, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류가 상기 차이값에 대응하여 기설정된 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 단위 시간당 증가량에 따라 증가하도록 상기 DC/DC 컨버터의 1차측 스위치의 게이트에 인가되는 전압을 조절하되, 상기 차이값이 클수록 상기 DC/DC 컨버터의 출력전류의 증가폭이 커지도록 하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    육상전원과 연결되어 상기 배터리를 충전하는 배터리 충전부;
    상기 배터리로부터 공급되는 전원을 차단하는 회로 차단부; 및
    추정된 잔존용량이 기설정된 제2 기준값 미만이면 상기 회로 차단부를 오프시킨 후 상기 연료전지와 상기 배터리 충전부 중 어느 하나를 선택하여 상기 배터리를 충전하도록 제어하는 BMS를 더 포함하며,
    상기 BMS는,
    상기 추정된 잔존용량이 상기 제2 기준값보다 작은 기설정된 최소임계값 미만이면 상기 연료전지를 통해 상기 배터리를 정전류 방식으로 충전하고,
    상기 추정된 잔존용량이 상기 제2 기준값보다 작고 상기 최소임계값 이상이면 상기 배터리 충전부를 이용하여 상기 배터리를 정전류-정전압 방식으로 충전하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지의 전력 제어 시스템.


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