KR102132989B1 - 연료 전지 스택 연결 제어 장치 및 그에 대한 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 n 개로 이루어진 복수의 연료 전지 스택들과 상기 복수의 연료 전지 스택들에 연결된 전력 조정부를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치 및 그에 대한 방법을 제공하고, 상기 장치는 상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작을 개시하는 제 1 임계값과, 0 내지 상기 제 1 임계값을 포함하는 제 2 임계값과, 그리고 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 저장하는 메모리; 상기 복수의 연료 전지 스택의 전압을 감지하는 복수의 스택 전압 감지부; 및 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지를 판별하고, 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어질 시에, 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 제어부;를 포함하며, 상기 방법은 상기 장치를 제어한다.

Description

연료 전지 스택 연결 제어 장치 및 그에 대한 제어 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING FUEL CELL STACK CONNECTION}
본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치 및 그에 대한 제어 방법에 관한 것이다.
수십 킬로와트(KW)에서 수 메가와트(MW)의 중대형 발전용 고체산화물 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 장치는 소용량의 여러 연료 전지 스택을 연결하여 큰 용량을 가진다. 연료 전지 스택은 원하는 전기 출력을 얻기 위하여 수십 내지 수백장의 단위 연료 전지가 적층되어 연결된다.
상기와 같은 연료 전지 스택을 사용함에 있어서, 최근에는 다음과 같은 문제점이 발생되었다.
연료 전지 스택이 직렬로 연결된 경우에는, 단 하나의 연료 전지 스택이라도 하자가 있게 되면 셧 다운(shut down)이 일어나고, 병렬로 연결된 경우에는 일부 스택에 열화가 발생하게 되면 그 영향이 다른 정상 스택들로 파급된다는 점 때문에, 일반적으로, 연료 전지 스택을 적절하게 직병렬로 연결시킨 연료 전지 장치를 사용해왔다.
그러나, 이 같은 경우에도, 시간이 경과함에 따라 셧 다운 현상을 종종 보이기 때문에, 문제점으로 대두되고 있다.
또 다른 문제점으로는, 전력 조정 시스템의 단일 DC-DC 컨버터로 다수의 인가 입력 전압을 처리하는 능력이다.
일반적으로, 연료 전지 스택의 전력을 조절하는 전력 조정 시스템(PCS: Power Conditioning System)은 단일 DC-DC 컨버터를 포함한다. 상기 DC-DC 컨버터는 연료 전지 스택으로부터 인가되는 입력 전압(예를 들면, 40 내지 80 V)을 처리한다. 그러나, 상기 입력 전압의 수가 많을수록, 이러한 다수의 입력 전압을 처리할 수 있는 DC-DC 컨버터의 비용이 증가하고, DC-DC 컨버터의 효율이 감소되어, 예를 들면, 직류 전압의 맥동율(리플율)이 감소되어, 결국 전력 조정 시스템의 전체 효율도 떨어지게 된다.
도 1은 병렬로 연결된 연료 전지 스택의 전압이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
모두 60V 전압을 가진, 복수 개로 이루어진 연료 전지 스택(210, 220, 230, 240)의 전압 각각이 외부 또는 내부적인 충격으로 인해, 60V, 59V, 56V, 55V로 되었다고 한다. 이 경우에 연료 전지 스택이 병렬로 연결되어 있기 때문에, 열화 현상은 상술된 바와 같이, 예를 들면, 많이 감소된 56V 및 55V의 전압을 가진 연료 전지 스택(230, 240)으로 인해 나머지 연료 전지 스택(210, 220)까지 급격하게 진행되며, 결국에는 연료 전지 스택의 성능뿐만 아니라, 처리하여야 하는 입력 전압의 수가 많게 되어 DC-DC 컨버터(510)의 효율 역시 줄어들게 됨으로써, 전력 조정 시스템의 효율, 그리고 연료 전지 장치(10)의 성능도 현저하게 저하된다. 여기서, 전력 조정 시스템의 효율은 DC-DC 컨버터(510)의 효율 × DC-AC 인버터(600)의 효율로 나타낼 수 있다.
따라서, 상기와 같은 2 가지의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 다음과 같은 대응안이 필요하다.
첫째로, 연료 전지 스택을 직병렬로 연결하는 것보다, 우선적으로 동일하거나 유사한 전압을 가진 연료 전지 스택끼리 그룹화하여 병렬로 연결시켜, 연료 전지 스택의 열화를 줄여 연료 전지 스택의 셧 다운 현상을 줄이는 기술이 필요하며, 그리고 둘째로, DC-DC 컨버터로 입력되는 다수의 직류 전압을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터로 분할시킴으로써, 상기 입력 직류 전압을 효과적으로 처리하여, 전력 조정 시스템의 효율을 높이는 기술 역시 절실하게 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연료 전지 장치에서 동일하거나 유사한 전압을 가진 연료 전지 스택끼리 그룹화하여 병렬로 연결시켜, 연료 전지 스택의 열화를 줄여 연료 전지 스택의 셧 다운 현상을 줄임과 동시에, 다수의 입력 전압을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터로 분할시킴으로써, 상기 입력 전압을 효과적으로 처리하여, 전력 조정 시스템의 효율을 높이는, 연료 전지 스택 연결 제어 장치 및 그에 대한 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한, n 개로 이루어진 복수의 연료 전지 스택들과 상기 복수의 연료 전지 스택들에 연결된 전력 조정부를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치는:
상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작을 개시하는 제 1 임계값과, 0 내지 상기 제 1 임계값을 포함하는 제 2 임계값과, 그리고 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 저장하는 메모리;
상기 복수의 연료 전지 스택의 전압을 감지하는 복수의 스택 전압 감지부; 및
감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지를 판별하고, 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어질 시에, 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 제어부;를 포함한다.
상기 스위칭부는 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우에, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 상기 그룹 각각을 상기 전력 조정부에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시키며, 그리고 상기 DC-DC 컨버터는 상기 전력 조정부에 적어도 2 개 이상 배치된다.
상기 스위칭부는 상기 전력 조정부 내부에서 위치한다.
상기 메모리는 상기 제어부 내부에 위치한다.
상기 제어부는 상기 경계값을 이용하여, 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 구현한다.
상기 제어부는 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지를 판별하고, 이때 상기 제 1 임계값은 상기 연료 전지 스택들의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택의 전압 차이 이하이고, 그리고 상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상 떨어지는 것으로 판별하는 경우에, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 최고값 전압을 결정하고, 상기 결정된 최고값인 피감수(被減數) 값으로부터 상기 제 1 연료 전지 스택 내지 상기 제 n 연료 전지 스택의 전압값인 감수(減數) 값을 각각 감산하여 감산값을 산출한다.
상기 제어부는 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 속하는 감산 값을 결정하는 감수 값을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화한다.
상기 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터의 수는 상기 그룹화의 그룹 수에 의존한다.
상기 전력 조정부는 PCS(Power Conditioning System)이다.
상기 제어부는 상기 전력 조정부 내부에 위치한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한, n 개로 이루어진 복수의 연료 전지 스택들과 상기 복수의 연료 전지 스택들에 연결된 전력 조정부를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치를 제어하는 방법은:
a) 사전에 입력된, 상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작을 개시하는 제 1 임계값과, 0 내지 상기 제 1 임계값을 포함하는 제 2 임계값과, 그리고 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 제어부가 수신하는 수신 단계;
b) 상기 제어부가 상기 연료 전지 스택의 전압을 각각 감지하는 감지 단계; 및
c) 상기 제어부가, 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는 지를 판별하고, 상기 제어부가, 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는 것으로 판별할 시에, 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 그룹화 단계;를 포함한다.
상기 c) 단계에서, 상기 그룹화 단계는, 상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우에, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 상기 그룹 각각을 상기 전력 조정부에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시키는 연결 단계를 더 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 전력 조정부에 적어도 2 개 이상 배치된다.
상기 c) 단계에서, 상기 스위칭부는 상기 전력 조정부 내부에 위치한다.
상기 제 1 임계값, 제 2 임계값 및 경계값은 메모리에 저장되고, 상기 메모리는 상기 제어부 내부에 위치한다.
상기 연료 전지 스택 연결 제어 방법은, 상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에서, 상기 제어부가 상기 경계값을 이용하여, 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 구현하는 단계를 더 포함한다.
상기 c) 단계에서, 상기 그룹화 단계는: 상기 제어부가 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지 판별하는 판별 단계로서, 이때 상기 제 1 임계값은 상기 연료 전지 스택들의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택의 전압 차 이하인, 판별 단계; 및 상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상 떨어지는 것으로 판별하는 경우에, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 최고값 전압을 결정하고, 상기 결정된 최고값인 피감수(被減數) 값으로부터 상기 제 1 연료 전지 스택 내지 상기 제 n 연료 전지 스택의 전압값인 감수(減數) 값을 각각 감산하여 감산값을 산출하는 산출 단계;를 더 포함한다.
상기 그룹화 단계는, 상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 속하는 감산 값을 결정하는 감수 값을 가진 적어도 하나의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 형성하는 그룹 형성 단계를 더 포함한다.
상기 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터의 수는 상기 그룹화의 그룹 수에 의존한다.
상기 전력 조정부는 PCS(Power Conditioning System)이다.
상기 제어부는 상기 전력 조정부 내부에 위치한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 의하면, 연료 전지 장치에서 동일하거나 유사한 전압을 가진 연료 전지 스택끼리 그룹화하여 병렬로 연결시켜, 연료 전지 스택의 열화를 줄여 연료 전지 스택의 셧 다운 현상을 줄일 수 있다.
나아가, 본 발명에 의하면, DC-DC 컨버터로 입력되는 다수의 입력 전압을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터로 분할시킴으로써, 상기 입력 전압을 효과적으로 처리하여, 전력 조정 시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 병렬로 연결된 연료 전지 스택의 전압이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라, 4 개의 연료 전지 스택의 전압이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 6 개의 연료 전지 스택의 전압이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 제어부가 연료 전지 스택 연결 제어 장치를 제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라, 4 개의 연료 전지 스택이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작에 앞서, 먼저, 도 2a 및 도 2b를 각 구성 및 각 구성의 기능을 살펴보면, 다음과 같다.
연료 전지 스택 연결 제어 장치의 구성 및 그에 대한 기능
도 2a 및 도 2b를 참조하여 보면, 연료 전지 스택 연결 제어 장치(100)는 복수의, 여기서는 4 개의 연료 전지 스택들(210, 220, 230, 240) 각각의 상태를 감지하는 복수의, 여기서는 4 개의 스택 전압 감지부(310, 320, 330, 340), 및 상기 연료 전지 스택들의 입력 전압이 인가되는 전력 조정 시스템(800)을 포함한다.
상기 전력 조정 시스템(800)은, 복수의 연료 전지 스택을 하술된 사용자의 특정값에 따라 적어도 2 개의 그룹으로 형성하고, 상기 형성된 적어도 2 개의 그룹을 상기 그룹에 대응되는 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터(510, 520)에 연결시키는 스위칭부(400)와, 상기 스위칭부(400)에 연결되어 상기 그룹에서 결정된 연료 전지 스택의 입력 전압을 미리 결정된 직류로 컨버터하는 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터(510, 520)와, 상기 DC-DC 컨버터(510, 520)에 연결되어, DC-DC 컨버터로부터 출력된 DC를 AC로 변환해주는 DC-AC 인버터(600)와, 그리고 상기 복수의 스택 전압 감지부(310, 320, 330, 340) 및 상기 스위칭부(400) 각각에 연결되어, 상기 복수의 연료 전지 스택의 전압의 감지를 제어하고, 상기 스위칭부 내의 복수 개로 이루어진 스위치 소자의 개폐 동작을 제어하는 제어부(700)를 포함한다. 또한, 상기 스위칭부는, 상기 그룹에 속한 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우, 상기 연료 전지 스택을 서로 병렬로 연결시킨 후에, 상기 병렬로 연결된 연료 전지 스택을 해당 DC-DC 컨버터에 연결시킨다.
여기서, 상기 DC-DC 컨버터는 전력 조정 시스템(800)에 2 개 이상 배치되어 있기 때문에, 상기 연료 전지 스택들 각각의 입력 전압이 인가될 시에, 상기 입력 전압을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터로 분할시킴으로써, 적은 비용으로 상기 입력 전압을 효율적으로 처리할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부(400)는 스위칭 단자가 2 개 있거나 3 개 있는 스위칭 소자를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 동일한 기능을 수행하거나, 사용자의 설계에 따라 적합하게 구성된 스위칭 소자를 포함할 수 있음은 물론이다(예를 들면, 다이오드, FET, 또는 트랜지스터 등 또는 이들의 조합).
상기 제어부(700)는 메모리(미도시)를 포함한다. 이때 상기 메모리는 사전에 입력되는 제 1 임계값, 제 2 임계값 및 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 저장한다. 상기 제 1 임계값은 연료 전지 스택 연결 제어 장치가 연결 동작을 개시하는 값으로, 상기 연료 전지 스택들(210, 220, 230, 240)의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택(도 2a, 2b의 210)과 최저 전압을 가진 제 4 연료 전지 스택(도 2a, 2b의 240)의 전압 차이로 결정된다. 상기 제 2 임계값은 0과 상기 제 1 임계값 사이의 값이기 때문에, 상기 제 1 임계값이 설정되면, 자동으로 제 2 임계값이 설정된다. 상기 경계값은 제 2 임계값을 반드시 2 개 이상 나누기 위해 사용되는 값으로, 상기 연료 전지 스택들을 그룹화할 시에 필요하다. 이에 따라, 상기 제어부는 메모리부터 상기 제 2 임계값을 수신하면, 경계값을 사용하여 적어도 2 개의 범위로 나눌 수 있다. 즉, 상기 제어부는 메모리로부터, 제 1 및 제 2 임계값, 그리고 경계값을 수신하여, 2 개의 소 범위를 구현할 수 있다.
상기 제 1, 2 임계값 및 경계값은 사용자가 목적으로 하는 특정 값, 예를 들면, 열화 연료 전지 스택 방지를 목적으로 하는 측정 실험치, 측정 통계치 또는 측정 예상치 등을 의미하지만, 이에 한정되지 않고, 사용자가 정의한 모든 값을 의미한다. 따라서, 제 1, 2 임계값 및 경계값은 사전에 제어부의 메모리에 저장된다. 본원에서는 메모리가 제어부 내부에 위치한 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 메모리가 제어부 외부에 설치될 수 있음은 물론이다.
나아가, 상기 제어부(700)는 상기 복수의 스택 전압 감지부에 의해 감지된 전압이 제 1 임계값 이상으로 떨어질 시에, 적어도 2 개의 소 범위 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 각각의 그룹으로 그룹화하되, 적어도 2 개의 그룹으로 그룹화하고, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택을 병렬로 연결시킬 필요가 있는 경우에는(연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우), 연료 전지 스택을 서로 병렬로 연결시키고, 그리고 상기 그룹별마다 병렬로 연결된 연료 전지 스택을 전력 조정 시스템에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시키도록(물론, 상기 그룹에 연료 전지 스택이 단지 한 개만 존재하는 경우에는 병렬 연결을 할 필요가 없음), 스위칭부(400)의 개폐 동작을 제어할 수 있다. 즉, 스위칭부는 상기 제어부에 의하여, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우에, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 상기 그룹 각각을 상기 전력 조정부에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시킨다.
본원에서, 상기 제어부(700) 및 상기 스위칭부(400)를 상기 전력 조정 시스템(800) 내부에 위치하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 제어부 또는 스위칭부 중 적어도 하나는 전력 조정 시스템(800) 외부에 위치할 수 있음은 물론이다.
이제, 구체적으로, 연료 전지 스택 연결 제어 장치가 동일하거나 유사한 전압을 가진 연료 전지 스택끼리 어떻게 그룹화하고, 병렬로 연결하는지에 대해, 예를 들어 살펴보기로 한다.
연료 전지 스택 연결 제어 방법
초기에, 4 개의 연료 전지 스택들(210, 220, 230, 240)이 동일한 전압 60V를 가졌다고 한다. 그리고, 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 스위치 연결이 개시되는 값인 제 1 임계값을 "5V"로 설정하고(상술한 바와 같이, 제 2 임계값은 0 내지 제 1 임계값이므로, 자동으로 0 이상 5V 이하로 설정됨), 제 2 임계값을 최소 2 개로 나누기 위한 경계값을 "2V"로 설정하여, 메모리에 이들 값을 입력했다고 한다.
그러면, 제어부는 제 1 및 제 2 임계값, 그리고 경계값을 메모리로부터 수신하여, 2 개의 소 범위를 구현한다. 여기에서, 2V의 경계값으로 인해, 2 개의 소 범위 각각은 0 이상 2 이하, 그리고 2 보다 크고 5 이하가 된다(0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 5)
이제, 도 2a에 도시된 바와 같이, 외부 또는 내부적인 환경 변화로 인하여, 4 개의 연료 전지 스택들(210, 220, 230, 240)의 전압이 각각 60V, 59V, 56V, 55V일 경우, 우선, 제어부(700)는 상기 연료 전지 스택들에 부착된 복수의 스택 전압 감지부(310, 320, 330, 340)에 의해 감지된 전압 차, 즉 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택(210)과 최저 전압을 가진 제 4 연료 전지 스택(240)의 전압 차가 5V 이상으로 떨어졌다고 판별하면, 상기 전압 차가 제 1 임계값(5V)을 만족하기 때문에 스위칭부의 동작을 제어하기 시작한다. 즉, 제 1 임계값은 상기 전압 차 이하를 의미할 수도 있다.
그 후, 제어부(700)는 다음과 같은 맵핑 테이블[표 1]을 구현하여 메모리에 저장한다.
연료 전지 스택 종류 연료 전지 스택의 전압(V) △(V)
제 1 연료 전지 스택(210) 60 0
제 2 연료 전지 스택(220) 59 1
제 3 연료 전지 스택(230) 56 4
제 4 연료 전지 스택(240) 55 5
상기 표 1에서, △(델타)는 현재 감지된 연료 전지 스택 중 최고의 전압값으로부터 해당 연료 전지 스택(여기서는 제 1 연료 전지 스택 내지 제 4 연료 전지 스택)의 전압값을 각각 감산하여 산출된 값으로 정의된다. 즉, 상기 최고의 전압값은 "피감수(被減數) 값"이 되며, 해당 연료 전지 스택의 전압값은 "감수(減數) 값"이 되어, △가 결국 "감산 값"이 된다.
예를 들면, 4 개의 연료 전지 스택들 중 최고 전압을 가진 연료 전지 스택(210)의 전압값은 60 V이고, 제 1 연료 전지 스택의 전압값도 60 V가 되므로, △는 0 V가 된다. 상기 제 2 임계값 범위 중 0을 하한값으로 지정한 이유는 바로 이 때문이다.
그 후, 제어부(700)는 0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 5로 각각 구성된 소 범위에 속하는 감산 값(△) 중 감수 값을 가진 연료 전지 스택끼리 그룹화하고, 여기서는 210, 220의 연료 전지 스택을 제 1 그룹으로 그룹화하고, 2<△V≤5에 속하는 연료 전지 스택, 여기서는 230, 240의 연료 전지 스택을 제 2 그룹으로 그룹화한다.
특히, 상기 그룹의 수는 소 범위의 수에 의존되지 않은 것을 주목해야 한다.
예를 들면, 상기와 같은 실시예에서, 제 2 임계값을 나눈 2 개의 소 범위를 각각 0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 5로 하여, 소 범위의 수와 그룹의 수가 일치하는 것으로 나타나나, 소 범위를 0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 3, 3 < 제 2 임계값 ≤ 5로 3 개로 한 경우에도 그룹의 수가 2 개로 존재하는 것을 인식하여야 한다. 그 이유는, 2 < 제 2 임계값 ≤ 3의 소 범위에 속하는 △V가 없기 때문이다. 오히려, 상기 그룹의 수는 소 범위의 수에 의존하는 것이 아니라(결과적으로 그룹의 수는 제 2 임계값으로 구성된 소 범위의 수 이하임), 하술되는 2 개 이상의 DC-DC 컨버터의 수에 의존되기 때문에, 상기 그룹의 수 역시 적어도 2 개 이상 되어야 한다. 따라서, 2 개 이상의 그룹의 수는 2 개 이상의 컨버터의 수에 의해 결정된다.
그 후, 제어부(700)는 스위칭부(400)의 개폐 동작을 제어함으로써, 적어도 2 개 이상 되는 제 1 그룹 및 제 2 그룹 각각에 속해 있는 연료 전지 스택을 병렬로 연결시키고(210과 220의 연료 전지 스택의 병렬 연결, 230과 240의 연료 전지 스택의 병렬 연결), 그룹마다 병렬로 연결된 연료 전지 스택을 전력 조정부(800)에 위치한 DC-DC 컨버터(510, 520)에 각각 대응되게 연결시킨다. 즉, 제어부(700)는 병렬로 연결된 210과 220의 연료 전지 스택을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터 중 제 1 DC-DC 컨버터(510)에, 그리고 병렬로 연결된 230과 240의 연료 전지 스택을 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터 중 제 2 DC-DC 컨버터(520)에 연결시킨다.
결과적으로, 제어부(700)는 상대적으로 정상적인 연료 전지 스택들(210, 220)끼리 병렬로 묶어 제 1 DC-DC 컨버터(510)에 연결하며, 상대적으로 열화적인 연료 전지 스택들(230, 240)끼리 병렬로 묶어 제 2 DC-DC 컨버터(520)에 연결되는 결과를 얻을 수 있다.
상술된 바와 같이, 연료 전지 스택 연결 제어 장치(100)는 동일하거나 유사한 전압을 가진 연료 전지 스택끼리 그룹화하여 병렬로 연결시켜, 연료 전지 스택의 열화를 줄여 연료 전지 스택의 셧 다운 현상을 줄일 수 있으면서, 이와 동시에 DC-DC 컨버터로 입력되는 4 개의 연료 전지 스택의 전압을 2 개의 DC-DC 컨버터로 적어도 분할시킴으로써, 상기 입력되는 전압을 효과적으로 처리하여, 전력 조정 시스템(800)의 효율을 높일 수 있다.
도 2b는 도 2a와 유사하되, 2 개의 연료 전지 스택들(220, 230)이 현재 나타낸 전압값을 제외하고는 유사한 블럭도이다.
즉, 도 2a는 4 개의 연료 전지 스택들의 전압값이 내림 차순으로 도시된 것에 비해, 도 2b는 4 개의 연료 전지 스택들의 전압값이 임의의 순서대로 된 경우를 도시한다.
도 2b를 도시한 이유는, 복수의 연료 전지 스택들이 외부 또는 내부 변화에 의하여 연료 전지 스택들이 어떠한 순서대로 전압값을 가지든 본 발명은 이러한 순서에 상관없이, 복수의 연료 전지 스택들이 상술한 맵핑 테이블에 의해 그룹화 및 병렬 연결이 결정됨을 강조하기 위함이다.
따라서, 도 2b는 도 2a와 같은 결과, 즉 상대적으로 정상적인 연료 전지 스택들(210, 230)끼리 병렬로 묶여, 제 1 DC-DC 컨버터에 연결되고, 상대적으로 열화적인 연료 전지 스택들(220, 240)끼리 병렬로 묶여, 제 2 DC-DC 컨버터에 연결되는 결과를 얻을 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 6 개의 연료 전지 스택이 전력 조정 시스템의 컨버터에 입력되는 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b의 연료 전지 스택 연결 제어 장치(100)의 구성 및 동작은 도 2a 및 도 2b에서 도시된 구성 및 동작과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 피하기로 한다. 즉, 도 3a 및 도 3b는 그룹화가 3 개로 형성되는 것을 보여주기 위함이다.
제 1 임계값을 예를 들면, "12V"로 하고, 제 2 임계값을 3 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 "2V" 및 "5V"로 가정한다. 이때 상기 제 2 임계값은 상술한 바와 같이 자동으로 "0 ~ 12V"가 된다.
그러면, 상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치는 "12V" 이상 떨어지게 되면 동작하기 시작할 것이며, 그리고 상기 제어부는 상기 경계값에 의해 0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 5, 5 < 제 2 임계값 ≤ 12 각각의 3 개의 소 범위를 구현할 것이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택의 최고 전압값(60V)과 최저 전압값(48V)의 전압 차가 "12V" 된 경우, 제어부(700)는 복수의 스택 전압 감지부(310 내 360)로 이를 감지하게 되고, 3 개의 소 범위, 즉, 0 ≤ 제 2 임계값 ≤ 2, 2 < 제 2 임계값 ≤ 5, 5 < 제 2 임계값 ≤ 12 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을, 한 그룹씩 형성하며(3 개의 그룹이 형성됨 - 도 3b에서 제 1 그룹(1000), 제 2 그룹(1100) 및 제 3 그룹(1200)), 이때 상기 각 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우(제 1 그룹(1000) 및 제 3 그룹(1200)), 스위칭부(400)의 제어 동작에 의해, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 그 후에 상기 3 개의 그룹 각각(제 1 그룹(1000), 제 2 그룹(1100) 및 제 3 그룹(1200))을 제 1 DC-DC 컨버터(510), 제 2 DC-DC 컨버터(520) 및 제 3 DC-DC 컨버터(530) 각각에 대응되게 연결시킨다.
이때 상기 제어부(700)가 구현한 맵핑 테이블[표 2]은 다음과 같다.
연료 전지 스택 종류 연료 전지 스택의 전압(V) △(V)
제 1 연료 전지 스택(210) 60 0
제 2 연료 전지 스택(220) 59 1
제 3 연료 전지 스택(230) 58 2
제 4 연료 전지 스택(240) 56 4
제 5 연료 전지 스택(250) 53 7
제 6 연료 전지 스택(260) 48 12
상술된 실시예는 상기 제 1 임계값, 상기 소 범위로 구성된 제 2 임계값, 소 범위의 수 등을 예시로 들어 설명하였지만, 이는 설명을 위한 예시일뿐, 사용자의 목적에 맞도록 설정될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
나아가, 상술된 실시예는 4 개 또는 6 개의 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 각각에 부착된 스택 전압 감지부로 설명하였지만, 이는 실시예의 설명을 위한 것으로, 이에 한정되지 않고, n 개의 연료 전지 스택 및 스택 전압 감지부로 연료 전지 스택 연결 제어 장치가 구현됨은 물론이다.
제어부의 연결 제어 방법
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 제어부가 연료 전지 스택 연결 제어 장치를 제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 초기 단계에서, 제어부는 사전에 입력된 제 1 임계값과, 0을 포함하며 상기 제 1 임계값에 따라 자동으로 저장된 제 2 임계값, 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 메모리로부터 수신한다.
그 후, S410 단계에서, 제어부는 경계값을 사용하여 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위를 구현한다.
그 후, S420 단계에서, 제어부는 복수의 스택 전압 감지부를 제어함으로써, 연료 전지 스택의 전압을 연속적으로 감지한다.
그 후, S430 단계에서, 제어부는 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지 판별한다. 이때 상술한 바와 같이, 제 1 임계값은 상기 연료 전지 스택들의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택의 전압 차 이하인 것을 의미할 수도 있다.
상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상 떨어지는 것으로 판별하는 경우에, S440 단계에서, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 최고값 전압을 결정하고, 상기 결정된 최고값인 피감수(被減數) 값으로부터 상기 제 1 연료 전지 스택 내지 상기 제 n 연료 전지 스택의 전압값인 감수(減數) 값을 각각 감산하여 감산값을 산출한다.
만약 상기 제어부가 S430 단계에서, 상기 감지된 전압이 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지지 않았다고 판별하는 경우, 상기 방법은 S420 단계로 진행한다.
그 후, S450 단계에서, 상기 제어부는 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 속하는 감산 값을 결정하는 감수 값을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을, 한 그룹씩 형성하고, 상기 방법은 종료된다.
본 명세서에서 논의된 방법들은, 적용예에 따라서 다양한 수단을 이용하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 방법들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합의 형태로 구현될 수도 있다. 하드웨어를 수반하는 구현예에서, 제어회로 또는 제어부는 하나 이상의 주문형 집적 회로들(ASICs), 디지털 신호 프로세서들(DSPs), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(FPGAs), 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 장치들, 본 명세서에서 논의된 기능들을 실행하도록 설계된 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 연료 전지 스택 연결 제어 장치
210, 220, 230, 240, 250, 260: 연료 전지 스택
310, 320, 330, 340, 350, 360: 스택 전압 감지부
400: 스위칭부
510, 520, 530: DC-DC 컨버터
600: DC-AC 인버터
700: 제어부
800: 전력 조정 시스템
1000: 제 1 그룹
1100: 제 2 그룹
1200: 제 3 그룹

Claims (20)

  1. n 개로 이루어진 복수의 연료 전지 스택들과 상기 복수의 연료 전지 스택들에 연결된 전력 조정부를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작을 개시하는 제 1 임계값과, 0 내지 상기 제 1 임계값을 포함하는 제 2 임계값과, 그리고 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 저장하는 메모리;
    상기 복수의 연료 전지 스택의 전압을 감지하는 복수의 스택 전압 감지부; 및
    감지된 전압 중에서 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택 간의 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지를 판별하고, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어질 시에, 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 제어부;를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택이 2 개 이상인 경우에, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 상기 그룹 각각을 상기 전력 조정부에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시키며, 그리고
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 전력 조정부에 적어도 2 개 이상 배치되는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 전력 조정부 내부에서 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 메모리는 상기 제어부 내부에 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 경계값을 이용하여, 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 구현하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지를 판별하고, 이때 상기 제 1 임계값은 상기 연료 전지 스택들의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택의 전압 차이 이하이고, 그리고
    상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상 떨어지는 것으로 판별하는 경우에, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 최고값 전압을 결정하고, 상기 결정된 최고값인 피감수(被減數) 값으로부터 상기 제 1 연료 전지 스택 내지 상기 제 n 연료 전지 스택의 전압값인 감수(減數) 값을 각각 감산하여 감산값을 산출하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 속하는 감산 값을 결정하는 감수 값을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터의 수는 상기 그룹화의 그룹 수에 의존하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력 조정부는 PCS(Power Conditioning System)인 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력 조정부 내부에 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치.
  11. n 개로 이루어진 복수의 연료 전지 스택들과 상기 복수의 연료 전지 스택들에 연결된 전력 조정부를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    a) 사전에 입력된, 상기 연료 전지 스택 연결 제어 장치의 동작을 개시하는 제 1 임계값과, 0 내지 상기 제 1 임계값을 포함하는 제 2 임계값과, 그리고 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 나누기 위한 경계값을 제어부가 수신하는 수신 단계;
    b) 상기 제어부가 상기 연료 전지 스택의 전압을 각각 감지하는 감지 단계; 및
    c) 상기 제어부가, 상기 감지된 전압 중에서 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택 간의 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는 지를 판별하고, 상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는 것으로 판별할 시에, 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 관련된 전압을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 그룹화하는 그룹화 단계;를 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 그룹화 단계는, 상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 그룹에 속해 있는 연료전지 스택이 2 개 이상인 경우에, 상기 그룹에 속해 있는 연료 전지 스택들을 병렬로 연결시키고, 상기 그룹 각각을상기 전력 조정부에 위치한 DC-DC 컨버터에 각각 대응되게 연결시키는 연결 단계를 더 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 전력 조정부에 적어도 2 개 이상 배치되는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 스위칭부는 상기 전력 조정부 내부에 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  14. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 제 1 임계값, 제 2 임계값 및 경계값은 메모리에 저장되고, 상기 메모리는 상기 제어부 내부에 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  15. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 연결 제어 방법은, 상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에서, 상기 제어부가 상기 경계값을 이용하여, 상기 제 2 임계값을 적어도 2 개의 소 범위로 구현하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  16. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 그룹화 단계는:
    상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상으로 떨어지는지 판별하는 판별 단계로서, 이때 상기 제 1 임계값은 상기 연료 전지 스택들의 전압 중에서, 최고 전압을 가진 제 1 연료 전지 스택과 최저 전압을 가진 제 n 연료 전지 스택의 전압 차 이하인, 판별 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 전압 차가 상기 제 1 임계값 이상 떨어지는 것으로 판별하는 경우에, 상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 최고값 전압을 결정하고, 상기 결정된 최고값인 피감수(被減數) 값으로부터 상기 제 1 연료 전지 스택 내지 상기 제 n 연료 전지 스택의 전압값인 감수(減數) 값을 각각 감산하여 감산값을 산출하는 산출 단계;를 더 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 그룹화 단계는, 상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어함으로써, 상기 적어도 2 개의 소 범위 각각에 속하는 감산 값을 결정하는 감수 값을 가진 하나 이상의 연료 전지 스택을 한 그룹씩 형성하는 그룹 형성 단계를 더 포함하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 DC-DC 컨버터의 수는 상기 그룹화의 그룹 수에 의존하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  19. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 전력 조정부는 PCS(Power Conditioning System)인 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
  20. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력 조정부 내부에 위치하는 연료 전지 스택 연결 제어 방법.
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