KR102324754B1 - 연료전지 전압 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택 개별 셀들의 내구성 및 성능을 보장할 수 있는 연료전지 전압 제어방법 및 시스템이 소개된다. 연료전지 전압 제어 방법은 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계; 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 경우, 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계; 연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계; 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하는 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계; 및 연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

연료전지 전압 제어방법 및 시스템{VOLTAGE CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUELCELL}
본 발명은 개별 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택의 전압 명령 최대값을 가변시키는 기술을 제시함으로써 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전압 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
특히, 최근에는 수소와 산소의 결합으로 인하여 발생하는 에너지를 이용하는 연료전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중 연료전지 스택이 OCV(Open Circuit Voltage)에 노출되는 경우 열화가 발생하고, 이로 인해 스택의 성능이 떨어지는 문제가 발생하여 이를 방지하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.
연료전지 스택의 내구성 향상을 위해 스택의 상한 전압을 일정 값으로 제한하는 기술은 이미 공지되어 있다. 그러나 전체 스택의 상한 전압을 일정 값으로 제한하는 경우, 개별 셀 사이의 전압 편차로 인하여 전체 스택의 전압은 상한 전압을 넘지 않더라도 개별 셀의 전압은 높은 전압에 노출됨으로써, 개별 셀들이 열화되는 현상을 막을 수 없다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 5007665 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택의 개별 셀 전압을 기반으로, 배터리 충전량에 따라 연료전지 스택의 전압을 가변하는 연료전지 전압 제어방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 전압 제어방법은 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계; 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 경우, 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계; 연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계; 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하는 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계; 및 연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계 이전에, 배터리 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량에 따라 기준값의 감소량을 다르게 설정할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량이 클수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 작아지도록 할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량이 작을수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 커지도록 할 수 있다.
배터리 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계에서 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 제1 충전량 이상인 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하더라도 연료전지 스택 전압의 기준값을 유지하도록 할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계 이후에, 배배터리 충전 전류를 모니터링하는 단계; 및 모니터링한 배터리 충전 전류량이 기설정된 충전 전류 이상인 경우, 스택의 발전량을 감소시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
스택의 발전량을 감소시키는 단계에서는 스택에 공급하는 공기공급량을 감소시키는 것으로 할 수 있다.
연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계에서는 연료전지 스택의 요구전류가 기설정된 요구값 이하인 경우 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 전압 제어시스템은 연료전지의 고전압 회피모드인지 여부를 판단하는 고전압 회피모드 판단부; 연료전지의 개별 셀의 전압을 산출하고 모니터링하는 개별 셀 전압 모니터링부; 및 고전압 회피모드 판단부에서 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단된 경우 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하고, 개별 셀 전압 모니터링부에서 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는 경우에는 기설정된 기준값을 감소시키며 감소된 기준값 이하로 연료전지 스택 전압을 제어하는 연료전지 스택 전압 제어부;를 포함할 수 있다.
배터리의 충전량(SOC)을 모니터링 하는 충전량 감지부;를 더 포함하고, 연료전지 스택 전압 제어부에서는 충전량 감지부를 통해 모니터링한 배터리 충전량이 클수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 작아지도록 하고, 모니터링한 배터리 충전량이 작을수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 커지도록 할 수 있다.
배터리의 충전량(SOC)을 모니터링 하는 충전량 감지부;를 더 포함하고, 연료전지 스택 전압 제어부에서는 충전량 감지부를 통해 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하더라도 연료전지 스택 전압의 기준값을 유지하도록 할 수 있다.
배터리의 충전 전류를 모니터링 하는 충전 전류 감지부; 및 연료전지 스택의 발전량을 제어하는 발전제어부;를 더 포함하고, 충전 전류 감지부에서 모니터링한 배터리 충전 전류가 기설정된 충전 전류 이상인 경우 발전제어부에서 스택의 발전량을 감소시키게 할 수 있다.
상술한 연료전지 전압 제어에 따르면, 스택의 상한 전압을 이용한 제어에 비하여 개별 셀들의 내구성 및 성능을 보장할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어 시스템의 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어방법은 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계(S100); 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 경우, 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계(S200); 연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계(S300); 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하는 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계(S500); 및 연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계(S600);를 포함한다.
이와 같은 연료전지 전압 제어에 따르면, 연료전지의 개별 셀 전압이 개별값을 초과하는지 모니터링하여 스택의 기준값을 감소시켜 개별 셀의 내구성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어시스템은 연료전지(10)의 고전압 회피모드인지 여부를 판단하는 고전압 회피모드 판단부(20); 연료전지(10)의 개별 셀의 전압을 산출하고 모니터링하는 개별 셀 전압 모니터링부(30); 및 고전압 회피모드 판단부에서 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단된 경우 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하고, 개별 셀 전압 모니터링부에서 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는 경우에는 기설정된 기준값을 감소시키며 감소된 기준값 이하로 연료전지 스택 전압을 제어하는 연료전지 스택 전압 제어부(40);를 포함한다.
이러한 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 전압 제어방법은 도 2의 연료전지의 전압 제어시스템에 의해 구현될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 2를 함께 참조하면, 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계(S100)는 고전압 회피 모드 판단부(20)에서 연료전지(10)가 높은 전압에 노출되는지 여부를 판단하여 고전압 회피모드인지 여부를 판단하는 단계이다. 구체적으로, 연료전지 스택의 요구전류가 기설정된 요구값 이하인 경우 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단할 수 있다. 여기서 요구값(A)은 예를 들어 50[A]로 설정할 수 있다.
연료전지가 고전압 회피모드 조건에 해당하지 않는 경우(S210)에는 고전압 회피모드에 진입하지 않거나, 해제하는 제어를 한다.
연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 경우, 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계(S200)는 연료전지 스택 전압 제어부(40)에서 연료전지(10)의 스택이 연료전지 스택 전압 제어부(40)에 연결된 메모리(41)에 저장된 기준값을 초과하는 전압에 노출되지 않도록 제어하는 것이다. 여기서 기준값은 메모리(41)에 374V로 초기로 설정될 수 있다.
구체적으로, 연료전지 스택 전압을 기준값 이하로 제어하기 위하여는 연료전지(10)와 연결된 양방향 고전압 컨버터(BHDC, 51)의 명령값에 최대값을 기준값으로 설정하여 전류를 배터리(50)가 충전되도록 하거나, 전장부품 등이 연결된 저전압 컨버터(LDC, 42) 또는 고전압 부하(43)을 통해서 전류를 소모하도록 제어할 수 있다.
연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계(S300)는 개별 셀 전압 모니터링부(30)에서 개별 셀의 전압을 모니터링하고, 그 최대값이 개별값을 초과하는지 판단할 수 있다. 여기서 개별값은 예를 들어 0.85[V]로 설정될 수 있다.(374[V] / 440[셀] = 0.85[V/셀])
여기서 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하지 않는다면 기준값을 감소시키지 않고 유지하도록 할 수 있다(S530).
모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하는 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계(S500) 이전에, 배터리 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계(S400)는 배터리(50)에 연결된 충전량 감지부(52)에서 배터리(50)의 충전량을 모니터링하여 배터리(50)의 충전 가능량을 확인할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계(S500)는 연료전지 스택 전압 제어부(40)에서 모니터링한 배터리 충전량에 따라 기준값의 감소량을 다르게 설정할 수 있다. 배터리 충전량에 따른 기준값 감소량은 연료전지 스택 전압 제어부(40)에 연결된 메모리(41)에 기저장될 수 있다.
구체적으로, 모니터링한 배터리 충전량이 클수록 배터리의 충전 가능량이 작기 때문에 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 작아지도록 제어하고, 모니터링한 배터리 충전량이 작을수록 배터리의 충전 가능량이 크기 때문에 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 커지도록 제어할 수 있다.
다만, 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계(S500)에서는 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하더라도 연료전지 스택 전압의 기준값을 유지하도록 제어할 수 있다.
일 실시예로는 배터리 충전량의 기준을 α와 β로 설정하고, 배터리 충전량이 α보다 작은지(S410), α 이상 β 미만인지(S420) 또는 β 이상인지 판단한다. 그리고 배터리 충전량이 α보다 작은 경우 기준값의 감소량을 V1으로 정하고(S510), α 이상 β 미만인 경우에는 기준값의 감소량을 V2로 정하며(S530), β 이상인 경우에는 기준값을 유지하도록 제어한다(S530). 여기서 β가 기설정된 충전량이 되는 것이고, V1은 V2보다 큰 값이다. 예를 들면, α는 배터리 최대 충전량의 40%,β는 배터리 최대 충전량의 60%로 설정하고, V1은 20[V], V2는 10[V]로 설정할 수 있다.
이와 같은 제어를 통해, 배터리 충전량이 작을수록 연료전지 스택의 상한 전압 기준값을 크게 감소시켜 배터리를 충전시키면서 스택의 내구성을 향상시키고, 배터리 충전량이 큰 경우에는 배터리를 더이상 충전시키기 힘들기 때문에 배터리의 스택의 상한 전압 기준값을 작게 감소시키거나 유지하도록 제어하여 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과를 가진다.
연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계(S600)는 연료전지 스택 전압 제어부(40)에서 감소되거나 유지된 기준값 이하로 연료전지(10)를 제어하는 것이다.
구체적으로, 연료전지 스택 전압을 기준값 이하로 제어하기 위하여는 연료전지(10)와 연결된 양방향 고전압 컨버터(BHDC, 51)의 명령값에 최대값을 기준값으로 설정하여 전류를 배터리(50)가 충전되도록 하거나, 전장부품 등이 연결된 저전압 컨버터(LDC, 42) 또는 고전압 부하(43)을 통해서 전류를 소모하도록 제어할 수 있다.
연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계 이후에, 배터리 충전 전류를 모니터링하는 단계(S700)는 양방향 고전압 컨버터(BHDC, 51)에 연결된 충전 전류 감지부(53)에서 배터리(50)로 흐르는 충전 전류가 기설정된 충전 전류 이상인지 판단하는 것이다. 기설정된 충전 전류는 예를 들면 2[A]로 설정되어, 배터리(50)로 흐르는 충전 전류가 2[A] 이상인 경우 배터리 충전 전류가 과다하다고 판단할 수 있다.
모니터링한 배터리 충전 전류가 기설정된 충전 전류 이상인 경우, 스택의 발전량을 감소시키는 단계(S800)는 발전제어부(60)에서 스택의 발전량을 감소시키도록 제어하는 것이다. 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 제2 충전량 이상이 아닌 경우에는 스택의 발전량을 감소시키지 않는다.
구체적으로, 스택의 발전량을 감소시키는 단계(S800)에서는 연료전지 스택에 공급하는 공기공급량을 감소시키는 제어를 통하여 스택의 발전량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
S100 : 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계
S200 : 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계
S300 : 연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계
S400 : 기준값 감소시키는 단계 이전에 연료전지 배터리 충전량을 모니터링하는 단계
S500 : 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계
S600 : 연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계
S700 : 기준값 감소시키는 단계 이후에 연료전지 배터리 충전량을 모니터링하는 단계
S800 : 연료전지 스택의 발전량을 감소시키는 단계
10 : 연료전지
20 : 고전압 회피모드 판단부
30 : 개별 셀 전압 모니터링부
40 : 연료전지 스택 전압 제어부
50 : 배터리
60 : 발전제어부

Claims (12)

  1. 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계;
    연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 경우, 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하는 단계;
    연료전지의 개별 셀 전압을 모니터링하고, 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는지 판단하는 단계;
    모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 개별값을 초과하는 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계;
    연료전지 스택 전압을 감소된 기준값 이하로 제어하는 단계; 및
    연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계 이전에, 배터리 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량에 따라 기준값의 감소량을 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량이 클수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 작아지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 모니터링한 배터리 충전량이 작을수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 커지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    배터리 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계에서 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, 연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계에서는 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하더라도 연료전지 스택 전압의 기준값을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택 전압의 기준값을 감소시키는 단계 이후에, 배터리 충전 전류를 모니터링하는 단계; 및
    모니터링한 배터리 충전 전류량이 기설정된 충전 전류 이상인 경우, 스택의 발전량을 감소시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    스택의 발전량을 감소시키는 단계에서는 스택에 공급하는 공기공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는지 판단하는 단계에서는 연료전지 스택의 요구전류가 기설정된 요구값 이하인 경우 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어방법.
  9. 연료전지의 고전압 회피모드인지 여부를 판단하는 고전압 회피모드 판단부;
    연료전지의 개별 셀의 전압을 산출하고 모니터링하는 개별 셀 전압 모니터링부; 및
    고전압 회피모드 판단부에서 연료전지의 고전압 회피모드에 해당하는 것으로 판단된 경우 연료전지 스택 전압을 기설정된 기준값 이하로 제어하고, 개별 셀 전압 모니터링부에서 모니터링한 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하는 경우에는 기설정된 기준값을 감소시키며 감소된 기준값 이하로 연료전지 스택 전압을 제어하는 연료전지 스택 전압 제어부;를 포함하고,
    배터리의 충전량(SOC)을 모니터링 하는 충전량 감지부;를 더 포함하고,
    연료전지 스택 전압 제어부에서는 충전량 감지부를 통해 모니터링한 배터리 충전량이 클수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 작아지도록 하고, 모니터링한 배터리 충전량이 작을수록 연료전지의 기준값을 감소시키는 감소량이 커지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    배터리의 충전량(SOC)을 모니터링 하는 충전량 감지부;를 더 포함하고,
    연료전지 스택 전압 제어부에서는 충전량 감지부를 통해 모니터링한 배터리 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, 개별 셀 전압의 최대값이 기설정된 개별값을 초과하더라도 연료전지 스택 전압의 기준값을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    배터리의 충전 전류를 모니터링 하는 충전 전류 감지부; 및
    연료전지 스택의 발전량을 제어하는 발전제어부;를 더 포함하고,
    충전 전류 감지부에서 모니터링한 배터리 충전 전류가 기설정된 충전 전류 이상인 경우 발전제어부에서 스택의 발전량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전압 제어시스템.
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