KR102403951B1 - 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법 - Google Patents

연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 연료전지에 연결되고, 제1 스위칭 제어 신호에 따라 연료전지에서 생산된 직류전압을 변환하여 DC 링크에 제공하는 제1 DC/DC 컨버터, 배터리에 연결되고, 제2 및 제3 스위칭 제어 신호에 따라 DC 링크의 전압을 변환하여 배터리에 제공하거나, 배터리의 직류전압을 변환하여 DC 링크에 제공하는 제2 DC/DC 컨버터, 및 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 연료전지와 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 부하 분담 비율에 따라 연료전지의 출력전류 및 DC 링크의 전압을 피드백 제어하는 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법{HYBRID POWER SYSTEM, APPARATUS AND CONTROL METHOD PERFORMING POWER DISTRIBUTION BETWEEN FUEL CELL AND BATTERY}
실시예는 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연료전지와 배터리가 하나의 시스템 내에서 병렬로 연결된 일체형 연료전지-배터리 하이브리드 전력 시스템에서 외부 부하의 변동과 무관하게 연료전지의 출력 및 배터리의 충방전을 안정적으로 제어하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 전기 화학적인 반응에 의하여 전기를 생산하는 장치로, 연료극에 공급된 수소(H2)가 전극 표면에 산포되어 있는 백금 촉매에 의해 수소 이온(H+, proton)과 전자(e-, electron)로 분리되는 것을 특징으로 한다. 공기극에서는 전해질을 통해 이동한 수소 이온과 외부 부하를 통해 이동한 전자가 공기극에 공급된 산소와 반응하여 물을 발생시킨다. 이러한 과정을 통해 연료 전지는 전자의 외부 흐름에 의해 전기를 발생시키는 에너지 변환 장치이다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류 밀도 및 출력 밀도가 높고 기동시간이 짧으며 부하 변화에 대한 응답 특성이 빠르므로 수송용, 건물용 및 백업 전원으로 적합하다. 이러한 연료전지는 기존의 내연기관에서 사용하는 연소방식보다 2~3배 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, 환경오염 물질의 발생을 최소화할 수 있는 친환경 에너지원으로서, 지속적인 연구개발을 통해 다양한 분야로 상용화되고 있다.
연료전지-배터리 하이브리드 전력 시스템은 연료전지와 배터리를 병렬로 연결하여 필요 전력을 수요에 맞게 공급하는 새로운 개념의 독립 전원형 신재생 에너지 전원 장치이다. 이러한 시스템은 연료전지를 주 전원으로, 배터리를 보조 전원으로 연결하여 전력을 공급함으로써 동일한 용량의 단독 연료전지 시스템에 비해 연료전지 용량을 작게 설치할 수 있어 시스템 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지-배터리 하이브리드 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지-배터리 하이브리드 전력 시스템(1)은 연료전지(10), 배터리 팩(20), DC/DC 컨버터(30), 제어기(40), 인버터(50) 및 외부 부하(60)를 포함한다. 연료전지(10)는 일정 크기의 직류전압을 생산하고, 주 전원으로 사용된다.
배터리 팩(20)은 DC 링크에 병렬 연결되고, 보조 전원으로 사용된다. 배터리 팩(20)은 DC 링크를 통해 연료전지(10)로부터 생산된 직류전압을 공급받아 충전되고, 충전전압을 DC 링크에 방전한다. DC/DC 컨버터(30)는 연료전지(10)에서 생산한 직류전압을 다른 레벨의 직류전압으로 변환하여 DC 링크에 출력한다.
제어기(40)는 외부 부하(60)의 전력 요구량이 낮을 때는 연료전지(10)를 저출력으로 운전하면서 잉여전력은 배터리 팩(20)에 충전한다. 반면, 외부 부하(60)의 전력 요구량이 높을 때는 연료전지(10)의 운전과 동시에 배터리 팩(20)을 방전한다.
그런데, 상기한 구조의 하이브리드 전력 시스템(1)은 외부 부하(60)의 전력 요구량이 변화함에 따라 연료전지(10)의 출력이 변동되어 연료전지(10)의 수명이 단축되고, 배터리 팩(20)의 충전율에 따라 DC 링크 전압이 변동되어 전력 품질이 저하되고, 배터리 팩(20)의 용량이 필요 이상으로 커지게 된다.
또한, 연료전지(10) 측에만 단방향의 DC/DC 컨버터(30)가 연결되어 있으므로, DC/DC 컨버터(30)에 병렬 연결된 배터리 팩(20)의 충방전 속도 관리를 할 수 없어 배터리 팩(20)의 과충전 및 과방전을 야기한다. 이로 인해, 배터리 팩(20)의 수명이 단축될 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0708273호(2007.04.10)
실시예는 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 외부 부하의 급격한 변화에도 연료전지를 안정적으로 운전하고, 배터리 팩의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 실시예의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예에 따른 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템은 상기 연료전지에 연결되고, 제1 스위칭 제어 신호에 따라 상기 연료전지에서 생산된 직류전압을 변환하여 DC 링크에 제공하는 제1 DC/DC 컨버터; 상기 배터리에 연결되고, 제2 및 제3 스위칭 제어 신호에 따라 상기 DC 링크의 전압을 변환하여 상기 배터리에 제공하거나, 상기 배터리의 직류전압을 변환하여 상기 DC 링크에 제공하는 제2 DC/DC 컨버터; 및 상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 상기 연료전지의 출력전류 및 상기 DC 링크의 전압을 피드백 제어하는 상기 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기를 포함한다.
여기에서, 상기 연료전지는 연료전지, 태양광 전지 및 풍력 전지 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 상기 하이브리드 전력 시스템은 상기 연료전지와 상기 배터리가 하나의 시스템으로 구성된 일체형이거나, 두 개 이상의 독립 시스템이 연결된 시스템이고, 연료전지-배터리, 태양광 전지-배터리, 풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-배터리, 연료전지-풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-풍력 전지-배터리 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 배터리는 리튬-이온 배터리, 납축전지 및 리튬 인산철 배터리 중 어느 하나를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드 및 상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 결정하고, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 연료전지 부하에 따라 상기 연료전지의 목표 전류 값을 설정하고, 상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 배터리의 충전율에 따라 상기 목표 전류 값을 서로 다른 레벨로 설정한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 배터리 부하에 따라 상기 DC 링크의 목표 전압 값을 설정하고, 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 배터리의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 목표 전압 값을 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 상기 충전 및 방전 속도를 결정한다.
여기에서, 상기 제어기는 상기 연료전지의 출력 전류를 모니터링하는 전류 측정부; 상기 DC 링크의 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하 및 상기 배터리의 충전율에 따라 목표 전류 값과 목표 전압 값을 설정하는 목표 설정부; 상기 연료전지의 출력 전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 상기 제1 스위칭 제어 신호를 제어하는 전류 제어부; 및 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 제어하는 전압 제어부를 포함한다.
여기에서, 상기 전류 제어부는 상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하고, 상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성한다.
여기에서, 상기 전압 제어부는 상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하고, 상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성한다.
실시예에 따른 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 장치는, 상기 연료전지의 출력전류를 모니터링하는 전류 측정부; DC 링크의 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값 및 목표 전압 값을 설정하는 목표 설정부; 상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 제1 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 연료전지와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제1 DC/DC 컨버터에 출력하는 전류 제어부; 및 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제2 DC/DC 컨버터에 출력하는 전압 제어부를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드 및 상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 목표 설정부는 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 고정시키고, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정한다.
여기에서, 상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율에 따라 상기 목표 전류 값을 서로 다른 레벨로 설정한다.
여기에서, 상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 목표 전압 값을 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정한다.
여기에서, 상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 상기 충전 및 방전 속도를 결정한다.
여기에서, 상기 전류 제어부는 상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하고, 상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성한다.
여기에서, 상기 전압 제어부는 상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하고, 상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성한다.
실시예에 따른 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 장치의 제어 방법은, 전류 측정부가 상기 연료전지의 출력전류를 모니터링하는 단계; 전압 측정부가 DC 링크의 전압을 모니터링하는 단계; 목표 설정부가 상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값 및 목표 전압 값을 설정하는 단계; 전류 제어부가 상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 제1 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 연료전지와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제1 DC/DC 컨버터에 출력하는 단계; 배터리의 충방전 전류를 실시간 적분하여 배터리 충전율을 계산하는 단계; 및 전압 제어부가 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제2 DC/DC 컨버터에 출력하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드 및 상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터를 포함한다.
여기에서, 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하는 단계는, 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 결정하는 단계; 및 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 목표 전류 값은 상기 배터리의 충전율에 따라 서로 다른 레벨로 설정된다.
여기에서, 상기 목표 전압 값은 상기 배터리의 충전율을 기초로 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정된다.
여기에서, 상기 충전 및 방전 속도는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 결정된다.
여기에서, 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하는 단계; 및 상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하는 단계는 상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하는 단계; 상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템, 장치 및 제어 방법은 전류 제어 방법을 이용하여 연료전지의 출력을 일정하게 유지하고, DC 링크 전압 제어 방법을 이용하여 배터리의 충전율을 일정하게 유지하며, 배터리의 과충전 및 과방전을 방지함으로써 전체 하이브리드 전력 시스템의 안정성을 확보하고 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예는 급격한 부하 변동에 대응하여 연료전지의 출력이 급격하게 변동하는 것을 방지함으로써 연료전지의 수명을 향상시키는 동시에 이차측 전력 계통에 일정한 전압을 공급함으로써 하이브리드 전력 시스템의 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지-배터리 하이브리드 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지, 배터리, 제1 및 제2 DC/DC 컨버터의 제어 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 제어기를 도시한 도면으로서, 도 4에 도시된 제어 모델을 기초로 설계된 제어기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 상태 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템의 운전 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템의 정확도를 평가하기 위해 진행한 실험 결과를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템(2)은 연료전지(100), 배터리 팩(200), 제1 DC/DC 컨버터(300), 제2 DC/DC 컨버터(400), 제어기(500), 인버터(600) 및 외부 부하(700)를 포함한다. 연료전지(100)는 주 전력 공급원으로서, 일정 크기의 직류전압을 생산한다.
연료전지(100)는 연료 저장부(미도시)로부터 연료를 공급받고, 산화제 공급부(미도시)로부터 산화제를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다. 여기에서, 연료는 메탄올, 에탄올, 천연가스, LPG 등과 같은 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다. 그리고, 수소와 반응하는 산화제로서, 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용하거나 공기를 사용할 수 있다.
연료전지(100)는 다양한 방식에 따라 전기에너지를 생산할 수 있다. 예컨대, 연료를 개질(reforming)하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질 형 연료전지 방식을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 연료전지(100)가 단위 셀에서 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식을 이용할 수도 있다. 연료전지(100)는 공냉식이나 수냉식 냉각 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
여기에서, 연료전지(100)는 (수소) 연료전지, 태양광 전지, 풍력 전지 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템(2)은 연료전지(100)와 배터리 팩(200)이 하나의 시스템으로 구성된 일체형이거나, 두 개 이상의 독립 시스템이 연결된 시스템으로서, 예컨대 연료전지-배터리, 태양광 전지-배터리, 풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-배터리, 연료전지-풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-풍력 전지-배터리 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
배터리 팩(200)은 보조 전력원으로서, 배터리(210) 및 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)(220)을 포함한다. 배터리(210)는 제2 DC/DC 컨버터(400)를 통해 DC 링크의 전압을 제공받아 충전되거나, DC 링크에 전압을 방전한다. 여기에서, 배터리(210)는 리튬-이온 전지, 납축전지, 리튬 인산철 배터리 등을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(220)은 배터리(210)의 전류, 전압, 온도, 충전율(State Of Charge, SOC) 등을 모니터링하고, 배터리(210)의 전반적인 상태를 관리한다.
제1 DC/DC 컨버터(300)는 연료전지(100)에 연결되고, 제어기(500)에 의해 제어되어 연료전지(100)로부터 출력된 직류전압을 다른 레벨의 직류전압으로 변환하여 DC 링크에 제공한다. 즉, 제1 DC/DC 컨버터(300)는 DC 링크 측의 전압을 조절하는 역할을 수행한다. 여기에서, 제1 DC/DC 컨버터(300)는 연료전지(100)의 출력 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
제2 DC/DC 컨버터(400)는 배터리 팩(200)에 연결되고, 제어기(500)에 의해 제어되어 DC 링크에 제공된 직류전압을 다른 레벨의 직류전압으로 변환하여 배터리(210)에 제공하거나, 배터리(210)의 직류전압을 다른 레벨의 직류전압으로 변환하여 DC 링크에 제공한다. 즉, 제2 DC/DC 컨버터(400)는 배터리(210)의 충방전을 담당하는 동시에 DC 링크 측의 전압을 조절하는 역할을 수행한다.
여기에서, 제2 DC/DC 컨버터(400)는 벅-부스트 컨버터로 동작하는 양방향 컨버터를 포함한다. 제2 DC/DC 컨버터(400)는 부스트 모드 시 배터리(210)의 직류 전압을 DC 링크로 방전시키고, 벅 모드 시 DC 링크의 전압으로 배터리(210)를 충전시킬 수 있다.
제어기(500)는 외부 부하(700)의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 연료전지(100)와 배터리(210) 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 결정된 부하 분담 비율에 따라 연료전지(100)가 분담하는 연료전지 부하와 배터리(210)가 분담하는 배터리 부하를 분리하여 제어한다. 제어기(500)는 연료전지 부하를 일정한 크기로 결정하고, 배터리 부하를 외부 부하(700)와 연료전지 부하의 차이에 대응하는 크기로 결정할 수 있다.
다시 말해, 제어기(500)는 연료전지(100)와 배터리(210) 각각이 분담하는 전력을 분리하여 제어하되, 연료전지(100)가 분담하는 전력을 일정하게 제어하고, 외부 부하(700)의 요구 전력과 연료전지(100)가 분담하는 전력 간의 차이에 대응하는 전력을 배터리(210)가 분담하도록 제어한다.
즉, 제어기(500)는 연료전지(100)가 분담하는 전력을 일정하게 유지한 상태에서 외부 부하(700)의 요구 전력이 연료전지(100)가 분담하는 전력보다 적을 때에는 연료전지(100)의 잉여 전력을 배터리(210)에 충전하고, 외부 부하(700)의 요구 전력이 연료전지(100)가 분담하는 전력보다 많을 때에는 배터리(210)로부터 추가로 필요한 전력을 방전시킨다. 따라서, 외부 부하(700)의 요구 전력이 수시로 변화하더라도 연료전지(100)의 출력 전력을 일정하게 유지할 수 있어 연료전지(100)를 안정적으로 운전할 수 있다.
구체적으로, 제어기(500)는 연료전지(100)와 배터리(210) 간의 부하 분담 비율에 따라 연료전지(100)의 출력전류 및 배터리(210)의 DC 링크 전압을 피드백 제어한다. 이를 위해, 제어기(500)는 부하 분담 비율에 따라 연료전지(100)의 목표 전류 값과 배터리(210)의 DC 링크에 대한 목표 전압 값을 설정한다. 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력 전류(IFC)가 목표 전류 값을 추종하도록 제1 DC/DC 컨버터(300)를 제어하고, 배터리(210)의 DC 링크의 전압(VDC)이 목표 전압 값을 추종하도록 제2 DC/DC 컨버터(400)를 제어한다.
제어기(500)는 목표 전류 값을 일정하게 유지되는 전류 레벨로 설정한다. 여기에서, 목표 전류 값은 배터리(210)의 충전율에 따라 서로 다른 레벨로 설정될 수 있다. 이를 위해, 제어기(500)는 배터리 관리 시스템(220)으로부터 배터리(210)의 충전율을 피드백 받고, 목표 전류 값을 배터리(210)의 충전율 범위에 대응하는 서로 다른 레벨의 전류 값(고전류, 중간 전류 및 저전류)으로 설정할 수 있다.
여기에서, 충전율의 범위는 하이브리드 전력 시스템의 운영환경에 따라 결정할 수 있다. 예컨대, 제어기(500)는 배터리(210)의 충전율이 40~70% 사이의 범위이면 목표 전류 값을 중간전류 값으로 설정하고, 배터리(210)의 충전율이 30% 미만이면 목표 전류 값을 고전류 값으로 설정할 수 있다. 제어기(500)는 배터리(210)의 충전율이 90% 이상의 과충전 상태인 경우 목표 전류 값을 0, 즉 연료전지(100)의 구동을 중지시킬 수 있다.
제어기(500)는 배터리(210)의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 충전 및 방전 속도에 따라 목표 전압 값을 배터리(210)의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정할 수 있다.
통상적으로 배터리(210)의 DC 링크 전압은 배터리(210)의 충전율에 따라 변동될 수 있다. DC 링크 전압이 변동되면 하이브리드 전력 시스템(2)의 효율을 저하시킬 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 제어기(500)는 배터리(210)의 충방전 상태에 무관하게 DC 링크 전압을 일정하게 유지할 수 있도록 목표 전압 값을 설정할 수 있다.
배터리(210)의 충전 및 방전 속도는 DC 링크 전압과 배터리(210)의 개방 전압 간의 차이에 의해 결정된다. 예컨대, DC 링크 전압이 배터리(210)의 개방 전압보다 매우 큰 경우 배터리(210)는 급속 충전되고, DC 링크 전압이 배터리(210)의 개방 전압보다 큰 경우 배터리(210)는 완속 충전된다. DC 링크 전압이 배터리(210)의 개방 전압보다 작은 경우 배터리(210)는 완속 방전되고, DC 링크 전압이 배터리(210)의 개방 전압보다 매우 작은 경우 배터리(210)는 급속 방전된다.
제어기(500)는 배터리(210)의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위를 유지하도록 충전 및 방전 속도를 결정할 수 있다. 예컨대, 배터리(210)의 충전율이 최소 충전율 이하로 낮아지는 경우 제어기(500)는 목표 전압 값을 배터리(210)의 개방 전압보다 상대적으로 크게 설정하여 배터리(210)를 급속 충전시키고, 배터리(210)의 충전율이 최대 충전율 이상으로 높아지는 경우 제어기(500)는 목표 전압 값을 배터리(210)의 개방 전압보다 상대적으로 작게 설정하여 배터리(210)를 급속 방전시킬 수 있다. 이로 인해, 배터리(210)의 충전율은 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위를 유지하고, 동시에 과충전되거나 과방전되는 것을 방지할 수 있다.
인버터(600)는 DC 링크와 외부 부하(700) 사이에 연결되고, DC 링크로부터 인가된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 외부 부하(700)에 출력한다. 여기에서, 인버터(600)는 연료전지(100) 및/또는 배터리 팩(200)으로부터의 직류전압을 가정이나 건물에서 사용하는 상용 교류전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지, 배터리, 제1 및 제2 DC/DC 컨버터의 제어 모델을 도시한 도면이다. 즉, 도 3은 연료전지(100)와 배터리(210) 간의 전력 분배 방법을 제어하기 위한 분배 제어기 모델을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지(100)는 직류전압(110) 및 내부 저항(120)을 포함한다. 연료전지(100)는 직류전압(110)이 내부 저항(120)에 의해 전압 강하된 전압(Vfc)을 출력한다. 여기에서, 직류전압(110)은 연료전지(100)가 생산하는 전압으로서, 네른스트(Nernst) 전압 값(Enernst)을 갖는다.
내부 저항(120)은 제1 내지 제3 가변 저항(122, 124, 126) 및 가변 콘덴서(128)를 포함한다. 내부 저항(120) 및 직류전압(110)은 연료전지 출력 전압(VFC) 인가단 사이에 직렬 연결된다. 제1 가변 저항(122)은 출력단자(N1)에 연결된 일단 및 제2 가변 저항(122)의 일단에 연결된 타단을 포함하고, 연료전지(100)의 포화 전압 강하에 대응하는 저항 값(Rconc)을 갖는다.
제2 가변 저항(124)은 제3 가변 저항(126)의 일단에 연결된 타단을 포함하고, 연료전지(100)의 옴(ohm) 전압 강하에 대응하는 저항 값(Rohm)을 갖는다. 제3 가변 저항(126)은 직류전압(110)에 연결된 타단을 포함하고, 연료전지(100)의 활성화 전압 강하에 대응하는 저항 값(Ract)을 갖는다. 가변 콘덴서(128)는 제3 가변 저항(126)의 양단에 연결되고, 연료전지(100)의 활성화 전압 강하에 대응하는 콘덴서 값(Cact)을 갖는다.
배터리 팩(200)은 배터리(210) 및 배터리 관리 시스템(BMS)(220)을 포함한다. 배터리(210)는 충전 및 방전되는 가변 전압(212) 및 내부 저항(214)을 포함한다. 가변 전압(212)은 배터리 관리 시스템(220)에 의해 제어되어 충방전되는 전압이다. 내부 저항(214)은 배터리(210)의 내부 저항 값(R)을 갖는다.
배터리 관리 시스템(220)은 배터리 충방전 용량(Q), 배터리 전류(i) 및 배터리 목표 전류(i*)를 모니터링한다. 여기에서, 배터리 충방전 용량(Q)은 적분기(222)를 통해 배터리 전류(i)를 일정 시간(t) 동안 적분한 값이고, 배터리 목표 전류(i*)는 로우 패스 필터(224)를 통해 설정된 값이다.
제1 DC/DC 컨버터(300)는 인덕터(310), 다이오드(D, 320), 스위치(S1, 330) 및 콘덴서(340)를 포함한다. 인덕터(310)는 연료전지(100)의 출력 전압(VFC) 인가단에 연결된 일단 및 다이오드(320)의 애노드 단자에 연결된 타단을 포함한다. 다이오드(320)는 인덕터(310)의 타단에 연결된 애노드 단자 및 DC 링크 전압(VDC) 인가단에 연결된 캐소드 단자를 포함한다.
스위치(330)는 인덕터(310)의 타단 및 연료전지(100)의 출력 전압(VFC) 인가단 사이에 연결되고, 제1 스위칭 제어 신호(u1)에 의해 온/오프(on/off)된다. 스위치(330)는 반도체 스위치로서, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)를 포함할 수 있다. 콘덴서(340)는 DC 링크 전압(VDC) 인가단 사이에 각각 연결된 일단 및 타단을 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 제1 DC/DC 컨버터(300)는 아래의 [수학식 1]에 따라 모델링된다.
Figure 112020057288220-pat00001
여기에서, IFC는 연료전지(100)의 전류, VFC는 연료전지(100)의 전압,
Figure 112020057288220-pat00002
는 연료전지(100)의 전류 변화량,
Figure 112020057288220-pat00003
는 연료전지(100)의 전압 변화량, VDC는 DC 링크 전압, L1은 인덕터(310)의 인덕턴스 값, C1은 콘덴서(340)의 값, rFCS 는 제1 DC/DC 컨버터(300)의 저항값, u1은 제1 스위칭 제어 신호로서, 듀티 비(duty ratio)를 갖는 온(on) 신호 및 오프(off) 신호를 포함한다.
제2 DC/DC 컨버터(400)는 제1 콘덴서(410), 제2 콘덴서(420), 인덕터(430), 제1 스위치(S2, 440) 및 제2 스위치(S3, 450)를 포함한다. 여기에서, 제1 콘덴서(410)는 DC 링크 전압(VDC) 인가단 사이에 각각 연결된 일단 및 타단을 포함하고, 제2 콘덴서(420)는 배터리 전압(VBATT) 인가단 사이에 각각 연결된 일단 및 타단을 포함한다. 인덕터(430)는 제2 콘덴서(420)의 일단에 연결된 일단 및 제2 스위치(450)에 연결된 타단을 포함하고, 인덕턴스 값(L2)을 갖는다.
제1 스위치(440)는 인덕터(430)의 타단과 제2 콘덴서(420)의 타단 사이에 연결되고, 제2 스위칭 제어 신호(u2)에 의해 온/오프(on/off)된다. 여기에서, 제1 스위치(440)는 반도체 스위치로서, MOSFET를 포함할 수 있다.
제2 스위치(450)는 인덕터(430)의 타단과 제2 콘덴서(420)의 일단 사이에 연결되고, 제3 스위칭 제어 신호(u3)에 의해 온/오프(on/off)된다. 여기에서, 제2 스위치(450)는 반도체 스위치로서, MOSFET를 포함할 수 있다.
여기에서, 제3 스위칭 제어 신호(u3)는 제2 스위칭 제어 신호(u2)의 반전 신호이다. 이에 따라, 제1 및 제2 스위치(440, 450)는 서로 상보적으로 동작하며, 제1 스위치(440)는 배터리(210)를 방전시키는 스위치로 동작하고, 제2 스위치(450)는 배터리(210)를 충전시키는 스위치로 동작한다.
상기와 같은 구성을 갖는 제2 DC/DC 컨버터(400)는 승압 모드인 부스트(boost) 모드일 때 아래의 [수학식 2]와 같이 모델링된다.
Figure 112020057288220-pat00004
여기에서, IL2는 인덕터(430)에 흐르는 전류, VDC는 DC 링크 전압, VBATT 는 배터리(210)의 전압,
Figure 112020057288220-pat00005
는 인덕터(430)에 흐르는 전류의 변화량,
Figure 112020057288220-pat00006
는 DC 링크 전압(VDC)의 변화량, L2는 인덕터(430)의 인덕턴스 값, C2는 제1 콘덴서(410)의 값, rLIB,disc는 배터리(210)의 방전시 제2 DC/DC 컨버터(400)의 저항값, u2는 제2 스위칭 제어 신호로서, 듀티 비를 갖는 온(on) 신호 및 오프(off) 신호를 포함한다.
제2 DC/DC 컨버터(400)의 강압 모드인 벅 모드일 때 아래의 [수학식 3]과 같이 모델링된다.
Figure 112020057288220-pat00007
여기에서, IL2는 인덕터(430)에 흐르는 전류, VDC는 DC 링크 전압, VBATT 는 배터리(210)의 전압,
Figure 112020057288220-pat00008
는 인덕터(430)에 흐르는 전류의 변화량, C3는 제2 콘덴서(420)의 값, rLIB,charg 는 배터리(210)의 충전 시 제2 DC/DC 컨버터(400)의 저항값을 나타낸다. u3는 제3 스위칭 제어 신호로서, 듀티 비를 갖는 온(on) 신호 및 오프(off) 신호를 포함한다.
도 4는 도 2에 도시된 제어기를 도시한 도면으로서, 도 3에 도시된 제어 모델을 기초로 설계된 제어기를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 외부 부하(700)에서 요구되는 전력은 일정하지 않고 시간에 따라 변화하므로 연료전지(100)와 배터리(210)에서 분담하는 전력을 최적으로 분배해야 한다. 특히, 외부 부하(700)에서 고부하(피크 전력)가 빈번하게 요구될 경우 연료전지(100)가 순간적으로 높은 전력을 분담해야 하므로 연료전지(100)에 스트레스로 작용하게 되어 연료전지(100)의 수명을 단축시킨다.
따라서, 외부 부하(700)에서 고부하가 요구되더라도 연료전지(100)에서 분담하는 전력을 일정하게 제어하면서 하이브리드 전력 시스템(2)의 전체 효율을 높이기 위한 방법으로 DC 링크의 전압을 일정하게 유지시켜야 한다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력 전류(IFC)와 DC 링크 전압(VDC)을 동시에 제어한다. 즉, 제어기(500)는 연료전지(100) 측에는 전류 제어 방법을 사용하여 출력을 일정하게 유지시키고, 배터리(210) 측에는 DC 링크 전압 제어 방법을 사용하여 배터리(210)의 충전율(SOC)을 일정하게 유지시키고, 동시에 과충전 및 과방전을 방지한다.
이를 위해, 제어기(500)는 전류 측정부(510), 전압 측정부(520), 전류 제어부(530), 전압 제어부(540) 및 목표 설정부(550)를 포함한다. 여기에서, 전류 측정부(510)는 연료전지(100)의 출력 전류(IFC)를 모니터링한다. 전압 측정부(520)는 DC 링크의 전압(VDC)을 모니터링한다.
전류 제어부(530)는 전류 측정부(510)로부터 연료전지(100)의 출력 전류(IFC)를 피드백 받고, 연료전지(100)의 출력 전류(IFC)가 목표 전류 값(IFC, ref)을 추종하도록 제1 스위칭 제어 신호(u1)를 생성한다. 여기에서, 전류 제어부(530)는 연료전지(100)의 출력전류(IFC)를 비례 적분 제어하는 전류 비례 적분 제어기로서, 감산기(531), 비례 연산기(533), 적분 연산기(535), 라플라스 변환기(537) 및 가산기(539)를 포함한다.
감산기(531)는 목표 전류 값(IFC, ref)과 연료전지(100)의 출력 전류 값 간의 편차(e)를 산출한다. 비례 연산기(533)는 산출된 편차(e)를 비례 연산하고, 적분 연산기(535)는 산출된 편차(e)를 적분 연산한다. 라플라스 변환기(537)는 적분 연산된 결과 값을 라플라스 변환한다. 여기에서, S는 제어 로직에서 사용되는 라플라스 변환 값을 나타낸다.
가산기(539)는 비례 연산된 결과 값과 라플라스 변환된 적분 연산 결과 값을 가산하여 듀티비 제어 신호(u1)를 생성한다. 여기에서, 비례 연산된 결과 값과 라플라스 변환된 적분 연산된 결과 값이 가산된 값은 듀티 비 값을 나타내며, 제1 스위칭 제어 신호(u1)는 듀티 비 값을 갖는 PWM 신호로 생성될 수 있다.
전압 제어부(540)는 전압 측정부(520)로부터 DC 링크 전압(VDC)을 피드백 받고, DC 링크 전압이 목표 전압 값(VDC, REF)을 추종하도록 제2 및 제3스위칭 제어 신호(u2, u3)를 생성한다. 여기에서, 전압 제어부(540)는 배터리(210)에 대한 DC 전압(VDC)을 비례 적분 제어하는 전압 비례 적분 제어기로서, 감산기(541), 비례 연산기(543), 적분 연산기(545), 라플라스 변환기(547) 및 가산기(549)를 포함한다.
감산기(541)는 목표 전압 값(VDC, REF)과 DC 링크 전압(VDC) 값 간의 편차(e)를 산출한다. 비례 연산기(543)는 산출된 편차(e)를 비례 연산하고, 적분 연산기(545)는 산출된 편차(e)를 적분 연산한다. 라플라스 변환기(547)는 적분 연산된 결과 값을 라플라스 변환한다. 여기에서, S는 제어 로직에서 사용되는 라플라스 변환 값을 나타낸다.
가산기(549)는 비례 연산된 결과 값과 라플라스 변환된 적분 연산 결과 값을 가산하여 제2 스위칭 제어 신호(u2)를 출력한다. 여기에서, 비례 연산된 결과 값과 적분 연산된 결과 값이 가산된 값은 듀티 비를 나타내며, 제2 스위칭 제어 신호(u2)는 듀티 비를 갖는 PWM 신호로 생성될 수 있다. 그리고, 전압 제어부(540)는 가산기(549)의 출력을 반전하는 반전기(미도시)를 더 포함하여, 제2 스위칭 제어 신호(u2)를 반전시켜 제3 스위칭 제어 신호(u3)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 전류 제어부(530) 및 전압 제어부(540) 각각은 아래의 [수학식 4]와 같은 제어 방법을 이용하여 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(u1, u2)를 생성할 수 있다.
Figure 112020057288220-pat00009
여기에서, IFC, ref는 연료전지(100)의 목표 전류 값, VDC, ref는 DC 링크 목표 전압 값, KP1는 연료전지(100)의 전류 제어에 사용되는 비례 제어 상수이고, KP2는 연료전지(100)의 전류 제어에 사용되는 적분 제어 상수이다. KI1는 DC 링크 전압 제어에 사용되는 비례 제어 상수이고, KI2는 DC 링크 전압 제어에 사용되는 적분 제어 상수이다.
목표 설정부(550)는 외부 부하(700)의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 연료전지(100) 및 배터리(210) 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 결정된 부하 분담 비율과 배터리(210)의 충전율에 따라 연료전지(100)의 목표 전류 값(IFC, ref) 및 배터리(210)의 DC 링크에 대한 목표 전압 값(VDC, REF)을 설정한다.
여기에서, 목표 설정부(550)는 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값(IFC, ref)을 일정 레벨로 설정하되, 배터리(210)의 충전율에 따라 목표 전류 값(IFC, ref)의 레벨을 서로 다른 레벨(고전류, 중간 전류 및 저전류)로 설정할 수 있다. 예컨대, 목표 설정부(550)는 배터리(210)의 충전율이 40~70% 사이의 범위이면 목표 전류 값(IFC, ref)을 중간전류 값으로 설정하고, 배터리(210)의 충전율이 30% 미만이면 목표 전류 값(IFC, ref)을 고전류 값으로 설정할 수 있다. 제어기(500)는 배터리(210)의 충전율이 90% 이상의 과충전 상태인 경우 목표 전류 값(IFC, ref)을 0, 즉 연료전지(100)의 구동을 중지시킬 수 있다.
목표 설정부(550)는 부하 분담 비율에 따라 목표 전압 값(VDC, REF)을 일정 레벨로 설정하되, 배터리(210)의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하여 목표 전압 값(VDC, REF)의 레벨을 서로 다른 레벨로 설정할 수 있다. 여기에서, 목표 설정부(550)는 배터리(210)의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위 이내로 유지되도록 충전 및 방전 속도를 결정할 수 있다.
목표 설정부(550)는 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 배터리(210)의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 목표 전압 값(VDC, REF)의 레벨을 설정할 수 있다. 예컨대, 배터리(210)의 충전율이 최소 충전율 이하로 낮아지는 경우 목표 설정부(550)는 목표 전압 값(VDC, REF)을 배터리(210)의 개방 전압보다 상대적으로 크게 설정하여 배터리(210)를 급속 충전시키고, 배터리(210)의 충전율이 최대 충전율 이상으로 높아지는 경우 목표 설정부(550)는 목표 전압 값(VDC, REF)을 배터리(210)의 개방 전압보다 상대적으로 작게 설정하여 배터리(210)를 급속 방전시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 상태 제어 블록도를 도시한 도면이다. 즉, 도 5는 하이브리드 전력 시스템의 부하 분배를 제어하기 위해 사용한 기계 상태 제어 블록도이다.
도 5에서, 먼저 제어기(500)는 외부 부하(700)의 요구 조건을 검출한다(단계 S110). 제어기(500)는 외부 부하(700)의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 연료전지(100) 및 배터리(210) 간의 부하 분담 비율을 결정한다. 제어기(500)는 연료전지(100) 및 배터리(210) 간의 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값(IFC, ref) 및 목표 전압 값(VDC, REF)을 설정한다(단계 S120).
이때, 제어기(500)는 배터리(210)의 충전율에 따라 목표 전류 값(IFC, ref) 및 목표 전압 값(VDC, REF)을 설정할 수 있다. 예컨대, 제어기(500)는 퍼지 제어 방법을 이용하여 배터리(210)의 충전율에 따라 목표 전류 값(IFC, ref)을 고전류, 중간전류 및 저전류 중 어느 하나의 레벨로 설정할 수 있다.
그리고, 제어기(500)는 배터리(210)의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 충전 및 방전 속도에 따라 배터리(210)의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 목표 전압 값(VDC, REF)을 설정할 수 있다.
그 다음, 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전류(IFC) 및 DC 링크 전압(VDC)을 측정하고(단계 S130), 연료전지(100)의 출력전류(IFC) 및 DC 링크 전압(VDC)이 목표 전류 값(IFC, ref) 및 목표 전압 값(VDC, REF)을 각각 추종하도록 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(300, 400)를 제어한다(단계 S140).
그 다음, 제어기(500)는 하이브리드 전력 시스템(2)의 운전 정지가 결정되었는지를 판단한다(단계 S150). 예컨대, 외부의 운전 정지 버튼(미도시)이 눌러진 상태인 경우 제어기(500)는 운전 정지가 결정된 것으로 판단하고, 하이브리드 전력 시스템(2)을 정지한다.
제어기(500)는 운전 정지 상태가 아닌 경우 단계 S110부터 반복한다. 즉, 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전류(IFC)와 배터리(210)의 DC 링크의 전압(VDC)을 실시간으로 측정하고, 연료전지(100)의 출력전류(IFC)와 배터리(210)의 DC 링크의 전압(VDC)이 설정된 목표 전류 값(IFC, ref)과 목표 전압 값(VDC, REF)을 만족하도록 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(300, 400)를 제어한다(단계 S160).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템의 운전 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 6에서, (a) 및 (c)는 외부 부하를 6A로 일정하게 한 경우 하이브리드 전력 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, DC 링크 목표 전압 값인 24V를 약 0.2초 이내에 추종함을 볼 수 있고, 연료전지는 약 0.4초 이내에 15V의 일정한 전압을 출력하는 것을 볼 수 있다.
(b) 및 (d)는 0~5초간 외부 부하를 6A로 유지하고, 5~7초까지 외부 부하를 일정하게 감소시킨 후, 7~9.5초까지 외부 부하를 4A로 유지시키고, 9.5~12초까지 5A로 유지시킨 경우 하이브리드 전력 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로서, 외부 부하를 증가시킨 경우에도 DC 링크 목표 전압 값인 24V를 순간적으로 추종하고, 연료전지도 15V의 일정한 전압을 출력하는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템은 외부 부하의 전력 요구량이 변하더라도 연료전지에서 출력하는 전력을 일정하게 유지하여 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, DC 링크 전압도 일정하게 하여 전력 품질을 향상시킬 수 있고, 동시에 일정한 DC 링크 전압을 변하게 함으로써 배터리의 과충전과 과방전을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템의 정확도를 평가하기 위해 진행한 실험 결과를 도시한 도면이다. 도 7은 100W의 연료전지, 2400mAh의 리튬-이온 배터리를 이용하여 실험을 진행한 결과이다.
도 7에서, (a)는 일정한 전압 조건에서 외부 부하를 6A로 증가시킨 경우에 대한 오실로스코프 관찰 결과이다. 여기에서, 노란색 선(채널 1)은 DC 링크 전압이고, 하늘색 선(채널 2)은 배터리 전압이며, 녹색선(채널 3)은 연료전지 전압을 나타낸다. DC 링크 전압은 완만하게 변경된 후 일정하게 유지되고, 연료전지 전압은 급격하게 변경된 후 외부 부하가 변경되기 이전의 상태로 돌아가 일정하게 유지하는 것을 볼 수 있다. 그리고, 배터리 전압은 감소된 것을 볼 수 있다.
(b)는 일정한 외부 부하 조건에서 외부 부하 값을 일정한 비율로 증가시킨 후 다시 일정한 부하 값으로 유지시킨 경우에 대한 오실로스코프 관찰 결과이다. 여기에서, DC 링크 전압과 연료전지 전압은 일정하게 유지되고, 배터리 전압은 외부 부하 요구 조건에 따라 충방전이 되는 것을 볼 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전력 시스템(2)은 전력 그리드와 연계가 필요 없는 독립형 발전 장치로서, 연료전지(100)와 배터리 팩(200)을 병렬로 연결하고, 연료전지(100)가 담당하는 전력을 일정하게 제어하고, 외부 부하(700)의 요구 전력과 연료전지(100)가 담당하는 전력 간의 차이에 대응하는 전력을 배터리 팩(200)이 담당하도록 제어한다. 따라서, 외부 부하(700)의 전력 요구량이 수시로 변화하더라도 연료전지(100)의 출력이 급격하게 변동되는 것을 방지하여 연료전지(100)의 수명을 향상시킨다. 또한, 배터리 팩(200)에 대한 DC 링크 전압을 일정하게 유지함으로써 배터리 팩(200)의 충전율에 따라 DC 링크의 전압이 변동되어 하이브리드 전력 시스템(2)의 효율이 저하되는 것을 방지하여 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지(100)는 전류 제어 방법으로 연료전지(100)의 출력을 일정하게 유지하고, 배터리 팩(200)은 전압 제어 방법으로 DC 링크 전압을 제어함으로써 배터리 팩(200)의 일정한 충전율 유지와 과충전 및 과방전을 방지하여 전체 하이브리드 전력 시스템(2)의 안정성을 확보하고 수명을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 실시예의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 이하의 청구범위에서 정의하고 있는 실시예의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 실시예의 권리범위에 속하는 것이다.
따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되고 예시로서 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
100: 연료전지
200: 배터리 팩
300: 제1 DC/DC 컨버터
400: 제2 DC/DC 컨버터
500: 제어기
600: 인버터
700: 외부 부하

Claims (33)

  1. 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템에 있어서,
    상기 연료전지에 연결되고, 제1 스위칭 제어 신호에 따라 상기 연료전지에서 생산된 직류전압을 변환하여 DC링크에 제공하는 제1 DC/DC 컨버터;
    상기 배터리에 연결되고, 제2 및 제3 스위칭 제어 신호에 따라 상기 DC 링크의 전압을 변환하여 상기 배터리에 제공하거나, 상기 배터리의 직류전압을 변환하여 상기 DC 링크에 제공하는 제2 DC/DC 컨버터; 및
    상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 상기 연료전지의 출력전류 및 상기 DC 링크의 전압을 피드백 제어하는 상기 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지의 출력 전류를 모니터링하는 전류 측정부;
    상기 DC 링크의 전압을 모니터링하는 전압 측정부;
    상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하 및 상기 배터리의 충전율에 따라 목표 전류 값과 목표 전압 값을 설정하는 목표 설정부;
    상기 연료전지의 출력 전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 상기 제1 스위칭 제어 신호를 제어하는 전류 제어부; 및
    상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 제어하는 전압 제어부
    를 포함하여,
    상기 전류 제어부가 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하고, 상기 전압 제어부가 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는 연료전지, 태양광 전지 및 풍력 전지 중 적어도 어느 하나
    를 포함하는, 하이브리드 전력 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전력 시스템은,
    상기 연료전지와 상기 배터리가 하나의 시스템으로 구성된 일체형이거나, 두 개 이상의 독립 시스템이 연결된 시스템이고,
    연료전지-배터리, 태양광 전지-배터리, 풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-배터리, 연료전지-풍력 전지-배터리, 연료전지-태양광 전지-풍력 전지-배터리 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 하이브리드 전력 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬-이온 배터리, 납축전지 및 리튬 인산철 배터리 중 어느 하나를 포함하는 하이브리드 전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함하는, 하이브리드 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드 및 상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터를 포함하는, 하이브리드 전력 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 결정하고, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정하는, 하이브리드 전력 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 연료전지 부하에 따라 상기 연료전지의 목표 전류 값을 설정하고, 상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 배터리의 충전율에 따라 상기 목표 전류 값을 서로 다른 레벨로 설정하는, 하이브리드 전력 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 배터리 부하에 따라 상기 DC 링크의 목표 전압 값을 설정하고, 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 배터리의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 목표 전압 값을 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정하는, 하이브리드 전력 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 상기 충전 및 방전 속도를 결정하는, 하이브리드 전력 시스템.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전류 제어부는 상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하고, 상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어부는 상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하고, 상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 시스템.
  16. 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 장치에 있어서,
    상기 연료전지의 출력전류를 모니터링하는 전류 측정부;
    DC 링크의 전압을 모니터링하는 전압 측정부;
    상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값 및 목표 전압 값을 설정하는 목표 설정부;
    상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 제1 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 연료전지와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제1 DC/DC 컨버터에 출력하는 전류 제어부; 및
    상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제2 DC/DC 컨버터에 출력하는 전압 제어부
    를 포함하여,
    상기 전류 제어부가 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하고, 상기 전압 제어부가 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 전력 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함하는, 하이브리드 전력 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드; 및
    상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터
    를 포함하는, 하이브리드 전력 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 목표 설정부는 상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 고정시키고, 상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정하는, 하이브리드 전력 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율에 따라 상기 목표 전류 값을 서로 다른 레벨로 설정하는, 하이브리드 전력 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율에 따라 충전 및 방전 속도를 결정하고, 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 목표 전압 값을 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정하는, 하이브리드 전력 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 목표 설정부는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 상기 충전 및 방전 속도를 결정하는, 하이브리드 전력 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 전류 제어부는 상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하고, 상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 장치.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 전압 제어부는 상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하고, 상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하는, 하이브리드 전력 장치.
  25. 연료전지와 배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 장치의 제어 방법에 있어서,
    전류 측정부가 상기 연료전지의 출력전류를 모니터링하는 단계;
    전압 측정부가 DC 링크의 전압을 모니터링하는 단계;
    목표 설정부가 상기 DC 링크에 연결된 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하고, 상기 부하 분담 비율에 따라 목표 전류 값 및 목표 전압 값을 설정하는 단계;
    전류 제어부가 상기 연료전지의 출력전류가 상기 목표 전류 값을 추종하도록 제1 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 연료전지와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제1 DC/DC 컨버터에 출력하는 단계; 및
    전압 제어부가 상기 DC 링크의 전압이 상기 목표 전압 값을 추종하도록 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 사이에 연결된 제2 DC/DC 컨버터에 출력하는 단계
    를 포함하여,
    상기 전류 제어부가 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하고, 상기 전압 제어부가 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 연료전지의 직류전압을 승압하는 부스트 컨버터를 포함하는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 배터리의 직류전압을 승압하여 상기 DC 링크로 방전시키는 부스트 모드 및 상기 DC 링크의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 벅 모드 중 어느 하나로 동작하는 양방향 컨버터를 포함하는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 결정하는 단계는
    상기 연료전지가 분담하는 연료전지 부하를 일정한 크기로 결정하는 단계; 및
    상기 배터리가 분담하는 배터리 부하를 상기 외부 부하와 상기 연료전지 부하 간의 차이에 대응하는 크기로 결정하는 단계
    를 포함하는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 목표 전류 값은 상기 배터리의 충전율에 따라 서로 다른 레벨로 설정되는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 목표 전압 값은 상기 배터리의 충전율을 기초로 결정된 충전 및 방전 속도에 따라 상기 배터리의 개방 전압보다 일정 레벨 크거나 작게 설정되는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 충전 및 방전 속도는 상기 배터리의 충전율이 미리 설정된 최소 충전율과 최대 충전율 사이의 범위로 유지되도록 결정되는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  32. 제25항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 목표 전류 값과 상기 연료전지의 출력 전류 간의 편차를 비례 적분하여 제1 듀티 비를 계산하는 단계; 및
    상기 제1 듀티 비에 따라 상기 제1 스위칭 제어 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
  33. 제25항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 목표 전압 값과 상기 DC 링크의 전압 값 간의 편차를 비례 적분하여 제2 듀티 비를 계산하는 단계;
    상기 제2 듀티 비에 따라 상기 제2 및 제3 스위칭 제어 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는, 하이브리드 전력 장치의 제어 방법.
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