KR102594069B1 - 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 시스템 - Google Patents

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켄코아에비에이션 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 연료전지를 구동하는 단계; 상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정하는 단계; 상기 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하는 단계; 및 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전압을 재설정하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CHARGING ACCORDING TO OPERATING CHARACTERISTIC OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지로부터 입력되는 전력을 일정하게 유지한 상태에서 충전을 수행하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)은 수소와 산소의 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 친환경 에너지 발전장치로서, 종래의 발전장치를 대체할 수 있는 새로운 에너지 수단으로 이용될 가능성이 높다. 이에 따라 많은 관심을 받는 대상이지만 상용화를 위해서는 해결해야 할 문제도 많은 존재하는 것이 현실이다.
특히, 에너지 발전 중에 부하 변동으로 인하여 동적으로 연료전지의 전압이 변화될 수 있는데, 전압이 낮아지게 되면 연료전지의 열폭주가 발생되고 전압이 높아지게 되면 연료전지의 촉매가 산화되거나 연료전지 내부의 탄소가 연소됨에 따라 노화 및 기능 상실의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 최적의 전압으로 연료전지의 구동을 제어할 수 있는 방법이 요구된다.
한국 등록특허 제10-0835091호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지로부터 입력되는 전력을 일정하게 유지한 상태에서 최적 운전 전압으로 연료전지의 구동을 제어함으로써 배터리를 충전하는 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법을 제공한다. 상기 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법은, 상기 연료전지를 구동하는 단계, 상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정하는 단계, 상기 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하는 단계 및 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전압을 재설정하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 상기 연료전지로부터 입력되는 전압의 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)을 설정하는 단계를 더 포함한다.
다른 측면에서, 상기 전압상한값을 설정하는 단계는, 상기 연료전지로부터 입력되는 전압이 상기 전압상한값을 초과하는 것을 일정 횟수 이상 감지함에 기반하여 상기 배터리의 충전을 중단하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 연료전지를 구동하기 이전에, 상기 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전압 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 재설정하는 단계는, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전압을 제 2 입력 순응 전압(Second Input Adapting Voltage, 2nd IAV)으로 재설정하는 단계 및 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전압을 유지하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 제 2 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 제 2 입력 순응 전압은, 상기 제 1 입력 순응 전압보다 낮은 전압 또는 높은 전압으로 설정된다.
또 다른 측면에서, 상기 재설정하는 단계는, 상기 배터리가 정전압(Constant Voltage)인 상태 또는 상기 배터리의 충전상태(State of Charge)가 기 설정된 만충용량인 상태에 도달하기 전까지 상기 제 1 입력 순응 전압의 재설정을 반복하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법을 제공한다. 상기 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법은, 상기 연료전지를 구동하는 단계, 상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 기 설정된 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)로 설정하는 단계, 상기 제 1 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하는 단계 및 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전류를 재설정하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 상기 연료전지로부터 입력되는 전압의 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)을 설정하는 단계를 더 포함한다.
다른 측면에서, 상기 전압상한값을 설정하는 단계는, 상기 연료전지로부터 입력되는 전압이 상기 전압상한값을 초과하는 것을 일정 횟수 이상 감지함에 기반하여 상기 배터리의 충전을 중단하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 연료전지를 구동하기 이전에, 상기 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전류 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 재설정하는 단계는, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전류를 제 2 입력 순응 전류(Second Input Adapting Current, 2nd IAC)로 재설정하는 단계 및 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전류를 유지하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 제 2 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 상기 제 2 입력 순응 전류는, 상기 제 1 입력 순응 전류보다 높은 전류 또는 낮은 전류로 설정된다.
또 다른 측면에서, 상기 재설정하는 단계는, 상기 배터리가 정전압(Constant Voltage)인 상태 또는 상기 배터리의 충전상태(State of Charge)가 기 설정된 만충용량인 상태에 도달하기 전까지 상기 제 1 입력 순응 전류의 재설정을 반복하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템을 제공한다. 상기 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템은, 연료전지, 배터리, 상기 연료전지를 구동하는 연료전지부, 차저(Charger)의 출력 전압이 기준 전압보다 높으면 제한하는 정전압 모드(Constant Voltage) 회로, 상기 차저의 출력 전류가 기준 전류보다 높으면 제한하는 정전류 모드(Constant Current) 회로, 상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 정전압 모드 회로 및 상기 정전류 모드 회로의 동작을 기반으로 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정하고, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하고, 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전압을 재설정하는 충전 회로 및 상기 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 배터리부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템을 제공한다. 상기 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템은, 연료전지, 배터리, 상기 연료전지를 구동하는 연료전지부, 차저(Charger)의 출력 전압이 기준 전압보다 높으면 제한하는 정전압 모드(Constant Voltage) 회로, 상기 차저의 출력 전류가 기준 전류보다 높으면 제한하는 정전류 모드(Constant Current) 회로, 상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 정전압 모드 회로 및 상기 정전류 모드 회로의 동작을 기반으로 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 기 설정된 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)로 설정하고, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하고, 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전류를 재설정하는 충전 회로 및 상기 제 1 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 배터리부를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 실시 예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 시스템은 연료전지가 최적 상태에서 구동하도록 제어하여 연료전지의 열화 및 노화를 방지하는 효과가 있다.
또한, 부하의 구동이나 소모전력과 상관없이 배터리를 충전하는 효과가 있다.
또한, 배터리의 충전상태(SoC)를 적응적으로 조절하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 차저의 충전 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 입력 순응 전압을 설정함에 기반하여 충전을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 입력 순응 전류를 설정함에 기반하여 충전을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 부하 발생 시 연료전지의 구동 사이클을 나타낸 도면이다.
도 6은 연료전지의 스택 성능 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 종래의 충전 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 방식을 비교한 것을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 대한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 대한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다.
그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석되어야 할 것이다.
본 명세서에서 "A 또는 B(A or B)"는 "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 명세서에서 "A 또는 B(A or B)"는 "A 및/또는 B(A and/or B)"으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 "A, B 또는 C(A, B or C)"는 "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 "및/또는(and/or)"을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A/B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 이에 따라 "A/B"는 "오직 A", "오직 B", 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B, C"는 "A, B 또는 C"를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 "A 및 B 중 적어도 하나(at least one of A and B)"는, "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)"나 "적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)"라는 표현은 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"는, "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다. 또한, "적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)"나 "적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)"는 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템(100)은 연료전지(Fuel Cell)를 구동하여 생산된 전력(Power)을 기반으로 배터리를 충전하는 장치로서, 배터리에 잔여 전력이 부족하거나 부하의 구동으로 인하여 전력이 더 필요할 시, 연료전지를 구동하여 전력을 생산할 수 있다. 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템(100)은 연료전지(110), 배터리(120), 연료전지부(130), 충전 회로(140) 및 배터리부(150)를 포함할 수 있다. 충전 회로(140)는 정전압 모드 회로, 정전류 모드 회로, 입력 전압의 정전압 모드를 위한 입력 전압 검출 증폭 회로 및 입력 전류의 정전류 모드를 위한 입력 전류 검출 증폭 회로를 포함할 수 있다. 도 1의 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템(100)을 기반으로 하여, 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행 가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)이 구현될 수도 있다. 상기 프로그램은 일시적 또는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
연료전지(110)는 충전 시스템(100)에 구비되어 전력(Power)을 생산하는 장치이다. 연료전지(110)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜서 전력을 생산할 수 있다. 연료전지(110)는 수소를 연료로 이용해 공기 중의 산소와 반응시켜서 전기 에너지를 생산하는 수소 연료전지인 경우를 예시로 설명하였으나 다른 종류의 연료전지를 적용할 수 있다.
배터리(120)는 충전 시스템(110)에 구비되어 연료전지에서 생산된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 부하의 구동에 제공하는 장치이다. 배터리(120는 충전 및 방전이 다수 이루어지는 2차전지 또는 축전지인 경우를 예시로 설명하였으나 다른 종류의 배터리를 적용할 수 있다.
연료전지부(130)는 충전 시스템(100)에 구비된 연료전지(110)를 구동하는 장치이다. 연료전지부(130)는 연료전지(110)를 온(On) 또는 오프(Off)하여 연료전지(110)의 전기화학 반응을 구동 또는 중지할 수 있다. 연료전지부(130)는 연료전지(110)를 온 하는 경우, 충전 시스템(100)에 구비된 Air blower를 함께 구동하여 연료전지(110)에 공기를 압축하여 분사함으로써 연료전지(110)의 발전 동작을 보조할 수 있다. 연료전지부(130)는 충전 시스템(100)에 구비된 마이컴(Micom), 프로세서, CPU, AP 등으로 구현될 수 있다. 이하에 설명되는 연료전지부(130)는 마이컴인 경우를 예시로 설명하였으나, 상술한 다른 종류의 장치들을 적용할 수도 있다.
충전 회로(140)는 연료전지(110)가 구동됨에 따라 생산되는 전력을 배터리(120)로 전달하는 장치이다. 충전 회로(140)는 충전 시스템(100)의 차저(Charger)에 구비될 수 있으며, 연료전지(110)로부터 차저로 입력되는 전력이 차저로부터 배터리(120)로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 배터리 충전 동작을 수행할 수 있다. 충전 회로(140)는 연료전지(110)로부터 입력되는 전압을 입력 순응 전압(Input Adapting Voltage)으로 설정하여 연료전지(110)의 입력 전압을 고정시킬 수 있다. 즉, 충전 회로(140)는 연료전지(110)로부터 입력되는 전압을 고정시킨 상태에서 배터리(120)를 충전할 수 있다.
전압이 고정된 상태에서 충전을 진행하게 되므로, 충전 회로(140)로부터 출력되는 출력 전류는 서서히 감소될 수 있다. 충전 회로(140)는 출력 전류가 점차 감소되는 것을 감지할 수 있으며, 일정 시점 후 출력 전류가 전류하한값(Low Detect Current)에 도달하면 더 이상 전류가 낮아지지 않게 하기 위해서 입력 순응 전압을 재설정할 수 있다. 즉, 연료 전지의 출력을 상향 또는 하향 조정하거나 배터리 충전 조건 변화에 따라 이전에 설정된 입력 순응 전압 대비 좀 더 낮은 전압 또는 좀 더 높은 전압으로 입력 순응 전압을 재설정하여 출력을 제어할 수 있다. 충전 회로(140)는 이러한 과정을 반복함으로써 배터리 충전을 수행할 수 있다. 충전 회로(140)는 배터리(120)가 만충 상태(배터리 전압이 정전압(Constant Voltage)인 상태 또는 배터리의 충전상태(State of Charge)가 기 설정된 만충용량인 상태)에 다다르면 충전을 중단할 수 있으며, 필요 시 기 설정된 만충 상태에서 좀 더 충전을 수행할 수도 있다. 충전 회로(140)는 충전 시스템(100)의 차저에 구비된 회로, 전기적 소자 등으로 구현될 수 있으며, 충전 시스템(100)의 마이컴(Micom), 프로세서, CPU, AP 등의 제어에 따라 구동될 수 있다.
배터리부(150)는 충전 회로(140)로부터 전달된 전력을 이용하여 배터리(120)를 충전하는 장치이다. 배터리부(150)는 배터리(120)의 잔여 전력을 측정할 수 있다. 배터리부(150)는 배터리(120)의 전력이 부족한 경우 잔여 전력을 측정한 결과를 연료전지부(130)에 전달하여 연료전지(110)가 구동되도록 할 수 있다. 배터리부(150)는 충전 시스템(100)에 구비된 마이컴(Micom), 프로세서, CPU, AP 등으로 구현될 수 있다. 이하에 설명되는 배터리부(150)는 마이컴인 경우를 예시로 설명하였으나, 상술한 다른 종류의 장치들을 적용할 수도 있다.
한편, 도 1을 통해 도시한 바와 같이 연료전지부(130), 충전 회로(140) 및 배터리부(150)는 그 기능에 따라 각각 마이컴 1, 마이컴 2에 의해 제어되는 회로, 및 마이컴 3으로 구현된 것을 예시로 설명하였으나, 필요에 따라 하나의 마이컴으로 통합될 수도 있다.
도 2는 차저의 충전 회로를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면 충전 회로는 도 1을 통해 설명한 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템(100)의 충전 회로(140)로 구현될 수 있다. 충전 회로(140)는 정전압 모드(Constant Voltage Mode) 회로(210), 정전류 모드(Constant Current Mode) 회로(220), 입력 전압의 정전압 모드를 위한 입력 전압 검출 증폭 회로(230) 및 입력 전류의 정전류 모드를 위한 입력 전류 검출 증폭 회로(240)를 포함할 수 있다. 각각의 회로들은 도 1의 마이컴 2에 의해 제어될 수 있다. 충전 회로(140)는 입력 전압이 낮은 경우 또는 입력 전류가 큰 경우 이를 제한함으로써 연료전지가 일정한 입력 전압을 유지하면서 전력을 출력하도록 제어할 수 있다.
정전압 모드 회로(210)는 차저로부터 배터리로 출력되는 출력 전압(Output Voltage)이 높으면 이를 제한하는 검출 증폭 회로이다. 예를 들어, 정전압 모드 회로(210)는 차저의 출력 전압과 기준 전압(Reference Voltage)을 비교하여 출력 전압이 기준 전압보다 높으면 출력을 제한할 수 있다. 즉, 출력 전압을 정전압 범위 내에서 유지하는 동작을 수행할 수 있다.
정전류 모드 회로(220)는 차저로부터 배터리로 출력되는 출력 전류(Output Current)가 높으면 이를 제한하는 검출 증폭 회로이다. 예를 들어, 정전류 모드 회로(220)는 차저의 출력 전류와 기준 전류(Reference Current)를 비교하여 출력 전류가 기준 전류보다 높으면 출력을 제한할 수 있다. 즉, 출력 전류를 정전류 범위 내에서 유지하는 동작을 수행할 수 있다.
이와 같이 정전압 모드 회로(210) 및 정전류 모드 회로(220)가 각각 차저로부터 출력되는 전압과 전류를 제한하는 동작을 수행함에 기반하여 차저로부터 출력되는 전력(Output Power)는 입력 전력(Input Power)보다 높은 상태가 유지될 수 있다. 즉, 연료전지로부터 차저로 입력되는 전력이 차저로부터 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태가 될 수 있다.
충전 회로(140)는 이러한 상태에서 연료전지로부터 입력되는 전압을 입력 순응 전압(Input Adapting Voltage, IAV)으로 설정하거나, 연료전지로부터 입력되는 전류를 입력 순응 전류(Input Adapting Current, IAC)로 설정할 수 있다. 다시 말해, 배터리를 충전하는 중 연료전지로부터 입력되는 전압 또는 전류를 일정한 값으로 고정시키는 동작을 수행할 수 있다. 마이컴 2는 입력 전압 검출 증폭 회로(230) 및 입력 전류 검출 증폭 회로(240) 중 하나를 구동하여 상술한 동작을 각각 수행할 수 있다.
일 예로, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)를 제어하여 차저로 입력되는 전압이 기준 전압(ref)보다 낮으면 입력 전압을 제어하여 입력 전력을 제한할 수 있다. 여기에서 입력 전압 검출 증폭 회로(230)의 기준 전압은 입력 순응 전압(IAV)일 수 있다. 즉, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 입력 전압과 입력 순응 전압(IAV)을 비교하여 입력 전압을 입력 순응 전압과 동일한 값으로 일정하게 유지하는 동작을 수행할 수 있다. 다시 말해, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 연료전지로부터 입력되는 입력 전압을 입력 순응 전압으로 일정하게 유지되게 제어함으로써 입력 전압을 정전압화 할 수 있다.
다른 예로, 입력 전류 검출 증폭 회로(240)를 제어하여 차저로 입력되는 전류가 기준 전류(ref)보다 높으면 입력 전류를 제한할 수 있다. 여기에서 입력 전류 검출 증폭 회로(240)의 기준 전류는 입력 순응 전류(IAC)일 수 있다. 즉, 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 입력 전류와 입력 순응 전류(IAC)를 비교하여 입력 전류를 입력 순응 전류와 동일한 값으로 일정하게 유지하는 동작을 수행할 수 있다. 단, 전류를 설정하는 경우에는 입력 전압이 정전압 범위 내에 있는지 모니터링을 하면서 전류를 설정할 수 있다. 이에 따라 입력 순응 전압을 이용하는 방식과 입력 순응 전류를 이용하는 방식은 실질적으로 동일한 방식으로 배터리를 충전하게 된다. 다시 말해, 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 연료전지로부터 입력되는 입력 전류를 입력 순응 전류로 일정하게 유지되게 제어함으로써 입력 전류를 정전류화 할 수 있다.
마이컴 2는 입력 전압 검출 증폭 회로(230) 또는 입력 전류 검출 증폭 회로(240)의 동작을 배터리의 충전이 완료될 때까지 반복하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 매 사이클 마다 입력 전압 검출 증폭 회로(230)를 이용하여 입력 전압을 제어하거나, 입력 전류 검출 증폭 회로(240)를 이용하여 입력 전류를 제어할 수 있다. 이러한 동작에 따라 연료전지로부터 입력되는 입력 전압 또는 입력 전류가 연료전지의 최적 구동 범위 내에서 일정하게 유지될 수 있다.
도 3은 입력 순응 전압을 설정함에 기반하여 충전을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3의 상단은 차저 입력 전압(Charger Input Voltage) 및 차저 입력 전류(Charger Input Current)에 대한 그래프이며, 도 3의 중단은 차저 출력 전압(Charger Output Voltage) 및 차저 출력 전류(Charger Output Current)에 대한 그래프이고, 도 3의 하단은 배터리팩의 충전상태(Battery Pack SoC)에 대한 그래프이다. 차저 입력 전압은 점선으로, 차저 입력 전류는 1점 쇄선으로, 차저 출력 전압은 실선으로, 차저 출력 전류는 2점 쇄선으로 표시하였다.
도 3을 참조하면 입력 순응 전압(Input Adapting Voltage, IAV)의 설정은 도 2를 통해 설명한 입력 전압 검출 증폭 회로(230)에서 수행될 수 있다. 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 A 시점 내지 G 시점 순으로 동작할 수 있다. 예를 들어, A 시점은 연료전지가 구동된 시점일 수 있고, B 시점은 연료전지로부터 차저(Charger)로 전력이 전달되는 시점일 수 있고, C 시점 및 D 시점은 입력 순응 전압을 재설정하는 시점일 수 있고, E 시점, F 시점은 차저의 입력 전압이 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)에 도달한 시점일 수 있고, G 시점은 충전 프로세스를 종료한 시점일 수 있다. 이하 각 시점 순으로 충전 시스템(100)의 동작을 설명한다.
A 시점에서 연료전지가 구동되면, 잠시 후 B 시점에서 차저로 전력이 전달된다. A 시점에서 연료전지로부터 차저에 전달되는 전압(Charger Input Voltage)은 입력 전압 검출 증폭 회로(230)에서 제어하기 이전의 전압으로 제어하고자 하는 전압(IAV)보다 높은 전압일 수 있다.
B 시점에서 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)을 설정한다. 제 1 입력 순응 전압은 배터리를 충전하기 이전에 설정될 수 있다. 충전 시스템(100)는 충전을 수행하기 전, 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전압 및 전압상한값 중 적어도 하나를 입력받아 각 회로의 설정값을 설정할 수 있다. 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보는 연료전지의 제조사로부터 제공되는 스펙 정보(Specification Information)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 관리자로부터 스펙 정보를 입력받아 상술한 설정값을 자동으로 설정할 수도 있고, 관리자가 스펙 정보를 참조로 하여 직접 설정값을 입력할 수도 있다.
한편, 제 1 입력 순응 전압을 설정함에 기반하여 연료전지로부터 입력되는 전압(Charger Input Voltage)는 제 1 입력 순응 전압과 동일한 전압으로 고정될 수 있다. 전압이 고정되어 있으므로 차저로부터 출력되는 전류(Charger Output Voltage)는 점점 감소될 수 있다. 이때, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 감소되는 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지할 수 있다. 예를 들어, 충전 초기에 측정된 제 1 출력 전류(First Initial Measure Charge Current, 1st IMCC)와 현재 전류 간의 차이가 기 설정된 전류차(Delta Current, DC)에 상응하는지 비교함으로써 차저에서 출력되는 전류가 제 1 전류 하한값에 도달했는지 감지할 수 있다. 즉, 제 1 출력 전류에서 제 1 전류하한값을 뺀 결과가 사전에 설정한 전류차와 동일한지 비교할 수 있다. 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 제 1 출력 전류가 제 1 전류 하한값에 도달한 것으로 감지하면 입력 순응 전압을 재설정하고 제 1 출력 전류가 제 1 전류 하한값에 도달하지 못한 것으로 감지하면 현재 설정된 입력 순응 전압을 유지할 수 있다.
C 시점에서 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 연료전지의 입력 전압을 제 2 입력 순응 전압(2nd IAV)으로 재설정할 수 있다. 제 2 입력 순응 전압은 제 1 입력 순응 전압보다 미세하게 낮은 전압일 수 있으며, 연료전지의 최적 출력 범위 이내의 전압값 중 하나로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전료 전지의 최적 전압이 0.7V에서 1.0V 사이라면, 제 1 입력 순응 전압은 0.74V, 제 2 입력 순응 전압은 0.72V일 수 있다. 연료 전지의 출력을 상향 또는 하향 조정하거나 배터리 충전 조건 변화에 따라 이전에 설정된 입력 순응 전압(IAV) 대비 좀 더 낮은 전압 또는 좀 더 높은 전압으로 입력 순응 전압을 재설정하여 출력을 제어할 수 있다. 이후 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 감소되는 전류가 제 2 전류하한값(2nd LDC)에 도달하는지 감지할 수 있다.
D 시점에서 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 C 단계에서의 동작을 반복할 수 있다. 예를 들어, N번째 입력 순응 전압(N IAV)을 설정하고 이에 기반하여 출력 전류를 N번째 출력 전류(N IMCC)로 제어할 수 있다. 즉, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 배터리를 충전하는 중, C 시점과 D 시점에서의 동작을 반복할 수 있다. 이에 따라 연료전지는 고정된 전압으로 일정하게 구동될 수 있으며, 차저로 입력되는 전압이 고정되어 있으므로 차저에서 출력 전류는 배터리 충전이 진행되는 중 지속적으로 감소될 수 있다. 즉, 도 3 중단의 차저 출력 전류 그래프(2점 쇄선)와 같이 테이퍼 형상의 그래프가 반복적으로 나타낼 수 있다. 이때, 제 1 출력 전류부터 제 2 출력 전류 사이의 기울기는 제 2 출력 전류부터 제 3 출력 전류 사이의 기울기와 서로 다를 수 있다. 기울기뿐만 아니라 제 1 출력 전류부터 제 2 출력 전류 사이의 텀이나 전류값 자체도 차이가 존재할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 입력 전압 검출 증폭 회로(230)가 입력 순응 전압을 반복적으로 재설정함에 기반하여 충전이 이루어지면, 배터리(배터리팩)의 충전 상태(State of Charge, SoC)는 점점 만충 상태에 가까위지게 된다. 즉, E 시점에서 배터리의 충전 상태는 정전압(CV) 레벨에 도달하게 된다. 충전 시스템(100)는 충전중인 배터리의 전압이 점점 증가하는 것을 감지할 수 있다.
F 시점, G 시점에서 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 배터리 전압이 정전압(CV) 레벨에 도달하면 만충 용량 조건이 설정(예를 들어, 80%로 설정)된 배터리가 만충 상태가 된 것으로 판단(예를 들어, 용량이 80%에 다다른 것으로 판단)할 수 있다. 예를 들어, 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 차저로 입력되는 입력 전압이 제 1 전압상한값(First Increasing Voltage Detect Point, 1st IVDP)에 도달하였는지 감지함으로써 배터리가 만충 상태인지 판단할 수 있다. 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 전압 상한값에 도달하는 횟수를 사전에 설정할 수 있으며 입력 전압이 전압상한값에 몇 회 도달하였는지 카운트함(예를 들어, N번째 IVDP(N IVDP)에 도달하였는지)으로써 배터리의 만충 상태를 판단할 수 있다. 여기에서 배터리의 만충 상태라 함은 배터리 수명을 고려하여 80% 내지 85%로 충전된 상태를 의미한다. 충전 시스템(100)의 설정에 따라 배터리 만충 상태에 따른 정전압 레벨이 결정될 수 있다.
G 시점에서 전압상한값(N IVDP)을 한번 더 감지하면 입력 전압 검출 증폭 회로(230)는 충전 프로세스를 종료(연료 전지 구동 종료 및 충전 종료)할 수 있다. G 시점에서는 입력 순응 전압을 재설정하지 않으므로 차저 출력 전류는 종료 전류(Termination Current)로 떨어지게 된다. 예시적으로 입력 전압 검출 증폭 회로(230)가 F 시점과 G 시점에 각각 1회씩 총 2회 전압상한값을 감지한 것으로 설명하였으나 전압상한값을 감지하는 횟수는 얼마든지 변경될 수 있다.
도 4는 입력 순응 전류를 설정함에 기반하여 충전을 수행하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4의 상단은 차저 입력 전압(Charger Input Voltage) 및 차저 입력 전류(Charger Input Current)에 대한 그래프이며, 도 3의 중단은 차저 출력 전압(Charger Output Voltage) 및 차저 출력 전류(Charger Output Current)에 대한 그래프이고, 도 3의 하단은 배터리팩의 충전상태(Battery Pack SoC)에 대한 그래프이다. 차저 입력 전압은 점선으로, 차저 입력 전류는 1점 쇄선으로, 차저 출력 전압은 실선으로, 차저 출력 전류는 2점 쇄선으로 표시하였다.
도 4를 참조하면 입력 순응 전류의 설정은 도 2를 통해 설명한 입력 전류 검출 증폭 회로(240)에서 수행될 수 있다. 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 연료전지로부터 입력되는 전류를 입력 순응 전류로 설정하는 방식으로 배터리 충전을 수행할 수 있다.
제어하는 대상이 전압이 아닌 전류라는 점에서 차이점이 있을 뿐, 전체적으로 도 3을 통해 설명한 입력 순응 전압 설정 방식과 유사하다. 즉, B, C, D 시점을 제외하고 나머지 시점에서의 동작은 도 3의 방식과 동일하게 수행될 수 있다. 이하에는 B, C, D 시점에서 변경된 동작에 대해서만 설명한다.
B 시점에서 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)를 설정한다. 제 1 입력 순응 전류 또한 입력 순응 전압과 마찬가지로 배터리를 충전하기 이전에 설정될 수 있다. 충전 시스템(100)는 충전을 수행하기 전, 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전류 및 전압상한값 중 적어도 하나를 입력받아 회로를 설정할 수 있다. 입력 전류 검출 증폭 회로(240)가 설정하는 대상은 차저에 입력되는 전류이나, 실제로는 차저에 입력되는 전압 또한 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 도 3에서 입력 순응 전압을 설정한 것과 동일하게 차저로부터 출력되는 전류(Charger Output Voltage)가 점점 감소될 수 있다.
C 시점에서 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 연료전지의 입력 전류를 제 2 입력 순응 전류(2nd IAC)로 재설정할 수 있다. 제 2 입력 순응 전류는 제 1 입력 순응 전류보다 미세하게 높은 전류일 수 있으며, 연료전지의 최적 출력 범위 이내의 전류값 중 하나로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전료 전지의 최적 전류가 0.7A에서 1.0A 사이라면, 제 1 입력 순응 전류는 0.85A, 제 2 입력 순응 전류는 0.9A일 수 있다. 연료 전지의 출력을 상향 또는 하향 조정하거나 배터리 만충 용량의 조정(예를 들어, 80% ->85%로 조정)에 따라 이전에 설정된 입력 순응 전류(IAC) 대비 좀 더 높은 전류 또는 좀 더 낮은 전류로 입력 순응 전류를 재설정하여 출력을 제어할 수 있다.
D 시점에서 입력 전류 검출 증폭 회로(240)는 C 단계에서의 동작을 반복할 수 있다. 즉, N번째 입력 순응 전류(N IAC)를 설정하고 이에 기반하여 출력 전류를 N번째 출력 전류(N IMCC)로 제어할 수 있다. 충전 시스템(100)는 배터리를 충전하는 중, C 시점과 D 시점에서의 동작을 반복할 수 있다.
도 5는 부하 발생 시 연료전지의 구동 사이클을 나타낸 도면이다.
도 5의 상단은 부하 소모전력(Load Power) 및 연료전지의 생산전력(Fuel Cell Power)을 나타낸 그래프이고, 도 5의 하단은 배터리픽의 충전 상태(Battery Pack SoC)를 나타낸 그래프이다. 도 5의 케이스는 초기에 부하의 소모전력이 크게 발생되었다가 점차 줄어드는 상황에서 연료전지가 어떻게 구동되는지, 배터리가 어떻게 충전되는지를 시간의 흐름에 따라 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면 연료전지의 구동 사이클은 부하 시작(Load Strat), 연료전지 시작(FC Start), 부하 중지(Load Stop) 및 연료전지 중지(FC Stop) 순으로 진행될 수 있다. 연료전지는 부하가 시작된 시점으로부터 얼마 후 구동되어 전력을 생산할 수 있다. 연료전지의 구동 시점은 배터리의 충전 상태(Battery Pack SoC)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 배터리의 잔여 전력이 부하 구동에 충분한 상태라면 연료전지의 구동 시점이 더 뒤로 미뤄질 수 있고, 배터리의 잔여 전력이 부족한 상태라면 연료전지의 구동 시점이 더 앞으로 당겨질 수 있다.
한편, 연료전지로부터 생성된 전력은 연료전지의 중단 시점까지 충전 장치에 일정하게 공급될 수 있다. 즉, 부하의 전력 소모가 많은지 또는 적은지에 따라 배터리 충전을 수행하지 않고, 배터리의 충전 상태만을 고려하여 일정하게 구동될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 시작 시점부터 중단 시점까지 실제 부하의 전력소모량은 점차 변화하고 있지만(높았다가 적어짐) 연료전지는 이와 상관없이 일정하게 전력을 생산하도록 구동되고 있다. 다시 말해, 충전 시스템(100)이 부하의 전력 소모를 고려하여 실시간으로 연료전지의 전력 생산을 늘리거나 줄이는 것이 아니라, 전력 생산을 종료하는 시점을 제어(더 뒤로 미루거나, 더 앞당기거나)하는 방식으로 연료전지 구동을 제어할 수 있다. 이에 따라 충전 시스템(100)은 연료 전지를 최적 상태에서 안정적으로 구동할 수 있다.
도 6은 연료전지의 스택 성능 곡선을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 연료전지는 최적의 출력 전압 구간에서 구동되어야 성능을 보장할 수 있으며 이 구간보다 낮은 전압이나 높은 전압에서 구동될 경우 성능이 저하되거나 수명이 단축될 수 있다. 일 예로, 최적 출력 전압 대비 낮은 전압으로 구동될 경우 연료전지가 과열될 수 있다. 다른 예로, 최적 출력 전압 대비 높은 전압으로 구동될 경우 연료전지의 촉매(백금 촉매)가 산화되거나 탄소가 연소되어 제기능을 수행하지 못할 수 있다.
한편, 연료전지의 제조사, 모델 등에 따라 최적 출력 전압 구간은 다소 달라질 수 있다. 따라서, 연료전지의 제조사로부터 제공되는 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 충전 시스템(100)에 구비된 연료전지의 최적 출력 전압 구간을 식별하게 이를 기반으로 입력 순응 전압을 설정함으로써 연료전지의 열화 및 노화를 방지할 수 있다.
도 7은 종래의 충전 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 방식을 비교한 것을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면 좌측 그래프는 일반적인 충전 방식을 나타내고, 중앙과 우측 그래프는 본 발명의 충전 시스템(100)의 충전 방식을 나타낸다. 먼저 일반적인 충전 방식은 충전 전압과 충전 전류 중 설정된 최대값 제한 전압 또는 제한 전류에 의하여 제어되는 방식이다. 즉, 제한 전압 또는 제한 전류를 초과하지 못하도록 하는 방식으로 충전을 제어할 수 있다.
반면, 본 발명의 충전 시스템(100)의 충전 방식은 최저 입력 전압 설정에 대한 제한 전압에 의하여 제어되는 방식이다. 즉, 제한 전압(입력 순응 전압) 이하로 내려가지 못하도록 제어할 수 있다. 초기 충전 전류 대비 감소되는 출력 전류의 차이값에 의하여 충전기를 온 또는 오프하거나 연료 전지의 출력 전력을 높이도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 입력 전압 제어에 의한 정전력으로 충전 시, 충전 시간이 경과됨에 따라 고정된 입력 전력 대비 배터리의 충전으로 배터리 전압이 상승하여 충전 전류는 감소하게 된다. 이때, 미리 감소되는 전류량(델타값)을 미리 설정하여 설정값 이하로 내려가면 연료전지의 출력을 높이도록 제어하고, 배터리가 충전됨에 따라 출력 전력이 감소하여 입력 전압이 설정 전압(전압상한값, IVDP) 이상으로 상승하면 충전기를 끄거나 연료전지의 출력을 낮추도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 대한 순서도이다.
도 8을 참조하면 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법(800)은 S810 내지 S840 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법(800)은 도 1 내지 도 7을 통해 설명한 충전 시스템(100)에 의한 동작으로 설명된다.
S810 단계에서 충전 시스템(100)은 연료전지를 구동한다. 충전 시스템(100)은 배터리 충전을 위한 전력을 생산하도록 연료전지를 구동시킬 수 있다. 충전 시스템(100)은 S810 단계를 수행하기 전, 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전압 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 수행할 수 있다.
S820 단계에서 충전 시스템(100)은 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정한다. 충전 시스템(100)은 연료전지로부터 차저로 입력되는 전압을 입력 순응 전압으로 제한한 후, 입력 순응 전압을 일정하게 유지할 수 있다.
충전 시스템(100)은 연료전지로부터 입력되는 전압의 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)을 설정하는 단계를 더 수행할 수 있다. 충전 시스템(100)은 연료전지로부터 입력되는 전압이 전압상한값을 초과하는 것을 일정 횟수 이상 감지하면 배터리의 충전을 중단할 수 있다. 전압상한값을 설정하는 단계는 S820 단계와 동시에 수행될 수도 있고, 순차적으로 수행될 수도 있다.
S830 단계에서 충전 시스템(100)은 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 배터리를 충전하는 중, 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지한다. 충전 시스템(100)은 S830 단계를 수행하기 전 출력 전류에 대한 전류차(Delta Current)를 설정할 수 있으며, 최초 출력 전류에서 점차 감소되는 전류값이 전류하한값(최초 출력 전류에서 전류차를 뺀 값)에 도달하는지 감지할 수 있다.
S840 단계에서 충전 시스템(100)은 감지 결과를 기반으로 제 1 입력 순응 전압을 재설정한다. 충전 시스템(100)은 출력 전류가 제 1 전류하한값에 도달하면 제 1 입력 순응 전압을 제 2 입력 순응 전압(Second Input Adapting Voltage, 2nd IAV)으로 재설정할 수 있다. 충전 시스템(100)은 출력 전류가 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 제 1 입력 순응 전압을 유지할 수 있다. 충전 시스템(100)은 제 2 입력 순응 전압으로 재설정할 경우, 제 2 입력 순응 전압에 기반하여 배터리를 충전할 수 있다. 그리고 충전 중, 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지할 수 있다. 충전 시스템(100)은 배터리의 충전상태가 만충상태에 도달하기 전까지 입력 순응 전압의 재설정을 반복하는 단계를 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 대한 순서도이다.
도 9를 참조하면 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법(900)은 S910 내지 S940 단계를 포함한다. 본 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법(900)은 도 1 내지 도 7을 통해 설명한 충전 시스템(100)에 의한 동작으로 설명된다. 도 9의 충전 방법(900)은 S920, S940 단계를 제외하고 도 8의 충전 방법(800)과 동일하게 수행될 수 있다.
S910 단계에서 충전 시스템(100)은 연료전지를 구동한다. S910 단계는 도 8의 S810 단계와 동일하게 수행될 수 있다. 충전 시스템(100)은 S810 단계를 수행하기 전, 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전류 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 수행할 수 있다.
S920 단계에서 충전 시스템(100)은 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 연료전지로부터 입력되는 전류를 기 설정된 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)로 설정한다. 충전 시스템(100)은 연료전지로부터 차저로 입력되는 전류를 입력 순응 전류로 제한할 수 있다. 충전 시스템(100)은 차저로 입력되는 전류를 입력 순응 전류로 제한함으로써 차저로 입력되는 전압을 입력 순응 전압으로 제한하는 효과를 갖는다.
S930 단계에서 충전 시스템(100)은 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 배터리를 충전하는 중, 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지한다. S930 단계는 도 8의 S830 단계와 동일하게 수행될 수 있다.
S940 단계에서 충전 시스템(100)은 감지 결과를 기반으로 제 1 입력 순응 전류를 재설정한다. 충전 시스템(100)은 출력 전류가 제 1 전류하한값에 도달하면 제 1 입력 순응 전류를 제 2 입력 순응 전류(Second Input Adapting Current, 2nd IAC)으로 재설정할 수 있다. 충전 시스템(100)은 출력 전류가 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 제 1 입력 순응 전류를 유지할 수 있다. 충전 시스템(100)은 제 2 입력 순응 전류로 재설정할 경우, 제 2 입력 순응 전류에 기반하여 배터리를 충전할 수 있다. 그리고 충전 중, 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지할 수 있다. 충전 시스템(100)은 배터리의 충전상태가 만충상태에 도달하기 전까지 입력 순응 전압의 재설정을 반복하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고하여 설명되었지만 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 있어서,
    상기 연료전지를 구동하는 단계;
    상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정하는 단계;
    상기 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하는 단계; 및
    감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전압을 재설정함에 따라 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 일정하게 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전압을 제 2 입력 순응 전압(Second Input Adapting Voltage, 2nd IAV)으로 재설정하는 단계; 및
    상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전압을 유지하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 입력되는 전압의 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)을 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전압상한값을 설정하는 단계는,
    상기 연료전지로부터 입력되는 전압이 상기 전압상한값을 초과하는 것을 일정 횟수 이상 감지함에 기반하여 상기 배터리의 충전을 중단하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지를 구동하기 이전에, 상기 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전압 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 입력 순응 전압은, 상기 제 1 입력 순응 전압보다 낮은 전압 또는 높은 전압으로 설정되는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 배터리가 정전압(Constant Voltage)인 상태 또는 상기 배터리의 충전상태(State of Charge)가 기 설정된 만충용량인 상태에 도달하기 전까지 상기 제 1 입력 순응 전압의 재설정을 반복하는 단계를 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  9. 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법에 있어서,
    연료전지를 구동하는 단계;
    상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 기 설정된 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)로 설정하는 단계;
    상기 제 1 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하는 단계; 및
    감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전류를 재설정함에 따라 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 일정하게 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전류를 제 2 입력 순응 전류(Second Input Adapting Current, 2nd IAC)로 재설정하는 단계; 및
    상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전류를 유지하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 입력되는 전압의 전압상한값(Increasing Voltage Detect Point, IVDP)을 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전압상한값을 설정하는 단계는,
    상기 연료전지로부터 입력되는 전압이 상기 전압상한값을 초과하는 것을 일정 횟수 이상 감지함에 기반하여 상기 배터리의 충전을 중단하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지를 구동하기 이전에, 상기 연료전지에 대한 최적 구동 및 최적 온도에 대한 정보를 기반으로 차저(Charger)의 정전압(Constant Voltage, CV), 정전류(Constant Current, CC), 종료전류(Termination Current, TC), 전류차(Delta Current, DC), 입력 순응 전류 및 전압상한값 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 중, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 2 전류하한값(Second Low Detect Current, 2nd LDC)에 도달하는지 감지하는 단계를 더 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 입력 순응 전류는, 상기 제 1 입력 순응 전류보다 높은 전류 또는 낮은 전류로 설정되는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 배터리가 정전압(Constant Voltage)인 상태 또는 상기 배터리의 충전상태(State of Charge)가 기 설정된 만충용량인 상태에 도달하기 전까지 상기 제 1 입력 순응 전류의 재설정을 반복하는 단계를 포함하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 방법.
  17. 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템에 있어서,
    연료전지;
    배터리;
    상기 연료전지를 구동하는 연료전지부;
    차저(Charger)의 출력 전압이 기준 전압보다 높으면 제한하는 정전압 모드(Constant Voltage) 회로;
    상기 차저의 출력 전류가 기준 전류보다 높으면 제한하는 정전류 모드(Constant Current) 회로;
    상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 정전압 모드 회로 및 상기 정전류 모드 회로의 동작을 기반으로 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 기 설정된 제 1 입력 순응 전압(First Input Adapting Voltage, 1st IAV)으로 설정하고, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하고, 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전압을 재설정함에 따라 상기 연료전지로부터 입력되는 전압을 일정하게 제어하는 충전 회로; 및
    상기 제 1 입력 순응 전압에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 배터리부를 포함하되,
    상기 충전 회로는, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전압을 제 2 입력 순응 전압(Second Input Adapting Voltage, 2nd IAV)으로 재설정하고, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전압을 유지하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템.
  18. 연료전지를 이용한 배터리의 충전 시스템에 있어서,
    연료전지;
    배터리;
    상기 연료전지를 구동하는 연료전지부;
    차저(Charger)의 출력 전압이 기준 전압보다 높으면 제한하는 정전압 모드(Constant Voltage) 회로;
    상기 차저의 출력 전류가 기준 전류보다 높으면 제한하는 정전류 모드(Constant Current) 회로;
    상기 연료전지로부터 입력되는 전력(Power)이 상기 정전압 모드 회로 및 상기 정전류 모드 회로의 동작을 기반으로 상기 배터리로 출력되는 전력보다 작은 상태에서 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 기 설정된 제 1 입력 순응 전류(First Input Adapting Current, 1st IAC)로 설정하고, 상기 배터리로 출력하는 출력 전류가 제 1 전류하한값(First Low Detect Current, 1st LDC)에 도달하는지 감지하고, 감지 결과를 기반으로 상기 제 1 입력 순응 전류를 재설정함에 따라 상기 연료전지로부터 입력되는 전류를 일정하게 제어하는 충전 회로; 및
    상기 제 1 입력 순응 전류에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 배터리부를 포함하되,
    상기 충전 회로는, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하면 상기 제 1 입력 순응 전류를 제 2 입력 순응 전류(Second Input Adapting Current, 2nd IAC)로 재설정하고, 상기 출력 전류가 상기 제 1 전류하한값에 도달하지 않으면 상기 제 1 입력 순응 전류를 유지하는, 연료전지를 이용한 배터리의 충전 장치.
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