KR102622871B1 - Energy storage system comprising coupled inductors - Google Patents

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Abstract

커플드 인덕터(coupled inductor)를 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공된다. 상기 에너지 저장 시스템은 연료전지, 상기 연료전지의 양극 단자와 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 에너지 저장 시스템의 동작 모드에 따라 충전 또는 방전되는 슈퍼 커패시터 팩, 상기 연료전지의 양극 단자와 제1 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제1 스위칭 회로, 상기 연료전지의 양극 단자와 제2 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제2 스위칭 회로, 상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 그라운드 노드 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제2 스위칭 회로의 일 단과 상기 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 제1 인덕터와 자기적으로 연결되는 제2 인덕터, 상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 상기 제2 스위칭 회로의 일 단 사이에 연결되는 제1 커패시터, 상기 제1 노드와 상기 그라운드 노드 사이에 연결되는 제2 커패시터 및 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로 각각으로 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하의 동작 모드에 따른 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.An energy storage system including a coupled inductor is provided. The energy storage system includes a fuel cell, a super capacitor pack connected between the positive terminal of the fuel cell and the first node, and charged or discharged depending on the operation mode of the energy storage system, and the positive terminal of the fuel cell and the first inductor. A first switching circuit connected between one end of the fuel cell, a second switching circuit connected between the positive terminal of the fuel cell and one end of the second inductor, and a first switching circuit connected between one end of the first switching circuit and the ground node. An inductor, connected between one end of the second switching circuit and the first node, a second inductor magnetically connected to the first inductor, between one end of the first switching circuit and one end of the second switching circuit. A first capacitor connected to, a second capacitor connected between the first node and the ground node, and a control signal according to the operation mode of the load connected to the energy storage system through each of the first switching circuit and the second switching circuit. It may include a control unit that outputs.

Description

커플드 인덕터를 포함하는 에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM COMPRISING COUPLED INDUCTORS}Energy storage system comprising coupled inductors {ENERGY STORAGE SYSTEM COMPRISING COUPLED INDUCTORS}

이하의 설명은 커플드 인덕터를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 자기적으로 연결된 커플드 인덕터를 이용하여 전기 자전거 또는 전기 자동차 등과 같은 부하의 동작 조건에 따라 슈퍼 커패시터 팩의 충전 또는 방전 등의 동작 모드를 제어함으로써 부하의 동작을 지원하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The following description relates to an energy storage system including a coupled inductor. More specifically, an energy storage system that supports the operation of a load by controlling the operation mode such as charging or discharging of the super capacitor pack according to the operating conditions of the load, such as an electric bicycle or electric vehicle, using a magnetically connected coupled inductor. It's about.

전기 자동차 등에 연결되는 배터리는 최대 허용 전력(예. 100kW)이 제한되어 최대 출력 전류 역시 제한될 필요가 있다. 특히, 연료전지의 경우에는 단방향의 방전 전류만이 허용된다는 제한이 존재한다. 따라서, 전기 자동차 등에는 슈퍼 커패시터 팩과 같은 소자를 이용하여 평상 시에는 배터리가 공급하는 전류를 충전해두고 부하에 최대 전류가 필요한 경우에는 배터리에서 출력되는 전류 외에도 슈퍼 커패시터 팩에서 공급되는 전류를 부하로 함께 공급할 필요가 존재한다.Batteries connected to electric vehicles, etc. have limited maximum allowable power (e.g. 100kW), so the maximum output current also needs to be limited. In particular, in the case of fuel cells, there is a limitation that only unidirectional discharge current is allowed. Therefore, devices such as super capacitor packs are used in electric vehicles to charge the current supplied by the battery in normal times, and when the maximum current is required for the load, the current supplied from the super capacitor pack in addition to the current output from the battery is used to charge the load. There is a need to supply together.

구체적으로, 슈퍼 커패시터 팩은 부하의 급격한 가속이나 회생 제동 시에 부하 전력과 배터리 최대 전력의 차이를 보충하게 된다. 다만, 슈퍼 커패시터 팩의 최대 출력 전압이 높아지기 위해서는 셀 내의 직렬 연결되는 커패시터의 개수가 늘어날 필요성이 존재하며, 직렬 연결되는 커패시터의 개수가 많아지면서 용량 만족을 위한 병렬 연결 개수 또한 함께 증가하게 된다. 위와 같은 회로 설계에 의해 슈퍼 커패시터 팩의 부피 및 원가 증가가 야기되며, 이는 전기 자동차 또는 전기 자전거 자체의 부피 및 원가 증가로 이어지는 문제점이 존재한다.Specifically, the super capacitor pack compensates for the difference between the load power and the maximum battery power during rapid acceleration or regenerative braking of the load. However, in order to increase the maximum output voltage of the super capacitor pack, there is a need to increase the number of capacitors connected in series in the cell, and as the number of capacitors connected in series increases, the number of parallel connections to satisfy capacity also increases. The above circuit design causes an increase in the volume and cost of the super capacitor pack, which leads to an increase in the volume and cost of the electric vehicle or electric bicycle itself.

대한민국 등록특허 제10-1835742호(2018.03.07)Republic of Korea Patent No. 10-1835742 (2018.03.07) 대한민국 등록특허 제10-1210424호(2012.12.04)Republic of Korea Patent No. 10-1210424 (2012.12.04)

일 측면에 따르면, 커플드 인덕터(coupled inductor)를 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공된다. 상기 에너지 저장 시스템은 연료전지, 상기 연료전지의 양극 단자와 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 에너지 저장 시스템의 동작 모드에 따라 충전 또는 방전되는 슈퍼 커패시터 팩, 상기 연료전지의 양극 단자와 제1 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제1 스위칭 회로, 상기 연료전지의 양극 단자와 제2 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제2 스위칭 회로, 상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 그라운드 노드 사이에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제2 스위칭 회로의 일 단과 상기 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 제1 인덕터와 자기적으로 연결되는 제2 인덕터, 상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 상기 제2 스위칭 회로의 일 단 사이에 연결되는 제1 커패시터, 상기 제1 노드와 상기 그라운드 노드 사이에 연결되는 제2 커패시터 및 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로 각각으로 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하의 동작 모드에 따른 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.According to one aspect, an energy storage system including a coupled inductor is provided. The energy storage system includes a fuel cell, a super capacitor pack connected between the positive terminal of the fuel cell and the first node, and charged or discharged depending on the operation mode of the energy storage system, and the positive terminal of the fuel cell and the first inductor. A first switching circuit connected between one end of the fuel cell, a second switching circuit connected between the positive terminal of the fuel cell and one end of the second inductor, and a first switching circuit connected between one end of the first switching circuit and the ground node. An inductor, connected between one end of the second switching circuit and the first node, a second inductor magnetically connected to the first inductor, between one end of the first switching circuit and one end of the second switching circuit. A first capacitor connected to, a second capacitor connected between the first node and the ground node, and a control signal according to the operation mode of the load connected to the energy storage system through each of the first switching circuit and the second switching circuit. It may include a control unit that outputs.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 노드에는 상기 슈퍼 커패시터 팩의 양극 단자와 상기 제2 인덕터의 타 단이 연결될 수 있다.According to one embodiment, the positive terminal of the super capacitor pack and the other terminal of the second inductor may be connected to the first node.

다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 인덕터는 상기 제2 인덕터의 타 단으로부터 상기 제2 인덕터의 일 단 방향으로 전류가 흐르게 되면, 상기 그라운드 노드를 양극 방향으로 하고 상기 제1 스위칭 회로의 일 단을 음극 방향으로 하는 유도 전압이 생성되도록 상기 제2 인덕터와 자기적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment, when current flows from the other end of the second inductor to one end of the second inductor, the first inductor turns the ground node toward the anode and switches one end of the first switching circuit. It may be characterized as being magnetically connected to the second inductor so that an induced voltage in the cathode direction is generated.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 에너지 저장 시스템에 연결되는 부하의 동작 모드에 대응하여 상기 제어부가 출력하는 제어 신호에 따라 상기 제1 스위칭 회로와 교차적으로 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다.According to another embodiment, the second switching circuit turns on or turns alternately with the first switching circuit according to a control signal output by the control unit in response to the operating mode of the load connected to the energy storage system. It can be turned off.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 시스템이 제1 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제2 커패시터의 양 단의 전압 Vbus가 미리 설정된 최대값을 추종하도록 하는 정전압(CV: constant voltage) 제어 및 상기 연료전지의 양 단을 따라 흐르는 IFC가 허용 가능한 최대값을 추종하도록 하는 정전류(CC: constant current) 제어를 수행하기 위해 상기 제1 스위칭 회로로 제1 제어 신호를 출력할 수 있다.According to another embodiment, when the energy storage system operates in the first operation mode, the control unit controls a constant voltage (CV) such that the voltage V bus at both ends of the second capacitor follows a preset maximum value. A first control signal can be output to the first switching circuit to perform constant current (CC: voltage) control and constant current (CC) control so that I FC flowing along both ends of the fuel cell follows the allowable maximum value. there is.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로로 출력되는 제1 제어 신호의 듀티 비율 D를 수학식 5에 따라 결정하고, 상기 수학식 5는 이고, 상기 수학식 5에서 VFC는 연료전지 양 단의 전압을 나타낼 수 있다.According to another embodiment, the control unit determines the duty ratio D of the first control signal output to the first switching circuit according to Equation 5, and Equation 5 is , and in Equation 5, V FC may represent the voltage at both ends of the fuel cell.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 시스템이 제2 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로의 일 단에서 상기 그라운드 노드로 흐르는 상기 제1 인덕터 전류가 제1 전류값 IL,ref1을 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행하기 위해 상기 제2 스위칭 회로로 제2 제어 신호를 출력할 수 있다.According to another embodiment, when the energy storage system operates in the second operation mode, the control unit adjusts the first inductor current flowing from one end of the first switching circuit to the ground node to a first current value I. A second control signal may be output to the second switching circuit to perform constant current control to follow L,ref1 .

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전류값 IL,ref1은 수학식 6에 의해 결정되고, 상기 수학식 6은 이고, 상기 수학식 6에서 상기 Vbus는 상기 제2 커패시터의 양 단의 전압을 나타내고, VSC는 상기 슈퍼 커패시터 팩 양 단의 전압을 나타내고, 상기 IFC,max는 상기 연료전지의 최대 허용 전류 크기를 나타낸다.According to another embodiment, the first current value I L,ref1 is determined by Equation 6, and Equation 6 is And, in Equation 6, V bus represents the voltage of both ends of the second capacitor, V SC represents the voltage of both ends of the super capacitor pack, and I FC,max represents the maximum allowable current of the fuel cell. Indicates size.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 시스템이 제3 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로의 일 단에서 상기 그라운드 노드로 흐르는 상기 제1 인덕터 전류가 부하로부터 상기 에너지 저장 시스템으로 유입되는 부하 전류 ILoad를 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행함으로써 상기 연료전지 양 단의 평균 전류가 0 A가 되도록 하는 제3 제어 신호를 상기 제1 스위칭 회로로 출력할 수 있다.According to another embodiment, when the energy storage system operates in the third operation mode, the controller stores the energy from the load by storing the first inductor current flowing from one end of the first switching circuit to the ground node. By performing constant current control to follow the load current I Load flowing into the system, a third control signal that causes the average current at both ends of the fuel cell to be 0 A can be output to the first switching circuit.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로로 출력되는 제3 제어 신호의 듀티 비율 D를 수학식 14에 따라 결정하고, 상기 수학식 14는 이고, 상기 VLoad는 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하 양 단의 전압일 수 있다.According to another embodiment, the control unit determines the duty ratio D of the third control signal output to the first switching circuit according to Equation 14, and Equation 14 is , and the V Load may be the voltage at both ends of the load connected to the energy storage system.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 에너지 저장 시스템이 연결된 부하의 각속도와 이전 동작 모드에 기반하여 복수의 동작 모드 중 하나를 선택하여 복수의 인덕터 중 하나의 전류를 제어할 수 있다.According to another embodiment, the control unit may control the current of one of the plurality of inductors by selecting one of a plurality of operation modes based on the angular velocity of the load to which the energy storage system is connected and a previous operation mode.

본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 연료전지와 슈퍼 커패시터 팩을 포함하며, 자기적으로 연결된 두 개의 커플드 인덕터를 이용하여 슈퍼 커패시터 팩으로 흐르는 전류 변화로 인한 스위칭 소자의 전력 스트레스를 저감하고, 전체 시스템에 포함되는 커패시터의 개수를 줄임으로써 컨버팅 회로에 소요되는 부피 및 원가를 절감하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 커플드 인덕터를 활용함으로써 인덕터 코어가 차지하는 부피를 줄이는 효과를 제공할 수 있다.The energy storage system according to this embodiment includes a fuel cell and a super capacitor pack, and uses two magnetically connected coupled inductors to reduce power stress on the switching element due to changes in current flowing through the super capacitor pack, and to reduce the overall power stress of the switching element. By reducing the number of capacitors included in the system, the volume and cost of the converting circuit can be reduced. Additionally, the energy storage system according to this embodiment can provide the effect of reducing the volume occupied by the inductor core by utilizing a coupled inductor.

본 발명의 실시 예의 설명에 이용되기 위하여 첨부된 아래 도면들은 본 발명의 실시 예들 중 단지 일부일 뿐이며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 발명에 이르는 추가 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있다.
도 1은 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1에서 설명된 에너지 저장 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 주요 파라미터들의 그래프이다.
도 3a는 일 실시 예에 따라 제1 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도이다.
도 3b는 상기 도 3a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 일 실시 예에 따라 제2 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도이다.
도 4b는 상기 도 4a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 일 실시 예에 따라 제3 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도이다.
도 5b는 상기 도 5a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 일 실시 예에 따라 제4 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도이다.
도 6b는 상기 도 6a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 일 실시 예에 따라 제5 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도이다.
도 7b는 상기 도 7a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프이다.The following drawings attached for use in explaining embodiments of the present invention are only some of the embodiments of the present invention, and to those skilled in the art of the present invention (hereinafter referred to as "persons of ordinary skill in the art"), the drawings below are only a part of the embodiments of the present invention. Other drawings can be obtained based on these drawings without further effort leading to.
1 is a block diagram explaining an energy storage system according to this embodiment.
FIG. 2 is a graph of main parameters for explaining the operation mode of the energy storage system described in FIG. 1.
FIG. 3A is a circuit diagram illustrating an energy storage system in a first operation mode according to one embodiment.
FIG. 3B is a graph showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 3A.
FIG. 4A is a circuit diagram illustrating an energy storage system in a second operation mode according to an embodiment.
FIG. 4B is a graph showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 4A.
FIG. 5A is a circuit diagram illustrating an energy storage system in a third operation mode according to an embodiment.
FIG. 5B is a graph showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 5A.
FIG. 6A is a circuit diagram illustrating an energy storage system in a fourth operation mode according to an embodiment.
FIG. 6B is a graph showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 6A.
FIG. 7A is a circuit diagram illustrating an energy storage system in a fifth operation mode according to an embodiment.
FIG. 7B is a graph showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 7A.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있도록 상세히 설명된다.The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which show by way of example specific embodiments in which the present invention may be practiced to make clear the objectives, technical solutions and advantages of the present invention. These embodiments are described in detail to enable anyone skilled in the art to practice the invention.

본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, '하나' 또는 '한'은 하나 이상의 의미로 쓰인 것이며, '또 다른'은 적어도 두 번째 이상으로 한정된다.Throughout the description and claims of the present invention, the word 'comprise' and its variations are not intended to exclude other technical features, attachments, components or steps. Additionally, 'one' or 'one' is used to mean more than one, and 'another' is limited to at least the second or more.

또한, 본 발명의 '제1', '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로서, 순서를 나타내는 것으로 이해되지 않는 한 이들 용어들에 의하여 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 이와 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as 'first' and 'second' in the present invention are used to distinguish one component from another component, and unless they are understood to indicate order, the scope of rights is limited by these terms. No. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 개재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉, "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is mentioned as being “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected to the other component, but may also have other components intervening in the middle. On the other hand, when a component is said to be “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “neighboring to” and “directly neighboring to” should be interpreted similarly.

각 단계들에 있어서 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용된 것으로 식별부호는 논리상 필연적으로 귀결되지 않는 한 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며, 반대의 순서로 수행될 수도 있다.In each step, identification codes (e.g., a, b, c, etc.) are used for convenience of explanation. The identification codes do not explain the order of each step unless logically inevitable. The steps may occur in a different order than specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the opposite order.

통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 따라서, 특정 구조나 기능에 관하여 본 명세서에 개시된 상세 사항들은 한정하는 의미로 해석되어서는 아니되고, 단지 통상의 기술자가 실질적으로 적합한 임의의 상세 구조들로써 본 발명을 다양하게 실시하도록 지침을 제공하는 대표적인 기초 자료로 해석되어야 할 것이다.Other objects, advantages and features of the invention will appear to those skilled in the art, partly from this description and partly from practice of the invention. The examples and drawings below are provided by way of example and are not intended to limit the invention. Accordingly, the details disclosed in this specification regarding specific structures or functions should not be construed in a limiting sense, but are merely representative examples that provide guidance for those skilled in the art to variously practice the present invention with any detailed structures that are practically suitable. It should be interpreted as basic data.

더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. Moreover, the present invention encompasses all possible combinations of the embodiments presented herein. It should be understood that the various embodiments of the invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein may be implemented in one embodiment without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description that follows is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention is limited only by the appended claims, together with all equivalents to what those claims assert, if properly described. Similar reference numbers in the drawings refer to identical or similar functions across various aspects.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In this specification, unless otherwise indicated or clearly contradictory to the context, items referred to in the singular include plural unless the context otherwise requires. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 연료전지(110)과 슈퍼 커패시터 팩(120)을 포함하는 에너지 저장 시스템(100)이 도시된다. 에너지 저장 시스템(100)은 연료전지(110), 슈퍼 커패시터 팩(120), 제1 스위칭 회로(130), 제2 스위칭 회로(140), 제1 인덕터(150), 제2 인덕터(160), 제1 커패시터(170), 제2 커패시터(180) 및 제어부(190)를 포함할 수 있다.1 is a block diagram explaining an energy storage system according to this embodiment. Referring to FIG. 1, an energy storage system 100 including a fuel cell 110 and a super capacitor pack 120 is shown. The energy storage system 100 includes a fuel cell 110, a super capacitor pack 120, a first switching circuit 130, a second switching circuit 140, a first inductor 150, a second inductor 160, It may include a first capacitor 170, a second capacitor 180, and a control unit 190.

슈퍼 커패시터 팩(120)은 연료전지(110)의 양극 단자와 제1 노드 사이에 연결될 수 있다. 또한, 슈퍼 커패시터 팩(120)은 에너지 저장 시스템(100)의 동작 모드에 따라 충전 또는 방전될 수 있다. 제1 노드에는 슈퍼 커패시터 팩(120)의 양극 단자와 후술될 제2 인덕터(160)의 타 단이 연결될 수 있다.The super capacitor pack 120 may be connected between the positive terminal of the fuel cell 110 and the first node. Additionally, the super capacitor pack 120 may be charged or discharged depending on the operation mode of the energy storage system 100. The positive terminal of the super capacitor pack 120 and the other terminal of the second inductor 160, which will be described later, may be connected to the first node.

제1 스위칭 회로(130)는 연료전지(110)의 양극 단자와 제1 인덕터(150)의 일 단 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위칭 회로(140)는 연료전지(110)의 양극 단자와 제2 인덕터(160)의 일 단 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위칭 회로(140)는 에너지 저장 시스템(100)에 연결되는 부하의 동작 모드에 대응하여 제어부(190)가 출력하는 제어 신호에 따라 제1 스위칭 회로(130)와 교차적으로 턴 온 또는 턴 오프되는 것을 특징으로 할 수 있다.The first switching circuit 130 may be connected between the positive terminal of the fuel cell 110 and one end of the first inductor 150. The second switching circuit 140 may be connected between the positive terminal of the fuel cell 110 and one end of the second inductor 160. The second switching circuit 140 turns on or turns alternately with the first switching circuit 130 according to a control signal output by the control unit 190 in response to the operating mode of the load connected to the energy storage system 100. It may be characterized as being turned off.

제1 인덕터(150)는 제1 스위칭 회로(130)의 일 단과 그라운드 노드 사이에 연결될 수 있다. 제1 인덕터(150)는 제2 인덕터(160)의 타 단으로부터 제2 인덕터(160)의 일 단 방향으로 전류가 흐르게 되면, 그라운드 노드를 양극 방향으로 하고, 제1 스위칭 회로(130)의 일 단을 음극 방향으로 하는 유도 전압이 생성되도록 제2 인덕터(160)와 자기적으로 연결될 수 있다.The first inductor 150 may be connected between one end of the first switching circuit 130 and the ground node. When current flows from the other end of the second inductor 160 to one end of the second inductor 160, the first inductor 150 sets the ground node toward the anode and acts as one of the first switching circuits 130. The end may be magnetically connected to the second inductor 160 so that an induced voltage is generated in the cathode direction.

제2 인덕터(160)는 제2 스위칭 회로(140)의 일 단과 제1 노드 사이에 연결될 수 있다. 제2 인덕터(160)는 제1 인덕터(150)의 타 단으로부터 제1 스위칭 회로(130)와 연결된 제1 인덕터(150)의 일 단 방향으로 전류가 흐르게 되면, 슈퍼 커패시터 팩(120)의 양극 단자를 양극 방향으로 하고, 제2 스위칭 회로(140)의 일 단을 음극 방향으로 하는 유도 전압이 생성되도록 제1 인덕터(150)와 자기적으로 연결될 수 있다. 또 다른 일 실시 예로서, 제2 인덕터(160)의 인덕턴스 크기는 제1 인덕터(150)에 생성되는 유도 전압의 크기와 제2 인덕터(160)에 생성되는 유도 전압의 크기가 k 배(k는 임의의 실수) 관계가 되도록 결정될 수 있다.The second inductor 160 may be connected between one end of the second switching circuit 140 and the first node. When current flows from the other end of the first inductor 150 to one end of the first inductor 150 connected to the first switching circuit 130, the second inductor 160 acts as an anode of the super capacitor pack 120. It may be magnetically connected to the first inductor 150 so that an induced voltage is generated with the terminal facing the anode and one end of the second switching circuit 140 facing the cathode. As another embodiment, the inductance size of the second inductor 160 is k times the size of the induced voltage generated in the first inductor 150 and the size of the induced voltage generated in the second inductor 160 (k is (arbitrary real numbers) can be determined to be a relationship.

또 다른 일 실시 예로서, 슈퍼 커패시터 팩(120)으로 적어도 일부의 전류를 제공하는 제2 인덕터(160)의 리플 전류를 제거하기 위해 제1 인덕터(150)와 제2 인덕터(160)의 상호 결합 계수 k가 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, k는 L2/(L1+L2)로 결정될 수 있다. 상기 L2은 제2 인덕터(160)의 인덕턴스를 나타내고, L1은 제1 인덕터(150)의 인덕턴스를 나타낸다.As another example, the first inductor 150 and the second inductor 160 are coupled to each other to remove the ripple current of the second inductor 160, which provides at least a portion of the current to the super capacitor pack 120. The coefficient k can be determined. More specifically, k can be determined as L 2 /(L 1 +L 2 ). The L 2 represents the inductance of the second inductor 160, and L 1 represents the inductance of the first inductor 150.

또 다른 일 실시 예로서, 상기 k는 N2/N1으로 결정되고, N2는 제2 인덕터(160)의 권선수이고, N1은 제1 인덕터(150)의 권선수를 나타낸다.As another example, k is determined as N 2 /N 1 , N 2 is the number of turns of the second inductor 160, and N 1 is the number of turns of the first inductor 150.

제1 커패시터(170)는 제1 스위칭 회로(130)의 일 단과 제2 스위칭 회로(140)의 일 단 사이에 연결될 수 있다. 제2 커패시터(180)는 제1 노드와 그라운드 노드 사이에 연결될 수 있다.The first capacitor 170 may be connected between one end of the first switching circuit 130 and one end of the second switching circuit 140. The second capacitor 180 may be connected between the first node and the ground node.

제어부(190)는 제1 스위칭 회로(130) 및 제2 스위칭 회로(140) 각각으로 에너지 저장 시스템(100)에 연결된 부하의 동작 모드에 따른 제어 신호를 출력할 수 있다. 이하에서는, 부하의 동작 모드에 따라 에너지 저장 시스템(100)에 포함되는 각각의 소자들의 역할과 기능에 대해서 보다 자세히 설명한다.The control unit 190 may output a control signal according to the operation mode of the load connected to the energy storage system 100 to each of the first switching circuit 130 and the second switching circuit 140. Below, the role and function of each element included in the energy storage system 100 according to the operation mode of the load will be described in more detail.

도 2는 도 1에서 설명된 에너지 저장 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 주요 파라미터들의 그래프이다. 도 2를 참조하면, 부하에 연결된 모터에 의해 주행하는 오브젝트의 속도에 따라 에너지 저장 시스템이 지원하는 다섯 가지 동작 모드(210 내지 250)가 설명된다. 제1 동작 모드(pre-charge mode, 210)는 부하의 모터가 턴 온 되고, 초기 주행을 시작하기 전인 동작 구간으로서 슈퍼 커패시터 팩이 전력을 충전하는 동작 모드를 나타낸다. 제1 동작 모드에서 이상적인 구동 환경을 가정하면, 부하로 유입되는 부하 전류 ILoad는 OA로 유지되며, 슈퍼 커패시터 팩은 제2 커패시터 양 단의 전압의 최대값 Vbus,max과 연료전지 양 단의 전압 VFC의 차이값만큼 충전을 지속하게 된다.FIG. 2 is a graph of main parameters for explaining the operation mode of the energy storage system described in FIG. 1. Referring to FIG. 2, five operation modes 210 to 250 supported by the energy storage system according to the speed of an object traveling by a motor connected to a load are described. The first operation mode (pre-charge mode, 210) is an operation section in which the load motor is turned on and before initial driving begins, and represents an operation mode in which the super capacitor pack charges power. Assuming an ideal driving environment in the first operation mode, the load current I Load flowing into the load is maintained at OA, and the super capacitor pack has the maximum value V bus,max of the voltage at both ends of the second capacitor and both ends of the fuel cell. Charging continues as much as the difference in voltage V FC .

제2 동작 모드(light-peak load mode, 220)는 부하에 연결된 오브젝트가 최초 주행을 시작한 이후의 중간 부하 조건동안 발생되는 상태를 나타낸다. 상기 중간 부하 조건은 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.The second operation mode (light-peak load mode, 220) represents a state that occurs during an intermediate load condition after an object connected to a load first starts traveling. The intermediate load condition can be defined as Equation 1 below.

상기 수학식 1에서 IFC,max는 연료전지의 양 단을 따라 흐르는 전류의 최대 허용 전류 크기를 나타낸다. 연료전지의 출력 전류는 정전류 제어(CC: constant current)를 통해 최대 허용 전류 크기 이하로 유지되며, 전류의 부족분만큼 슈퍼 커패시터 팩이 방전되고, 상기 슈퍼 커패시터 팩은 부족 전류값을 부하로 제공한다.In Equation 1 above, I FC,max represents the maximum allowable current size of the current flowing along both ends of the fuel cell. The output current of the fuel cell is maintained below the maximum allowable current level through constant current control (CC: constant current), the super capacitor pack is discharged by the amount of current shortfall, and the super capacitor pack provides the shortfall current value to the load.

제3 동작 모드(heavy-peak load mode, 230)는 부하에 연결된 오브젝트가 최대 주행 속도로 도달하기 위해 부하 전류 ILoad의 크기가 IFC,max를 초과하는 경우를 나타낸다. 연료전지의 출력 전류는 정전류 제어(CC: constant current)를 통해 최대 허용 전류 크기 이하로 유지되며, 전류의 부족분만큼 제1 인버터 전류 IL1의 전류가 보충하도록 컨버터를 제어한다. 다시 말하면, 제1 인버터 전류 IL1의 크기는 부하 전류 ILoad와 IFC,max의 차이로 결정될 수 있다. 이에 따라, 슈퍼 커패시터 팩이 방전되고, 부족 전류값을 부하로 제공한다. 제2 동작 모드와 제3 동작 모드에서 연료전지와 슈퍼 커패시터 팩 모두가 각각의 제어 조건에 따라 방전되도록 제어함으로써, 연료전지 및 슈퍼 커패시터 팩이 갑작스러운 출력 전류의 변화에 따른 스트레스가 감소되도록 제어 환경을 구현할 수 있다.The third operation mode (heavy-peak load mode, 230) represents a case where the magnitude of the load current I Load exceeds I FC,max in order for the object connected to the load to reach the maximum traveling speed. The output current of the fuel cell is maintained below the maximum allowable current level through constant current control (CC), and the converter is controlled so that the current of the first inverter current I L1 makes up for the shortfall in current. In other words, the size of the first inverter current I L1 can be determined by the difference between the load current I Load and I FC,max . Accordingly, the super capacitor pack is discharged and an insufficient current value is provided to the load. In the second and third operation modes, both the fuel cell and the super capacitor pack are controlled to be discharged according to their respective control conditions, so that the stress on the fuel cell and the super capacitor pack due to sudden changes in output current is reduced. can be implemented.

제4 동작 모드(steady state mode, 240)는 부하의 모터가 최대 각속도를 유지하는 단계로서, 부하가 소비하는 전력이 소정 기준치(예. 50kW)를 유지하기 때문에 부하로 유입되는 전류 ILoad 역시 일정한 크기로 유지되는 동작 구간을 나타낸다. 이 경우에, 슈퍼 커패시터 팩은 배터리가 제공하는 잔여 전류를 이용하여 다른 동작 구간에서 필요할 전력을 다시 충전하기 된다. 또한, 슈퍼 커패시터 팩의 양 단 전압의 정격 전압에 도달하게 되면, 정전류 및 정전압 제어를 통해 상기 정격 전압을 일정하게 유지하도록 제어할 수 있다.The fourth operation mode (steady state mode, 240) is a stage in which the load motor maintains the maximum angular velocity. Since the power consumed by the load is maintained at a predetermined standard value (e.g. 50kW), the current I Load flowing into the load is also constant. Indicates the operation section maintained by its size. In this case, the super capacitor pack uses the remaining current provided by the battery to recharge the power needed in other operating sections. In addition, when the rated voltage of both terminals of the super capacitor pack is reached, the rated voltage can be controlled to remain constant through constant current and constant voltage control.

제5 동작 모드(regeneration power mode, 250)는 부하의 모터(160)가 최대 각속도에서 0rad/s로 감속하는 동작 구간을 나타내며, 부하 전력이 회생되는 구간을 나타낸다. 구체적으로, 제5 동작 모드에서는 제1, 제2 스위칭 회로의 제어를 통해 슈퍼 커패시터 팩이 다시 충전된다. 또한, 연료전지의 양 단의 전류가 단방향을 유지하도록 평균 0A가 되도록 제어할 수 있다.The fifth operation mode (regeneration power mode, 250) represents an operation section in which the load motor 160 decelerates from the maximum angular velocity to 0 rad/s, and represents a section in which load power is regenerated. Specifically, in the fifth operation mode, the super capacitor pack is recharged through control of the first and second switching circuits. Additionally, the current at both ends of the fuel cell can be controlled to average 0A to maintain unidirectional current.

도 3a는 일 실시 예에 따라 제1 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도(310)이다. 도 3a를 참조하면, 제1 동작 모드(pre-charge mode)에서의 에너지 저장 시스템의 회로도가 도시된다. 에너지 저장 시스템이 제1 동작 모드로 동작하는 경우, 제어부는 제2 커패시터의 양 단의 전압 Vbus이 미리 설정된 최대값을 추종하도록 하는 정전압(CV: constant voltage) 제어 및 연료전지의 양 단을 따라 흐르는 IFC가 허용 가능한 최대값을 추종하도록 하는 정전류(CC: constant current) 제어를 수행하기 위해 제1 스위칭 회로 SD로 제1 제어 신호를 출력할 수 있다.FIG. 3A is a circuit diagram 310 illustrating an energy storage system in a first operating mode according to one embodiment. Referring to FIG. 3A, a circuit diagram of the energy storage system in a first mode of operation (pre-charge mode) is shown. When the energy storage system operates in the first operation mode, the control unit controls the constant voltage (CV) so that the voltage V bus at both ends of the second capacitor follows a preset maximum value and follows both ends of the fuel cell. A first control signal may be output to the first switching circuit S D to perform constant current (CC) control that allows the flowing I FC to follow the allowable maximum value.

제1 동작 모드는 부하에 연결된 모터의 시동 직후를 나타내고 부하 전류 ILoad가 0A인 경우를 나타낸다. 제1 스위칭 회로 SD에 대한 제어에 따라 슈퍼 커패시터 팩은 충전이 진행되고 슈퍼 커패시터의 양 단 전압이 최대값에 도달되면 정전압 제어를 통해 최대값을 유지하도록 지원한다.The first operation mode represents immediately after starting the motor connected to the load and represents the case where the load current I Load is 0A. According to the control of the first switching circuit S D , the super capacitor pack is charged and when the voltage at both ends of the super capacitor reaches the maximum value, it supports maintaining the maximum value through constant voltage control.

도 3b는 상기 도 3a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프(320)이다. 도 3b를 참조하면, 제1 인덕터 및 제2 인덕터 각각의 시간에 따른 전압 그래프가 도시된다. 각각의 인덕터에 대한 전압-초 밸런스(volt-second balance) 관계식을 이용하면, 아래의 수학식 2, 3이 도출된다. 구체적으로, 제1 인덕터의 양 단 전압 VL1 그래프로부터 아래의 수학식 2가 도출된다.FIG. 3B is a graph 320 showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 3A. Referring to FIG. 3B, a graph of voltage over time for each of the first inductor and the second inductor is shown. Using the voltage-second balance relationship for each inductor, Equations 2 and 3 below are derived. Specifically, Equation 2 below is derived from the graph of the voltage V L1 at both ends of the first inductor.

또한, 제2 인덕터의 양 단 전압 VL2 그래프로부터 아래의 수학식 3이 도출된다.Additionally, Equation 3 below is derived from the voltage V L2 graph at both ends of the second inductor.

또한, 제2 커패시터를 포함하는 루프에 대해 키르히호프 전압 법칙(KVL: Kirchhoff's voltage law)을 적용하면 아래의 수학식 4를 도출할 수 있다.Additionally, by applying Kirchhoff's voltage law (KVL) to the loop including the second capacitor, Equation 4 below can be derived.

상기 수학식 2, 3, 4를 이용하면, 제어부로부터 제1 스위칭 회로 SD로 출력되는 제1 제어 신호의 듀티 비율 D가 아래의 수학식 5에 따라 결정될 수 있다.Using Equations 2, 3, and 4 above, the duty ratio D of the first control signal output from the control unit to the first switching circuit S D can be determined according to Equation 5 below.

상기 수학식 5에서 VFC는 연료전지 양 단의 전압을 나타낸다.In Equation 5 above, V FC represents the voltage at both ends of the fuel cell.

도 3b에서 도시된 것과 같이, 제1 스위칭 회로 SD 및 제2 스위칭 회로 SU가 교차적으로 턴 온 및 턴 오프됨에 따라 제1 인덕터 및 제2 인덕터 각각의 따라 흐르는 전류 역시도 증가 및 감소를 반복적으로 진행하게 되며, 슈퍼 커패시터 팩으로 유입되는 전류 IL2에 따라 슈퍼 커패시터 팩은 지속적으로 충전된다.As shown in FIG. 3B, as the first switching circuit S D and the second switching circuit S U are alternately turned on and off, the current flowing along each of the first inductor and the second inductor also repeatedly increases and decreases. The super capacitor pack is continuously charged according to the current I L2 flowing into the super capacitor pack.

도 4a는 일 실시 예에 따라 제2 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도(410)이다. 도 4a를 참조하면, 제2 동작 모드(light-peak load mode)에서의 에너지 저장 시스템의 회로도가 도시된다. 제2 동작 모드에서, 연료전지의 출력 전류 IFC는 정전류 제어(CC: constant current)를 통해 최대 허용 전류 크기 IFC,max 이하로 유지될 수 있다. 부하가 소모하는 전류 ILoad에서 연료전지의 출력 전류 IFC를 차감한 크기의 부족분만큼 슈퍼 커패시터 팩에서 출력 전류 ISC가 제공될 수 있다. 도 3a의 실시예와 대비하면, 슈퍼 커패시터 팩에서 출력되는 전류가 부하로 전달된다는 점을 제외하면 나머지 제어 조건은 동일하게 구현 가능할 수 있다.FIG. 4A is a circuit diagram 410 illustrating an energy storage system in a second operating mode according to one embodiment. Referring to Figure 4A, a circuit diagram of the energy storage system in a second mode of operation (light-peak load mode) is shown. In the second operation mode, the output current I FC of the fuel cell can be maintained below the maximum allowable current size I FC,max through constant current control (CC). The output current I SC can be provided from the super capacitor pack as the shortfall of subtracting the output current I FC of the fuel cell from the current consumed by the load, I Load . Compared to the embodiment of FIG. 3A, the remaining control conditions can be implemented in the same way, except that the current output from the super capacitor pack is delivered to the load.

도 4b는 상기 도 4a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프(420)이다. 마찬가지로, 제어부가 제1 스위칭 회로 SD로 출력하는 제1 제어 신호의 듀티 비율 D 역시도 상기의 수학식 2,3,4에 기반하여 결정될 수 있음은 기술 분야의 전문가에게는 자명한 사실일 것이다.FIG. 4B is a graph 420 showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 4A. Likewise, it will be obvious to experts in the technical field that the duty ratio D of the first control signal output from the control unit to the first switching circuit S D can also be determined based on Equations 2, 3, and 4 above.

도 5a는 일 실시 예에 따라 제3 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도(510)이다. 도 5a를 참조하면, 제3 동작 모드(heavy-peak load mode)에서의 에너지 저장 시스템의 회로도가 도시된다. 구체적으로, 제3 동작 모드는 부하에 연결된 모터가 최대 각속도에 도달하기 위해 연료전지의 최대 허용 전류 크기 IFC,max 보다 큰 부하 전류 ILoad를 소모하는 경우를 나타낸다. 이 경우에, 슈퍼 커패시터 팩은 부하 전류 ILoad에서 연료전지의 최대 허용 전류 크기 IFC,max를 차감한 전류값의 크기에 상응하는 부족 전류를 출력할 수 있다. 슈퍼 커패시터 팩의 양 단의 전압 VSC의 크기는 점진적으로 0V까지 감소된다.FIG. 5A is a circuit diagram 510 illustrating an energy storage system in a third operating mode according to one embodiment. Referring to Figure 5A, a circuit diagram of the energy storage system in a third operating mode (heavy-peak load mode) is shown. Specifically, the third operation mode represents a case where the motor connected to the load consumes a load current I Load greater than the maximum allowable current size I FC,max of the fuel cell to reach the maximum angular velocity. In this case, the super capacitor pack can output an insufficient current corresponding to the current value obtained by subtracting the maximum allowable current size of the fuel cell, I FC,max, from the load current, I Load . The voltage V SC at both ends of the super capacitor pack gradually decreases to 0V.

구체적으로, 제어부는 제1 스위칭 회로 SD의 일 단에서 그라운드 노드로 흐르는 제1 인덕터 전류 IL1가 제1 전류값 IL,ref1을 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행할 수 있다. 제어부는 상기 제1 인덕터 전류 IL1가 제1 전류값 IL,ref1을 추종하도록 하는 제2 제어 신호를 제2 스위칭 회로 Su로 출력할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전류값 IL,ref1은 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.Specifically, the controller may perform constant current control such that the first inductor current I L1 flowing from one end of the first switching circuit S D to the ground node follows the first current value I L,ref1 . The control unit may output a second control signal that causes the first inductor current I L1 to follow the first current value I L,ref1 to the second switching circuit Su. Specifically, the first current value I L,ref1 can be determined by Equation 6.

상기 수학식 6에서 Vbus는 상기 제2 커패시터의 양 단의 전압을 나타내고, VSC는 상기 슈퍼 커패시터 팩 양 단의 전압을 나타내고, 상기 IFC,max는 상기 연료전지의 최대 허용 전류 크기를 나타낼 수 있다.In Equation 6, V bus represents the voltage of both ends of the second capacitor, V SC represents the voltage of both ends of the super capacitor pack, and I FC,max represents the maximum allowable current size of the fuel cell. You can.

도 5b는 상기 도 5a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프(520)이다. 도 5b를 참조하면, 제3 동작 모드에서의 제1 인덕터 및 제2 인덕터 각각의 시간에 따른 전압 그래프가 도시된다. 각각의 인덕터에 대한 전압-초 밸런스(volt-second balance) 관계식을 이용하면, 아래의 수학식 7, 8이 도출된다. 구체적으로, 제1 인덕터의 양 단 전압 VL1 그래프로부터 아래의 수학식 7가 도출된다.FIG. 5B is a graph 520 showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 5A. Referring to FIG. 5B, a graph of voltage over time for each of the first inductor and the second inductor in the third operation mode is shown. Using the voltage-second balance relationship for each inductor, Equations 7 and 8 below are derived. Specifically, Equation 7 below is derived from the voltage V L1 graph at both ends of the first inductor.

또한, 제2 인덕터의 양 단 전압 VL2 그래프로부터 아래의 수학식 8이 도출된다.Additionally, Equation 8 below is derived from the voltage V L2 graph at both ends of the second inductor.

상기 수학식 7, 8을 이용하면, 제어부로부터 제2 스위칭 회로 Su로 출력되는 제2 제어 신호의 듀티 비율 D가 아래의 수학식 9에 따라 결정될 수 있다.Using Equations 7 and 8 above, the duty ratio D of the second control signal output from the control unit to the second switching circuit Su can be determined according to Equation 9 below.

또한, 제어부는 제1 인덕터의 일 단에 연결되는 그라운드 노드를 기준으로 키르히호프 전류 법칙(KCL: Kirchhoff's current law)를 적용하여 아래의 수학식 10과 같은 전류 관계식을 획득할 수 있다.Additionally, the control unit may apply Kirchhoff's current law (KCL) based on the ground node connected to one end of the first inductor to obtain a current relationship expression as shown in Equation 10 below.

상기 수학식 10에, ILoed가 IFC의 D배가 되는 관계식을 대입하여 정리하면 아래의 수학식 11과 같은 전류 관계식이 정리된다.By substituting the relation in which I Loed is D times I FC into Equation 10 above, the current relation equation as shown in Equation 11 below is obtained.

제어부는 상기 수학식 11과 같이 정리된 제1 인덕터 전류 IL1에 대한 관계식에 상기 수학식 9에 따른 관계식을 대입함으로써, 제1 전류값 IL,ref1을 상기 수학식 6과 같이 정리할 수 있다. The control unit can organize the first current value I L , ref1 as in Equation 6 by substituting the relational expression according to Equation 9 into the relational expression for the first inductor current I L1 organized as in Equation 11 above.

도 6a는 일 실시 예에 따라 제4 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도(610)이다. 도 6a를 참조하면, 제4 동작 모드(steady state mode)에서의 에너지 저장 시스템의 회로도가 도시된다. 구체적으로, 제4 동작 모드에서 부하의 모터는 최대 각속도를 유지하는 단계이기에 부하로 유입되는 전류 ILoad 역시도 일정한 크기로 유지된다.FIG. 6A is a circuit diagram 610 illustrating an energy storage system in a fourth operating mode according to one embodiment. Referring to FIG. 6A, a circuit diagram of the energy storage system in a fourth operating mode (steady state mode) is shown. Specifically, in the fourth operation mode, the load motor maintains the maximum angular velocity, so the current I Load flowing into the load is also maintained at a constant level.

상기 제4 동작 모드에서, 제어부는 제2 커패시터의 양 단의 전압 Vbus이 미리 설정된 최대값을 추종하도록 하는 정전압(CV: constant voltage) 제어 및 연료전지의 양 단을 따라 흐르는 IFC가 허용 가능한 최대값을 추종하도록 하는 정전류(CC: constant current) 제어를 수행하기 위해 제1 스위칭 회로 SD로 제3 제어 신호를 출력할 수 있다.In the fourth operation mode, the control unit performs constant voltage (CV) control such that the voltage V bus at both ends of the second capacitor follows a preset maximum value and I FC flowing along both ends of the fuel cell is allowable. A third control signal may be output to the first switching circuit S D to perform constant current (CC) control to follow the maximum value.

도 6b는 상기 도 6a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프(620)이다. 도 6b를 참조하면, 제2 인덕터를 따라 흐르는 전류 IL2의 적어도 일부가 슈퍼 커패시터 팩으로 전달됨에 따라 슈퍼 커패시터 팩은 최대 정격 전압의 크기만큼 충전이 진행될 수 있다.FIG. 6B is a graph 620 showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 6A. Referring to FIG. 6B, as at least a portion of the current I L2 flowing along the second inductor is transferred to the super capacitor pack, the super capacitor pack may be charged up to the maximum rated voltage.

도 7a는 일 실시 예에 따라 제5 동작 모드에서의 에너지 저장 시스템을 설명하는 회로도(710)이다. 도 7a를 참조하면, 제5 동작 모드(regeneration power mode)에서의 에너지 저장 시스템의 회로도가 도시된다. 제5 동작 모드는 부하의 모터가 최대 각속도에서 0rad/s로 감속하는 동작 구간을 나타내며, 부하 전력이 회생되는 구간을 나타낸다.FIG. 7A is a circuit diagram 710 illustrating an energy storage system in a fifth operating mode according to an embodiment. Referring to FIG. 7A, a circuit diagram of the energy storage system in a fifth operating mode (regeneration power mode) is shown. The fifth operation mode represents an operation section in which the load motor decelerates from the maximum angular velocity to 0 rad/s, and represents a section in which load power is regenerated.

이 경우에, 제어부는 제1 스위칭 회로 SD의 일 단에서 그라운드 노드로 흐르는 제1 인덕터 전류 IL1가 부하로부터 에너지 저장 시스템으로 유입되는 부하 전류 Iload를 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행할 수 있다. 그에 따라, 단방향 전류 흐름을 갖는 연료전지 양 단의 평균 전류는 0A가 될 수 있다. 제어부는 제1 인덕터 전류 IL1가 부하 전류 Iload를 추종하도록 하는 제4 제어 신호를 제1 스위칭 회로 SD로 출력할 수 있다.In this case, the control unit may perform constant current control such that the first inductor current I L1 flowing from one end of the first switching circuit S D to the ground node follows the load current I load flowing into the energy storage system from the load. . Accordingly, the average current at both ends of the fuel cell with unidirectional current flow can be 0A. The control unit may output a fourth control signal that causes the first inductor current I L1 to follow the load current I load to the first switching circuit S D.

도 7b는 상기 도 7a에서 도시된 에너지 저장 시스템의 동작에 따라 주요 파라미터들의 시간에 따른 흐름을 나타내는 그래프(720)이다. 도 7b를 참조하면, 제5 동작 모드에서의 제1 인덕터 및 제2 인덕터 각각의 시간에 따른 전압 그래프가 도시된다. 각각의 인덕터에 대한 전압-초 밸런스(volt-second balance) 관계식을 이용하면, 아래의 수학식 12, 13이 도출된다. 구체적으로, 제1 인덕터의 양 단 전압 VL1 그래프로부터 아래의 수학식 12가 도출된다.FIG. 7B is a graph 720 showing the flow of key parameters over time according to the operation of the energy storage system shown in FIG. 7A. Referring to FIG. 7B, a graph of voltage over time for each of the first inductor and the second inductor in the fifth operation mode is shown. Using the voltage-second balance relationship for each inductor, Equations 12 and 13 below are derived. Specifically, Equation 12 below is derived from the graph of the voltage V L1 at both ends of the first inductor.

또한, 제2 인덕터의 양 단 전압 VL2 그래프로부터 아래의 수학식 12가 도출된다.In addition, Equation 12 below is derived from the graph of the voltage V L2 at both ends of the second inductor.

상기 수학식 12, 13을 이용하면, 제어부로부터 제1 스위칭 회로 SD로 출력되는 제4 제어 신호의 듀티 비율 D가 아래의 수학식 14에 따라 결정될 수 있다.Using Equations 12 and 13 above, the duty ratio D of the fourth control signal output from the control unit to the first switching circuit S D can be determined according to Equation 14 below.

상기 수학식 14에서 상기 VLoad는 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하 양 단의 전압일 수 있다.In Equation 14, the V Load may be the voltage at both ends of the load connected to the energy storage system.

본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 연결된 부하의 각속도와 이전 동작 모드에 기반하여 복수의 동작 모드 중 하나를 선택하여 복수의 인덕터 각각으로 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 또한, 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 두 개의 인덕터(자기 소자)로 슈퍼 커패시터 팩 및 연료전지를 부하와 연결하는 전력단을 구현함으로써, 전체 시스템 내의 커패시터의 개수를 줄이는 효과를 제공할 수 있다.The energy storage system according to this embodiment can control the current flowing into each of the plurality of inductors by selecting one of the plurality of operation modes based on the angular velocity of the connected load and the previous operation mode. In addition, the energy storage system according to this embodiment implements a power stage that connects the super capacitor pack and fuel cell with the load using two inductors (magnetic elements), thereby providing the effect of reducing the number of capacitors in the overall system. .

이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변경이 가능하다.Above, the technical idea of the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiments, and the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes can be made by a person with ordinary knowledge in the technical field within the scope of the idea.

Claims (11)

커플드 인덕터(coupled inductor)를 포함하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
연료전지;
상기 연료전지의 양극 단자와 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 에너지 저장 시스템의 동작 모드에 따라 충전 또는 방전되는 슈퍼 커패시터 팩;
상기 연료전지의 양극 단자와 제1 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제1 스위칭 회로;
상기 연료전지의 양극 단자와 제2 인덕터의 일 단 사이에 연결되는 제2 스위칭 회로;
상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 그라운드 노드 사이에 연결되는 제1 인덕터;
상기 제2 스위칭 회로의 일 단과 상기 제1 노드 사이에 연결되며, 상기 제1 인덕터와 자기적으로 연결되는 제2 인덕터
상기 제1 스위칭 회로의 일 단과 상기 제2 스위칭 회로의 일 단 사이에 연결되는 제1 커패시터;
상기 제1 노드와 상기 그라운드 노드 사이에 연결되는 제2 커패시터; 및
상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로 각각으로 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하의 동작 모드에 따른 제어 신호를 출력하는 제어부
를 포함하는 에너지 저장 시스템.
In an energy storage system including a coupled inductor,
fuel cell;
A super capacitor pack connected between the positive terminal of the fuel cell and the first node and charged or discharged according to the operation mode of the energy storage system;
a first switching circuit connected between the positive terminal of the fuel cell and one end of the first inductor;
a second switching circuit connected between the positive terminal of the fuel cell and one end of the second inductor;
a first inductor connected between one end of the first switching circuit and a ground node;
A second inductor connected between one end of the second switching circuit and the first node and magnetically connected to the first inductor.
a first capacitor connected between one end of the first switching circuit and one end of the second switching circuit;
a second capacitor connected between the first node and the ground node; and
A control unit that outputs a control signal according to the operation mode of the load connected to the energy storage system to each of the first switching circuit and the second switching circuit.
An energy storage system including.
 제1항에 있어서,
상기 제1 노드에는 상기 슈퍼 커패시터 팩의 양극 단자와 상기 제2 인덕터의 타 단이 연결되는 에너지 저장 시스템.
According to paragraph 1,
An energy storage system in which the positive terminal of the super capacitor pack and the other terminal of the second inductor are connected to the first node.
 제1항에 있어서,
상기 제1 인덕터는,
상기 제2 인덕터의 타 단으로부터 상기 제2 인덕터의 일 단 방향으로 전류가 흐르게 되면, 상기 그라운드 노드를 양극 방향으로 하고 상기 제1 스위칭 회로의 일 단을 음극 방향으로 하는 유도 전압이 생성되도록 상기 제2 인덕터와 자기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
According to paragraph 1,
The first inductor is,
When a current flows from the other end of the second inductor to one end of the second inductor, an induced voltage is generated with the ground node in the positive direction and one end of the first switching circuit in the negative direction. 2 An energy storage system characterized by being magnetically connected to an inductor.
 제1항에 있어서,
상기 제2 스위칭 회로는 상기 에너지 저장 시스템에 연결되는 부하의 동작 모드에 대응하여 상기 제어부가 출력하는 제어 신호에 따라 상기 제1 스위칭 회로와 교차적으로 턴 온 또는 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
According to paragraph 1,
The second switching circuit is turned on or off alternately with the first switching circuit according to a control signal output by the control unit in response to the operating mode of the load connected to the energy storage system. system.
 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템이 제1 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제2 커패시터의 양 단의 전압 Vbus가 미리 설정된 최대값을 추종하도록 하는 정전압(CV: constant voltage) 제어 및 상기 연료전지의 양 단을 따라 흐르는 IFC가 허용 가능한 최대값을 추종하도록 하는 정전류(CC: constant current) 제어를 수행하기 위해 상기 제1 스위칭 회로로 제1 제어 신호를 출력하는 에너지 저장 시스템.
According to paragraph 1,
When the energy storage system operates in the first operation mode, the control unit controls a constant voltage (CV) such that the voltage V bus at both ends of the second capacitor follows a preset maximum value and controls the fuel cell. An energy storage system that outputs a first control signal to the first switching circuit to perform constant current (CC) control so that I FC flowing along both ends follows the allowable maximum value.
 제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로로 출력되는 제1 제어 신호의 듀티 비율 D를 수학식 5에 따라 결정하는 것을 특징으로 하고,
상기 수학식 5는
이고, 상기 수학식 5에서 VFC는 연료전지 양 단의 전압을 나타내는 에너지 저장 시스템.
According to clause 5,
The control unit is characterized in that it determines the duty ratio D of the first control signal output to the first switching circuit according to Equation 5,
Equation 5 above is
, and in Equation 5, V FC represents the voltage at both ends of the fuel cell.
 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템이 제2 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로의 일 단에서 상기 그라운드 노드로 흐르는 상기 제1 인덕터의 전류가 제1 전류값 IL,ref1을 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행하기 위해 상기 제2 스위칭 회로로 제2 제어 신호를 출력하는 에너지 저장 시스템.
According to paragraph 1,
When the energy storage system operates in the second operation mode, the control unit causes the current of the first inductor flowing from one end of the first switching circuit to the ground node to follow the first current value I L,ref1. An energy storage system that outputs a second control signal to the second switching circuit to perform constant current control.
 제7항에 있어서,
상기 제1 전류값 IL,ref1은 수학식 6에 의해 결정되고,
상기 수학식 6는,
이고, 상기 수학식 6에서 상기 Vbus는 상기 제2 커패시터의 양 단의 전압을 나타내고, VSC는 상기 슈퍼 커패시터 팩 양 단의 전압을 나타내고, 상기 IFC,max는 상기 연료전지의 최대 허용 전류 크기를 나타내는 에너지 저장 시스템.
In clause 7,
The first current value I L,ref1 is determined by Equation 6,
Equation 6 above is:
And, in Equation 6, V bus represents the voltage of both ends of the second capacitor, V SC represents the voltage of both ends of the super capacitor pack, and I FC,max represents the maximum allowable current of the fuel cell. Energy storage system with dimensions.
 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템이 제3 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로의 일 단에서 상기 그라운드 노드로 흐르는 상기 제1 인덕터의 전류가 부하로부터 상기 에너지 저장 시스템으로 유입되는 부하 전류 ILoad를 추종하도록 하는 정전류 제어를 수행함으로써 상기 연료전지의 양 단의 평균 전류가 0 A가 되도록 하는 제3 제어 신호를 상기 제1 스위칭 회로로 출력하는 에너지 저장 시스템.

According to paragraph 1,
When the energy storage system operates in the third operation mode, the control unit determines that the current of the first inductor flowing from one end of the first switching circuit to the ground node is the load current I flowing into the energy storage system from the load. An energy storage system that outputs a third control signal to the first switching circuit so that the average current at both ends of the fuel cell becomes 0 A by performing constant current control to follow the load .

 제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 스위칭 회로로 출력되는 제3 제어 신호의 듀티 비율 D를 수학식 14에 따라 결정하는 것을 특징으로 하고,
상기 수학식 14는,
이고, 상기 VLoad는 상기 에너지 저장 시스템에 연결된 부하 양 단의 전압인 에너지 저장 시스템.
According to clause 9,
The control unit is characterized in that it determines the duty ratio D of the third control signal output to the first switching circuit according to Equation 14,
Equation 14 above is:
, and the V Load is the voltage at both ends of the load connected to the energy storage system.
 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 에너지 저장 시스템이 연결된 부하의 각속도와 이전 동작 모드에 기반하여 복수의 동작 모드 중 하나를 선택하여 복수의 인덕터 중 하나의 전류를 제어하는 에너지 저장 시스템.According to paragraph 1,
An energy storage system wherein the control unit controls the current of one of a plurality of inductors by selecting one of a plurality of operation modes based on the angular velocity of the load to which the energy storage system is connected and a previous operation mode.
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