KR102655110B1 - 연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 시스템은, 연료전지 스택 또는 배터리로부터 출력되는 전력을 소정 레벨의 전력으로 변환하는 제1 컨버터, 상기 배터리로 입력 또는 출력되는 전력을 변환하는 제2 컨버터, 슈퍼 커패시터와 상기 제1 컨버터 사이에서 전력 흐름을 제어하는 파워 릴레이 어셈블리, 및 연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 출력을 제어하고, 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND POWER CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템이 적용된 차량은 수소 연료를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지(fuel cell)를 주 동력원으로 사용하고, 고전압 배터리를 보조 동력원으로 사용하는 하이브리드 파워넷을 장착하여 주행 상황에 따라 운전모드를 전환하여 주행 효율을 높일 수 있다.
최근, 굴삭기와 같이 산업 현장에서 이용되는 차량에도 연료전지 시스템을 적용하기 위한 시도가 이루어지고 있다.
산업 현장에서 이용되는 차량에 적용되는 연료전지 시스템의 경우 연료전지 외에 배터리 및 슈퍼 커패시터 등이 적용된다. 이 경우, 연료전지, 배터리 및 슈퍼 커패시터를 하이브리드로 운영할 수 있으므로 전력 효율이 상승할 수 있다. 하지만, 각 에너지원을 하이브리드로 운영하기 위해서는 파워넷에 적어도 세 개의 컨버터가 구비되어야 하는데, 컨버터는 고가의 부품이기 때문에 그만큼 비용이 상승하게 된다.
본 발명의 목적은, 파워넷에 적용된 컨버터를 파워 릴레이 어셈블리(power relay assembly, PRA)로 대체함으로써 컨버터의 개수를 최소화하여 비용을 절감하면서도, 여러 개의 에너지원을 효율적으로 운영할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택 또는 배터리로부터 출력되는 전력을 소정 레벨의 전력으로 변환하는 제1 컨버터, 상기 배터리로 입력 또는 출력되는 전력을 변환하는 제2 컨버터, 슈퍼 커패시터와 상기 제1 컨버터 사이에서 전력 흐름을 제어하는 파워 릴레이 어셈블리, 및 연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 출력을 제어하고, 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 컨버터는, 상기 연료전지 스택과 인버터를 연결하는 메인 버스단에 배치되고, 상기 제2 컨버터는, 상기 연료전지 스택과 상기 제1 컨버터 사이의 메인 버스단에 일단이 연결되고, 타단이 상기 배터리에 연결되어 양방향의 전력 흐름을 조절하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 컨버터는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 이용하여 상기 연료전지 시스템의 시동 전력 및 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 컨버터는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터로부터 공급된 충전 전력을 상기 파워 릴레이 어셈블리를 통해 상기 슈퍼 커패시터로 공급하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 파워 릴레이 어셈블리는, 상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력을 공급받기 전에 프리차지 릴레이를 이용하여 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 슈퍼 커패시터 사이의 전압을 조절하고, 상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력이 공급되면 메인 릴레이를 이용하여 상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 제공하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제1 컨버터를 정전류 모드로 구동하고, 상기 제2 컨버터를 정전압 모드로 구동하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 연료전지 스택의 시동 전압을 상기 제2 컨버터의 출력 전압으로 설정하고, 상기 제2 컨버터의 한계 전류 또는 상기 배터리의 방전 허용 전류를 상기 제2 컨버터의 제한 전류로 설정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 상기 제1 컨버터의 출력 전압으로 설정하고, 상기 배터리의 방전 가능 전류에서 보기류의 요구 전류를 차감한 값을 상기 제1 컨버터의 출력 전류로 설정하고, 상기 제1 컨버터의 한계 전류 또는 상기 슈퍼 커패시터의 충전 허용 전류를 상기 제1 컨버터의 제한 전류로 설정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 컨버터는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 조절하여 출력하고, 상기 제1 컨버터는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택 및 상기 제2 컨버터 중 적어도 하나 이상을 통해 출력된 전력을 조절하여 인버터로 공급하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 제1 컨버터를 정전류 모드로 구동하고, 상기 제2 컨버터를 정전압 모드로 구동하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 설정하고, 상기 연료전지 스택 및 상기 배터리의 합산 요구 전력과 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전류를 설정하고, 상기 제1 컨버터의 한계 전류에 기초하여 상기 제1 컨버터의 제한 전류를 설정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택의 목표 전압에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전압을 설정하고, 상기 배터리의 목표 전압과 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전류를 설정하고, 상기 배터리의 방전 허용 전류에 기초하여 상기 제2 컨버터의 제한 전류를 설정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 파워 릴레이 어셈블리는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터로부터 방전된 전력을 상기 인버터로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전력 제어 방법은, 연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 연료전지 스택 또는 배터리로부터 출력되는 전력을 조절하는 제1 컨버터, 및 상기 배터리로 입력 또는 출력되는 전력을 조절하는 제2 컨버터의 출력을 설정하는 단계, 연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작을 제어하는 단계, 및 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 출력 및 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작에 따라 연료전지 스택, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 전력 공급을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 출력을 설정하는 단계는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 연료전지 스택의 시동 전압을 상기 제2 컨버터의 출력 전압으로 설정하는 단계, 및 상기 제2 컨버터의 한계 전류 또는 상기 배터리의 방전 허용 전류를 상기 제2 컨버터의 제한 전류로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 출력을 설정하는 단계는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 상기 제1 컨버터의 출력 전압으로 설정하는 단계, 상기 배터리의 방전 가능 전류에서 보기류의 요구 전류를 차감한 값을 상기 제1 컨버터의 출력 전류로 설정하는 단계, 및 상기 제1 컨버터의 한계 전류 또는 상기 슈퍼 커패시터의 충전 허용 전류를 상기 제1 컨버터의 제한 전류로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 전력 공급을 제어하는 단계는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터가, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 이용하여 상기 연료전지 시스템의 시동 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 전력 공급을 제어하는 단계는, 연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터가, 및 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전력을 공급하는 단계, 및
상기 제1 컨버터가, 상기 제2 컨버터로부터 공급된 충전 전력을 조절하여 상기 파워 릴레이 어셈블리를 통해 상기 슈퍼 커패시터로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 전력 공급을 제어하는 단계는, 상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 공급하기 이전에, 상기 슈퍼 커패시터에 연결된 파워 릴레이 어셈블리가, 프리차지 릴레이를 이용하여 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 슈퍼 커패시터 사이의 전압을 조절하는 단계, 및 상기 파워 릴레이 어셈블리가, 상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력이 공급되면 메인 릴레이를 이용하여 상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 출력을 설정하는 단계는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 설정하는 단계, 상기 연료전지 스택 및 상기 배터리의 합산 요구 전력과 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전류를 설정하는 단계, 및 상기 제1 컨버터의 한계 전류에 기초하여 상기 제1 컨버터의 제한 전류를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 출력을 설정하는 단계는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택의 목표 전압에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전압을 설정하는 단계, 상기 배터리의 목표 전압과 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전류를 설정하는 단계, 및 상기 배터리의 방전 허용 전류에 기초하여 상기 제2 컨버터의 제한 전류를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 전력 공급을 제어하는 단계는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 제2 컨버터가, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 조절하여 출력하는 단계, 및 상기 제1 컨버터가. 상기 연료전지 스택 및 상기 제2 컨버터 중 적어도 하나 이상을 통해 출력된 전력을 조절하여 인버터로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 전력 공급을 제어하는 단계는, 연료전지 시스템의 운전 시, 상기 파워 릴레이 어셈블리가. 슈퍼 커패시터로부터 방전된 전력을 인버터로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 파워넷에 적용된 컨버터를 파워 릴레이 어셈블리(power relay assembly, PRA)로 대체함으로써 컨버터의 개수를 최소화하여 비용을 절감하면서도, 여러 개의 에너지원을 효율적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 연료전지 시스템의 시동 시 에너지 흐름을 도시한 도면이다.
도 2b 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 시 컨버터의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 연료전지 시스템의 운전 시 에너지 흐름을 도시한 도면이다.
도 3b 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 시 컨버터의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전력 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 출력 설정 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 가진다. 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(110), 인버터(120), 모터(130), 보기류(140), 배터리(150), 슈퍼 커패시터(160), 제1 컨버터(170), 제2 컨버터(180) 및 파워 릴레이 어셈블리((power relay assembly, PRA)(190)를 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템은 연료전지 시스템의 전력 흐름을 제어하는 제어기(200)를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택(110)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다.)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(110)은 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 제1 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 제1 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(110)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생함에 따라 전기 에너지가 생성될 수 있다.
연료전지 스택(110)은 연료전지 시스템이 구비된 차량, 즉, 연료전지 차량의 주 동력원으로서, 생성된 전기 에너지를 이용하여 모터(130)의 구동에 필요한 전력을 공급한다. 여기서, 연료전지 차량은 굴삭기와 같이 건설 현장의 산업용 차량을 포함할 수 있다.
한편, 연료전지 스택(110)은 배터리(150) 및/또는 슈퍼 커패시터(160)를 충전시키기 위한 전력을 공급할 수도 있다.
여기서, 연료전지 스택(110)의 출력은 제어기(200)에 의해 제어될 수 있다.
연료전지 스택(110)의 출력단에 연결된 메인 버스단에는 인버터(120), 모터(130), 보기류(140), 배터리(150), 슈퍼 커패시터(160), 제1 컨버터(170), 제2 컨버터(180) 및 파워 릴레이 어셈블리(190)가 각각 연결될 수 있다.
인버터(120)는 메인 버스단을 통해 연료전지 스택(110)으로부터 공급되는 고전압의 직류 전력을 모터(130) 구동을 위한 교류 전력으로 변환하여 모터(130)로 제공한다.
인버터(120)는 메인 버스단에 연결된 배터리(150) 및/또는 슈퍼 커패시터(160)로부터 고전압의 직류 전력을 공급받을 수도 있다. 이 경우, 인버터(120)는 배터리(150) 또는 슈퍼 커패시터(160)로부터 공급된 고전압의 직류 전력을 모터(130) 구동을 위한 교류 전력으로 변환하고, 이를 모터(130)로 제공할 수 있다.
인버터(120)는 연료전지 차량이 연료전지 모드로 동작하는 경우 연료전지 스택으로부터 모터(130) 구동을 위한 전력을 공급받을 수 있다. 인버터(120)는 연료전지 차량이 EV모드로 동작하는 경우, 배터리(150) 및/또는 슈퍼 커패시터(160)로부터 모터(130) 구동을 위한 전력을 공급받을 수 있다. 한편, 인버터(120)는 연료전지 차량이 하이브리드 모드로 동작하는 경우, 연료전지 스택(110), 배터리(150) 및 슈퍼 커패시터(160)로부터 모터(130) 구동을 위한 전력을 공급받을 수 있다.
여기서, 인버터(120)는 복수의 스위칭 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 복수의 스위칭 소자는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 제어됨으로써 교류 전력을 생성할 수 있게 된다. 물론, 복수의 스위칭 소자들의 제어 방식은 어느 하나에 한정되는 것은 아니며, 실시 형태에 따라 복수의 스위칭 소자들이 다른 방식으로 제어될 수도 있음은 당연한 것이다.
인버터(120)에 의해 생성된 교류 전력은 모터(130)로 공급된다. 이에, 모터(130)는 인버터(120)로부터 공급된 교류 전력을 이용하여 구동한다. 모터(130)는 인버터(120)로부터 공급된 교류 전력을 이용하여 회전력을 발생시키고, 이때 발생된 회전력을 연료전지 차량의 구동 휠로 제공할 수 있다.
한편, 모터(130)는 회생 제동 시 발생하는 제동력을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 이때, 인버터(120)는 회생 제동 시, 모터(130)에 의해 발생된 전기 에너지의 전력을 변환하여 슈퍼 커패시터(160)의 충전 전력으로 제공할 수 있다.
보기류(140)는 연료전지 스택(110)의 구동에 필요한 보조기기류, 예를 들어, 블로워, 에어 컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환 펌프 및 여러 가지 조절 밸브 등이 포함될 수 있다.
보기류(140)는 연료전지 스택(110)으로부터 구동 전력을 제공받아 동작할 수 있다. 또한, 보기류(140)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시에 배터리(150)로부터 구동 전력을 제공받아 동작할 수도 있다.
배터리(150)는 연료전지 차량의 보조 동력원으로서, 연료전지 스택(110)에 의해 발생된 전기 에너지를 이용하여 충전된다.
배터리(150)는 충전된 전기 에너지를 방전하여 모터(130)의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 배터리(150)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시에 전기 에너지를 방전하여 보기류(140)를 구동시키는데 필요한 전력을 공급할 수 있다. 또한, 배터리(150)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시에 충전된 전기 에너지를 방전하여 슈퍼 커패시터(160)를 충전시키는데 필요한 전력을 공급할 수도 있다.
여기서, 배터리(150)의 방전량은 제어기(200)에 의해 제어될 수 있다.
슈퍼 커패시터(160)는 배터리(150)와 같이 연료전지 차량의 보조 동력원으로서, 연료전지 스택(110)에 의해 발생된 전기 에너지를 이용하여 충전된다. 슈퍼 커패시터(160)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시 배터리(150)로부터 공급된 전력을 이용하여 충전될 수도 있다. 또한, 슈퍼 커패시터(160)는 회생 제동 시 모터(130)에 의해 생성된 전력을 이용하여 충전될 수도 있다.
슈퍼 커패시터(160)는 충전된 전기 에너지를 방전하여 모터(130)의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 슈퍼 커패시터(160)의 방전량은 제어기(200)에 의해 제어될 수 있다.
제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110)과 인버터(120) 사이의 메인 버스단 상에 배치될 수 있다. 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110) 또는 배터리(150)로부터 출력된 전력을 조절하여 메인 버스단으로 출력하는 전력변환기로서, 단방향의 HDC(High voltage DC-DC Converter)로 구성될 수 있다.
일 예로, 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110) 또는 배터리(150)로부터 출력된 전력을 조절하여 메인 버스단에 연결된 인버터(120)로 제공할 수 있다.
또한, 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110) 또는 배터리(150)로부터 출력된 전력을 조절하여 메인 버스단에 연결된 슈퍼 커패시터(160)로 제공함으로써, 슈퍼 커패시터(160)가 충전되도록 할 수도 있다.
여기서, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)의 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류 등을 결정할 수 있다. 따라서, 제1 컨버터(170)는 제어기(200)에 의해 결정된 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류에 따라 메인 버스단으로 출력되는 전력을 조절할 수 있다.
제2 컨버터(180)는 일단이 연료전지 스택(110)과 제1 컨버터(170) 사이의 메인 버스단에 연결되고, 타단이 배터리(150)에 연결될 수 있다.
제2 컨버터(180)는 배터리(150)로 입력 또는 출력되는 전력을 조절하는 전력변환기로서, 전류의 양방향 이동을 제어하는 BHDC(Bi-directional High voltage DC-DC Converter)로 구성될 수 있다.
일 예로, 제2 컨버터(180)는 연료전지 스택(110)으로부터 공급된 전력을 조절하여 배터리(150)의 충전 전력으로 공급할 수 있다. 또한, 제2 컨버터(180)는 회생 제동 시 모터(130)에 의해 발생되는 전력을 조절하여 배터리(150)의 충전 전력으로 공급할 수도 있다.
한편, 제2 컨버터(180)는 연료전지 시스템의 시동 시 배터리(150)의 방전에 의해 출력되는 전력을 조절하여 메인 버스단으로 출력한다. 이때, 메인 버스단으로 출력된 전력은 보기류(140)의 구동 전력으로 제공될 수 있으며, 슈퍼 커패시터(160)의 충전 전력으로 제공될 수도 있다.
여기서, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류 등을 결정할 수 있다. 따라서, 제2 컨버터(180)는 제어기(200)에 의해 결정된 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류에 따라 메인 버스단 또는 배터리(150)로 출력되는 전력을 조절할 수 있다.
파워 릴레이 어셈블리(190)는 슈퍼 커패시터(160)와 메인 버스단을 연결하는 라인 상에 배치되는 메인 릴레이(main relay) 및 메인 릴레이와 병렬로 연결되는 프리차지 릴레이(pre-charge relay) 및 프리차지 릴레이의 일단에 직렬로 연결되는 프리차지 저항을 포함할 수 있다.
파워 릴레이 어셈블리(190)는 메인 릴레이 및 프리차지 릴레이를 개폐시킴으로써 슈퍼 커패시터(160)와 메인 버스단 사이에 흐르는 전력을 인가하거나 차단할 수 있다. 여기서, 메인 릴레이 및 프리차지 릴레이의 개폐 동작은 제어기(200)에 의해 제어될 수 있다.
이때, 파워 릴레이 어셈블리(190)는 연료전지 시스템의 최초 시동 시에 슈퍼 커패시터(160)의 잔존 전압에 의해 제1 컨버터(170) 및 인버터(120)가 손상되는 것을 예방할 수 있다.
파워 릴레이 어셈블리(190)는 전류 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전류 센서는 슈퍼 커패시터(160)와 메인 버스단 사이에 흐르는 전류의 방향을 감지할 수 있다.
제어기(200)는 연료전지 시스템의 각 유닛에 대한 전력 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 제어기(200)는 상위 제어기일 수 있다.
본 실시예에 따른 제어기(200)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어기(200)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다.
제어기(200)는 연료전지 시스템의 시동 시, 연료전지 스택(110)의 시동 및 수퍼 커패시터(160)의 충전을 위한 전력 흐름을 제어할 수 있다.
이때, 제어기(200)는 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)의 출력을 결정하고, 파워 릴레이 어셈블리(190)의 동작을 제어할 수 있다.
일 예로, 제어기(200)는 연료전지 스택(110)의 시동을 위해 제2 컨버터(180)를 정전압 모드로 구동한다. 이때, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 출력 전압을 시동 전압으로 결정한다. 또한, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 한계 전류 또는 배터리(150)의 방전 허용 전류를 제2 컨버터(180)의 제한 전류로 설정한다. 이때, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 한계 전류 및 배터리(150)의 방전 허용 전류 중 작은 값을 제2 컨버터(180)의 제한 전류로 결정할 수 있다.
이에 따라, 제2 컨버터(180)는 배터리(150) 방전 시, 배터리(150)에 의해 방전된 전력을 연료전지 스택(110)의 시동을 위해 보기류(140)로 공급할 수 있다.
한편, 슈퍼 커패시터(160)는 방치 시에 자가 방전에 의해 자연적으로 전압이 감소하기 때문에, 연료전지 시스템의 초기 시동 시에 슈퍼 커패시터(160)의 충전이 필요하다. 따라서, 제어기(200)는 연료전지 스택(110)의 시동 시, 슈퍼 커패시터(160)의 충전을 위해 파워 릴레이 어셈블리(190)를 동작시키고, 제1 컨버터(170)를 정전류 모드로 구동한다.
이때, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)의 출력 전압을 슈퍼 커패시터(160)의 충전 전압으로 결정한다. 또한, 제어기(200)는 배터리(150)의 방전 가능 전류에서 보기류(140)의 요구 전류를 차감한 값을 제1 컨버터(170)의 출력 전류로 결정한다. 또한, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)의 한계 전류 또는 슈퍼 커패시터(160)의 허용 전류를 제1 컨버터(170)의 제한 전류로 결정한다. 이때, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)의 한계 전류 및 슈퍼 커패시터(160)의 충전 허용 전류 중 작은 값을 제1 컨버터(170)의 제한 전류로 결정할 수 있다.
이에 따라, 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시, 배터리(150)에 의해 방전된 전력 중 일부를 슈퍼 커패시터(160)의 충전을 위한 전력으로 공급할 수 있다. 일 예로, 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)는 배터리(150)에 의해 방전된 전력 중 보기류(140)의 요구 전력을 제외한 나머지 전력을 슈퍼 커패시터(160)로 공급할 수 있다.
여기서, 파워 릴레이 어셈블리(190)는 제1 컨버터(170)의 구동 전에 프리차지 릴레이를 이용하여 슈퍼 커패시터(160)의 전압과 제1 컨버터(170)의 출력측 전압 및 인버터(120)의 입력측 전압이 동일한 전압을 형성하도록 유도하고, 이후 제1 컨버터(170)가 정전류 모드로 구동되면 메인 릴레이를 통해 슈퍼 커패시터(160)로 충전 전력을 공급한다.
연료전지 시스템의 시동 시의 전력을 제어하는 동작에 대한 구체적인 설명은 도 2a 및 도 2b의 실시예를 참조하도록 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 시 에너지 흐름을 도시한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 시 컨버터의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제어기(200)는 연료전지 시스템의 시동 시 제1 루트(R11)를 따라 보기류(140)로 전력을 제공하기 위하여 제2 컨버터(180)의 구동 모드, 출력 전압 및 제한 전류 등을 결정할 수 있다.
이때, 제어기(200)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료전지의 시동을 위해 제2 컨버터(180)의 구동 모드를 정전압 모드로 설정하고, 출력 전압을 시동 전압으로 설정하고, 제한 전류를 제2 컨버터(180)의 한계 전류 또는 배터리(150)의 방전 허용 전류로 설정할 수 있다.
또한, 제어기(200)는 연료전지 시스템의 초기 시동 시 제2 루트(R12)를 따라 슈퍼 커패시터(160)로 충전 전력을 제공하기 위하여 제1 컨버터(170)의 구동 모드, 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류를 설정할 수 있다.
이때, 제어기(200)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 슈퍼 커패시터(160)의 충전을 위해 제1 컨버터(170)의 구동 모드를 정전류 모드로 설정하고, 출력 전압을 슈퍼 커패시터(160) 전압으로 설정하고, 출력 전류를 배터리(150)의 방전 가능 전류에서 보기류(140)의 요구 전류를 차감한 값으로 설정하고, 제한 전류를 제1 컨버터(170)의 한계 전류 또는 슈퍼 커패시터(160)의 충전 허용 전류로 설정할 수 있다.
도 2b와 같이, 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)의 출력이 결정되면, 배터리(150)는 전기 에너지를 방전하고, 제2 컨버터(180)는 배터리(150)에 의해 방전된 전력을 조절하여 제1 루트(R11)를 따라 보기류(140)로 시동 전력을 공급한다.
따라서, 보기류(140)는 제2 컨버터(180)로부터 공급된 전력을 이용해 연료전지 스택(110)을 구동하여 시동이 완료되도록 한다.
또한, 제2 컨버터(180)는 배터리(150)에 의해 방전된 전력을 조절하여 제2 루트(R12)를 따라 제1 컨버터(170)로 전력을 출력할 수 있다. 이때, 제1 컨버터(170)는 제2 컨버터(180)로부터 출력된 전력을 조절하여 제2 루트(R12)를 따라 슈퍼 커패시터(160)로 충전 전력을 공급한다.
이 경우, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)로부터 충전 전력이 공급되기 전, 제2 루트(R12) 상에서 슈퍼 커패시터(160)와 연결된 파워 릴레이 어셈블리(190)의 동작을 온(on) 제어할 수 있다.
따라서, 파워 릴레이 어셈블리(190)는 제1 컨버터(170)로부터 공급된 충전 전력을 슈퍼 커패시터(160)로 전달함으로써 슈퍼 커패시터(160)가 충전되도록 한다.
제어기(200)는 슈퍼 커패시터(160)의 충전이 완료되면, 파워 릴레이 어셈블리(190)의 동작을 오프(off) 제어할 수 있다.
한편, 제어기(200)는 연료전지 스택(110)의 시동이 완료된 후 운전 시, 연료전지 스택(110), 배터리(150) 및 수퍼 커패시터(160)의 전력 흐름을 제어할 수 있다.
이때, 제어기(200)는 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)의 출력을 결정하고, 파워 릴레이 어셈블리(190)의 동작을 제어할 수 있다.
일 예로, 제어기(200)는 연료전지 시스템의 운전 시, 연료전지 스택(110)의 출력 전력을 인버터(120)로 제공하기 위해 제1 컨버터(170)의 출력을 제어할 수 있다.
만일, 연료전지 차량이 하이브리드 모드로 동작하는 경우, 제어기(200)는 연료전지 스택(110)의 기준 범위를 초과하는 부하 변동분에 대해 배터리(150) 및/또는 슈퍼 커패시터(160)의 전력을 인버터(120)로 제공할 수 있다.
이 경우, 제어기(200)는 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력을 합한 값에 기초하여 제1 컨버터(170)의 출력을 제어할 수 있다. 또한, 제어기(200)는 배터리(150)에서 인버터(120)로 전력을 제공하기 위한 배터리(150)의 목표 전력과, 연료전지 스택(110)의 목표 전압에 기초하여 제2 컨버터(180)의 출력을 제어할 수 있다.
또한, 제어기(200)는 슈퍼 커패시터(160)에 충전된 전력을 인버터(120)로 제공하기 위해 파워 릴레이 어셈블리(190)의 릴레이 동작을 제어할 수 있다.
연료전지 시스템의 운전 시의 전력을 제어하는 동작에 대한 구체적인 설명은 도 3a 및 도 3b의 실시예를 참조하도록 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 시 에너지 흐름을 도시한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 시 컨버터의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 연료전지 시스템의 운전 시, 연료전지 스택(110)은 제3 루트(R21)를 따라 인버터(120)로 전력을 공급한다. 여기서, 연료전지 스택(110)은 인버터(120) 및 모터(130) 구동 시에 측정된 인버터(120)의 부하 중 지속적으로 공급되는 정적인 부하의 제1 범위 내에서의 부하 변동분에 해당하는 전력을 인버터(120)로 공급한다.
이때, 제3 루트(R21) 상에 배치된 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110)으로부터 공급되는 전력을 조절하여 인버터(120)로 출력할 수 있다.
연료전지 스택(110)은 제3 루트와 연결된 제4 루트(R22)를 따라 보기류(140)로 구동 전력을 공급할 수도 있다. 또한, 연료전지 스택(110)은 제3 루트와 연결된 제5 루트(R23) 및/또는 제6 루트(R24)를 따라 배터리(150) 및/또는 슈퍼 커패시터(160)로 충전 전력을 공급할 수도 있다.
배터리(150)는 연료전지 시스템의 운전 중 인버터(120)로의 전력 공급이 요청되는 경우, 제5 루트(R23) 및 제3 루트(R21)를 따라 인버터(120)로 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 배터리(150)는 인버터(120) 및 모터(130) 구동 시에 측정된 인버터(120)의 부하 중 BPF(Band Pass Filter)에 설정된 제2 범위 내에서의 부하 변동분에 해당하는 전력을 인버터(120)로 공급할 수 있다. 제2 범위는 연료전지에 의해 공급되는 정적인 부하의 제1 범위와, HPF(High Pass Filter)에 설정된 제3 범위 사이의 중간 주파수 범위에 해당될 수 있으며, 구체적인 범위는 실시 형태에 따라 얼마든지 변형 가능하다.
이때, 제5 루트(R23) 상에 배치된 제2 컨버터(180)와, 제3 루트(R21) 상에 배치된 제1 컨버터(170)는 배터리(150)로부터 공급되는 전력을 조절하여 인버터(120)로 출력할 수 있다.
여기서, 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)로부터 전력이 공급되는 경우, 연료전지 스택(110)의 전력과, 배터리(150)로부터 공급되는 전력을 합산한 것을 기준으로 전력 조절하여 인버터(120)로 출력할 수도 있다.
또한, 슈퍼 커패시터(160)는 연료전지 시스템의 운전 중 인버터(120)로의 전력 공급이 요청되는 경우, 제6 루트(R24) 및 제4 루트(R24)를 따라 인버터(120)로 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 슈퍼 커패시터(160)는 인버터(120) 및 모터(130) 구동 시에 측정된 인버터(120)의 부하 중 HPF(High Pass Filter)에 설정된 제3 범위 내에서의 부하 변동분에 해당하는 전력을 인버터(120)로 공급할 수 있다. 여기서, 제3 범위는 급격하게 변동하는 부하 범위로, 제2 범위 보다 높은 주파수 범위에 해당될 수 있으며, 구체적인 범위는 실시 형태에 따라 얼마든지 변형 가능하다.
이때, 제6 루트(R24) 상에 배치된 파워 릴레이 어셈블리(190)는 수퍼 커패시터(160)로부터 공급된 전력을 인버터(120)로 제공할 수 있다.
이에, 제어기(200)는 연료전지 시스템의 운전 시 연료전지 스택(110), 배터리(150) 및 슈퍼 커패시터(160)의 전력을 인버터(120)로 공급하기 위해 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)와 파워 릴레이 어셈블리(190)의 동작을 제어할 수 있다.
이때, 제어기(200)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 컨버터(170)의 구동 모드를 정전류 모드로 설정한다. 또한, 제어기(200)는 제1 컨버터(170)의 출력 전압을 슈퍼 커패시터(160)의 측정 전압으로 설정하고, 출력 전류를 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력과 슈퍼 커패시터(160)의 측정 전압의 비에 기초하여 설정하고, 제한 전류를 제1 컨버터(170)의 한계 전류로 설정할 수 있다.
또한, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 구동 모드를 정전압 모드로 설정한다. 또한, 제어기(200)는 제2 컨버터(180)의 출력 전압을 연료전지 스택(110)의 목표 전압으로 설정하고, 출력 전류를 배터리(150)의 목표 전력과 배터리(150)의 측정 전압의 비에 기초하여 설정하고, 제한 전류를 배터리(150)의 방전 허용 전류로 설정할 수 있다.
도 3b와 같이, 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)의 출력이 결정되면, 연료전지 스택(110)은 목표 전력만큼 출력하고, 이때 출력된 전력은 제1 컨버터(170) 및 보기류(140)로 출력될 수 있다. 제1 컨버터(170)는 연료전지 스택(110)으로부터 출력된 전력을 조절하여 제3 루트(R21)를 따라 인버터(120)로 공급한다.
여기서, 연료전지 스택(110)의 목표 전력은 연료전지 스택(110)의 요구 전력에 보기류(140)의 요구 전력을 합하여 획득할 수 있다. 연료전지 스택(110)의 요구 전력은 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력에서 배터리(150)의 목표 전력을 차감하여 획득할 수 있다.
연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력은 인버터(120) 구동 시에 측정된 부하에서 슈퍼 커패시터(160)의 목표 전력을 차감하여 획득할 수 있다. 슈퍼 커패시터(160)의 목표 전력은 인버터(120)의 부하 중 HPF를 통해 계산된 슈퍼 커패시터(160)의 요구 전력에서, 슈퍼 커패시터(160)의 목표 SOC를 기반으로 산출된 목표 전압에서 슈퍼 커패시터(160)의 측정 전압을 차감한 전압에 대응하여 산출된 전력을 차감하여 획득할 수 있다.
배터리(150)의 목표 전력은 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력 중 BPF를 통해 계산된 배터리(150)의 요구 전력에서 배터리(150)의 목표 SOC를 기반으로 산출된 목표 전압에서 배터리(150)의 측정 전압을 차감한 전압에 대응하여 산출된 전력을 차감하여 획득할 수 있다.
또한, 배터리(150)는 목표 전력만큼 에너지를 방전하고, 제2 컨버터(180)는 배터리(150)에 의해 방전된 전력을 조절하여 제5 루트(R23) 및 제3 루트(R21)를 따라 제1 컨버터(170)로 전력을 출력할 수 있다. 이때, 제1 컨버터(170)는 제2 컨버터(180)로부터 출력된 전력을 조절하여 제3 루트(R21)를 따라 인버터(120)로 전력을 공급한다.
또한, 슈퍼 커패시터(160)는 목표 전력만큼 에너지를 방전하고, 파워 릴레이 어셈블리(190)는 슈퍼 커패시터(160)에 의해 방전된 전력을 인버터(120)로 제공하도록 한다.
따라서, 인버터(120)는 연료전지 스택(110)으로부터 제1 범위 내의 전력을 지속적으로 제공받으며 구동하고, 구동 중 제2 범위 내의 부하 변동분에 대해서는 배터리(150)를 통해, 제3 범위 내의 급격한 부하 변동분에 대해서는 슈퍼 커패시터(160)를 통해 전력을 공급받음으로써 에너지를 효율적으로 제공받을 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 시 전력 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템은 파워팩의 시동 시작 시(S110), 제2 컨버터(180)를 온(ON) 제어하고(S120), 파워 릴레이 어셈블리(PRA)(190) 또한 온(ON) 제어한다(S150).
연료전지 시스템은 'S120' 과정의 제2 컨버터(180)를 통해 배터리(150)의 전력을 보기류(140)로 제공함에 따라 연료전지 스택(110)의 시동을 시작한다(S130).
한편, 연료전지 시스템은 'S150' 과정의 파워 릴레이 어셈블리(PRA)(190)의 프리차지 릴레이에 의해 제1 컨버터(170)의 출력 전압과 슈퍼 커패시터(160)의 전압이 같아지면(S160), 제1 컨버터(170)를 온(ON) 제어한다(S170).
이후, 연료전지 시스템은 제2 컨버터(180) 및 제1 컨버터(170)를 통해 배터리(150)의 전력을 슈퍼 커패시터(160)로 제공함에 따라 슈퍼 커패시터(160)의 충전을 시작한다(S180).
연료전지 시스템은 연료전지 스택(110)의 시동이 완료되었는지를 확인한다(S140). 또한, 연료전지 시스템은 슈퍼 커패시터(160)의 충전이 완료되었는지를 확인한다(S190).
연료전지 시스템은 연료전지 스택(110)의 시동 완료 상태가 확인되고, 슈퍼 커패시터(160)의 충전 완료 상태가 확인되면(S200), 파워팩의 시동을 종료한다(S210).
이후, 연료전지 시스템은 연료전지 시스템의 운전을 시작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 시 전력 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템은 인버터(120) 운전 시(S310), 부하를 측정한다(S320).
연료전지 시스템은 'S320' 과정에서 측정된 부하 중 HPF(High Pass Filter)를 기반으로 부하 변동분을 계산하고(S330), 슈퍼 커패시터(160)로부터 'S330' 과정에서 계산된 부하 변동분에 해당하는 전력을 인버터(120)로 공급한다(S340).
또한, 연료전지 시스템은 'S320' 과정에서 측정된 부하 중 'S340' 과정에서 슈퍼 커패시터(160)에 의해 공급된 전력을 제외한 나머지를 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력으로 계산하고, 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력을 기반으로 제1 컨버터(170)의 출력을 설정한다(S350).
'S350' 과정에서, 제1 컨버터(170)의 출력을 설정하는 세부 동작은 도 6a를 참조하도록 한다.
도 6a를 참조하면, 연료전지 시스템은 인부터 부하에서 슈퍼 커패시터(160)의 목표 전력(Scap 목표 전력)을 차감한 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력(FC+BAT 요구 전력)을 제1 컨버터(HDC)(170)를 통해 공급할 수 있다.
여기서, Scap 목표 전력은 Scap 요구 전력에서 Scap의 소정 전력을 차감하여 획득할 수 있다. Scap 요구 전력은 인버터(120) 부하 중 HPF(High Pass Filter)를 기반으로 하여 계산할 수 있다. Scap의 소정 전력은 Scap의 목표 SOC에 기초하여 산출된 Scap의 목표 전압에서 Scap의 측정 전압을 차감한 전압값을 룩업 테이블(Look UP Table, LUT)에 적용하여 획득할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 FC+BAT 요구 전력과 Scap의 측정 전압의 비로부터 제1 컨버터(HDC)(170)의 출력 전류를 설정할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 Scap의 측정 전압에 기초하여 제1 컨버터(HDC)(170)의 출력 전압을 설정할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)의 합산 요구 전력 중 BPF(Band Pass Filter)를 기반으로 부하 변동분을 계산한다(S360). 이때, 연료전지 시스템은 'S360' 과정에서 계산된 부하 변동분에 기초하여 배터리(150)의 목표 전력을 계산할 수 있다.
연료전지 시스템은 배터리(150)의 목표 전력과 연료전지 스택(110)의 목표 전력을 기반으로 제2 컨버터(180)의 출력을 설정한다(S370).
'S370' 과정에서, 제2 컨버터(180)의 출력을 설정하는 세부 동작은 도 6b를 참조하도록 한다.
도 6b 참조하면, 연료전지 시스템은 배터리(150)의 목표 전력(BAT 목표 전력)과 배터리(150)의 측정 전압(BAT 측정 전압)의 비로부터 제2 컨버터(BHDC)(180)의 출력 전류를 설정할 수 있다.
여기서, BAT 목표 전력은 BAT 요구 전력에서 BAT의 소정 전력을 차감하여 획득할 수 있다. BAT 요구 전력은 FC+BAT 합산 요구 전력 중 BPF를 기반으로 계산할 수 있다. BAT의 소정 전력은 BAT 목표 SOC에 기초하여 산출된 BAT 목표 전압에서 BAT 측정 전압을 차감한 전압값을 룩업 테이블(LUT)에 적용하여 획득할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(110)의 목표 전압에 기초하여 제2 컨버터(BHDC)(180)의 출력 전압을 설정할 수 있다.
여기서, FC 목표 전압은 FC 목표 전력을 룩업 테이블(LUT)에 적용하여 획득할 수 있다. FC 목표 전력은 FC 요구 전력에 보기류(140) 요구 전력을 더하여 획득할 수 있다. 또한, FC 요구 전력은 BAT+FC 요구 전력에서 BAT 목표 전력을 차감하여 획득할 수 있다.
이상의 과정들을 통해 제1 컨버터(170) 및 제2 컨버터(180)에 대한 출력이 결정되면, 연료전지 스택(110) 및 배터리(150)는 인버터(120)로 전력을 공급한다(S380). 'S380' 과정에서, 연료전지 스택(110)은 제1 컨버터(170)를 통해 인버터(120)로 전력을 공급할 수 있으며, 배터리(150)는 제2 컨버터(180) 및 제1 컨버터(170)를 거쳐 인버터(120)로 전력을 공급할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 연료전지 스택 120: 인버터
130: 모터 140: 보기류
150: 배터리 160: 슈퍼 커패시터
170: 제1 컨버터 180: 제2 컨버터
190: 파워 릴레이 어셈블리(PRA) 200: 제어기

Claims (23)

  1. 일단이 연료전지 스택 및 배터리에 각각 연결되어, 상기 연료전지 스택 또는 상기 배터리로부터 출력되는 전력을 소정 레벨의 전력으로 변환하여 출력하는 제1 컨버터;
    상기 배터리로 입력 또는 출력되는 전력을 변환하는 제2 컨버터;
    슈퍼 커패시터와 상기 제1 컨버터 사이에서 전력 흐름을 제어하는 파워 릴레이 어셈블리; 및
    연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 출력을 제어하고, 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지 시스템의 초기 시동 시, 상기 배터리로부터 공급된 전력을 상기 슈퍼 커패시터로 제공하기 위해 상기 제1 컨버터의 구동 모드, 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 컨버터는,
    상기 연료전지 스택과 인버터를 연결하는 메인 버스단에 배치되고,
    상기 제2 컨버터는,
    상기 연료전지 스택과 상기 제1 컨버터 사이의 메인 버스단에 일단이 연결되고, 타단이 상기 배터리에 연결되어 양방향의 전력 흐름을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 컨버터는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 이용하여 상기 연료전지 시스템의 시동 전력 및 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 컨버터는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터로부터 공급된 충전 전력을 상기 파워 릴레이 어셈블리를 통해 상기 슈퍼 커패시터로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 파워 릴레이 어셈블리는,
    상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력을 공급받기 전에 프리차지 릴레이를 이용하여 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 슈퍼 커패시터 사이의 전압을 조절하고, 상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력이 공급되면 메인 릴레이를 이용하여 상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제1 컨버터를 정전류 모드로 구동하고, 상기 제2 컨버터를 정전압 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 연료전지 스택의 시동 전압을 상기 제2 컨버터의 출력 전압으로 설정하고, 상기 제2 컨버터의 한계 전류 또는 상기 배터리의 방전 허용 전류를 상기 제2 컨버터의 제한 전류로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 상기 제1 컨버터의 출력 전압으로 설정하고, 상기 배터리의 방전 가능 전류에서 보기류의 요구 전류를 차감한 값을 상기 제1 컨버터의 출력 전류로 설정하고, 상기 제1 컨버터의 한계 전류 또는 상기 슈퍼 커패시터의 충전 허용 전류를 상기 제1 컨버터의 제한 전류로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 컨버터는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 조절하여 출력하고,
    상기 제1 컨버터는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택 및 상기 제2 컨버터 중 적어도 하나 이상을 통해 출력된 전력을 조절하여 인버터로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 제1 컨버터를 정전류 모드로 구동하고, 상기 제2 컨버터를 정전압 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 설정하고, 상기 연료전지 스택 및 상기 배터리의 합산 요구 전력과 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전류를 설정하고, 상기 제1 컨버터의 한계 전류에 기초하여 상기 제1 컨버터의 제한 전류를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택의 목표 전압에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전압을 설정하고, 상기 배터리의 목표 전압과 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전류를 설정하고, 상기 배터리의 방전 허용 전류에 기초하여 상기 제2 컨버터의 제한 전류를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 파워 릴레이 어셈블리는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터로부터 방전된 전력을 상기 인버터로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 일단이 연료전지 스택 및 배터리에 각각 연결되어, 연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 상기 연료전지 스택 또는 상기 배터리로부터 출력되는 전력을 조절하는 제1 컨버터, 및 상기 배터리로 입력 또는 출력되는 전력을 조절하는 제2 컨버터의 출력을 설정하는 단계;
    연료전지 시스템의 시동 또는 운전 상태에 따라 파워 릴레이 어셈블리의 동작을 제어하는 단계; 및
    상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터의 출력 및 상기 파워 릴레이 어셈블리의 동작에 따라 연료전지 스택, 배터리 및 슈퍼 커패시터의 전력 공급을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 시스템의 초기 시동 시, 상기 배터리로부터 공급된 전력을 상기 슈퍼 커패시터로 제공하기 위해 상기 제1 컨버터의 구동 모드, 출력 전압, 출력 전류 및 제한 전류를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 출력을 설정하는 단계는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 연료전지 스택의 시동 전압을 상기 제2 컨버터의 출력 전압으로 설정하는 단계; 및
    상기 제2 컨버터의 한계 전류 또는 상기 배터리의 방전 허용 전류를 상기 제2 컨버터의 제한 전류로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 출력을 설정하는 단계는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 상기 제1 컨버터의 출력 전압으로 설정하는 단계;
    상기 배터리의 방전 가능 전류에서 보기류의 요구 전류를 차감한 값을 상기 제1 컨버터의 출력 전류로 설정하는 단계; 및
    상기 제1 컨버터의 한계 전류 또는 상기 슈퍼 커패시터의 충전 허용 전류를 상기 제1 컨버터의 제한 전류로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터가, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 이용하여 상기 연료전지 시스템의 시동 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    연료전지 시스템의 시동 시, 상기 제2 컨버터가, 및 상기 슈퍼 커패시터의 충전 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 제1 컨버터가, 상기 제2 컨버터로부터 공급된 충전 전력을 조절하여 상기 파워 릴레이 어셈블리를 통해 상기 슈퍼 커패시터로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 공급하기 이전에, 상기 슈퍼 커패시터에 연결된 파워 릴레이 어셈블리가, 프리차지 릴레이를 이용하여 상기 제1 컨버터의 출력단과 상기 슈퍼 커패시터 사이의 전압을 조절하는 단계; 및
    상기 파워 릴레이 어셈블리가, 상기 제1 컨버터를 통해 충전 전력이 공급되면 메인 릴레이를 이용하여 상기 슈퍼 커패시터로 충전 전력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 출력을 설정하는 단계는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 설정하는 단계;
    상기 연료전지 스택 및 상기 배터리의 합산 요구 전력과 상기 슈퍼 커패시터의 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제1 컨버터의 출력 전류를 설정하는 단계; 및
    상기 제1 컨버터의 한계 전류에 기초하여 상기 제1 컨버터의 제한 전류를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  21. 청구항 14에 있어서,
    상기 출력을 설정하는 단계는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 연료전지 스택의 목표 전압에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전압을 설정하는 단계;
    상기 배터리의 목표 전압과 측정 전압의 비에 기초하여 상기 제2 컨버터의 출력 전류를 설정하는 단계; 및
    상기 배터리의 방전 허용 전류에 기초하여 상기 제2 컨버터의 제한 전류를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  22. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 제2 컨버터가, 상기 배터리에 의해 방전된 전력을 조절하여 출력하는 단계; 및
    상기 제1 컨버터가. 상기 연료전지 스택 및 상기 제2 컨버터 중 적어도 하나 이상을 통해 출력된 전력을 조절하여 인버터로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
  23. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 공급을 제어하는 단계는,
    연료전지 시스템의 운전 시, 상기 파워 릴레이 어셈블리가. 슈퍼 커패시터로부터 방전된 전력을 인버터로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전력 제어 방법.
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