KR102671564B1 - 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본원발명은 기존 주동력원으로 연료전지를 사용하는 파워팩 시스템에서 운전패턴에 따른 정지와 시동의 반복으로 연료전지의 수명이 단축되는 문제를 주동력원을 배터리 또는 슈퍼캡으로하고 보조동력원으로 연료전지로 구비한 추진체에서 각 동력원의 출력 및 용량을 최적 설계하여 시스템을 소형화시키고 연료전지 수명단축을 방지하는 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
Description
본원발명은 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로 기존 주동력원으로 연료전지를 사용하는 파워팩 시스템에서 운전패턴에 따른 정지와 시동의 반복으로 연료전지의 수명이 단축되는 문제를 주동력원을 배터리 또는 슈퍼캡으로하고 보조동력원으로 연료전지로 구비한 추진체에서 각 동력원의 출력 및 용량을 최적 설계하여 시스템을 소형화시키고 연료전지 수명단축을 방지하는 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 양극으로 산화반응에 의해 생성된 양성자의 이동통로가 되는 고분자 전해질 막과 산화반응을 통하여 연료(수소)로부터 양성자를 전해질 막으로 제공하는 양극과 전해질 막으로부터 제공된 양성자를 환원시켜 물을 만드는 음극으로 구성된다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 화학에너지를 중간의 변환과정 없이 바로 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 에너지 변환과정은 일반 내연기관에 비해 놓은 에너지 변환 효율을 보여준다. 내연기관이나 열기관의 생성물이 CO2나 환경적으로 유해한 기체인 반면 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 반응물은 일반적인 물이다. 또한 고분자 전해질 연료전지는 연료(H2)가 제공되는 한 거의 동일한 성능을 보여준다. 이러한 연료전지의 장점들은 특수차량용으로 적합하다는 것을 보여준다.
상기 특수차량은 특수목적용 차량이면 그 종류에 제한받지 않으나, 실내에서 사용되는 지게차 일 수 있다.
일반적으로 연료전지가 가진 여러 장점에도 불구하고 연료전지는 여러 분야에 응용하기에 여전히 많은 장벽들을 가지고 있다. 연료전지는 그 구조적인 문제로 인하여 시동 시 부하에 즉각적으로 전력을 제공하기 어려우며, 또한 급격한 부하의 변화에 대응하기 어렵다.
이차전지, 특히 리튬이온 전지는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동을 하면서 전력을 제공하고 반대의 경우 충전을 한다. 리튬폴리머 배터리는 근본적으로 리튬이온 배터리와 같은 구조를 가지나 고체나 겔 형태의 전해질을 사용한다. 고체나 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 리튬폴리머 배터리는 고 에너지 밀도를 가지며 그 모양을 쉽게 성형할 수 있는 장점을 가지나 사용 시간에 따라 전력이 감소하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 전원 공급 장치가 연료전지만으로 구성되는 경우, 느린 기동 시간으로 인하여 빠른 부하에 대응하는 것이 어렵다. 반면, 이차전지만으로 구성되는 경우에는 빠른 부하 응답 특성을 가지나 오랜시간 사용할 수 없어 이차전지와 연료전지의 장점이 결합된 하이브리드형 전원 시스템의 개발이 요구되었다.
그러나, 연료전지 및 이차전지는 전류, 저항 및 전압 특성이 상이하기 때문에, 연료전지 및 이차전지를 하나의 전원 공급 장치에 응용하는 것은 용이하지 않다.
도 1은 종래의 하이브리드 전원 공급 장치의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 연료전지 및 이차전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 장치는, 연료전지 장치를 포함하는 제1전기 발생 장치; 이차전지를 포함하는 제2 전기 발생 장치; 상기 제2 전기 발생 장치에 연결된 충전 장치; 및 상기 제1 전기 발생 장치 및 제2 전기 발생 장치와 연결되고, 상기 제1 전기 발생 장치 및 제2 전기 발생 장치에서 전달된 전기 에너지를 사용하는 부하 장치로 공급하는 전기 공급 라인;을 포함한다.
이러한 일반적인 하이브리드 전원 공급 장치의 회로 구성에서 제1전기 발생장치의 연료전지 스택은 여러가지 원인으로 인하여 일시적으로 출력이 저하될 수 있으며, 이 경우에 과도한 출력을 내보낼 경우 스택에 치명적인 손상을 초래할 수 있다.
따라서 연료전지 컨버터는 입력전압이 기준치 이하가 될 경우 시스템을 정지시키는 방법을 통해 스택 손상을 방지하도록 운영하였다. 그러나, 이 방법의 경우 소수의 셀에서만 출력이 저하되는 경우 이상 감지가 어려우며, 해당 상태로 계속 시스템이 운전될 경우 스택의 영구적인 손상을 막을 수 없다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0078907호에서는 연료전지 장치를 포함하는 제1 전기 발생 장치; 이차전지를 포함하는 제2 전기 발생 장치; 상기 제2 전기 발생 장치에 연결된 충전장치; 및 상기 제1 전기 발생 장치 및 제2 전기 발생 장치와 연결되고, 상기 제1 전기 발생 장치 및 제2 전기 발생 장치에서 전달된 전기 에너지를 사용하는 부하 장치로 공급하는 전기 공급 라인;을 포함하고, 상기 제2 전기발생 장치에서 상기 부하 장치로 공급되는 전류는, 상기 제1 전기 발생 장치에서 상기 부하 장치로 공급되는 전류의 부족분인 연료전지 및 이차전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 장치가 개시되어 있다. 그러나 본원 발명의 주동력원인 배터리 또는 슈퍼캡과 보조동력원인 연료전지 스택의 출력 및 용량을 고려하여 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩의 운전방법 및 시스템에 관한 구성은 개시된 바 없다.
한국 등록특허공보 제10-0851444호에서는 상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 충전시키고자 하는 상기 니켈수소 이차 전지에 공급하는 충전부와 상기 충전부에 의하여 충전되는 상기 니켈수소 이차 전지의 전압 및 온도를 측정하는 센서부와 상기 센서부에서 측정된 값을 이용하여 상기 니켈수소 이차 전지의 충전 상태를 판별하여, 판별된 충전 상태에 따라 상기 니켈수소 이차 전지의 충방전을 제어하는 제어부와 상기 제어부의 제어에 의하여 상기 니켈수소 이차 전지에서 방전되는 전력을 부하에 공급하는 방전부를 포함하며, 상기 제어부에서 이루어지는 상기 니켈수소 이차 전지의 충전 상태 판별은 미리 조사해서 메모리에 저장시켜 놓은 온도별 충전 종지 전압값과; 측정된 전압, 온도값을 2차평면상에서 비교함으로써 수행되고, 상기 온도별 충전 종지 전압값은, 온도범위가 45 ~ 55
범위 내에서 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지와 같은 신재생 에너지를 전력 공급원으로 하며, 니켈수소 이차 전지의 충전을 제어하는 장치 충전 제어장치가 개시되어 있다. 그러나 본원 발명의 주동력원인 배터리 또는 슈퍼캡과 보조동력원인 연료전지 스택의 출력 및 용량을 고려하여 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩의 운전방법 및 시스템에 관한 구성은 개시된 바 없다.
일본 공개특허 제2021-516732호에서는 굴착기는 지지구체, 굴착 스트링, 굴착 헤드, 가요성 인장 소자, 지지구체에 기계적으로 연결하고 또한 가요성 인장 소자에 기계적으로 관련되어 굴착 스트링을 지지 및 작동시키는 동작 장치, 제1 작업모드에서 동작 장치를 작동시켜 굴착 스트링을 들어 올리도록 구성하고. 또한 제2 작업 모드에서 동작 장치에 대해 기계적 제동력을 가하고 굴착 스트링의 강하를 제어 상태에서 제동하여 원하는 제어 강하 속도(Vd)로 달할 수 있는 제한 표지 이것을 유지하도록 구성하고. 추가로 전력(Pmot)을 발생시키도록 구성한, 적어도 하나의 제1 전동 모터, 발생한 전력(Pmot)을 변환된 전력(Pregen)으로 변환하도록 구성한 제1 쌍방향 전력 컨버터장치, 변환된 전력(Pregen)을 송전하도록 편성한 전기 에너지 송전망, 변환된 전력(Pregen)을 받도록 편성한 전력 소비 유닛으로서, 적어도 하나의 제1 전기 에너지 저장 시스템 및 전력을 발생시키도록 구성한 원동기를 가지는 상기 전력 소비 유닛, 원하는 제어 강하 속도(Vd) 값을 나타내는 적어도 하나의 제1 전기 제어 신호를 송신하도록 구성한 제어 그룹, 이러한 제1 전기 제어 신호에 기반하여 제2 전기 제어 신호를 생성하고 및 제2 전기 제어 신호를 제1 쌍방향 전력 컨버터 장치로 송신하도록 구성한 제어 시스템으로서, 제1 쌍방향 전력 컨버터 장치는 제어 시스템에서 받은 제2 전기 제어 신호에 기반하여 제1 전동 모터의 동작을 제어하고 이로 인해 굴착 스트링이 원하는 제어 강하 속도의 강하를 실시하도록 구성되어 있는 것이며 상기 원동기는 연료전지 및 상기 연료전지에 전기적으로 관련된 제6 전력 컨버터 장치를 가지분산형 및 실시간형인 상기 제어 시스템이 개시되어 있다. 그러나 본원 발명의 주동력원인 배터리 또는 슈퍼캡과 보조동력원인 연료전지 스택의 출력 및 용량을 고려하여 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩의 운전방법 및 시스템에 관한 구성은 개시된 바 없다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0074994호에서는 연료전지 스택에 적층된 단위 셀의 전압 값을 측정한다. 상기 측정된 전압 값은 신호처리부가 디지털 값으로 변환된다. 그런 다음 광통신송신부가 이를 광신호로 변환한 후 광통신 라인을 통해 전송한다. 상기 전송된 광신호는 광통신 수신부가 전달받는다. 상기 광통신 수신부는 상기 광신호를 다시 디지털 값으로 변환되고, 제어부로 전달한다. 상기 제어부는 상기 전송된 전압 값에 기초하여 상기 단위 셀의 이상 유무를 감지한다. 상기 감지결과, 상기 연료전지 스택에 적층된 어느 하나의 단위 셀의 전압이 미리 정의된 임계전압보다 낮게 검출된 경우, 상기 제어부는 연료전지 시스템의 운전을 제어한다. 이때 상기 제어부는 이상이 발생한 단위 셀의 정보를 선택적으로 표시부에 표시하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법 및 장치가 개시되어 있다. 그러나 본원 발명의 주동력원인 배터리 또는 슈퍼캡과 보조동력원인 연료전지 스택의 출력 및 용량을 고려하여 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩의 운전방법 및 시스템에 관한 구성은 개시된 바 없다.
따라서, 본원 발명의 주출력원인 배터리 또는 슈퍼캡의 SOC를 파악하여 상기 SOC상태에 따라 보조출력원인 상기 연료전지와 주출력원인 배터리의 출력비율을 조정하여 운전하는 모빌리티 파워팩의 운전방법 및 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기존 주동력원으로 연료전지를 사용하는 파워팩 시스템에서 운전패턴에 따른 정지와 시동의 반복으로 연료전지의 수명이 단축되는 문제를 주동력원을 배터리 또는 슈퍼캡으로하고 보조동력원으로 연료전지로 구비한 추진체에서 각 동력원의 출력 및 용량을 최적 설계하여 시스템을 소형화시키고 연료전지 수명단축을 방지하는 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 모빌리티 파워팩 운전방법에 있어서, 전력이 동력원인 모빌리티의 전원이 켜지는 제1단계; 상기 제1단계를 상기 연료전지 제어기가 센싱하여 BOP(Balance of plant)를 구동하여 출력 대기상태가 되는 제2단계; 상기 모빌리티가 동작하면 상기 보조출력원인 연료전지 및 주출력원인 배터리의 합성 전력이 모빌리티에 공급되는 제3단계; 및 상기 모빌리티가 정지하고 전원이 꺼지면 상기 배터리의 SOC(State of charge)를 파악하고 상기 파워팩을 정지하는 제4단계를 포함하며, 상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩 운전방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 배터리의 상태는 상기 SOC가 80% 이상의 상한경계, 70%이상 내지 80%미만을 정상범위, 70%미만을 하한경계로 하는 상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정될 수 있다.
또한, 상기 SOC가 상기 하한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 클 수 있다.
또한, 상기 SOC가 상기 상한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iL), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiL)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(α)으로 하기 식(1)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출할 수 있다.
(PFC) = (iiL)*(1+ α) 식(1)
또한, 상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iH), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiH)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(β)으로 하기 식(2)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출할 수 있다.
(PFC) = (iiH)/(1+ β) 식(2)
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명의 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 파워팩 시스템에 있어서, 보조출력원으로 사용되는 연료전지 스택; 주출력원으로 사용되는 이차전지계 스택; 상기 연료전지 스택 및 상기 이차전지계 스택의 출력을 양방향 컨버터를 통해 제어하는 출력제어부; 상기 연료전지 스택의 출력은 전력소비체의 평균 출력이고, 상기 전력소비체의 최대 출력은 상기 이차전지계 스택의 출력으로 있는 연료전지를 보조출력원을 사용하는 파워팩 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 출력은 상기 이차전지계 스택의 SOC(State Of Charge)에 따라 가변출력으로 변경할 수 있다.
또한, 상기 가변출력은 상기 전력소비체의 누적전력소비량 기울기와 상기 이차전지계 스택의 SOC잔량에 따라 상기 연료전지 스택의 출력이 가변할 수 있다.
또한, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 80%를 초과하면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체의 대기전력 및 상기 파워팩 시스템의 소모전력만 출력하고, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 70% 내지 80%이면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체 출력의 70%를 정격출력하고, 나머지 잉여전력은 상기 이차전지계 스택을 충전하며, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 70%미만이면, 상기 연료전지 스택의 출력을70%이상으로 상승시켜 상기 이차전지계 스택을 충전할 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
본원발명의 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법은 연료전지 스택의 출력비율을 주동력원인 배터리의 SOC상태에 따라서 조정하므로 연료전지 스택 손상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 보조동력원인 연료전지 스택의 출력 및 용량을 최적 설계하여 시스템을 소형화 시키고 연료전지 스택의 수명이 단축되는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한, 이동체의 동력에 필요한 누적발전량의 기울기와 주동력원인 배터리의 SOC 잔량에 따라 연료전지 출력이 가변되어 주동력원의 SOC를 일정하게 유지하고 일정한 연료전지 출력과 배터리 SOC가 일정한 퍼센트로 유지되어 수명이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지의 출력을 일정하게 유지하는 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩의 누적발전량, 연료전지 출력량 및 주동력원의 최대출력을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원발명의 일실시예로 가동시간에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 출력데이터 그래프이다.
도 5는 본원발명의 일실시예로 가동시간에 따른 연료전지스택과 배터리의 출력 및 배터리 충전양을 파워팩의 출력에 나타낸 그래프이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지의 출력을 일정하게 유지하는 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩의 누적발전량, 연료전지 출력량 및 주동력원의 최대출력을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원발명의 일실시예로 가동시간에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 출력데이터 그래프이다.
도 5는 본원발명의 일실시예로 가동시간에 따른 연료전지스택과 배터리의 출력 및 배터리 충전양을 파워팩의 출력에 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
본원발명의 일실시예에 따른 연료전지-이차전지 하이브리드 모빌리티에 적용되는 파워팩은 연료전지 스택, 이차전지, 인버터, 모터, RGU, GDU를 포함할 수 있다.
현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지 스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이므로, 고분자 전해질 연료전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.
고분자 전해질 연료전지의 연료중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하는 동시에, 촉매반응으로 생성된 전자들은 외부회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성된다.
상기 연료전지 스택은 차량을 구동시키기 위한 주동력원으로 100kW급의 연료전지 2개가 직렬로 연결되는 연료전지시스템으로 이루어지고, 이차전지는 신속한 고출력 충방전이 가능한 보조 동력원으로, 연료전지 스택 출력 파워의 부족분을 보충하며 회생에너지의 활용을 극대화 할 수 있어 연료전지의 효율적인 사용을 가능하게 할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 주동력원과 보조동력원으로부터 출력되는 고전압을 인버터를 통해 직류에서 교류로 변환하여 모터 (예 AC 240kW)에 공급함으로 차량을 구동하는 구조이다.
연료전지 스택을 2개를 직렬로 연결함에 따라 메인 버스단이 고전압(500~900V)으로 구동되며, 별도의 유단변속장치 없이 모터의 출력토크가 감속기어부 (Reduction Gear Unit;RGU)를 통해 1차로 증대되고, 기어차동부 (Gear Differential Unit;GDU)를 거쳐 2차로 증대될 수 있다.
상기 RGU와 GDU의 감속비는 출력변화가 심한 지게차, 굴착기 등 출력한국요구가 급격한 특수차량 성능을 만족시킬 수 있다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 블록 다이아그램이다.
연료전지 스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩은 주동력원인 배터리의 SOC상태에 따라 PID제어방식으로 운전되어 모빌리티의 전력 수요 패턴과 맞도록 파워팩의 출력과 배터리의 용량을 최적화시키는 제어방법이다.
본원발명의 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 모빌리티 파워팩 운전방법에 있어서, 전력이 동력원인 모빌리티의 전원이 켜지는 제1단계; 상기 제1단계를 상기 연료전지 제어기가 센싱하여 BOP(Balance of plant)를 구동하여 출력 대기상태가 되는 제2단계; 상기 모빌리티가 동작하면 상기 보조출력원인 연료전지 및 주출력원인 배터리의 합성 전력이 모빌리티에 공급되는 제3단계; 및 상기 모빌리티가 정지하고 전원이 꺼지면 상기 배터리의 SOC(State of charge)를 파악하고 상기 파워팩을 정지하는 제4단계를 포함하며, 상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정되는 모빌리티 파워팩 운전방법이 제공될 수 있다.
본원발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 파워팩 구성도는 연료전지 모듈, DC/DC 컨버터, 고전압 배터리, 인버터 및 모터가 1세트로 장착되는 개념일 수 있다.
이와 같은 구조는 승용 연료전지 시스템 2세트를 전기적으로 분리(decouple)시키고, 두 모터시스템의 출력을 동력연결장치(PCD;Power Coupling Device)를 이용해 기계적으로 병합하는 구조를 이루고 있다.
상기 PCD는 각 모터와 직결된 기어(평기어)사이에 후륜축과 직결된 기어가 치합된 구조로 이루어짐으로써, 모터의 출력이 차륜(후륜)에 전달되게 된다.
또한, 연료전지의 구조는 승용 연료전지차량에 비해 보조동력원인 고전압 배터리를 2세트 더 사용함으로써, 특수목적 차량의 파워어시스트 및 회생제동량을 증가시키고 있다.
따라서, 전기적으로 분리된 두 연료전지시스템을 사용함에 따라 두 메인버스단의 전압이 저전압(250~450V)으로 구동되며, 별도의 유단변속장치 없이 모터의 출력토크가 PCD(154)와 GDU의 기어비를 통해 증대될 수 있다.
상기 배터리의 상태는 상기 SOC가 80% 이상의 상한경계, 70%이상 내지 80%미만을 정상범위, 70%미만을 하한경계로 하는 상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정될 수 있다.
상기 SOC가 상기 하한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 클 수 있다.
상기 SOC가 상기 상한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 작거나 같을 수 있다.
상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iL), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiL)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(α)으로 하기 식(1)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출할 수 있다.
(PFC) = (iiL)*(1+ α) 식(1)
상기 모빌리티의 출력 적산값이 5kW이고, 상기 파워팩의 출력 적산값이 4kW로 가정하면 상기 연료전지의 출력은 4.4kW로 산출할 수 있다.
(실시예1)
4.4kW(PFC) = 4*(1+((5*10/100)-(4*10/100)))
상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iH), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiH)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(β)으로 하기 식(2)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출할 수 있다.
(PFC) = (iiH)/(1+ β) 식(2)
상기 모빌리티의 출력 적산값이 5kW이고, 상기 파워팩의 출력 적산값이 4kW로 가정하면 상기 연료전지의 출력은 3.6kW로 산출할 수 있다.
(실시예2)
3.6kW(PFC) = 4/(1+((5*10/100)-(4*10/100)))
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 연료전지의 출력을 일정하게 유지하는 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩의 누적발전량, 연료전지 출력량 및 주동력원의 최대출력을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 시간에 따른 출력비율은 현재 연료전지 출력(PFC)을 제어기에서 조정하는 방식이기 때문에
“모빌리티 출력 - 연료전지 출력(PFC) = 배터리 출력" 이 된다.
이때 연료전지 출력(PFC)은 상기 식(1) 및/또는 식(2)로 결정된다.
예를들어, 연료전지 출력(PFC)의 경우,
(1) 모빌리티 출력 - 연료전지 출력(PFC) = 배터리 출력
(1) 4kW - 3kW = 1kW
(2) 모빌리티 출력 - 연료전지 출력(PFC) = 배터리 출력
(2) 2kW - 3kW = -1kW (배터리 충전)으로 산정되고, 수식에 의해 도출된 연료전지 출력이 현재 모빌리티에서 요구되는 출력보다 높고 낮음에 따라 배터리는 자동으로 충전과 방전을 반복합니다.
도 4는 본원발명의 일실시예로 가동시간에 따른 연료전지스택을 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템의 출력데이터 그래프이다.
이러한 연료전지스택의 배터리 충전조건을 도 4를 참조하면, 배터리 충전조건은 연료전지 출력(PFC)은 모빌리티의 출력(i)과 파워팩의 출력(ii)의 적산값으로 결정된다.
따라서, 총 에너지량의 차이로 연료전지 출력이 정해지는 것이다.
예를들어,
(1) (i)-(ii) = 양수 -> 배터리의 SOC가 점점 올라갔을 상황 -> 연료전지 출력(PFC) 을 낮춰서 배터리 방전 상승
(2) (i)-(ii) = 음수 -> 배터리의 SOC가 점점 내려갔을 상황 -> 연료전지 출력(PFC) 을 낮춰서 배터리 충전 상승
이와 같이 일정 시간에(5분) (i)-(ii)에 따라서 충전 방전 조건이 정해질 수 있다.
상기 수식의 조건은 (i)-(ii)값이 커지고 작아질수록 연료전지 출력이 종속적으로 움직이며, 그 출력의 움직임이 SOC 상한/하한 설정값과 같이 연동되어 변경되는 것을 확인할 수 있다.
본원발명의 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 파워팩 시스템에 있어서, 보조출력원으로 사용되는 연료전지 스택; 주출력원으로 사용되는 이차전지계 스택; 상기 연료전지 스택 및 상기 이차전지계 스택의 출력을 양방향 컨버터를 통해 제어하는 출력제어부; 상기 연료전지 스택의 출력은 전력소비체의 평균 출력이고, 상기 전력소비체의 최대 출력은 상기 이차전지계 스택의 출력으로 있는 연료전지를 보조출력원을 사용하는 파워팩 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 출력은 상기 이차전지계 스택의 SOC(State Of Charge)에 따라 가변출력으로 변경할 수 있다.
또한, 상기 가변출력은 상기 전력소비체의 누적전력소비량 기울기와 상기 이차전지계 스택의 SOC잔량에 따라 상기 연료전지 스택의 출력이 가변할 수 있다.
또한, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 80%를 초과하면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체의 대기전력 및 상기 파워팩 시스템의 소모전력만 출력하고, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 70% 내지 80%이면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체 출력의 70%를 정격출력하고, 나머지 잉여전력은 상기 이차전지계 스택을 충전하며, 상기 이차전지계 스택의 SOC가 70%미만이면, 상기 연료전지 스택의 출력을70%이상으로 상승시켜 상기 이차전지계 스택을 충전할 수 있다.
상기 범위를 벗어나면 효율적인 출력제어가 구현되지 않는다.
상기 파워팩이 적용되는 부하 장치는 하이브리드 전원 공급 장치로부터 전류를 공급받는 장치로서, 본 발명이 구성요소에 포함되는 것은 아니다. 상기 부하 장치는 전기 에너지를 이용하는 장치로서 특별히 한정되는 것은 아니며, 일 예로 하이브리드 자동차, 가전 제품 등일 수 있다.
상기 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 상기 연료전지는 특별히 한정되지 않으며, 일 예로, 공기극(cathode)에 산소가 공급되고 연료극(anode)에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생하는 형태의 것일 수 있으며, 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)일 수 있다.
상기 이차전지는 전기 에너지를 공급하고 충전할 수 있는 것이다. 상기 이차전지는 특별히 한정되지 않으며, 일 예로 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등일 수 있다.
또한 상기 이차전지계는 슈퍼캡일 수 있다.
상기 충전기는 이차전지에 연결되어 배치되고, 이차전지의 충전을 제어하는 역할을 한다.
상기 전기 공급 라인은, 이차전지, 연료전지 등과 연결되어 전기 에너지가 이동할 수 있도록 하는 것으로서 배치 및 개수가 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 실시 예를 따르는 연료 전지 및 이차 전지를 포함하는 파워팩은, 상기 이차전지 배터리에서 상기 부하 장치로 공급되는 전류는 상기 연료전지 스택에서 상기 부하 장치로 공급되는 전류의 부족분인 것을 특징으로 한다. 상기 부하 장치로 공급되는 전류란 연료 전지 및 이차 전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 장치의 출력 전류에 해당할 수 있다. 따라서, 출력 전류는 연료전지스택의 출력 전류 및 이차전지 배터리의 출력 전류의 합일 수 있다. 따라서, 하이브리드 전원 공급 장치의 출력을 일정하게 유지하기 위해서는 연료전지 스택 또는 이차전지 배터리의 출력 전류를 제어할 필요가 있다. 본 발명의 실시 예에서는 이차전지 배터리에 연결된 충전 장치를 포함함으로써 이차전지를 포함하는 이차전지 배터리를 제어함으로써 이를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 이차전지 배터리에서 상기 부하 장치로 공급되는 전류는, 상기 연료전지 스택의 셀 전압 값을 이용하여 연료전지 스택의 출력을 조정하고 상기 연료전지 스택의 출력 조정에 따라서 상기 이차전지 배터리에 포함된 이차 전지의 충전 상태(SoC: State of Capacity)를 조절함으로써 조절될 수 있다. 또한, 상기 이차전지 배터리에 포함된 이차 전지의 충전 상태는 상기 충전 장치가 상기 이차전지 배터리의 전압을 조절함으로써 조절될 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (10)
- 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 모빌리티 파워팩 운전방법에 있어서,
전력이 동력원인 모빌리티의 전원이 켜지는 제1단계;
상기 제1단계를 제어기가 센싱하여 BOP(Balance of plant)를 구동하여 출력 대기상태가 되는 제2단계;
상기 모빌리티가 동작하면 상기 보조출력원인 연료전지 및 주출력원인 배터리의 합성 전력이 모빌리티에 공급되는 제3단계; 및
상기 모빌리티가 정지하고 전원이 꺼지면 상기 배터리의 SOC(State of charge)를 파악하고 상기 파워팩을 정지하는 제4단계를 포함하며,
상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC의 상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정되며,
상기 배터리의 상태는 상기 SOC가 80% 이상의 상한경계, 70%이상 내지 80%미만을 정상범위, 70%미만을 하한경계로 하는 상기 제3단계의 상기 합성 전력은 상기 배터리의 상기 SOC의 상태에 따라 상기 연료전지 및 상기 배터리의 출력비율이 조정되고,
상기 SOC가 상기 하한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 크며,
상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iL), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiL)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(α)으로 하기 식(1)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출하는 모빌리티 파워팩 운전방법.
(PFC) = (iiL)*(1+ α) 식(1)
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 SOC가 상기 상한경계인 경우에는 상기 연료전지의 출력이 상기 배터리의 출력보다 작거나 같은 모빌리티 파워팩 운전방법.
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 합성 전력은 5분간의 상기 모빌리티의 출력 적산값(iH), 5분간의 상기 파워팩의 출력 적산값(iiH)의 차이값을 퍼센트로 변환한 값(β)으로 하기 식(2)로 연료전지의 출력(PFC)을 산출하는 모빌리티 파워팩 운전방법.
(PFC) = (iiH)/(1+ β) 식(2)
- 연료전지 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지를 보조출력원으로 사용하는 파워팩 시스템에 있어서,
보조출력원으로 사용되는 연료전지 스택;
주출력원으로 사용되는 이차전지계 스택;
상기 연료전지 스택 및 상기 이차전지계 스택의 출력을 양방향 컨버터를 통해 제어하는 출력제어부;
상기 연료전지 스택의 출력은 전력소비체의 평균 출력이고,
상기 전력소비체의 최대 출력은 상기 이차전지계 스택의 출력으로 있으며,
상기 연료전지 스택의 출력은 상기 이차전지계 스택의 SOC(State Of Charge)에 따라 가변출력으로 변경되고,
상기 가변출력은 상기 전력소비체의 누적전력소비량 기울기와 상기 이차전지계 스택의 SOC잔량에 따라 상기 연료전지 스택의 출력이 가변되는 연료전지를 보조출력원을 사용하는 파워팩 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 이차전지계 스택의 SOC가 80%를 초과하면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체의 대기전력 및 상기 파워팩 시스템의 소모전력만 출력하고,
상기 이차전지계 스택의 SOC가 70% 내지 80%이면, 상기 연료전지 스택은 상기 전력소비체의 출력을 70%를 정격출력하고, 나머지 잉여전력은 상기 이차전지계 스택을 충전하며,
상기 이차전지계 스택의 SOC가 70%미만이면, 상기 연료전지 스택의 출력을70%이상으로 상승시켜 상기 이차전지계 스택을 충전하는 연료전지를 보조출력원을 사용하는 파워팩 시스템.
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| KR1020220135434A KR102671564B1 (ko) | 2022-10-20 | 2022-10-20 | 연료전지를 보조동력원으로 사용하는 파워팩 시스템 및 그 제어방법 |
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2022
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