KR20070004613A - 하이브리드 연료전지 시스템 및 그 전압변환 제어방법 - Google Patents

하이브리드 연료전지 시스템 및 그 전압변환 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컨버터에서의 효율개선을 도모하는 하이브리드 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 연료전지(22)와 축전장치(21)를 전압 변환기(20)를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템(1)에서 전압 변환기(20)는 복수상(P1, P2, P3)을 구비하는 것으로서, 전압 변환기(20)를 통과하는 파워에 따라 운전하는 상수를 변경 가능하게 구성하고 있다. 전압 변환기(20)를 통과하는 파워에 따라 상수를 변경 가능하게 구성하고 있기 때문에 통과 파워에 따라 더욱 효율이 높은 상수를 선택하여 전압 변환할 수 있고, 전압 변환기(20)에서의 효율을 대폭으로 개선할 수 있다.

Description

하이브리드 연료전지 시스템 및 그 전압변환 제어방법{HYBRID FUEL CELL SYSTEM AND VOLTAGE CONVERSION CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 고압 컨버터의 효율을 높이는 것이 가능한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차 등에 탑재되는 연료전지 시스템에서는 연료전지의 발전 응답성으로는 추종할 수 없는 부하 변동에 대응하는 등을 위하여 배터리의 출력을 승압하여 또는 강압하여 연료전지의 출력단자에 접속하는 하이브리드 시스템을 이용하는 경우가 있다.
이와 같은 하이브리드 연료전지 시스템에서, 그 운전효율을 고려한 기술로서, 예를 들면 일본국 특개2002-118979호 공보에는, 연료전지와 배터리와의 최대 출력비를 연료전지가 전체 출력의 65∼80%가 되는 범위에서 설정하고, DC-DC 컨버터에서의 손실을 억제하는 것이 개시되어 있다.
그러나, 상기 기술에서는 컨버터 그 자체에 대한 이용방법에 의하여 효율개선을 하는 점이 고려되어 있지 않았다. 그 때문에 반드시 효율이 좋은 조건에서 컨버터가 이용되고 있다고는 한정하지 않고, 전체적으로는 최선의 효율이 추구되고 있지 는 않았다.
따라서 본 발명은 컨버터에서의 효율개선을 도모한 하이브리드 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템에 있어서, 전압 변환기는 복수상(相)을 구비하는 것으로서, 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값에 따라, 사용하게 하는 그 상의 수를 변경하는 제어부를 구비한다.
또 본 발명은, 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템에서 전압 변환기는 복수상을 구비하는 것으로서, 전압 변환기의 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값에 따라 운전하는 상수를 변경 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템의 전압변환 제어방법에 있어서, 전압 변환기가 복수상을 구비하고 있는 경우에, 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값을 검출하고, 검출된 상기 상당값에 대응시켜 사용하게 하는 그 상의 수를 변경한다.
복수상을 구비한 전압 변환기는 상기 변환기의 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값에 따라 변환 효율이 변화된다. 일반적으로 복수상을 구비하는 전압 변환기에서는 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값, 예를 들면 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량에 의하여 변환기 중에서 손실되는 에너지, 즉 손실이 변동한다. 여기서 복수상 구동의 경우의 효율과 그것보다 적은 상으로 구동한 경우의 효율에서는 효율이 좋은 상수가 변동하는 경우가 있다. 이것은 리액터성분에 의하여 손실되는 리액터 구리손실, IGBT 등의 스위칭소자의 동작에 관련하여 발생하는 소자손실, 리액터성분에 의하여 손실되는 리액터 철손실 등이 종합적으로 작용하여 효율이 정해지는 것에 기인하고 있다. 상기 구성에 의하면 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값, 예를 들면 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값에 따라 상수를 변경 가능하게 구성되어 있기 때문에, 이들 상당값에 따라 더욱 효율이 높은 상수를 선택하여 전압 변환할 수 있어, 전압 변환기에서의 효율을 대폭으로 개선할 수 있다.
여기서 본 발명에서「축전장치」에는 한정은 없고, 예를 들면, 니켈 - 수소전지나 납축전지를 단수 또는 복수 적층한 것이다.
또「전압 변환기」는 복수상으로 구성되는 직류 전압 변환기능을 가지는 컨버터(DC-DC 컨버터)이다.
또한 「전압 변환기의 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값」이란, 전압 변환기에서 전압변환에 관한 에너지량이나 일량에 대응하는 것으로, 구체적으로는 전력값, 전류값, 그 밖의 파라미터가 상당한다. 전압 변환기의 변환 효율이 적합한 상수를 선택하기 위한 지표가 되는 것이면 특별히 한정은 없다.
예를 들면 전압 변환기는 3상 브리지형 컨버터이고, 상기 전압 변환기의 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값에 따라 운전하는 상수를 변경하도록 제어된다. 3상 브리지형의 회로구성을 구비한 컨버터가 해당한다.
즉, 상기 구성에서 상당값이 소정값보다 적은 경우에는, 상기 상당값이 상기 소정값보다 이상(以上)인 경우에 운전하는 상수보다 적은 상수로 운전하는 것은 바람직하다. 구체적으로는 입출력 변환 에너지량이나 작동 일량을 제로에서부터 상승시켜 가면 리액터 구리손실이나 소자손실이 상승하여 가는 한편, 리액터 철손실은 입출력 변환 에너지량이나 작동 일량의 대소에 관계없이 거의 일정하고, 복수상보다 단상의 쪽이 리액터 철손실은 많다. 이들 손실을 합계로 판단한 경우, 전체로서의 효율은 어느 값보다 높은 입출력 에너지량이나 작동 일량의 상당값으로서는, 복수상 구동의 쪽이 단상 구동보다 높으나, 이 값보다 낮은 상당값의 구간에서는 단상 구동의 쪽이 효율이 높아진다는 역전현상을 일으킨다. 상기 구성에 의하면, 입출력 변환 에너지량이나 작동 일량의 상당값이 상대적으로 높은 영역에서는 복수상으로 구동되나, 전체의 손실의 역전이 생기는 영역에서는 복수상보다 적은 상수로 구동되기 때문에, 항상 최선의 효율로 운전되도록 되어 있다.
여기서「소정값」은 전압 변환기 전체의 효율이 역전하는 값에 대응시켜 설정하나, 반드시 이 값일 필요는 없고, 동작의 안정성 그 밖의 사정을 감안하여 적절히 설정 변경이 가능하다.
또 본 발명에서 전압 변환기는 복수의 상수로 운전하는 복수상 운전과 단상으로 운전하는 단상 운전을 변환하는 것으로서, 복수상 운전시에는 상당값이 제 1 값보다 작아진 경우에 단상 운전으로 변환하고, 단상 운전시에는 상당값이 제 1 값보다 큰 제 2 값을 넘은 경우에 복수상 운전으로 변환하도록 구성하는 것은 바람직하다.
상기 구성에 의하면 운전하는 상수를 변환하는 동작 시퀀스는 히스테리시스 루프를 형성하게 되기 때문에, 상수의 변환 후에 원래의 상수로 되돌아가거나 하는 불안정한 헌팅상태를 제거하는 것이 가능하다.
여기서 「제 1 값」 및 「제 2 값」은 복수상 운전과 그것으로부터 단상 운전에서 전압 변환기 전체의 효율이 역전되는 값에 대응시켜 설정하나, 반드시 이 값일 필요는 없고, 동작의 안정성 그 밖의 사정을 감안하여 적절하게 설정 변경이 가능하다.
도 1은 본 실시형태에 관한 하이브리드 연료전지 시스템의 블럭도,
도 2는 본 실시형태에 관한 하이브리드 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하는 플로우차트,
도 3은 본 하이브리드 연료전지 시스템의 동작 히스테리시스를 나타내는 도,
도 4는 3상 브리지형 컨버터에서의 각종 손실 특성도,
도 5는 3상 브리지형 컨버터에서의 전 효율의 설명도이다.
다음에 본 발명을 실시하기 위한 적합한 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명의 실시형태는, 전기 자동차에 탑재하는 연료전지 시스템에 본 발명을 적용한 것이다.
도 1에 본 하이브리드 연료전지 시스템(1)의 시스템 전체도를 나타낸다. 상기 하이브리드 연료전지 시스템(1)은, DC-DC 컨버터(20), 2차 전지(21), 연료전지 (22), 역류 방지용 다이오드(23), 인버터(24), 3상 모터(25), 감속장치(26), 샤프트(27), 차륜(29), 전원제어부(10), 주행제어부(11)를 구비하고 있다.
2차 전지(21)는 본 발명의 축전장치로서, 충방전 자유로운 니켈-수소전지 등의 배터리 유닛을 복수 적층하여 직렬 접속함으로써 소정의 전압을 출력하도록 되어 있다. 2차 전지(21)의 출력단자에는 전원제어부(10)와 제어신호(Cb)에 의하여 통신 가능한 배터리 컴퓨터(14)가 설치되어 있고, 2차 전지(21)의 충전상태를 과충전이나 과방전에 이르지 않는 적정한 값으로 유지함과 동시에, 만일 2차 전지에 이상이 생긴 경우에 안전을 유지하도록 동작하게 되어 있다. 상기 2차 전지(21)의 출력은 전류센서(15) 및 전압센서(16)에 의하여 실측 가능하게 되어 있다.
DC-DC 컨버터(20)는, 1차측에 입력된 전력을, 1차측과 다른 전압값으로 변환하여 출력하는 전압 변환기이다. 상기 실시형태에서는 2차 전지(21)의 직류 출력 전압(예를 들면 약 200 V)을 더욱 높은 직류전압(예를 들면 약 500 V)으로 승압함으로써 3상 모터(25)를 소전류·고전압으로 구동하는 것을 가능하게 하고, 전력공급에 의한 전력손실을 억제하여 3상 모터(25)의 고출력화를 가능하게 하고 있다. 상기 DC-DC 컨버터(20)는 3상 운전방식을 취하고 있고, 구체적인 회로방식으로서는 3상 브리지형 컨버터로서의 회로구성을 구비하고 있다. 상기 3상 브리지형 컨버터는, 입력된 직류전압을 일단 교류로 변환하는 인버터 유사의 회로부분과 그 교류를 다시 정류하여 다른 직류전압으로 변환하는 부분이 조합되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이 상기 컨버터는 1차 입력단자 사이 및 2차측 출력단자 사이의 각각에 스위칭소자(Tr) 및 정류기(D)의 병렬 접속 구조를 2단 겹친 것을 3상(P1, P2, P3) 병렬 접속하여 구성하고 있다. 그리고 1차측과 2차측의 각각의 2단 겹침구조의 중간점 끼리를 리액터 (L)로 연결한 구조를 하고 있다. 스위칭소자(Tr)로서는 예를 들면 IGBT(lnsulated Gate Bipolar Transistor)를 이용 가능하고, 정류기(D)로서는 다이오드를 이용 가능하다. 상기 DC-DC 컨버터(20)는 상 사이의 위상차가 120도(2π/3)마다 이루어지도록 조정된 타이밍으로 스위칭되도록 되어 있다. 각각의 상은, 전원제어부(10)로부터의 제어신호(Cc)에 의거하여 독립하여 운전 가능하게 구성되어 있다. 상기 DC-DC 컨버터(20)의 출력은 전류센서(17) 및 전압센서(18)에 의하여 실측 가능하게 되어 있다. 또한 DC-DC 컨버터(20)의 입력 전류값은 전류센서(15)로부터, 출력 전류값은 전류센서(17)로부터, 또 입력 전압값은 전압센서(16)로부터, 출력 전압값은 전압센서(18)로부터, 각각 전원제어부(10)에 출력 가능하게 되어 있다.
또한 이 DC-DC 컨버터(20)는 경부하 운전시나 브레이크동작시에는 3상 모터(25)를 반대로 발전기로서 발전을 행하여, 컨버터의 2차측에서 1차측으로 직류전압을 강압하여 2차 전지(21)에 충전을 행하는 회생동작이 가능하게 되어 있다.
연료전지 스택(22)은, 복수의 단셀을 스택하여 직렬 접속하여 구성되어 있다. 단셀은, 고분자 전해질막 등을 연료극 및 공기극의 2개의 전극에서 끼워 넣은 구조물을 연료가스(수소)와 산화가스인 공기(산소)를 공급하기 위한 세퍼레이터로 끼워 넣은 구조을 하고 있다. 연료극은 연료극용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하여 있고, 공기극은 공기극용 촉매층을 다공질 지지층에 설치하고 있다.
연료전지 스택(22)에는 도시 생략한 공지의 연료가스를 공급하는 계통과 공 기를 제공하는 계통과, 냉각수를 제공하는 계통이 설치되어 있고, 이들 계통에 의하여 연료가스의 공급량이나 공기의 공급량을 제어함으로써 임의의 발전량으로 발전 가능하게 되어 있다.
인버터(24)는 DC-DC 컨버터(20)에 의하여 승압된 고압 직류를 서로의 위상이 120도 어긋난 3상 교류로 변환하도록 되어 있다. 상기 인버터(24)는 컨버터(20)와 마찬가지로 전원제어부(10)로부터의 제어신호(Ci)에 의하여 전류제어가 되도록 되어 있다.
3상 모터(25)는, 본 전기 자동차의 주동력이 되는 것으로, 감속시에는 회생 전력을 발생하게도 되어 있다. 감속장치(26)는 이른바 디퍼런셜이고, 3상 모터(25)의 고속회전을 소정의 회전수로 감속하여 차륜(29)을 회전시킨다. 샤프트(27)에는 차륜 속도센서(28)가 설치되어 있어, 차륜 속도 펄스(Sr)를 주행 제어부(19)에 출력하도록 되어 있다.
주행 제어부(11)는, 주행상태 제어용 컴퓨터 시스템이고, 브레이크 페달로부터의 브레이크 위치신호(Sb)와 차륜 속도 펄스(Sr)에 의거하여 3상 모터(25)의 회생 요구값을 전원제어부(10)에 출력하도록 되어 있다. 이 회생 요구값은 그 밖의 스티어링 조타각 센서, 요레이트 & G센서, 마스터 실린더 압력센서, 휠실린더 압력센서로부터의 검출신호에 의거하여 출력되어도 좋다.
전원제어부(10)는, 전원제어용 컴퓨터시스템이고, 예를 들면 중앙처리장치(CPU)(101), RAM(102), ROM(103) 등을 구비하고 있다. 상기 전원제어부(10)는 액셀러레이터 위치신호(Sa)나 시프트 위치신호(Ss), 그 밖의 각종 센서로부터의 신호 를 입력하여 운전상태에 따른 연료전지 스택(22)의 발전량 및 3상 모터(25)에서의 토오크를 구하여, 연료전지 스택(22), 3상 모터(25) 및 2차 전지(21)의 전력 수지에 컨버터(20)나 인버터(24)에서의 손실을 가산한 전원의 전체 제어를 행하도록 프로그램되어 있다.
다음에 본 실시형태의 하이브리드 연료전지 시스템(1)의 동작을 설명한다. 먼저 DC-DC 컨버터(20)에서 발생하는 손실에 대하여 설명한다.
일반적으로 복수상을 구비하는 전압 변환기에서는 전압 변환기를 통과하는 파워(입출력 변환 에너지량, 작동 일량의 상당값)에 의하여 변환기 중에서 손실되는 전력, 즉 손실이 변동한다. 여기서 복수상 구동의 경우의 효율과 그것보다 적은 상으로 구동한 경우의 효율에서는 효율이 보다 좋은 상수가 변동하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 예를 들면 도 4는 상기 DC-DC 컨버터(20)와 같은 3상 브리지형 컨버터에서 생기는 손실 특성도를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이 3상 브리지형 컨버터에서의 손실은, 리액터성분에 의하여 손실되는 리액터 구리손실, IGBT 등의 스위칭소자의 동작에 관련하여 발생하는 모듈손실, 리액터성분에 의하여 손실되는 리액터 철손실 등이 존재한다. 리액터 구리손실은 코일에 기인하는 것으로, 통과하는 파워가 증대함에 따라 증가하고, 3상 운전시보다 단상 운전시의 쪽이 크다. 모듈손실도 통과 파워가 증대함에 따라 증대하여, 3상 운전시보다 단상 운전시의 쪽이 크다. 이것에 대하여 리액터(L)의 자성체에 기인하는 리액터 철손실은 통과하는 파워가 증감하여도 거의 변화가 없고, 3상 운전시의 쪽이 단상 운전시보다 크다.
도 5에 이들 손실을 가산한 경우의 컨버터 전체 손실과 컨버터 변환 효율과의 관계를 나타낸다. 상기한 바와 같이 리액터 구리손실 및 모듈손실과 리액터 철손실에서는 단상과 3상에서 손실의 대소관계가 역전하고 있어, 변화율의 상위가 있다. 이 때문에 비교적 통과 파워가 큰 영역에서는 상수가 큰 3상 운전의 쪽이 단상 운전보다 손실이 작아져 있으나, 소정의 통과 파워(Pth) 이하의 영역에서는 단상 운전의 쪽이 3상 운전보다 손실이 작아져 있어 역전현상이 생기고 있다. 이것을 컨버터 전체의 변환효율로 보면 상대적으로 작은 통과 파워의 경우에는 3상 운전의 효율보다 단상 운전의 효율의 쪽이 높아져 있다. 따라서 본 발명에서는 비교적 통과 파워가 작은 영역에서는 상수가 적은 단상 운전으로 하고, 통과 파워가 커진 경우에는 상수가 큰 3상 운전으로 변환하여 운전하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상마다의 전체 손실의 대소관계가 역전하고 있는 통과 파워(Pth)보다 크거나 작은지의 여부에 따라 운전하는 상수를 변환할 수 있으나, 이와 같은 통과 파워를 실측값에 의하여 검출하는 것에는 시간이 걸린다. 또 통과 파워가 높을 수록 변환에 생기는 헌팅 등의 부적절함이 커지는 경향에 있다. 이와 같기 때문에 본 실시형태에서는 어느 정도 작은 통과 파워의 영역에서 단상과 3상을 변환하도록 제어한다. 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이 제 1 전력값(P1)과 제 2 전력값(P2)을 상수 변환의 문턱값으로 한다.
즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 DC-DC 컨버터(20)를 3상으로 운전하고 있는 경우에는, 통과 파워가 제 1 전력값(P1)(예를 들면 4 kW)보다 작아진 경우에 단상 운전으로 변환하도록 제어한다. 또 단상 운전시에는 통과 파 워가 제 1 전력값보다 큰 제 2 전력값(예를 들면 5 kW)을 넘은 경우에 3상 운전으로 변환하도록 제어한다. 이와 같이 2개의 문턱값을 가지게 하는 것은, 변환 동작시에 생길 수 있는 헌팅(발진과 같은 불안정한 현상)을 방지하기 위함이다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이 이와 같은 동작 시퀀스는 히스테리시스 루프를 형성하게 된다. 이 때문에 일단 운전하는 상수가 변경되면 안정상태로 들어가, 상수의 변환 후에 원래의 상수로 되돌아가거나 또 변환되거나 하는 불안정한 헌팅상태를 제거하는 것이 가능해지기 때문이다.
다음에 도 2의 플로우차트를 참조하여 본 하이브리드 연료전지 시스템(1)의 전원 제어동작을 설명한다.
먼저, 전원제어부(10)는 도시 생략한 수소압센서(예를 들면 연료전지 스택의 애노드측 가스통로에 설치한 것)·온도센서(예를 들면 연료전지 스택의 냉각액 출구에 설치된 것)로부터의 검출신호를 참조하여 연료전지 스택(22)의 출력전류 - 출력전압(I - V)특성을 특정한다(S1). 연료가스인 수소의 공급압이 일정한 경우, 연료전지의 출력전류와 출력전압과의 관계는 일의적으로 정해진다. 또 이 관계는 연료전지의 온도에도 영향을 받는다. ROM(103) 등에는 수소의 공급압마다 이와 같은 온도와 I-V 특성과의 관계를 특정하는 데이터 테이블이 저장되어 있고, 전원제어부(10)는 이 테이블을 참조하여 검출된 온도에 대응하는 출력전류 - 출력전압 특성을 결정할 수 있다. 검출된 온도에 대응하는 데이터 테이블이 존재하지 않는 경우에는 그 전후의 온도에 대한 데이터 테이블을 참조하여 각각의 데이터 테이블상의 특성값을 검출된 온도로 가중 평균하여 근사한 출력전류 - 출력전압 특성을 계산한 다.
다음에 상기 하이브리드 연료전지 시스템(1)에서의 부하량을 구하기 위하여 전원제어부(10)는 액셀러레이터 위치신호(Sa)(가속 요구값) 및 시프트 위치신호(Ss)(전진, 후진, 변속비 요구값)를 참조하여(S2), 3상 모터(25)에 필요한 토오크(부하)를 계산한다(S3). 이 토오크의 양은 인버터(24)가 출력해야 할 3상 교류전력의 실효전력이 된다. 또 인버터(24)나 컨버터(20)에서 생기는 전력손실도 가미하여 전원제어부(10)는 시스템 전체에 요구되는 요구 출력 파워(Pr)를 결정한다(S4).
부하량이 작은 경우, 요구 출력 파워(Pr)를 보충하는 연료전지 스택(22)의 목표 발전량(Pfc)이 출력전류 - 출력전압 특성으로부터 구해지고(S5), 그 발전량(Pfc)을 출력 가능한 출력단자 전압이 되도록 컨버터(20)의 2차측 전압이 제어신호(Cc)에 의하여 제어된다. 2차측 전압의 변경만으로는 연료전지 스택(22)에 의한 발전량으로는 요구 출력 파워(Pr)의 모두를 공급할 수 없는 경우에는 전원제어부(10)는 연료가스나 공기공급량을 변화시켜 I-V 특성을 변경하여 파워의 부족분을 보충하도록 제어한다.
그런데 시동시나 가속시 등, 급격하게 부하량이 상승하는 경우, 연료전지의 응답성이나 출력제한이 원인으로, 연료가스나 공기공급량의 증가에 따라서는 급격하게 변화된 부하량을 일시 보충할 수 없는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 2차 전지(21)로부터 전력이 컨버터(20) 경유로 2차측에 공급되게 된다. 이와 같은 경우에 본 발명의 제어가 필요하게 된다.
전원제어부(10)는, 전력 수지 계산을 실시함으로써, 2차 전지(21)로부터 인 버터(24)에 공급하지 않으면 안되는 전력, 즉 컨버터 통과 파워(Pc)를 계산한다(S6). 부하량이 작은 경우에는 이 전력 수지 계산의 결과는 전력 수지가 균형되어 있는 즉 컨버터 통과 파워(Pc)가 거의 제로인 것이 된다.
한편, 전력 수지 계산의 결과, 일부의 전력을 2차 전지(21)로부터 보충하지 않으면 안되는 경우, 컨버터 통과 파워(Pc)는 전력수지의 차분에 상당하는 값이 된다.
전원제어부(10)는, DC-DC 컨버터(20)가 3상 운전 중인지의 여부에 의하여 상수를 변환하는 문턱값을 변화시킨다(S8). 즉 현재 3상 운전 중인 경우(S8 : YES), 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 비교적 높은 통과 파워이면 효율이 좋고, 낮은 통과 파워가 될 수록 효율이 떨어진다. 이 때문에 전원제어부(10)는 제 1 전력값(P1)과 통과 파워(Pc)를 비교하여(S10), 제 1 전력값(P1)보다 통과 파워(Pc)가 큰 경우에는(NO), 그대로 3상 운전을 계속하나, 제 1 전력값(P1) 이하로 통과 파워(Pc)가 된 경우에는(YES), 상대적으로 작은 통과 파워의 경우에 효율이 좋은 단상 운전으로 변환하는 제어신호(Cc)를 출력한다(S11).
한편, 현재 이미 단상 운전인 경우(S8 : NO), 비교적 낮은 통과 파워이면 효율이 좋으나, 높은 통과 파워가 되면 효율이 떨어진다. 이 때문에 전원제어부(10)는 제 2 전력값(P2)과 통과 파워(Pc)를 비교하여(S12), 제 2 전력값(P2)보다 통과 파워 (Pc)가 작은 경우에는(NO) 그대로 단상 운전을 계속하나, 제 2 전력값(P2) 이상으로 통과 파워(Pc)가 된 경우에는(YES), 상대적으로 높은 통과 파워의 경우에 효율이 좋은 3상 운전으로 변환하기 위한 제어신호(Cc)를 출력한다(S13).
또한 상기 동작에서 전력 수지를 추정하여 컨버터 통과 파워를 산출하고 있었으나, 전류센서(15) 및 전압센서(16)로부터 컨버터(20)의 1차측 전력을 실측하고, 전류센서(17) 및 전압센서(18)로부터 2차측 전력을 실측하여, 그 차로부터 컨버터(20)의 통과 파워를 산출하도록 하여도 좋다.
이상, 본 실시형태의 처리에 의하면, DC-DC 컨버터(20)의 통과 파워(Pc)의 전력값에 따라 그 전력값으로 효율이 좋은 상수가 선택되고, 그 상수에 의한 운전이 실행되기 때문에, 컨버터의 동작까지 고려한 효율이 좋은 하이브리드 연료전지 시스템(1)을 제공할 수 있다.
(그 밖의 실시형태)
본 발명은 상기 실시형태 이 외에도 여러가지로 변경하여 적용하는 것이 가능하다.
예를 들면 상기 실시형태에서는 3상 운전과 단상 운전을 변환하였으나, 다른 조합, 예를 들면 3상 운전과 2상 운전을 변환하거나, 2상 운전과 단상 운전을 변환하는 제어이어도 좋다.
또 상기 실시형태에서는, 3상 브리지형 컨버터를 예시하였으나, 상기 회로 구성에 한정되는 것은 아니다. 복수상(2상 이상)에 의하여 구동되고, 독립하여 상을 변환 가능한 전압 변환기이면 본 발명을 적용 가능하고, 본 발명의 작용효과를 가지도록 운전 가능하다.
또 상기 실시형태에서는 컨버터를 단상 운전과 3상 운전과의 사이에서 변환하고 있었으나, 통과 파워에 대응시켜 단상으로부터 복수상까지 몇단계나 연속적으 로 변환하거나, 복수상으로부터 단상까지 몇단계나 연속적으로 변환하여도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 컨버터의 통과 파워로서, 통과전류와 단자전압과의 곱인 협의의 전력값을 사용하는 외에, 입출력 변환 에너지량이나 작동 일량의 상당값이나 일정 조건에서의 전류값이나 전압값 등에 의거하여 상수를 변환 가능하게 구성되어 있어도 좋다.
이상 본 발명에 의하면, 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값에 따라 운전하는 상수를 변경 가능하게 구성하고 있기 때문에, 전압 변환기의 효율이 좋은 상수를 적절하게 선택함으로써 전체적인 효율 개선을 도모하는 것이 가능하다. 이 때문에 본 발명은 전압 변환기의 통과 파워가 빈번하게 변경되는 시스템, 예를 들면 차량, 선박, 항공기 등의 이동체, 로봇, 휴대 전자단말 등의 전자기기에 탑재되는 연료전지 시스템에 적합하다.

Claims (8)

  1. 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 전압 변환기는 복수상을 복수로 구비하는 것이고,
    상기 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값에 따라 상기 전압 변환기에서 사용하게 하는 그 상의 수를 변경하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템.
  2. 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 전압 변환기는 복수상을 구비하는 것으로,
    상기 전압 변환기의 입출력 변환 에너지량 또는 작동 일량의 상당값에 따라 운전하는 상수를 변경 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 상당값이 소정값보다 적은 경우에는, 상기 상당값이 상기 소정값보다 이상인 경우에 운전하는 상수보다 적은 상수로 운전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전압 변환기는, 복수의 상수로 운전하는 복수상 운전과 단상으로 운전하는 단상 운전을 변환하는 것으로서,
    상기 복수상 운전시에는, 상기 상당값이 제 1 값보다 작아진 경우에 상기 단상 운전으로 변환하고,
    상기 단상 운전시에는, 상기 상당값이 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값을 넘은 경우에 상기 복수상 운전으로 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 변환기는 3상 브리지형 컨버터이고, 상기 상당값에 따라 운전하는 상수를 변경하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템.
  6. 연료전지와 축전장치를 전압 변환기를 거쳐 접속하는 하이브리드 연료전지 시스템의 전압변환제어방법에 있어서,
    상기 전압 변환기가 복수상을 구비하고 있는 경우에,
    상기 전압 변환기를 통과하는 파워의 상당값을 검출하고,
    검출된 상기 상당값에 대응시켜 사용하는 그 상의 수가 변경되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 전압변환 제어방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 상당값이 소정값보다 적은 경우에는, 상기 상당값이 상기 소정값보다 이상인 경우에 운전하는 상수보다 적은 상수가 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 전압변환 제어방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 전압 변환기가, 복수의 상수로 운전하는 복수상 운전과 단상으로 운전하는 단상 운전을 변환 가능한 경우에,
    상기 복수상 운전시에는, 상기 상당값이 제 1 값보다 작아진 경우에 상기 단상 운전으로 변환하고,
    상기 단상 운전시에는, 상기 상당값이 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값을 넘은 경우에 상기 복수상 운전으로 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료전지 시스템의 전압변환 제어방법.
KR1020067015515A 2004-02-03 2005-02-02 하이브리드 연료전지 시스템 및 그 전압변환 제어방법 KR100835331B1 (ko)

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