KR20080050947A - 하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로채용하는 전자기기 - Google Patents

하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로채용하는 전자기기 Download PDF

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Abstract

하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로 채용하는 전자기기가 개시된다. 하이브리드 전력공급장치는 주전원부; 보조전원부; 및 상기 주전원부의 동작 파라미터에 따라서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나로 동작되어 상기 주전원부의 출력전압을 제1 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제1 전압 조정부를 포함하여 이루어진다.

Description

하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로 채용하는 전자기기 {Hybrid power supply apparatus, method of controlling the same, electronic system employing the same as power source}
도 1은 연료전지의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 설명하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 있어서 제1 및 제2 전압 조정부의 세부 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 각 구성요소를 회로 레벨로 구현한 예를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따라서 부하에서 요구되는 전력이 분배된 상태를 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 12는 도 11에 있어서 전압 조정부의 세부 구성요소를 나타내는 블록도이다.
도 13a 및 도 13b는 도 12에 도시된 각 구성요소를 회로 레벨로 구현한 예를 보여준다.
도 14는 본 발명을 MAX1701의 응용 회로로 구현한 예를 보여준다.
도 15는 본 발명에 따른 하이브리드 전력공급장치에 있어서 각 모드에 대한 연료전지부와 보조전원부의 출력전압을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 제어방법중 충전과정의 개략적인 개념을 설명하는 흐름도이다.
도 17은 도 16에 있어서 1610 단계의 세부적인 구성을 설명하는 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 전자기기의 전원에 관한 것으로서, 특히 주전원부로 채용되는 연료전지가 원하는 레벨에서 동작시킬 수 있는 주전원부와 보조전원부를 결합한 하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로 채용하는 전자기기에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 전기화학장치이다. 연료전지의 에너지 전환 공정은 대단히 효율적이고도 환경 친화적이기 때문에 지난 수십년간 주목을 받아왔으며 다양한 종류의 연료전지가 시도되었다.
그런데, 연료전지는 기존의 화학전지에 비하여 내부 임피던스가 매우 크기 때문에 출력전류가 증가하면 출력전압은 감소한다. 또한, 연료전지는 그 응답속도가 느리기 때문에 부하에서 요구하는 전류가 급격히 변화할 경우 적절히 대응하지 못하는 경향이 있다. 이와 같은 연료전지의 사용효율을 증가시키기 위해서는 연료전지가 최적의 동작점, 즉 최대의 출력전력을 얻을 수 있는 동작점에서 동작하도록 제어할 필요가 있다. 연료전지의 특성상 최적의 동작점에서 동작하도록 하기 위해서는 연료전지의 출력전압이 최대의 출력전력에 상응하는 최저전압 이하로 떨어지지 않도록 해야 한다.
주전원으로 사용되는 연료전지와 보조전원으로 사용되는 배터리를 병렬로 연결하여 부하에 전력을 공급하는 하이브리드 전력공급장치에서는 연료전지와 배터리의 출력전압 레벨이 유사하여야 부하를 공유할 수 있다. 그런데, 연료전지의 출력전압은 몇 개의 단위 전지로 구성하느냐에 따라서 달라지고, 부하의 상태에 따라서 요구전력이 변화하므로, 신속하게 연료전지의 출력전압과 배터리의 출력전압 간에 균형을 맞추기 어려운 문제점이 있다.
한편, 하이브리드 전력공급장치에 있어서 보조전원으로 사용되는 배터리가 충전가능한 이차전지인 경우, 보조전원을 충전시키기 위해서는 별도의 충전회로를 필요로 하므로 전체 장치의 복잡도가 증가할 뿐 아니라 구현 비용이 증가하는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 부하의 요구전력의 크기에 상관없이 항상 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하도록 제어하는 주전원부와 보조전원부를 결합한 하이브리드 전력공급장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 주전원부와 보조전원부를 결합 한 하이브리드 전력공급장치에 있어서 항상 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하도록 제어하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기한 하이브리드 전력공급장치를 전원으로 채용하는 전자기기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 전력공급장치는 주전원부; 보조전원부; 및 상기 주전원부의 동작 파라미터에 따라서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나로 동작되어 상기 주전원부의 출력전압을 제1 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제1 전압 조정부로 이루어진다.
상기 하이브리드 전력공급장치는 바람직하게는 상기 제1 전압 조정부와 병렬로 연결되며, 상기 피드백 구동모드에 의해 제어되며, 상기 보조전원부의 출력전압을 제2 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제2 전압 조정부; 및 상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작할 수 있도록 상기 주전원부의 동작 파라미터에 대응하여 상기 제1 전압 조정부 및 상기 제2 전압 조정부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 하이브리드 전력공급장치는 바람직하게는 상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하면서 상기 제1 전압 조정부의 출력단에 접속된 상기 보조전원부를 충전할 수 있도록, 상기 보조전원부의 충전과정을 제어하고, 상기 주전원부의 동작 파라미터에 대응하여 상기 제1 전압 조정부의 구동모드를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 전력공급장치의 제어방법은 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나로 동작되어 주전원부의 출력전압을 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제1 전압 조정부를 구비하는 하이브리드 전원공급장치에 있어서, 상기 주전원부의 동작 조건을 판단하는 단계; 및 상기 판단결과에 따라서, 상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하도록 상기 제1 전압 조정부의 구동모드를 결정하는 단계로 이루어진다.
상기 하이브리드 전력공급장치의 제어방법은 바람직하게는 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 연료전지의 전류-전압 특성 및 전류-전력 특성을 설명하는 그래프로서, TI -V 및 TI -P는 각각 전류-전압 특성곡선 및 전류-전력 특성곡선을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지는 출력전류에 따라서 출력전압이 변화하고, 출력전류가 증가할수록 출력전압이 감소하는 경향이 있다. 여기서, 출력전력이 최대값(Pmax)일 때의 출력전압과 출력전류를 각각 Vmin, Imax 라 하고, 최적의 동작점으로 설정한다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전력 공급 장치의 일실시예에 따른 구성 을 나타내는 블록도로서, 주전원으로 사용되는 연료전지부(210), 연료전지부(210)와 부하(260) 사이에 접속된 제1 전압 조정부(220), 일반 배터리 혹은 충전용 배터리로 구성되는 보조전원부(230), 보조전원부(230)와 부하(260) 사이에 접속된 제2 전압 조정부(240), 제1 및 제2 전압 조정부(220,240)의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 이루어진다.
도 2를 참조하면, 제1 전압 조정부(220)는 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나에 의해 제어되며, 연료전지부(210)의 출력전압을 제1 소정의 직류전압으로 조정하여 부하(260)로 공급한다.
제2 전압 조정부(240)는 피드백 구동모드에 의해 제어되며, 보조전원부(230)의 출력전압을 제2 소정의 직류전압으로 조정하여 부하(260)로 공급한다.
제어부(250)는 부하(260)의 요구전력에 상관없이 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작할 수 있도록, 제1 전압 조정부(220)와 제2 전압 조정부(240)의 동작을 제어한다. 여기서, 최적의 동작점은 부하의 요구전력과는 독립적으로 연료전지부(210)의 동작조건에 따른 동작점을 말한다. 제어부(250)는 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하는지 여부를 판단하기 위하여 연료전지부(210)로부터 각 동작 파라미터를 측정하고, 측정된 동작 파라미터를 대응하는 기준값과 비교하여 비교결과에 따라서 제1 전압 조정부(220)와 제2 전압 조정부(240)의 동작을 제어한다. 여기서, 동작 파라미터의 예로는 부하(260)의 요구전력의 크기를 추정할 수 있는 것으로서, 연료전지부(210)의 온도, 연료전지부(210)의 출력전류, 혹은 출력전압을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 있어서 제1 및 제2 전압 조정부(220,240)의 세부 구성요소를 나타내는 블록도로서, 제1 전압 조정부(220)는 제1 DC-DC 컨버터(310), 피드포워드 제어부(320), 제1 피드백 제어부(330), 및 제1 스위치 제어부(340)를 포함하고, 제2 전압 조정부(240)는 제2 DC-DC 컨버터(360), 제2 피드백 제어부(370), 및 제2 스위치 제어부(380)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 피드포워드 제어부(320), 제1 피드백 제어부(330), 및 제1 스위치 제어부(340)는 구동모드 결정부를 구성한다.
도 3a를 참조하면, 제1 전압 조정부(220)에 있어서 제1 DC-DC 컨버터(310)는 연료전지부(210)의 출력전압을 스위치 제어신호에 따라서 제1 소정의 직류전압으로 변환하여 부하(260)로 인가한다. 일예에서 제1 DC-DC 컨버터(310)는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)에 의하여 전압 조정 동작을 수행한다.
피드포워드 제어부(320)는 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하지 않는 경우, 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작할 수 있도록 제1 DC-DC 컨버터(310)를 제어한다. 피드포워드 제어부(320)가 동작하는 경우, 연료전지부(210)의 온도, 출력전류, 혹은 출력전압을 측정하여 대응하는 기준값과 비교하고, 비교결과를 피드포워드 구동모드 신호로 생성한다. 여기서, 연료전지부(210)의 온도는 예를 들어 써미스터를 이용하여 측정할 수 있다.
제1 피드백 제어부(330)는 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하지 않는 경우 그 동작이 차단되며, 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하는 경우, 제1 DC-DC 컨버터(310)의 통상적인 피드백 제어에 의거하여 피드백 구동모드 신호를 생성한다.
제1 스위치 제어부(340)는 피드포워드 제어부(320) 혹은 제1 피드백 제어부(330) 중 어느 하나로부터 출력되는 구동모드 신호를 이용하여 스위치 제어신호를 생성하고, 스위치(미도시)의 온/오프를 위한 듀티 사이클을 조절하기 위하여 제1 DC-DC 컨버터(310)로 제공한다.
도 3b를 참조하면, 제2 전압 조정부(240)에 있어서 제2 DC-DC 컨버터(360)는 그 출력단이 제1 DC-DC 컨버터(310)의 출력단과 병렬로 접속되며, 보조전원부(230)의 출력전압을 제2 소정의 직류전압으로 변환하여 부하(260)로 인가한다.
제2 피드백 제어부(370)는 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하지 않는 경우 동작이 개시되며, 제2 DC-DC 컨버터(360)의 통상적인 피드백 제어에 의거하여 피드백 구동모드 신호를 생성한다. 한편, 제2 피드백 제어부(370)는 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하는 경우, 그 동작이 차단된다.
제2 스위치 제어부(380)는 제2 피드백 제어부(370)로부터 출력되는 구동모드 신호를 이용하여 스위치 제어신호를 생성하고, 스위치(미도시)의 온/오프를 위한 듀티 사이클을 조절하기 위하여 제2 DC-DC 컨버터(360)로 제공한다.
여기서, 제1 소정의 직류전압은 제2 소정의 직류전압보다 큰 것이 바람직하다. 일예로는 제1 소정의 직류전압은 5.0 V, 제2 소정의 직류전압은 4.8 V를 들 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 따르면, 부하(260)의 요구전력이 과도하여 연료전지부(210)가 최적의 동작점을 벗어나는 경우, 제1 전압 조정부(210)는 피드포워드 제 어부(320)가 동작하여 연료전지부(210)의 온도, 출력전류, 혹은 출력전압을 최적의 동작점에 해당하는 값이 되도록 유도할 수 있다. 이때, 제1 전압 조정부(220)는 피드백 구동모드를 사용하지 않기 때문에 제1 DC-DC 컨버터(310)의 출력전압이 불안정해질 수 있으므로 제2 전압 조정부(240)를 이용하여 부하(260)에 인가되는 전압을 제2 소정의 직류전압으로 안정화시킬 수 있다.
한편, 부하(260)의 요구전력이 연료전지부(210)의 출력전력 범위내에 있는 경우, 제1 전압 조정부(220)는 제1 피드백 제어부(330)가 동작하여 부하(260)에 인가되는 전압을 제1 소정의 직류전압으로 안정화시킬 수 있다. 이 경우에는 제어부(250)의 제어신호에 따라서 제2 전압 조정부(240)의 동작을 차단시킨다.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 각 구성요소를 회로 레벨로 구현한 예를 보여주는 것으로서, 도 4a는 부하(260)의 요구전력이 연료전지부(210)의 출력전력과 같거나 작은 경우, 즉 연료전지부(210)의 출력전압이 최적의 동작점에 해당하는 최저전압(Vmin)보다 큰 경우, 도 4b는 부하(260)의 요구전력이 연료전지부(210)의 출력전력보다 큰 경우, 즉 연료전지부(210)의 출력전압이 최적의 동작점에 해당하는 최저전압(Vmin)과 같거나 작은 경우 제1 및 제2 전압 조정부(220,240)의 동작 상태를 나타낸다. 여기서, 도 2와 비교하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호가 부여되며, 동작 상태에 있는 부분은 굵은 실선으로, 비동작 상태에 있는 부분은 가는 파선으로 표시된다. 한편, 제어부(250)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 제1 전압 조정부(220)의 피드포워드 구동모드 혹은 피드백 구동모드 중 하나로 제어되고, 제2 전압조정부(240)의 동작 여부가 결정되는 흐름에 대하여 명시적 으로 도시되지는 않았으나, 이는 별도의 스위치를 더 구비하거나, 각 구성요소에 제어신호를 인가하기 위한 인에이블 단자를 구비하여 구현할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 있어서, VR - IN은 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하는지 여부를 판단하는 동시에, 최적의 동작점에서 동작하지 않는 경우 제1 전압 조정부(220)에서 피드포워드 구동모드 신호를 생성하기 위하여, 측정된 연료전지부(210)의 동작 파라미터를 비교하기 위한 기준값으로서, 최적의 동작점에 대응하는 최저전압이 바람직하다. 한편, VR - OUT1 및 VR - OUT2은 제1 전압 조정부(220) 및 제2 전압 조정부(240)의 피드백 구동모드 신호를 생성하기 위하여, 제1 및 제2 DC-DC 컨버터(310,360)의 출력전압을 비교하기 위한 기준값으로서, 제1 및 제2 소정의 직류전압이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따라서 부하의 요구전력이 연료전지부(210)와 보조전원부(230)로 분배된 상태를 설명하는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 부하의 요구전력(Pload)이 연료전지부(210)의 출력전력(PFC)보다 큰 경우 즉, 연료전지부(210)가 최적의 동작점을 벗어나는 경우에는 연료전지부(210)에는 최적의 동작점에 대응하는 출력전력(Pmax)를, 보조전원부(230)에는 부하의 요구전력에서 최적의 동작점에 대응하는 출력전력(Pmax)을 뺀 나머지 출력전력(PAUX)를 분배하여 부하(260)로 제공한다. 한편, 부하의 요구전력(Pload)이 연료전지부(210)의 출력전력(PFC)와 같거나 작은 경우 즉, 연료전지부(210)가 최적의 동작점을 벗어나지 않는 경우에는 연료전 지부(210)로부터의 출력전력(PFC)를 부하(260)로 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전력공급장치의 제어방법을 설명하는 흐름도로서, 도 2의 제어부(250)에서 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 610 단계에서는 연료전지부(210)의 동작 조건을 판단한다. 여기서, 연료전지부(210)의 동작 조건은 연료전지부(210)의 동작 파라미터를 기준값과 비교함으로써 수행된다. 동작 파라미터의 예로는 연료전지부(210)의 온도, 연료전지부(210)의 출력전류, 및 출력전압 중 어느 하나이거나, 적어도 두개일 수 있다.
630 단계에서는 610 단계에서의 판단결과에 따라서, 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하도록 제1 전압 조정부(220)와 제2 전압 조정부(240)의 동작을 제어한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 710 단계에서는 연료전지부(210)의 온도를 측정한다. 730 단계에서는 710 단계에서 측정된 온도를 제1 기준값과 비교한다.
730 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 온도가 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키면서 제1 전압 조정부(220)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(750, 770 단계).
730 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 온도가 제1 기준값보다 작은 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키지 않으면서 제1 전압 조정부(220)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(750, 790 단계).
여기서, 제1 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 측정된 온도를 전압으로 변환하는 경우에는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin)으로 설정된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 810 단계에서는 연료전지부(210)의 출력전류를 측정한다. 830 단계에서는 810 단계에서 측정된 출력전류를 제2 기준값과 비교한다.
830 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 출력전류가 제2 기준값보다 같거나 큰 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키면서 제1 전압 조정부(220)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(850, 870 단계).
830 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 출력전류가 제2 기준값보다 작은 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키지 않으면서 제1 전압 조정부(220)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(850, 890 단계).
여기서, 제2 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 측정된 출력전류를 전압으로 변환하는 경우에는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin)으로 설정된다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 910 단계에서는 연료전지부(210)의 출력전압을 측정한다. 930 단계에서는 910 단계에서 측정된 출력전압을 제3 기준값과 비교한다.
930 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 출력전압이 제3 기준값과 같거나 작은 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키면서 제1 전압 조정부(220)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(950, 970 단계).
930 단계에서의 비교결과, 연료전지부(210)의 측정된 출력전압이 제3 기준값보다 큰 경우, 제2 전압 조정부(240)를 동작시키지 않으면서 제1 전압 조정부(220)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(950, 990 단계).
여기서, 제3 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin)으로 설정된다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따라서 도 6의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 1010 단계에서는 연료전지부(210)의 온도, 연료전지부(210)의 출력전류, 및 출력전압 중에서 적어도 두개를 동작 파라미터로 측정한다.
1030 단계에서는 1010 단계에서 측정된 각 동작 파라미터를 대응하는 기준값과 비교한다.
1050 단계에서는 연료전지부(210)의 동작 파라미터와 관련하여 온도, 출력전류, 및 출력전압에 대하여 우선순위를 미리 설정한다. 우선순위는 하이브리드 전 력공급장치가 채용되는 전자기기 즉, 부하의 특성과 연료전지부(210)의 성능 및 효율을 고려하여 설정할 수 있으며, 그외 다른 팩터를 고려할 수도 있다.
1070 단계에서는 1030 단계에서 수행된 측정된 각 동작 파라미터와 대응하는 기준값과의 비교결과에 따라서 제1 전압 조정부(220)와 제2 전압 조정부(240)의 동작을 제어한다. 측정된 하나 이상의 동작 파라미터로부터 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하지 않는다고 판단되는 경우, 제1 및 제2 전압 조정부(220,240)를 모두 동작시켜 부하(260)에 인가되는 전압이 제2 소정의 직류전압이 되도록 제어한다. 이때, 두개 이상의 동작 파라미터로부터 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작하지 않는다고 판단되는 경우, 우선순위를 고려하여 하나의 동작 파라미터를 선택하여 제1 전압 조정부(220)의 피드포워드 구동모드를 수행할 수 있다. 한편, 측정된 모든 동작 파라미터로부터 연료전지부(210)가 최적의 동작점에서 동작한다고 판단되는 경우, 제1 전압 조정부(220)를 동작시켜 부하(260)에 인가되는 전압이 제1 소정의 직류전압이 되도록 제어한다.
설명의 편이를 위하여 1010 단계에서 온도, 출력전류 및 출력전압 모두를 동작 파라미터로 선택한 경우를 예로 들기로 한다. 이러한 경우, 연료전지부(210)로부터 온도, 출력전류 및 출력전압 모두를 측정하여, 각각 대응하는 기준값과 비교한다. 비교 결과, 복수의 동작 파라미터 중 어느 하나만 최적의 동작점을 벗어나는 경우, 즉 측정된 온도가 대응하는 기준값과 같거나 크거나, 측정된 출력전류가 대응하는 기준값과 같거나 크거나, 측정된 출력전압이 대응하는 기준값과 같거나 작은 경우 해당하는 동작 파라미터에 따라서 제1 전압 조정부(220)의 피드포워드 구동모드가 수행되는 한편, 제2 전압 조정부(240)의 피드백 구동모드가 수행된다. 한편, 복수의 동작 파라미터 중 적어도 두개가 최적의 동작점을 벗어나는 경우, 가장 높은 우선순위에 해당하는 동작 파라미터에 따라서 제1 전압 조정부(220)의 피드포워드 구동모드가 수행되는 한편, 제2 전압 조정부(240)의 피드백 구동모드가 수행된다. 한편, 복수의 동작 파라미터 모두가 최적의 동작점을 벗어나지 않는 경우, 제1 전압 조정부(220)의 피드백 구동모드가 수행되는 한편, 제2 전압 조정부(240)는 동작이 차단된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 구성을 나타내는 블럭도로서, 주전원부(1110), 주전원부(1110)의 출력단에 접속된 전압 조정부(1120), 보조전원부(1130), 전압 조정부(1120)의 출력단과 보조전원부(1130) 사이에 접속된 스위칭부(1140), 장치의 전반적인 동작과 전압 조정부(1120) 및 스위칭부(1140)의 동작을 제어하는 제어부(1150)를 포함하여 이루어진다. 이때, 부하(1160)가 보조전원부(1130)와 병렬로 접속될 수 있다.
도 11을 참조하면, 주전원부(1110)는 연료전지와 같은 소프트 전압/전류 특성을 갖는 전지를 의미하며, 일차전지 혹은 이차전지 중 어떤 형태로도 가능하다. 여기서 소프트 전압/전류 특성이란, 전압이 증가함에 따라서 전류가 감소하는 것을 의미한다.
전압 조정부(1120)는 제어부(1150)의 제어하에 동작되며, 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나에 의해 제어되며, 주전원부(1110)의 출력전압을 소정의 직류전압으로 조정하여 보조전원부(1130)로 공급한다. 만약, 부 하(1160)가 접속된 경우, 전압 조정부(1120)의 출력전압은 보조전원부(1130)와 부하(1160)로 제공된다. 구체적으로, 스위칭부(1140)가 턴온되고, 제어부(1150)로부터 전압 조정부(1120)에 인에이블 신호가 인가되어 충전모드가 진행되는 경우, 전압 조정부(1120)는 주전원부(1110)가 최적의 동작점 즉 원하는 레벨에서 동작하면서 보조전원부(1130)를 충전시킬 수 있도록 두가지 구동모드가 결정된다. 여기서, 최적의 동작점은 부하의 요구전력과는 독립적으로 주전원부(1110)의 동작조건에 따른 동작점을 말한다. 전압 조정부(1120)는 주전원부(1110)가 최적의 동작점에서 동작하는지 여부를 판단하기 위하여 주전원부(1110)로부터 각 동작 파라미터를 측정하고, 측정된 동작 파라미터를 대응하는 기준값과 비교하여 비교결과에 따라서 내부 모드를 결정한다. 여기서, 동작 파라미터의 예로는 부하(1160)의 요구전력의 크기 혹은 주전원부(1110)의 동작조건을 추정할 수 있는 것으로서, 주전원부(1110)의 온도, 주전원부(1110)의 출력전류, 혹은 출력전압을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
보조전원부(1130)는 충전가능한 이차전지로서, 일예로는 리튬-이온 전지를 들 수 있다.
스위칭부(1140)는 제어부(1150)의 제어하에, 전압조정부(1120)와 보조전원부(1130)간의 접속 및 차단동작을 수행한다. 예를 들어, 하이브리드 전력공급장치의 전원이 온되는 초기 동작시, 혹은 보조전원부(1130)의 출력전압이 설정된 최대전압보다 작은 경우, 혹은 보조전원부(1130)의 충전전류가 설정된 전류값보다 큰 경우 제어부(1150)에서 턴온 신호를 스위칭부(1140)로 제공한다. 즉, 보조전원 부(1130)가 완전히 충전되지 않았거나, 보조전원부(1130)가 완전 충전상태에 이르렀다 하더라도 부하(1160)가 연결된 경우에는 전압조정부(1120)의 출력전압이 보조전원부(1130)로 제공되며 충전모드가 진행되는 동시에 부하(1160)로도 제공된다. 한편, 보조전원부(1130)의 출력전압이 설정된 최대전압과 같고 보조전원부(1130)의 충전전류가 설정된 전류값보다 작은 경우 제어부(1150)에서 턴오프 신호를 스위칭부(1140)로 제공한다. 즉, 보조전원부(1130)는 완전 충전상태에 이르렀으나 부하(1160)가 연결되어 있지 않은 경우에는 전압조정부(1120)의 출력전압이 보조전원부(1130)로 제공되지 않게 되며 그 결과, 충전모드가 종료된다. 구체적으로 보조전원부(1130)가 리튬 이온 전지인 경우 보조전원부(1130)의 출력전압이 4.2 V보다 작거나 충전전류가 0.1C보다 큰 경우 충전모드가 진행되고, 그외의 경우 충전모드가 종료된다.
제어부(1150)는 주전원부(1110)가 연료전지로 구성되는 경우 연료전지의 온도 등과 같은 동작 파라미터에 따라 연료 공급을 제어하는 등 하이브리드 전력공급장치의 전반적인 동작을 제어한다. 아울러, 하이브리드 전력공급장치의 전원이 온되는 초기 동작시, 혹은 보조전원부(1130)의 출력전압이 설정된 최대전압보다 작은 경우, 혹은 보조전원부(1130)의 충전전류가 설정된 전류값보다 큰 경우, 제어부(1150)는 턴온 신호를 스위칭부(1140)로 제공하면서 인에이블 신호를 전압 조정부(1120)로 제공하여 충전모드가 진행되면서 부하(1160)로 전압이 인가되도록 한다. 한편, 보조전원부(1130)의 출력전압이 설정된 최대전압과 같고 보조전원부(1130)의 충전전류가 설정된 전류값보다 작은 경우 제어부(1150)는 턴오프 신호 를 스위칭부(1140)로 제공하면서 디스에이블 신호를 전압 조정부(1120)로 제공하여 충전모드를 종료시키면서 부하(1160)로의 전압공급을 차단시킨다. 이때, 인에이블신호 혹은 디스에이블 신호는 후술하는 전압 조정부(1120)의 각 구성요소 중 임의의 구성요소에 제공할 수 있으며, 본 실시예에서는 피드포워드 제어부(1220) 및 피드백 제어부(1230)에 인가하는 것을 예로 들기로 한다.
도 12는 도 11에 있어서 전압 조정부(1120)의 세부 구성요소를 나타내는 블록도로서, 전압 조정부(1120)는 구동모드 결정부(1200)와 DC-DC 컨버터(1210)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 구동모드 결정부(1200)는 피드포워드 제어부(1220), 피드백 제어부(1230), 및 스위치 제어부(1240)를 포함하여 이루어진다. 전압 조정부(1120)는 보조전원부(1130)의 충전모드가 진행되는 동안 인에이블되어, 충전모드가 종료되면 디스에이블된다.
도 12를 참조하면, 전압 조정부(1120)에 있어서 DC-DC 컨버터(1210)는 연료전지의 출력전압을 구동모드 결정부(1200)로부터 제공되는 스위치 제어신호 즉, 피드포워드 구동모드 신호 혹은 피드백 구동모드 신호에 따라서 소정의 직류전압으로 변환하여 스위칭부(1140)로 제공한다. 일예에서 DC-DC 컨버터(310)는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)에 의하여 전압 조정 동작을 수행하며, 높은 효율을 얻기 위해서는 스위칭 타입 전력 컨버터를 사용하는 것이 바람직하나, 부스트 컨버터, 벅 컨버터, 플라이백 컨버터, cuk 컨버터 등과 같은 다양한 컨버터를 사용하여 구현하는 것도 가능하다.
구동모드 결정부(1200)에 있어서, 피드포워드 제어부(1220)는 연료전지의 출 력전압을 제어하기 위한 것으로서, 연료전지로부터 측정되는 적어도 하나의 동작 파라미터로부터 연료전지의 동작 조건을 판단하고, 연료전지가 원하는 레벨에서 동작하지 않는 경우, 연료전지가 최적의 동작점에서 동작하여 안정된 출력전압을 제공하도록 DC-DC 컨버터(1210)을 제어한다. 구체적으로, 피드포워드 제어부(1220)는 연료전지의 여러가지 동작 파라미터 중 출력전압이 미리 설정된 기준값, 즉 DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)보다 작은 경우 동작하며, 동작에 의해 얻어지는 신호를 제1 구동모드 즉, 피드포워드 구동모드 신호로 생성하여 스위치 제어부(1240)로 제공한다. 피드포워드 제어부(1220)의 동작에 의해 연료전지의 출력전압이 미리 설정된 DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)으로 유지되며, 이때 보조전원부(1130)의 출력전압은 미리 설정된 DC-DC 컨버터(1210)의 출력 기준전압(VR-OUT)보다는 작은 값이 된다. 즉, 통상 피드백 제어에 의해 동작하는 DC-DC 컨버터(1210)에 있어서 그 입력전압 즉, 주전원부(1110)의 출력전압이 입력 기준전압(VR-IN)보다 낮아지면 피드백 제어가 아닌 피드포워드 제어에 의해 스위칭이 이루어지므로 DC-DC 컨버터(1210)가 미리 설정된 출력전압을 유지하지 못한다. 그 이유는 DC-DC 컨버터(1210)가 미리 설정된 출력전압을 계속 유지하기 위해서는 그 출력전압을 계속 측정하여 스위칭의 온-듀티를 조절해야 하는데 그 입력전압이 입력 기준전압보다 낮아지면 피드포워드 제어가 진행되어 더 이상 출력전압에 의한 스위칭의 온-듀티 조절이 이루어지지 않기 때문니다. 결국, 피드포워드 제어부(1220)의 동작에 의해 DC-DC 컨버터(1210)의 출력은 병렬로 연결된 보조전원부(1130)의 출력전압을 따르게 된다.
이 경우, 스위칭부(1140)를 통하여 보조전원부(1130)로 인가되는 충전전류(Ib)는 연료전지의 출력전압(Vf), 연료전지의 출력전류(If), DC-DC 컨버터(1210)의 효율(η)과, 보조전원부(1130)의 출력전압(Vb)의 함수로 결정된다. 구체적으로는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Ib = Vf × If × η / Vb
통상 보조전원부(1130)의 충전전류(Ib)는 리튬 이온 전지인 경우 1C를 초과하지 않도록 설계되어진다.
이때, 피드포워드 제어부(1220)는 연료전지로부터 측정되는 출력전압 이외에 온도 혹은 출력전류와 같은 동작 파라미터와 대응하는 기준값간의 비교결과에 따라서 동작하며, 동작에 의해 얻어지는 신호를 피드포워드 구동모드 신호로 생성하여 스위치 제어부(1240)로 제공한다. 여기서, 연료전지의 온도는 예를 들어 써미스터를 이용하여 측정할 수 있다.
피드백 제어부(1230)는 보조전원부(1130)의 출력전압 즉, 전압조정부(1120)의 출력전압을 제어하기 위한 것으로서, 연료전지가 원하는 레벨에서 동작하는 경우, DC-DC 컨버터(1210)의 통상적인 피드백 제어에 의거하여 제2 구동모드 즉, 피드백 구동모드 신호를 생성하여 스위치 제어부(1240)로 제공한다. 피드백 제어부(1230)의 동작에 의해 DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압 즉, 보조전원부(1130)의 출력전압이 미리 설정된 DC-DC 컨버터(1210)의 출력 기준전압(VR - OUT)으로 유지된다. 이 경우, 스위칭부(1140)를 통하여 보조전원부(1130)로 인가되는 충전전류(Ib)는 보조전원부(1130)의 특성과 용량의 함수로 결정된다. 한편, 연료전지의 전력(Pf)은 보조전원부(1130)의 출력전압(Vb), 보조전원부(1130)의 충전전류(Ib), 및 DC-DC 컨버터(1210)의 효율(η)로 결정된다. 구체적으로는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Pf = Vb × Ib / η
한편, 피드백 제어부(1230)가 동작하는 경우 연료전지의 출력전압은 미리 설정된 DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)과 개방회로전압(Vocv) 사이에 존재한다.
요약하면, 보조전원부(1130)의 충전모드가 진행되는 동안, 제1 구동모드 즉, 피드포워드 구동모드에서는 연료전지의 출력전압이 DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR-IN)으로 유지되는 한편, 보조전원부(1130)의 출력전압은 DC-DC 컨버터(1210)의 출력 기준전압(VR - OUT)보다 낮은 값을 갖고, 제2 구동모드 즉, 피드백 구동모드에서는 연료전지의 출력전압이 DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)과 개방회로전압(Vocv) 사이의 값을 갖는 한편, 보조전원부(1130)의 출력전압은 DC-DC 컨버터(1210)의 출력 기준전압(VR - OUT)으로 유지된다.
제1 스위치 제어부(1240)는 피드포워드 제어부(1220) 혹은 피드백 제어부(1230) 중 어느 하나로부터 출력되는 구동모드 신호를 이용하여 스위치 제어신호를 생성하고, 스위치(미도시)의 온/오프를 위한 듀티 사이클을 조절하기 위하여 DC-DC 컨버터(1210)로 제공한다.
도 13a 및 도 13b는 도 12에 도시된 각 구성요소를 회로 레벨로 구현한 예를 보여준 것으로서, 도 13a는 연료전지의 출력전압이 최적의 동작점에 해당하는 최저전압 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)보다 작은 경우 구동모드 결정부(1200)의 동작상태를, 도 13b는 연료전지의 출력전압이 최적의 동작점에 해당하는 최저전압 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)보다 큰 경우 구동모드 결정부(1200)의 동작상태를 각각 나타낸다. 여기서, 동작상태에 있는 부분은 굵은 실선으로, 비동작 상태에 있는 부분은 가는 파선으로 표시된다. 구동모드 결정부(1200)는 비례적분(PI) 연산증폭기(1310), 비례(P) 연산증폭기(1320), 및 PWM 처리기(1330)으로 이루어지며, 각각 피드포워드 제어부(1220), 피드백 제어부(1230), 및 스위치 제어부(1240)에 대응되는 구성요소로 볼 수 있다. DC-DC 컨버터(1210)는 연료전지의 전압, 예를 들면, 2.8V 내지 개방회로전압(Vocv)을 보조전원부(1130)의 출력전압인 3V 내지 4.2V로 조정하는 역할을 수행한다. 한편, 인덕터(1340)는 충전전류의 고주파 성분을 필터링하는 역할을 수행한다. 인덕터(1340)는 스위칭부(1140)가 턴 온된 경우 스위칭부(1140)의 내부 인덕턴스와 전압조정 부(1120)와 보조전원부(1130)간의 연결 와이어의 인덕턴스를 결합한 값으로서 매우 작은 값을 가진다. 따라서, 보조전원부(1130)의 출력전압과 전압조정부(1120)의 출력전압은 거의 동일한 값이 된다.
도 13a 및 도 13b에 있어서, VR - IN은 주전원부(1110)인 연료전지가 최적의 동작점에서 동작하는지 여부를 판단하는 동시에, 최적의 동작점에서 동작하지 않는 경우 전압 조정부(1120)에서 피드포워드 구동모드 신호를 생성하기 위하여, 측정된 연료전지의 동작 파라미터를 비교하기 위한 기준값으로서, 최적의 동작점에 대응하는 최저전압이 바람직하다. 한편, VR - OUT은 전압 조정부(1120)의 피드백 구동모드 신호를 생성하기 위하여, DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압을 비교하기 위한 기준값으로서, 보조전원부(1130)의 최대 충전전압으로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 리튬 이온 전지인 경우 4.2V 로 설정할 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 초기 상태 혹은 불완전 충전 상태에서 DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압이 출력 기준전압(VR - OUT)보다 작은 경우 비례 연산증폭기(1320)는 DC-DC 컨버터(1210)가 그 출력전력을 증가시키는 쪽으로 동작하며, 그 결과 주전원부(1110)인 연료전지의 출력전류는 증가되는 반면 연료전지의 출력전압은 감소된다. 한편, 연료전지의 출력전압이 입력 기준전압(VR - IN)보다 작아지면 비례적분 연산증폭기(1310)가 동작하여 비례 연산증폭기(1320) 및 PWM 처리기(1330)를 통해 그 출력전력을 감소시키도록 DC-DC 컨버터(1210)를 지배하는 제1 구동모드가 결정된다. 제1 구동모드로 동작하게 되면, 연료전지의 출력전압은 입력 기준전 압(VR-IN)을 유지하도록 제어되는 한편, DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압 즉, 보조전원부(1130)의 출력전압은 출력 기준전압(VR - OUT)보다 작은 값이 된다.
제1 구동모드를 통하여 보조전원부(1130)가 완전 충전 상태에 이르면, DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압이 출력 기준전압(VR - OUT)까지 증가되고 연료전지로부터 요구되는 출력전력이 감소된다. 그 결과, 연료전지의 출력전압이 증가되어 입력 기준전압(VR-IN)보다 커지면 비례제어 연산증폭기(1310)가 포화상태에 이른다. 이에 따라서 비례제어 연산증폭기(1310)는 거의 0에 가까운 값을 출력하게 되어 제1 구동모드가 종료되고 비례 연산증폭기(1320)가 DC-DC 컨버터(1210)를 제어하는 제2 구동모드가 개시된다. 즉, 연료전지의 출력전압이 입력 기준전압(VR - IN)보다 큰 경우, 비례 연산증폭기(1320)가 DC-DC 컨버터(1210)를 지배하는 제2 구동모드가 결정된다. 제2 구동모드로 동작되면, DC-DC 컨버터(1210)의 출력전압 즉, 보조전원부(1130)의 출력전압은 출력 기준전압(VR - OUT)가 동일한 값으로 유지된다.
도 14는 본 발명을 상용 IC 칩인 스텝 업 DC-DC 컨버터 MAX1701의 응용 회로로 구현한 예를 보여준다. MAX1701의 일반적인 응용과 비교해 볼 때, "FB" 단자에 연결되는 신호가 종래에는 MAX1701의 출력전압 피드백신호인 반면, 본 발명에서는 MAX1701의 출력전압 피드백신호와 입력전압 피드포워드신호의 결합이라는 점에 차이가 있다.
도 15는 본 발명에 따른 하이브리드 전력공급장치에 있어서 각 모드에 대한 주전원부(1110)와 보조전원부(1130)의 출력전압을 나타낸 그래프이다. 이때, 주전원부(1110) 즉, 연료전지는 300 mW의 평균 전력을 가진다. 도 15를 참조하면, 제1 구동모드 즉, 피드포워드 구동모드에서는 연료전지가 상태 변화에 따라서 다양한 전력값을 가지는 반면, 연료전지의 출력값은 2.8V로 일정한 값을 유지하고 있음을 알 수 있다. 한편, 제2 구동모드 즉, 피드백 구동모드에서는 보조전원부(1130)의 출력전압이 4.17V 내지 4.18V로 일정하게 유지하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 두 구동모드에서 하이브리드 전력공급장치가 안정화될 수 있을 뿐 아니라, 전압조정부가 높은 효율을 가질 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력공급장치의 제어방법의 충전과정의 개략적인 개념을 설명하는 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 1610 단계에서는 부하가 연결되면서 하이브리드 전력공급장치의 전원이 온되는 초기 동작시, 혹은 보조전원부(1130)의 출력전압이 설정된 최대전압보다 작은 경우, 혹은 보조전원부(1130)의 충전전류가 설정된 전류값보다 큰 경우, 제어부(1150)는 턴온 신호를 스위칭부(1140)로 제공하면서 인에이블 신호를 전압 조정부(1120)로 제공하여 충전모드를 진행시킨다.
1630 단계에서는 보조전원부(1130)의 출력전압(Vb)와 충전전류(Ib)를 모니터링한다.
1650 단계에서는 보조전원부(1130)의 출력전압(Vb)이 설정된 최대전압 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 출력 기준전압(VR - OUT)과 같고 보조전원부(1130)의 충전전 류(Ib)가 미리 설정된 전류값(Iset)보다 작은 경우 제어부(1150)는 턴오프 신호를 스위칭부(1140)로 제공하면서 디스에이블 신호를 전압 조정부(1120)로 제공하여 충전모드를 종료한다.
도 17은 도 16에 있어서 1610 단계의 세부적인 구성을 설명하는 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 1710 단계에서는 주전원부(1110) 예를 들면 연료전지의 동작 조건을 판단한다. 여기서, 연료전지의 동작 조건은 연료전지의 동작 파라미터를 기준값과 비교함으로써 수행된다. 동작 파라미터의 예로는 연료전지의 온도, 연료전지의 출력전류, 및 출력전압 중 어느 하나이거나, 적어도 두개일 수 있다.
1730 단계에서는 1710 단계에서의 판단결과에 따라서, 연료전지가 최적의 동작점에서 동작하도록 전압 조정부(1120)의 구동모드를 결정한다.
도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 18을 참조하면, 1810 단계에서는 연료전지의 온도를 측정한다. 1830 단계에서는 1810 단계에서 측정된 온도를 제1 기준값과 비교한다.
1830 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 온도가 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 전압 조정부(1120)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(1850, 1870 단계).
1830 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 온도가 제1 기준값보다 작은 경우, 전압 조정부(220)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(1850, 1890 단 계).
여기서, 제1 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 측정된 온도를 전압으로 변환하는 경우에는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin) 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)으로 설정된다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 19를 참조하면, 1910 단계에서는 연료전지의 출력전류를 측정한다. 1930 단계에서는 1910 단계에서 측정된 출력전류를 제2 기준값과 비교한다.
1930 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 출력전류가 제2 기준값보다 같거나 큰 경우, 전압 조정부(1120)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(1950, 1970 단계).
1930 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 출력전류가 제2 기준값보다 작은 경우, 전압 조정부(1120)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(1950, 1990 단계).
여기서, 제2 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 측정된 출력전류를 전압으로 변환하는 경우에는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin) 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)으로 설정된다.
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명 하는 흐름도이다.
도 20을 참조하면, 2010 단계에서는 연료전지의 출력전압을 측정한다. 2030 단계에서는 2010 단계에서 측정된 출력전압을 제3 기준값과 비교한다.
2030 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 출력전압이 제3 기준값과 작은 경우, 전압 조정부(1120)를 피드포워드 구동모드로 제어하여 동작시킨다(2050, 2070 단계).
2030 단계에서의 비교결과, 연료전지의 측정된 출력전압이 제3 기준값보다 큰 경우, 전압 조정부(1120)를 피드백 구동모드로 제어하여 동작시킨다(2050, 2090 단계).
여기서, 제3 기준값은 시뮬레이션 혹은 실험에 의거하여 적정한 값으로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 최적의 동작점에 대응하는 최저전압(Vmin) 즉, DC-DC 컨버터(1210)의 입력 기준전압(VR - IN)으로 설정된다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따라서 도 17의 각 단계를 세부적으로 설명하는 흐름도이다.
도 21을 참조하면, 2110 단계에서는 연료전지의 온도, 연료전지의 출력전류, 및 출력전압 중에서 적어도 두개를 동작 파라미터로 측정한다.
2110 단계에서는 2110 단계에서 측정된 각 동작 파라미터를 대응하는 기준값과 비교한다.
2150 단계에서는 연료전지의 동작 파라미터와 관련하여 온도, 출력전류, 및 출력전압에 대하여 우선순위를 미리 설정한다. 우선순위는 하이브리드 전력공급장치가 채용되는 전자기기 즉, 부하의 특성과 연료전지의 성능 및 효율을 고려하여 설정할 수 있으며, 그외 다른 팩터를 고려할 수도 있다.
2170 단계에서는 2130 단계에서 수행된 측정된 각 동작 파라미터와 대응하는 기준값과의 비교결과에 따라서 전압 조정부(1120)의 동작을 제어한다. 측정된 하나 이상의 동작 파라미터로부터 연료전지가 최적의 동작점에서 동작하지 않는다고 판단되는 경우, 전압 조정부(1120)가 피드포워드 구동모드로 제어된다. 이때, 두개 이상의 동작 파라미터로부터 연료전지가 최적의 동작점에서 동작하지 않는다고 판단되는 경우, 우선순위를 고려하여 하나의 동작 파라미터를 선택하여 전압 조정부(1120)의 피드포워드 구동모드를 수행할 수 있다. 한편, 측정된 모든 동작 파라미터로부터 연료전지가 최적의 동작점에서 동작한다고 판단되는 경우, 전압 조정부(1120)가 피드포워드 구동모드로 제어된다.
한편, 상기한 하이브리드 전력공급장치는 노트북, PDA, 모바일 폰 등과 같은 휴대기기, 가전제품이나 궤도차량 등과 같은 다양한 전자기기에 전원으로 채용될 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기 록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 주전원부와 보조전원부를 결합한 하이브리드 전력공급장치에 있어서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나에 의해 제어되며, 주전원부의 출력전압을 조정하여 보조전원부 및/또는 부하로 공급하는 전압 조정부를 구비하여, 주전원부의 동작 조건을 판단하여 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하도록 제어함으로써, 주전원부의 안정된 성능 및 전압 조정부의 높은 효율을 보장할 수 있는 이점이 있다. 또한, 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하면서 전압 조정부로부터 제공되는 안정된 출력전압을 이용하여 보조전원부를 충전시키고, 보조전원부의 과충전을 방지함으로써 보조전원부의 안정된 성 능을 보장하면서 그 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다. 아울러, 이와 같은 하이브리드 전력공급장치를 전원으로 채용하는 전자기기의 경우, 전원이 안정되어 있으므로 보다 신뢰성있는 성능을 보장할 수 있다.

Claims (29)

  1. 주전원부;
    보조전원부; 및
    상기 주전원부의 동작 파라미터에 따라서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나로 동작되어 상기 주전원부의 출력전압을 제1 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제1 전압 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 장치는
    상기 제1 전압 조정부와 병렬로 연결되며, 상기 피드백 구동모드에 의해 제어되어 상기 보조전원부의 출력전압을 제2 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제2 전압 조정부; 및
    상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작할 수 있도록 상기 주전원부의 동작 파라미터에 대응하여 상기 제1 전압 조정부 및 상기 제2 전압 조정부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 전압 조정부가 피드포워드 구동모드로 동작하는 경우 상기 제2 전압 조정부를 동작시키고, 피드백 구동모드로 동작하는 경우 상기 제2 전압 조정부를 동작시키지 않는 것을 특징으로 하는 하이브리 드 전력공급장치.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 동작 파라미터는 상기 주전원부의 온도, 상기 주전원부의 출력전류, 및 출력전압 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는
    상기 구동모드에 따라서 상기 주전원부의 출력전압을 상기 제1 소정의 직류전압으로 조정하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 주전원부의 동작 파라미터에 따라서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나의 구동모드를 결정하는 구동모드 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주전원부의 온도가 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드포워드 구동모드로 동작시키고, 상기 주전원부의 온도가 상기 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키지 않으면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드백 구동모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  7. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주전원부의 출력전류가 제2 기준값과 같거나 큰 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드포워드 구동모드로 동작시키고, 상기 주전원부의 출력전류가 상기 제2 기준값보다 작은 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키지 않으면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드백 구동모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  8. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주전원부의 출력전압이 제3 기준값과 같거나 작은 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드포워드 구동모드로 동작시키고, 상기 주전원부의 출력전압이 상기 제3 기준값보다 큰 경우, 상기 제2 전압 조정부를 동작시키지 않으면서 상기 제1 전압 조정부를 상기 피드백 구동모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주전원부의 온도, 상기 주전원부의 출력전류, 및 출력전압 중에서 적어도 두개를 동작 파라미터로 결정하고, 상기 각 동작 파라미터의 우선순위를 고려하여 상기 제1 전압 조정부와 상기 제2 전압 조정부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  10. 제2 항에 있어서, 상기 제1 소정의 직류전압은 상기 제2 소정의 직류전압보다 큰 것을 특징으로 하는 하이브리드 전압공급장치.
  11. 제2 항에 있어서, 상기 장치는
    상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하면서 상기 제1 전압 조정부의 출력단에 접속된 상기 보조전원부를 충전할 수 있도록, 상기 보조전원부의 충전과정을 제어하고, 상기 주전원부의 동작 파라미터에 대응하여 상기 제1 전압 조정부의 구동모드를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 장치는
    상기 제어부의 제어하에, 상기 보조전원부가 불완전 충전된 경우 상기 제1 전압 조정부와 상기 보조전원부를 접속시키고, 상기 보조전원부가 완전 충전되고 부하가 접속되지 않은 경우, 상기 제1 전압 조정부와 상기 보조전원부의 접속을 차단하는 스위칭부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  13. 제11 항에 있어서, 상기 동작 파라미터는 상기 주전원부의 온도, 상기 주전원부의 출력전류, 및 출력전압 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  14. 제11 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는
    상기 구동모드에 따라서 상기 주전원부의 출력전압을 상기 제1 소정의 직류 전압으로 조정하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 주전원부의 동작 파라미터에 따라서 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나의 구동모드를 결정하는 구동모드 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  15. 제11 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는 상기 주전원부의 온도가 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 상기 피드포워드 구동모드로 동작하고, 상기 주전원부의 온도가 상기 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 피드백 구동모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  16. 제11 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는 상기 주전원부의 출력전류가 제2 기준값과 같거나 큰 경우, 상기 피드포워드 구동모드로 동작하고, 상기 주전원부의 출력전류가 상기 제2 기준값보다 작은 경우, 상기 피드백 구동모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  17. 제11 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는 상기 주전원부의 출력전압이 제3 기준값과 같거나 작은 경우, 상기 피드포워드 구동모드로 동작하고, 상기 주전원부의 출력전압이 상기 제3 기준값보다 큰 경우, 상기 피드백 구동모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  18. 제11 항에 있어서, 상기 제1 전압조정부는 상기 주전원부의 온도, 상기 주전원부의 출력전류, 및 출력전압 중에서 적어도 두개를 동작 파라미터로 결정하고, 상기각 동작 파라미터의 우선순위를 고려하여 상기 전압 조정부의 구동모드를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  19. 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 기재된 하이브리드 전력공급장치를 전원으로 사용하는 전자기기.
  20. 주전원부, 보조전원부, 및 피드포워드 구동모드 및 피드백 구동모드 중 어느 하나로 동작되어 상기 주전원부의 출력전압을 제1 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제1 전압 조정부를 구비하는 하이브리드 전원공급장치에 있어서,
    상기 주전원부의 동작 파라미터를 소정의 기준값과 비교하여 상기 주전원부의 동작 조건을 판단하는 단계; 및
    상기 판단결과에 따라서, 상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하도록 상기 제1 전압 조정부의 구동모드를 결정하는 단계를 포함하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  21. 제20 항에 있어서, 상기 방법은 상기 제1 전압 조정부의 구동모드에 따라서 상기 보조전원부의 출력전압을 제2 소정의 직류전압으로 조정하여 출력하는 제2 전압 조정부의 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 온도를 제1 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 결정단계는
    상기 측정된 온도가 상기 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 제2 전압 조정부를 동작시키는 단계; 및
    상기 측정된 온도가 상기 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드백 구동모드로 동작시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급방법.
  23. 제21 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 출력전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전류를 제2 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 결정단계는
    상기 측정된 출력전류가 상기 제2 기준값과 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 제2 전압 조정부를 동작시키는 단계; 및
    상기 측정된 출력전류가 상기 제2 기준값보다 작은 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드백 구동모드로 동작시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  24. 제21 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 출력전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전압을 제3 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 제어단계는
    상기 측정된 출력전압이 상기 제3 기준값과 같거나 작은 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 제2 전압 조정부를 동작시키는 단계; 및
    상기 측정된 출력전압이 상기 제3 기준값보다 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드백 구동모드로 동작시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  25. 제20 항에 있어서, 상기 주전원부가 원하는 레벨에서 동작하면서 상기 제1 전압 조정부의 출력단에 접속된 상기 보조전원부를 충전할 수 있도록, 상기 보조전원부의 충전과정을 제어하고, 상기 주전원부의 동작 파라미터에 대응하여 상기 제1 전압 조정부의 구동모드를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 온도를 제1 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 결정단계는
    상기 측정된 온도가 상기 제1 기준값보다 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 보조전원부를 충전하는 단계; 및
    상기 측정된 온도가 상기 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드백 구동모드로 동작시키면서 상기 전압조정부의 출력단에 연결된 상기 보조전원부를 충전하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치.
  27. 제25 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 출력전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전류를 제2 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 결정단계는
    상기 측정된 출력전류가 상기 제2 기준값과 같거나 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 보조전원부를 충전하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전류가 상기 제2 기준값보다 작은 경우, 상기 제1 전압 조 정부를 피드백 구동모드로 동작시키면서 상기 보조전원부를 충전하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  28. 제25 항에 있어서, 상기 판단단계는
    상기 주전원부의 출력전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전압을 제3 기준값과 비교하는 단계로 이루어지고,
    상기 제어단계는
    상기 측정된 출력전압이 상기 제3 기준값과 같거나 작은 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드포워드 구동모드로 동작시키면서 상기 보조전원부를 충전하는 단계; 및
    상기 측정된 출력전압이 상기 제3 기준값보다 큰 경우, 상기 제1 전압 조정부를 피드백 구동모드로 동작시키면서 상기 보조전원부를 충전하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력공급장치의 제어방법.
  29. 제20 항 내지 제28 항 중 어느 한 항에 기재된 하이브리드 전원공급장치의 제어방법을 실행할 수 있는 프로그램을 기재한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
KR1020070049945A 2006-12-04 2007-05-22 하이브리드 전력공급장치, 그 제어방법과 이를 전원으로채용하는 전자기기 KR101342596B1 (ko)

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