KR20090017719A - 연료전지용 전압조절장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전압조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지시스템에서 연료전지의 전압을 제한하기 위해 사용하고 있는 전압제한장치를 이용하여 션트 레귤레이터의 기능을 하는 연료전지용 전압조절장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지스택(이하,"스택"이라고함)에 설치되어 스택 전압을 측정하는 제1전압센서; 상기 제1전압센서로부터 감지된 신호를 입력받아 측정된 전압이 기준전압보다 큰 경우에 상승된 전압을 소비하도록 제어하는 제어기; 및 상기 스택과 병렬로 연결되고, 상기 제어기의 제어신호를 입력받아 에너지를 소비하는 에너지 소진부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치를 제공한다.
스택, 공기블로워, 제어기, 릴레이, 스위치, 저항

Description

연료전지용 전압조절장치{Shunt Regulator for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 전압조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에 연결되어 있는 고전압 부품의 전압을 제한하기 위해 사용하고 있는 전압제한장치를 이용하여 션트 레귤레이터의 기능을 하는 연료전지용 전압조절장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 자동차의 주동력(Main Power) 공급원인 연료전지("스택"이라고도 함)는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아서 전기를 생산하는 장치이다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 차량의 공기블로워 파워소스라인을 나타내는 구성도로서, 연료전지(10)는 분리판과, 애노드, 전해질막 및 캐소드이 접합된 막전극접합체(19)(MEA)와, 수소/공기/냉각수분배구조물, 애노드유로(anode flow field;)(18), 캐소드유로(cahtode flow field;)(20), 냉각유로로 구성되어 있다.
연료전지 구동 시 수소는 수소공급원으로부터 공급되고, 수소공급 솔레노이 드밸브 및 배관을 거쳐서 연료전지의 애노드유로(18)로 공급된다.
연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환 시키며, 이 과정은 퍼지밸브를 닫은 상태에서 수소재순환블로워을 가동시키게 되면, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관을 따라 이동하고 수소재순환블로워 및 수소재순환 차단 밸브를 거쳐 연료전지 애노드유로(18)로 들어가게 된다.
정해진 시간에 수소퍼지밸브를 열어 전해질막을 통해 넘어온 질소와 수분을 배출시킨다.
공기는 대기로부터 공급되고 배관을 거쳐 공기블로워(11)에 공급되고, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관을 통해 연료전지의 캐소드유로(20)로 공급되게 된다.
애노드유로(18)의 수소(H2)는 애노드 촉매에서 H+ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막을 통해 캐소드측으로 넘어가게 된다. 캐소드유로에 존재하는 O2가 캐소드의 촉매에서 O-이온으로 변환되고, 상기 H+ 이온과 O-이온이 반응해서 전기에너지 및 H20로 변환되게 된다.
캐소드유로(20)에 공급된 공기 중 O2를 사용하게 되고, 캐소드유로(20)는 공기중의 산소 농도보다 낮은 산소농도상태(질소가 많음)가 되고, 이 공기는 공기배기배관를 통해 나가게 된다.
한편, 상기 공기블로워(11)의 작동을 제어하는 제어기(103)는 모터제어기로 상위제어기와 통신을 하여 전체 시스템의 명령(운전속도)을 받고 모터의 운전상태(운전속도, 소모전력, 전류 및 토크 등)를 모니터링 하는 기능을 한다.
그리고, 상기 연료전지(10)의 열화를 감지하기 위해 연료전지에 부착된 전압센서(15)를 이용하여 항상 스택의 전압을 감지한다.
그런데, 연료전지시스템이 스타트 업 및 셧 다운 할 때 스택전압이 필요이상으로 상승하게 되고, 이는 스택의 열화를 초래하기 때문에 일정이상의 전압이 상승하지 않도록 보호해야 한다.
스택 내 탄소부식에 의한 열화를 방지하기 위해 상기 제어기가 전압센서로부터 감지신호를 입력받아 측정전압이 허용전압 이상일 경우에 연료전지 내에 잔류된 에너지를 소모시키는 전기적 로드(저항)을 장착한 전압제한장치가 설치되어 있다.
즉, 도 2는 종래의 전압제한장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도로서, 스타트 업 및 셧 다운 할 때만 릴레이(108)를 쇼트시켜 저항(107)을 사용하여 연료전지(10) 내의 에너지를 소진함으로써 스택의 열화를 방지할 수 있고, 운행 중에는 릴레이(108)를 오프시켜 저항(107)을 사용하지 않는다.
또한, 상기 공기블로워는 관성(INERTIA)을 가지고 있으므로, 블로워가 급감속할 때(회생제동시) 회생(REGEN) 에너지가 발생한다. 이 경우에 발생하는 회생에너지를 흡수하고, 제어기 전단에 전압리플이 발생할 때 제어기를 보호하기 위한 션트 레귤레이터(SHUNT REGULATOR)가 제어기에 설치되어 있다.
즉, 도 3은 종래의 션트 레귤레이터(100)의 작동상태를 설명하기 위한 회로도로서, 상기 회생에너지로 인해 제어기(103) 전단에 전압이 상승하게 되는 바, 전 압비교기(105)(VOLTAGE COMPARATOR)가 제어기 내/외부에 설치된 제어기 전단의 전압을 센싱하는 소자(106)로부터 감지신호를 입력받아 측정전압이 일정전압 이상이상일 경우에 스위치(102)를 초핑하여 저항(101)에 의해 회생에너지를 소비시킴으로써, 제어기(103)에 필요이상의 전압이 인가되었을 때 제어기를 보호할 수 있다.
따라서, 모든 BLDC 모터를 사용하는 제어기(103)에서 동적 반응성을 향상시키기 위해 션트 레귤레이터(100)를 사용한다.
그러나, 상기 스위치는 전압비교기에 의한 초핑 시 온 오프가 반복적으로 이루어짐에 따라 열이 발생하기 때문에, 스위치에 손상을 줄 수 있고, 이를 방지하기 위해서는 냉각시스템이 필요하다.
또한, 상기 제어기 전단의 전압을 센싱할 때 지연 또는 오류가 발생하게 되면 제어기의 파손 및 전압리플이 커져 공기블로워의 제어가 어렵게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지에 연결되어 있는 고전압 부품의 전압을 제한하기 위해 사용되는 전압제한장치가 션트 레귤레이터의 기능도 수행할 수 있도록 회로를 구성함으로써, 부품수를 감소하여 부품설계를 최적화할 수 있도록 한 연료전지용 전압조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래의 션트 레귤레이터에서 사용되는 스위치 대신에 릴레이를 적용하여, 스위치 초핑시 발생하는 열을 감소시킴으로써, 레귤레이터의 열을 제거하기 위한 추가적인 냉각장치가 필요없고, 회생에너지에 의한 제어기 전단의 전압상승을 방지하여 제어기 및 고전압 부품의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 전압조절장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 전압조절장치에 있어서,
연료전지스택(이하,"스택"이라고함)에 설치되어 스택 전압을 측정하는 제1전압센서; 상기 제1전압센서로부터 감지된 신호를 입력받아 측정된 전압이 기준전압보다 큰 경우에 상승된 전압을 소비하도록 제어하는 제어기; 및 상기 스택과 병렬로 연결되고, 상기 제어기의 제어신호를 입력받아 에너지를 소비하는 에너지 소진부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 에너지 소진부는 스택전압이 기준전압보다 클 경우에 제어기의 제어신호를 입력받아 스택으로부터 전류를 인가해주는 릴레이와, 상기 릴레이를 통해 인가된 전류를 소비하여 스택전압을 일정하게 유지시켜주는 저항을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제1전압센서는 제어기의 파워라인과 병렬로 연결되어 공기블로워의 급감속시 제1전압센서를 이용하여 제어기 전단의 전압상승을 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기 내부에는 제1전압센서와 병렬로 연결되도록 설치된 제2전압센서; 및 상기 제1전압센서 및 제2전압센서로부터 감지신호를 입력받아 스택전압 및 제어기 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준전압 보다 클 경우에 상기 릴레이에 작동신호를 보내어 저항에 전류를 흘려보내는 MCU;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 릴레이의 스위치는 스타트 업 또는 셧 다운 시 발생되는 스택 전압을 낮추기 위해 연결되는 제1단자와, 공기블로워의 급감속시 제어기의 전단에서 상승된 전압을 낮추기 위해 연결되는 제2단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 전압조절장치에 의하면, 에너지를 소비하는 저항과, 스택 또는 블로워제어기에 인가되는 전압에 따라 저항을 연결해주는 릴레이를 이용하여 스타트 업 또는 셧 다운 시 스택의 과전압을 제 한하는 전압제한 기능과, 블로워의 급감속시 제어기 전단의 전압상승을 방지하는 션트 레귤레이터 기능을 동시에 수행할 수 있고, 기존의 션트 레귤레이터에서 사용된 스위치의 초핑시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각장치가 필요없으므로, 부품수를 감소시킬 수 있다.
또한, 블로워의 회생에너지에 의한 제어기 전단에 발생하는 전압상승을 방지함으로써, 제어기 및 각종 고전압 부품의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 전압조절장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 5는 도 4의 전압조절장치에 의한 제어방법을 나타내는 순서도이다.
전술한 바와 같이, 연료전지 차량에는 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 공기블로워(11)(이하, 블로워)가 존재하고, 블로워의 작동을 제어하기 위한 제어기(12)가 존재한다.
또한, 상기 블로워(11)의 급감속시에는 제어기(12) 전단에 전압이 상승하게 되므로, 이를 방지하기 위해 상승된 전압 즉 에너지를 소진시키기 위한 션트 레귤레이터(100)가 설치되게 된다.
그러나, 상기 션트 레귤레이터(100)는 에너지를 소진시키기 위한 저항(101)에 전류를 인가해 주는 스위칭 소자로서, 스위치(102)를 사용하고 있으므로 초핑시 열이 발생하고 이로 인해 부품에 손상을 입히게 된다.
따라서, 본 발명은 션트 레귤레이터(100)의 스위치(102) 대신에 릴레이(13)를 사용함으로써, 스위치 초핑에 따른 열을 저감할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 전압조절장치는 에너지를 소비하는 저항(14) 및 스택(10) 및 제어기(12)의 전압에 따라 전류를 연결시켜주는 릴레이 스위치(13)를 이용하여 스택(10) 및 블로워 제어기(12)의 과전압 발생을 제한하는 기능을 동시에 할 수 있다.
스택(10)에는 스택의 출력전압을 감지하는 제1전압센서(15)가 부착되어 있고, 제1전압센서(15)로부터 감지 신호를 입력받아 측정된 스택(10)의 출력전압은 제어기(12)를 통해 모니터링 하도록 되어 있다.
상기 전압센서(15)는 제어기 전단에 파워라인과 병렬로 연결되어 있기 때문에 블로워(11)가 급감속할 때 회생에너지에 비례하여 변화하게 된다.
상기 블로워(11)가 급감속할 때, 제1전압센서(15)를 이용하여 전압 보상을 하여 블로워 감속에 의한 제어기(12) 전단의 전압 상승 및 리플을 감소시켜 안정적인 블로워의 구동을 수행할 수 있고, 제어기의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 스택(10)이 스타트 업 또는 셧 다운할 때에는 릴레이 스위치(13)가 제1단자(ⓐ)측에 위치하고 있어서, 스택(10)의 전압 상승을 방지할 수 있고, 운행중에는 제2단자(ⓑ)측에 위치하여 블로워(11)의 회생에너지를 소비한다.
상기 릴레이 스위치(13)가 ⓐ 측 또는 ⓑ 측으로 위치하게 되면, 저항(14)에 전류가 인가되어 스택(10)의 과전압 또는 블로워(11)의 회생에너지를 소진시키게 된다.
즉, 제어기(12) 내부에 있는 MCU(17)가 블로워(11)의 급감속 시 제어기 내부에 설치된 제2전압센서(16)와 스택(10)의 제1전압센서(15)를 동시에 모니터링 하면서, 제1전압센서(15)에서 변화된 값이 검출되면, 릴레이 스위치(13)를 초핑하여 저항(14)에 전류를 인가함으로써, 저항에 의해 전류가 소진되어 상승된 전압을 낮추게 된다.
따라서, 상기와 같이 상승된 스택(10)의 전압 및 제어기(12)의 전압을 저항에서 소진되도록 하는 릴레이를 구성함으로써, 제어기의 내구성 향상 및 고전압 부품의 안전성을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 차량의 공기블로워 파워소스라인을 나타내는 구성도이고,
도 2는 도 1의 스택전압 제한장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도이고,
도 3은 도 1의 션트 레귤레이터의 작동상태를 설명하기 위한 회로도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 전압조절장치를 설명하기 위한 구성도이고,
도 5는 도 4의 전압조절장치에 의한 제어방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 11 : 공기블로워
12 : 제어기 13 : 릴레이 스위치
14 : 저항 15 : 제1전압센서
16 : 제2전압센서 17 : MCU(모터제어유닛)
18 : 애노드유로 19 : 막전극접합체
20 : 캐소드유로 21 : 에너지 소진부

Claims (5)

  1. 연료전지용 전압조절장치에 있어서,
    연료전지스택(이하,"스택"이라고함)에 설치되어 스택 전압을 측정하는 제1전압센서;
    상기 제1전압센서로부터 감지된 신호를 입력받아 측정된 전압이 기준전압보다 큰 경우에 상승된 전압을 소비하도록 제어하는 제어기; 및
    상기 스택과 병렬로 연결되고, 상기 제어기의 제어신호를 입력받아 에너지를 소비하는 에너지 소진부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 소진부는 스택전압이 기준전압보다 클 경우에 제어기의 제어신호를 입력받아 스택으로부터 전류를 인가해주는 릴레이와, 상기 릴레이를 통해 인가된 전류를 소비하여 스택전압을 일정하게 유지시켜주는 저항을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1전압센서는 제어기의 파워라인과 병렬로 연결되어 공기블로워의 급감속시 제1전압센서를 이용하여 제어기 전단의 전압상승을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기 내부에는 제1전압센서와 병렬로 연결되도록 설치된 제2전압센서와;
    상기 제1전압센서 및 제2전압센서로부터 감지신호를 입력받아 스택전압 및 제어기 전압을 측정하고, 측정된 전압이 기준전압 보다 클 경우에 상기 릴레이에 작동신호를 보내어 저항에 전류를 흘려보내는 MCU;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 릴레이의 스위치는 스타트 업 또는 셧 다운 시 발생되는 스택 전압을 낮추기 위해 연결되는 제1단자와, 공기블로워의 급감속시 제어기의 전단에서 상승된 전압을 낮추기 위해 연결되는 제2단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전압조절장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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