KR20090042302A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20090042302A
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다케시 마에나카
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지 스택(20)의 출력전압을 승/강압하는 DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측 요구가 있을 때는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)의 구동상수를 변환하여, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 계측한다. DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측 정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 상변환을 실시함으로써, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역으로부터 벗어나게 하여, 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 스택의 출력전압을 승/강압하는 DC/DC 컨버터를 사용하여 연료전지 스택의 교류 임피던스를 계측하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료가스 및 산화가스를 막 - 전극 접합체에 공급함으로써 전기화학반응을 일으키고, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 변환 시스템이다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지 스택은, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 높은 출력밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전원으로서의 용도가 기대되고 있다.
연료전지 스택의 운전상태를 최적으로 제어하기 위한 지표의 하나로서, 연료전지 스택의 교류 임피던스가 사용되고 있다. 이 교류 임피던스의 값은, 전해질막의 습윤상태와 상관관계를 가지고 있기 때문에, 교류 임피던스의 값을 계측함으로써, 전해질막의 습윤상태를 검출할 수 있다. 전해질막이 수분과잉이나 수분부족의 상태에 있으면, 플러딩(flooding)현상이나 드라이 아웃 현상에 의하여, 연료전지 스택의 출력 저하를 초래하기 때문에, 전지운전을 최적으로 제어하기 위해서는, 전해질막의 습윤상태를 최적으로 유지할 필요가 있다. 일본국 특개2005-332702호 공보에는, 연료전지 스택에 접속하는 DC/DC 컨버터를 사용하여 연료전지 스택에 교류 신호를 인가하고, 그 주파수를 변화시키면서 전압응답을 검출함으로써, 교류 임피던스를 계측하는 방법이 제안되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2005-332702호 공보
그러나, 연료전지 스택의 출력전압을, 스위칭소자에 의한 스위칭동작에 의하여 승/강압 제어하는 DC/DC 컨버터에는, 통과 파워의 값에 의하여 데드 타임 보정값이 크게 변동하는 동작범위가 존재한다. 데드 타임 보정값이 크게 변동하는 동작범위(이하, 편의상, 응답성능 저하영역이라 한다.)에서는, DC/DC 컨버터의 응답성능이 저하하는 것이 알려져 있다. 이와 같은 응답성능 저하영역에서 연료전지 스택의 교류 임피던스를 계측하면, DC/DC 컨버터에 의한 연료전지 스택에 대한 고주파신호의 중첩 정밀도가 저하하기 때문에, 임피던스 계측 정밀도가 현저하게 저하된다는 단점이 생긴다.
그래서 본 발명은, 상기한 문제를 해결하고, 연료전지 스택의 교류 임피던스를 정밀도 좋게 계측할 수 있는 연료전지시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 복수의 셀을 적층하여 이루어지는 연료전지 스택의 출력전압을 승/강압하기 위한 DC/DC 컨버터를 구비하는 연료전지시스템에 있어서, DC/DC 컨버터를 구동하여 연료전지 스택에 교류신호를 인가하는 교류신호 인가장치와, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역 밖에 있을 때에는 연료전지 스택에 교류신호를 인가하였을 때의 셀의 응답전압을 검출함으로써 셀의 교류 임피던스를 계측하는 한편, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는 셀의 교류 임피던스의 계측을 금지하는 교류 임피던스 계측장치를 구비한다.
DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는, DC/DC 컨버터에의한 연료전지 스택에 대한 교류신호의 중첩 정밀도가 저하하기 때문에, 교류 임피던스의 계측을 금지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 관한 연료전지시스템에서는, DC/DC 컨버터는, 다상 컨버터이다. 교류 임피던스 계측장치는, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측 요구가 있을 때에는, DC/DC 컨버터의 구동상수를 변환하여 셀의 교류 임피던스를 계측한다.
DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터의 상변환을 실시하여, DC/DC 컨버터의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 관한 연료전지시스템에서는, 교류 임피던스 계측장치는, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스계측요구가 있을 때에는, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 DC/DC 컨버터의 통과 파워를 시프트시켜 셀의 교류 임피던스를 계측한다.
DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터의 동작점을 파워 시프트시켜, DC/DC 컨버터의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 관한 연료전지시스템에서는, 교류 임피던스 계측장치는, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스계측요구가 있을 때에는, DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 DC/DC 컨버터의 스위칭동작을 제어하는 제어신호의 캐리어 주파수를 변경하여 셀의 교류 임피던스를 계측한다.
DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측요구가 있을 때에는, DC/DC 컨버터의 스위칭동작을 제어하는 제어신호의 캐리어 주파수를 변경하여, DC/DC 컨버터의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템의 주요 구성도,
도 2는 DC/DC 컨버터의 통과 파워와 데드 타임 보정값과의 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 1 방법을 나타내는 플로우차트,
도 4는 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 2 방법을 나타내는 플로우차트,
도 5는 DC/DC 컨버터의 통과 파워와 데드 타임 보정값과의 관계를 나타내는 그래프,
도 6은 DC/DC 컨버터를 스위칭제어하기 위한 제어신호와, 리액터를 흐르는 리플전류와의 관계를 나타내는 설명도,
도 7은 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 3 방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)의 주요구성을 나타내고 있다. 연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량의 전력공급계통에 탑재되는 차량 탑재 전원시스템이다. 연료전지시스템(10)은, 연료전지 스택(20), FC 보조기계(21), 셀전압 검출기(22), 트랙션 인버터(30), 트랙션 모터(40), 2차 전지(50), DC/DC 컨버터(60), 차량 보조기계(70), 제어장치(80) 및 센서류(90)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 고체 고분자 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극(애노드극, 캐소드극)을 배치하여 이루어지는 복수의 셀을 직렬로 접속하여 이루어지는 스택구조를 가지는 발전장치이다. 촉매반응에 의하여 애노드극에서 발생한 수소 이온은, 고체 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드극까지 이동하고, 캐소드극에서 산화가스와 전기화학반응을 일으켜 발전한다.
FC 보조기계(21)는, 연료전지 스택(20)의 애노드극에 연료가스(수소가스)를 공급하기 위한 연료가스공급계통(수소 저장탱크, 수소 차단밸브, 수소 공급압 조정 레귤레이터 등)과, 연료전지(20) 스택의 캐소드극에 산화가스(공기)를 공급하기 위한 산화가스공급계통(에어컴프레서 등)과, 그 밖의 보조기계류(연료가스 및 산화가스를 가습하기 위한 가습 모듈, 연료전지 냉각장치 등)를 구비한다.
연료전지(20)스택은, FC 보조기계(21)로부터 연료가스 및 산화가스의 공급을 받음으로써, 전기화학반응을 이용하여 전기 에너지를 출력한다.
트랙션 모터(40)는, 주행 추진력을 얻기 위한 전동모터이고, 예를 들면 3상동기 모터로 구성되어 있다.
트랙션 인버터(30)는, 예를 들면 6개의 파워 트랜지스터에 의하여 구성되는 3상 브릿지회로를 구비하고 있고, 연료전지 스택(20) 또는 2차 전지(50)로부터 공급되는 직류전력을 파워 트랜지스터의 스위칭동작에 의하여 교류전력(3상 교류)으로 변환하여, 트랙션 모터(40)에 공급한다. 제어장치(80)는, 트랙션 인버터(30)의 전력 변환동작을 제어하는 기능을 가지고 있고, 예를 들면, 스위칭지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압 지령값을 트랙션 인버터(30)로 출력하고, 트랙션 모터(40)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다.
2차 전지(50)는, 전력의 축전 및 방전이 가능한 축전장치이고, 브레이크 회생시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 2차 전지(50)로서는, 예를 들면 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차전지 등이 적합하다.
또한, 2차 전지(50) 대신, 캐패시터(전기 2중층 콘덴서, 전해콘덴서 등)의 축전장치를 DC/DC 컨버터(60)의 1차측에 접속하여도 된다.
DC/DC 컨버터(60)는, 연료전지 스택(20) 또는 2차 전지(50)의 출력전압을 승압/강압 제어하기 위한 전압 변환장치이다. DC/DC 컨버터(60)는, 입력전압(직류전압)을 교류전압으로 변환하는 인버터 유사 회로와, 그 교류를 정류하여 출력전압 (직류전압)으로 변환하는 회로가 조합된 다상 컨버터의 회로 구성을 가지고 있다. 구체적으로는, DC/DC 컨버터(60)는, 12개의 IGBT 소자(Tr1∼Tr12)와, 12개의 다이오드소자(D1∼D12)와, 3개의 리액터(L1∼L3)와, 2개의 평활콘덴서(C1∼C2)로 이루어지는 3상 풀브릿지 컨버터의 회로 구성을 가지고 있다.
DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워가 낮을 때에는, 3상 운전보다 단상 운전의 쪽이 스위칭손실은 적기 때문에, 단상 운전이 실시된다. 단상 운전시에는, IGBT 소자(Tr1, Tr10)의 한 쌍, 및 IGBT 소자(Tr4, Tr7)의 한 쌍이 동작한다. 한편, DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워가 높을 때에는, 단상 운전보다 3상 운전의 쪽이 스위칭손실은 적기 때문에, 3상 운전이 실시된다. 3상 운전일 때에는, IGBT 소자 (Tr1, Tr10)의 한 쌍, 및 IGBT 소자(Tr4, Tr7)의 한 쌍과, IGBT 소자(Tr2, Tr11)의 한 쌍 및 IGBT 소자(Tr5, Tr8)의 한쌍과, IGBT 소자(Tr3, Tr12)의 한 쌍, 및 IGBT 소자(Tr6, Tr9)의 한쌍이 각각 120도의 위상차로 동작한다.
DC/DC 컨버터(60)의 1차측에는, 2차 전지(50)가 접속되는 한편, DC/DC 컨버터(60)의 2차측에는, 연료전지 스택(20), 트랙션 인버터(30) 및 차량 보조기계(70)가 각각 병렬로 접속된다.
예를 들면, DC/DC 컨버터(60)는, 2차 전지(50)의 출력전압을 승/강압함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. DC/DC 컨버터(60)는, 연료전지 차량이 트랙션 모터(40)에 의하여 역행 주행할 때에는, 2차 전지(50)의 출력전압을 승압하여 트랙션 인버터(30)에 직류전력을 공급하는 한편, 연료전지 차량이 트랙션 모터(40)에 의해 회생 제동할 때에는, 회생한 직류전압을 강압하여 2차 전지(50)를 충전한다. DC/DC 컨버터(60)는, 연료전지 스택(20)의 잉여발전력을 축전하기 위하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 강압하여 2차 전지(50)를 충전하는 기능도 가진다.
차량 보조기계(70)는, 예를 들면 산화가스를 가압하기 위한 컴프레서 모터, 가습 모듈에 순수를 공급하기 위한 펌프 구동모터, 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각수 펌프 구동모터, 라디에이터 팬 모터 등의 각종 보조기계류이다.
제어장치(80)는, 중앙처리장치(CPU), 기억장치(ROM, RAM), 입출력 인터페이스 등을 구비하는 제어장치이다. 제어장치(80)는, 센서류(90)로부터 출력되는 각종 신호 등을 기초로, 연료전지 차량을 제어한다. 센서류(90)로서, 예를 들면 이그니션 스위치(91), 차속센서(92), 액셀러레이터센서(93) 등이 있다.
예를 들면, 제어장치(80)는, 이그니션 스위치(91)로부터 출력되는 기동신호를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터센서(93)로부터 출력되는 액셀러레이터 개도신호나, 차속센서(92)로부터 출력되는 차속신호 등을 기초로 시스템 전체의 요구전력을 구한다. 시스템 전체의 요구전력은, 차량 주행전력과 보조기계 전력과의 합계값이다. 보조기계 전력에는, 예를 들면 차량 탑재 보조기계류(가습기, 에어컴프레서, 수소펌프, 및 냉각수 순환펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 설치되는 장치(공기조절장치, 조명기구, 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 제어장치(80)는, 연료전지 스택(20)과 2차 전지(50)의 출력전력의 배분을 결정하고, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표전력에 일치하도록 FC 보조기계(21)를 제어하여, 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 조정함과 동시에, DC/DC 컨버터(60)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. 또한, 제어장치(80)는, 액셀러레이터 개도에 따른 목표차속이 얻어지도록 예를 들면 스위칭 지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압 지령값을 트랙션 인버터(30)로 출력하고, 트랙션 모터(40)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다.
DC/DC 컨버터(60)는, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 계측할 목적으로, 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하는 교류신호 인가장치로서 기능할 수도 있다. 셀전압 검출기(22)는, 연료전지 스택(20)에 교류신호가 인가되었을 때의 각 셀의 응답전압을 계측한다. 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어하고, 연료전지 스택(20)에 인가되는 교류신호의 주파수를 변화시키면서, 각 셀의 응답전압의 변화를 셀전압 검출기(22)에 의하여 검출하고, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 산출한다.
연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하였을 때의 연료전지 스택(20)의 응답전압을 E, 응답전류를 I, 교류 임피던스를 Z라 하면, 이하의 관계식이 성립하는 것이 알려져 있다.
E = E0expj (ωt + φ)
I = I0expjωt
Z = E/I = (E0/I0)expjφ = R + jχ
여기서, E0은 응답전압의 진폭을 나타내고, I0은 응답전류의 진폭을 나타낸다. ω는 각주파수를 나타내고, φ는 초기 위상을 나타낸다. R은 저항성분(실수부분)을 나타내고, χ는 리액턴스성분(허수부분)을 나타낸다. j는 허수단위를 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
도 2는 DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워와 데드 타임 보정값과의 관계를 나타내는 그래프이다. 실선은 3상 운전시의 그래프를 나타내고, 점선은 단상 운전시의 그래프를 나타낸다. 3상 운전에서는, -5 kW 부근(예를 들면 -5 kW±2 kW)의 동작범위와, 5 kW 부근(예를 들면 5 kW±2 kW)의 동작범위에서, 데드 타임 보정값이 크게 변동하기 때문에, 이들 2개의 동작범위는 각각 응답성능 저하영역이다. 한편, 단상 운전에서는, -2.5 kW 부근(예를 들면 -2.5 kW±2 kW)의 동작범위와, 2.5 kW 부근(예를 들면 2.5 kW±2 kW)의 동작범위에서, 데드 타임 보정값이 크게 변동하기때문에, 이들 2개의 동작범위는 각각 응답성능 저하영역이다.
또한, 데드 타임이란, DC/DC 컨버터(60) 내의 상부 아암측의 IGBT 소자와 하부 아암측의 IGBT 소자와의 사이[예를 들면, IGBT 소자(Tr1)와 IGBT 소자(Tt7)의 사이]에 단락전류가 흐르지 않도록 설정된 단락 방지기간이다.
다음에, 도 3을 참조하면서 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 1 방법에 대하여 설명한다. 이 제 1 방법에서는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어함으로써, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 일정주기 간격 으로 계측하여, 교류 임피던스의 값을 정기적으로 갱신하는 것을 전제로 한다.
제어장치(80)는, 교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는지의 여부를 체크한다(단계 301).
교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는 경우에는(단계 301 ; YES),교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있는 것을 나타내고 있기 때문에, 본 처리 루틴을 빠져나와 종료한다.
한편, 교류 임피던스의 값이 일정시간 이상 갱신되어 있지 않은 경우에는(단계 301 ; NO), DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있기 때문에, 교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있지 않을 가능성이 있다.
그래서, 이와 같은 경우에는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때의 교류 임피던스 계측을 금지하고, 상변환의 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다(단계 302). 예를 들면, 단상 운전을 하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 -2.5 kW 부근에 있는 경우에는, DC/DC 컨버터(60)의 운전방식을 단상 운전에서 3상 운전으로 변환함으로써, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 할 수 있다. 또 예를 들면, 3상 운전을 하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 -5 kW 부근에 있는 경우에는, DC/DC 컨버터(60)의 운전방식을 3상 운전에서 단상 운전으로 변환함으로써 DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 할 수 있다.
DC/DC 컨버터(60)의 상변환이 완료되었으면, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어하여 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하고, 그 때의 셀전압 검 출기(22)의 센서출력을 기초로, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 산출한다(단계 303).
교류 임피던스의 계측 완료 후, 제어장치(80)는, 당초의 운전방식으로 복귀시키기 위한 상변환의 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다(단계 304). 예를 들면, 단상 운전을 하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 운전방식을, 교류 임피던스 계측기간만 3상 운전으로 변환하였으면, 교류 임피던스 계측 완료 후는, 당초의 단상 운전으로 복귀시키기 위한 지령을 출력한다. 또 예를 들면, 3상 운전을 하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 운전방식을, 교류 임피던스 계측 기간만 단상 운전으로 변환하였으면, 교류 임피던스 계측 완료 후는, 당초의 3상 운전으로 복귀시키기 위한 지령을 출력한다.
이와 같이, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측 정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 상변환을 실시하여, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 제어장치(80) 및 셀전압 검출기(22)는, 교류 임피던스 계측장치[DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역 밖에 있을 때에는, 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하였을 때의 셀의 응답전압을 검출함으로써, 셀의 교류 임피던스를 계측하는 한편, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는, 셀의 교류 임피던스의 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 구동상수를 변환하여 셀의 교류 임피던스를 계측하는 장치]로서 기능한다.
다음에, 도 4를 참조하면서 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 2 방법에 대하여 설명한다. 이 제 2 방법에서는, 제어장치(80)는, DC/DC컨버터(60)를 제어함으로써, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 일정주기 간격으로 계측하여, 교류 임피던스의 값을 정기적으로 갱신하는 것을 전제로 한다.
제어장치(80)는, 교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는지의 여부를 체크한다(단계 401).
교류 임피던스의 값이 일정시간 이상 갱신되어 있지 않은 경우에는(단계401 ; NO), DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있기 때문에, 교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있지 않을 가능성이 있다.
그래서, 이와 같은 경우에는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 하기 위한 파워 시프트량을 산출한다(단계402). 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 하기 위한 파워 시프트량으로서는, 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 하기 위하여 최저한 필요한 양(+)방향의 파워 시프트량과, 음(-)방향의 파워 시프트량 중 어느 것인가 작은 쪽을 목표값으로 하여, 양방향 또는 음방향으로 파워 시프트하면 된다.
예를 들면, 3상 운전을 하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 6 kW 인 경우를 고찰한다. 3상 운전에서는, 5 kW±2 kW의 동작범위가 응답성능 저하영역이기 때문에, 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 하기 위해서는, 양방향으로 1 kW 이상의 파워 시프트, 또는 음방향으로 3 kW 이상의 파워 시프트가 필요하다. 양(+)방향으로 1 kW의 파워 시프트를 실시하는 쪽이 음(-)방향으로 3 kW의 파워 시프트를 실시하는 것보다도 파워 시프트량이 적어도 되기 때문에, 양방향으로 1 kW 이상의 파워 시프트를 실시하는 것이 바람직하다.
한편, 교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는 경우에는(단계 401 ; YES), 교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있는 것을 나타내고 있기 때문에, DC/DC 컨버터(60)의 동작점은, 응답성능 저하영역 이외의 동작범위에 있는 것을 추정할 수 있다. 이와 같은 경우에는, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 시프트할 필요가 없기 때문에, 파워 시프트량을 0으로 설정한다(단계 403).
제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)에 파워 시프트 지령을 출력하고, 단계 402 또는 단계 403에서 설정된 파워 시프트량의 정도만큼, DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워를 시프트시킨다(단계 404). 이 때, 양방향으로 파워 시프트하는 경우는, 잉여전력을 2차 전지(50)에 축전하거나, 차량 보조기계(70)에서 소비하거나, 또는 열에너지로 변환하여 대기로 방출하면 된다. 음방향으로 파워 시프트하는 경우는, 부족전력을 2차 전지(50)로부터 보충하면 된다.
DC/DC 컨버터(60)의 파워 시프트가 완료되었으면, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어하여 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하고, 그 때의 셀전압 검출기(22)의 센서출력을 기초로, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 산출한다(단계 405).
교류 임피던스의 계측 완료 후, 제어장치(80)는, 당초의 통과 파워로 복귀시 키기 위한 파워 시프트 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다(단계 406). 예를 들면, 6 kW의 동작점에서 3상 운전하고 있는 DC/DC 컨버터(60)의 동작점을, 교류 임피던스 계측기간만 양방향으로 1 kW 파워 시프트하였으면, 교류 임피던스 계측 완료 후는, 당초의 동작점으로 복귀시키기 위하여, 음방향으로의 1 kW의 파워 시프트지령을 출력한다.
이와 같이, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측 정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 파워 시프트시켜, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 제어장치(80) 및 셀전압 검출기(22)는, 교류 임피던스 계측장치[DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역 밖에 있을 때에는, 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하였을 때의 셀의 응답 전압을 검출함으로써, 셀의 교류 임피던스를 계측하는 한편, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는, 셀의 교류 임피던스의 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워를 시프트시켜, 셀의 교류 임피던스를 계측하는 장치]로서 기능한다.
도 5는 DC/DC 컨버터(60)의 통과 파워와 데드 타임 보정값과의 관계를 나타내는 그래프이다. 실선은 캐리어 주파수(fN)의 제어신호로 DC/DC 컨버터(60)를 스 위칭 제어할 때의 그래프를 나타내고 있고, 통과 파워가 +P2 부근의 동작범위와, -P2 부근의 동작범위에서, 데드 타임 보정값이 크게 변동하는 응답성능 저하영역이 보인다. 점선은 캐리어 주파수(fM)의 제어신호로 DC/DC 컨버터(60)를 스위칭제어할 때의 그래프를 나타내고 있고, 통과 파워가 +P1 부근의 동작범위와, -P1 부근의 동작범위에서, 데드 타임 보정값이 크게 변동하는 응답성능 저하영역이 보인다. 이 그래프에 의하면, 응답성능 저하영역의 위치는, 캐리어 주파수에 따라 다른 것을 이해할 수 있다. 그 이유는, 데드 타임의 값은, 캐리어 주기와는 무관계하게 일정값이기 때문에, 캐리어 주파수가 변하면, 캐리어 주기에 차지하는 데드 타임의 비율이 변하게 되고, 그 비율의 변화에 따라 데드 타임 보정값도 변하기 때문이다.
도 6은 DC/DC 컨버터(60) 내의 IGBT 소자(Tr1∼Tr12)를 스위칭제어하기 위한 제어신호와, 리액터(L1∼L3)를 흐르는 리플전류와의 관계를 나타낸다. 설명의 편의상, 단상 운전의 경우를 예로 설명하면, 시간(Tn)은, IGBT 소자(Tr1, Tr10)가 온하는 시간을 나타내고, 시간(Tp)은, TGBT 소자(Tr4, Tt7)가 온하는 시간을 나타낸다. 캐리어 주기는, Tn+Tp와 같다. 리플전류의 극대값을 In, 극소값을 Ip라 하면, 리플전류폭은 In-Ip와 같다. ZP는, 리플전류가 제로 크로스하는 포인트(이하, 제로 크로스 포인트라 한다.)를 나타낸다.
제로 크로스 포인트(ZP)가 존재하면, 리플전류의 방향(부호)이 빈번하게 반전하기 때문에, DC/DC 컨버터(60)의 전압 제어 성능이 현저하게 저하한다. 그 때문에, 제로 크로스 포인트(ZP)는, 데드 타임 보정값이 크게 변동하는 영역, 즉, 응 답성능 저하영역으로서 나타난다. 한편, 극대값(In)이 음의 값인 경우나, 또는 극소값(Ip)이 양의 값인 경우에는, 제로 크로스 포인트(ZP)는 존재하지 않기 때문에, DC/DC 컨버터(60)의 전압 제어 성능은 양호하다. 또한, 제로 크로스 포인트(ZP)가 리플전류폭의 중앙에 있는 경우에는, 제로 크로스 포인트(ZP)에 대하여 리플전류의 부호는 대칭적으로 반전하기 때문에, DC/DC 컨버터(60)의 전압 제어 성능은 양호하다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 캐리어 주파수를 높게 하면, 시간(Tn, Tp)은 짧아지기 때문에, 리플전류폭은 짧아지는 것을 이해할 수 있다. 이것과는 반대로, 캐리어 주파수를 낮게 하면, 시간(Tn, Tp)은 길어지기 때문에, 리플전류폭은 길어진다. 리플전류폭을 변화시키면, 리플전류가 제로 크로스하는 포인트도 변화하기 때문에, 캐리어 주파수를 변경함으로써, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 할 수 있다.
다음에, 도 7을 참조하면서 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 계측하기 위한 제 3 방법에 대하여 설명한다. 이 제 3 방법에서는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어함으로써, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 일정 주기 간격으로 계측하여, 교류 임피던스의 값을 정기적으로 갱신하는 것을 전제로 한다.
제어장치(80)는, 교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는지의 여부를 체크한다(단계 701).
교류 임피던스의 값이 정기적으로 갱신되어 있는 경우에는(단계 701 ; YES),교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있는 것을 나타내고 있기 때문에, 본 처리 루틴을 빠져나와 종료한다.
한편, 교류 임피던스의 값이 일정시간 이상 갱신되어 있지 않은 경우에는(단계 701 ; NO), DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있기 때문에, 교류 임피던스의 계측이 정상으로 행하여지고 있지 않을 가능성이 있다.
그래서, 이와 같은 경우에는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 캐리어 주파수를 변경하기 위한 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다(단계 702).
캐리어 주파수의 변환이 완료되었으면, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(60)를 제어하여 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하고, 그 때의 셀전압 검출기(22)의 센서출력을 기초로, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 산출한다(단계 703).
교류 임피던스의 계측 완료 후, 제어장치(80)는, 당초의 캐리어 주파수로 복귀시키기 위한 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다(단계 704). 예를 들면, 교류 임피던스를 계측하는 기간만 캐리어 주파수를 fN에서 fM으로 일시적으로 변경하였으면, 교류 임피던스 계측 완료 후는, 당초의 캐리어 주파수(fN)로 복귀시키기 위한 지령을 DC/DC 컨버터(60)로 출력한다.
이와 같이, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있어, 교류 임피던스의 계측 정밀도가 저하하는 경우에는, 응답성능 저하영역에서의 교류 임피던스 계측을 금지하고, DC/DC 컨버터(60)의 스위칭동작을 제어하는 제어신호의 캐 리어 주파수를 변경함으로써, DC/DC 컨버터(60)의 동작점을 응답성능 저하영역에서 벗어나게 함으로써 교류 임피던스의 계측 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 제어장치(80) 및 셀전압 검출기(22)는, 교류 임피던스 계측장치[DC/DC컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역 밖에 있을 때에는, 연료전지 스택(20)에 교류신호를 인가하였을 때의 셀의 응답전압을 검출함으로써, 셀의 교류 임피던스를 계측하는 한편, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는, DC/DC 컨버터(60)의 동작점이 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 DC/DC 컨버터(60)의 스위칭동작을 제어하는 제어신호의 캐리어 주파수를 변경하여 셀의 교류 임피던스를 계측하는 장치]로서 기능한다.
본 발명에 의하면, 연료전지 스택의 교류 임피던스를 정밀도 좋게 계측할 수있다.

Claims (4)

  1. 복수의 셀을 적층하여 이루어지는 연료전지 스택의 출력전압을 승/강압하기 위한 DC/DC 컨버터를 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터를 구동하여 상기 연료전지 스택에 교류신호를 인가하는 교류신호 인가장치와,
    상기 DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역 밖에 있을 때에는, 상기 연료전지 스택에 교류신호를 인가하였을 때의 상기 셀의 응답 전압을 검출함으로써 상기 셀의 교류 임피던스를 계측하는 한편, 상기 DC/DC 컨버터의 동작점이 응답성능 저하영역에 있을 때에는, 상기 셀의 교류 임피던스의 계측을 금지하는 교류 임피던스 계측장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는, 다상 컨버터이고,
    상기 교류 임피던스 계측장치는, 상기 DC/DC 컨버터의 동작점이 상기 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측 요구가 있을 때에는, 상기 DC/DC 컨버터의 구동상수를 변환하여 상기 셀의 교류 임피던스를 계측하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 임피던스 계측장치는, 상기 DC/DC 컨버터의 동작점이 상기 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측요구가 있을 때에는, 상기 동작점이 상기 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 상기 DC/DC 컨버터의 통과 파워를 시프트시켜 상기 셀의 교류 임피던스를 계측하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 임피던스 계측장치는, 상기 DC/DC 컨버터의 동작점이 상기 응답성능 저하영역에 있을 때에, 교류 임피던스 계측 요구가 있을 때에는, 상기 동작점이 상기 응답성능 저하영역에서 벗어나도록 상기 DC/DC 컨버터의 스위칭동작을 제어하는 제어신호의 캐리어 주파수를 변경하여 상기 셀의 교류 임피던스를 계측하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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