KR20090062334A - 연료전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 하이브리드 시스템의 구성을 단순화하여 원가를 절감할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 화학반응에 의해 전기를 직접 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지의 출력특성을 보상하기 위해 사용되는 보조동력원; 상기 연료전지에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주는 제1인버터; 및 상기 보조동력원에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주고, 회생제동시 모터구동에 의해 발생된 직류전원을 보조동력원에 저장하기 위해 직류전원으로 변환시켜주는 제2인버터를 포함하여 구성되고, 상기 제1인버터와 제2인버터는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공한다.
연료전지, 인버터, 수퍼캡, 모터, PDU, 고전압 DCDC 컨버터, 프리차지 저항

Description

연료전지 하이브리드 시스템{Fuel cell hybrid system}
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 하이브리드 시스템의 구성을 단순화하여 원가를 절감할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에서 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.
연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가받고 있다. 이와 같은 이유로, 에너지 절약과 환경 공해 문제, 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위한 자동차의 대체 동력원으로 연료전지를 적용하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다.
그러나, 연료전지만을 차량을 구동하기 위한 동력원으로 사용하는 경우 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.
연료전지는 특정 범위의 출력밀도(Power Density, W/㎠)에서 최적효율을 유지할 수 있어, 순수 연료전지 차량의 경우 연료전지의 고효율 영역에서 벗어나는 경우가 빈번하여 효율이 저하되게 된다.
또한, 연료전지 차량을 구동하는 전기모터는 고속 운전영역에서 저속 운전영역보다 높은 직류전압을 요구하는데 반해, 연료전지는 출력이 증가하면 출력전압이 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있으므로 고속 운전영역에서 전기모터가 요구하는 충분한 직류전압을 공급하지 못하여 모터의 가속성능이 저하되는 현상이 발생하게 된다.
나아가, 기본적으로 연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 공급하게 되므로, 차량이 급격한 동력을 요구하는 경우 순시적으로 충분한 동력을 공급하는 것이 불가능하다.
그리고, 연료전지는 일방적으로 전력을 출력하기만 하는 특성(단방향 특성)을 지니고 있어, 차량 구동모터의 제동시 발생되는 회생전력을 흡수하지 못하므로, 에너지의 효율적 이용이 불가능하다.
상기한 연료전지의 출력특성에 의한 제약을 극복하기 위하여 연료전지의 출력특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용(하이브리드화)하고 있다.
도 1에는 보조동력원으로 배터리를 사용하는 연료전지 하이브리드 전기자동 차에 사용되는 동력시스템을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 하이브리드 전기자동차는 주동력원으로 사용되는 연료전지(10), 보조동력원으로 사용되는 배터리(12), 상기 연료전지(10)와 상기 배터리(12) 사이에 병렬로 연결되어 모터에 안정적인 전압이 공급되도록 하며, 배터리와 연료전지의 서로 다른 출력전압의 균형을 매칭시켜 주고, 연료전지의 잉여전압 및 회생제동 에너지를 배터리의 충전전압으로 제공하는 역할을 하는 양방향 DC/DC 컨버터(102), 양방향 DC/DC 컨버터(102)의 출력단 및 연료전지(10)의 출력단에 연결되어 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통한 IGBT 스위칭으로 모터(11)의 거동을 제어하는 인버터(101)를 포함한다.
상기와 같이 주 에너지원인 연료전지와 보조 에너지원을 동시에 사용하는 연료전지 하이브리드 전기자동차에 있어서는 두 개의 에너지원 간의 유기적이고 효율적인 동력분배 전략이 필수적이다.
또한, 종래의 연료전지-배터리 하이브리드에서는 고전압 DC/DC 컨버터가 연료전지와 배터리 사이에 위치하여 연료전지와 배터리의 전압차이를 완충시키며, 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워제어를 수행하므로, 연료전지와 배터리 전압을 매칭시키기 위한 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
고전압 DC/DC 컨버터를 사용하는 연료전지-수퍼캡(수퍼커패시터의 약칭) 하이브리드에서도 고전압 DC/DC 컨버터를 이용해 액티브(Active)한 방식을 통해 수퍼캡 초기충전 및 주행 중 충방전을 수행하므로 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
반면, 고전압 DC/DC 컨버터를 사용하지 않는 연료전지-수퍼캡 하이브리드에서는 연료전지와 수퍼캡 전압을 매칭시키기 위한 별도의 수퍼캡 초기충전장치 및 이에 상응하는 시동제어개발이 필수적이다.
수퍼캡(13) 초기충전장치(103)로는 기존의 하나의 프리차지(Precharge) 저항과 프리차지 릴레이(Precharge Relay)를 사용하는 타입(도 2) 또는 인덕터와 고전력 스위치용 반도체(Insulated Gate bipolar Transistor; 이하, IGBT라 함)를 사용하는 컨버터 타입 등이 적용 가능한 장치로 언급될 수 있다.
상기 연료전지 배터리 하이브리드 시스템이나 연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템 모두 이종의 파워 소스를 붙이기 위해서는 PDU(104)(Power Disconnect Unit)가 필요하며, 파워 소스를 붙였다가 떼었다가 하는 릴레이 및 초기 충전을 위한 프리차지 릴레이가 필요하다.
그런데, 종래의 연료전지 하이브리드 시스템의 경우 이종의 파워소스를 붙여 하이브리드 시스템을 만드는 과정에서 추가적인 구성품 즉, PDU(104), 고전압 DC/DC 컨버터(102), 수퍼캡 초기충전장치(103) 등이 사용되므로 구성이 복잡하고, 고전압 배터리(12)를 사용할 때와 수퍼캡(13)을 사용할 때 시스템이 완전히 다르므로, 호환성이 부족한 점이 있었다.
또한, 인버터(11)의 경우에도 연료전지(10)와 수퍼캡(13)(고전압 배터리(12))에서 나오는 파워를 모터에 전달해야 하므로, 이를 고려한 인버터 용량이 되어야 하고, 회생제동 에너지를 수퍼캡에 저장해야 하므로 전류방향이 양방향이 되어야 하나, 수퍼캡(고전압 배터리)의 실제 충전용량은 전체 인버터 용량에 비해 작다. 이 때문에 인버터가 오버스팩이 된다.
특히, 수퍼캡을 사용하는 연료전지 하이브리드 시스템에서는 수퍼캡의 충전전압이 높을 경우 회생제동 에너지를 충분히 받을 수 없는 문제점이 있었고, 연료전지를 제외한 파워만을 이용하는 EV 모드와, 연료전지 및 배터리(수퍼캡)을 모두 사용하는 HEV 모드의 개별적인 제어가 불가능하였다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 하나였던 인버터를 연료전지(주동력원)만을 위한 제1인버터와 보조동력원만을 위한 제2인버터 2개로 분할하여, 각 인버터의 제어를 통해 모터 구동, 수퍼캡 초기충전, EV 모드 운전 등의 기존의 모든 제어가 가능함으로써, 인버터의 용량을 최적화하고, 시스템의 단순화를 실현할 수 있으며, 보조동력원 간의 호환성이 우수하도록 한 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
화학반응에 의해 전기를 직접 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지의 출력특성을 보상하기 위해 사용되는 보조동력원; 상기 연료전지에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주는 제1인버터; 및 상기 보조동력원에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주고, 회생제동시 모터구동에 의해 발생된 직류전원을 보조동력원에 저장하기 위해 직류전원으로 변환시켜주는 제2인버터를 포함하여 구성되고, 상기 제1인버터와 제2인버터는 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 보조동력원은 고전압 배터리 또는 수퍼캡(수퍼커 패시터의 약칭)인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 초기충전모드시 연료전지의 파워가 제1인버터와 제2인버터를 통해 보조동력원에 충전되는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료전지모드시 연료전지의 파워가 제1인버터를 통해 모터를 구동시켜주는 것을 특징으로 한다.
또한, EV 모드시 보조동력원의 파워가 제2인버터를 통해 모터를 구동시켜주는 것을 특징으로 한다.
또한, 회생제동모드시 모터의 회생제동에너지를 제2인버터를 통해 보조동력원에 저장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 하이브리드 모드시 연료전지의 파워가 제1인버터를 통해 모터를 구동시키고, 보조동력원의 파워가 제2인버터를 통해 모터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템에 의하면, 다음과 같은 장점이 있다.
1. 연료전지와 수퍼캡(또는 고전압 배터리)를 인버터 모듈에 붙이기만 하면 되므로, 시스템의 구성을 단순화할 수 있다.
2. 고전압 배터리를 사용할 때와 수퍼캡을 사용할 때 시스템이 동일하므로, 보조동력원 간에 호환성이 우수하다.
3. 연료전지만을 위한 인버터와 보조동력원만을 위한 인버터를 별도로 장착하므로, 하나의 인버터로 개발할 때보다 개발 기간 및 비용을 절감할 수 있다.
4. 보조동력원 측의 제2인버터 제어를 통해 충분한 회생제동에너지를 회수할 수 있다.
5. 편의에 따라 EV 모드와 HEV 모드가 가능하여 제어의 효율성 및 연비 향상에 기여할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 구성도이다.
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량에 주동력원인 연료전지(10)와, 보조동력원인 수퍼캡(13)과, 연료전지(10)와 수퍼캡(13) 사이에 병렬로 연결된 인버터 모듈을 포함한다.
상기 연료전지(10)는 외부로부터 공기와 수소를 공급받아 공기 중의 산소와 수소가 반응함으로써, 전기에너지를 발생시키며 부산물로는 물과 열이 발생하며, 연료를 공급받아 소비하기만 하는 단방향 특성을 갖는다.
상기 수퍼캡(13)은 전기에너지를 저장(충전)하거나, 저장된 에너지를 꺼내서 사용(방전)할 수 있는 양방향 특성을 가지기 때문에 연료전지(10)의 단방향 특성으로 인한 여러가지 문제점을 보상하기 위해 사용된다. 이와 같은 보조동력원으로 고 전압 배터리(12)를 사용할 수 있다.
상기와 같이 연료전지(10)는 단방향 특성을 가지고, 보조동력원은 양방향 특성을 가지므로, 인버터 모듈의 경우 연료전지(10)만을 위한 제1인버터(14)와 보조동력원을 위한 제2인버터(15)를 사용함으로써, 기존의 하나만을 사용하던 인버터의 용량을 최적화할 수 있다.
상기 제1인버터(14)와 제2인버터(15)는 IGBT에 의해 전압을 조정할 수 있는 기능을 가지므로, 메인버스단에 초기충전을 하기 위한 프리차지 저항 및 연료전지(10) 시동후 수퍼캡(13)을 충전하기 위한 초기충전장치 또는 고전압 배터리(12)를 충전하기 위한 고전압 DCDC 컨버터가 필요없게 된다.
또한, 단방향인 제1인버터(14)의 경우 직류전원을 교류전원으로 변환시킬 수 있으므로, 연료전지(10)에서 생성된 에너지를 모터(11)의 구동에 맞게 변환할 수 있고, 양방향인 제2인버터(15)의 경우 직류전원을 교류전원으로 또는 교류전원을 직류전원으로 변환시킬 수 있으므로, 하이브리드 모드 또는 EV 모드에서 수퍼캡(13) 또는 고전압 배터리(12)를 이용하여 모터링을 수행할 수 있고, 회생제동시 차륜에서 발생되는 에너지를 회생시켜 저장할 수도 있게 된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 운전모드별 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 초기충전모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이고, 도 5는 연료전지모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이고, 도 6은 EV 모드 시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이고, 도 7은 회생제동모드시 도 3의 작동상태를 나타 내는 개략도이고, 도 8은 하이브리드 모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
1)초기충전모드
연료전지(10) 시동후 수퍼캡(13) 또는 고전압 배터리(12)에 연료전지(10)의 파워를 충전시키는 모드이다.
주지하는 바와 같이 연료전지(10)와 수퍼캡(13)(또는 고전압 배터리(12)) 사이에는 전압의 차이가 존재하므로, 전압차를 완충시켜주는 장치가 필요하였고, 이러한 역할을 수행하는 것이 본 발명에서는 제1인버터(14) 및 제2인버터(15)이다.
상기 제1인버터(14)의 일측은 연료전지(10)와 연결되고, 제1인버터(14)의 타측은 모터(11) 및 제2인버터(15)의 3상측과 연결되게 된다. 또한, 제2인버터(15)의 일측은 수퍼캡(13)과 연결되며, 제2인버터(15)의 타측은 모터(11)와 제1인버터(14)의 3상측과 연결되어 있다.
이때, 상기 연료전지(10)와 모터(11)를 연결 및 차단하는 릴레이가 필요하고, 연료전지(10)와 수퍼캡(13)를 연결 및 차단하기 위한 릴레이가 필요하다.
따라서, 상기 초기충전모드시 연료전지(10)의 파워가 제1인버터(14)와 제2인버터(15)를 통해 수퍼캡(13)에 저장될 수 있다.
2) 연료전지모드
수퍼캡(13)의 전압이 매우 낮거나 수퍼캡(13)에 이상이 발생하였을 경우 모터(11)를 연료전지(10)만으로 구동하게 되고, 이때, 연료전지(10)의 파워는 제1인버터(14)를 통해 직류에서 교류로 변환되어 모터(11)가 구동할 수 있게 된다.
3) EV 모드
2)번과 반대로 연료전지(10)에 이상이 발생하였을 경우에 모터(11)를 연료전지(10) 없이 구동하게 되고, 이때, 수퍼캡(13)의 파워는 제2인버터(15)를 통해 직류에서 교류로 변환되어 모터(11)가 구동할 수 있게 된다.
4) 회생제동모드
회생제동의 경우 고전압 배터리(12)나 수퍼캡(13) 입장에서는 충전모드라고 할 수 있고, 제동시 차륜의 운동에너지를 마찰열에 의해 소모시키는 것이 아니라, 발전기 역할을 하는 모터(11)에 의해 전기에너지로 발전시켜 제2인버터(15)를 통해 저장하게 된다.
5) 하이브리드모드
하이브리드모드는 연료전지(10) 및 수퍼캡(13)(또는 고전압 배터리(12))를 모두 사용할 수 있어서, 연료전지(10)를 사용할 경우에는 제1인버터(14)를 통해 모터링을 하게 되고, 수퍼캡(13)을 사용할 경우에는 제2인버터(15)를 통해 모터링을 하게 된다.
이와 같이 상기 인버터의 제어를 통해 모터 구동, 수퍼캡(13) 초기충전, EV 모드 운전시 기존의 모든 제어가 가능하며, 추가적으로 하이브리드 모드와 EV 모드의 변경이 자유자재로 가능하게 된다.
또한, 상기 인버터(14,15)로 두개로 기존의 프리차지 저항 등 초기충전장치, 고전압 DCDC 컨버터 등의 복잡한 장치를 대신하므로, 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있다.
또한, 고전압 배터리(12)를 사용할 때와 수퍼캡(13)을 사용할 때 모두 동일한 인버터 모듈을 장착하므로 고전압 배터리(12) 장착 하이브리드 차량에 수퍼캡(13)을 장착하여 호환성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제2인버터(15)의 제어를 통해 충분한 회생제동 에너지를 회수할 수 있어서, 연비를 향상시킬 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 종래의 연료전지 배터리 하이브리드 시스템의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 4는 초기충전모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 5는 연료전지모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 6은 EV 모드 시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 7은 회생제동모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
도 8은 하이브리드 모드시 도 3의 작동상태를 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 11 : 모터
12 : 고전압 배터리 13 : 수퍼캡
14 ; 제1인버터 15 : 제2인버터

Claims (7)

  1. 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
    화학반응에 의해 전기를 직접 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지의 출력특성을 보상하기 위해 사용되는 보조동력원;
    상기 연료전지에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주는 제1인버터; 및
    상기 보조동력원에서 나오는 직류전원을 모터 구동에 맞는 교류전원으로 변환시켜주고, 회생제동시 모터구동에 의해 발생된 직류전원을 보조동력원에 저장하기 위해 직류전원으로 변환시켜주는 제2인버터를 포함하여 구성되고, 상기 제1인버터와 제2인버터는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조동력원은 고전압 배터리 또는 수퍼캡(수퍼커패시터의 약칭)인 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    초기충전모드시 연료전지의 파워가 제1인버터와 제2인버터를 통해 보조동력 원에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    연료전지모드시 연료전지의 파워가 제1인버터를 통해 모터를 구동시켜주는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    EV 모드시 보조동력원의 파워가 제2인버터를 통해 모터를 구동시켜주는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    회생제동모드시 모터의 회생제동에너지를 제2인버터를 통해 보조동력원에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    하이브리드 모드시 연료전지의 파워가 제1인버터를 통해 모터를 구동시키고, 보조동력원의 파워가 제2인버터를 통해 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
KR1020070129519A 2007-12-13 2007-12-13 연료전지 하이브리드 시스템 KR100946472B1 (ko)

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