KR20100060021A - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 모터의 제어 오차 확대를 억제할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
연료가스와 산화가스의 전기화학반응에 의하여 발전하는 연료전지(40)와, 연료전지(40)의 발전전력에 의하여 구동되는 모터(61)와, 연료전지(40)의 발전상태를 제어하는 제어부(10)를 구비하고, 제어부(10)가, 연료전지(40)의 총전압이 소정의 고전위 회피전압 문턱값 이상이 되는 것을 억제하는 고전위화 회피제어를 행함과 동시에, 모터(61)의 제어 변환이 생기는 차속영역에서는 상기 고전위화 회피제어를 금지한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히, 연료전지의 발전전압으로모터를 구동하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
최근, 연료가스와 산화가스의 전기화학반응에 의하여 발전하는 연료전지를 에너지원으로 하는 연료전지시스템이 주목받고 있다. 연료전지시스템은, 연료전지의 애노드에 연료탱크로부터 고압의 연료가스를 공급함과 동시에, 캐소드에 산화가스로서의 공기를 가압 공급하고, 이들 연료가스와 산화가스를 전기화학반응시켜, 기전력을 발생시키는 것이다.
이와 같은 연료전지시스템에 있어서, 연료전지의 열화 촉진을 억제하기 위하여, 소정의 조건 하에서 연료전지의 전압이 소정의 문턱값 이상이 되는 것을 억제하는 제어(이하, 「고전위 회피제어」라 한다.)를 행하는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1]
일본국 특개2007-109569호 공보
그런데, 연료전지시스템에서, 이것을 차량의 차량 탑재용 발전시스템으로서 사용하는 경우에는, 트랙션 모터(주행모터)의 제어방식(예를 들면, PWM 전류제어, 직사각형파 전압제어, 과변조 전류제어)을 차속(또는, 모터 회전수) 및 당해 트랙션 모터를 제어하는 인버터 전압에 따라 변환하게 된다.
이와 같은 연료전지시스템에, 상기한 고전위 회피제어를 적용한 경우에는, 이 고전위 회피제어의 온/오프의 변환에 의하여 연료전지의 출력전압이 변동하고, 그것에 따라 트랙션 모터를 제어하는 인버터 전압도 변동한다. 그리고, 인버터 전압의 변동에 따라 트랙션 모터의 제어방식이 변환되면, 트랙션 모터의 제어 오차가 커진다.
이와 같은 경우에 있어서, 고전위 회피제어 중에서의 연료전지의 발전전력을 보조기기에서 다 소비할 수 없을 때의 잉여전력을 2차 전지에 충전하는 구성을 채용하였을 때는, 2차 전지의 과충전을 초래할 가능성이 있다. 특히, 2차 전지에 대한 전력 회생 중은 과충전을 초래하기 쉽다. 나아가서는, 상기 제어 오차는, 2차 전지의 과방전을 초래할 가능성도 있다.
그래서, 본 발명은, 모터의 제어 오차 확대를 억제할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료전지시스템은, 연료가스와 산화가스의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지의 발전전력을 충전하는 축전부와, 상기 연료전지의 발전전력과 상기 축전부에 충전되어 있는 전력의 적어도 한쪽에 의하여 구동되는 모터와, 소정의 조건 하에서 변환되는 복수의 제어방식으로 상기 모터를 제어하는 인버터와, 상기 축전부로부터 입력된 전압을 승압하여 상기 인버터를 거쳐 상기 모터에 출력 가능하고, 또한, 상기 연료전지로부터 입력된 전압을 강압하여 상기 축전부에 출력 가능한 컨버터와, 컨버터 지령 전압 및 인버터 지령 전압을 제어하는 제어부를 구비하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 컨버터 지령 전압을 상기 연료전지의 개방 전압보다 낮은 고전위 회피 전압으로 유지함으로써 상기 연료전지의 총전압이 소정의 고전위 회피 전압 문턱값 이상이 되는 것을 억제하는 고전위화 회피 제어를 행하는 한편으로, 상기 모터의 제어방식이 변환되는 조건 하에서는 상기 고전위화 회피 제어를 금지한다.
이와 같은 구성에 의하면, 모터의 제어방식에 변환이 생기는 조건 하에서도, 고전위화 회피 제어의 실시가 강제적으로 금지되는 결과, 고전위 회피 제어의 온/오프동작에 따르는 연료전지의 출력전압의 변동이 억제되게 된다. 따라서, 그 영향으로 모터의 제어방식이 변환되는 일이 없어져, 모터의 제어 오차 확대를 억제할 수 있다.
상기 모터의 제어방식은, 예를 들면, 상기 모터의 회전수나 토오크, 나아가서는, 상기 인버터 지령 전압에 따라 변환하도록 구성되어 있어도 된다.
이와 같은 경우에는, 상기 제어부는, 모터의 회전수가 소정의 회전수 이상(단, 이 소정의 회전수는 인버터 지령 전압에 따라 변동한다.)에서 상기 고전위화 회피 제어를 금지하여도 된다. 또, 당해 연료전지시스템이 차량에 탑재된 경우에는, 상기 제어부는, 소정의 차속 이상일 때에 상기 고전위화 회피 제어를 금지하여도 된다.
본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 연료전지의 발전전압으로 구동되는 모터의 제어 오차 확대를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 연료전지시스템을 개략적으로 나타낸 시스템 구성도,
도 2는 인버터 지령 전압이 소정의 제 1 전압(Va)인 경우에서의 상기 연료전지시스템의 트랙션 모터의 제어 변환용 제어맵도,
도 3은 인버터 지령 전압이 소정의 제 2 전압(Vb)(단, Vb > Va)인 경우에서의 상기 연료전지시스템의 트랙션 모터의 제어 변환용 제어맵도,
도 4는 상기 연료전지시스템의 인버터 지령 전압과, 모터 제어방식과, 배터리 파워의 관계를 나타내는 타임 챠트 중, 인버터 지령 전압에 관한 타임 챠트,
도 5는 상기 연료전지시스템의 인버터 지령 전압과, 모터 제어방식과, 배터리 파워의 관계를 나타내는 타임 챠트 중, 모터 제어방식에 관한 타임 챠트,
도 6은 상기 연료전지시스템의 인버터 지령 전압과, 모터 제어방식과, 배터리 파워의 관계를 나타내는 타임 챠트 중, 배터리 파워에 관한 타임 챠트이다.
이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(100)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는, 연료전지자동차(FCHV ; Fuel Cell Hybrid Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 차량에 탑재되는 연료전지시스템을 상정하나, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들면, 이륜차나 선박, 비행기, 로봇 등)에도 적용 가능하다. 또한, 이동체에 탑재된 연료전지시스템에 한정하지 않고, 정치형 연료전지시스템이나 휴대형 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
이 차량은, 감속 기어(12)를 거쳐 차륜(63L, 63R)에 연결된 트랙션 모터(61)를 구동력원으로 하여 주행한다. 트랙션 모터(61)의 전원은, 전원 시스템(1)이다. 전원 시스템(1)으로부터 출력되는 직류는, 인버터(60)로 3상 교류로 변환되고, 트랙션 모터(61)에 공급된다. 트랙션 모터(61)는 제동 시에 발전기로서도 기능할 수 있다. 전원 시스템(1)은, 연료전지(40), 배터리(축전부)(20), DC/DC 컨버터(컨버터)(30) 등으로 구성된다.
연료전지(40)는, 공급되는 반응가스(연료가스 및 산화가스)로부터 전력을 발생하는 수단으로, 고체 고분자형, 인산형, 용융탄산염형 등 여러가지 타입의 연료전지를 이용할 수 있다. 연료전지(40)는, 불소계 수지 등으로 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막 등으로 이루어지는 고분자 전해질막(41)을 구비하고, 고분자 전해질막의 표면에는 백금촉매(전극촉매)가 도포되어 있다.
또한, 고분자 전해질막(41)에 도포하는 촉매는 백금촉매에 한정하지 않고, 백금 코발트 촉매(이하, 단지 촉매라 함) 등에도 적용 가능하다. 연료전지(40)를 구성하는 각 셀은, 고분자 전해질막(41)의 양면에 애노드극(42)과 캐소드극(43)을 스크린 인쇄 등으로 형성한 막·전극 접합체(44)를 구비하고 있다. 연료전지(40)는, 복수의 단셀을 직렬로 적층한 스택구조를 가지고 있다.
이 연료전지(40)의 출력전압(이하, FC 전압) 및 출력전류(이하, FC 전류)는, 각각 전압센서(92) 및 전류센서(93)에 의해 검출된다. 연료전지(40)의 연료극(애노드)에는, 연료가스공급원(70)으로부터 수소가스 등의 연료가스가 공급되는 한편, 산소극(캐소드)에는, 산화가스공급원(80)으로부터 공기 등의 산화가스가 공급된다.
연료가스공급원(70)은, 예를 들면 수소탱크나 여러가지 밸브 등으로 구성되고, 밸브 개방도나 ON/OFF 시간 등을 조정함으로써, 연료전지(40)에 공급하는 연료가스량을 제어한다.
산화가스공급원(80)은, 예를 들면 에어컴프레서나 에어컴프레서를 구동하는 모터, 인버터 등으로 구성되고, 당해 모터의 회전수 등을 조정함으로써, 연료전지(40)에 공급하는 산화가스량을 조정한다.
배터리(20)는, 충방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면 니켈 수소 배터리 등에 의해 구성되어 있다. 물론, 배터리(20) 대신 2차 전지 이외의 충방전 가능한 모든 축전기(예를 들면 커패시터)를 설치하여도 된다. 이 배터리(20)는, 연료전지(40)의 방전 경로를 거쳐 삽입되어, 연료전지(40)와 병렬로 접속되어 있다. 배터리(20)와 연료전지(40)는 트랙션 모터용 인버터(60)에 병렬 접속되어 있고, 배터리(20)와 인버터(6) 사이에는 DC/DC 컨버터(30)가 설치되어 있다.
인버터(60)는, 예를 들면 복수의 스위칭소자에 의하여 구성되어 있고, 제어장치(10)로부터 주어지는 제어지령에 따라 연료전지(40) 또는 배터리(20)로부터 출력되는 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여, 트랙션 모터(61)에 공급한다. 트랙션 모터(61)는, 차륜(63L, 63R)을 구동하기 위한 모터이고, 이와 같은 모터의 회전수는 인버터(60)에 의해 제어된다.
그리고, 제어장치(10)는, 인버터(60)의 제어방식을 도 2 내지 도 6에 나타내는 바와 같이, 인버터 지령 전압과 트랙션 모터(61)의 회전수 및 토오크에 따라, 트랙션 모터(61)의 회전수가 높아짐에 따라, PWM 제어로부터 과변조 제어로, 또, 과변조 제어로부터 직사각형 제어로 변환된다.
더욱 구체적으로는, 인버터 지령 전압이 동일하면, 트랙션 모터(61)의 회전수가 소정 이상, 바꿔 말하면, 차속이 소정 이상이 되면, 제어방식은, 저차속측의 제 1 영역(Z1)인 PWM 제어로부터, 이것보다 고차속측의 제 2 영역(Z2)인 과변조 제어, 및 이것보다 더욱 고차속측의 제 3 영역(Z3)인 직사각형 제어로, 이 순서대로 변환된다.
또, 트랙션 모터(61)의 회전수 및 토오크가 동일하여도[도 2, 도 3에서의 동작점(N1, T1) 참조], 인버터 지령 전압이 소정 이상이 되면, 제어방식은 PWM 제어로부터 과변조 제어 및 직사각형 제어로, 이 순서대로 변환된다.
그리고, 도 4에 나타내는 바와 같은 인버터 지령 전압의 상승에 따라, 제어방식이 도 5와 같이 변환되면, 제어방식이 변환될 때마다 제어 오차가 확대되기 때문에, 배터리 파워가 도 6에 나타내는 바와 같이 과도하게 상승·하강하게 되어, 과충방전을 초래한다. 이와 같은 단점을 회피하는 구체적 방법에 대해서는, 뒤에서 상세하게 설명한다.
DC/DC 컨버터(30)는, 예를 들면 4개의 파워·트랜지스터와 전용 드라이브회로(모두 도시 생략)에 의해 구성된 풀브리지·컨버터이다. DC/DC 컨버터(30)는, 배터리(20)로부터 입력된 DC 전압을 승압 또는 강압하여 연료전지(40)측으로 출력하는 기능, 연료전지(40) 등으로부터 입력된 DC 전압을 승압 또는 강압하여 배터리(20)측으로 출력하는 기능을 구비하고 있다. 또, DC/DC 컨버터(30)의 기능에 의하여, 배터리(20)의 충방전이 실현된다.
배터리(20)와 DC/DC 컨버터(30) 사이에는, 차량 보조기기나 FC 보조기기 등의 보조기기류(50)가 접속되어 있다. 배터리(20)는, 이들 보조기기류(50)의 전원이 된다. 또한, 차량 보조기기란, 차량의 운전 시 등에 사용되는 여러가지 전력기기(조명기기, 공조기기, 유압펌프 등)를 말하며, FC 보조기기란, 연료전지(40)의 운전에 사용되는 여러가지 전력기기(연료가스나 산화가스를 공급하기 위한 펌프 등)를 말한다.
상기한 각 요소의 운전은 제어장치(제어부)(10)에 의해 제어된다. 제어장치(10)는, 내부에 CPU, ROM, RAM을 구비한 마이크로컴퓨터로서 구성되어 있다.
제어장치(10)는, 입력되는 각 센서신호에 의거하여 연료가스 통로에 설치된 압력조절밸브(71)나 산화가스 통로에 설치된 압력조절밸브(81), 연료가스공급원(70), 산화가스공급원(80), 배터리(20), DC/DC 컨버터(30), 인버터(60) 등, 시스템 각(各) 부를 제어한다.
이 제어장치(10)에는, 예를 들면 압력센서(91)에 의해 검지되는 연료가스의 공급압력이나 전압센서(92)에 의해 검지되는 연료전지(40)의 FC전압, 전류센서(93)에 의해 검지되는 연료전지(40)의 FC전류, SOC 센서(21)에 의해 검지되는 배터리(20)의 충전상태 SOC(State Of Charge)를 나타내는 SOC 값 등, 여러가지 센서신호가 입력된다.
본 실시형태에서는, 배터리(20)의 충전량이 제한되어 있는 경우에도, 예를 들면 DC/DC 컨버터(30)의 스위칭 주파수를 상승시켜, 당해 DC/DC 컨버터에서의 에너지 손실을 증대시킴으로써, 확실하게 연료전지(40)의 전압이 당해 연료전지(40)의 개방 전압보다 소정의 고전위화 회피 전압 문턱값 이상이 되는 것을 회피한다.
다음에, 제어장치(10)에 의해 간헐적으로 실행되는 고전위화 회피 제어처리에 대하여 설명한다.
제어장치(10)는, 연료전지(40)에 대한 요구 전력을 산출한다. 요구 전력으로서는, 예를 들면 트랙션 모터(61)나 보조기기류(50)를 구동하기 위한 전력이다. 그리고, 제어장치는(10)는, 도시 생략한 I-V 특성 및 I-P 특성을 나타내는 특성맵을 이용하여, 요구 전력에 따른 연료전지(40)의 출력전압을 산출한다. 이 특성맵은, 미리 실험 등에 의해 구해지고, 제조 출하 시 등에 제어장치(10)의 내부 메모리(11)에 저장된다. 또한, 이 특성맵의 값은 고정값으로 하여도 되나, 점차로 재입력 가능한 값으로 하여도 된다.
그리고, 제어장치(10)는, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 내릴 필요가 있는지의 여부를 판단한다. 구체적으로는, 제어장치(10)는, 출력전압과 고전위화 회피 목표 문턱값 전압[이하, 문턱값 전압(Vth)]을 비교하여, 출력전압이 문턱값 전압(Vth)을 넘어 있는 경우에는, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 내릴 필요가 있다고 판단하는 한편, 출력전압이 문턱값 전압(Vth) 이하인 경우에는, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 내릴 필요는 없다고 판단한다.
이 문턱값 전압(Vth)은, 연료전지(40)의 개방 전압보다 낮은 전압이고, 미리 실험 등에 의해 구해져, 제조 출하 시 등에 제어장치(10)의 내부 메모리(11)에 저장된다. 또, 문턱값 전압(Vth)은 고정값으로 하여도 되나, 예를 들면 주위환경(외기 온도나 연료전지 온도, 습도, 운전모드 등)에 따라 점차 재입력 가능한 값으로 하여도 된다.
제어장치(10)는, 상기한 판단에서, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 내릴 필요가 없다고 판단한 경우에는, 연료전지(40)의 고전위화를 회피하는 제어는 불필요하기 때문에, 당해 처리를 종료한다.
한편, 제어장치(10)는, 상기한 판단에서, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 내릴 필요가 있다고 판단한 경우에는, 당해 연료전지(40)의 출력전압을 문턱값 전압(Vth)을 하회하는 값까지 강제적으로 내리는 제어를 행한다. 이 때, 연료전지(40)의 출력전압을 강제적으로 어느 값까지 내릴지는 임의로 설정 가능하다. 그리고, 제어장치(10)는, 잉여전력을 배터리(20)로 흡수 가능한지의 여부[즉, 배터리(20)에 축전할 수 있는지의 여부]를 판단한다. 상세하게 설명하면, 제어장치(10)는, SOC 센서(21)에 의해 검지되는 SOC 값으로부터 검출하고, 배터리(20)의 잔용량을 파악하는 등으로 하여 잉여전력을 배터리(20)로 흡수할 수 있는지의 여부를 판단한다.
제어장치(10)는, 잉여전력을 배터리(20)로 흡수할 수 있다고 판단한 경우에는, 잉여전력을 배터리(20)로 흡수[배터리(20)에 축전]한 후, 처리를 종료한다. 한편, 제어장치(10)는, 잉여전력을 배터리(20)로 흡수할 수 없다고 판단한 경우에는, 예를 들면 DC/DC 컨버터(30)의 스위칭 주파수를 높게 설정하고, DC/DC 컨버터(30)의 에너지 손실을 증대시킴으로써 잉여전력(P)을 흡수한 후, 처리를 종료한다.
그런데, 트랙션 모터(61)의 배터리(20)에 대한 전력회생 중에, 고전위화 회피제어가 온으로부터 오프 또는 오프로부터 온으로 변환되면, 연료전지(40)의 출력전압이 변동하고, 그 영향으로 트랙션 모터(61)의 제어방식이 변환되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 트랙션 모터(61)의 제어 오차 나아가서는 역행 회생 전력 오차가 커져, 배터리(20)가 과충방전이 될 가능성이 있다.
이 때문에, 제어장치(10)는, 트랙션 모터(61)의 제어변환이 생기는 조건, 예를 들면 소정의 차속영역에서는 고전위화 회피제어를 금지한다. 구체적으로는, 도 2에서, 제 1 영역(Z1)에 차속이 있고, 제 2 영역(Z2)에 가까운 소정 차속(V)에 대응하는 회전수(N1) 이상의 고차속 영역에 대해서는 미리 고전위화 회피제어를 금지하는 것으로 한다. 한편, 소정 차속(V) 미만의 저중 차속 영역에 대해서는, 고전위화 회피제어를 허가한다. 트랙션 모터(61)의 전력회생 중에, 이와 같은 고전위화 회피제어의 허가 판단을 행함으로써, 배터리(20)의 과충전을 억제할 수 있다.
이상으로 설명한 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(100)에 의하면, 트랙션 모터(61)의 제어변환이 생기는 소정 차속(V) 이상의 차속영역에 대하여 고전위화 회피제어를 금지하기 위하여, 트랙션 모터(61)의 제어변환이 생기는 차속영역에서는, 고전위화 회피제어를 금지함으로써 연료전지(40)의 출력전압의 변동을 억제할 수 있고, 그 영향으로 트랙션 모터(61)의 제어방식이 변환되는 경우가 없어진다.
이에 의하여, 트랙션 모터(61)의 제어 오차 확대를 억제할 수 있어, 배터리(20)의 과충전, 특히 전력 회생 시에 있어서의 배터리(20)의 과충전을 방지할 수 있다. 또한, 고전위화 회피제어를 금지하는 소정 차속(V)은, 인버터 지령전압에 따라 변동시켜도 된다.

Claims (5)

  1. 연료가스와 산화가스의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 발전전력을 충전하는 축전부와,
    상기 연료전지의 발전전력과 상기 축전부에 충전되어 있는 전력의 적어도 한쪽에 의하여 구동되는 모터와,
    소정의 조건 하에서 변환되는 복수의 제어방식으로 상기 모터를 제어하는 인버터와,
    상기 축전부로부터 입력된 전압을 승압하여 상기 인버터를 거쳐 상기 모터에 출력 가능하고, 또한, 상기 연료전지로부터 입력된 전압을 강압하여 상기 축전부에 출력 가능한 컨버터와,
    컨버터 지령 전압 및 인버터 지령 전압을 제어하는 제어부를 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 컨버터 지령 전압을 상기 연료전지의 개방 전압보다 낮은 고전위 회피 전압으로 유지함으로써 상기 연료전지의 총전압이 소정의 고전위 회피 전압 문턱값 이상이 되는 것을 억제하는 고전위화 회피 제어를 행하는 한편으로, 상기 모터의 제어방식이 변환되는 조건 하에서는 상기 고전위화 회피 제어를 금지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모터의 제어방식은, 상기 모터의 회전수 및 토오크에 따라 변환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모터의 제어방식은, 상기 인버터 지령전압에 따라 변환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 모터의 회전수가 소정 회전수 이상일 때는 상기 고전위화 회피 제어를 금지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 소정의 차속 이상일 때에 상기 고전위화 회피 제어를 금지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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