KR20120118651A - Controller for sofc system drive - Google Patents

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KR20120118651A
KR20120118651A KR1020110036148A KR20110036148A KR20120118651A KR 20120118651 A KR20120118651 A KR 20120118651A KR 1020110036148 A KR1020110036148 A KR 1020110036148A KR 20110036148 A KR20110036148 A KR 20110036148A KR 20120118651 A KR20120118651 A KR 20120118651A
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bop
fuel cell
controller
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cell system
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KR1020110036148A
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김정목
김응률
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주식회사 에이아이텍
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Abstract

PURPOSE: An operation control device of solid oxide fuel cell system is provided to accurately test performance of a fuel cell system, and to monitor a BOP system. CONSTITUTION: An operation control device comprises: a controller(10) controlling BOP of fuel cell system according to pre-determined program; signal generator in virtual operation state(30) copying a real system dynamic characteristic that a controller is supposed to be applied; a display part(20) for debugging and monitoring an operation control factor value and for putting a set factor/variable; a communication module for transferring operational control command signals from the controller to the BOP; and an input/output interface part(50) for transferring a control signal to the BOP. [Reference numerals] (10) Controller; (20) Display part; (30) Signal generator of virtual operation state; (40) Communication module; (50) Input/output I/F; (AA) Control commander; (BB) Control signal input/output

Description

고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치{CONTROLLER FOR SOFC SYSTEM DRIVE}Operation control device of solid oxide fuel cell system {CONTROLLER FOR SOFC SYSTEM DRIVE}

본 발명은 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 정확한 성능 테스트가 가능하고, 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 BOP 시스템을 최종 관리하고 모니터링하는 운전제어 시스템 H/W 플랫폼 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to an operation control apparatus for a solid oxide fuel cell system, and more particularly, to accurately test a fuel cell system, and to manage and monitor a grid-connected BOP system for a solid oxide fuel cell (SOFC). Control system H / W platform technology.

최근 경제 성장에 따라 개발 도상국 및 중진국의 전력 수요가 급증할 전망이며, OECD 국가는 기존 전력망의 노후화에 따른 설비교체가 필요한 상황이나 중앙 발전 건설시 송배전 시설에 대규모 투자가 필요하므로 발전설비의 분산화가 효율적 측면에서 중/소 용량 평관형 고체 산화물 연료전지는 가정이나 소규모 발전설비의 주 전원으로 활용될 것으로 예상되어 송/배전설비 절감 및 고효율 발전으로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. With the recent economic growth, the demand for electricity in developing and middle countries is expected to surge, and OECD countries need to replace their facilities due to the aging of the existing grid or large-scale investment in transmission and distribution facilities during the construction of central power generation. In terms of efficiency, medium and small capacity flat-pipe solid oxide fuel cells are expected to be used as the main power source for homes and small-scale power generation facilities, which can save energy by reducing transmission and distribution facilities and high efficiency power generation.

또한 향후 전력시스템은 전력공급자와 수요자간의 양방향 정보교환을 통해 수요자 즉, 가정의 선택적 전력사용을 가능하게 하는 Smart Grid화가 되어감에 따라 본 사업의 개발 시스템의 중요성은 전력의 세이빙을 위한 연료전지 시스템 제어신호처리 전달에 있다. In addition, as the future power system becomes a smart grid that enables the use of electric power for consumers, that is, households through bi-directional information exchange between the electric power supplier and the consumer, the importance of the development system of this project is the fuel cell system for saving electricity. Control signal processing.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 메커니즘을 갖고 있다. 공해물질의 배출이 거의 없어 친환경 기술로 꼽히고 있으며 석유 이외에 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자원고갈 문제와 차세대 그린 에너지로 주목 받고 있는 테마이다. The fuel cell has a mechanism for directly converting chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. It is regarded as an eco-friendly technology because there is almost no emission of pollutants, and because it can use various fuels in addition to petroleum, it is a theme that is attracting attention as a problem of resource depletion and next-generation green energy.

연료전지는 전지내에 사용되는 전해질 종류를 기준으로 고분자 전해질형(PEMFC), 직접 메탄올형(DMFC), 알칼리형(AFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체 산화물형(SOFC)등으로 구분된다. 특히 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; 이하 SOFC)는 선진국을 중심으로 가정용, 자동차용등으로 연구를 진행하고 있으나 아직 국내에서는 다른 연료전지에 비해 기술력이 낮은 편이고 관련 부품의 국산화가 시급한 실정이다. Fuel cells are classified into polymer electrolyte (PEMFC), direct methanol (DMFC), alkali (AFC), molten carbonate (MCFC), and solid oxide (SOFC) types based on the type of electrolyte used in the cell. In particular, solid oxide fuel cells (SOFC) have been researched in advanced countries for home use and automobile use, but the technology is still low compared to other fuel cells in Korea, and localization of related parts is urgently needed. to be.

SOFC는 500~1000℃의 고온에서 작동되고 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 변환 시키므로 이론적으로 가장 높은 에너지 효율을 보유하고 있으며 다른 연료전지에 비해 효율이 높고 전기화학적 반응을 통해 생성되는 물질이 물이므로 공해가 적으며 시스템 내부에 움직이는 부분이 없으므로 소음이 발생하지 않는다. 고분자전해질 연료전지와는 달리 비싼 백금 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화할 수 있으며 연료로써 사용할 수 있는 물질이 무수히 많으며 연료전지 시스템 내부에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이므로, 이때 생성하는 열을 유용한 용도로 활용하는 복합발전이 가능하다.  Since SOFC operates at high temperature of 500 ~ 1000 ℃ and converts chemical energy directly into electrical energy, it has theoretically the highest energy efficiency.It is more efficient than other fuel cells, and the material produced by electrochemical reaction is water pollution. Low noise and no moving parts inside the system. Unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reaction can be accelerated without the use of expensive platinum catalysts, and there are a lot of materials that can be used as fuels, and the electrochemical reactions occurring inside the fuel cell system are exothermic reactions. Combined power generation is possible.

도 1은 연료전지 시스템 운전 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system operation control system.

도 1에 도시된 바와 같이, 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; 이하 SOFC) 시스템의 구성은 재료, 화공, 기계, 전기, 전자, 제어 등 여러 분야의 시스템이 종합화된 시스템이며 크게 발전의 기본 단위인 세라믹 셀, 셀의 결합체인 스택(Stack), 스택이 구동할 수 있도록 해주는 기계장치(M-BOP, Mechanical Balance Of Plant), 전기장치(E-BOP, Electronic Balance Of Plant)등으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the configuration of solid oxide fuel cells (SOFC) systems is a system in which various systems such as materials, chemicals, machinery, electricity, electronics, and control are integrated. It is composed of ceramic cell which is a basic unit, stack which is a combination of cells, mechanical balance of plant (M-BOP) and electronic balance of plant (E-BOP) which enables the stack to run. It is.

Fuel Processor는 연료 변환기라 하며 연료전지에 사용되는 수소를 만들어내는 부분이며, 스택(Stack)은 수소원료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 직류 전류를 만들어 내는 부분이라 할 수 있다. 이때 반응이 직접적으로 일어나는 부분은 MEA(Membrane Electrode Assembly)이며 E-BOP(Balance Of Plant)는 연료전지에 필요한 연료를 공급하고 시스템이 원활하게 작동하기 위한 전기적 제어시스템 부분이다. 주로 스택에 연료 및 공기를 공급하고 물의 순환계를 유지하는 등 스택이 정상적인 운용을 할 수 있도록 하는 환경을 제공하는 역할을 하며 이를 위해서 부하에서 필요한 적정한 형태로 변형하여 부하에 공급하는 전력전자 시스템도 별도의 제어가 필요하게 된다. The fuel processor is called a fuel converter and is a part that produces hydrogen used in a fuel cell. The stack is a part that directly converts chemical energy of a hydrogen material into electric energy to generate a direct current. At this time, the reaction occurs directly in the MEA (Membrane Electrode Assembly) and E-BOP (Balance Of Plant) is the part of the electrical control system to supply the fuel required for the fuel cell and to operate the system smoothly. It mainly serves to provide an environment that allows the stack to operate normally, such as supplying fuel and air to the stack and maintaining a water circulation system. Control is required.

현재까지 연료전지의 개발은 주로 스택 개발이 가장 큰 이슈였으며 BOP 제어기의 영역은 단순히 스택이 최소한 동작이 될 수 있도록 보조해주는 역할로 구성되거나 개발되었다. 그 결과 외부 전력의 변화 요구에 대해 스택 시스템이 과연 적절한 제어가 되어 전력을 출력하는지가 문제가 되고 있다.To date, the development of fuel cells has been the main issue of stack development, and the area of the BOP controller is simply composed or developed to assist the stack to at least operate. As a result, it is a question of whether the stack system outputs power by properly controlling the external power change request.

그리고, BOP 제어기의 초기 개발시에는 제어 처리 알고리즘 개발을 하기 위한 대상이 없는 상태이므로 실제로 개발을 하기 위해 신호처리 모델을 검증하기 위한 테스트 베드 H/W가 필요하다.In the initial development of the BOP controller, a test bed H / W for verifying the signal processing model is required for the actual development because there is no object for developing a control processing algorithm.

따라서, 평관형 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 E-BOP System을 최종 관리하고 모니터링하는 운전제어 시스템 H/W 플랫폼의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, there is an urgent need to develop an operation control system H / W platform that finally manages and monitors a grid-connected E-BOP system for a flat tube solid oxide fuel cell (SOFC).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지내의 BOP 간의 제어 알고리즘 및 연료전지 출력의 최종 관리 및 제어정보를 처리하는 H/W 제어 플랫폼을 개발하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to develop a control algorithm between the BOP in the fuel cell and the H / W control platform for processing the final management and control information of the fuel cell output .

보다 상세하게는 E-BOP에서 발생하는 모든 제어신호를 입/출력하며 이벤트에 대한 제어 신호를 운전자 또는 M-BOP(Mechanical Balance Of Plant)나 E-BOP(Electronic Balance Of Plant) 계통 시스템에 보내어 운전모드에 대응한 운전 상태를 제어할 수 있도록 기반을 마련하고 E-BOP 시스템 제어를 효율적으로 설계할 수 있도록 H/W 플랫폼을 마련하고자 하는 것이다.More specifically, all control signals generated in the E-BOP are inputted and outputted, and the control signals for the events are sent to the driver or the M-BOP (Mechanical Balance Of Plant) or the E-BOP (Electronic Balance Of Plant) system. The goal is to lay the groundwork for controlling the operating state corresponding to the mode and to prepare the H / W platform to efficiently design the control of the E-BOP system.

본 발명의 또 다른 목적은 제어에 대한 신호를 입/출력하여 운전 상태를 모니터링하며 발생되는 이벤트에 대해서 제어가 될 수 있도록 신호 인터페이스 플랫폼을 제공하는 것으로서, 연료전지의 핵심적인 요소인 전력변환 제어와 스택 제어 신호를 쉽게 내보낼 수 있도록 H/W 플랫폼을 개발하여 연료전지 제어 및 계측(평가) 시스템 시장을 타겟으로 제품화하고자 하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a signal interface platform for inputting / outputting a signal for control, monitoring a driving state, and controlling an event occurring. The company intends to develop the H / W platform to easily export stack control signals and target the fuel cell control and measurement system market.

본 발명의 최종 목적은 제어 신호를 담당하는 메인 제어기 H/W를 개발하는 것으로 연료전지의 고효율 출력을 도모하기 위한, Fuel Processor와 Air System(연료공급 및 공기 관리), Water Management(물관리), Thermal Management(열관리) 제어를 하기위해 운전중 이벤트에 대한 신호를 입/출력하며 제어 신호를 실시간으로 처리하는 H/W 플랫폼을 개발하는 것이다.
The final object of the present invention is to develop a main controller H / W in charge of the control signal to improve the high efficiency output of the fuel cell, Fuel Processor and Air System (fuel supply and air management), Water Management (water management), In order to control thermal management, H / W platform is developed to input / output signals for events during operation and to process control signals in real time.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 미리 설정된 프로그램에 따라 고체산화물 연료전지 시스템의 BOP를 제어하는 컨트롤러, 제어기가 적용될 실제 시스템 동적 특성을 모사하는 가상운전 상태 신호 발생기, 디버깅 및 운전제어 인자값을 모니터링하고, 설정 인자/변수를 입력하기 위한 디스플레이부, 상기 컨트롤러의 운전 제어명령 신호를 상기 BOP로 전송하기 위한 통신모듈 및 상기 BOP로 제어신호를 전송하기 위한 입출력 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a controller for controlling the BOP of a solid oxide fuel cell system according to a preset program, a virtual operation state signal generator to simulate the actual system dynamic characteristics to be applied to the controller, debugging And a display unit for monitoring an operation control factor value and inputting a setting factor / variable, a communication module for transmitting an operation control command signal of the controller to the BOP, and an input / output interface unit for transmitting a control signal to the BOP. An operation control apparatus for a solid oxide fuel cell system is provided.

여기서, 상기 가상운전 상태 신호 발생기는 실제 BOP 운전 데이터를 수집하여 로그파일 형태로 저장하고, 시뮬레이션 동작 시 상기 로그 파일을 재생하는 운전 데이터 시뮬레이션부, 임의의 가상 BOP 데이터들을 생성하여 선택적으로 로딩하고 상기 운전 데이터 시뮬레이션부로부터 수신되는 실제 BOP 운전 데이터를 모니터링 가능한 형태로 변환하는 데이터 송신 및 모니터링부, 기 저장된 BOP 사양 데이터베이스에 기초하여 상기 운전 데이터 시뮬레이션부와 BOP 운전 데이터 송신 및 모니터링부로부터 수신된 BOP 운전 데이터를 평가하고 평가결과 오류가 발생하는 경우 디버깅처리를 수행하는 평가 모듈부, 상기 각 구성들을 버스 형태로 연결하기 위한 다중 접속을 제공하는 접속부 및 상기 평가 모듈부에 프로그램 코드를 다운로딩 및 디버깅하기 위한 다운로드 툴을 포함하는 것이 바람직하다.Here, the virtual driving state signal generator collects the actual BOP operation data and stores it in the form of a log file, and during operation of the simulation operation data simulation unit for reproducing the log file, generating and selectively loading arbitrary virtual BOP data and the A data transmission and monitoring unit for converting the actual BOP operation data received from the operation data simulation unit into a monitorable form, and the BOP operation received from the operation data simulation unit and the BOP operation data transmission and monitoring unit based on a previously stored BOP specification database. Downloading and debugging an evaluation module unit for evaluating data and performing debugging processing when an error occurs in the evaluation result, a connection unit providing multiple connections for connecting the respective components in a bus form, and the evaluation module unit. For everything It is preferable to include a loading tool.

그리고, 상기 가상운전 상태 신호 발생기는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 연료전지 시스템을 모델링하며, 상기 위너모드 알고리즘에서 파라미터값은 하기와 같다.The virtual operation state signal generator models a fuel cell system using a winner mode system identification algorithm, and the parameter values in the winner mode algorithm are as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

그리고, 상기 컨트롤러는 연료전지 시스템의 BOP의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드와 상기 BOP로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드를 갖는 것이 바람직하다.
The controller preferably has a normal operation mode for controlling the operation of the BOP of the fuel cell system and a check mode for applying a test signal to the BOP and analyzing the response signal accordingly to determine whether the operation is normal.

본 발명에 따르면, 개발 H/W 플랫폼을 기반하여 BOP에서 발생나는 모든 이벤트를 모니터링하며 E-BOP에 대한 제어가 필요한 경우 시스템의 전체 프로세스의 제어를 관장하며 운전 상태에 대한 제어 신호를 운전자 또는 BOP 계통 시스템에 보내어 운전 상태에 대응한 신호를 입/출력할 수 있어 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 E-BOP System을 최종 관리하고 모니터링할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it monitors all events occurring in BOP based on the developed H / W platform, manages the whole process of the system when the control on the E-BOP is necessary, and controls the operation signal for the driver or the BOP. It can send / output to the system system the signal corresponding to the operation status, so that it can finally manage and monitor the grid-connected E-BOP system for solid oxide fuel cell (SOFC).

또한, BOP 제어기의 초기 개발시에 개발을 하기 위해 신호처리 모델을 검증하기 위한 테스트 베드 H/W가 제공되는 효과가 있다.
In addition, there is an effect that a test bed H / W for verifying the signal processing model for development in the initial development of the BOP controller is provided.

도 1은 연료전지 시스템 운전 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 BOP 운전 제어 시스템의 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2의 가상운전 상태신호 발생기의 세부 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 위니모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 선형모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.
도 6은 시스템 성능 평가 요소로서 전지 에너지 산출이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system operation control system.
2 is a block diagram of a BOP operation control system according to the present invention.
3 illustrates a detailed structure of the virtual driving state signal generator of FIG. 2.
4 is a graph showing the simulation hit ratio in the case of the system modeling by the Winnie model of the present invention.
5 is a graph showing the simulation hit ratio in the case of the system modeling by the conventional linear model.
6 is a flowchart illustrating a process in which battery energy calculation is performed as a system performance evaluation element.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

시스템 제어신호 요소 설계 및 통신 채널 및 I/O 설계를 위한 요소들을 살펴보면 다음 표 1과 같으며, 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 각 제어대상별 제어수단과 각 제어수다에 대한 제어신호의 설계가 이루어진다.The system control signal element design and communication channel and I / O design elements are as follows in Table 1. As shown in Table 1, the control means for each control object and the control signal for each control conversation are Is done.

Figure pat00002
Figure pat00002

도 2는 본 발명에 따른 BOP 운전 제어 시스템의 구성 블럭도이다.2 is a block diagram of a BOP operation control system according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 BOP 운전 제어 시스템은 컨트롤러(10), 디스플레이부(20), 가상운전 상태신호 발생기(30), 통신모듈(40) 및 입출력 인터페이스부(50)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the BOP operation control system according to the present invention includes a controller 10, a display unit 20, a virtual operation state signal generator 30, a communication module 40, and an input / output interface unit 50. It is configured to include.

컨트롤러(10)는 미리 설정된 프로그램에 따라 고체산화물 연료전지 시스템의 BOP를 제어하는 것으로서, 연료전지 시스템의 BOP의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드와 상기 BOP로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드를 갖는다.The controller 10 controls the BOP of the solid oxide fuel cell system according to a preset program. The controller 10 applies a test signal to the normal operation mode for controlling the operation of the BOP of the fuel cell system and the BOP, and sends a response signal accordingly. It has a check mode that analyzes and judges normal operation.

컨트롤러(10)에서는 스택 셀 전압 모니터링과 온도 제어 모니터링 동작을 수행할 수 있다.The controller 10 may perform stack cell voltage monitoring and temperature control monitoring.

컨트롤러(10)는 스택의 이상 유무를 판단하기 위한 셀 전압 모니터링을 제어하며, 현재 연료전지 시스템에서 쓰고 많이 쓰이고 있는 CVM(Cell Voltage Monitoring)방식으로 구현될 수 있다. 모든 셀을 감시하기 위해서는 스택의 셀 수 만큼 아날로그 입력 채널이 필요하게 되는데 많은 채널 수를 줄이기 위해 멀티플렉서 방식을 이용해서 회로를 구현할 수 있다.The controller 10 controls cell voltage monitoring to determine whether there is an abnormality of a stack, and may be implemented by a CVM (Cell Voltage Monitoring) method that is currently used and used in a fuel cell system. To monitor all cells, analog input channels are needed as many as the cells in the stack. To reduce the number of channels, a multiplexer can be used to implement the circuit.

또한, 컨트롤러(10)는 열전대를 이용하여 온도를 측정하도록 제어하고, 상황에 따른 측정값을 읽어서 모니터링 및 제어신호를 발생한다.   In addition, the controller 10 controls to measure the temperature using a thermocouple, and reads the measurement value according to the situation to generate the monitoring and control signals.

디스플레이부(20)는 디버깅 및 운전제어 인자값을 모니터링하고, 설정 인자/변수를 입력하기 위한 것이다. 디스플레이부(20)는 디버깅 동작에 이용될 수 있는데, 초기 테스트 베드 단계에서 시스템의 고장 및 상황에 따른 운전제어 상태를 확인하기 위해서 디스플레이부(20)를 이용하여 개발 단계에서 신호를 검증 모니터링 하고 사용자의 정의에 따라 입력/출력값 전달 인터페이스를 표시함으로써 운전조건에 대한 표시가 가능하도록 설계하도록 할 수 있다.The display unit 20 is for monitoring debugging and operation control parameter values and inputting setting parameters / variables. The display unit 20 may be used for a debugging operation. In order to check the operation control state according to the failure and the situation of the system in the initial test bed stage, the display unit 20 is used to verify and monitor the signal at the development stage and to monitor the user. By designating the input / output value transfer interface according to the definition, it can be designed to display the operating conditions.

가상운전 상태신호 발생기(30)는 제어기가 적용될 실제 시스템 동적 특성을 모사하는 것으로서, 세부구조에 대해서는 도 3에서 설명하기로 한다.The virtual driving state signal generator 30 simulates actual system dynamic characteristics to which the controller is to be applied, and a detailed structure thereof will be described with reference to FIG. 3.

통신모듈(40)은 컨트롤러(10)의 운전 제어명령 신호를 BOP로 전송하기 위한 것으로서, 연료전지 시스템의 최종 조작부에 대한 전달신호를 구현하며 시스템의 운전 상태 및 데이터의 모니터링 등을 수행하기 위하여 RS-232/485/422와 같은 직렬통신으로 구현된다.The communication module 40 is for transmitting the operation control command signal of the controller 10 to the BOP. The communication module 40 implements a transmission signal to the final operation unit of the fuel cell system and performs RS of the operation state and data monitoring of the system. It is implemented by serial communication such as -232/485/422.

입출력 인터페이스부(50)는 BOP로 제어신호를 전송하기 위한 것으로서, 아날로그 입력부, 아날로그 출력부 및 디지털 입출력부를 포함한다.The input / output interface unit 50 transmits a control signal to the BOP, and includes an analog input unit, an analog output unit, and a digital input / output unit.

아날로그 입력부는 각종 센서류(압력센서, 유량센서, 전류센서 등)의 데이터를 취득하기 위하여 설계될 수 있고, 외부 ADC추가를 고려함으로써 채널수 증가 및 입력범위확장을 고려하는 것이 바람직하다.The analog input unit may be designed to acquire data of various sensors (pressure sensor, flow sensor, current sensor, etc.), and it is preferable to consider increasing the number of channels and expanding the input range by considering the addition of an external ADC.

아날로그 출력부는 각종 연료전지 시스템이 BOP를 제어하고 모니터링하기 위한 수단으로 설계될 수 있다.The analog output unit can be designed as a means for various fuel cell systems to control and monitor the BOP.

디지털 입출력부는 주로 밸브 및 스위치를 제어하기 위한 것으로서, 접점방식을 이용하여 신호의 on/off 신호를 전달하는 기능을 수행하며, 운전시 발생하는 노이즈를 저감시켜 고신뢰성 스위치 계폐에 대한 설계가 중요하다.
The digital input / output unit is mainly for controlling valves and switches, and performs the function of transmitting the on / off signal of the signal by using a contact method, and it is important to design a high reliability switch by reducing the noise generated during operation. .

도 3은 도 2의 가상운전 상태신호 발생기의 세부 구조를 도시한 것이다.3 illustrates a detailed structure of the virtual driving state signal generator of FIG. 2.

도 3에 도시된 바와 같이, 가상운전 상태신호 발생기(30)는 세부적으로 운전 데이터 시뮬레이션부(31), 데이터 송신 및 모니터링부(32), 평가 모듈부(33), 접속부(34) 및 다운로드 툴(35)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the virtual driving state signal generator 30 includes a driving data simulation unit 31, a data transmission and monitoring unit 32, an evaluation module unit 33, a connection unit 34, and a download tool in detail. It comprises 35.

운전 데이터 시뮬레이션부(31)는 실제 BOP 운전 데이터를 수집하여 로그파일 형태로 저장하고, 시뮬레이션 동작 시 상기 로그 파일을 재생하는 것이다.The driving data simulation unit 31 collects actual BOP driving data and stores the log data in the form of a log file, and reproduces the log file during a simulation operation.

데이터 송신 및 모니터링부(32)는 임의의 가상 BOP 데이터들을 생성하여 선택적으로 로딩하고 상기 운전 데이터 시뮬레이션부(31)로부터 수신되는 실제 BOP 운전 데이터를 모니터링 가능한 형태로 변환하는 것이다. The data transmission and monitoring unit 32 generates and selectively loads arbitrary virtual BOP data and converts the actual BOP operation data received from the operation data simulation unit 31 into a monitorable form.

평가 모듈부(33)는 기 저장된 BOP 사양 데이터베이스에 기초하여 상기 운전 데이터 시뮬레이션부(31)와 데이터 송신 및 모니터링부(32)로부터 수신된 BOP 운전 데이터를 평가하고 평가결과 오류가 발생하는 경우 디버깅처리를 수행하는 것이다.The evaluation module unit 33 evaluates the BOP operation data received from the operation data simulation unit 31 and the data transmission and monitoring unit 32 based on the pre-stored BOP specification database, and when the evaluation result error occurs, debugging processing. To do.

접속부(34)는 각 구성들을 버스 형태로 연결하기 위한 다중 접속을 제공하는 것이고, 다운로드 툴(35)은 평가 모듈부(33)에 프로그램 코드를 다운로딩 및 디버깅하기 위한 것이다.
The connection part 34 provides multiple connections for connecting the respective components in the form of a bus, and the download tool 35 is for downloading and debugging the program code to the evaluation module part 33.

도 4는 본 발명의 위니모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이고, 도 5는 종래 선형모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the simulation hit rate when the system modeling by the Winnie model of the present invention, Figure 5 is a graph showing the simulation hit rate when the system modeling by the conventional linear model.

가상운전 상태 신호 발생기는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 연료전지 시스템을 모델링하며, 위너모드 알고리즘에서 파라미터값은 하기와 같다.The virtual operation state signal generator models a fuel cell system using a Wiener mode system identification algorithm, and the parameter values in the Wiener mode algorithm are as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

시뮬레이션 결과, 본 발명의 위너모델의 적중률이 선형모델보다 84.03%에서 98.38%로 향상되어 시뮬레이션 적중율이 매우 높음을 알 수 있었다.
As a result of the simulation, the hit ratio of the Wiener model of the present invention was improved from 84.03% to 98.38% compared to the linear model, indicating that the simulation hit ratio was very high.

도 6은 시스템 성능 평가 요소로서 전지 에너지 산출이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a process in which battery energy calculation is performed as a system performance evaluation element.

연료전지의 성능평가를 위해서는 연료전지의 운전 범위를 정한 후 운전 조건을 표준화하여 검증하는 것이 중요하다. 연료전지의 성능평가의 부위별 계산 항목은 전지 에너지 산출, 연료량 산출, 개질기 열수지 산출 및 열에너지 산출 등이 있다.In order to evaluate the performance of a fuel cell, it is important to verify the operation conditions of the fuel cell and then standardize the operating conditions. The calculated items for each part of the fuel cell performance evaluation include cell energy calculation, fuel amount calculation, reformer heat balance calculation and heat energy calculation.

이들 중 도 6은 전지 에너지 산출 과정을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 우선, 전기 부하 수요 패턴이 입력되고(S600), 효율을 고려한 AC/DC 인버터의 입력 전력이 산출된다(S610). 여기서, 전기 부하 수요패턴은 반복적인 검증을 통해 평균값이 산출된다.6 shows a process of calculating battery energy. Referring to FIG. 6, first, an electrical load demand pattern is input (S600), and an input power of an AC / DC inverter in consideration of efficiency is calculated (S610). Here, the average value of the electrical load demand pattern is calculated through repeated verification.

그 다음, 축전지와 온수탱크의 상태에 따른 연료전지의 출력 비율이 결정되고(S620), DC/DC 컨버터의 출력이 산출된다(S630).Next, the output ratio of the fuel cell according to the state of the storage battery and the hot water tank is determined (S620), and the output of the DC / DC converter is calculated (S630).

그 다음, 축전지의 출력이 산출되고(S640), 그에 기초하여 최종적으로 연료전지의 출력이 산출된다(S640)   Next, the output of the storage battery is calculated (S640), and finally the output of the fuel cell is calculated based on the output (S640).

그 외에 연료량은 연료전지의 출력에 따른 이론 수소량 계산, 이용률에 따른 공급 수소량과 공기량 계산 및 개질기에 공급되는 가스 공급량 계산의 과정을 통해 산출될 수 있다.In addition, the fuel amount may be calculated by calculating theoretical hydrogen amount according to the output of the fuel cell, calculating hydrogen amount and air amount according to utilization rate, and calculating gas supply amount supplied to the reformer.

그리고, 개질기의 열수지는 열교환기 열교환량 계산, 증발기 필요 열량 및 공급 열량 계산, 연소기에서 필요한 열량 계산 및 연소기에 공급할 연료량 및 공기량 계산의 과정을 통해 산출될 수 있다.In addition, the heat balance of the reformer may be calculated through a process of heat exchanger heat exchange amount calculation, evaporator required heat and supply calorie calculation, calorie calculation required in the combustor and fuel amount and air amount to be supplied to the combustor.

그리고, 열 에너지는 열부하 수요 패턴 입력, 연료전지에 발생한 열량 계산, 각 열교환기에서 회수한 열량 계산 및 회수한 열량과 공급한 열부하에 따른 온수탱크의 온도 계산 및 검침의 과정을 통해 산출될 수 있다.
The thermal energy may be calculated by inputting a heat load demand pattern, calculating a calorie generated in a fuel cell, calculating calories recovered from each heat exchanger, and calculating and reading a temperature of a hot water tank according to the recovered calories and supplied heat load. .

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

10 : 컨트롤러 20 : 디스플레이부
30 : 가상운전 상태신호 발생기 31 : 운전 데이터 시뮬레이션부
32 : 데이터 송신 및 모니터링부 33 : 평가 모듈부
34 : 접속부 35 : 다운로드 툴
40 : 통신모듈 50 : 입출력 I/F
60 : BOP
10: controller 20: display unit
30: virtual operation state signal generator 31: operation data simulation unit
32: data transmission and monitoring unit 33: evaluation module unit
34: connection 35: download tool
40: communication module 50: input / output I / F
60: BOP

Claims (4)

고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치에 있어서,
미리 설정된 프로그램에 따라 고체산화물 연료전지 시스템의 BOP를 제어하는 컨트롤러;
제어기가 적용될 실제 시스템 동적 특성을 모사하는 가상운전 상태 신호 발생기;
디버깅 및 운전제어 인자값을 모니터링하고, 설정 인자/변수를 입력하기 위한 디스플레이부;
상기 컨트롤러의 운전 제어명령 신호를 상기 BOP로 전송하기 위한 통신모듈; 및
상기 BOP로 제어신호를 전송하기 위한 입출력 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치.
In the operation control apparatus of a solid oxide fuel cell system,
A controller for controlling the BOP of the solid oxide fuel cell system according to a preset program;
A virtual driving state signal generator which simulates actual system dynamic characteristics to which the controller is to be applied;
A display unit for monitoring debugging and operation control factor values and inputting setting parameters / variables;
A communication module for transmitting an operation control command signal of the controller to the BOP; And
And an input / output interface unit for transmitting a control signal to the BOP.
제 1 항에 있어서,
상기 가상운전 상태 신호 발생기는
실제 BOP 운전 데이터를 수집하여 로그파일 형태로 저장하고, 시뮬레이션 동작 시 상기 로그 파일을 재생하는 운전 데이터 시뮬레이션부;
임의의 가상 BOP 데이터들을 생성하여 선택적으로 로딩하고 상기 운전 데이터 시뮬레이션부로부터 수신되는 실제 BOP 운전 데이터를 모니터링 가능한 형태로 변환하는 데이터 송신 및 모니터링부;
기 저장된 BOP 사양 데이터베이스에 기초하여 상기 운전 데이터 시뮬레이션부와 BOP 운전 데이터 송신 및 모니터링부로부터 수신된 BOP 운전 데이터를 평가하고 평가결과 오류가 발생하는 경우 디버깅처리를 수행하는 평가 모듈부;
상기 각 구성들을 버스 형태로 연결하기 위한 다중 접속을 제공하는 접속부; 및
상기 평가 모듈부에 프로그램 코드를 다운로딩 및 디버깅하기 위한 다운로드 툴을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치.
The method of claim 1,
The virtual driving state signal generator
A driving data simulation unit for collecting actual BOP driving data and storing the log data in a log file form and reproducing the log file during a simulation operation;
A data transmission and monitoring unit for generating and selectively loading arbitrary virtual BOP data and converting actual BOP operation data received from the operation data simulation unit into a monitorable form;
An evaluation module unit for evaluating BOP operation data received from the operation data simulation unit and the BOP operation data transmission and monitoring unit based on a previously stored BOP specification database and performing a debugging process when an error occurs in the evaluation result;
A connection unit providing multiple connections for connecting the respective components in a bus form; And
And a download tool for downloading and debugging the program code in the evaluation module unit.
제 1 항에 있어서,
상기 가상운전 상태 신호 발생기는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 연료전지 시스템을 모델링하며, 상기 위너모드 알고리즘에서 파라미터값은 하기와 같은 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치.
Figure pat00004

The method of claim 1,
The virtual driving state signal generator models a fuel cell system using a Wiener mode system identification algorithm, and a parameter value in the Wiener mode algorithm is as follows.
Figure pat00004

제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 연료전지 시스템의 BOP의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드와 상기 BOP로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드를 갖는 것을 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치.
The method of claim 1,
The controller has a normal operation mode for controlling the operation of the BOP of the fuel cell system and a check mode that applies a test signal to the BOP and analyzes the response signal accordingly to determine whether the operation is normal. Driving control.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210046960A (en) * 2019-10-21 2021-04-29 최구현 Apparatus for eliminating co gas of fuel cell and evaluator of bop system of fuel cell usting the appatus

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