KR20160072975A - 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고, 발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템, 및 그 제어 방법이 개시된다.

Description

연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법{Power generation system using fuel cell electric vehicle and control method thereof}
본 발명은 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기를 포함한다.
통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크), 레귤레이터, 수소압력제어밸브, 수소재순환장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수펌프, 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
수소공급장치에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 레귤레이터에서 감압된 후 연료전지 스택으로 공급되는데, 이때 감압된 수소는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다.
그리고, 연료전지 자동차는 주행을 위한 구동원으로 모터를 이용하고, 주동력원인 연료전지 또는 보조동력원인 고전압 배터리의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터를 구동시키는 인버터가 구비된다.
연료전지 자동차에서 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.
또한, 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에는 연료전지의 출력전압이 순간적으로 급강하하고 모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하될 수 있고, 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없다.
따라서, 연료전지 자동차에는 주동력원인 연료전지 외에 보조동력원으로 별도의 에너지 저장장치, 그 예로 충/방전 가능한 고전압 배터리를 탑재하고 있으며, 이러한 고전압 배터리는 연료전지에서 생성된 전력을 저장(충전)할 수 있도록 전력변환장치를 통해 연결되어 있다.
상기 전력변환장치는 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(직류변환장치)로서, 연료전지와 부하측인 인버터 및 모터 사이를 연결하는 DC-링크단에 연결되어 있고, 고전압 배터리가 양방향 고전압 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 DC-링크단에 연결된 구조로 되어 있다.
이러한 구성에 의해 연료전지의 발전전력을 차량 내 부하측에 공급할 수 있는 한편, 연료전지의 발전전력으로 컨버터를 통해 고전압 배터리를 충전할 수 있고, 또한 고전압 배터리에 충전된 전력을 컨버터를 통해 차량 내 부하에 공급할 수 있다.
또한, 양방향 고전압 DC-DC 컨버터에 대한 전압 제어를 통해 연료전지의 출력을 제어하는 것이 가능하다.
한편, 연료전지 자동차를 외부 전력계통에 연결하여 연료전지의 발전전력을 외부 전력계통으로 공급하여 활용할 수 있도록 하는 기술이 제시된 바 있다.
도 1은 연료전지 자동차의 발전전력을 전력계통으로 송전하기 위한 종래의 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지(스택)(11), 연료전지 제어기(12), 고전압 배터리(14), 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)(15), 인버터(16) 및 모터(17)를 탑재한 연료전지 자동차(10)와, 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)에는 차량의 주동력원이 되는 연료전지(11), 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기(12), 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(14), 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 DC-DC 컨버터(15), 차량의 구동원이 되는 모터(17), 모터(17)를 구동시키기 위한 인버터(16)가 탑재된다.
상기 연료전지 제어기(12)는 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 DC-DC 컨버터(15), 보다 명확히는 미도시된 컨버터 제어기로 전달하여 DC-DC 컨버터의 구동을 제어하게 된다.
또한, 연료전지 자동차(10)의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 전력계통으로 송전해주는 이동식 전력변환모듈(30)이 차량 외부에 구비되고, 차량 전력의 송전을 위해 연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)이 커넥터(22)를 통해 연결된다.
여기서, 상기 전력변환모듈(30)은 컨버터(31)와 인버터(32)를 포함한다.
보다 상세하게는, 연료전지 자동차(10)에서 생성된 전력을 외부 전력계통(40)으로 송전하기 위해서는 연료전지(11)의 출력이 직류이므로 직류전압을 교류전압으로 변환해주는 전력변환장치, 즉 인버터(32)가 필요하다.
또한, 연료전지(11)에서 생성되는 전력을 외부 전력계통(40)으로 송전하기 위해서는 전력계통의 상 전압보다 높은 DC-링크 전압을 유지하는 것이 필수적이다.
그러나, 연료전지(11)에서 지속적으로 정전류를 출력하는 발전을 할 경우 연료전지의 드라이-아웃(Dry-out) 특성으로 인해 연료전지의 출력전압이 지속적으로 떨어지게 된다.
따라서, 연료전지(11)의 출력전압이 전력계통으로 송전되기 위해 필요한 최소 직류전압보다 떨어지게 되어 전력계통(40)으로의 송전이 불가한 상황이 발생한다.
이를 방지하기 위해, 통상적으로 연료전지 자동차(10)와 이동식 전력변환모듈(30)의 인버터(32) 사이에 또 다른 전력변환장치, 즉 DC-DC 컨버터(직류변환장치)(31)를 배치하여 인버터 입력단의 전압을 일정하게 유지시킨다.
요컨대, 전력변환모듈(30)에서 DC-DC 컨버터(31)는 커넥터(22)를 통해 입력되는 연료전지 자동차(10)의 전력을 직류-직류 변환하여 인버터(32)로 출력하고, 인버터(32)는 컨버터(31)의 출력을 직류-교류 변환하여 전력계통(40)으로 출력한다.
이러한 연료전지 자동차(10)와 이동식 전력변환모듈(30)은 일종의 이동식 발전 시스템으로 이용될 수 있는 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 자동차(10)의 외부 접속용 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)을 연결하고, 연료전지(11)에서 생성된 발전전력을 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)의 컨버터(31) 입력단으로 공급한다.
이때, 전력변환모듈(30)의 컨버터(31)는 전압 제어를 통해 인버터(32) 입력단을 일정 전압으로 유지시키도록 동작하고, 인버터(32)는 전력계통(40)에 연결되어 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 연료전지(11)의 DC 발전전력을 AC 전력으로 변환하여 전력계통(40)으로 송전한다.
이하, 종래의 이동식 발전 시스템이 가지는 문제점을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 이동식 전력변환모듈(30)은 차량에 적재하여 이동하면서 사용할 목적으로 구비하는 것이므로 모듈의 부피와 중량이 중요하며, 부피 축소 및 중량 저감을 통해 이동성 및 휴대성을 높이는 것이 중요하다.
그러나, 종래의 전력변환모듈(30)은 컨버터(31)와 인버터(32) 모두를 포함하므로 부피와 중량 증대, 원가 상승, 고장 발생 요소가 많다는 문제점을 가지며, 이동성 및 휴대성이 좋지 못한 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고, 발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하는 이동식 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 발전 모드가 선택되어 연료전지가 운전되는 동안 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 직류(DC)전압을 일정하게 유지시켜 인버터 입력단에 전류를 전달하기 위한 컨버터를 전력변환모듈에서 삭제할 수 있다.
이를 통해 원가 절감은 물론 전력변환모듈의 부피 축소와 중량 저감을 달성할 수 있고, 전력변환모듈의 이동성 및 휴대성 증대, 고장 요소 축소의 이점이 있게 된다.
또한, 연료전지에 대한 드라이-아웃 판정 로직의 결과에 따라 차량 내 컨버터(BHDC)에서 고전압 배터리의 충, 방전을 제어하므로 인버터 입력단의 DC-링크 전압(인버터 입력 전압)을 항상 일정하게 유지할 수 있고, 따라서 인버터의 전류 출력을 유지하여 전력계통으로의 안정적인 송전이 이루어질 수 있다.
도 1은 연료전지 자동차의 발전전력을 전력계통으로 송전하기 위한 종래의 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템에서 발전 모드의 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 연료전지 운전 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 이동식 발전 시스템이 가지는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 자동차 내부에 보조동력원인 고전압 배터리의 충, 방전을 위한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)가 탑재되어 있는 점에 착안하여 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 기술을 제공하고자 하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도로서, 도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)을 포함하는 이동식 발전 시스템을 나타내고 있다.
도 2를 참조하면, 연료전지(스택)(11), 연료전지 제어기(12), 고전압 배터리(14), 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)(15), 그리고 인버터(16) 및 모터(17)를 탑재한 연료전지 자동차(10)와, 상기 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)에는 차량의 주동력원이 되는 연료전지(11), 연료전지(11) 및 그 주변 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기(12), 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(14), 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15), 차량의 구동원이 되는 모터(17), 모터(17)를 구동시키기 위한 인버터(16)가 탑재된다.
이와 더불어, 차량 내 연료전지 시스템의 전기부하로서, 연료전지(스택)(11)의 온도 제어를 위해 냉각수를 순환시키는 냉각수펌프(18), 그리고 연료전지(11)에 반응기체인 공기를 공급하기 위한 공기블로워(19)가 도 2에 도시되어 있다.
상기 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)는 연료전지(11)의 발전전력을 공급받거나 고전압 배터리(14)의 전력을 컨버터(15)를 통해 공급받아 구동될 수 있고, 연료전지 제어기(12)로부터 출력되는 각각의 회전수 지령(RPMref1,RPMref2)에 따라 그 회전수가 제어된다.
상기 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)는 연료전지(11)와 부하측인 인버터(16) 및 모터(17) 사이를 연결하는 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 연결되어 있고, 고전압 배터리(14)가 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)를 개재한 상태로 DC-링크단(13)에 연결되어 있다.
이러한 구성에 의해 연료전지(11)의 발전전력을 차량 내 부하측에 공급할 수 있는 한편, 연료전지(11)의 발전전력으로 컨버터(15)를 통해 고전압 배터리(14)를 충전할 수 있고, 또한 고전압 배터리(14)에 충전된 전력을 컨버터(15)를 통해 차량 내 부하에 공급할 수 있다.
상기 고전압 배터리(14)에서는 양방향 DC-DC 컨버터(15)의 동작이 제어됨에 따라 DC-링크단(13)을 통한 충전 또는 방전이 이루어지고, 또한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)에 대한 전압 제어를 통해 연료전지(11)의 출력이 제어될 수 있다.
연료전지 제어기(12)는 고전압 배터리(14)의 충, 방전 및 연료전지(11)의 출력 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 DC-DC 컨버터(15), 보다 명확히는 미도시된 컨버터 제어기로 전달하여 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하게 된다.
아울러, 연료전지 자동차(10)를 외부 연결하기 위한 외부 접속용 커넥터(22)가 차량에 구비되는데, 상기 커넥터(22)는 연료전지(11), 인버터(16) 및 컨버터(15) 사이의 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 연결되어 있고, 이 커넥터(22)에 차량 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 연결된다.
이에 따라 연료전지(11)에서 발전을 통해 생성된 전력이 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)로 전달될 수 있고, 더불어 고전압 배터리(14)에 충전되어 있는 전력이 컨버터(15) 및 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)로 전달될 수 있다.
또한, 상기 DC-링크단(13)에는 연료전지 출력전류를 검출하고 검출값에 따른 신호를 연료전지 제어기(12)에 입력하도록 연결된 전류센서(21)가 설치된다.
또한, 본 발명에서는 이동식 전력변환모듈(30) 내에 별도의 컨버터가 삭제되는 대신, 인버터(32) 입력단이 커넥터(22)를 통해 차량의 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 직결될 수 있도록 되어 있다.
상기 전력변환모듈(30)의 인버터(32)는 차량의 DC-링크단(13)에 연결된 상태에서 차량으로부터의 직류(DC)전력, 즉 연료전지(11)에서 출력되는 발전전력과 고전압 배터리(14)에서 DC-DC 컨버터(15)를 통해 출력되는 충전전력을 교류(AC)전력으로 변환하여 전력계통(40)으로 출력하게 된다.
본 발명의 이동식 발전 시스템에서 연료전지 제어기(12)와 전력변환모듈(30)의 인버터(32)(보다 명확히는 미도시된 인버터 제어기)는 계통(40)측으로부터 전달되는 전류지령(Icmd)을 입력받으며, 이 전류지령에 따라 전력변환모듈(30)의 인버터(32) 출력이 제어되고, 연료전지 제어기(12)가 상기 전류지령에 따라 컨버터(15) 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 생성하여 출력한다.
한편, 연료전지 자동차(10)는 주행 용도와 발전 용도의 두 가지 목적으로 사용될 수 있으며, 따라서 주행 모드와 발전 모드를 구분하여 차량 제어가 수행된다.
즉, 차량의 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)의 커넥터가 연결되면, 인터락(Interlock) 신호가 연료전지 제어기(12)에 입력되는데, 인터락 신호는 커넥터 체결 유무 및 불량을 검출하기 위한 신호로 이용되는 것으로, 연료전지 제어기(12)는 인터락 회로를 통해 입력되는 전압 신호인 인터락 신호로부터 커넥터 체결 유무 및 불량 여부를 확인하게 된다.
또한, 사용자가 차량을 발전 용도로 이용하려는 경우 차량 내 버튼을 눌러 발전 모드를 선택할 수 있으며, 이때의 버튼 조작신호, 즉 발전 모드 신호를 연료전지 제어기(12)가 입력받게 된다.
따라서, 차량의 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)의 커넥터가 체결되고 사용자가 버튼을 누르게 되면, 연료전지 제어기(12)는 인터락 신호와 발전 모드 신호를 입력받게 되어 차량이 발전 모드로 진입되도록 한다.
상기 발전 모드로 진입하면, DC-링크단(메인 버스단)(13)의 전압을 전력변환모듈(30)의 인버터(32)가 전력계통(40)으로 전력을 보낼 수 있는 최소 전압 이상으로 유지하기 위한 운전 제어 전략으로 제어를 실시한다.
도 3과 도 4는 발전 모드의 제어 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4는 연료전지 출력의 전류-전압(I-V) 곡선을 나타내고 있고, 도 4에서 점선의 곡선은 드라이-아웃(Dry-out) 판정 기준 곡선을 나타낸다.
먼저, 발전 모드에서 연료전지(11)가 정상 운전되고, 연료전지(11)에서 생성된 발전전류를 차량에서 전력변환모듈(30)을 통해 전력계통(40)으로 전송하기 시작하면, 연료전지 제어기(12)는 연료전지 상태 정보로부터 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에 따라 연료전지(11)의 드라이-아웃 상태 도달 여부를 모니터링한다.
연료전지(11)가 지속적으로 발전을 하면 드라이-아웃 현상이 발생하여 도 4에서와 같이 전류-전압 곡선이 아래로 처지게 되는데, 이때 연료전지(11)의 출력을 정전류 상태로 유지하면 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 낮아지게 된다.
이때, 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에는 연료전지(11)에서 전력계통(40)으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압(Vmin)을 고려하여 설정 마진(α)을 고려한 'Vmin + α'에 해당하는 전류-전압 곡선이 드라이-아웃 판정 기준으로 설정된다.
이에 연료전지(11)가 운전 중일 때 연료전지 제어기(12)의 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에서는 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 제1기준치인 'Vmin + α'에 도달할 경우 드라이-아웃 상태에 도달함을 판정하게 되고, 이후 연료전지 드라이-아웃 방지를 위한 로직, 즉 연료전지 복구 로직이 동작된다.
이때, 연료전지 제어기(12)는 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)(이하 'BHDC'라 칭함)에 대한 출력전압지령(Vref)을 'Vmin + α'로 출력하여 BHDC(15)의 구동을 제어하게 된다.
결국, 연료전지(11)가 정상 출력(정상 운전) 중일 때에는 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 'Vmin + α'보다 크므로 BHDC(15)가 충전 모드로 동작하여 고전압 배터리(14)에 전기에너지를 저장하게 된다(배터리 충전).
또한, 연료전지(11)가 드라이-아웃 상태에 도달하면 연료전지(11)를 다시 정상 운전 상태로 회복시키기 위한 복구 운전을 실시하며, 연료전지 복구 로직에 따라 연료전지(11)의 온도를 낮추고 연료전지(11)에 공급되는 공기의 압력을 높여 연료전지(11)를 드라이-아웃 도달 상태로부터 정상 상태로 복구시킨다.
이때, 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프(18)의 회전수 지령치(RPMref1)와 공기블로워(19)의 회전수 지령치(RPMref2)는 실험을 통해 기 설정된 값을 적용한다.
연료전지 복구 과정에서 연료전지(11)의 온도를 낮추고 연료전지(11)에 공급되는 공기의 압력을 높이기 위해서는 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)의 회전수 지령치(RPMref1,RPMref2)를 정상 운전 상태보다 높여야 한다.
이 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)의 전류 소모량이 증가하고, 이때 차량의 연료전지(11)로부터 전력계통(40)으로 공급되는 전류량은 계속 일정하게 유지되어야 하므로, 연료전지(11)의 출력전류가 높아지게 된다.
따라서, 도 4의 전류-전압 곡선에서 나타내는 바와 같이, 일시적으로 연료전지 출력전압(Vf)이 더욱 낮아지게 된다.
이때, BHDC(15)의 출력전압지령(Vref)을 'Vmin + α'로 계속 유지시켜 운전을 실시하면, 연료전지 출력전압(Vf)이 BHDC 출력전압지령(Vref)보다 낮으므로, BHDC(15)가 방전 모드로 동작하게 되어, 고전압 배터리(14)에 저장된 전기에너지가 전력계통(40)에 송전되는 차량측 전기에너지를 어시스트하는데 사용될 수 있다.
즉, 연료전지(11)의 복구 운전 동안 인버터(32)의 DC-링크 전압이 'Vmin + α'로 계속 유지되어 연료전지(11)의 발전전력과 함께 고전압 배터리(14)의 충전전력이 전력변환모듈(30)의 인버터(32)를 통해 전력계통(40)으로 송전될 수 있고, 이때 전력변환모듈(30)의 인버터(32)가 계통(40)측으로부터 전달된 전류지령에 따라 동작하여 그에 상응하는 전류를 출력하게 된다.
그리고, 연료전지 복구 운전을 실시하면 연료전지 출력전류가 높아지므로 일시적으로 출력전압(Vf)이 낮아지지만, 드라이-아웃 상태에서 벗어나면 연료전지 출력전압은 정상 상태로 복구되어 상승하게 된다.
따라서, 연료전지 제어기(12)는 연료전지 출력전압(Vf)을 모니터링하되, 연료전지 출력전압이 상승하여 제2기준치인 'Vmin + β'(β>α임)에 도달할 경우 드라이-아웃 상태로부터 벗어나기 위한 연료전지 복구 운전을 중지한다.
또는 고전압 배터리(14)의 용량에 의해 배터리 방전에 한계가 있으므로, 연료전지 제어기(12)가 배터리 제어기로부터 전달되는 배터리 상태 정보, 즉 배터리 SOC(State of Charge)를 모니터링하여, SOC가 미리 설정된 방전 허용 가능 최저치(예, 30%)에 도달할 경우 연료전지 복구 운전을 중단하고, 연료전지 정상 운전 상태로 복귀한다.
즉, 연료전지 출력전압(Vf)과 배터리 SOC 값을 모니터링하여 둘 중 어느 하나가 상기한 조건을 만족할 경우 연료전지 복구 운전을 중지하고, 연료전지 정상 운전 상태로 복구하는 것이다.
연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)로 구성되는 이동식 발전 시스템에서 상기와 같은 과정을 반복하여 DC-링크 전압을 일정하게 유지하면서 지속적으로 전류를 공급할 수 있도록 하기 위한 제어가 수행된다.
도 5는 본 발명에서 연료전지 운전 상태를 나타내는 도면으로, 연료전지 출력전압(Vf)과 전력변환모듈(30)의 인버터 출력전류를 나타내고 있다.
'A'는 연료전지 출력 및 배터리 충전이 이루어지는 구간을 나타내고, 'B'는 연료전지 복구 로직(드라이-아웃 방지 로직) 작동 및 배터리 방전이 이루어지는 구간을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 연료전지 운전 중 연료전지 출력전압(Vf)이 낮아져 제1기준치인 'Vmin + α'에 도달하면, 즉 연료전지(11)가 드라이-아웃 조건에 도달하면 드라이-아웃 방지를 위한 연료전지 복구 로직이 작동하고, 이후 연료전지 복구 운전을 통해 연료전지 출력전압이 제2기준치인 'Vmin + β'까지 상승하면 연료전지(11)를 정상 운전시킨다.
이후 연료전지 정상 운전 동안 연료전지 출력전압이 다시 낮아지면 연료전지 복구 로직을 동작시키고, 이후 연료전지 정상 운전과 연료전지 복구 운전을 계속 반복하게 된다.
결국, 연료전지 정상 운전 및 복구 운전 과정에서 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에 따라 BHDC(15)에서 배터리 충/방전을 실시하므로 이동식 발전 시스템의 DC-링크 전압을 'Vmin + α'로 유지할 수 있고, 전력변환모듈(30)의 인버터(32)로부터 전력계통(40)으로의 전류 출력을 지속적으로 유지시킬 수 있게 된다.
도 6은 도 2와 같은 구성에서 본 발명의 제어 방법을 적용하지 않을 경우의 상태를 나타내는 비교 도면으로, 연료전지(11)의 정전류 출력시 연료전지 출력전압(Vf)과 전력변환모듈(30)의 인버터 출력전류를 나타내고 있다.
'C'는 연료전지(11)의 출력이 이루어지는 구간이고, 'D'는 연료전지 아이들(Idle) 상태 및 발전 정지 구간을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 도 2와 같은 시스템을 운용할 때, 상기한 연료전지 복구 운전 과정이 없다고 가정하면, 연료전지(11)의 드라이-아웃에 의해 연료전지의 출력전압(Vf)이 발전 가능한 최소 전압(Vmin)으로 떨어질 경우, 연료전지의 발전을 중단해야 하고, 발전재개 전압에 도달할 때까지 인버터 출력 없이 연료전지의 전압 회복을 기다려야 한다.
또한, 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 발전재개 전압에 도달하여 연료전지의 출력이 이루어지면, 이후 다시 연료전지의 드라이-아웃에 의해 연료전지의 출력전압(Vf)이 Vmin으로 떨어지는데, 이에 다시 연료전지의 발전을 중단하고 인버터 출력 없이 연료전지의 전압 회복을 기다려야 한다.
그로 인해 연료전지의 상태에 따라 전력변환모듈의 인버터로부터 전력계통으로의 출력 중단이 계속해서 반복되는 문제점이 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 이동식 발전 시스템에 따르면, 직류(DC)전압을 일정하게 유지시켜 인버터(32) 입력단에 전류를 전달하기 위한 컨버터를 전력변환모듈(30)에서 삭제할 수 있다.
이를 통해 원가 절감은 물론 전력변환모듈(30)의 부피 축소와 중량 저감을 달성할 수 있고, 전력변환모듈(30)의 이동성 및 휴대성 증대, 고장 요소 축소의 이점이 있게 된다.
또한, 연료전지(11)에 대한 드라이-아웃 판정 로직의 결과에 따라 차량 내 컨버터(BHDC)(15)에서 고전압 배터리(14)의 충, 방전을 제어하므로 인버터(32) 입력단의 DC-링크 전압(인버터 입력 전압)을 항상 일정하게 유지할 수 있고, 따라서 인버터(32)의 전류 출력을 유지하여 전력계통(40)으로의 안정적인 송전이 이루어질 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 자동차 11 : 연료전지
12 : 연료전지 제어기 13 : DC-링크단
14 : 고전압 배터리 15 : DC-DC 컨버터
16 : 인버터 17 : 모터
18 : 냉각수펌프 19 : 공기 블로워
21 : 전류센서 22 : 커넥터
30 : 전력변환모듈 31 : 컨버터
32 : 인버터 40 : 전력계통

Claims (14)

  1. 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와;
    상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고,
    발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    연료전지의 정상 운전 상태에서 연료전지 상태 정보로부터 연료전지의 드라이-아웃 도달 상태를 판정하고,
    드라이-아웃 도달 상태에서 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프와 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워의 회전수를 정상 운전 상태에 비해 증가시키는 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 상태 정보가 연료전지 출력전압이고,
    상기 연료전지 제어기는 연료전지 출력전압이 발전 모드의 연료전지 운전 중 하강하여 정해진 제1기준치에 도달하면 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 발전 모드의 연료전지 운전 중 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하여 전력변환모듈의 인버터가 연결된 DC-링크단 전압을 정해진 제1기준치로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 연료전지 복구 운전 중 연료전지 출력전압이 상승하여 정해진 제2기준치(제1기준치<제2기준치임)에 도달하거나, 배터리 SOC(State of Charge)가 설정된 방전 허용 가능 최저치에 도달할 경우 연료전지 정상 운전 제어로 복귀하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 β를 더한 'Vmin + β'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
  8. 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와;
    상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하는 이동식 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
    발전 모드가 선택되어 연료전지가 운전되는 동안 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고,
    연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    연료전지의 정상 운전 상태에서 연료전지 상태 정보로부터 연료전지의 드라이-아웃 도달 상태를 판정하고,
    드라이-아웃 도달 상태에서 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프와 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워의 회전수를 정상 운전 상태에 비해 증가시키는 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료전지 상태 정보가 연료전지 출력전압이고,
    상기 연료전지 제어기는 연료전지 출력전압이 발전 모드의 연료전지 운전 중 하강하여 정해진 제1기준치에 도달하면 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 발전 모드의 연료전지 운전 중 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하여 전력변환모듈의 인버터가 연결된 DC-링크단 전압을 정해진 제1기준치로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 연료전지 복구 운전 중 연료전지 출력전압이 상승하여 정해진 제2기준치(제1기준치<제2기준치임)에 도달하거나, 배터리 SOC(State of Charge)가 설정된 방전 허용 가능 최저치에 도달할 경우 연료전지 정상 운전 제어로 복귀하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 β를 더한 'Vmin + β'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.


KR1020140180926A 2014-12-16 2014-12-16 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법 KR101673717B1 (ko)

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