KR20160148817A - 연료전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지와 배터리의 이종 동력원에 의해 구성되는 하이브리드 시스템에 있어서 구성의 간소화 및 안정성 향상 등과 같은 장점의 제공이 가능하도록 개량된 연료전지 하이브리드 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 제어부; 주 동력원으로 사용되는 연료전지; 보조 동력원으로 사용되는 배터리; 상기 연료전지 또는 상기 배터리로부터 인가되는 전압을 승압시키기 위한 DC/DC 컨버터; 및 상기 DC/DC 컨버터로부터 인가되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키기 위한 인버터;를 포함하되, 상기 제어부에 의해 상기 배터리의 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 이용해 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 구성될 수 있다.

Description

연료전지 하이브리드 시스템{FUEL CELL HYBRID SYSTEM}
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연료전지와 배터리의 이종 동력원에 의해 구성되는 하이브리드 시스템에 있어서 구성의 간소화 및 안정성 향상 등과 같은 장점의 제공이 가능하도록 개량된 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키기 위한 장치로서, 다시 말해, 연료 중의 수소 성분이 갖는 에너지를 공기 중의 산소 성분과 결합시켜 전기와 열을 생산하도록 하기 위한 장치이다. 이와 같은 연료전지는 통상의 내연기관과 비교할 때 에너지 효율이 높고 오염 물질의 배출이 적다는 등의 다양한 장점을 제공하며, 이러한 장점들로 인해 자동차의 대체 동력원으로 연료전지를 적용하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만 차량의 동력원으로 연료전지만을 사용하는 순수 연료전지 차량의 경우 다음과 같은 문제점이 발생될 수 있다.
우선, 연료전지는 특정 범위의 출력밀도(Power Density, W/㎠) 범위에서 최적 효율을 유지할 수 있는데, 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 못해 모터의 가속 성능이 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 특성을 지니고 있어, 차량 구동모터의 제동시 발생되는 회생 전력을 흡수하지 못하므로, 에너지의 효율적 이용이 불가능하다.
따라서, 상기와 같은 연료전지 출력특성에 의한 여러 가지의 제약들을 극복하기 위하여, 연료전지의 출력 특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용하는 하이브리드 방식이 각광받고 있다.
하지만 통상적으로 사용되는 병렬형 이차전지 하이브리드 시스템의 경우, 보조 동력원으로 사용되는 배터리에 대한 별도의 충전 회로 등이 필수적으로 요구되는 등 복잡한 구성을 가질 수밖에 없다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에서는 연료전지 하이브리드 시스템의 기본 구성요소들을 이용하여 배터리의 충전이 가능하도록 함으로써 보다 간소화 된 구성을 통해 효율성이 향상된 기능의 제공이 가능하도록 하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제안하고자 한다.
본 기술과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0527501호(2005.11.02. 등록) 등이 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 연료전지와 배터리의 이종 동력원에 의해 구성되는 하이브리드 시스템에 있어서 구성의 간소화 및 안정성 향상 등과 같은 장점의 제공이 가능하도록 개량된 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 제어부; 주 동력원으로 사용되는 연료전지; 보조 동력원으로 사용되는 배터리; 상기 연료전지 또는 상기 배터리로부터 인가되는 전압을 승압시키기 위한 DC/DC 컨버터; 및 상기 DC/DC 컨버터로부터 인가되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키기 위한 인버터;를 포함하되, 상기 제어부에 의해 상기 배터리의 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 이용해 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 연료전지 하이브리드 시스템은, 상기 연료전지로부터 인가되는 전원이 상기 배터리로 직접 유입되는 것을 방지하기 위한 제1 유입 방지부; 또는 상기 연료전지의 저 전압 상태에서 상기 배터리의 전원이 상기 연료전지로 유입되는 것을 방지하기 위한 제2 유입 방지부;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 DC/DC 컨버터는 풀브릿지(Full Bridge) 회로를 구비하는 것이 바람직할 수 있는데, 상기 제어부는, 상기 배터리에 대한 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우 상기 풀브릿지 회로의 적어도 일부 스위치 소자를 상기 배터리에 대한 충전 모드로 기능하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 별도의 충전 회로 등의 구비 없이 기본 구성요소들을 이용하여 보조 동력원으로 사용되는 배터리의 충전이 가능하도록 구성된다는 장점이 있다.
아울러, 전기 회로의 실시간 제어를 통해 주 동력원인 연료전지의 이상 발생 시 보조 동력원으로부터 즉각적인 전원 공급이 가능하도록 구성됨으로써, 전체적인 시스템의 구동 안정성이 향상된다는 등의 다양한 장점을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1의 DC/DC 컨버터의 내부 구성을 보다 상세하게 나타낸 예시도이고, 도 3은 도 2의 회로 구성을 단순화 한 설명도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 연료전지(110), 배터리(130), DC/DC 컨버터(150) 및 인버터(170) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
연료전지(110)는 연료 중의 수소 성분이 갖는 에너지를 공기 중의 산소 성분과 결합시켜 전기와 열을 생산하도록 하기 위한 장치로써, 통상의 내연기관과 비교할 때 에너지 효율이 높고 오염 물질의 배출이 적다는 등의 장점을 갖는다.
이러한 연료전지에는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 및 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 등과 같은 다양한 종류가 있으며, 본 발명의 실시예에서는 연료전지(110)가 하이브리드 시스템의 주 동력원으로 사용된다.
연료전지(110)로부터 인가된 전원은 DC/DC 컨버터(150)에 의해 승압 등의 과정을 거친 뒤 인버터(170)로 인가되어 교류 전원으로 변환된 후, 시스템의 특성에 맞게 구비되는 인버터(170) 출력단의 동력 장치 등(AC Load)에 공급된다. 가령, 도 1의 하이브리드 시스템이 차량에 구비되는 경우, 인버터(170)로부터 출력되는 AC 전원은 차량 구동용 모터에 공급되는 구성을 가질 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명 과정에서는 필요한 경우 상기와 같이 하이브리드 차량을 예로 들어 설명이 이루어질 수 있으나 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하며, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템이 이의 적용이 가능한 모든 분야(가령, 하이브리드 발전 시스템, 전력 저장 시스템 등)에 이용 가능할 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.
배터리(130)는 도 1의 하이브리드 시스템의 보조 동력원으로 사용되는데, 이와 같은 배터리로는 충전 가능한 이차 전지(secondary cell)가 적용되는 것이 바람직할 수 있다.
이차 전지는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로써, 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈 수소 축전지(NiMH), 리튬 이온 전지(Li-ion) 및 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer) 등이 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템에 구비되는 배터리(130)는, 별도의 충전 회로가 아닌 DC/DC 컨버터(150)로부터 인가되는 전원에 의해 충전이 이루어지도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 별도의 제어부(미도시) 등에 의해 배터리(130)의 실시간 방전량이 파악되도록 구성됨으로써, 배터리(130)에 충전이 필요하다고 판단되는 경우 제어부가 DC/DC 컨버터(150)의 일부 회로 구성이 배터리(130)의 충전을 위해 사용되도록 제어 가능할 수 있다.
이상의 구성에 대해서는 추후 별도의 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
제1 유입 방지부(140)는 연료전지(110)로부터 인가되는 전원이 배터리(130)로 직접 유입되는 것을 방지하기 위한 구성요소이고, 제2 유입 방지부(120)는 연료전지의 저 전압 상태에서 배터리(130)의 전원이 연료전지(110)로 유입되는 것을 방지하기 위한 구성요소로써, 이들은 각각 도면에 도시된 바와 같이 다이오드 소자 등에 의해 구성될 수 있다.
상술하면, 본 발명은 평상시에는 주 동력원인 연료전지(110)에 의해 인버터(170)로 전원이 공급되지만, 부하 변동 등과 같은 원인에 의해 연료전지(110)의 출력 전압이 저하되는 경우, 보조 동력원인 배터리(130)로부터 공급되는 전원이 인버터(170) 측으로 전달되는 구성을 갖는다. 따라서, 연료전지(110)의 출력 전압이 배터리(130)의 출력 전압 보다 고전압 상태를 유지하는 정상 상태에서는 연료 전지(110)의 출력 전압이 제1 유입 방지부(140)에 의해 배터리(130) 측으로 인가되지 못하게 되고, 반대로, 연료전지(110)의 출력 전압 저하로 인해 배터리(130) 전원의 공급이 이루어지는 경우에는 제2 유입 방지부(120)에 의해 배터리(130)의 출력 전압이 연료전지(110) 측으로 유입되지 못하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 연료전지(110)가 부하 이상 등으로 인해 저전압 상태가 되는 경우 보조 동력원인 배터리(130)에 의해 즉각적인 전원 공급이 가능하게 됨으로써, DC/DC 컨버터(150) 및 인버터(170)를 통한 동력 장치 등(AC Load)에 대한 전력 공급이 아무런 이상 없이 계속 유지 가능하다는 등의 장점을 제공할 수 있다.
이를 위해 제어부(미도시)가 상시적으로 배터리(130)의 방전량을 파악하고, 필요한 경우 DC/DC 컨버터(150)를 통해 충전 작업을 수행하도록 구성됨에 대해서는 전술한 바 있다.
설명되지 않은 직류 링크 커패시터(160)는 DC/DC 컨버터(150)의 출력 전압을 평활시켜 인버터(170) 입력단의 직류 전압 리플(ripple)을 저감시키는 등의 기능을 수행한다.
도 2는 도 1의 DC/DC 컨버터의 내부 구성을 보다 상세하게 나타낸 예시도이고, 도 3은 도 2의 회로 구성을 단순화 한 설명도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템에 구비되는 DC/DC 컨버터(150)는 내부에 풀브릿지(Full Bridge) 회로를 구비함을 확인할 수 있다.
즉, 제어부(미도시)에 의해 배터리(130)의 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우, 제어부는 풀브릿지 회로를 구성하는 스위치 소자 가운데 일 스위치(152)를 이용하여 듀티 제어를 수행하는 한편, 배터리(130)와 직접 연결되는 측의 스위치(154, 156)를 오픈(open)시킴으로써 다이오드와 같이 기능하도록 설정할 수 있다. 또한, DC/DC 컨버터(150)에 구비되는 고주파 변압기(158)가 리액터로 기능하도록 함으로써, 결과적으로 DC/DC 컨버터(150)가 벅(Buck) 모드 동작을 통해 배터리(130)의 충전을 수행하도록 제어 가능하다.
다시 말해, 제어부에 의해 배터리의 충전이 필요한 충전 모드로 판단되는 경우, 도 3과 같이, 연료전지(110)로부터 인가되는 전원이 DC/DC 컨버터(150)의 풀브릿지 회로를 구성하는 일부 소자들(152, 154, 156, 158)의 기능을 통해 배터리(130)의 충전에 이용되도록 적용될 수 있다.
가령, 도면부호 152는 DC/DC 컨버터(150)의 스위치 소자로써, 충전 회로로 사용시 buck 컨버터의 쵸핑 스위치 역할을 담당하고, 도면부호 154는, DC/DC 컨버터(150)의 또 다른 스위치 소자로, 충전 회로 사용시 buck 컨버터의 인덕터 전류 프리휠링 다이오드로 동작하며, 도면부호156은 DC/DC 컨버터(150)의 또 다른 스위치 소자로, 충전 회로 사용시 off상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 이 경우 도면부호 158은 DC/DC 컨버터(150)의 승압용 변압기로써, 충전 회로 사용시 buck 컨버터의 인덕터 성분으로 활용되도록 구성 가능할 수 있다.
여기서, DC/DC 컨버터(150)의 일부 소자가 배터리(130)에 대한 충전 모드로 기능하도록 설정되는 경우, 제어부는 배터리(130)와 연결되는 스위치의 연결을 통해 DC/DC 컨버터(150)의 출력 전압이 배터리(130)로 인가될 수 있도록 기능하게 된다. 즉, 도 2 및 도 3에 있어 배터리(130)의 입력단에 위치되는 스위치는 제어부의 제어에 따라 충전 모드에서만 연결되도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은, 평상시에는 주 동력원인 연료전지(110)에 의해 인버터(170) 측으로 전원이 공급되지만, 부하 변동 등과 같은 원인에 의해 연료전지(110)의 출력 전압이 저하되는 경우, 보조 동력원인 배터리(130)로부터 공급되는 전원이 인버터(170) 측으로 전달되는 구성을 갖는 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서, 실시간 배터리(130)의 방전 상태 파악 등을 통해 필요시 DC/DC 컨버터(150)의 충전 모드를 이용해 배터리(130)의 충전이 가능하도록 하는 구성을 제공할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템에 적용되는 DC/DC 컨버터(150)는 내부에 풀브릿지 회로부 등을 구비할 수 있으며, 충전 모드 시 제어부의 제어에 대응되어 배터리(130)를 DC/DC 컨버터(150)의 출력단과 연결시키기 위한 스위치 등이 구비될 수 있음은 전술한 바 있다.
아울러, 연료전지(110)로부터 인가되는 전원이 배터리(130)로 직접 유입되는 것을 방지하고, 또한, 연료전지의 저 전압 상태에서 배터리(130)의 전원이 연료전지(110)로 유입되는 것을 방지하기 위한 다이오드 등의 유입 방지부(120, 140)가 추가로 구비 가능함 또한 전술한 바와 같다.
한편, 이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템이, 하이브리드 차량 뿐만 아니라 하이브리드 발전 시스템이나 하이브리드 전력 저장 시스템 등과 같은 다양한 응용 분야에 모두 적용 가능할 수 있음은 통상의 기술자에 있어 자명할 것이다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템은, 별도의 충전 회로 등의 구비 없이 기본 구성요소들을 이용하여 보조 동력원으로 사용되는 배터리의 충전이 가능하도록 되는 한편, 전기 회로의 실시간 제어를 통해 주 동력원인 연료전지의 이상 발생 시 보조 동력원으로부터 즉각적인 전원 공급이 가능하도록 구성됨으로써, 시스템 구성의 간소화 및 이로 인한 제조 비용의 절감, 나아가 전체적인 시스템의 구동 안정성 향상 등과 같은 다양한 효과를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110: 연료전지 120, 140: 유입 방지부
130: 배터리 150: DC/DC 컨버터
160: 직류 링크 커패시터 170: 인버터

Claims (4)

  1. 연료전지 하이브리드 시스템에 있어서,
    제어부;
    주 동력원으로 사용되는 연료전지;
    보조 동력원으로 사용되는 배터리;
    상기 연료전지 또는 상기 배터리로부터 인가되는 전압을 승압시키기 위한 DC/DC 컨버터; 및
    상기 DC/DC 컨버터로부터 인가되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키기 위한 인버터;를 포함하되,
    상기 제어부에 의해 상기 배터리의 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우, 상기 DC/DC 컨버터의 구성 요소를 이용한 충전 회로의 구성을 통해 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 인가되는 전원이 상기 배터리로 직접 유입되는 것을 방지하기 위한 제1 유입 방지부;를 더 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 저 전압 상태에서 상기 배터리의 전원이 상기 연료전지로 유입되는 것을 방지하기 위한 제2 유입 방지부;를 더 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 풀브릿지(Full Bridge) 회로를 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 배터리에 대한 충전이 필요한 것으로 판단되는 경우 상기 풀브릿지 회로의 적어도 일부 스위치 소자를 상기 배터리에 대한 충전 모드로 기능하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템.
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