KR20180035101A - Rate control hybrid electricity supplying system containing solid oxide fuel cell and secondary battery and controlling method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료 전지와 이차 전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 시스템 및 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 전력변환장치가 구비되는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템 및 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)는 산화반응에 의해 생성된 양성자의 이동통로가 되는 고분자 전해질 막과, 산화반응을 통하여 연료(수소)로부터 양성자를 전해질 막으로 제공하는 양극과, 전해질 막으로부터 제공된 양성자를 환원시켜 물을 만드는 음극으로 구성된다. 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)는 화학에너지를 중간의 변환과정 없이 바로 전기에너지로 변환한다. A PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is composed of a polymer electrolyte membrane, which is a pathway for the proton generated by the oxidation reaction, an anode that supplies protons from the fuel (hydrogen) through the oxidation reaction to the electrolyte membrane, and a proton provided from the electrolyte membrane And a cathode for reducing water to make water. Polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) convert chemical energy directly into electrical energy without any intermediate conversion process.
연료 전지에서 일어나는 에너지 변환과정은 일반 내연기관에 비해 높은 에너지 변환 효율을 보여준다. 내연기관이나 열기관의 생성물은 CO2나 환경적으로 유해한 기체인 반면, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)의 반응물은 일반적인 물이 생성되어 친환경 적이다. 또한, 고분자 전해질 연료 전지는 연료(H2)가 제공되는 한 일관적인 성능을 보여줄 수 있다. 이와 같은 연료 전지의 특성은 로봇용 에너지원으로 특히 적합하다. The energy conversion process in the fuel cell shows higher energy conversion efficiency than the conventional internal combustion engine. The products of the internal combustion engine or the heat engine are CO2 or environmentally harmful gases, while the reactants of the PEMFC are environmentally friendly because general water is generated. In addition, a polymer electrolyte fuel cell can exhibit consistent performance as long as fuel (H2) is provided. Such a characteristic of the fuel cell is particularly suitable as an energy source for a robot.
그러나, 연료 전지는 여러 장점에도 불구하고, 아직 여러 분야에 적용시키기에는 많은 장벽이 존재한다. 일례로, 연료 전지는 그 구조적인 문제로 인하여 시동 시 부하에 즉각적으로 전력을 제공하기 어려우며, 또한 급격한 부하의 변화에 대응하기 어렵다. However, despite the many advantages of fuel cells, there are still many barriers to applying them to various fields. For example, due to the structural problems of fuel cells, it is difficult to instantaneously supply power to the load at startup, and it is difficult to cope with sudden changes in load.
한편, 이차 전지, 특히 리튬이온 전지는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동을 하면서 전력을 제공하고 반대의 경우 충전을 한다. 리튬폴리머 배터리는 근본적으로 리튬이온 배터리와 같은 구조를 가지지만 고체나 겔 형태의 전해질을 사용한다. 고체나 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 리튬폴리머 배터리는 고 에너지 밀도를 가지며 그 모양을 쉽게 성형할 수 있는 장점을 갖는다. 다만, 리튬폴리머 배터리는 사용 시간에 따라 전력이 감소하는 문제점이 있다. On the other hand, a secondary battery, particularly a lithium ion battery, provides power while lithium ions move from the cathode to the anode and charges the battery in the opposite case. Lithium polymer batteries are basically the same structure as lithium ion batteries, but use solid or gel electrolyte. By using a solid or gel electrolyte, the lithium polymer battery has a high energy density and has the advantage of being able to easily shape its shape. However, the lithium polymer battery has a problem in that power is reduced according to the use time.
따라서, 전원 공급 장치가 연료 전지만으로 구성되는 경우, 느린 기동 시간으로 인하여 빠른 부하에 대응하는 것이 어렵다. 반면, 전원 공급 장치가 이차 전지만으로 구성되는 경우에는 빠른 부하 응답 특성을 가지나 오랜시간 사용할 수 없다. 이러한 이유로, 상호 트레이드오프 적인 단점을 극복하고자 최근 이차 전지와 연료 전지를 결합한 하이브리드형 전원 시스템의 개발이 활발한 실정이다 Therefore, in the case where the power supply device is composed of only the fuel cell, it is difficult to cope with the fast load due to the slow start time. On the other hand, when the power supply is composed only of the secondary battery, it has a fast load response characteristic but can not be used for a long time. For this reason, in order to overcome the disadvantage of mutual trade-off, a hybrid type power supply system combining a secondary cell and a fuel cell has recently been actively developed
다만, 앞서 설명한 바와 같이, 연료 전지 및 이차 전지는 전류, 저항 및 전압 특성이 상이하기 때문에, 연료 전지 및 이차 전지를 하나의 전원 공급 장치에 응용하는 것은 용이하지 않다. However, as described above, since the fuel cell and the secondary battery have different current, resistance and voltage characteristics, it is not easy to apply the fuel cell and the secondary battery to one power supply device.
본 발명은 연료 전지와 이차 전지가 결합된 하이브리드 전원 공급 시스템의 출력을 손쉽고 효과적으로 제어할 수 있고, 설계가 용이한 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다. The present invention provides an active hybrid power supply system and a control method that can easily and effectively control the output of a hybrid power supply system in which a fuel cell and a secondary battery are combined, and is easy to design.
특히, 본 발명은 이차 전지의 출력 전력을 제어할 수 있는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템에 있어서, 전력변환장치의 듀티비(duty ratio)를 제어함으로써 시스템의 출력을 제어하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다. In particular, the present invention relates to an active hybrid power supply system capable of controlling the output power of a secondary battery, including: an active hybrid power supply system for controlling the output of the system by controlling a duty ratio of the power converter; .
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템에 있어서, 이차 전지, 연료 전지, 상기 이차 전지의 출력 전압을 변환하는 전력변환장치 및 상기 전력변환장치의 듀티비를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 전력변환장치를 제어하기 위한 지령값을 상기 통합 제어 변수가 반영된 듀티비로 산출하여, 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an active hybrid power supply system including a secondary battery, a fuel cell, a power conversion device for converting an output voltage of the secondary battery, and a control unit for controlling a duty ratio of the power conversion device , The control unit converts the control variables of the secondary battery and the control variables of the fuel cell into integrated control variables that satisfy the Ohm's law and sets a command value for controlling the power conversion apparatus to a duty And the current ratio between the secondary battery and the fuel cell is controlled to the maximum.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 이차 전지의 출력 전류에 대한 지령값을 설정하고, 상기 연료 전지의 출력 전류를 측정하여 전류비 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받을 수 있다.Preferably, the controller sets a command value for an output current of the secondary battery, measures an output current of the fuel cell, and receives a current ratio command value as the integrated control variable.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하여, 상기 제3 통합 제어 변수는 상기 제1 통합 제어 변수와 상기 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있다.Preferably, the controller calculates a current ratio of the fuel cell and the secondary battery to a first integrated control variable, calculates a resistance ratio of the fuel cell and the secondary battery to a second integrated control variable, The relative voltage ratio of the secondary battery is calculated by a third integrated control variable, and the third integrated control variable may be expressed as a product of the first integrated control variable and the second integrated control variable.
바람직하게, 상기 제어부는 하드웨어의 종류에 따라 상기 전력변환장치의 승압 또는 감압 모드를 설정하고, 상기 제1 통합 제어 변수로 듀티비 지령값을 산출할 수 있다.Preferably, the control unit sets the step-up or step-down mode of the power converter according to the kind of the hardware, and calculates the duty ratio command value using the first integrated control variable.
바람직하게, 상기 제어부는 옴의 법칙을 이용하여 상기 제1 통합 제어 변수를 하기의 [수학식 4]에 따라 상기 전련변환장치의 듀티비에 반영하여, 상기 전력변환장치의 듀티비의 조절로 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어할 수 있다.Preferably, the control unit uses the Ohm's law to reflect the first integrated control variable to the duty ratio of the transducer according to the following equation (4) The current ratio between the secondary battery and the fuel cell can be maximally controlled.
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서 DB는 상기 전력변환장치의 듀티비이고, KI는 상기 제1 통합 제어 변수이며, , 이고, VB는 이차 전지의 출력 전압이며, VF는 연료 전지의 출력 전압이고, VL은 부하 장치에 출력되는 전압을 의미하며, RB는 이차 전지의 내부 저항이고, RF는 연료 전지의 내부 저항을 의미한다.Where D B is the duty ratio of the power converter, K I is the first integrated control variable, , And, V B is the output voltage of the secondary battery, V F is the output voltage of the fuel cell, V L refers to the voltage applied to the load device, and, R B is the internal resistance of the secondary battery, R F is the fuel cell . ≪ / RTI >
또한, 본 발명은 이차 전지와 연료 전지를 포함한 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법에 있어서, 제어부가 상기 이차 전지의 출력 전류 지령값과 상기 연료 전지의 측정된 출력 전류를 입력받는 (a)단계; 상기 제어부가 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 (a)단계에서 입력받은 상기 이차 전지의 출력 전류 지령값과 상기 연료 전지의 출력 전류의 비를 계산하여 통합 제어 변수로 전류비 지령값을 계산하는 (b)단계; 및 상기 제어부가 상기 이차 전지에 연결된 전력변환장치를 제어하기 위한 지령값을 상기 (b)단계에서 산출된 통합 제어 변수가 반영된 듀티비로 산출하여 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어하는 (c)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling an active hybrid power supply system including a secondary battery and a fuel cell, the method comprising: (a) receiving a current command value of the secondary battery and a measured output current of the fuel cell; Wherein the control unit converts the control variables of the secondary battery and the control variables of the fuel cell into an integrated control variable satisfying the Ohm's law and the output current command value of the secondary battery received in the step (a) (B) calculating a current ratio command value by using an integrated control variable by calculating a ratio of an output current of the inverter to an output current of the inverter; And the control unit calculates a command value for controlling the power conversion apparatus connected to the secondary battery at a duty ratio that reflects the integrated control parameter calculated in the step (b), so that the current ratio of the secondary battery and the fuel cell is controlled to the maximum (C).
본 발명에 따르면, 연료 전지와 이차 전지가 포함된 하이브리드 회로에서 제어부가 연료 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)와 이차 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)인 총 6개의 제어 변수를 3개의 통합 제어 변수로 변환한다. 특히, 이 경우 3개의 통합된 제어 변수는 이차 전지와 연료 전지 제어 변수의 비로 정의되며, 옴의 법칙을 만족하여 회로 설계나 해석을 극히 용이하게 한다. According to the present invention, in a hybrid circuit including a fuel cell and a secondary battery, the control unit controls three control variables (current, voltage, resistance) of the fuel cell and three control variables (current, voltage, resistance) Control variables into three integrated control variables. In particular, in this case, the three integrated control variables are defined as the ratio of the secondary cell to the fuel cell control variables, and satisfy the Ohm's law, which greatly facilitates circuit design and analysis.
본 발명에 따르면, 통합 제어 변수를 통한 회로 해석으로 연료 전지와 이차 전지에서 발생되는 전류의 비가 전력변환장치의 듀티비로 제어될 수 있음을 확인하여, 이차 전지와 연료 전지의 최대 전류비가 형성되도록 전력변환장치의 듀티비를 제어함으로써 시스템의 운전범위를 손쉽게 결정할 수 있다.According to the present invention, it is confirmed that the ratio of the current generated in the fuel cell and the secondary cell can be controlled by the duty ratio of the power conversion device by circuit analysis through the integrated control variable, The operating range of the system can be easily determined by controlling the duty ratio of the converter.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템을 나타낸다.
도 2는 연료 전지와 이차 전지를 포함하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템의 전류 및 전압 관계를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 하이브리드 시스템에서 전력변환장치에 의한 이차 전지의 내부 저항(RB)과 전압(V^
B)의 변화 그래프를 나타낸다.
도 4는 전력변환장치의 듀티비에 따른 연료 전지와 이차 전지의 전압비(KV) 및 저항비(KR)를 나타낸다.
도 5는 전력변환장치의 듀티비에 따른 연료 전지와 이차 전지의 전류비(KI)를 나타낸다.
도 6은 도 5에서 연료 전지와 이차 전지의 저항비(KR)의 변화(2, 5, 10)에 따른 전류비(KI)의 변화를 나타낸다.1 shows an active hybrid power supply system according to an embodiment of the present invention.
2 shows current and voltage relationships of an active hybrid power supply system including a fuel cell and a secondary battery.
Figure 3 is a graph which shows the change of the internal resistance (R B) and voltage (V ^ B) of the secondary battery by the electric power conversion in the active hybrid system according to an embodiment of the present invention.
4 shows the voltage ratio (K V ) and the resistance ratio (K R ) of the fuel cell and the secondary battery according to the duty ratio of the power conversion device.
5 shows the current ratio (K I ) of the fuel cell and the secondary battery according to the duty ratio of the power converter.
Fig. 6 shows the change of the current ratio KI according to the change (2, 5, 10) of the resistance ratio KR of the fuel cell and the secondary battery in Fig.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members performing substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention can be understood or clarified naturally by the following description, and the purpose and effect of the present invention are not limited by the following description. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 하이브리드 전원 공급 시스템은 이차 전지(30), 연료 전지(10), 전력변환장치(20) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.1 shows an active hybrid power supply system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the hybrid power supply system may include a
연료 전지(10)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 연료 전지(10)는 특별히 한정되지 않으며, 일 예로, 공기극(cathode)에 산소가 공급되고 연료극(anode)에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생하는 형태의 것일 수 있으며, 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell)일 수 있다.The
이차 전지(30)는 전기 에너지를 공급하고 충전할 수 있는 장치이다. 이차 전지(30)는 특별히 한정되지 않으며, 일 예시로 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등일 수 있다. The
전력변환장치(20)는 이차 전지(30)의 출력 전압을 제어할 수 있다. 전력변환장치(20)로는 감압형(buck type) 또는 승압형(boost type)의 직류 변환 컨버터가 사용될 수 있다. 전력변환장치(20)는 이차 전지(30)의 출력단에 연결되며, 전력변환장치(20)의 출력단에 연료 전지(10)가 병렬로 연결될 수 있다. The
제어부(50)는 이차 전지(30)의 제어 변수와 연료 전지(10)의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 시스템을 제어하기 위한 지령값을 통합 제어 변수로 입력받아, 통합 제어 변수를 전련변환장치(20)의 듀티비(duty ratio)에 반영하여, 전력변환장치(20)의 듀티비의 조절로 이차 전지(30)와 연료 전지(10)의 전류비를 최대로 제어할 수 있다.The
연료 전지(10)와 이차 전지(30)는 각각 3개의 제어 변수(전압 V, 전류 I, 저항 R)를 갖는다. 연료 전지(10)와 이차 전지(30)가 결합된 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 시스템의 용이한 해석 및 손쉬운 제어를 위하여 연료 전지(10)의 제어 변수(VF, IF, RF)와 이차 전지(30)의 제어 변수(VB, IB, RB)를 통합 제어 변수(KV, KI, KR)로 변환한다. The
제어부(50)는 이차 전지(30)의 출력 전류에 대한 지령값을 설정하고, 연료 전지(10)의 출력 전류를 측정하여 전류비 지령값을 통합 제어 변수로 입력받을 수 있다.The
도 2는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)를 포함하는 하이브리드 전원 공급 시스템의 전류 및 전압 관계를 도시한 것이다.2 shows the current and voltage relationship of the hybrid power supply system including the
도 2를 참조하면, 일정한 전압이 유지되는 상태에서 부하 장치(5)가 작동하는 경우, 연료 전지(10)의 전류(IF) 및 이차 전지(30)의 전류(IB)가 주어진다. 연료 전지(10)는 VF=VF0-RFIF의 관계식을 만족하고, 이차 전지(30)는 VB=VB0-RBIB의 관계식을 만족한다. 여기서 VF0는 연료 전지(10)의 개방 전압을 의미하고, VB0는 이차 전지(30)의 개방 전압을 의미한다. 2, the current I F of the
연료 전지(10)와 이차 전지(30)는 병렬 연결되어도 각각 옴의 법칙을 만족하는 전기 소자들이다. 여기서, 두 소자들이 병렬 연결되는 하이브리드 시스템의 경우, 두 소자들의 고유 특성(VF=VF0-RFIF
, VB=VB0-RBIB)으로부터 비율로 정의되는 결합식을 구할 수 있다. 본 출원인은 이러한 결합식으로부터 하이브리드 소자를 표현하는 통합 제어 변수를 정의하게 되었다. 하이브리드 시스템이 일정한 전압하에서 작동하는 경우 하기의 [수학식 1]을 도출할 수 있다.The
[수학식 1][Equation 1]
여기서, KI는 연료 전지와 이차 전지의 전류비를 나타낸다. KV는 연료 전지와 이차 전지의 상대 전압비를 나타낸다. KR은 연료 전지와 이차 전지의 저항비를 나타낸다. 여기서, 알 수 있는 것은 개별 소자들의 고유 특성 값의 비율로사 하이브리드 소자를 표현할 수 있다는 것이다. 개별 소자의 각 제어 변수(전압, 전류, 저항)가 옴의 법칙을 만족하면, 결합 후에도 하이브리드 옴의 법칙을 만족한다. 따라서, [수학식 1]에서 연료 전지와 이차 전지의 제어 변수의 비로 설정된 K변수가 옴의 법칙(V=IR)을 만족함에 주목한다. 또한, 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템에서, 설계 또는 제어시 고려해야 할 변수가 6개(VB, VF, IB, IF, RB, RF)에서 단일 시스템의 제어 변수와 같이 3개(KV, KI, KR)로 통합됨에 주목한다.Here, K I represents a current ratio between the fuel cell and the secondary battery. K V represents the relative voltage ratio between the fuel cell and the secondary battery. K R represents the resistance ratio of the fuel cell to the secondary battery. Here, it is known that a yarn hybrid element can be expressed by a ratio of the intrinsic characteristic values of the individual elements. When each control variable (voltage, current, resistance) of an individual element satisfies Ohm's law, the hybrid Ohm's law is satisfied after coupling. Therefore, it is noted that the K variable set as a ratio of the control variables of the fuel cell and the secondary battery in Equation (1) satisfies the Ohm's law (V = IR). In the hybrid system according to the present embodiment, three variables (V B , V F , I B , I F , R B , and R F ) (K V , K I , K R ).
제어부(50)는 [수학식 1]의 관계식에 따라, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)가 하이브리드화 된 경우에도 두 소자 고유 특성으로부터 관계를 표현한 결합식을 도출한다. The
제어부(50)는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산한다. 이 경우, 제3 통합 제어 변수는 제1 통합 제어 변수와 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있으며 결국 옴의 법칙을 만족하게 된다.The
본 실시예에서, 제1 통합 제어 변수는 전술한 KI(IB/IF)가 될 수 있다. 또한, 제2 통합 제어 변수는 전술한 KR(RB/RF)이 될 수 있다. 또한, 제3 통합 제어 변수는 전술한 KV((VB-VL)/(VF-VL))가 될 수 있다. In this embodiment, the first integrated control variable may be K I (I B / I F ) described above. In addition, the second integrated control variable may be K R (R B / R F ) described above. Further, the third integrated control variable may be K V ((V B -V L ) / (V F -V L )) described above.
제어부(50)는 상기와 같이 변환된 통합 제어 변수를 이용하여, 전력변환장치(20)를 제어하기 위한 지령값을 통합 제어 변수가 반영된 듀티비(DF)로 산출함에 따라 이차 전지(30)와 연료 전지(10)의 전류비를 최대로 제어할 수 있다. 이하, 제어부(50)가 듀티비 DF 지령값을 산출하여 제어하는 과정을 설명한다.The
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 하이브리드 시스템에서 전력변환장치(20)에 의한 이차 전지(30)의 내부 저항(RB)과 전압(V^
B)의 변화 그래프를 나타낸다. 전력변환장치(20)는 이차 전지(30)의 출력 전압을 제어한다.Figure 3 is a graph which shows the change of the internal resistance (R B) and voltage (V ^ B) of the
이차 전지(30)의 출력전압을 제어할 수 있는 전력변환장치(20)가 하이브리드 시스템에 구성된 본 실시예에서, 전력변환장치(20)의 입력 전압과 출력 전압의 비를 duty ratio(DB)로 정의할 수 있다. 참고로 듀티비 DB는 감압형(buck type) 전력변환장치에서는 1이하의 값을 가지고, 승압형(boost type) 전력변환장치에서는 1이상의 값을 가진다. The ratio of the input voltage to the output voltage of the
전력변환장치(20)에 의한 이차 전지(30)의 전압의 변화는 VB0=DBVB0로 나타낼 수 있다. 여기서, VB는 이차 전지의 출력 전압이며, RB는 이차 전지의 내부 저항을 의미한다. 전력변환장치(20)에 의한 이차 전지(30) 내부 저항의 변화는 RB=DB
2RB로 나타낼 수 있다. 도 3을 참조하면, 결국 이차 전지(10)의 VB=VB0-RBIB 관계식은 전력변환장치(20)에 의해서 V^
B=DBVB0-DB
2RBIB로 나타낼 수 있다. The change in the voltage of the
제어부(50)는 연료 전지(10) 및 이차 전지(30)의 전압비 및 저항비를 듀티비 DF의 변수로 변환할 수 있다. 전술한 실시예에서, 전압비는 제3 통합 제어 변수 KV가 될 수 있고 저항비는 제2 통합 제어 변수 KR이 될 수 있다. 연료 전지(10)의 전압은 V^
B0=DBVB0이고, 내부 저항은 R^
B=DB
2RB이다. 여기서, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)는 병렬로 연결되어 있어 부하 전압 VL과 전압이 동일하다. 즉, V^
B=VF=VL이다. 전압은 일정한 값을 갖게 되므로, 통합 제어 변수는 듀티비의 변수로 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.The
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, 이고, VB는 이차 전지의 출력 전압이며, VF는 연료 전지의 출력 전압이고, VL은 부하 장치에 출력되는 전압을 의미하며, RB는 이차 전지의 내부 저항이고, RF는 연료 전지의 내부 저항을 의미한다.here, And, V B is the output voltage of the secondary battery, V F is the output voltage of the fuel cell, V L refers to the voltage applied to the load device, and, R B is the internal resistance of the secondary battery, R F is the fuel cell . ≪ / RTI >
도 4는 전력변환장치(20)의 듀티비에 따른 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전압비(KV) 및 저항비(KR)를 나타낸다. 도 4는 상기 [수학식 2]의 관계를 그래프로 나타낸 것이며, 도 4를 참조하면, 제3 통합 제어 변수인 전압비 KV는 듀티비 DF와 1차식의 비례 관계를 갖고, 제2 통합 제어 변수인 저항비 KR은 듀티비 DB와 2차식의 비례 관계를 갖는다. 도 4에서 확인될 수 있듯이, 전력변환장치(20)의 듀티비 DB의 조정만으로도 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전압비 KV, 저항비 KR가 변동될 수 있다.4 shows the voltage ratio K V and the resistance ratio K R of the
이상에서, 제어부(50)가 하이브리드 시스템에서 제2, 3 통합 제어 변수(KR, KV)를 듀티비 DB의 변수로 표현하는 과정을 설명하였다. 제어부(50)는 상기의 과정에서 정의한 제2, 3 통합 제어 변수(KR, KV)를 이용하여 전류비인 제1 통합 제어 변수(KI)를 [수학식 3]과 같이 계산할 수 있다. ()In the above description, the
[수학식 3]&Quot; (3) "
여기서, , 이다. 옴의 법칙으로 최종적으로 구한 관계식은 연료 전지(10)와 이차 전지(30)에서 발생되는 전류의 비(KI)가 전력변환장치(20)의 듀티비 DB에 의해 결정될 수 있음을 보이고 있다.here, , to be. The relational expression finally obtained by the Ohm's law shows that the ratio KI of the current generated in the
도 5는 전력변환장치(20)의 듀티비에 따른 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류비(KI)를 나타낸다. 도 5는 상기 [수학식 3]의 관계를 그래프로 나타낸 것이며 도 5를 참조하면, 전력변환장치(20)의 특정 듀티비에서 전류비인 제2 통합 제어 변수 KI의 값이 최대치를 갖게 됨을 알 수 있다. 결국, 본 발명의 실시예에 따른 능동형 하이브리드 시스템은 도 5와 같이 전력변환장치(20)의 듀티비를 이용하여 연료 전지(10)의 운전 범위를 결정할 수 있게 된다.5 shows the current ratio (K I ) of the
도 6은 도 5에서 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비(KR)의 변화(2, 5, 10)에 따른 전류비(KI)의 변화를 나타낸다. 제어부(50)에 정의된 관계식에 의하면, 하이브리드 시스템의 운전 범위, 하드웨어 특성을 고려하여 제2 통합 제어 변수(KR)를 결정할 수 있고, 제2 통합 제어 변수의 KR로부터 적절한 연료 전지(10)와 이차 전지(30)를 선정할 수 있다.Fig. 6 shows a change in the current ratio KI according to the change (2, 5, 10) of the resistance ratio KR of the
다시, 도 1을 참조하여 제어부(50)가 통합 제어 변수를 이용하여 연료 전지(10)의 출력을 제어하는 과정을 설명한다. Referring to FIG. 1 again, a process of controlling the output of the
제어부(50)는 이차 전지(30)의 출력 전류 지령값과 연료 전지(10)의 측정된 출력 전류를 입력받는 (a)단계; 이차 전지(30)의 제어 변수와 연료 전지(10)의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 (a)단계에서 입력받은 이차 전지(30)의 출력 전류 지령값과 연료 전지(10)의 출력 전류의 비를 계산하여 통합 제어 변수로 전류비 지령값을 계산하는 (b)단계; 및 이차 전지(30)에 연결된 전력변환장치(20)를 제어하기 위한 지령값을 상기 (b)단계에서 산출된 통합 제어 변수가 반영된 듀티비로 산출하여 이차 전지(30)와 연료 전지(10)의 전류비를 최대로 제어하는 (c)단계를 포함하여 수행할 수 있다.The
도 3 내지 도 6의 관계로부터 제어부(50)에는 시스템의 최대 출력이 가능한 이차 전지(30)의 출력 전류 지령값 IB*가 설정될 수 있다. (a)단계에서 제어부(50)는 출력 전류 지령값 IB*와 연료 전지(10)의 출력 전류 IF를 입력값으로 입력받는다. (b)단계에서 제어부(50)는 입력받은 이차 전지(30)의 출려 전류 지령값 IB*와 연료 전지(10)의 출력 전류 IF의 비로 전류비 지령값인 제1 통합 제어 변수 KI*를 계산한다. 이후, (c)단계에서 제어부(50)는 하드웨어의 종류를 고려하여 전력변환장치(20)의 승압 또는 감압 모드를 결정한다. 연료 전지(10)와 이차 전지(30)가 결정됨에 따라 는 제어부(50)에서 다음과 같이 산출된다.3 to 6, the
(c)단계에서 제어부(50)는 이차 전지(30)의 전력변환장치(20)의 듀티비 지령값 DB*를 생성한다. 이 때, 제어부(50)는 상기 [수학식 3]을 참조하여 하기의 [수학식 4]에 따라 듀티비 지령값 DB*를 계산할 수 있다.the
[수학식 4]&Quot; (4) "
제어부(50)는 전력변환장치(20)가 승압형인 경우 에 따라 듀티비 지령값 DB*를 계산한다. 또는, 제어부(50)는 전력변환장치(20)가 감압형인 경우, 에 따라 듀티비 지령값 DB*를 계산한다.When the
기존의 수동형 하이브리드 시스템은 제어 기능이 포함되어 있지 않으며, 반능동형 하이브리드 시스템은 에너지 소자 들의 입력량을 제어하여 출력량ㅇ르 변경하였다. 이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따르면 능동형 하이브리드 시스템으로 에너지 소자들의 출력량을 전력변환장치(20)를 통하여 제어하게 된다. 이 경우, 제어부(50)는 에너지 소자들의 하이브리드 변수를 새롭게 정의하고 정의된 하이브리드 변수를 이용하여 전력변환장치(20)의 듀티비를 제어함에 주목된다.The conventional passive hybrid system does not include the control function, and the semi-active hybrid system controls the input amount of the energy elements to change the output amount. According to the embodiment of the present invention as described above, the output amount of energy elements is controlled through the
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and equivalents of the claims.
Claims (6)
이차 전지, 연료 전지, 상기 이차 전지의 출력 전압을 변환하는 전력변환장치 및 상기 전력변환장치의 듀티비를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 전력변환장치를 제어하기 위한 지령값을 상기 통합 제어 변수가 반영된 듀티비로 산출하여, 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템.
In an active hybrid power supply system,
A secondary battery, a fuel cell, a power converter for converting an output voltage of the secondary battery, and a controller for controlling a duty ratio of the power converter,
Wherein,
A control parameter of the secondary battery and a control variable of the fuel cell are converted into an integrated control variable satisfying the Ohm's law, a command value for controlling the power conversion apparatus is calculated with a duty ratio reflecting the integrated control variable, And the current ratio of the secondary battery and the fuel cell is maximized.
상기 제어부는,
상기 이차 전지의 출력 전류에 대한 지령값을 설정하고, 상기 연료 전지의 출력 전류를 측정하여 전류비 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein,
Wherein an instruction value for an output current of the secondary battery is set and an output current of the fuel cell is measured to receive a current ratio command value as the integrated control variable.
상기 제어부는,
상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하여,
상기 제3 통합 제어 변수는 상기 제1 통합 제어 변수와 상기 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein,
Calculating a current ratio of the fuel cell and the secondary battery to a first integrated control variable, computing a resistance ratio of the fuel cell and the secondary battery to a second integrated control variable, Is calculated by the third integrated control variable,
Wherein the third integrated control variable can be expressed as a product of the first integrated control variable and the second integrated control variable.
상기 제어부는,
하드웨어의 종류에 따라 상기 전력변환장치의 승압 또는 감압 모드를 설정하고, 상기 제1 통합 제어 변수로 듀티비 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템.
The method of claim 3,
Wherein,
Wherein the step-up or step-down mode of the power conversion apparatus is set according to the kind of the hardware, and the duty ratio command value is calculated using the first integrated control variable.
상기 제어부는,
옴의 법칙을 이용하여 상기 제1 통합 제어 변수를 하기의 [수학식 4]에 따라 상기 전련변환장치의 듀티비에 반영하여, 상기 전력변환장치의 듀티비의 조절로 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템.
[수학식 4]
여기서 DB는 상기 전력변환장치의 듀티비이고, KI는 상기 제1 통합 제어 변수이며, , 이고, VB는 이차 전지의 출력 전압이며, VF는 연료 전지의 출력 전압이고, VL은 부하 장치에 출력되는 전압을 의미하며, RB는 이차 전지의 내부 저항이고, RF는 연료 전지의 내부 저항을 의미한다.
The method of claim 3,
Wherein,
The first integrated control variable is reflected to the duty ratio of the power converter according to Equation (4) below using the Ohm's law to control the duty ratio of the power converter, And the current ratio of the first power supply to the second power supply is maximized.
&Quot; (4) "
Where D B is the duty ratio of the power converter, K I is the first integrated control variable, , And, V B is the output voltage of the secondary battery, V F is the output voltage of the fuel cell, V L refers to the voltage applied to the load device, and, R B is the internal resistance of the secondary battery, R F is the fuel cell . ≪ / RTI >
(a) 제어부가 상기 이차 전지의 출력 전류 지령값과 상기 연료 전지의 측정된 출력 전류를 입력받는 단계;
(b) 상기 제어부가 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 (a)단계에서 입력받은 상기 이차 전지의 출력 전류 지령값과 상기 연료 전지의 출력 전류의 비를 계산하여 통합 제어 변수로 전류비 지령값을 계산하는 단계; 및
(c) 상기 제어부가 상기 이차 전지에 연결된 전력변환장치를 제어하기 위한 지령값을 상기 (b)단계에서 산출된 통합 제어 변수가 반영된 듀티비로 산출하여 상기 이차 전지와 상기 연료 전지의 전류비를 최대로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법.
A control method of an active hybrid power supply system including a secondary battery and a fuel cell,
(a) a control unit receiving an output current command value of the secondary battery and a measured output current of the fuel cell;
(b) the control unit converts the control variables of the secondary battery and the control variables of the fuel cell into an integrated control variable satisfying the Ohm's law, and the output current command value of the secondary battery received in the step (a) Calculating a ratio of an output current of the fuel cell to a current ratio command value using an integrated control variable; And
(c) calculating a command value for controlling the power conversion device connected to the secondary battery at a duty ratio that reflects the integrated control parameter calculated in the step (b), so that the current ratio of the secondary battery and the fuel cell is maximized And controlling the power supply to the active hybrid power supply system.
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한국태양에너지학회 추계학술대회 논문집. 사단법인 한국태양에너지학회. 2012. 11.02.,(제86면 내지 제90면) * |
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