KR20230065717A - Voltage control system and method for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a system and a method for controlling voltage of a fuel cell stack. The system, which is an embodiment of the present invention, comprises: a fuel cell stack which produces electricity through a chemical reaction of air and hydrogen; a stack voltage measuring device which monitors the stack voltage of the fuel cell stack and transmits the monitoring result data using communication; and a stack voltage control device which receives the stack voltage from the stack voltage measuring device and controls at least one of the amount of air and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack to maintain the stack voltage below an open current voltage (OCV) voltage, wherein the stack voltage measuring device may classify cases so that transmission priorities of communication messages are different depending on the results of measuring the stack voltage.

Description

연료 전지 스택의 전압 제어 시스템 및 방법{Voltage control system and method for fuel cell stack}Voltage control system and method for fuel cell stack

본 발명은, 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스택 전압이 OCV 전압까지 상승할 가능성을 미리 예측하고 상기 가능성이 높은 경우 더 빠르게 반응하여 스택 전압을 제어할 수 있도록 구성된 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for controlling the voltage of a fuel cell stack, and more particularly, predicts the possibility that the stack voltage will rise to the OCV voltage in advance and reacts more quickly when the possibility is high to control the stack voltage. It relates to a voltage control system and method of a fuel cell stack configured to be.

연료 전지 시스템은 수소를 포함한 연료와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 스택을 포함한다. 상기 스택은 연료에 함유된 수소 가스와 공기를 제공받아 산화 및 환원 반응을 유도하여 최종적으로 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나 이상의 단위 전지를 포함되어 구성될 수 있다.A fuel cell system includes a stack configured to convert chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel including hydrogen and oxygen. The stack may include at least one unit cell that receives hydrogen gas and air contained in fuel to induce oxidation and reduction reactions to finally generate electrical energy.

이때, 상기 스택은 시동시, 또는 구동시의 외부 충격에 의한 부하의 단절에 의해 개방회로전압(Open Circuit Voltage;OCV)이 발생할 수 있다. 연료 전지는, 부하가 걸린 상태의 출력전압과 무부하 상태의 출력전압의 차이가 매우 크다.At this time, the stack may generate an open circuit voltage (OCV) due to disconnection of a load due to an external impact during startup or driving. In a fuel cell, a difference between an output voltage in a loaded state and an output voltage in a no-load state is very large.

따라서, 연료 전지 시스템에서 시동시 혹은 급격한 부하 변동에 의한 전압 상승이 스택을 손상시키기 않게 하기 위한 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method for preventing a stack from being damaged by a voltage increase caused by a sudden load change or during start-up in a fuel cell system.

한국공개특허공보 제10-2007-0039361호는 스택과 부하의 연결이 끊어진 상태를 감지하여 스택과 DC-DC컨버터 간의 연결을 차단하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 이는 출력과의 연결을 단순 차단하는 것이므로 발전 효율이 감소되는 문제가 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2007-0039361 discloses a method of cutting off the connection between the stack and the DC-DC converter by detecting a disconnected state between the stack and the load. However, since this simply cuts off the connection with the output, there is a problem in that power generation efficiency is reduced.

한국공개특허공보 제10-2018-0075946호는 스택에 과전압 발생시 감압회로에서 전압을 소모하도록 하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 이는 스택에서 발생하는 전압을 단순 방전시키는 것으로서 에너지 낭비의 문제가 있다.Korean Patent Publication No. 10-2018-0075946 discloses a method for consuming voltage in a step-down circuit when an overvoltage occurs in a stack. However, this simply discharges the voltage generated in the stack, and there is a problem of energy waste.

즉, 스택에서 생성되는 전압 자체를 제어하는 것이 에너지 효율면에서 가장 바람직하고, 이처럼 스택에서 생성되는 전압을 제어하기 위해서는 OCV 전압이 발생할 가능성을 예측할 필요가 있다.That is, controlling the voltage itself generated by the stack is most desirable in terms of energy efficiency, and in order to control the voltage generated by the stack, it is necessary to predict the possibility of generating the OCV voltage.

한국공개특허공보 제10-2007-0039361호Korean Patent Publication No. 10-2007-0039361 한국공개특허공보 제10-2018-0075946호Korean Patent Publication No. 10-2018-0075946

본 발명은, 스택에서 OCV 전압이 발생할 가능성을 예상하고 상기 가능성이 높은 경우 빠르게 반응하여 스택에서의 발생 전압을 직접 제어할 수 있는 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a voltage control system and method of a fuel cell stack capable of predicting the possibility of an OCV voltage occurring in the stack and directly controlling the voltage generated in the stack by reacting quickly when the possibility is high. .

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템은, 공기와 수소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링한 결과 데이터를 통신을 이용하여 전달하는 스택 전압 측정 장치; 및 상기 스택 전압 측정 장치로부터 상기 스택 전압을 전달받아, 상기 스택 전압이 OCV(Open Current Voltage) 전압 이하로 유지되도록 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 제어하는 스택 전압 제어 장치;를 포함하며, 상기 스택 전압 측정 장치는, 상기 스택 전압을 측정한 결과에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스를 분류할 수 있다.A voltage control system of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a fuel cell stack generating electricity through a chemical reaction between air and hydrogen; a stack voltage measuring device that monitors the stack voltage of the fuel cell stack and transmits the monitoring result data through communication; and a stack voltage control device receiving the stack voltage from the stack voltage measuring device and controlling at least one of an amount of air and an amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack so that the stack voltage is maintained below an open current voltage (OCV) voltage. ;, wherein the stack voltage measuring apparatus may classify cases such that transmission priorities of communication messages are different according to a result of measuring the stack voltage.

여기서, 상기 스택 전압 측정 장치는, 상기 스택 전압을 측정한 결과를 기초로 상기 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 상기 케이스를 분류할 수 있다.Here, the stack voltage measurement apparatus may classify the case by predicting a possibility that the stack voltage exceeds the OCV voltage based on a result of measuring the stack voltage.

또한, 상기 스택 전압 측정 장치는, 상기 스택 전압을 측정하고, 측정한 상기 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우, 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하며 상기 전송 우선순위가 가장 낮은 케이스로 분류할 수 있다.In addition, the stack voltage measuring device measures the stack voltage, and when the measured stack voltage is lower than a preset reference value, determines that the possibility is the lowest and classifies the case as the case having the lowest transmission priority. .

또한, 상기 스택 전압 측정 장치는, 상기 스택 전압을 측정하고, 측정한 상기 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하며 상기 전송 우선순위가 가장 높은 케이스로 분류할 수 있다.In addition, the stack voltage measurement apparatus may measure the stack voltage, and if the measured stack voltage is equal to or greater than a predetermined reference value, the possibility may be determined to be the highest and the transfer priority may be classified as a case having the highest priority.

이때, 상기 기준값은, 상기 OCV 전압보다 작게 설정될 수 있다.In this case, the reference value may be set to be smaller than the OCV voltage.

또한, 상기 스택 전압 측정 장치는, 제1 측정 시간의 제1 스택 전압과, 상기 제1 측정 시간 이후 제2 측정 시간의 제2 스택 전압을 각각 측정하고, 상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류하고, 상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류하며, 상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 연산한 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 상기 가능성이 상기 제1 케이스보다는 높고 상기 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류하되, 상기 제2 케이스, 상기 제3 케이스, 상기 제1 케이스의 순서대로 상기 통신 메시지의 전송 우선순위가 높게 결정될 수 있다.In addition, the stack voltage measuring device measures a first stack voltage at a first measurement time and a second stack voltage at a second measurement time after the first measurement time, respectively, and the first stack voltage is greater than a preset reference value. When the probability is low, the probability is determined to be the lowest and classified as a first case. When the first stack voltage is greater than or equal to a predetermined reference value, the probability is determined to be the highest and classified as a second case. When the stack voltage change rate calculated using the second stack voltage is equal to or greater than the preset reference change rate, the possibility is determined to be higher than the first case and lower than the second case, and classified as a third case. In the order of the third case and the first case, transmission priority of the communication message may be determined to be high.

또한, 상기 스택 전압 제어 장치는, 상기 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 상기 제2 케이스와 상기 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에는, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.In addition, the stack voltage control device may determine the amount of air supplied to the fuel cell stack when communication messages of the second case and the third case are received, except when the communication message of the first case is received. , at least one of the amount of hydrogen can be adjusted.

한편, 상기 통신은, CAN 통신이고, 상기 스택 전압 측정 장치는, 상기 통신 메시지의 전송 우선순위를 상기 CAN 통신의 메시지 ID를 상기 케이스별로 할당하여 가변할 수 있다.Meanwhile, the communication is CAN communication, and the apparatus for measuring the stack voltage may change the transmission priority of the communication message by allocating a message ID of the CAN communication for each case.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 방법은, 스택 전압 측정 장치가 상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 통신을 이용하여 전달하는 전송 단계; 스택 전압 제어 장치가 상기 스택 전압 측정 장치로부터 상기 스택 전압을 전달받아, 상기 스택 전압이 OCV 전압 이하로 유지되도록 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어 단계;를 포함하며, 상기 전송 단계는, 상기 스택 전압을 측정한 결과에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스를 분류할 수 있다.In order to achieve the above object, a method for controlling a voltage of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a transmission step in which a stack voltage measuring device monitors the stack voltage of the fuel cell stack and transmits the monitoring result through communication. ; A control step in which a stack voltage control device receives the stack voltage from the stack voltage measuring device and controls at least one of an amount of air and an amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack so that the stack voltage is maintained below an OCV voltage. In the transmitting step, cases may be classified so that transmission priorities of communication messages are different according to a result of measuring the stack voltage.

여기서, 상기 전송 단계는, 상기 스택 전압을 측정한 결과를 기초로 상기 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 상기 케이스를 분류할 수 있다.Here, in the transmitting step, the case may be classified by predicting a possibility that the stack voltage exceeds the OCV voltage based on a result of measuring the stack voltage.

또한, 상기 전송 단계는, 상기 연료 전지 스택에 대해 제1 측정 시간의 제1 스택 전압을 측정하는 a 단계; 상기 제1 스택 전압을 기 설정된 기준값과 비교한 결과를 기초로 상기 케이스를 분류하여 상기 통신 메시지를 전송하는 b 단계; 상기 제1 측정 시간 이후 제2 측정 시간의 제2 스택 전압을 측정하는 c 단계; 및 상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화율을 연산하고, 상기 스택 전압 변화율을 기초로 상기 케이스를 분류하여 상기 통신 메시지를 전송하는 d 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the transmitting step may include step a of measuring a first stack voltage of the fuel cell stack at a first measurement time; step b of classifying the case based on a result of comparing the first stack voltage with a preset reference value and transmitting the communication message; step c of measuring a second stack voltage at a second measurement time after the first measurement time; and a step d of calculating a stack voltage change rate using the first stack voltage and the second stack voltage, classifying the case based on the stack voltage change rate, and transmitting the communication message.

이때, 상기 기준값은, 상기 OCV 전압보다 작게 설정될 수 있다.In this case, the reference value may be set to be smaller than the OCV voltage.

여기서, 상기 b 단계는, 상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류하고, 상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류할 수 있다.Here, in step b, when the first stack voltage is lower than a preset reference value, the probability is determined to be the lowest and classified as a first case, and when the first stack voltage is greater than or equal to a preset reference value, the probability is highest. It can be determined that it is classified as the second case.

또한, 상기 d 단계는, 상기 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 상기 가능성이 상기 제1 케이스보다는 높고 상기 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류할 수 있다.In the step d, when the stack voltage change rate is greater than or equal to a predetermined reference change rate, the possibility may be determined to be higher than the first case and lower than the second case and classified as a third case.

또한, 상기 제어 단계는, 상기 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 상기 제2 케이스와 상기 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에는, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.In addition, the controlling step may include the amount and number of air supplied to the fuel cell stack when the communication messages of the second case and the third case are received, except for the case where the communication message of the first case is received. At least one of the small amounts can be adjusted.

한편, 상기 통신은, CAN 통신이고, 상기 전송 단계는, 상기 통신 메시지의 전송 우선순위를 상기 CAN 통신의 메시지 ID를 상기 케이스별로 할당하여 가변할 수 있다.Meanwhile, the communication is CAN communication, and in the transmitting step, the transmission priority of the communication message may be varied by allocating a message ID of the CAN communication for each case.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention, there are the following effects.

첫째, 스택 전압을 모니터링하면서 OCV 전압이 발생하기 전에 미리 설정된 목표 전압을 초과하는 경우 또는 단기간에 전압 변동율이 큰 경우를 검출하고 이를 통해 OCV 전압 발생 가능성을 예측하여 스택 전압을 제어함으로써 OCV 전압 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 스택과 연결되는 소자들의 손상이 방지된다.First, while monitoring the stack voltage, it detects when the OCV voltage exceeds the preset target voltage or when the voltage fluctuation rate is large in a short period of time, predicts the possibility of OCV voltage generation through this, and controls the stack voltage to prevent OCV voltage generation. It can be prevented. Thus, damage to elements connected to the stack is prevented.

둘째, OCV 발생 가능성이 예측되는 경우에 스택에 공급되는 공기량과 수소량을 제어함으로써 스택의 발생 전압을 직접 제어할 수 있다. 따라서, 스택 전압을 차단하거나 방전시키는 것 대비 에너지 효율이 향상된다.Second, when the possibility of OCV occurrence is predicted, the generation voltage of the stack can be directly controlled by controlling the amount of air and hydrogen supplied to the stack. Accordingly, energy efficiency is improved compared to blocking or discharging the stack voltage.

셋째, 스택 전압을 모니터링한 결과 데이터의 전송에 있어서 OCV 전압 발생의 가능성에 따라 우선 순위를 결정하고 상기 우선 순위에 따라 통신 데이터의 전송 순위에 차별을 둠으로써 상기 가능성이 높은 경우 빠르게 반응하여 제어가 가능하다.Third, as a result of monitoring the stack voltage, prioritization is determined according to the possibility of OCV voltage occurrence in data transmission, and communication data transmission priority is discriminated according to the priority, so that when the possibility is high, control can be quickly responded. possible.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함된 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.A further scope of applicability of the present invention will become apparent from the detailed description for carrying out the invention hereinafter. However, since various changes and modifications within the spirit and scope of the present invention can be clearly understood by those skilled in the art, specific examples, such as those included in the specific content for carrying out the invention below, are merely illustrative. should be understood as given by

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 대해 구성에 대한 내부 기능 블록을 더 포함하고 데이터 전송 관계를 더 부가하여 나타낸 도면이다.
도 3은 스택 전압의 모니터링 결과를 예시를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4에 있어서, 전송 단계의 세부 흐름을 나타낸 순서도이다.1 is a diagram schematically showing the configuration of a voltage control system of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing FIG. 1 by further including internal functional blocks for the configuration and further adding data transmission relationships.
3 is a graph showing an example of a stack voltage monitoring result.
4 is a flowchart illustrating a flow of a method for controlling a voltage of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a detailed flow of a transmission step in FIG. 4 .

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. This is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be construed as including all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In describing the present invention, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. These terms are only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.The term "and/or" may include any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. can be understood On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it may be understood that no other element exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.In this application, terms such as "comprise" or "having" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features It may be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries may be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, interpreted in an ideal or excessively formal meaning. It may not be.

아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.In addition, the following embodiments are provided to more completely explain to those with average knowledge in the art, and the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 대해 구성에 대한 내부 기능 블록을 더 포함하고 데이터 전송 관계를 더 부가하여 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing the configuration of a voltage control system of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 further includes internal functional blocks for the configuration with respect to FIG. 1 and further adds a data transmission relationship is the drawing shown.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템(1000)은, 연료 전지 스택(100), 스택 전압 측정 장치(200) 및 스택 전압 제어 장치(300)를 포함할 수 있다.1 and 2 , a fuel cell stack voltage control system 1000 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 100, a stack voltage measurement device 200, and a stack voltage control device 300. can include

스택 전압 측정 장치(200)와 스택 전압 제어 장치(300)는 차량에 구비되는 ECU일 수 있다.The stack voltage measuring device 200 and the stack voltage controlling device 300 may be ECUs provided in a vehicle.

연료 전지 스택(100)은 상술한 바와 같이 공기와 수소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 구성이며, 하나 이상의 단위 전지를 포함할 수 있다. 상기 단위 전지는 전기를 발생시키는 주요 부분으로서, 엔드플레이트에 의해 외부로부터 보호를 받고, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(MEA:Membrane&Electrode Assembly)와 연료 가스와 공기를 전극-전해질 합성체로 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 세퍼레이트로 이루어진 하나의 단위 전지 셀을 포함할 수 있다. 즉, 상기 스택은 이와 같은 단위 전지 셀 복수개를 연속적으로 배치한 집합체로서, 상기 연속 배치된 단위 전지 셀이 전기적으로는 직렬 연결되어 외부 부하를 구동 시키기에 충분한 전압을 생성하게 된다.As described above, the fuel cell stack 100 is configured to generate electricity through a chemical reaction between air and hydrogen, and may include one or more unit cells. The unit cell is a main part that generates electricity, and is protected from the outside by an end plate, and an electrode-electrolyte assembly (MEA: Membrane & Electrode Assembly) that oxidizes / reduces hydrogen gas and air and fuel gas and air are supplied to the electrode- It may include one unit battery cell made of at least one or more separators to be supplied to the electrolyte composite. That is, the stack is an assembly in which a plurality of such unit battery cells are continuously arranged, and the continuously arranged unit battery cells are electrically connected in series to generate a voltage sufficient to drive an external load.

스택에서 생성된 전력은 출력 회로의 일종인 DC/DC 컨버터를 경유하여 적절한 수준으로 안정화되어 부하로 공급될 수 있다. 스택과 DC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터와 부하가 연결된 상태에서 동작중인 종래기술의 연료전지 시스템을 가정할 때, 의도적이건 비의도적이건 갑자기 부하와 DC/DC 컨버터의 연결이 끊어지면, 스택이 무부하 상태에서 구동되게 되는데 이런 상태가 장시간 지속되거나 반복되는 경우 DC/DC 컨버터의 구성 소자들이 손상될 수 있다.The power generated in the stack can be stabilized to an appropriate level via a DC/DC converter, which is a kind of output circuit, and then supplied to the load. Assuming a prior art fuel cell system operating in a state in which the stack is connected to the DC/DC converter and the DC/DC converter and the load, if the load and the DC/DC converter are suddenly disconnected, intentionally or unintentionally, the stack It is driven in a no-load state, and if this state lasts for a long time or is repeated, components of the DC/DC converter may be damaged.

이때, 스택 전압 측정 장치(200)는, 상기 전압을 모니터링한 결과 데이터를 통신을 이용하여 후술할 스택 전압 제어 장치(300)로 전달할 수 있다. 이때, 상기 통신은 CAN 통신일 수 있다.In this case, the stack voltage measuring device 200 may transmit data as a result of monitoring the voltage to the stack voltage controlling device 300 to be described later using communication. At this time, the communication may be CAN communication.

보다 구체적으로, 스택 전압 측정 장치(200)는, 측정부(210), 연산부(220) 및 통신부(230)를 포함할 수 있다.More specifically, the stack voltage measurement apparatus 200 may include a measurement unit 210 , a calculation unit 220 and a communication unit 230 .

측정부(210)는, 연료 전지 스택(100)의 스택 전압을 모니터링할 수 있다. 이때, 스택 전압은 스택의 출력 전압을 의미한다. 보다 구체적으로, 스택과 DC/DC 컨버터의 사이 노드에서 측정된 전압을 의미한다. 스택 전압은 기 설정된 간격의 측정 시점마다 측정될 수 있다.The measuring unit 210 may monitor the stack voltage of the fuel cell stack 100 . At this time, the stack voltage means the output voltage of the stack. More specifically, it means the voltage measured at the node between the stack and the DC/DC converter. The stack voltage may be measured at each measurement point at a preset interval.

연산부(220)는, 측정부(210)가 측정한 스택 전압을 전달받고, 측정값에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스를 분류할 수 있다. 연산부(220)는 수학적 연산, 논리적 판단을 수행하는 구성으로 예를 들어 MCU(Microcontoller Unit)에 포함되는 내부 기능 모듈일 수 있다. MCU에는 저장부(미도시)가 더 포함될 수 있으며, 상기 저장부에는 CAN ID가 케이스별로 DB화 되어 있을 수 있다. 상기 저장부에는 후술할 목표 전압이 저장되어 있을 수 있다.The calculation unit 220 may receive the stack voltage measured by the measurement unit 210 and classify cases such that communication message transmission priorities are different according to the measured value. The arithmetic unit 220 is a component that performs mathematical calculations and logical judgments, and may be, for example, an internal functional module included in a microcontroller unit (MCU). The MCU may further include a storage unit (not shown), and in the storage unit, a CAN ID may be converted into a DB for each case. A target voltage to be described later may be stored in the storage unit.

통신부(230)는, 상기 CAN 통신을 수행하는 구성이다. 통신부(230)는 CAN 트랜시버와 CAN 컨트롤러로 구성될 수 있다. 여기서 CAN 트랜시버는 연산부(220)와 함께 MCU에 내장될 수도 있고 별도로 외부에 구성될 수도 있다.The communication unit 230 is a component that performs the CAN communication. The communication unit 230 may include a CAN transceiver and a CAN controller. Here, the CAN transceiver may be built into the MCU together with the arithmetic unit 220 or may be separately configured externally.

CAN 통신은 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다. CAN 프로토콜 규격은 CAN 메시지에 있는 ID의 길이에 따라 두 가지 모드로 구분되는데 표준 CAN(버전 2.0A)은 11비트 ID를, 확장 CAN은 29비트 ID를 사용한다.CAN communication is a standard communication specification designed for microcontrollers or devices to communicate with each other without a host computer. The CAN protocol specification is divided into two modes according to the length of the ID in the CAN message. Standard CAN (version 2.0A) uses an 11-bit ID and extended CAN uses a 29-bit ID.

한편, CAN 통신은 Non-Deterministic 통신 방법으로서, 주기적으로 데이터를 전송하고자 하여도 CAN BUS의 데이터 부하나 ID의 우선 순위가 낮으면 원하는 시간에 전송하고자 하여도 전송하지 못할 수 있다. CAN BUS에서의 데이터 송수신은 스택 전압 측정 장치(200)와 스택 전압 제어 장치(300) 간에만 이루어지는 것이 아니라 주변 ECU(10,30)와 스택 전압 제어 장치(300) 간에도 이루어지기 때문이다. 이러한 문제를 방지하기 위해 스택 전압 측정 장치(200)는 스택 전압을 모니터링한 결과를 전송함에 있어서 케이스 분류 및 우선 순위를 정할 수 있다.On the other hand, CAN communication is a non-deterministic communication method, and even if you want to transmit data periodically, if the data load of the CAN BUS or the priority of the ID is low, you may not be able to transmit even if you want to transmit at the desired time. This is because data transmission and reception in the CAN BUS is performed not only between the stack voltage measurement device 200 and the stack voltage control device 300, but also between the peripheral ECUs 10 and 30 and the stack voltage control device 300. In order to prevent this problem, the stack voltage measurement apparatus 200 may classify and prioritize cases in transmitting the result of monitoring the stack voltage.

이하에서는, 스택 전압 측정 장치(200)가 수행하는 케이스 분류 및 통신 데이터의 우선 순위 결정에 대해 자세히 설명한다.Hereinafter, case classification and prioritization of communication data performed by the stack voltage measurement apparatus 200 will be described in detail.

스택 전압 측정 장치(200)는, 제1 측정 시간에 측정한 제1 스택 전압 및/또는 제2 측정 시간에 측정한 제2 스택 전압을 이용하여 케이스를 분류할 수 있다. 이때, 제2 측정 시간은 제1 측정 시간보다 기 설정된 간격의 시간이 지난 후의 시점이다. The stack voltage measurement apparatus 200 may classify a case using the first stack voltage measured at the first measurement time and/or the second stack voltage measured at the second measurement time. In this case, the second measurement time is a time point after a predetermined interval of time has elapsed from the first measurement time.

한편, 스택 전압 측정 장치(200)에는 목표 전압으로서 기준값이 미리 설정되어 있을 수 있다. 상기 기준값은 스택 전압을 OCV 전압보다 항상 낮게 제어하기 위해 모니터링되는 목표 전압이므로 OCV 전압보다 작게 설정되는 것이 바람직하다.Meanwhile, a reference value may be previously set as a target voltage in the stack voltage measuring apparatus 200 . Since the reference value is a target voltage monitored to always control the stack voltage to be lower than the OCV voltage, it is preferable to set it smaller than the OCV voltage.

스택 전압 측정 장치(200)는, 상기 제1 스택 전압이 상기 기준값보다 낮은 경우 OCV 전압 발생의 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류할 수 있다. 이때, 상기 케이스는, 스택 전압을 측정한 결과를 기초로 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 분류될 수 있다. When the first stack voltage is lower than the reference value, the stack voltage measuring apparatus 200 determines that the possibility of generating the OCV voltage is lowest and classifies the stack voltage as the first case. In this case, the case may be classified by predicting a possibility that the stack voltage exceeds the OCV voltage based on the result of measuring the stack voltage.

스택 전압 측정 장치(200)는, 상기 제1 스택 전압이 상기 기준값 이상인 경우 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류할 수 있다.When the first stack voltage is greater than or equal to the reference value, the stack voltage measurement apparatus 200 determines that the possibility is highest and classifies the case as the second case.

스택 전압 측정 장치(200)는, 상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 기 설정된 측정 시점 사이에서의 스택 전압 변화율을 연산할 수 있다.The stack voltage measurement apparatus 200 may calculate a stack voltage change rate between a preset measurement time point using the first stack voltage and the second stack voltage.

이때, 상기 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 OCV 전압 발생 가능성이 제1 케이스보다는 높고 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류할 수 있다.In this case, when the stack voltage change rate is greater than or equal to a predetermined reference change rate, it is determined that the possibility of generating an OCV voltage is higher than that of the first case and lower than that of the second case and classified as a third case.

한편, 스택 전압 측정 장치(200)는, 제2 케이스, 제3 케이스, 제1 케이스의 순서대로 통신 메시지의 전송 우선순위를 높게 결정할 수 있다. 이때, 스택 전압 측정 장치(200)는, CAN 통신의 메시지 ID를 케이스별로 다르게 할당하는 방식으로 상기 전송 우선순위를 가변할 수 있다.Meanwhile, the apparatus 200 for measuring the stack voltage may determine transmission priority of the communication message to be high in the order of the second case, the third case, and the first case. At this time, the apparatus 200 for measuring the stack voltage may vary the transmission priority in a manner of allocating message IDs of CAN communication differently for each case.

하기 표 1은 제2 케이스, 제3 케이스, 제1 케이스의 순서대로 전송 우선순위가 높게 할당되는 CAN ID의 예시이다.Table 1 below is an example of CAN IDs assigned with high transmission priorities in the order of the second case, the third case, and the first case.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

알려진 바와 같이, CAN ID의 값이 작을수록 전송 우선순위가 높다. 보다 구체적으로, MSB(Most Significant Bit)부터 비교하여 값이 작은 순서대로 전송 우선순위가 높은 것이다. As is known, the smaller the value of the CAN ID, the higher the transmission priority. More specifically, transmission priority is higher in the order of smaller value compared with MSB (Most Significant Bit).

도 3은 스택 전압의 모니터링 결과를 예시를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing an example of a stack voltage monitoring result.

도 3의 그래프에는 OCV 발생 전압(V_OCV), 목표 전압인 기준값(Vo) 및 이에 따라 분류되는 각 케이스를 도시하였다. V_Nernst는 이론적으로 생성 가능한 스택의 한계 생성 전압을 의미한다. Vs는 스택 전압의 측정값이다.The graph of FIG. 3 shows an OCV generation voltage (V_OCV), a reference value (Vo) that is a target voltage, and each case classified accordingly. V_Nernst means the theoretically generateable limit generation voltage of the stack. Vs is a measure of the stack voltage.

도 3을 참조하면, 모니터링 중인 스택 전압의 측정값(Vs)이 기준값(Vo) 이상이 되는 경우는 제2 케이스로 분류된다. 또한, 제1 측정 시점(t1)에서 Vs가 제1 측정 전압(V1)이고 제2 측정 시점(t2)에서의 Vs가 제2 측정 전압(V2)일 때, 스택 전압 변화율(S)이 기준 변화율(Sr) 이상인 경우에는 제3 케이스로 분류된다. 여기서, 기준 변화율(Sr)은 급작스럽게 전압이 변화하는 것을 감지하고 스택 전압을 제어하기 위해 미리 적절한 값으로 설정될 수 있다. 나머지는 모두 제1 케이스로 분류된다.Referring to FIG. 3 , a case in which the measured value Vs of the stack voltage being monitored is greater than or equal to the reference value Vo is classified as a second case. In addition, when Vs at the first measurement time point t 1 is the first measurement voltage V 1 and Vs at the second measurement time point t 2 is the second measurement voltage V 2 , the stack voltage change rate (S ) is classified as the third case when the reference change rate (Sr) or more. Here, the reference change rate Sr may be set to an appropriate value in advance to sense a sudden voltage change and control the stack voltage. All others are classified as the first case.

이때, 제1 케이스는 스택 전압이 기준값보다 작은 경우이므로 OCV 전압 발생 가능성이 낮으며 스택 전압의 제어가 필요하지 않다. 따라서, 데이터의 전송 우선순위가 제일 낮게 결정된다. 제2 케이스는 스택 전압이 기준값보다 높은 경우이므로 OCV 전압 발생 가능성이 높으며 스택 전압의 빠른 제어가 필요하다. 따라서, 제1 케이스보다 데이터의 전송 우선순위가 높아야 하는 것이다. 제3 케이스는 이전 측정 시점과 대비했을 때 매우 빠르게 전압이 상승하고 있는 중인 것이므로 빠른 제어가 필요한 케이스이다. 다만, 스택 전압의 측정값이 기준값보다 낮으므로 제2 케이스보다는 전송 우선순위가 낮아야 하고 제1 케이스보다는 전송 우선순위가 높아야 하는 것이다.In this case, since the first case is a case where the stack voltage is smaller than the reference value, the possibility of generating the OCV voltage is low and control of the stack voltage is not required. Accordingly, the transmission priority of data is determined to be the lowest. In the second case, since the stack voltage is higher than the reference value, the possibility of generating the OCV voltage is high and fast control of the stack voltage is required. Therefore, the transmission priority of data should be higher than that of the first case. In the third case, since the voltage is rising very quickly compared to the previous measurement point, fast control is required. However, since the measured value of the stack voltage is lower than the reference value, the transmission priority should be lower than that of the second case and higher than that of the first case.

스택 전압 제어 장치(300)는, 스택 전압 측정 장치(200)로부터 스택 전압을 전달받아, 스택 전압이 OCV 전압 이하로 유지되도록 연료 전지 스택(100)에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.The stack voltage control device 300 receives the stack voltage from the stack voltage measuring device 200 and controls at least one of the amount of air and hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 so that the stack voltage is maintained below the OCV voltage. can do.

보다 구체적으로, 스택 전압 제어 장치(300)는, 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 제2 케이스와 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에, 연료 전지 스택(100)에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.More specifically, the stack voltage control apparatus 300, except for the case where the communication message of the first case is received, when the communication message of the second case and the third case is received, the fuel cell stack 100 At least one of the amount of supplied air and the amount of hydrogen may be adjusted.

스택 전압 제어 장치(300)는, 공기량을 제어하는 ECU와 수소량(연료 가스의 양)을 제어하는 ECU 중 어느 하나 또는 모두를 지칭할 수 있다.The stack voltage control device 300 may refer to any one or both of an ECU that controls the amount of air and an ECU that controls the amount of hydrogen (amount of fuel gas).

스택 전압 제어 장치(300)는, 공기 공급부(또는 수소 공급부)(311,321), 연산부(312,322) 및 통신부(313,323)를 포함할 수 있다.The stack voltage control device 300 may include air supply units (or hydrogen supply units) 311 and 321 , calculation units 312 and 322 , and communication units 313 and 323 .

공기 공급부(311)는, 연료 전지 스택(100)으로의 공기 공급을 제어하는 구성이다.The air supply unit 311 controls air supply to the fuel cell stack 100 .

수소 공급부(321)는, 연료 전지 스택(100)으로의 연료 가스 공급을 제어하는 구성이다. 연료 가스 공급의 제어를 통해 연료 전지 스택(100)으로 공급되는 수소량이 제어된다.The hydrogen supply unit 321 is a component that controls fuel gas supply to the fuel cell stack 100 . The amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 100 is controlled through the control of fuel gas supply.

공기 공급부(311) 및/또는 수소 공급부(321)를 통한 공기량 및/또는 수소량 제어를 이용하여 연료 전지 스택(100)의 발생 전압이 유지 또는 감소되도록 제어될 수 있다.The generated voltage of the fuel cell stack 100 may be controlled to be maintained or reduced by controlling the amount of air and/or hydrogen through the air supply unit 311 and/or the hydrogen supply unit 321 .

통신부(313,323)는, 스택 전압 측정 장치(200) 및/또는 주변 ECU들과 CAN 통신을 수행하는 구성이다. 스택 전압 측정 장치(200)에서와 마찬가지로 통신부(313,323)는 CAN 트랜시버와 CAN 컨트롤러로 구성될 수 있다. 여기서 CAN 트랜시버는 연산부(312,322)와 함께 MCU에 내장될 수도 있고 별도로 외부에 구성될 수도 있다.The communication units 313 and 323 are components that perform CAN communication with the stack voltage measuring device 200 and/or peripheral ECUs. As in the stack voltage measuring device 200, the communication units 313 and 323 may include a CAN transceiver and a CAN controller. Here, the CAN transceiver may be built into the MCU together with the arithmetic units 312 and 322 or may be separately configured externally.

연산부(312,322)에서는, 스택 전압 측정 장치(200)에서 전송받은 통신 데이터를 재확인할 수 있다. 보다 구체적으로, CAN 통신을 통해 스택 전압 측정 장치(200)에서 스택 전압 제어 장치(300)로 전송되는 데이터에는 각 측정 시점, 상기 시점에서의 스택 전압 측정값, 상기 시점들 사이의 스택 전압 변화율이 포함될 수 있다.The arithmetic units 312 and 322 may reconfirm the communication data transmitted from the stack voltage measuring device 200 . More specifically, the data transmitted from the stack voltage measurement device 200 to the stack voltage control device 300 through CAN communication includes each measurement time point, a stack voltage measurement value at the time point, and a stack voltage change rate between the time points. can be included

스택 전압 제어 장치(300)는 연산부(312,322)에서 데이터를 기초로 재연산한다. 즉, 제1 케이스의 경우 전송받은 측정값이 기준값 미만이 맞는지 여부, 제2 케이스의 경우 전송받은 측정값이 기준값 이상이 맞는지 여부, 제3 케이스의 경우 스택 전압 변화율이 기준 변화율 이상인지 여부를 다시 판단할 수 있다. 이때, 제3 케이스의 경우는 각 시점의 측정값을 기초로 한 스택 전압 변화율의 재연산도 함께 수행될 수 있다. 이를 통해, 데이터 정합성 검토가 이루어지고 시스템 안정성이 강화되는 이점이 있다.The stack voltage control device 300 recalculates based on the data in the arithmetic units 312 and 322 . That is, in the case of the first case, whether or not the received measured value is less than the reference value, in the case of the second case, whether the received measured value is more than or equal to the reference value, and in the case of the third case, whether the stack voltage change rate is greater than or equal to the reference change rate again. can judge At this time, in the case of the third case, recalculation of the stack voltage change rate based on the measured value at each time point may also be performed. Through this, there is an advantage in that data consistency is reviewed and system stability is strengthened.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 방법의 흐름을 나타낸 순서도이고, 도 5는 도 4에 있어서, 전송 단계의 세부 흐름을 나타낸 순서도이다.FIG. 4 is a flow chart illustrating a flow of a method for controlling a voltage of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a flow chart illustrating a detailed flow of a transmission step in FIG. 4 .

본 실시예는, 상술한 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템에 의해 수행될 수 있다.This embodiment may be performed by the voltage control system of the fuel cell stack described above.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 전압 제어 방법은, 스택 전압 측정 장치(200)가 연료 전지 스택(100)의 스택 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 통신을 이용하여 전달하는 전송 단계(S100) 및 스택 전압 제어 장치(300)가 스택 전압 측정 장치(200)로부터 스택 전압을 전달받아, 스택 전압이 OCV 전압 이하로 유지되도록 연료 전지 스택(100)에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어 단계(S200)를 포함할 수 있다.4 and 5 , in the voltage control method of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, the stack voltage measuring device 200 monitors the stack voltage of the fuel cell stack 100, and the monitoring result is displayed. Transmission step (S100) of transmitting using communication and the stack voltage control device 300 receives the stack voltage from the stack voltage measuring device 200, and the fuel cell stack 100 maintains the stack voltage below the OCV voltage A control step ( S200 ) of controlling at least one of the amount of supplied air and the amount of hydrogen may be included.

여기서, 전송 단계(S100)는 스택 전압 측정 장치(200)에 의해, 스택 전압을 측정한 결과에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스가 분류되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 케이스는, 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 이에 따라 분류될 수 있다.Here, the transmission step (S100) is characterized in that the case is classified so that the transmission priority of the communication message is different according to the result of measuring the stack voltage by the stack voltage measurement apparatus 200. At this time, the case may be classified accordingly by predicting the possibility that the stack voltage exceeds the OCV voltage.

보다 구체적으로, 본 단계(S100)는, 연료 전지 스택(100)에 대해 제1 측정 시간의 제1 스택 전압을 측정하는 a 단계(S110), 제1 스택 전압을 기 설정된 기준값과 비교한 결과를 기초로 케이스를 분류하여 통신 메시지를 전송하는 b 단계(S120), 제1 측정 시간 이후 제2 측정 시간의 제2 스택 전압을 측정하는 c 단계(S130) 및 제1 스택 전압과 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화율을 연산하고, 스택 전압 변화율을 기초로 케이스를 분류하여 통신 메시지를 전송하는 d 단계(S140)를 포함할 수 있다.More specifically, in this step (S100), step a of measuring the first stack voltage of the fuel cell stack 100 at the first measurement time (S110), the result of comparing the first stack voltage with a preset reference value step b of classifying cases based on the basis and transmitting a communication message (S120), step c of measuring the second stack voltage at a second measurement time after the first measurement time (S130), and measuring the first stack voltage and the second stack voltage A step d ( S140 ) of calculating a stack voltage change rate using the stack voltage change rate, classifying cases based on the stack voltage change rate, and transmitting a communication message.

b단계에서는, 제1 스택 전압을 기 설정된 기준값과 비교하고,(S121) 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우 OCV 전압 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류할 수 있다.(S123) 만일, 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우 OCV 전압 발생 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류할 수 있다.(S122)In step b, the first stack voltage is compared with a preset reference value (S121), and if the first stack voltage is lower than the preset reference value, it is determined that the OCV voltage generation possibility is the lowest and classified as a first case. ( S123) If the first stack voltage is equal to or greater than the preset reference value, it is determined that the OCV voltage has the highest possibility and classified as the second case (S122).

d단계에서는, 제1 스택 전압과 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화율을 연산할 수 있다.(S141) 스택 전압 변화율(S)은 기 설정된 기준 변화율(Sr)과 비교된다.(S142) 이때, 제2 스택 전압(Vs)과 기준값(Vo)의 비교도 함께 수행된다. 보다 구체적으로는, 제2 스택 전압과 기준값의 비교를 먼저 수행하고 제2 스택 전압이 기준값 이상인 경우 제2 케이스로 분류할 수 있다.(S143)In step d, the stack voltage change rate may be calculated using the first stack voltage and the second stack voltage. (S141) The stack voltage change rate (S) is compared with a preset reference change rate (Sr). (S142) At this time, , a comparison between the second stack voltage Vs and the reference value Vo is also performed. More specifically, a comparison between the second stack voltage and the reference value is performed first, and when the second stack voltage is greater than or equal to the reference value, the second case may be classified (S143).

제2 스택 전압이 기준값보다 작은 경우에는 다음으로 스택 전압 변화율을 기준 변화율과 비교하여 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 OCV 발생 가능성이 제1 케이스보다는 높고 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류할 수 있다.(S145)When the second stack voltage is smaller than the reference value, the stack voltage change rate is compared with the reference change rate, and when the stack voltage change rate is greater than or equal to the preset reference change rate, it is determined that the possibility of OCV occurrence is higher than that of the first case and lower than that of the second case, and the third It can be classified as a case. (S145)

만일, 제2 스택 전압이 기준값보다 작고, 스택 전압 변화율이 기준 변화율 미만인 경우 제1 케이스로 분류할 수 있다.(S144)If the second stack voltage is less than the reference value and the stack voltage change rate is less than the reference change rate, it can be classified as a first case (S144).

한편, 연료 전지의 최초 시동 이후 a 내지 d 단계가 진행된 후에는 항상 현재 측정 시점의 이전 측정 시점이 존재할 것이므로, c와 d 단계의 수행이 반복된다. 다시 말해, 최초 시동 이후에는 현재 측정 시점이 항상 제2 측정 시점이 되고 직전 측정 시점이 제1 측정 시점이 되는 것이다.Meanwhile, since steps a to d are performed after the initial start-up of the fuel cell, there will always be a measurement time point prior to the current measurement time point, and thus steps c and d are repeated. In other words, after the initial start-up, the current measurement time point always becomes the second measurement time point and the previous measurement time point becomes the first measurement time point.

제어 단계(S200)는 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 제2 케이스와 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에, 스택 전압 제어 장치(300)가 연료 전지 스택(100)에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정하는 단계이다.In the control step (S200), the stack voltage control device 300 controls the fuel cell stack 100 when communication messages of the second case and the third case are received, except for the case where the communication message of the first case is received. This is a step of adjusting at least one of the amount of air and the amount of hydrogen supplied to.

본 단계(S200)에서, 스택 전압 제어 장치(300)는 전송받은 데이터를 기초로 재연산을 수행할 수 있다. 즉, 제1 케이스의 경우 전송받은 측정값이 기준값 미만이 맞는지 여부, 제2 케이스의 경우 전송받은 측정값이 기준값 이상이 맞는지 여부, 제3 케이스의 경우 스택 전압 변화율이 기준 변화율 이상인지 여부를 다시 판단할 수 있다. 이때, 제3 케이스의 경우는 각 시점의 측정값을 기초로 한 스택 전압 변화율의 재연산도 함께 수행될 수 있다. 이를 통해, 데이터 정합성 검토가 이루어지고 시스템 안정성이 강화되는 이점이 있다.In this step (S200), the stack voltage control device 300 may perform recalculation based on the transmitted data. That is, in the case of the first case, whether or not the received measured value is less than the reference value, in the case of the second case, whether the received measured value is more than or equal to the reference value, and in the case of the third case, whether the stack voltage change rate is greater than or equal to the reference change rate again. can judge At this time, in the case of the third case, recalculation of the stack voltage change rate based on the measured value at each time point may also be performed. Through this, there is an advantage in that data consistency is reviewed and system stability is strengthened.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there are the following effects.

첫째, 스택 전압을 모니터링하면서 OCV 전압이 발생하기 전에 미리 설정된 목표 전압을 초과하는 경우 또는 단기간에 전압 변동율이 큰 경우를 검출하고 이를 통해 OCV 전압 발생 가능성을 예측하여 스택 전압을 제어함으로써 OCV 전압 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 스택과 연결되는 소자들의 손상이 방지된다.First, while monitoring the stack voltage, it detects when the OCV voltage exceeds the preset target voltage or when the voltage fluctuation rate is large in a short period of time, predicts the possibility of OCV voltage generation through this, and controls the stack voltage to prevent OCV voltage generation. It can be prevented. Thus, damage to elements connected to the stack is prevented.

둘째, OCV 발생 가능성이 예측되는 경우에 스택에 공급되는 공기량과 수소량을 제어함으로써 스택의 발생 전압을 직접 제어할 수 있다. 따라서, 스택 전압을 차단하거나 방전시키는 것 대비 에너지 효율이 향상된다.Second, when the possibility of OCV occurrence is predicted, the generation voltage of the stack can be directly controlled by controlling the amount of air and hydrogen supplied to the stack. Accordingly, energy efficiency is improved compared to blocking or discharging the stack voltage.

셋째, 스택 전압을 모니터링한 결과 데이터의 전송에 있어서 OCV 전압 발생의 가능성에 따라 우선 순위를 결정하고 상기 우선 순위에 따라 통신 데이터의 전송 순위에 차별을 둠으로써 상기 가능성이 높은 경우 빠르게 반응하여 제어가 가능하다.Third, as a result of monitoring the stack voltage, prioritization is determined according to the possibility of OCV voltage occurrence in data transmission, and communication data transmission priority is discriminated according to the priority, so that when the possibility is high, control can be quickly responded. possible.

한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.On the other hand, although the present invention has been described with limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations can be made from these descriptions by those skilled in the art in the field to which the present invention belongs. do. Therefore, the technical spirit of the present invention should be grasped only by the claims, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be said to belong to the scope of the technical spirit of the present invention.

1000: 연료 전지 스택의 전압 제어 시스템
100: 연료 전지 스택
200: 스택 전압 측정 장치
300: 스택 전압 제어 장치1000: voltage control system of fuel cell stack
100: fuel cell stack
200: stack voltage measuring device
300: stack voltage control device

Claims (16)

공기와 수소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지 스택;
상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링한 결과 데이터를 통신을 이용하여 전달하는 스택 전압 측정 장치; 및
상기 스택 전압 측정 장치로부터 상기 스택 전압을 전달받아, 상기 스택 전압이 OCV(Open Current Voltage) 전압 이하로 유지되도록 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 제어하는 스택 전압 제어 장치;를 포함하며,
상기 스택 전압 측정 장치는,
상기 스택 전압을 측정한 결과에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스를 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
A fuel cell stack that produces electricity through a chemical reaction between air and hydrogen;
a stack voltage measuring device that monitors the stack voltage of the fuel cell stack and transmits the monitoring result data through communication; and
a stack voltage control device receiving the stack voltage from the stack voltage measuring device and controlling at least one of an amount of air and an amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack so that the stack voltage is maintained below an open current voltage (OCV) voltage; Including,
The stack voltage measuring device,
Characterized in that the case is classified so that the transmission priority of the communication message is different according to the result of measuring the stack voltage.
Voltage control system of fuel cell stack.
 제1항에 있어서,
상기 스택 전압 측정 장치는,
상기 스택 전압을 측정한 결과를 기초로 상기 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 상기 케이스를 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 1,
The stack voltage measuring device,
Characterized in that the case is classified by predicting the possibility that the stack voltage will exceed the OCV voltage based on the result of measuring the stack voltage.
Voltage control system of fuel cell stack.
 제2항에 있어서,
상기 스택 전압 측정 장치는,
상기 스택 전압을 측정하고, 측정한 상기 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우, 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하며 상기 전송 우선순위가 가장 낮은 케이스로 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 2,
The stack voltage measuring device,
Characterized in that the stack voltage is measured, and when the measured stack voltage is lower than a preset reference value, the possibility is determined to be the lowest and the transmission priority is classified as a case with the lowest.
Voltage control system of fuel cell stack.
 제2항에 있어서,
상기 스택 전압 측정 장치는,
상기 스택 전압을 측정하고, 측정한 상기 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하며 상기 전송 우선순위가 가장 높은 케이스로 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 2,
The stack voltage measuring device,
Characterized in that the stack voltage is measured, and when the measured stack voltage is greater than or equal to a preset reference value, the possibility is determined to be the highest and the transmission priority is classified as a case with the highest.
Voltage control system of fuel cell stack.
 제4항에 있어서,
상기 기준값은,
상기 OCV 전압보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 4,
The reference value is
Characterized in that it is set smaller than the OCV voltage,
Voltage control system of fuel cell stack.
 제2항에 있어서,
상기 스택 전압 측정 장치는,
제1 측정 시간의 제1 스택 전압과, 상기 제1 측정 시간 이후 제2 측정 시간의 제2 스택 전압을 각각 측정하고,
상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류하고,
상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류하며,
상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 연산한 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 상기 가능성이 상기 제1 케이스보다는 높고 상기 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류하되,
상기 제2 케이스, 상기 제3 케이스, 상기 제1 케이스의 순서대로 상기 통신 메시지의 전송 우선순위가 높게 결정되는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 2,
The stack voltage measuring device,
Measuring a first stack voltage at a first measurement time and a second stack voltage at a second measurement time after the first measurement time, respectively;
When the first stack voltage is lower than a preset reference value, the possibility is determined to be the lowest and classified as a first case;
When the first stack voltage is greater than or equal to a preset reference value, the possibility is determined to be the highest and classified as a second case;
When the stack voltage change rate calculated using the first stack voltage and the second stack voltage is greater than or equal to a predetermined reference change rate, the possibility is determined to be higher than the first case and lower than the second case, and classified as a third case; ,
Characterized in that the transmission priority of the communication message is determined to be high in the order of the second case, the third case, and the first case.
Voltage control system of fuel cell stack.
 제6항에 있어서,
상기 스택 전압 제어 장치는,
상기 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 상기 제2 케이스와 상기 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에는, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 6,
The stack voltage control device,
Adjusting at least one of the amount of air and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack when the communication messages of the second case and the third case are received except when the communication message of the first case is received characterized in that,
Voltage control system of fuel cell stack.
 제1항에 있어서,
상기 통신은, CAN 통신이고,
상기 스택 전압 측정 장치는,
상기 통신 메시지의 전송 우선순위를 상기 CAN 통신의 메시지 ID를 상기 케이스별로 할당하여 가변하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 시스템.
According to claim 1,
The communication is CAN communication,
The stack voltage measuring device,
Characterized in that the transmission priority of the communication message is varied by allocating the message ID of the CAN communication for each case.
Voltage control system of fuel cell stack.
 공기와 수소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료 전지 스택의 스택 전압을 제어하는 방법으로서,
스택 전압 측정 장치가 상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 통신을 이용하여 전달하는 전송 단계; 및
스택 전압 제어 장치가 상기 스택 전압 측정 장치로부터 상기 스택 전압을 전달받아, 상기 스택 전압이 OCV 전압 이하로 유지되도록 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어 단계;를 포함하며,
상기 전송 단계는,
상기 스택 전압을 측정한 결과에 따라 통신 메시지의 전송 우선순위가 상이하게 되도록 케이스를 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
As a method for controlling the stack voltage of a fuel cell stack that produces electricity through a chemical reaction between air and hydrogen,
a transmission step of monitoring the stack voltage of the fuel cell stack by a stack voltage measurement device and transmitting the monitoring result through communication; and
A control step in which a stack voltage control device receives the stack voltage from the stack voltage measuring device and controls at least one of an amount of air and an amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack so that the stack voltage is maintained below an OCV voltage. contains,
In the transmission step,
Characterized in that the case is classified so that the transmission priority of the communication message is different according to the result of measuring the stack voltage.
Voltage control method of fuel cell stack.
 제9항에 있어서,
상기 전송 단계는,
상기 스택 전압을 측정한 결과를 기초로 상기 스택 전압이 OCV 전압을 초과할 가능성을 예측하여 상기 케이스를 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 9,
In the transmission step,
Characterized in that the case is classified by predicting the possibility that the stack voltage will exceed the OCV voltage based on the result of measuring the stack voltage.
Voltage control method of fuel cell stack.
 제10항에 있어서,
상기 전송 단계는,
상기 연료 전지 스택에 대해 제1 측정 시간의 제1 스택 전압을 측정하는 a 단계;
상기 제1 스택 전압을 기 설정된 기준값과 비교한 결과를 기초로 상기 케이스를 분류하여 상기 통신 메시지를 전송하는 b 단계;
상기 제1 측정 시간 이후 제2 측정 시간의 제2 스택 전압을 측정하는 c 단계; 및
상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화율을 연산하고, 상기 스택 전압 변화율을 기초로 상기 케이스를 분류하여 상기 통신 메시지를 전송하는 d 단계;를 포함하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 10,
In the transmission step,
a step of measuring a first stack voltage of the fuel cell stack at a first measurement time;
step b of classifying the case based on a result of comparing the first stack voltage with a preset reference value and transmitting the communication message;
step c of measuring a second stack voltage at a second measurement time after the first measurement time; and
d step of calculating a stack voltage change rate using the first stack voltage and the second stack voltage, classifying the case based on the stack voltage change rate, and transmitting the communication message;
Voltage control method of fuel cell stack.
 제11항에 있어서,
상기 기준값은,
상기 OCV 전압보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 11,
The reference value is
Characterized in that it is set smaller than the OCV voltage,
Voltage control method of fuel cell stack.
 제11항에 있어서,
상기 b 단계는,
상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값보다 낮은 경우 상기 가능성이 가장 낮은 것으로 판단하여 제1 케이스로 분류하고, 상기 제1 스택 전압이 기 설정된 기준값 이상인 경우 상기 가능성이 가장 높은 것으로 판단하여 제2 케이스로 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 11,
In step b,
When the first stack voltage is lower than the preset reference value, the probability is determined to be the lowest and classified as the first case, and when the first stack voltage is greater than the preset reference value, the probability is determined to be the highest and the probability is classified as the second case. characterized by classifying
Voltage control method of fuel cell stack.
 제13항에 있어서,
상기 d 단계는,
상기 스택 전압 변화율이 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우 상기 가능성이 상기 제1 케이스보다는 높고 상기 제2 케이스보다는 낮은 것으로 판단하여 제3 케이스로 분류하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 13,
In step d,
Characterized in that, when the stack voltage change rate is greater than or equal to a preset reference change rate, the possibility is determined to be higher than the first case and lower than the second case and classified as a third case.
Voltage control method of fuel cell stack.
 제14항에 있어서,
상기 제어 단계는,
상기 제1 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우를 제외하고, 상기 제2 케이스와 상기 제3 케이스의 통신 메시지를 전달받은 경우에는, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기량, 수소량 중 적어도 하나를 조정하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 14,
The control step is
Adjusting at least one of the amount of air and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack when the communication messages of the second case and the third case are received except when the communication message of the first case is received characterized in that,
Voltage control method of fuel cell stack.
 제9항에 있어서,
상기 통신은, CAN 통신이고,
상기 전송 단계는,
상기 통신 메시지의 전송 우선순위를 상기 CAN 통신의 메시지 ID를 상기 케이스별로 할당하여 가변하는 것을 특징으로 하는,
연료 전지 스택의 전압 제어 방법.
According to claim 9,
The communication is CAN communication,
In the transmission step,
Characterized in that the transmission priority of the communication message is varied by allocating the message ID of the CAN communication for each case.
Voltage control method of fuel cell stack.
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