KR20230077442A - 연료전지의 전력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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성병준
장상필
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현대자동차주식회사
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Abstract

전력을 발전하는 연료전지; 연료전지와 전기적으로 연결된 부하 장치; 연료전지와 부하 장치 사이에 배치되며, 연료전지에 전기적으로 연결된 로우 사이드(Low side)와 부하 장치에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 DC/DC 컨버터; 부하 장치와 병렬로 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)에 전기적으로 연결된 배터리; 및 부하 장치, 배터리 또는 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압을 모니터링하고, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 전력 제어 시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 전력 제어 시스템 및 방법 {POWER CONTROL SYSTEM AND METHOD OF FUELCELL}
본 발명은 연료전지 스택, 배터리 및 부하 장치가 연결된 연료전지의 전력 회로의 전압을 일정 수준으로 유지하는 연료전지의 전력 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다. 최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 연료 공급장치가 포함된다. 즉, 연료전지 스택의 공기극(Cathode)에는 산소가 포함된 공기를 공급하고, 연료전지 스택의 수소극(Anode)에는 수소를 공급하는 것이다.
고체 고분자 연료전지(Proton Exchange Membrane / Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 산소와 수소의 화학반응으로 전기를 발생시키고 부가적으로 열과 물을 생성한다. 고체 고분자 연료전지의 화학 반응식은 아래와 같다.
Figure pat00001
중량이 무겁고 주행거리가 긴 점에서 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 상용차의 경우, 배터리만으로는 차량의 요구 성능을 충족하기 어려워 연료전지 시스템이 해결방안으로 떠오르고 있다.
상용차의 구동시스템 및 기타 전동화 시스템은 상대적으로 고전압의 전압 범위에 맞추어진 대용량 시스템이 적용되며, 배터리의 전압 범위 역시 이에 맞추어 적용된다. 다만, 연료전지의 경우에는 출력 전압을 상승시키기 위해서 증가되는 스택에 의해 패키지 측면에서 불리한 점 및 부품의 공용화가 어려운 점 등을 고려하여 상대적으로 저전압을 출력하는 스택이 사용되며, 연료전지의 출력 전압을 승압하기 위한 DC/DC 컨버터가 이용된다.
연료전지와 부하 장치 사이에 배치되는 DC/DC 컨버터는 High side의 전압이 Low side의 전압보다 항상 높게 유지되어야 하며, 반대로 High side의 전압이 Low side의 전압보다 낮아지는 역전 현상이 발생하는 경우에는 Low side에서 High side로 전류가 그대로 바이패스되어 흐르면서 DC/DC 컨버터의 손상을 야기한다.
이러한 문제를 방지하기 위하여, High side의 최소 전압을 Low side에 위치된 연료전지의 최대 전압보다 증가시키기 위하여 High side에 위치된 배터리의 모듈 수를 증가시킨 시스템이 적용되었다. 그러나, 배터리의 열화에 의해 전압 변동이 확대되거나, 또는 부하 장치의 회생 제동시 순간적인 배터리의 전압 상승에 의해 배터리의 최대 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 전압을 초과하는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2019-0051329 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압이 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압을 초과하지 않도록 부하 장치의 회생 제동 전력을 제어하는 연료전지의 전력 제어 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 전력 제어 시스템은 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지와 전기적으로 연결된 부하 장치; 연료전지와 부하 장치 사이에 배치되며, 연료전지에 전기적으로 연결된 로우 사이드(Low side)와 부하 장치에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 DC/DC 컨버터; 부하 장치와 병렬로 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)에 전기적으로 연결된 배터리; 및 부하 장치, 배터리 또는 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압을 모니터링하고, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 제어기;를 포함한다.
제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
부하 장치는 회생 제동 가능한 모터이고, 제어기는 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치의 회생 제동 전력을 제어할 수 있다.
제어기는 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치를 제어할 수 있다.
제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
제어기는 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치를 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 전력 제어 방법은 DC/DC 컨버터가 연료전지와 연결된 로우 사이드(Low side)와 부하 장치 및 배터리와 연결된 하이 사이드(High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 단계; DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)에 연결된 부하 장치, 배터리 또는 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 단계;를 포함한다.
전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
부하 장치는 회생 제동 가능한 모터이고, 전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치의 회생 제동 전력을 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치를 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 전력 제어 시스템 및 방법에 따르면, DC/DC 컨버터에 전압 역전 현상이 발생하지 않도록 방지하면서, DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압을 초과하지 않도록 방지할 수 있다.
이에 따라, DC/DC 컨버터의 내구성을 향상시키고, 고가인 전동 부품의 고장을 사전에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 정상적인 컨버팅을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 역전 현상의 컨버팅을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 양측 전압에 따른 회상제동전력을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 제어 방법의 순서도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 전력 제어 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 전력 제어 시스템은 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)와 전기적으로 연결된 부하 장치(20); 연료전지(10)와 부하 장치(20) 사이에 배치되며, 연료전지(10)에 전기적으로 연결된 로우 사이드(32, Low side)와 부하 장치(20)에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 DC/DC 컨버터(30); 부하 장치(20)와 병렬로 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)에 전기적으로 연결된 배터리(40); 및 부하 장치(20), 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 모니터링하고, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치(20)로 입력되거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 제어하는 제어기;를 포함한다.
연료전지(10)는 복수의 셀이 적층된 연료전지(10) 스택(Stack)일 수 있고, 연료전지(10) 스택에 포함된 각 셀은 수소극(Anode)으로 수소를 공급 받고, 산소극(Cathode)으로 산소가 포함된 공기를 공급 받아 전력을 발전할 수 있다.
연료전지(10) 스택은 내부에 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함할 수 있다.
부하 장치(20)는 연료전지(10)와 전기적으로 연결된 전력 소모장치로, 연료전지(10)에서 발전한 전력을 공급 받을 수 있다. 특히, 부하 장치(20)는 요구 전력의 대부분을 연료전지(10)로부터 공급 받고, 배터리(40)는 에너지 버퍼 역할로 부족한 전력을 보충하거나 잉여 전력을 저장할 수 있다.
일 실시예로, 부하 장치(20)는 차량의 구동모터일 수 있고, 이외에 연료전지(10) 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워 또는 공기 압축기이거나, 연료전지(10) 스택을 냉각하는 냉각수를 공급하는 냉각펌프이거나, 또는 COD 저항 등의 전력 소모장치 일 수 있다.
특히, 부하 장치(20)는 상용 차량에 적용되는 대용량 시스템의 장치일 수 있고, 이에 따라 부하 장치(20)의 작동 전압은 연료전지(10)의 출력 전압보다 상대적으로 높을 수 있다.
배터리(40)는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)에 전기적으로 연결되며, 특히 하이 사이드(31, High side)에 부하 장치(20)와 병렬로 연결되어 연료전지(10)와도 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 배터리(40)는 연료전지(10)에서 출력되어 부하 장치(20)로 공급되는 전력을 보조하거나, 또는 잉여 전력을 저장할 수 있다.
배터리(40)는 복수 개의 셀로 구성되어 전력을 충전하거나 방전할 수 있다. 또한, 하이 사이드(31, High side)에 전기적으로 연결된 배터리(40)는 입력 전압 또는 출력 전압이 연료전지(10)의 출력 전압보다 상대적으로 높을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(30)의 정상적인 컨버팅을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(30)의 역전 현상의 컨버팅을 도시한 것이다.
도 2 내지 3을 더 참조하면, DC/DC 컨버터(30)는 연료전지(10)와 부하 장치(20) 사이에 배치되어 연료전지(10)에 전기적으로 연결된 상대적으로 저전압인 로우 사이드(32, Low side)의 전압을 승압하여 부하 장치(20)에 전기적으로 연결된 하이 사이드(31, High side)로 공급할 수 있다.
DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압은 항상 로우 사이드(32, Low side)의 전압보다 적어도 50[V] 이상 높게 유지되어야 한다.
그러나 도 3에 도시한 것과 같이 로우 사이드(32, Low side)의 전압이 하이 사이드(31, High side)의 전압보다 높아지는 역전 현상이 발생하는 경우에는 로우 사이드(32, Low side)에서 하이 사이드(31, High side)로 흐르는 전류가 통제되지 않고 그대로 바이패스(Bypass)되며, 과도한 전류가 흐르는 경우 DC/DC 컨버터(30)의 손상을 초래할 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위하여, 부하 장치(20)의 작동 전압 및 배터리(40)의 입력/출력 전압의 최소값을 연료전지(10)의 출력 전압의 최대값보다 높게 설정할 수 있다. 다만, 이러한 경우에는 배터리(40)의 모듈 수를 늘려야 하고, 배터리(40)의 전체 전압 범위가 상승하게 되며, 배터리(40)의 최대 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 높아질 수 있는 문제가 발생한다.
또한, 배터리(40)가 열화되면 내부저항이 높아지게 되고, 충전/방전에 따른 전압 변화가 커지게 되며, 특히 기온이 낮고 SOC가 높을 경우 회생제동 시 순간적인 배터리(40) 전압 상승을 가져와 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압을 초과할 수 있다. 또한, 배터리(40) SOC에 따른 충전 전력을 제한하여 전압 상승을 방지할 수 있으나, 배터리(40) 열화도와 온도 변화에 따른 제어의 정확성이 떨어지게 된다.
따라서, 배터리(40) 전압을 높게 유지할 경우 일정 전압 이상으로 높아지지 않도록 전압을 모니터링하며 제어할 필요가 있다. 본 발명은 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 제어하여 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 일정 전압 이상으로 높아지지 않도록 방지하는데 목적이 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어기는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
제어기는 부하 장치(20), 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 모니터링할 수 있다. 일 실시예로, 제어기는 부하 장치(20) 또는 배터리(40)의 전압을 실시간으로 모니터링하거나, 또는 부하 장치(20) 또는 배터리(40)의 전압을 모니터링하는 장치로부터 전압 정보를 입력 받을 수 있다. 또는, 제어기는 DC/DC 컨버터(30)와 연결되어 하이 사이드(31, High side)의 전압을 모니터링할 수 있다.
여기서, 부하 장치(20)의 전압, 배터리(40)의 전압 및 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압은 모두 동일한 것으로 전제될 수 있다.
제어기는 모니터링한 부하 장치(20), 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 기반으로 부하 장치(20)로 입력되거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
일 실시예로, 제어기는 모니터링한 부하 장치(20), 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 높아지는 경우 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증가시키거나, 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시킴으로써 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 유지시키거나 하강시킬 수 있다.
일 실시예로, 제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치(20)로 입력되거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
특히, 제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압을 넘지 않도록 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증대시키거나, 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시키도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리(40)의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(30)의 양측 전압에 따른 회상제동전력을 도시한 것이다.
도 4를 더 참조하면, 부하 장치(20)는 회생 제동 가능한 모터이고, 제어기는 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 제어할 수 있다.
일 실시예로, 부하 장치(20)는 차량을 구동하는 구동모터, 압축기 모터 또는 펌프 모터일 수 있다. 모터는 회전 속도를 감속시키는 제동시에 전력을 발전하는 회생 제동 전력을 수행할 수 있고, 회생 제동시 모터에서 출력되는 전력은 배터리(40)를 충전할 수 있다.
다만, 모터의 회생 제동에 의해 발생되는 전력에 의해 배터리(40)가 충전되면서 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 상승될 수 있다. 제어기는 모니터링한 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 기반으로 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 제어할 수 있다.
특히, 제어기는 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치(20)의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다.
일 실시예로, 제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리(40)의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
기설정된 제1전압은 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 50[V] 만큼 낮은 전압으로 기설정될 수 있다. 제어기는 모니터링한 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 기설정된 제1전압보다 낮은 경우에는 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 최대한으로 발생시킬 수 있고, 모니터링한 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 기설정된 제1전압 이상인 경우에만 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 제한할 수 있다.
일 실시예로, 제어기는 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 기설정된 전력값(a)만큼 계속해서 감소시킬 수 있고, 특히 배터리(40)의 충전 전력이 0이 될 때까지 감소시킬 수 있다. 다른 실시예로, 제어기는 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 모니터링한 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 하강할 때까지 기설정된 전력값(a)만큼 계속해서 감소시킬 수 있다.
제어기는 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치(20)의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다.
여기서, 기설정된 제2전압은 기설정된 제1전압보다 상대적으로 높으면서 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압에 근접한 전압으로 기설정될 수 있다. 제어기는 모니터링한 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압이 최대 허용 전압에 근접한 경우에 부하 장치(20)의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 제어기는 회생 제동 전력을 완전히 중단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 전력 제어 방법의 순서도이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 전력 제어 방법은 DC/DC 컨버터(30)가 연료전지(10)와 연결된 로우 사이드(32, Low side)와 부하 장치(20) 및 배터리(40)와 연결된 하이 사이드(31, High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 단계(S100); DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)에 연결된 부하 장치(20), 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(30)의 하이 사이드(31, High side)의 전압을 모니터링하는 단계(S200); 및 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치(20)로 입력되거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 제어하는 단계(S400);를 포함한다.
전력을 컨버팅하는 단계(S100)는, DC/DC 컨버터(30)가 지속적으로 연료전지(10)의 전력을 부하 장치(20) 및 배터리(40)로 전력을 공급하도록 승압할 수 있다.
전력을 제어하는 단계(S400)에서는, 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치(20)로 입력되거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계(S410) 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계(S310);를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계(S410)에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리(40)의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
부하 장치(20)는 회생 제동 가능한 모터이고, 전력을 제어하는 단계(S400)에서는, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치(20)의 회생 제동 전력을 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계(S400)에서는, 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치(20)의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다.
전력을 제어하는 단계(S410) 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계(S310);를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계(S410)에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리(40)의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치(20)로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치(20)에서 출력되는 전력을 감소시킬 수 있다.
전력을 제어하는 단계(S420) 이전에, 모니터링한 전압을 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터(30)의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압과 비교하는 단계(S320);를 더 포함하고, 전력을 제어하는 단계(S420)에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치(20)의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치(20)를 제어할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 연료전지 20 : 부하 장치
30 : DC/DC 컨버터 40 : 배터리
50 : 제어기

Claims (14)

  1. 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지와 전기적으로 연결된 부하 장치;
    연료전지와 부하 장치 사이에 배치되며, 연료전지에 전기적으로 연결된 로우 사이드(Low side)와 부하 장치에 전기적으로 연결된 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 DC/DC 컨버터;
    부하 장치와 병렬로 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)에 전기적으로 연결된 배터리; 및
    부하 장치, 배터리 또는 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압을 모니터링하고, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    부하 장치는 회생 제동 가능한 모터이고,
    제어기는 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치의 회생 제동 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어기는 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    제어기는 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 시스템.
  8. DC/DC 컨버터가 연료전지와 연결된 로우 사이드(Low side)와 부하 장치 및 배터리와 연결된 하이 사이드(High side) 사이에서 전력을 컨버팅하는 단계;
    DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)에 연결된 부하 장치, 배터리 또는 DC/DC 컨버터의 하이 사이드(High side)의 전압을 모니터링하는 단계; 및
    모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압 이하로 유지되도록 부하 장치로 입력되거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    부하 장치는 회생 제동 가능한 모터이고,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압을 기반으로 부하 장치의 회생 제동 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 증가되면 부하 장치의 회생 제동 전력이 감소되도록 부하 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제1전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제1전압 이상이면 배터리의 충전 전력이 감소되도록 부하 장치로 입력되는 전력을 증가시키거나 또는 부하 장치에서 출력되는 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    전력을 제어하는 단계 이전에, 모니터링한 전압을 기설정된 제1전압보다 높으면서 DC/DC 컨버터의 최대 허용 전압보다 낮게 기설정된 제2전압과 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    전력을 제어하는 단계에서는, 모니터링한 전압이 기설정된 제2전압 이상이면 부하 장치의 회생 제동 토크가 0이 되도록 부하 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 제어 방법.
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