KR20230077495A - 연료전지시스템 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지시스템의 운전을 제어하는 연료전지시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 스택, 상기 스택을 작동시키는 운전장치 및 상기 스택과 상기 운전장치를 제어하는 연료전지 제어기로 구성되는 연료전지시스템, 상기 스택에서 출력되는 전력으로 저전압 배터리를 충전하는 제1 전력변환기, 상기 스택에서 출력되는 전력으로 고전압 배터리를 충전하는 제2 전력변환기, 및 상기 연료전지시스템의 시동 또는 정지 시 상기 제1 전력변환기 또는 상기 제2 전력변환기를 작동시켜 상기 저전압 배터리 또는 상기 고전압 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 운전장치에 구동 전력을 공급하도록 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지시스템 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 연료전지시스템의 운전을 제어하는 연료전지시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
발전, 선박 및 항공 등의 분야에는 MW(Mega Watt)급 이상의 대용량 발전 시스템이 요구된다. 연료전지시스템을 활용하여 대용량 발전 시스템을 구현하기 위해서는 다수의 연료전지시스템을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 구성할 수 있다. 그러나, 다수의 연료전지시스템을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 구성하는 경우, 스택의 절연 저항 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 연료전지시스템의 시동 및 정지 시 연료전지 운전장치(Balance of Plant, BOP)의 구동에 필요한 전력 공급을 제어하는 연료전지시스템 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지시스템 제어 장치는 스택, 상기 스택을 작동시키는 운전장치 및 상기 스택과 상기 운전장치를 제어하는 연료전지 제어기로 구성되는 연료전지시스템, 상기 스택과 저전압 배터리 사이에 위치하며 양방향 저전압 DC/DC 컨버터로 구성되는 제1 전력변환기, 상기 스택과 고전압 배터리 사이에 위치하며 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 포함하는 제2 전력변환기, 및 상기 연료전지시스템의 시동 또는 정지 시 상기 제1 전력변환기 또는 상기 제2 전력변환기의 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 작동시켜 상기 저전압 배터리 또는 상기 고전압 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 운전장치에 구동 전력을 공급하도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 연료전지시스템의 초기 시동 시 상기 제1 전력변환기를 승압 모드로 작동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전력변환기는, 상기 저전압 배터리에 저장된 전기에너지를 승압하여 상기 운전장치에 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 연료전지시스템의 시동이 완료되면 상기 제1 전력변환기의 작동 모드를 상기 승압 모드에서 감압 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전력변환기는, 상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 감압하여 저전압 부하에 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 전력변환기는, 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 변압기를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 연료전지시스템 정지 시 저온 상황인지를 확인하고, 상기 저온 상황으로 확인되면 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 상기 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈의 승압 동작을 중지시키고, 상기 고전압 배터리를 방전 모드로 작동시키고, 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 이용하여 상기 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 감압하여 상기 운전장치에 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 제어기는, 상기 저온 상황이 아닌 경우 또는 상기 저온 상황에서 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거하고 상기 스택에 공급되는 공기 및 수소를 차단하도록 상기 운전장치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 스택, 운전장치 및 연료전지 제어기로 구성되는 연료전지시스템을 제어하는 연료전지시스템 제어 방법은 제어기가 상기 연료전지시스템의 시동 절차 또는 정지 절차를 시작하는 단계, 상기 제어기가 상기 시동 절차 또는 상기 정지 절차 시작에 기반하여 양방향 저전압 DC/DC 컨버터로 구성되는 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기의 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 작동시키는 단계, 및 상기 제1 전력변환기 또는 상기 제2 전력변환기의 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈이 저전압 배터리 또는 고전압 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 운전장치에 구동 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기를 작동시키는 단계는, 상기 제어기가 상기 시동 절차 시작 시 상기 제1 전력변환기를 승압 모드로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 운전장치에 구동 전력을 공급하는 단계는, 상기 제1 전력변환기가 상기 저전압 배터리에 저장된 전기에너지를 승압하여 상기 운전장치에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지시스템 제어 방법은, 상기 제어기가 상기 연료전지시스템 시동 완료 시 상기 제1 전력변환기의 작동 모드를 상기 승압 모드에서 감압 모드로 전환하는 단계, 및 상기 제1 전력변환기가 상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 감압하여 저전압 부하에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지시스템 제어 방법은, 상기 제어기가 상기 제2 전력변환기 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈을 승압 모드로 작동시키는 단계, 및 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 상기 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈이 상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 승압하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기를 작동시키는 단계는, 상기 제어기가 상기 정지 절차 시작 시 저온 상황인지를 확인하는 단계, 상기 저온 상황으로 확인되면, 상기 제어기가 상기 제2 전력변환기 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈의 승압 동작을 중지시키는 단계, 상기 제어기가 상기 고전압 배터리를 방전 모드로 작동시키는 단계, 및 상기 제어기가 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈의 감압 동작을 개시하는 단계, 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈이 상기 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 감압하여 상기 운전장치에 공급하는 단계, 상기 운전장치가 상기 연료전지 제어기의 제어 하에 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거하는 단계, 및 상기 운전장치가 상기 스택에 공급되는 공기 및 수소를 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지시스템 제어 방법은, 상기 저온 상황이 아닌 경우 또는 상기 저온 상황에서 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거한 후, 상기 연료전지 제어기가 상기 스택에 공급되는 공기 및 수소를 차단하도록 상기 운전장치를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지시스템 시동 시에는 양방향 저전압 컨버터를 이용하여 연료전지 운전장치에 필요한 전력을 공급하고, 연료전지시스템 정지 시에는 절연형 컨버터 내 단일 양방향 컨버터를 이용하여 연료전지 운전장치에 전력을 공급하므로, 스택의 절연 저항 특성이 저하되는 문제를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지시스템 제어 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지시스템 시동 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지시스템 정지 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지시스템 제어 장치를 도시한 블록구성도이다.
연료전지시스템 제어 장치는 연료전지시스템(110)에서 발전되는 전기에너지(전력)를 이용하여 작동하는 전기 시스템(예: 선박 제어 시스템, 열차 제어 시스템, 항공 제어 시스템 및 대용량 발전 시스템 등)에 장착될 수 있다. 연료전지시스템 제어 장치는 연료전지시스템(110)의 시동(start), 동작(run) 및 정지(stop 또 shutdown) 등을 제어할 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료전지시스템 제어 장치는 연료전지시스템(110), 제1 전력변환기(120), 제2 전력변환기(130) 및 제어기(140) 등을 포함할 수 있다.
연료전지시스템(110)은 연료전지 스택(이하, 스택)(111), 운전장치(Balance of Plant, BOP)(112) 및 연료전지 제어기(113) 등을 포함할 수 있다.
스택(111)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지(즉, 전력)를 생산할 수 있다. 스택(111)은 2개의 촉매 전극 즉, 애노드(anode, 양극)와 캐소드(cathode, 음극)를 포함할 수 있다. 수소(hydrogen)와 산소(oxygen)가 애노드와 캐소드로 각각 공급되면, 애노드는 수소를 양자(protons) 즉, 수소 이온과 전자(electrons)로 분리할 수 있다. 수소 이온은 전해질층을 거쳐 캐소드로 이동하고, 캐소드에서 수소 이온이 산소와 결합하여 물(H2O)을 생성할 수 있다. 전자는 외부 회로를 거치며 전류를 발생시킬 수 있다.
운전장치(112)는 스택(111)을 작동시키기 위하여 필요한 서브 시스템들로, 스택(111)의 주변에 장착될 수 있다. 운전장치(112)는 스택(111)에서 생산되는 전기에너지를 직접 공급받거나 저전압 배터리(LV BATT)에 저장된 전기에너지를 공급받아 작동할 수 있다. 이러한 운전장치(112)는 공기공급시스템(Air Process System, APS), 수소공급시스템(Fuel Process System, FPS) 및 열관리시스템(Thermal Management System, TMS) 등을 포함할 수 있다. APS는 스택(111)에 수소와 반응할 공기(즉, 산소)를 공급하는 시스템으로, 에어클리너 및 공기공급기(Air Blower 또는 Air compressor) 등을 포함할 수 있다. FPS는 스택(111)에 수소를 공급하는 시스템으로, 수소 탱크, 압력 조절기 및 수소재순환기 등을 포함할 수 있다. TMS는 스택(111) 내 전기화학반응으로 인해 발생되는 열을 관리하여 스택(111)이 적절한 온도를 유지하도록 하는 시스템으로, 라디에이터, 물펌프, 이온 필터 및 물탱크 등을 포함할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 내부 및/또는 외부에 위치하는 메모리를 포함할 수도 있다. 메모리는 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 명령어들을 저장하는 저장매체(non-transitory storage medium)일 수 있다. 메모리는 하드디스크(hard disk), SSD(Solid State Disk), eMMC(embedded multimedia card), 및/또는 UFS(universal flash storage) 등과 같은 저장매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), DSP(Digital Signal Processor), PLD(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), CPU(Central Processing unit), 마이크로컨트롤러(microcontrollers) 및/또는 마이크로프로세서(microprocessors) 등의 처리장치 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)를 제어하여 스택(111)에 연료(즉, 수소) 및/또는 공기를 공급하거나 차단할 수 있다. 또한, 연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)를 제어하여 스택(111)에 공급되는 수소량 및/또는 공기량을 조절할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 스택(111) 및/또는 운전장치(112)에 설치되는 각종 센서들(예: 온도 센서, 전압 센서, 전류 센서 및/또는 유량 센서 등)을 이용하여 스택(111) 및/또는 운전장치(112)의 상태를 모니터링할 수 있다.
제1 전력변환기(120)는 저전압 배터리(LV BATT)(예: 12V 배터리)에 저장된 전기에너지를 이용하여 운전장치(112) 및/또는 저전압 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이때, 저전압 배터리(LV BATT)는 방전 모드로 작동할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 승압(boost) 모드 또는 감압(buck) 모드로 작동할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 승압 모드로 작동 시 저전압 배터리(LV BATT)에 저장된 전기에너지를 고전압으로 변환하여 운전장치(112)에 공급할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 감압 모드로 작동 시 저전압 배터리(LV BATT)에 저장된 전기에너지를 저전압으로 변환하여 전기 시스템 내 장착된 저전압 부하에 공급할 수 있다.
제1 전력변환기(120)는 연료전지시스템(110)의 스택(111)에서 생산되는 전기에너지를 이용하여 저전압 배터리(LV BATT)를 충전할 수 있다. 이때, 저전압 배터리(LV BATT)는 충전 모드로 작동할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 저전압 배터리(LV BATT)가 충전 모드로 작동 시 감압 모드로 작동하여 스택(111)에서 출력되는 고전압의 전기에너지를 저전압의 전기에너지로 변환하여 저전압 배터리(LV BATT)에 저장할 수 있다. 또한, 제1 전력변환기(120)는 감압 모드로 작동하여 스택(111)에서 출력되는 고전압의 전기에너지를 저전압의 전기에너지로 변환하여 전기 시스템 내 저전압 부하에 공급할 수 있다.
제1 전력변환기(120)는 양방향 저전압 DC/DC 컨버터(Bidirectional Low Voltage DC(direct current) to DC Converter, BLDC)로 구현될 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 연료전지시스템(110) 초기 시동(기동) 시 저전압 배터리(LV BATT)에저장된 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)에 구동 전력을 공급할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 연료전지시스템(110) 시동 완료 후 저전압 배터리(LV BATT)에저장된 전기에너지를 이용하여 저전압 전장부품(12V 전장부품)에 구동 전력을 공급할 수 있다.
제2 전력변환기(130)는 스택(111)에서 출력되는 전기에너지를 고전압의 전기에너지로 변환하여 출력할 수 있다. 제2 전력변환기(130)는 변환된 고전압의 전기에너지를 고전압 배터리(HV BATT)(예: 수백 볼트(V) 이상의 배터리)에 전달(공급)하거나 인버터(IVN)를 통해 모터(M)에 공급할 수 있다.
제2 전력변환기(130)는 절연형 DC/DC 컨버터로, 적어도 하나의 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131), 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈들(132 및 133) 및 변압기(134) 등을 포함할 수 있다. 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)은 양방향 DC/DC 컨버터 회로로 구성되어 승압 모드 또는 감압 모드로 작동할 수 있다. 단방향 DC/DC 컨버터 모듈들(132 및 133)은 직렬 및/또는 병렬로 연결되며, 각각은 승압형 DC/DC 컨버터 회로로 구성되어 승압 모드로 작동할 수 있다. 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)의 출력측 커패시터에는 다이오드(D1)와 스위치(SW)가 쌍을 이루어 구성되므로, 전기에너지가 양방향으로 흐를 수 있다. 단방향 DC/DC 컨버터 모듈(132 또는 133)의 출력측 커패시터에는 하나의 다이오드(D2 또는 D3)가 직렬로 연결되어 전기에너지가 단방향으로만 흐를 수 있다. 제2 전력변환기(130) 내 DC/DC 컨버터 모듈(131 내지 133)의 개수는 연료전지시스템의 전력 용량에 비례할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)을 포함한 전기 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어기(140)는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 내부 및/또는 외부에 위치하는 메모리를 포함할 수도 있다. 메모리는 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 명령어들을 저장하는 저장매체일 수 있다. 메모리는 하드디스크, SSD, eMMC, 및/또는 UFS 등과 같은 저장매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 ASIC, DSP, PLD, FPGA, CPU, 마이크로컨트롤러 및/또는 마이크로프로세서 등의 처리장치 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
제어기(140)는 전기 시스템 시동 또는 정지 시 연료전지시스템(110)의 시동 또는 정지(셧다운) 절차를 수행할 수 있다. 제어기(140)는 전기 시스템의 시동 또는 정지를 감지하면, 연료전지시스템(110)에 시동 명령 또는 정지 명령을 전송할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지 제어기(113)로부터 시동 명령에 대한 응답을 수신하면, 제1 전력변환기(120)의 작동 모드를 승압 모드로 하여 작동시킬 수 있다. 제1 전력변환기(120)가 승압 모드로 작동됨에 따라, 연료전지시스템(110)은 저전압 배터리(LV BATT)의 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)를 기동시켜 스택(111)을 활성화할 수 있다. 운전장치(112)는 스택(111)에 공기 및 수소를 공급하여 스택(111)의 웜업(warm-up)을 개시할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 시동이 완료됨을 인식할 수 있다. 다시 말해서, 제어기(140)는 스택(111)의 웜업이 완료되면 연료전지시스템(110)의 시동 완료를 결정할 수 있다. 제어기(140)는 스택(111)의 웜업 완료 여부를 연료전지 제어기(113)로부터 제공받을 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 시동이 완료되면 제1 전력변환기(120)의 작동 모드를 승압 모드에서 감압 모드로 전환할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 감압 모드로 천이됨에 따라 스택(111)에서 출력되는 전기에너지를 이용하여 저전압 배터리(LV BATT)를 충전하거나 12V 전장품에 구동 전력을 공급할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 시동이 완료되면, 제2 전력변환기(130)를 승압 모드로 작동시켜 연료전지시스템(110)에서 발전되는 전기에너지를 이용하여 전기 시스템에 구동 전력을 공급할 수 있다. 연료전지시스템(110)이 활성화된 후, 제어기(140)는 연료전지시스템(110)에서 발전되는 전기에너지를 승압하여 전기 시스템에 공급하도록 제2 전력변환기(130)를 제어할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지 제어기(113)로부터 정지 명령에 대한 응답(예: ACK(acknowledge character))을 수신하면, 수신된 응답에 기반하여 저온 상황에서의 연료전지시스템(110) 정지인지를 확인할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 온도 센서를 이용하여 외부 온도를 측정하고, 측정된 외부 온도가 기정의된 임계 온도 미만이면 저온 상황으로 판단할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 제어기(140)의 정지 명령에 대한 응답 메시지(ACK 메시지) 전송 시 저온 상황 판단 결과를 함께 전송할 수 있다.
제어기(140)는 저온 상황이면, 저온 셧다운 절차에 따라 연료전지시스템(110)을 정지시킬 수 있다. 제어기(140)는 제2 전력변환기(130) 내 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈(132 및 133)의 승압 모드로 작동을 중지시킬 수 있다. 또한, 제어기(140)는 스택(111)의 출력도 정지시킬 수 있다.
제어기(140)는 고전압 배터리(HV BATT)를 방전 모드로 작동시키고, 제2 전력변환기(130) 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)의 작동 모드를 승압 모드에서 감압 모드로 전환할 수 있다. 제어기(140)는 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)이 고전압 배터리(HV BATT)에 저장된 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다. 제어기(140)는 연료전지 제어기(113)가 운전장치(112)를 작동시켜 스택(111) 내 잔존 물질을 제거하도록 제어할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 제어기(140)의 지시에 따라 스택(111)에 공급되는 공기 및 수소를 차단하도록 운전장치(112)를 제어할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 정지가 완료되면 전기 시스템의 정지를 완료할 수 있다. 연료전지시스템(110)은 스택(111) 내 잔존 물질 제거가 완료되면 정지 완료를 결정하고, 연료전지시스템(110)의 정지 완료를 나타내는 메시지를 제어기(140)에 전송할 수 있다. 제어기(140)는 연료전지시스템(110)으로부터 수신된 메시지를 통해 연료전지시스템(110)의 정지 완료를 확인할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지시스템 시동 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 제어기(140)는 전기 시스템을 시동할 수 있다(S100). 제어기(140)는 외부 또는 내부에서 발생되는 시동 이벤트를 감지하면 전기 시스템을 시동할 수 있다. 제어기(140)는 전기 시스템의 시동을 나타내는 메시지(또는 신호)를 연료전지시스템(110)에 전송할 수 있다.
연료전지시스템(110)의 연료전지 제어기(113)는 전기 시스템이 시동되면 연료전지시스템(110)을 시동할 수 있다(S110). 연료전지 제어기(113)는 제어기(140)의 지시에 따라 연료전지시스템(110)의 시동 절차를 시작할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 냉시동(cold start) 여부를 확인할 수 있다(S120). 연료전지 제어기(113)는 냉시동 여부 확인이 완료되면 이를 알리는 메시지(또는 신호)를 제어기(140)에 전송할 수 있다.
제어기(140)는 제1 전력변환기(120)를 승압 모드로 작동시켜 운전장치(112)에 전력을 공급할 수 있다(S130). 제1 전력변환기(120)는 저전압 배터리(LV BATT)에 저장된 전기에너지를 승압하여 운전장치(112)에 공급할 수 있다. 제1 전력변환기(120)는 양방향 저전압 DC/DC 컨버터로 구현될 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 제어기(140)의 지시 하에 운전장치(112)를 제어하여 스택(111)에 공기 및 수소를 공급할 수 있다(S140). 제어기(140)는 운전장치(112)에 전력이 공급되면, 연료전지 제어기(113)에 공기 및 수소 공급을 지시할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)를 제어하여 스택(111)에 공기 및 수소를 공급하고, 스택(111)은 공기 및 수소를 이용하여 웜업을 시작할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 시동을 완료할 수 있다(S150). 연료전지 제어기(113)는 스택(111)의 웜업이 완료되면 연료전지시스템(110)의 시동 완료를 결정할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 시동 완료를 나타내는 메시지를 제어기(140)에 전송할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 시동이 완료되면 제1 전력변환기(120)의 작동 모드를 승압 모드에서 감압 모드로 전환할 수 있다(S160). 제1 전력변환기(120)는 작동 모드가 감압 모드로 전환되면 스택(111)에서 출력되는 전기에너지를 이용하여 저전압 배터리(LV BATT)를 충전하거나 전기 시스템 내 저전압 부하에 구동 전력을 공급할 수 있다.
제어기(140)는 제2 전력변환기(130)를 승압 모드로 작동시켜 전기 시스템에 전력을 공급할 수 있다(S170). 제2 전력변환기(130)는 스택(111)에서 출력되는 전기에너지를 승압하여 전기 시스템에 공급할 수 있다.
상기한 실시 예에 따르면, 연료전지시스템(110) 초기 시동 시 스택(111)을 활성화하기 위해 운전장치(112)에 전력 공급이 필요하게 되는데, 이때, 연료전지시스템 제어 장치는 고전압 배터리(HV BATT)에 저장된 전기에너지를 이용할 수 없으므로 저전압 배터리(LV BATT)에 저장된 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)를 작동시켜 스택(111)의 활성화를 진행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지시스템 정지 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
제어기(140)는 전기 시스템의 작동을 정지할 수 있다(S200). 제어기(140)는 외부 또는 내부에서 발생되는 정지 이벤트를 감지하면 전기 시스템을 정지(셧다운)할 수 있다. 제어기(140)는 전기 시스템의 정지를 나타내는 메시지를 연료전지시스템(110)의 연료전지 제어기(113)에 전송할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 정지 절차를 시작할 수 있다(S210). 연료전지 제어기(113)는 제어기(140)의 지시 하에 정지 절차를 시작할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 저온 상황인지를 확인할 수 있다(S220). 연료전지 제어기(113)는 확인된 저온 상황 여부를 확인 결과로 제어기(140)에 전송할 수 있다. 연료전지 제어기(113)는 온도 센서를 통해 외부 온도를 측정하고, 측정된 외부 온도가 기정의된 임계 온도 미만이면 저온 상황으로 판단할 수 있다.
제어기(140)는 저온 상황으로 확인되면 저온 셧다운 절차를 개시할 수 있다(S230). 제어기(140)는 연료전지 제어기(113)로부터 수신한 확인 결과에 기반하여 저온 상황인지를 확인할 수 있다. 제어기(140)는 저온 상황에서 연료전지시스템(110)의 정지가 시작되는 경우, 기정해진 저온 셧다운 절차에 따라 연료전지시스템(110)의 정지(셧다운)를 수행할 수 있다.
제어기(140)는 제2 전력변환기(130)의 승압 동작 및 스택(111)의 출력을 중지할 수 있다(S240). 제어기(140)는 제2 전력변환기(130) 내 다수의 DC/DC 컨버터 모듈들(131 내지 133)이 승압 모드로 작동하는 것을 중지시킬 수 있다. 또한, 제어기(140)는 연료전지 제어기(113)에 요청하여 스택(111)의 출력을 중단시킬 수도 있다.
이후, 제어기(140)는 고전압 배터리(HV BATT)를 작동시키며 제2 전력변환기(130)의 작동 모드를 승압 모드에서 감압 모드로 전환할 수 있다(S250). 제어기(140)는 제2 전력변환기(130) 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)의 작동 모드를 승압 모드에서 감압 모드로 전환할 수 있다.
제어기(140)는 제2 전력변환기(130)를 이용하여 운전장치(112)에 전력을 공급할 수 있다(S260). 제2 전력변환기(130)의 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)은 고전압 배터리(HV BATT)의 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)에 구동 전력을 공급할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)를 제어하여 스택(111) 내 잔존하는 물질들을 제거할 수 있다(S270). 연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)에 전력이 공급되면 운전장치(112)가 스택(111) 내 잔존하는 물질을 제거하도록 제어할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 스택(111)에 공급되는 공기 및 수소를 차단할 수 있다(S280). 연료전지 제어기(113)는 운전장치(112)의 동작을 제어하여 스택(111)으로의 공기 및 수소 공급을 차단할 수 있다.
연료전지 제어기(113)는 연료전지시스템(110)의 정지 완료를 확인할 수 있다(S290). 연료전지 제어기(113)는 스택(111) 내 잔존하는 물질이 제거되고, 스택(111)으로의 공기 및 수소 공급이 중단되면, 스택(111)의 발전이 정지된 것으로 판단하여 연료전지시스템(110)의 정지 완료를 결정할 수 있다.
제어기(140)는 연료전지시스템(110)의 정지가 완료되면 전기 시스템의 정지를 완료할 수 있다(S300).
S220에서, 연료전지 제어기(113)는 저온 상황이 아닌 경우, 운전장치(112)를 제어하여 스택(111)으로의 공기 및 수소 공급을 차단하여 연료전지시스템(110)을 정지시킬 수 있다(S280 및 S290). 제어기(140)는 연료전지시스템(110)이 정지됨에 따라 전기 시스템을 정지시킬 수 있다.
상기한 실시 예에 따르면, 기존에 다중 모듈로 구성되는 제2 전력변환기(130)의 구성을 활용하여 제2 전력변환기(130)를 구성하는 다중의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈 중 어느 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈을 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)로 변경 설계함으로써, 저온에서 연료전지시스템(110) 정지 시 해당 양방향 DC/DC 컨버터 모듈(131)을 이용하여 운전장치(112)에 전력을 공급할 수 있다. 이로써, 별도의 컨버터를 추가하거나 전체 컨버터 회로 및 제어 로직을 변경하지 않고 저온 구간에서 연료전지시스템(110) 정지 시 고전압 배터리(HV BATT)에 저장된 전기에너지를 이용하여 운전장치(112)에 전력을 공급할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 스택, 상기 스택을 작동시키는 운전장치 및 상기 스택과 상기 운전장치를 제어하는 연료전지 제어기로 구성되는 연료전지시스템;
    상기 스택과 저전압 배터리 사이에 위치하며 연결되며 양방향 저전압 DC/DC 컨버터로 구성되는 제1 전력변환기;
    상기 스택와 고전압 배터리 사이에 위치하며 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 포함하는 제2 전력변환기; 및
    상기 연료전지시스템의 시동 또는 정지 시 상기 제1 전력변환기 또는 상기 제2 전력변환기의 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 작동시켜 상기 저전압 배터리 또는 상기 고전압 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 운전장치에 구동 전력을 공급하도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지시스템의 초기 시동 시 상기 제1 전력변환기를 승압 모드로 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전력변환기는,
    상기 저전압 배터리에 저장된 전기에너지를 승압하여 상기 운전장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지시스템의 시동이 완료되면 상기 제1 전력변환기의 작동 모드를 상기 승압 모드에서 감압 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 전력변환기는,
    상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 감압하여 저전압 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전력변환기는,
    적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 변압기를 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지시스템 정지 시 저온 상황인지를 확인하고,
    상기 저온 상황으로 확인되면 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 상기 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈의 승압 동작을 중지시키고,
    상기 고전압 배터리를 방전 모드로 작동시키고,
    상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 이용하여 상기 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 감압하여 상기 운전장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 저온 상황이 아닌 경우 또는 상기 저온 상황에서 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거한 후, 상기 스택에 공급되는 공기 및 수소를 차단하도록 상기 운전장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 장치.
  8. 스택, 운전장치 및 연료전지 제어기로 구성되는 연료전지시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    제어기가 상기 연료전지시스템의 시동 절차 또는 정지 절차를 시작하는 단계;
    상기 제어기가 상기 시동 절차 또는 상기 정지 절차 시작에 기반하여 양방향 저전압 DC/DC 컨버터로 구성되는 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기의 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 작동시키는 단계; 및
    상기 제1 전력변환기 또는 상기 제2 전력변환기의 상기 단일 양방향 저전압 DC/DC 컨버터가 저전압 배터리 또는 고전압 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 운전장치에 구동 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기를 작동시키는 단계는,
    상기 제어기가 상기 시동 절차 시작 시 상기 제1 전력변환기를 승압 모드로 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 운전장치에 구동 전력을 공급하는 단계는,
    상기 제1 전력변환기가 상기 저전압 배터리에 저장된 전기에너지를 승압하여 상기 운전장치에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어기가 상기 연료전지시스템 시동 완료 시 상기 제1 전력변환기의 작동 모드를 상기 승압 모드에서 감압 모드로 전환하는 단계; 및
    상기 제1 전력변환기가 상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 감압하여 저전압 부하에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어기가 상기 제2 전력변환기 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈을 승압 모드로 작동시키는 단계; 및
    상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 상기 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈이 상기 스택에서 발전되는 전기에너지를 승압하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전력변환기 또는 제2 전력변환기를 작동시키는 단계는,
    상기 제어기가 상기 정지 절차 시작 시 저온 상황인지를 확인하는 단계;
    상기 저온 상황으로 확인되면, 상기 제어기가 상기 제2 전력변환기 내 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 및 적어도 하나의 단방향 DC/DC 컨버터 모듈의 승압 동작을 중지시키는 단계;
    상기 제어기가 상기 고전압 배터리를 방전 모드로 작동시키는 단계;
    상기 제어기가 상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈의 감압 동작을 개시하는 단계;
    상기 단일 양방향 DC/DC 컨버터 모듈이 상기 고전압 배터리에 저장된 전기에너지를 감압하여 상기 운전장치에 공급하는 단계; 및
    상기 운전장치가 상기 연료전지 제어기의 제어 하에 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 저온 상황이 아닌 경우 또는 상기 저온 상황에서 상기 스택 내 잔존하는 물질을 제거한 후, 상기 연료전지 제어기가 상기 스택에 공급되는 공기 및 수소를 차단하도록 상기 운전장치를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어 방법.
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