WO2015072653A1 - 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2015072653A1
WO2015072653A1 PCT/KR2014/007600 KR2014007600W WO2015072653A1 WO 2015072653 A1 WO2015072653 A1 WO 2015072653A1 KR 2014007600 W KR2014007600 W KR 2014007600W WO 2015072653 A1 WO2015072653 A1 WO 2015072653A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
load
parameter
voltage
converter
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/007600
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
최우진
탄 투안 응웬
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교산학협력단 filed Critical 숭실대학교산학협력단
Priority to CN201480011532.3A priority Critical patent/CN105008948B/zh
Priority to US14/767,573 priority patent/US9786937B2/en
Priority to EP14862007.3A priority patent/EP2952923B1/en
Publication of WO2015072653A1 publication Critical patent/WO2015072653A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • G01R31/386—Arrangements for measuring battery or accumulator variables using test-loads
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell power converter and a control method thereof capable of performing diagnosis and load leveling of a fuel cell.
  • Fuel Cell technology is one of the technologies that are attracting attention today as a new environmentally friendly future energy technology that generates electrical energy from abundantly present on earth such as hydrogen and oxygen.
  • the principle of the fuel cell is to convert the chemical energy of hydrogen and oxygen into electrical energy directly by electrochemical reaction. Oxygen is supplied to the cathode and hydrogen is supplied to the anode. As the chemical reaction proceeds, electricity, heat, and water are generated, electrical energy can be obtained with high efficiency without causing pollution. Since such fuel cells are free from the limitation of the Carnot Cycle, which acts as a limitation in the conventional heat engine, the fuel cell can increase the efficiency by more than 40%. Unlike conventional heat engines, there is no noise because there is no need for a mechanically moving part.
  • fuel cells have a very low overload capacity and are often used as a hybrid system connecting other energy storage devices. Hybrid systems are necessary to handle the sudden load fluctuations or loads exceeding the rated capacity of the fuel cell.
  • the hybrid system uses an auxiliary energy storage device for short time and high power.
  • the devices include batteries, supercapacitors, etc., and the cost is about 1/100 of the cost of fuel cells.
  • the fuel cell continuously outputs a constant power, but when the power is left, the energy storage device is charged with the surplus power, and the power shortage is insufficient.
  • a load leveling scheme is applied to supplement the power of the energy storage device with energy.
  • Another problem with fuel cells is that their condition depends on the reliability of the system they are configured with, so periodic testing requires evaluation.
  • the off-line method may be applied, such as detaching the fuel cell from the hybrid system or attaching an independent measuring device externally, which is inefficient and cumbersome.
  • One aspect of the present invention provides a fuel cell power converter and a control method thereof capable of performing load leveling of a fuel cell and diagnosing the life of the fuel cell.
  • the fuel cell power converter for this purpose is a fuel cell for operating in at least one of the normal operation mode for supplying the required voltage according to the load changes, and the diagnostic mode for predicting the life of the fuel cell.
  • a power converter comprising: a boost converter connected to the fuel cell to control a load voltage to a constant magnitude in the normal operation mode, and induce an output response by applying a constant perturbation current to the fuel cell in the diagnostic mode; And a digital signal processor configured to detect an output response of the fuel cell in the diagnostic mode, extract an impedance parameter, and estimate the life of the fuel cell according to the impedance parameter.
  • It may further include an auxiliary energy storage device connected between the boost converter and the rod to charge the power output from the fuel cell or to discharge the power output from the fuel cell to be applied to the load.
  • the apparatus may further include a bidirectional converter connected to the auxiliary energy storage device and switched to handle a sudden change or a momentary overload of the rod.
  • the bidirectional converter may control the output voltage of the load such that in the diagnosis mode, a perturbation current signal for the diagnosis may be generated by the boost converter.
  • the boost converter induces a constant DC level perturbation current, and the bidirectional converter is switched to control the load voltage by charging or discharging the auxiliary energy storage device.
  • the digital signal processor calculates a parameter according to a voltage detector for measuring an output response of the fuel cell, an amplifier that is a digital lock that calculates an impedance spectrum of the voltage detected by the voltage detector, and an impedance spectrum extracted by the digital lock-in amplifier.
  • a parameter extractor and a parameter analyzer for comparing and analyzing the parameters calculated by the parameter extractor with a reference parameter, and estimating the life of the fuel cell according to a comparison result between the impedance parameter compared and analyzed by the parameter analyzer and a previously stored reference parameter. It may include a life estimation unit.
  • a control method of a fuel cell power converter includes a load, a fuel cell for supplying power to the load, a boost converter connected to the fuel cell and switched between the boost converter and the rod.
  • a secondary energy storage device connected or charged or discharged, a bidirectional converter switching the auxiliary energy storage device to be charged or discharged, and a digital signal processing unit for sensing and processing an output of the fuel cell to convert the fuel cell into a fuel cell.
  • the boost converter operates in at least one of a normal operation mode for supplying a required voltage according to a load change and a diagnostic mode for predicting the life of a fuel cell. Switch so that a constant magnitude of perturbation current can be applied to the fuel cell
  • the bidirectional converter may be switched to control the voltage applied to the load by charging or discharging the auxiliary energy storage device so that the voltage output from the fuel cell is maintained at a constant DC level.
  • the boost converter may control the voltage output from the fuel cell to a constant magnitude, and the bidirectional converter may charge or discharge the auxiliary energy storage device to implement a load leveling operation.
  • the digital signal processor measures an output response of the fuel cell, calculates an impedance spectrum from the output response, calculates a parameter according to the impedance spectrum, and compares the parameter with a previously stored reference parameter. Life can be estimated.
  • the digital signal processor may generate a warning signal when it is determined that the life of the fuel cell is equal to or less than a reference value.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a power conversion device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a digital signal processor included in a power conversion device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exemplary diagram of an equivalent circuit used when calculating the life of a fuel cell in a digital signal processor included in a power conversion device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a control flowchart of a power conversion device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a fuel cell power converter according to an embodiment of the present invention.
  • the power converter for the fuel cell includes a fuel cell (Fuel cell) 100, a boost converter (L 1 , Q 1 ), a bidirectional converter (Q 2 , Q 3 , L 2 ), an auxiliary energy storage device 200, and an output capacitor (C). out ), a load (R load ), a digital signal processor 300, and a controller 400.
  • the power converter for a fuel cell may operate according to at least one of a normal operation mode for supplying a required voltage according to a change in a load and a diagnostic mode for predicting the life of the fuel cell 100.
  • the power converter for a fuel cell may control a voltage applied to a load R in a normal operation mode and perform load leveling in response to a sudden load change.
  • the load leveling compensates for the load power by using the power of the auxiliary energy storage device 200 when the power of the fuel cell 100 is lower than the power to be supplied to the R load , and the power of the fuel cell 100.
  • the excess power is charged to the auxiliary energy storage device 200 to adjust the power supplied excessively to the R load .
  • the boost converter In the fuel cell power converter, in the normal operation mode, the boost converter (L 1 , Q 1 ) controls the load voltage to a predetermined magnitude, and the bidirectional converter (Q 2 , Q 3 , L 2 ) causes sudden load change or momentary over-over. Can be used to handle rods.
  • the boost converters L 1 and Q 1 may control to boost the voltage output from the fuel cell 100 so as to be maintained at a constant size, and the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L 2 may be second.
  • the switch Q 2 and the third switch Q 3 are turned on or off to control the power of the fuel cell 100 to be charged in the auxiliary energy storage device 200 or to discharge the auxiliary energy storage device 200. To increase the load voltage.
  • the boost converters L 1 and Q 1 control the load voltage to a predetermined magnitude, and the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L 2 suddenly change the load or instantaneous overload. Charging the auxiliary energy storage device 200 with the power of the fuel cell 100, or discharging predetermined power from the auxiliary energy storage device 200 to provide additional power to the power of the fuel cell 100. Can be summed.
  • the power converter for a fuel cell may perform an integrated diagnosis by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in a diagnostic mode.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • the boost converters L 1 and Q 1 perform input current control to generate perturbation current signals for the operation of the impedance spectroscopy, and the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L. 2 ) will control the load voltage.
  • the operation of the boost converters L 1 , Q 1 is made independent of the operation of the bidirectional converters Q 2 , Q 3 , L 2 . This is a prerequisite for successful impedance measurements despite load changes.
  • the boost converters L 1 , Q 1 produce perturbation currents, and the bidirectional converters Q 2 , Q 3 , L 2 reduce the load voltage by charging or discharging the auxiliary energy storage 200. Control. Since the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L 2 are properly controlled, the DC level of the voltage output from the fuel cell 100 does not change with the change of the load Rload.
  • the digital lock-in amplifier (DLIA) is provided in the digital signal processing device (DSP) and used to calculate the in-phase and abnormal components of the current perturbation and voltage response and the AC impedance of the fuel cell 100 for each frequency.
  • the equivalent circuit parameters of the fuel cell 100 may be extracted from the impedance measured using the complex nonlinear least squares technique.
  • the extracted parameters may be used to determine the life of the fuel cell 100. This is implemented by comparing the extracted parameters with the initial parameters. Detailed description will be described later.
  • the controller 400 manages overall control of the power converter for fuel cell.
  • the control unit 400 switches the first, second and third switches Q 1 , Q 2 and Q 3 included in the boost converters L 1 and Q 1 and the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L 2 .
  • the operation of the digital signal processor 300 may be controlled.
  • the controller 400 may control the entire circuit to operate according to any one of the above-described normal operation mode or diagnostic mode.
  • the control unit 400 controls the switching operation at an appropriate timing so that the inductor L 1 included in the boost converters L 1 and Q 1 or the bidirectional converters Q 2 , Q 3 and L 2 are included.
  • Various operations such as boosting or discharging power by charging the inductor L 2 can be controlled.
  • FIG. 2 is a control block diagram of a digital signal processing unit according to an embodiment of the present invention.
  • the digital signal processor 300 includes a voltage detector 310, a digital lock-in amplifier 320, a memory 330, a parameter extractor 340, a parameter analyzer 350, a life estimation unit 360, and a warning unit 370. ) May be included.
  • the voltage detector 310 may detect a voltage of the fuel cell 100.
  • the voltage detector 310 may detect the frequency-specific voltage induced by the boost converters L 1 and Q 1 from the fuel cell 100 by a signal from the digital signal processor 100.
  • the voltage detector 310 may be replaced by the current and the voltage detector 310, and may be used as a block capable of measuring both the voltage response due to current perturbation or the current response due to voltage perturbation.
  • the digital lock-in amplifier 320 may calculate an impedance spectrum of the voltage for each frequency detected by the voltage detector 310.
  • the ac signal received by the digital lock amplifier 320 may be represented by Equation 1 below.
  • the digital lock-in amplifier 320 multiplies the detected signal X [n] by the in-phase signal Cn and the quadrature-phase signal Sn to obtain a result as shown in Equations 2 and 3 below. You can get it.
  • the digital lock-in amplifier 140 may obtain amplitude and phase as shown in Equations 4 and 5 by filtering the AC components of Equations 2 and 3.
  • the memory 330 stores the impedance spectrum calculated by the amplifier 320 which is a digital lock.
  • the parameter extractor 340 selects an equivalent circuit model of the fuel cell 100 according to the impedance spectrum extracted by the digital lock amplifier 320.
  • the equivalent circuit model may be modeled by known Randle equivalent circuits. Referring to FIG. 3, the equivalent circuit may include two resistors R s and R p and one capacitor C dl .
  • the parameter extractor 340 may calculate the impedance of the equivalent circuit of the fuel cell 100 by the following equation.
  • the parameter extractor 340 may calculate a parameter of the fuel cell 100 by using a known complex nonlinear least-squares fitting method.
  • the parameter extractor 340 may convert the complex impedance Z into an angular frequency function as shown in Equation 7.
  • the parameters R s , R p , C dl are Can be calculated by minimizing '.
  • Equation 10 The new value of impedance can be obtained by Taylor series expansion as shown in Equation 10.
  • R s , R p , C dl may be calculated by Equations 8 and 10.
  • the above calculation can be continued until convergence to a certain limit (eg, 10-6) in order to obtain an optimal calculated value of the equivalent model parameter of the battery 2.
  • the parameter analyzer 350 may analyze the impedance parameter and the reference parameter extracted by the above-described process.
  • the parameter analyzer 350 may compare and analyze the extracted impedance parameter and a reference value corresponding to the extracted impedance parameter.
  • the above-described impedance parameter may be R s , R p , C dl, and the like.
  • the life estimator 360 may estimate the life of the fuel cell 100 based on a result of comparing the impedance parameter and the reference parameter analyzed by the parameter analyzer 350.
  • the life estimator 360 may be detected by comparing the impedance parameter of the fuel cell 100 with a reference value (impedance parameter of the reference fuel cell 100). If the impedance parameter of the fuel cell 100 exhibits a deviation from the corresponding reference value or does not exhibit a deviation, one life state may be assigned to the associated fuel cell 100. For example, if the impedance of the fuel cell 100 is higher than the reference value in the low frequency range, the aging state of the fuel cell 100 is worse than the aging state of the fuel cell 100 having an impedance value that does not exceed the reference value.
  • the aging state of the fuel cell 100 correlates with the magnitude of the deviation between the calculated impedance parameter and the reference value.
  • the magnitude of the deviation between the calculated impedance parameter and the reference value increases, it may be determined that the life of the fuel cell 100 is shortened. If the deviation is small, it may be determined that the life of the fuel cell 100 is good.
  • the warning unit 370 may output a warning signal to the outside when the lifespan of the fuel cell 100 estimated by the life estimation unit 360 is less than or equal to a predetermined reference value.
  • the warning signal may be output by outputting a voice signal or displaying the status on an external display.
  • FIG. 4 is a control flowchart of a power converter for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • perturbation current is generated by the boost converters L 1 and Q 1 in the diagnostic mode, and perturbation current induced by the boost converters L 1 and Q 1 is applied to the fuel cell 100.
  • the voltage detector 310 may detect a voltage of the fuel cell 100.
  • the voltage detector 310 may detect the frequency-specific voltage induced by the boost converters L 1 and Q 1 from the fuel cell 100 by a signal from the digital signal processor 100.
  • the digital lock-in amplifier 320 may calculate an impedance spectrum of the voltage for each frequency detected by the voltage detector 310 (420).
  • the parameter extractor 340 selects an equivalent circuit model of the fuel cell 100 according to the impedance spectrum extracted by the digital lock amplifier 320.
  • the equivalent circuit model may be modeled by known Randle equivalent circuits.
  • the parameter extractor 340 may calculate an impedance of an equivalent circuit of the fuel cell 100.
  • the parameter analyzer 350 may analyze the impedance parameter and the reference parameter extracted by the above-described process.
  • the parameter analyzer 350 may compare and analyze the extracted impedance parameter and a reference value corresponding to the extracted impedance parameter.
  • the life estimator 360 may estimate the life of the fuel cell 100 based on a result of comparing the impedance parameter and the reference parameter which have been analyzed by the parameter analyzer 350.
  • the warning unit 370 may output a warning signal to the outside when the lifespan of the fuel cell 100 estimated by the life estimation unit 360 is less than or equal to a predetermined reference value (450,460).

Abstract

연료전지의 진단 및 로드 레벨링을 수행할 수 있는 전력변환장치 및 그 제어방법을 제공한다. 연료전지용 전력 변환 장치는 연료 전지에 연결되어 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터 및 진단 모드에서 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 임피던스 파라미터에 따라 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함하므로, 연료전지의 수명을 진단 및 로드 레벨링 동작을 수행할 수 있다.

Description

연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법
연료전지의 진단 및 로드 레벨링을 수행할 수 있는 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell) 기술은 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술로서 오늘날 관심이 집중되고 있는 기술 중에 하나이다. 연료전지의 원리는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로서, 공기극(cathode)에 산소, 연료극(anode)에 수소가 공급되며 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열, 물이 발생하게 되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 얻을 수 있다. 이와 같은 연료전지는 종래 열기관에서의 한계로 작용하는 카르노 순환(Carnot Cycle)의 제한으로부터 자유롭기 때문에 40%이상의 효율을 올릴 수 있으며, 상술한 바와 같이 배출되는 물질이 물 뿐이기 때문에 공해의 염려가 전혀 없고, 종래 열기관과는 달리 기계적으로 운동하는 부분이 필요하지 않기 때문에 소음이 없는 등 다양한 장점을 가지고 있다. 따라서, 연료전지에 관련된 각종 기술 및 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 그러나 이러한 연료전지를 실제 전원시스템으로 실용화하기 위해서는 연료전지가 가진 몇 가지 문제점을 보완하는 것이 요구된다. 먼저 연료전지는 과부하 내량이 매우 적어 다른 에너지 저장장치를 연결한 하이브리드 시스템으로 꾸며져 사용되는 경우가 많다. 하이브리드 시스템은 갑작스러운 부하 변동이나 연료전지의 정격 용량을 초과하는 부하를 나누어 감당하기 위해 필요하며, 연료 전지 외에 단시간의 고출력을 위한 보조 에너지 저장장치를 사용하는 시스템으로서, 여기에 사용되는 보조 에너지 저장장치로는 배터리나 슈퍼 캐패시터 등이 있으며, 연료전지에 비하여 1/100 정도의 가격이기 때문에 경제적인 가격 절감 효과가 있다. 또한, 연료전지와 보조 에너지 저장장치를 연결하여 하이브리드 시스템을 구성한 후, 연료전지에서는 일정한 전력을 계속 출력하도록 하되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 에너지 저장장치를 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 에너지 저장장치에서 보충 출력하게 하는 로드 레벨링 방식이 적용하고 있다. 연료전지의 또 다른 문제점은 그의 상태에 따라 함께 구성된 시스템의 신뢰성을 좌우하게 된다는 것이며 따라서 주기적인 시험을 통한 평가가 요구된다. 연료 전지의 수명을 평가하기 위해 연료 전지를 하이브리드 시스템에서 분리하거나, 독립적인 측정 장비를 외부에서 부착하여야 하는 등 오프 라인 방식이 적용될 수 있는데 비효율적이며 번거롭다는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 연료전지의 로드 레벨링을 수행하는 동시에 연료 전지의 수명을 진단할 수 있는 연료전지용 전력 변환 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
이를 위한 본 발명의 일측면에 의한 연료전지용 전력 변환 장치는 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하는 연료전지용 전력 변환 장치에 있어서, 상기 연료 전지에 연결되어 상기 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터; 및 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 상기 임피던스 파라미터에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다.
상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 충전하거나, 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 높여 상기 로드에 인가할 수 있도록 방전하는 보조 에너지 저장장치를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 에너지 저장장치에 연결되어 상기 로드의 급작스런 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링할 수 있도록 스위칭되는 양방향 컨버터를 더 포함할 수 있다.
상기 양방향 컨버터는 상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터에 의해 상기 진단을 위한 섭동 전류 신호가 발생할 수 있도록, 상기 로드의 출력 전압을 제어할 수 있다.
상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터는 일정한 DC레벨의 섭동 전류를 유도하며, 상기 양방향 컨버터는 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 전압을 제어할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출하는 디지털 록인 앰프, 상기 디지털 록인 앰프에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하는 파라미터 추출부; 및 상기 파라미터 추출부에 의해 산출된 파라미터를 기준 파라미터와 비교 분석하는 파라미터 분석부와, 상기 파라미터 분석부에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 미리 저장된 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 수명 추정부를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법은 로드, 상기 로드에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 스위칭되는 부스트 컨버터, 상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 충전 또는 방전하는 보조 에너지 저장장치와, 상기 보조 에너지 저장장치가 충전 또는 방전될 수 있도록 스위칭하는 양방향 컨버터와, 상기 연료전지의 출력을 감지하여 신호 처리하는 디지털 신호 처리부를 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법에 있어서, 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하며, 상기 진단 모드로 동작하면 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지에 일정한 크기의 섭동 전류가 인가될 수 있도록 스위칭되며, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압이 일정한 DC레벨로 유지될 수 있도록, 상기 양방향 컨버터가 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 상기 로드에 걸리는 전압을 제어할 수 있다.
상기 정상 작동 모드로 동작하면, 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 양방향 컨버터가 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 레벨링 동작을 구현할 수 있다.
상기 진단 모드에서, 상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하고, 상기 출력 응답으로부터 임피던스 스펙트럼을 산출하며, 상기 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하고, 상기 파라미터를 미리 저장된 기준 파라미터와 비교하여 수명을 추정할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 수명이 기준치 이하인 것으로 확인되면 경고 신호를 발생할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면에 의하면 로드 레벨링을 구현할 수 있는 회로에서 연료 전지의 수명을 진단할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 회로도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치에 포함되는 디지털 신호 처리부의 제어 블록도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치에 포함되는 디지털 신호 처리부에서 연료 전지의 수명 산출 시 사용되는 등가회로의 예시도
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력변환장치의 제어흐름도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력 변환 장치의 회로도이다.
연료전지용 전력 변환 장치는 연료 전지(Fuel cell,100), 부스트 컨버터(L1,Q1), 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2), 보조 에너지 저장장치(200), 출력 커패시터(Cout), 로드(Rload), 디지털 신호 처리부(Digital Signal Processor,300) 및 제어부(Controller, 400)를 포함할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 로드(Rload)의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지(100)의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 정상 작동 모드에서, 로드(Rload)에 인가되는 전압을 제어하고, 급격한 로드 변화 등에 대응하여 로드 레벨링을 수행할 수 있다.
로드 레벨링은 연료 전지(100)의 파워가 로드(Rload)에 공급해야 하는 파워보다 부족하게 되면 보조 에너지 저장장치(200)의 파워를 사용하여 로드 파워를 보상하고, 연료 전지(100)의 파워가 로드(Rload)에 공급해야 하는 파워보다 크게 되면 여분의 파워를 보조 에너지 저장장치(200)에 충전하여 로드(Rload)에 과잉 공급되는 파워를 조정하는 것이다.
연료전지용 전력 변환 장치는 정상 작동 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 로드 전압을 정해진 크기로 제어하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 갑작스런 로드 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링하기 위해 사용될 수 있다. 부스트 컨버터(L1,Q1)는 연료 전지(100)에서 출력되는 전압을 증폭(boost)하여 일정 크기로 유지되도록 제어할 수 있고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)를 턴 온 또는 턴 오프시켜 연료 전지(100)의 전력이 보조 에너지 저장장치(200)에 충전되도록 제어하거나, 보조 에너지 저장장치(200)를 방전시켜 로드 전압을 높일 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 상술한 것처럼, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 로드 전압을 정해진 크기로 제어하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 갑작스런 로드 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링하기 위해 보조 에너지 저장장치(200)에 연료 전지(100)의 전력을 충전시키거나, 보조 에너지 저장장치(200)로부터 소정의 전력을 방전시켜 연료 전지(100)의 전력에 부가적인 전력을 합산시킬 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 진단 모드에서, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)으로 통합 진단을 수행할 수 있다.
연료전지용 전력 변환 장치는 진단 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)가 임피던스 분광법의 작동을 위한 섭동 전류 신호를 발생하기 위해 입력 전류 제어를 수행하고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 로드 전압을 제어하게 된다.
임피던스 분광법을 시도하는 동안, 부스트 컨버터(L1,Q1)의 동작은 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)의 동작과 별개로 이루어지게 된다. 이는 로드 변화에도 불구하고 성공적인 임피던스 측정을 하기 위한 전제 조건이다. 진단 모드에서, 부스트 컨버터(L1,Q1)는 섭동 전류를 만들어내고, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)는 보조 에너지 저장장치(200)를 충전 또는 방전시킴에 의해 로드 전압을 제어하게 된다. 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)가 적절하게 제어됨으로 인해, 로드(Rload)의 변화에 따라 연료 전지(100)로부터 출력되는 전압의 DC레벨이 변화지 않게 된다.
연료 전지(100)는 사인파 형태의 전류에 의해 섭동되면, 전류 섭동에 대응하여 전압 응답이 측정된다. 디지터 록인 앰프(DLIA)는 디지털 신호 처리 장치(DSP)에 구비되며, 전류 섭동 및 전압 응답의 동상 및 이상 성분 및 각 주파수별 연료전지(100)의 AC 임피던스를 계산하는데 사용된다.
연료 전지(100)의 등가회로 파라미터는 복소 비선형 최소 자승기법을 사용하여 측정된 임피던스로부터 추출될 수 있다. 이 때, 추출된 파라미터는 연료전지(100)의 수명을 판단하는데 사용될 수 있다. 이것은 추출된 파라미터를 초기 파라미터와 비교하여 구현하게 된다. 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
제어부(Controller, 400)는 연료전지용 전력 변환 장치의 제어 전반을 관장한다.
제어부(400)는 부스트 컨버터(L1,Q1) 및 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)에 포함되어 있는 제1, 2, 3 스위치(Q1,Q2,Q3)를 스위칭하고, 디지털 신호 처리부(300)의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 상술한 정상 동작 모드 또는 진단 모드 중 어느 하나의 모드에 따라 동작하도록 회로 전반을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 적절한 타이밍에 스위칭 동작을 제어하여, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 포함되어 있는 인덕터(L1)나, 양방향 컨버터(Q2,Q3,L2)에 포함되어 있는 인덕터(L2)에 전력을 충전하여 증폭(boost)하거나, 방전하는 등 여러 가지 동작을 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 디지털 신호 처리부의 제어 블록도이다.
디지털 신호 처리부(300)는 전압 검출부(310), 디지털 록인 앰프(320), 메모리(330), 파라미터 추출부(340), 파라미터 분석부(350), 수명 추정부(360) 및 경고부(370)를 포함할 수 있다.
전압 검출부(310)는 연료 전지(100)의 전압을 검출할 수 있다. 전압 검출부(310)는 부스트 컨버터(L1,Q1)가 디지털 신호 프로세서(100)에 의한 신호에 의해 연료 전지(100)로부터 유도한 주파수별 전압을 검출할 수 있다. 한편, 전압 검출부(310)는 전류 및 전압 검출부(310)로 치환되어 작용될 수 있으며, 전류 섭동에 의한 전압 응답 또는 전압 섭동에 의한 전류 응답을 모두 측정할 수 있는 블록으로 사용될 수 있다.
디지털 록인 앰프(320)는 전압 검출부(310)에 의해 검출된 주파수별 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출할 수 있다. 디지털 록인 앰프(320)가 수신한 ac 신호는 다음 수식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수식 1
Figure PCTKR2014007600-appb-I000001
디지털 록인 앰프(320)는 탐지된 신호 X[n]에 동상(in-phase) 신호(Cn)와, 직각위상(quadrature-phase) 신호(Sn)를 곱하여 다음 수식 2 및 수식 3과 같은 결과를 얻을 수 있다.
수식 2
Figure PCTKR2014007600-appb-I000002
수식 3
Figure PCTKR2014007600-appb-I000003
디지털 록인 앰프(140)는 수식 2 및 수식 3의 AC 성분을 필터링함에 의해, 수식 4 및 수식 5와 같이 진폭(Magnitude) 및 위상(Phase)을 구할 수 있다.
수식 4
Figure PCTKR2014007600-appb-I000004
수식 5
Figure PCTKR2014007600-appb-I000005
메모리(330)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 산출된 임피던스 스펙트럼을 저장한다.
파라미터 추출부(340)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따른 연료 전지(100)의 등가회로 모델을 선정한다. 등가회로 모델은 공지된 랜들 등가 회로(Randles equivalent circuit)에 의해 모델링될 수 있다. 도 3을 참조하면, 등가회로는 2개의 저항(Rs, Rp)과 1개의 커패시터(Cdl)로 구성될 수 있다.
파라미터 추출부(340)는 연료 전지(100)의 등가회로의 임피던스를 다음 수식으로 계산할 수 있다.
수식 6
Figure PCTKR2014007600-appb-I000006
파라미터 추출부(340)는 공지된 복소 비선형 최소 자승 피팅법(The complex nonlinear least-squares fitting)을 사용하여 연료 전지(100)의 파라미터를 산출할 수 있다.
파라미터 추출부(340)는 복소 임피던스 Z를 수식 7처럼 각주파수 함수로 변환할 수 있다.
수식 7
Figure PCTKR2014007600-appb-I000007
파라미터 Rs, Rp, Cdl 는 다음과 같은 함수 '
Figure PCTKR2014007600-appb-I000008
'를 최소화함에 의해 산출될 수 있다.
수식 8
Figure PCTKR2014007600-appb-I000009
여기서, yi는 실제 측정 데이터이고, Z(w)는 등가모델에 의해 계산된 임피던스이다. 함수 '
Figure PCTKR2014007600-appb-I000010
'는 수식 9처럼 셋팅함에 의해 최소화될 수 있다.
수식 9
Figure PCTKR2014007600-appb-I000011
이 때, 산출된 함수가 변화(
Figure PCTKR2014007600-appb-I000012
)를 가진다면, 임피던스의 새로운 값은 수식 10과 같은 테일러 시리즈(Taylor series expansion)에 의해 획득될 수 있다.
수식 10
Figure PCTKR2014007600-appb-I000013
여기서,
Figure PCTKR2014007600-appb-I000014
Rs,
Figure PCTKR2014007600-appb-I000015
Rp,
Figure PCTKR2014007600-appb-I000016
Cdl 는 수식 8 및 수식 10에 의해 계산될 수 있다. 결과적으로, Rs, Rp, Cdl 는
Figure PCTKR2014007600-appb-I000017
Rs,
Figure PCTKR2014007600-appb-I000018
Rp,
Figure PCTKR2014007600-appb-I000019
Cdl 에 의해 업데이트될 수 있다. 상술한 계산은 배터리(2)의 등가 모델 파라미터의 최적의 산출값을 획득하기 위해서 일정 제한(예를 들면, 10-6)에 수렴할 때까지 계속 수행될 수 있다.
파라미터 분석부(350)는 상술한 과정에 의해 추출한 임피던스 파라미터와 기준 파라미터를 비교하여 분석할 수 있다. 파라미터 분석부(350)는 추출한 임피던스파라미터와 상응하는 기준치를 비교 분석할 수 있다. 상술한 임피던스 파라미터는 Rs, Rp, Cdl 등이 될 수 있다.
수명 추정부(360)는 파라미터 분석부(350)에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 연료 전지(100)의 수명을 추정할 수 있다. 수명 추정부(360)는 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터와 상응하는 기준치(기준 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터)의 비교에 의해 검출될 수 있다. 연료 전지(100)의 임피던스 파라미터가 상응하는 기준치와 편차를 나타내거나 또는 편차를 나타내지 않으면, 관련 연료 전지(100)에 하나의 수명 상태가 할당될 수 있다. 예컨데, 연료 전지(100)의 임피던스가 저주파수의 범위에서 기준치보다 높으면, 연료 전지(100)의 에이징 상태가 기준치를 초과하지 않는 임피던스 값을 가진 연료 전지(100)의 에이징 상태보다 나쁘다. 연료 전지(100)의 에이징 상태는 산출된 임피던스 파라미터와 기준치 사이의 편차의 크기와 상관 관계가 있다. 산출된 임피던스 파라미터와 기준치 사이의 편차의 크기가 커지면 연료 전지(100)의 수명이 줄어드는 상태로 판단할 수 있고, 편차가 작으면 연료 전지(100)의 수명이 양호한 상태인 것으로 판단할 수 있다.
경고부(370)는 수명 추정부(360)에 의해 추정된 연료 전지(100)의 수명이 미리 정해진 기준치 이하이면 외부로 경고신호를 출력할 수 있다. 경고 신호는 음성 신호를 출력하거나, 외부 디스플레이로 그 상태를 표시하는 방식으로 출력될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지용 전력변환장치의 제어흐름도이다.
연료전지용 전력변환장치는 진단 모드 시, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 의해 섭동 전류가 발생하며, 부스트 컨버터(L1,Q1)에 의해 유도된 섭동 전류가 연료 전지(100)에 인가된다.(400)
전압 검출부(310)는 연료 전지(100)의 전압을 검출할 수 있다. 전압 검출부(310)는 부스트 컨버터(L1,Q1)가 디지털 신호 프로세서(100)에 의한 신호에 의해 연료 전지(100)로부터 유도한 주파수별 전압을 검출할 수 있다.(410)
디지털 록인 앰프(320)는 전압 검출부(310)에 의해 검출된 주파수별 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출할 수 있다.(420)
파라미터 추출부(340)는 디지털 록인 앰프(320)에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따른 연료 전지(100)의 등가회로 모델을 선정한다. 등가회로 모델은 공지된 랜들 등가 회로(Randles equivalent circuit)에 의해 모델링될 수 있다. 파라미터 추출부(340)는 연료 전지(100)의 등가회로의 임피던스를 계산할 수 있다.(430)
파라미터 분석부(350)는 상술한 과정에 의해 추출한 임피던스 파라미터와 기준 파라미터를 비교하여 분석할 수 있다. 파라미터 분석부(350)는 추출한 임피던스 파라미터와 상응하는 기준치를 비교 분석할 수 있다. 수명 추정부(360)는 파라미터 분석부(350)에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 연료 전지(100)의 수명을 추정할 수 있다.(440)
경고부(370)는 수명 추정부(360)에 의해 추정된 연료 전지(100)의 수명이 미리 정해진 기준치 이하이면 외부로 경고신호를 출력할 수 있다.(450,460)
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (10)

  1. 로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하는 연료전지용 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 연료 전지에 연결되어 상기 정상 작동 모드에서 로드 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 진단 모드에서 상기 연료 전지에 일정한 섭동 전류를 인가하여 출력 응답을 유도하는 부스트 컨버터; 및
    상기 진단 모드에서 상기 연료 전지의 출력 응답을 검출하여 임피던스 파라미터를 추출하고, 상기 임피던스 파라미터에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 충전하거나, 상기 연료전지로부터 출력되는 전력을 높여 상기 로드에 인가할 수 있도록 방전하는 보조 에너지 저장장치를 더 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 에너지 저장장치에 연결되어 상기 로드의 급작스런 변화 또는 순간적인 오버로드를 핸들링할 수 있도록 스위칭되는 양방향 컨버터를 더 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 양방향 컨버터는 상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터에 의해 상기 진단을 위한 섭동 전류 신호가 발생할 수 있도록, 상기 로드의 출력 전압을 제어하는 연료전지용 전력변환장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 진단 모드에서, 상기 부스트 컨버터는 일정한 DC레벨의 섭동 전류를 유도하며, 상기 양방향 컨버터는 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 전압을 제어하는 것인 연료전지용 전력변환장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 전압의 임피던스 스펙트럼을 산출하는 디지털 록인 앰프, 상기 디지털 록인 앰프에 의해 추출된 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하는 파라미터 추출부; 및
    상기 파라미터 추출부에 의해 산출된 파라미터를 기준 파라미터와 비교 분석하는 파라미터 분석부와, 상기 파라미터 분석부에 의해 비교 분석된 임피던스 파라미터와 미리 저장된 기준 파라미터의 비교 결과에 따라 상기 연료전지의 수명을 추정하는 수명 추정부를 포함하는 연료전지용 전력변환장치.
  7. 로드, 상기 로드에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 연결되어 스위칭되는 부스트 컨버터, 상기 부스트 컨버터와 상기 로드 사이에 연결되어 충전 또는 방전하는 보조 에너지 저장장치와, 상기 보조 에너지 저장장치가 충전 또는 방전될 수 있도록 스위칭하는 양방향 컨버터와, 상기 연료전지의 출력을 감지하여 신호 처리하는 디지털 신호 처리부를 연료전지용 전력 변환 장치의 제어방법에 있어서,
    로드의 변화에 따라 필요한 전압을 공급하는 정상 작동 모드와, 연료 전지의 수명을 예측하는 진단 모드 중 적어도 하나의 모드에 따라 동작하며,
    상기 진단 모드로 동작하면 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지에 일정한 크기의 섭동 전류가 인가될 수 있도록 스위칭되며, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압이 일정한 DC레벨로 유지될 수 있도록, 상기 양방향 컨버터가 스위칭되어 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 상기 로드에 걸리는 전압을 제어하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 정상 작동 모드로 동작하면, 상기 부스트 컨버터가 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 일정한 크기로 제어하고, 상기 양방향 컨버터가 상기 보조 에너지 저장장치를 충전 또는 방전시켜 로드 레벨링 동작을 구현하는 전력변환장치의 제어방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 진단 모드에서, 상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 출력 응답을 측정하고, 상기 출력 응답으로부터 임피던스 스펙트럼을 산출하며, 상기 임피던스 스펙트럼에 따라 파라미터를 산출하고, 상기 파라미터를 미리 저장된 기준 파라미터와 비교하여 수명을 추정하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 연료 전지의 수명이 기준치 이하인 것으로 확인되면 경고 신호를 발생하는 연료전지용 전력변환장치의 제어방법.
PCT/KR2014/007600 2013-11-14 2014-08-14 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법 WO2015072653A1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201480011532.3A CN105008948B (zh) 2013-11-14 2014-08-14 用于燃料电池的电力转换设备以及用于控制该电力转换设备的方法
US14/767,573 US9786937B2 (en) 2013-11-14 2014-08-14 Power converter for fuel cell and method for controlling the same
EP14862007.3A EP2952923B1 (en) 2013-11-14 2014-08-14 Power conversion device for fuel cell and method for controlling same

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130138059 2013-11-14
KR10-2013-0138059 2013-11-14
KR10-2014-0006993 2014-01-21
KR1020140006993A KR101516419B1 (ko) 2013-11-14 2014-01-21 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015072653A1 true WO2015072653A1 (ko) 2015-05-21

Family

ID=53393492

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2014/007600 WO2015072653A1 (ko) 2013-11-14 2014-08-14 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9786937B2 (ko)
EP (1) EP2952923B1 (ko)
KR (1) KR101516419B1 (ko)
CN (1) CN105008948B (ko)
WO (1) WO2015072653A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101637746B1 (ko) * 2014-11-25 2016-07-20 현대자동차주식회사 연료전지 진단 장치 및 방법
US10393818B2 (en) * 2015-12-04 2019-08-27 The Trustees Of Dartmouth College Systems and methods for characterizing impedance of an energy storage device
KR101745208B1 (ko) * 2015-12-14 2017-06-09 현대오트론 주식회사 연료 전지의 스택 상태 진단 장치
DE102016106735A1 (de) * 2016-04-12 2017-10-12 Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh Ersatzschaltbasiertes Brennstoffzellen-Prognosemodell
KR101887787B1 (ko) * 2016-12-09 2018-08-13 현대오트론 주식회사 연료전지 스택 진단용 교류 전류 생성 장치 및 방법
US10992144B2 (en) * 2017-05-17 2021-04-27 Galley Power LLC Battery balancing and current control with bypass circuit for load switch
KR102379377B1 (ko) * 2017-07-13 2022-03-25 더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토 전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처
KR102119779B1 (ko) * 2018-07-02 2020-06-09 현대자동차(주) 연료전지의 전력 공급 시스템 및 그 제어방법
DE202019102314U1 (de) 2019-04-25 2020-07-29 Aradex Ag Vorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelle
KR20210026102A (ko) 2019-08-29 2021-03-10 주식회사 이진스 배터리 수명 예측 장치 및 그것의 동작 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003530667A (ja) * 2000-04-07 2003-10-14 アヴィスタ ラボラトリーズ， インク． 燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方法、及び電力調整方法
KR20040001776A (ko) * 2002-06-28 2004-01-07 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템및 제어방법
KR20110133118A (ko) * 2010-06-04 2011-12-12 세방전지(주) 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101123310B (zh) * 2004-08-06 2010-10-13 三洋电机株式会社 燃料电池系统
KR100868609B1 (ko) 2006-12-11 2008-11-13 현대자동차주식회사 배터리 시스템이 적용되는 연료전지 슈퍼캡 하이브리드차량 및 이의 동력분배 제어 방법
US8981589B2 (en) * 2010-08-24 2015-03-17 GM Global Technology Operations LLC Switched battery and capacitor arrangement and related operating methods
US8970176B2 (en) * 2010-11-15 2015-03-03 Bloom Energy Corporation DC micro-grid
FR2975497B1 (fr) * 2011-05-16 2013-06-28 Centre Nat Rech Scient Convertisseur electronique de puissance
KR101362580B1 (ko) 2012-01-17 2014-02-14 세종공업 주식회사 연료전지 시스템 및 이의 시동방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003530667A (ja) * 2000-04-07 2003-10-14 アヴィスタ ラボラトリーズ， インク． 燃料電池電力システム、直流電圧コンバータ、燃料電池電力発生方法、及び電力調整方法
KR20040001776A (ko) * 2002-06-28 2004-01-07 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템및 제어방법
KR20110133118A (ko) * 2010-06-04 2011-12-12 세방전지(주) 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEE, JU HYEONG.: "Development of the Lifetime Estimation Method for the PEM Fuel Cells by the Electrochemical Impedance Spectroscopy", SOONGSIL UNIVERSITY MASTER'S THESIS, 2009, pages 21 - 41, XP008181701 *
See also references of EP2952923A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105008948A (zh) 2015-10-28
US9786937B2 (en) 2017-10-10
EP2952923A4 (en) 2017-01-11
EP2952923A1 (en) 2015-12-09
KR101516419B1 (ko) 2015-05-04
CN105008948B (zh) 2018-02-16
US20160006061A1 (en) 2016-01-07
EP2952923B1 (en) 2018-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015072653A1 (ko) 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법
WO2014084628A1 (ko) 배터리 전류 측정 장치 및 그 방법
WO2015030295A1 (ko) 배터리 진단 기능을 가진 충전기 및 그 제어방법
KR20170022417A (ko) 배터리 시스템
WO2018074807A1 (ko) 듀티 제어를 통한 효과적인 배터리 셀 밸런싱 방법 및 시스템
WO2021015501A1 (ko) 배터리 저항 진단 장치 및 방법
WO2021006566A1 (ko) 배터리 셀 진단 장치 및 방법
WO2022080692A1 (ko) 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 연결 상태 진단 방법
WO2020141938A2 (ko) 배터리 관리 방법, 배터리 장치, 및 배터리를 포함하는 자동차
WO2022092621A1 (ko) 배터리 진단 장치 및 방법
CN108051642A (zh) 高压直流母线绝缘电阻检测装置及检测方法
WO2020054924A1 (ko) 배터리의 상태를 셀 단위로 진단하는 장치 및 방법
WO2020022527A1 (ko) 배터리 진단 장치 및 방법
CN101777786A (zh) 可携式电子装置的供电装置与方法
CN116826922A (zh) 电量管理方法和装置
US11650261B2 (en) Detection apparatus of electrochemical impedance spectroscopy and battery management system
KR20120031839A (ko) 직류/직류 컨버터를 이용한 직류 버스 커패시터의 간단한 등가직렬저항 측정 시스템
CN111965430B (zh) 一种可实现低压锂电池组供电的阻抗测量方法及装置
CN112578301A (zh) 一种在线检测电池变频交流阻抗装置
CN216699606U (zh) 一种直流不间断供电系统
CN117269803B (zh) 电储能系统电池簇电阻检测系统的无源测量系统及方法
WO2023229267A1 (ko) 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법
CN111257767B (zh) 电池集成检测系统及方法
WO2023132520A1 (ko) 배터리 용량 예측 장치 및 그것의 동작 방법
WO2022085950A1 (ko) 배터리 장치 및 저항 상태 추정 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14862007

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14767573

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014862007

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE