KR102086352B1 - Hybrid power system performing power distribution between fuel cell and battery - Google Patents

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김영배
양석란
김정석
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Abstract

Provided is a hybrid power system performing power distribution between fuel cells and batteries, including a controller which analyzes characteristics according to requirements of a fuel cell, a battery, and an external load to determine a load sharing ratio between the fuel cell and the battery based on at least one of a mechanical state control method and a purge control method. According to the present invention, the fuel cell output can be kept constant even if the external load fluctuates in the hybrid power system.

Description

연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템{HYBRID POWER SYSTEM PERFORMING POWER DISTRIBUTION BETWEEN FUEL CELL AND BATTERY}HYBRID POWER SYSTEM PERFORMING POWER DISTRIBUTION BETWEEN FUEL CELL AND BATTERY}

본 발명은 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 가정용/건물용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리 간의 전력을 최적으로 분배하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid power system that performs power distribution between fuel cell and battery. More particularly, the present invention relates to a technique for optimally distributing power between a fuel cell and a battery in a fuel cell-battery hybrid system for home / building.

연료전지는 전기화학적인 반응에 의하여 전기를 생산하는 장치로, 연료극에 공급된 수소(H2)가 전극표면에 산포되어 있는 백금 촉매에 의해 수소이온 (H+, proton)과 전자(e-, electron)로 분리되는 것을 특징으로 한다. 한편, 공기극에서는 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부부하를 통해 이동한 전자가 공기극에 공급된 산소와 반응하여 물을 생성시킨다. 따라서, 연료전지는 이러한 과정에서 전자의 외부 흐름에 의해 전기를 발생시키는 에너지 변환장치이다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도 및 출력밀도가 높고 기동시간이 짧으며 부하변화에 대한 응답특성이 빠르므로 건물용 및 백업전원으로 적합하다. 이러한 연료전지는 기존의 내연기관에서 사용하는 연소방식보다 2-3배 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, 환경오염 물질의 발생을 최소화할 수 있는 친환경 에너지원으로서, 지속적인 연구개발을 통해 다양한 분야로 상용화되고 있다.A fuel cell is a device that generates electricity by an electrochemical reaction. Hydrogen ions (H +, protons) and electrons (e-, electrons) are dispersed by a platinum catalyst in which hydrogen (H 2 ) supplied to the anode is dispersed on the electrode surface. It is characterized by being separated by). On the other hand, in the cathode, hydrogen ions moved through the electrolyte and electrons moved through the external load react with oxygen supplied to the cathode to generate water. Therefore, the fuel cell is an energy conversion device that generates electricity by the external flow of electrons in this process. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is suitable for building and backup power supply because it has higher current density and output density, shorter start-up time and faster response to load changes than other types of fuel cells. . These fuel cells can achieve 2-3 times higher efficiency than the combustion method used in existing internal combustion engines, and are eco-friendly energy sources that can minimize the generation of environmental pollutants, and are commercialized in various fields through continuous research and development. It is becoming.

연료전지-배터리 하이브리드 시스템은 연료전지와 배터리를 병렬로 연결하여 필요전력을 수요에 맞게 공급하는 새로운 개념의 독립전원형 신재생에너지 전원장치이다. 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은 연료전지, 배터리, DC/DC 컨버터, 제어기로 구성되는데, 주 에너지원으로 연료전지를, 보조 에너지원으로 배터리를 사용할 수 있다.The fuel cell-battery hybrid system is a new concept of stand-alone renewable energy power supply that connects fuel cells and batteries in parallel to supply the required power according to demand. A fuel cell-battery hybrid system is composed of a fuel cell, a battery, a DC / DC converter, and a controller. A fuel cell may be used as a main energy source and a battery as an auxiliary energy source.

이러한 시스템은 저부하 운전시에는 연료전지 파워를 저출력으로 운전하면서 잉여전력은 배터리에 충전한다. 반면에, 고부하 운전시에는 연료전지 운전과 동시에 배터리의 전력도 방전모드로 바꾸어서 배터리의 충전율(SOC, State of Charge)을 만족시키는 범위 내에서 최대 전력을 출력하는 시스템이다. 따라서 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은 연료전지의 출력을 안정적으로 운전할 수가 있어 연료전지의 수명을 향상시킨다. 또한 저부하 운전시 생산된 전력을 배터리에 충전하였다가 고부하 운전시에는 배터리에 충전된 전력을 이용하여 배터리의 전력을 최대한 활용함으로써 수소연료 소비량을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 고부하 운전시 배터리의 방전을 통하여 전력을 공급함으로써 동일한 용량의 연료전지 시스템에 비하여 연료전지 용량을 다운사이징 할 수 있어 시스템 설치비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.In such a system, the fuel cell power is operated at low power during low load operation while the surplus power is charged in the battery. On the other hand, during high load operation, the system outputs the maximum power within a range that satisfies the state of charge (SOC) by changing the power of the battery to the discharge mode at the same time as the fuel cell operation. Therefore, the fuel cell-battery hybrid system can stably operate the output of the fuel cell, thereby improving the life of the fuel cell. In addition, there is an advantage that the hydrogen fuel consumption can be reduced by maximizing the power of the battery by using the power charged in the battery during the high load operation while charging the battery produced in the low load operation. In addition, by supplying power through the discharge of the battery during high load operation, it is possible to downsize the fuel cell capacity compared to the fuel cell system of the same capacity has the advantage of reducing the system installation cost.

하지만, 일반적인 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서는 외부 부하 변동과 연료전지출력, 배터리 충전율을 실시간으로 반영하지 않고, 일정한 값 이상의 전력이 요구될 때에만 배터리 전력을 사용하는 단순한 방법을 사용하고 있다. 따라서 연료전지가 대부분의 전력요구량(부하)을 담당하게 되므로 연료(수소) 소모량이 많아져서 운영비가 증가하는 단점이 있다. 한편, 배터리가 개입하는 요구 부하 조건을 낮게 설정했을 경우에는 연료전지의 연료(수소) 소모량은 줄어들게 되지만 반대로 배터리 방전이 많이 일어나게 되어 시간이 경과함에 따라 배터리 충전율이 줄어들게 되어 결국 배터리가 과방전됨으로써 배터리 사용 시간이 단축되는 결과를 초래할 수가 있다.However, a typical fuel cell-battery hybrid system does not reflect external load fluctuations, fuel cell output, and battery charge rate in real time, and uses a simple method of using battery power only when a predetermined value or more is required. Therefore, since the fuel cell is responsible for most of the power demand (load), the fuel (hydrogen) consumption is increased, which leads to an increase in operating costs. On the other hand, if the required load condition in which the battery intervenes is set low, the fuel (hydrogen) consumption of the fuel cell is reduced, but on the contrary, the battery discharge occurs a lot, and as the time passes, the battery charge rate decreases and the battery is over discharged. This can result in a shorter use time.

따라서 가정용/건물용 연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리의 부하 분담률을 실시간으로 최적 제어함으로써 부하변동에 따라 요구되는 전력을 공급하는 동시에 안정적인 연료전지 출력과 일정한 배터리 충전율을 유지하는 기술이 필요하다.Therefore, in the fuel cell hybrid system for home / building, there is a need for a technology that maintains a stable fuel cell output and a constant battery charge rate while providing power required by load fluctuation by optimally controlling the load sharing ratios of fuel cells and batteries in real time.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 외부 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지하는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell hybrid system that maintains a constant fuel cell output even when an external load is changed in a fuel cell-battery hybrid system.

또한, 본 발명은 외부 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지하는 동시에 배터리가 일정한 충전율 이상이 되도록 연료전지와 배터리의 전력을 실시간으로 최적 분배하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a technique for optimally distributing power of a fuel cell and a battery in real time so that the fuel cell output is maintained at a constant rate and the battery is equal to or higher than a constant charging rate even when the external load is changed.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일 측면으로서, 연료전지, 배터리 및 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리의 부하 분담 비율을 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법 중 적어도 하나에 기반하여 결정하는 제어기를 포함하는 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템을 제공한다. 상기 하이브리드 전력 시스템에서 외부 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지할 수 있다.In order to achieve the above object, in one aspect, by analyzing the characteristics according to the requirements of the fuel cell, battery and external load to determine the load sharing ratio of the fuel cell and the battery at least one of a mechanical state control method and a purge control method Provided is a hybrid power system for performing power distribution between a fuel cell and a battery, the controller including a controller to determine based on the determination. In the hybrid power system, the fuel cell output may be kept constant even when the external load is changed.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 연료전지는 연료전지, 태양광, 풍력 중 적어도 하나일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 하이브리드 전력 시스템은 연료전지-배터리, 태양광-배터리, 풍력-배터리, 연료전지-태양광-배터리, 연료전지-풍력-배터리, 연료전지-태양광-풍력-배터리 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In one aspect of the invention, the fuel cell may be at least one of a fuel cell, solar light, wind power. In this regard, the hybrid power system includes at least one of a fuel cell battery, a solar battery, a wind battery, a fuel cell solar battery, a fuel cell wind power battery, and a fuel cell solar power wind battery. Can be done.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 제어기는 상기 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법을 혼합하여 구현된 알고리즘을 사용하여 상기 부하 분담 비율을 결정할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 부하 분담 비율은 상기 연료전지가 출력할 수 있는 최대 부하 조건과 최소 부하 조건 범위를 만족시키고, 상기 배터리의 최대 충전율과 최소 충전율 범위를 만족시킬 수 있다.As an aspect of the present invention, the controller may determine the load sharing ratio using an algorithm implemented by mixing the machine state control method and the fuzzy control method. In this regard, the load sharing ratio may satisfy the maximum load condition and the minimum load condition range that the fuel cell can output, and may satisfy the maximum charge rate and the minimum charge rate range of the battery.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 연료전지와 상기 외부 부하 간에 배치되는 DC-DC 컨버터를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 상기 제어기는 상기 연료전지에서 발생하는 전류로 부하변동에 따른 최적의 연료전지 부하를 계산하고, 상기 최적의 연료전지 부하에 기반하여 연료전지 전류를 출력할 수 있도록 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.As an aspect of the present invention, the method may further include a DC-DC converter disposed between the fuel cell and the external load. In this regard, the controller calculates an optimal fuel cell load according to a load change with current generated from the fuel cell, and outputs a fuel cell current based on the optimal fuel cell load. Can be controlled.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 제어기는 상기 기계 상태 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제1 제어부, 상기 퍼지 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제2 제어부 및 상기 기계 상태 제어 방법 및 상기 퍼지 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제3 제어부를 포함할 수 있다.In one aspect of the invention, the controller is a first control unit for optimizing the load sharing ratio between the fuel cell and the battery using the machine state control method, the load between the fuel cell and the battery using the purge control method And a second controller for optimizing the sharing ratio, and a third controller for optimizing the load sharing ratio between the fuel cell and the battery using the machine state control method and the purge control method.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 제1 제어부, 상기 제2 제어부 및 상기 제3 제어부는 각각 독립적으로 상기 부하 분담 비율을 제어할 수 있다.As an aspect of the present invention, the first control unit, the second control unit and the third control unit may each independently control the load sharing ratio.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 제1 제어부, 상기 제2 제어부 및 상기 제3 제어부는 배터리 충전율(SOC: State Of Charge), 현재 단계의 연료전지 전류, 요구 부하를 입력으로 하고, 다음 단계의 연료전지 전류를 출력으로 제어하는 것을 특징으로 한다.In one aspect of the present invention, the first control unit, the second control unit and the third control unit input a state of charge (SOC), a current fuel cell current, and a demand load, and use the fuel of a next step. The battery current is controlled as an output.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 제어기는 k번째 스텝과 k+1번째 스텝 간의 상기 연료전지 전류의 기준 출력 값을 비교하여 출력 변화량이 임계치(Ismall)이하이면, k번째 스텝에서의 기준 출력 값(I* fc,k)를 사용할 수 있다. 반면에, 상기 출력변화량이 임계치(Ismall)이상이면. 시간지연 함수를 이용하여 시정수(τ) 만큼 상기 출력 변화량을 완만하게 하여 상기 연료전지의 스트레스를 감소시키는 것을 특징으로 한다.In one aspect of the present invention, the controller compares the reference output value of the fuel cell current between the kth step and the k + 1th step, and if the output change amount is less than or equal to the threshold value I small , the reference output value at the kth step. You can use (I * fc, k ). On the other hand, if the output change amount is above the threshold value I small . The stress of the fuel cell is reduced by smoothing the output change amount by a time constant τ using a time delay function.

본 발명의 일 측면으로서, 상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 상기 최적의 연료전지 부하에 따라 상기 연료전지 전류를 상기 외부 부하로 출력하여, 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 전력 분배를 수행할 수 있다.As an aspect of the present invention, the fuel cell current is output to the external load according to the optimal fuel cell load between the fuel cell and the battery by using the DC-DC converter, and thus the power between the fuel cell and the battery is increased. Distribution can be performed.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가정용/건물용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 요구 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the fuel cell output may be kept constant even if the required load is changed in the fuel cell-battery hybrid system for home / building.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 요구 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지하는 동시에 배터리가 일정한 충전율 이상이 되도록 연료전지와 배터리의 부하부담을 실시간으로 최적 제어할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, even if the demand load is changed, it is possible to optimally control the load load of the fuel cell and the battery in real time such that the fuel cell output is kept constant and the battery is equal to or greater than a certain charge rate.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지와 배터리의 부하부담을 실시간으로 최적 제어함으로써 연료전지-배터리 하이브리드 시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to stably operate the fuel cell-battery hybrid system by optimally controlling the loads of the fuel cell and the battery in real time.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지와 배터리의 부하부담을 실시간으로 최적 제어함으로써 연료전지의 연료(수소) 소모량을 최소로 줄이는 동시에 일정한 배터리 충전율을 유지시키며, 시스템의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by optimally controlling the load of the fuel cell and the battery in real time, the fuel (hydrogen) consumption of the fuel cell is minimized while maintaining a constant battery charge rate and extending the life of the system It can be effective.

도 1은 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리 간 부하 분배를 최적으로 하기 위한 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른, 기계 상태 제어와 퍼지 제어를 혼합한 제어 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 퍼지 제어 블록도를 나타낸다. 즉, 도 3은 하이브리드 시스템의 부하 분배를 제어하기 위하여 사용한 퍼지 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계 상태 제어 블록도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실제 외부 부하 조건에서 기계상태 제어와 본 발명(기계상태제어와 퍼지제어를 혼합)의 제어방법에 대하여 하이브리드 시스템의 운전 실험결과를 비교한 그래프이다.
1 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for optimizing load distribution between a fuel cell and a battery in a fuel cell-battery hybrid system.
2 is a control block diagram of a machine state control and a fuzzy control, in accordance with an embodiment of the invention.
3 illustrates a fuzzy control block diagram, in accordance with an embodiment of the present invention. That is, FIG. 3 is a fuzzy control block diagram used to control the load distribution of the hybrid system.
4 illustrates a machine state control block diagram, in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph comparing operation results of a hybrid system with respect to a control method of machine state control and the present invention (machine state control and fuzzy control) under actual external load conditions according to an embodiment of the present invention.

하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 하이브리드 전력 시스템(1000)을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.First, the embodiments described below are suitable embodiments for understanding the hybrid power system 1000 of the present invention. However, the present invention is not limited to the technical features of the present invention by the embodiments to be applied or described in the embodiments described below, various modifications are possible in the technical scope of the present invention.

한편, 본 발명은 가정용/건물용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리 간의 전력을 최적으로 분배하는 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 가정용/건물용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서, 전력요구량(부하)에 대한 연료전지 출력과 배터리 충전율을 실시간으로 모니터링하여 연료전지와 배터리가 공급하는 전력을 최적으로 분배하는 기술에 관한 것이다. 이에 따라, 외부 부하가 변동되더라도 연료전지 출력을 일정하게 유지하면서 배터리가 일정한 충전율 이상이 되도록 유지하는 기술에 관한 것이다.Meanwhile, the present invention relates to a technology for optimally distributing power between a fuel cell and a battery in a fuel cell-battery hybrid system for home / building. More specifically, in the fuel cell-battery hybrid system for home / building, a technique for optimally distributing the power supplied by the fuel cell and the battery by monitoring the fuel cell output and the battery charge rate to the power demand (load) in real time will be. Accordingly, the present invention relates to a technique for maintaining a battery at a constant charge rate or more while maintaining a constant fuel cell output even when an external load is changed.

도 1은 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리 간 부하 분배를 최적으로 하기 위한 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.1 is an exemplary view showing a schematic configuration of an apparatus for optimizing load distribution between a fuel cell and a battery in a fuel cell-battery hybrid system.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지-배터리 하이브리드 시스템(1000)은 전력의 주공급원인 연료전지(100, A), 저부하 시 연료전지에서 생산된 전력을 충전하였다가 고부하 운전시에 전력을 공급하는 배터리(200, B), 연료전지와 배터리 간 부하를 최적으로 배분하는 제어기(300, C), 제어기에서 계산된 연료전지와 배터리 간 최적 부하 배분의 실제 수행을 담당하는 DC/DC 컨버터(400, D)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the fuel cell-battery hybrid system 1000 according to the present embodiment charges the fuel cell 100 (A), which is the main source of power, and the power produced by the fuel cell at low load, and then loads the high load. The battery 200, B, which supplies power during operation, the controller 300, C, which optimally distributes the load between the fuel cell and the battery, and the actual load distribution between the fuel cell and the battery calculated by the controller. DC / DC converter 400, D.

구체적으로, 제어기(300)는 외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 연료전지(100)와 배터리(200)의 부하 분담 비율을 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법 중 적어도 하나에 기반하여 결정한다.Specifically, the controller 300 analyzes the characteristics according to the requirements of the external load to determine the load sharing ratio of the fuel cell 100 and the battery 200 based on at least one of a mechanical state control method and a purge control method. .

한편, 본 발명에 따른 하이브리드 전력 시스템(1000)은 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지(100)-배터리(200)의 조합에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 연료전지(100)는 (수소) 연료전지, 태양광 전지, 풍력 전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 하이브리드 전력 시스템(1000)은 연료전지-배터리, 태양광-배터리, 풍력-배터리, 연료전지-태양광-배터리, 연료전지-풍력-배터리, 연료전지-태양광-풍력-배터리 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the hybrid power system 1000 according to the present invention is not limited to the combination of the fuel cell 100 and the battery 200 as shown in FIG. 1. The fuel cell 100 according to the present invention may include at least one of a (hydrogen) fuel cell, a solar cell, and a wind cell. Accordingly, the hybrid power system 1000 according to the present invention is a fuel cell-battery, solar-battery, wind-battery, fuel cell-solar-battery, fuel cell-wind power-battery, fuel cell-solar-wind power. -At least one of the batteries.

한편, 제어기(300)는 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법을 혼합하여 구현된 알고리즘을 사용하여 부하 분담 비율을 결정할 수 있다. 이때, 부하 분담 비율은 상기 연료전지가 출력할 수 있는 최대 부하 조건과 최소 부하 조건 범위를 만족시키고, 상기 배터리의 최대 충전율과 최소 충전율 범위를 만족시킬 수 있다.The controller 300 may determine a load sharing ratio using an algorithm implemented by mixing a machine state control method and a fuzzy control method. In this case, the load sharing ratio may satisfy the maximum load condition and the minimum load condition range that the fuel cell can output, and may satisfy the maximum charge rate and the minimum charge rate range of the battery.

한편, DC/DC 컨버터(400)는 연료전지(100)와 외부 부하 간에 배치된다. 이때, 제어기(300)는 연료전지(100)에서 발생하는 전류로 부하변동에 따른 최적의 연료전지 부하를 계산하고, 최적의 연료전지 부하에 기반하여 연료전지 전류를 출력할 수 있도록 DC/DC 컨버터(400)를 제어할 수 있다.Meanwhile, the DC / DC converter 400 is disposed between the fuel cell 100 and an external load. At this time, the controller 300 calculates an optimal fuel cell load according to the load variation with the current generated from the fuel cell 100, and outputs a fuel cell current based on the optimum fuel cell load. 400 can be controlled.

한편, 제어기(300)는 서로 다른 제어 방법을 이용하는 제1 제어부, 제2 제어부 및 제3 제어부를 포함할 수 있다. 이때, 제1 제어부, 제2 제어부 및 제3 제어부는 물리적으로 분리된 복수의 제어부 이외에 논리적으로 다른 기능을 수행하는 복수의 제어부에 해당할 수 있다.The controller 300 may include a first controller, a second controller, and a third controller using different control methods. In this case, the first controller, the second controller, and the third controller may correspond to a plurality of controllers that perform logically different functions in addition to the plurality of controllers that are physically separated.

한편, 제1 제어부는 기계 상태 제어 방법을 이용하여 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 부하 분담 비율을 최적화할 수 있다. 또한, 제2 제어부는 퍼지 제어 방법을 이용하여 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 부하 분담 비율을 최적화할 수 있다. 반면에, 제3 제어부는 기계 상태 제어 방법 및 상기 퍼지 제어 방법을 이용하여 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 부하 분담 비율을 최적화할 수 있다.On the other hand, the first control unit may optimize the load sharing ratio between the fuel cell 100 and the battery 200 by using a mechanical state control method. In addition, the second controller may optimize the load sharing ratio between the fuel cell 100 and the battery 200 by using a purge control method. On the other hand, the third controller may optimize the load sharing ratio between the fuel cell 100 and the battery 200 by using the machine state control method and the purge control method.

한편, 본 발명에 따른 제1 제어부, 제2 제어부 및 제3 제어부는 각각 독립적으로 부하 분담 비율을 제어하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 제어부, 제2 제어부 및 제3 제어부는 배터리 충전율(SOC: State Of Charge), 현재 단계의 연료전지 전류, 요구 부하를 입력으로 하고, 다음 단계의 연료전지 전류를 출력으로 제어할 수 있다.On the other hand, the first control unit, the second control unit and the third control unit according to the present invention may be configured to independently control the load sharing ratio. In detail, the first control unit, the second control unit, and the third control unit may input a state of charge (SOC), a fuel cell current of a current stage, a required load, and control the fuel cell current of a next stage as an output. Can be.

한편, 본 발명에 따른 제어기(300)는 연료전지 전류의 출력 변화량을 완만하게 하여 상기 연료전지의 스트레스를 감소시킬 수 있다. 이와 관련하여, 제어기(300)는 출력 변화량이 임계치(Ismall) 이상이면. 시간지연 함수를 이용하여 시정수(τ) 만큼 상기 출력변화량을 완만하게 하여 상기 연료전지의 스트레스를 감소시킬 수 있다. 반면에, 제어기(300)는 k번째 스텝과 k+1번째 스텝 간의 연료전지 전류의 기준 출력 값을 비교하여 출력 변화량이 임계치(Ismall)이하이면, k번째 스텝에서의 기준 출력 값(I* fc,k)을 사용할 수 있다. On the other hand, the controller 300 according to the present invention can reduce the stress of the fuel cell by smoothing the output change amount of the fuel cell current. In this regard, the controller 300 determines that the output variation is greater than or equal to the threshold I small . The stress of the fuel cell can be reduced by smoothing the output change amount by the time constant τ using a time delay function. On the other hand, the controller 300 compares the reference output value of the fuel cell current between the kth step and the k + 1th step, and if the output change amount is less than or equal to the threshold value I small , the reference output value I * at the kth step. fc, k ) can be used.

한편, 본 발명에 따른 하이브리드 시스템은 DC-DC 컨버터(400)를 이용하여 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 최적의 연료전지 부하에 따라 연료전지 전류를 외부 부하로 출력할 수 있다. 이와 같이 DC-DC 컨버터(400)는 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 최적의 연료전지 부하에 따라 연료전지 전류를 외부 부하로 출력하여, 연료전지(100)와 배터리(200) 간의 전력 분배를 수행할 수 있다.Meanwhile, the hybrid system according to the present invention may output the fuel cell current to the external load according to the optimal fuel cell load between the fuel cell 100 and the battery 200 using the DC-DC converter 400. As such, the DC-DC converter 400 outputs the fuel cell current to the external load according to the optimal fuel cell load between the fuel cell 100 and the battery 200, thereby providing power between the fuel cell 100 and the battery 200. Distribution can be performed.

한편, 도 2는 발명의 일 실시예에 따른, 기계 상태 제어와 퍼지 제어를 혼합한 제어 블록도를 나타낸다. 즉, 도 2는 도 1의 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 부하 분배를 실시간으로 최적 제어하기 위한 알고리즘을 나타낸 순서도(Flow Chart)이며, 기계 상태 제어와 퍼지 제어를 동시에 사용한다.2 illustrates a control block diagram of a machine state control and a purge control according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 2 is a flowchart illustrating an algorithm for optimally controlling the load distribution of the fuel cell-battery hybrid system of FIG. 1 in real time, and simultaneously uses machine state control and purge control.

기계상태 제어는 배터리 SOC의 상태를 모니터링하여 과충전시에는 배터리 충전을 멈추고 과방전시에는 충전 전류를 높여서 급속 충전을 하는 제어방법이다. 한편, 배터리 SOC가 일정한 구간일 때는 중간 값의 충전 전류를 사용하여 저속 충전을 수행하도록 하는 제어방법이다. 이와 관련하여, 배터리 충전 상태(SOC)가 SOC min 과 SOC max 사이의 범위에 있는지 여부를 확인하는 배터리 충전 상태 확인 단계(S110)를 수행한다. Machine state control is a control method that monitors the state of the battery SOC and stops charging the battery when overcharging and increases the charging current during overdischarging to perform rapid charging. On the other hand, when the battery SOC is a constant section is a control method to perform a low-speed charging using the charging current of the intermediate value. In this regard, the battery charge state checking step (S110) of checking whether the battery charge state SOC is in a range between SOC min and SOC max is performed.

반면에, 퍼지 제어는 배터리 SOC 상태뿐만 아니라 현재의 요구 전력 값, 연료전지 출력 전류 값 등을 모니터링하여 외부 요구 전력을 충분하게 공급한다. 뿐만 아니라, 퍼지 제어는 적정한 배터리 SOC를 유지하기 위하여 연료전지의 출력을 조정하는 제어방법이다. On the other hand, the purge control monitors not only the battery SOC state but also the current required power value, the fuel cell output current value, and the like to provide sufficient external power. In addition, purge control is a control method of adjusting the output of the fuel cell to maintain an appropriate battery SOC.

이와 관련하여, 퍼지 논리 제어부(Fuzzy Logic Controller)는 연료전지 전류 출력 값(I* fc)을 이용할 수 있다. 구체적으로, k번째 스텝과 k+1번째 스텝 간의 연료전지 전류의 출력 값의 차이(△Ifc = I* fc,k+1 - I* fc,k)를 특정 값과 비교하는 출력 전류 값 차이 비교 단계(S120)를 수행할 수 있다. △I가 특정 값 Ismall 보다 크면 연료전지 출력 전류를 제한하는 출력 전류 제한 단계(S121)를 수행한다. 반면에, △I가 특정 값 Ismall 보다 작으면 k번째 스텝에서의 출력 전류 값을 재사용하는 출력 전류 값 재사용 단계(S122)를 수행한다. In this regard, the fuzzy logic controller may use the fuel cell current output value I * fc . Specifically, the output current value difference comparing the difference of the output value of the fuel cell current (ΔI fc = I * fc, k + 1 -I * fc, k ) between the kth step and the k + 1th step with a specific value. The comparison step S120 may be performed. ΔI is a specific value I small If greater than the output current limiting step (S121) for limiting the fuel cell output current is performed. On the other hand, ΔI is a specific value I small If it is smaller than the output current value reuse step (S122) for reusing the output current value in the k-th step is performed.

또한, 출력 전류 값(I* fc)이 최대 출력값 (Ifc , max)와 최소 출력값(Ifc , min) 사이에 있는지 여부를 확인하는 출력 전류 값 비교 단계(S130)를 수행할 수 있다. 이때, 출력 전류 값(I* fc)이 최대 출력값 (Ifc , max)와 최소 출력값(Ifc , min) 사이에 있으면 출력 전류 값(I* fc)을 이용하여 계속하여 퍼지 제어를 수행할 수 있다. 반면에, 출력 전류 값(I* fc)이 최대 출력값 (Ifc , max) 이상이거나 또는 최소 출력값(Ifc , min) 이하이면 출력 전류 값(I* fc)을 각각 최대 출력값 또는 최소 출력값으로 제한하여 퍼지 제어를 수행할 수 있다.In addition, an output current value comparison step S130 may be performed to determine whether the output current value I * fc is between the maximum output value I fc and max and the minimum output value I fc and min . In this case, if the output current value (I * fc ) is between the maximum output value (I fc , max ) and the minimum output value (I fc , min ) , the fuzzy control can be continuously performed using the output current value (I * fc ). have. On the other hand, if the output current value (I * fc ) is above the maximum output value (I fc , max ) or below the minimum output value (I fc , min ) , the output current value (I * fc ) is limited to the maximum output value or the minimum output value, respectively. Purge control can be performed.

따라서, 본 발명에 따른 기계상태 제어 방법과 퍼지 제어 방법을 혼합한 제어 방법은 다음과 같은 장점을 갖는다. 이와 관련하여, 배터리의 SOC가 충전/방전 경계상태에 있을 경우 기계상태 제어만을 사용하게 되면 배터리가 빈번하게 충방전을 하게 되고, 이에 따라 연료전지의 출력변동이 심해진다. 이를 해결하기 위해 본 발명에 따라 기계상태 제어 방법과 함께 연료전지의 출력변동이 적도록 퍼지제어를 동시에 사용할 수 있다.Therefore, the control method in which the machine state control method and the fuzzy control method according to the present invention have the following advantages. In this regard, when the SOC of the battery is in the charge / discharge boundary state, if only the machine state control is used, the battery is frequently charged and discharged, and thus the output variation of the fuel cell becomes severe. In order to solve this problem, according to the present invention, the fuzzy control may be used simultaneously with the machine state control method so that the output variation of the fuel cell is small.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 퍼지 제어 블록도를 나타낸다. 즉, 도 3은 하이브리드 시스템의 부하 분배를 제어하기 위하여 사용한 퍼지 제어 블록도이다. 구체적으로, 위쪽 그림은 퍼지 제어기의 멤버십 함수를 나타내며 아래쪽 그림은 퍼지 제어로직에 의해 계산된 연료전지 기준 출력값을 나타낸다. 입력 멤버십 함수로는 배터리 충전율 (SOC; State of Charge), 요구 부하 전력, 현재 연료전지 전류 값이 있으며 출력 멤버십 함수로는 최적의 연료전지 전류 값을 계산한다. 계산된 최적 연료전지 전류 값을 기준으로 도 1의 DC/DC 컨버터 (400, D)를 제어함으로써 부하로 원하는 실제 출력값을 출력한다.3 illustrates a fuzzy control block diagram, in accordance with an embodiment of the present invention. That is, FIG. 3 is a fuzzy control block diagram used to control the load distribution of the hybrid system. Specifically, the upper figure shows the membership function of the purge controller and the lower figure shows the fuel cell reference output calculated by the fuzzy control logic. The input membership function includes the state of charge (SOC), the required load power, and the current fuel cell current value. The output membership function calculates the optimal fuel cell current value. By controlling the DC / DC converters 400 and D of FIG. 1 based on the calculated optimum fuel cell current value, a desired actual output value is output to the load.

퍼지추론 규칙기반은 시스템의 제어기에 해당되며, 진리표 로직에 기초한다. 규칙 기반은 퍼지 집합과 입력 변수, 그리고 출력 변수들과 연관된 규칙의 집합이며, 각 경우에 있어서 해야 할 일을 결정한다. 일반적으로 입력과 출력의 개수에 따라서 다음 중에서 하나의 형태를 갖는다.The fuzzy inference rule base corresponds to the controller of the system and is based on truth table logic. The rule base is the set of rules associated with the fuzzy set, input variables, and output variables, which determine what to do in each case. Generally, one of the following forms depends on the number of inputs and outputs.

if <조건> then <실행>if <condition> then <execute>

if <조건 1과 조건 2> then <실행>if <condition 1 and condition 2> then <run>

if <조건 1과 조건 2와 조건 3> then <실행>if <condition 1 and condition 2 and condition 3> then <run>

본 발명에서는 입력은 3개이며, 출력은 1개의 변수를 갖는다. 입력 변수 1은 배터리 SOC 상태이며 5가지의 조건(매우 높음, 높음, 중간, 낮음, 매우 낮음)을 갖고, 입력 변수 2는 외부 전력 요구 값으로 8개의 조건(매우 높음, 중간 높음, 높음, 약간 높음, 중간, 작음, 중간 작음, 매우 작음)을 가지며, 입력 변수 3은 현재 연료전지 출력 값이며 5개의 조건(I1, I2, I3, I4, I5)을 갖는다. 이러한 조건 값들은 정해진 값이 아니라 설계자의 경험과 실험에 의해 변경된다. 출력변수는 다음 스텝에서의 연료전지 출력 전류이며, 3개의 입력 변수 조건에 따라서 결정된다. 따라서 추론식 개수는 5*8*5=200개가 되며 도 3과 같이 3차원으로 표시된다.In the present invention, there are three inputs and the output has one variable. Input variable 1 is battery SOC and has five conditions (very high, high, medium, low, very low), and input variable 2 is an external power requirement with eight conditions (very high, medium high, high, slightly High, medium, small, medium small, very small), input variable 3 is the current fuel cell output value and has five conditions (I1, I2, I3, I4, I5). These condition values are not determined but are changed by the designer's experience and experimentation. The output variable is the fuel cell output current in the next step and is determined according to the three input variable conditions. Accordingly, the number of inference equations is 5 * 8 * 5 = 200 and is displayed in three dimensions as shown in FIG. 3.

200개의 추론식 중에서 예를 들어 설명하면, For example, out of 200 inferences,

추론식 1:Inference Formula 1:

if <SOC=매우 작고(VS), 외부전력요구=매우 작고(VS), 현재 연료전지 출력=작음(I1)>, then Ifc,ref= 작음 (I2)if <SOC = Very small (VS), external power requirement = Very small (VS), current fuel cell output = small (I1)>, then I fc, ref = small (I2)

(설명) SOC가 매우 작고, 외부 전력 요구가 매우 작고, 현재 연료전지 출력이 작으면, 급격한 연료전지 출력 변화를 방지하면서 배터리를 충전하기 위하여 다음 스텝의 연료전지 출력은 현재의 출력을 유지하는 “작음”으로 결정한다.(Description) If the SOC is very small, the external power demand is very small, and the current fuel cell output is small, the fuel cell output of the next step is to maintain the current output in order to charge the battery while preventing the sudden fuel cell output change. Small ”.

추론식 2:Reasoning 2:

if <SOC=작고(S), 외부 전력 요구=중간 높음(ML), 현재 연료전지 출력=큼(I4)>, then Ifc,ref= 매우 큼 (I5)if <SOC = small (S), external power requirement = medium high (ML), current fuel cell output = large (I4)>, then I fc, ref = very high (I5)

(설명) SOC가 작고, 외부 전력 요구가 중간으로 높고, 현재 연료전지 출력이 크므로, 급격한 연료전지 출력 변화를 방지하면서 배터리를 충전하기 위해 연료전지 출력을 현재의 “큼”에서 한 단계 상승한 “매우 큼”으로 결정한다.(Explanation) Small SOC, medium external power demand, high current fuel cell output, increases fuel cell output one step from the current "large" to charge the battery while avoiding abrupt changes in fuel cell output. Very large ”.

일 실시 예에 따른, 도 3의 퍼지 제어기는 배터리 충전율의 경우 0.3과 0.8사이, 요구되는 부하의 크기는 300W와 1200W 사이, 연료전지 전류 크기는 0A에서 50A 사이에서 멤버십 함수를 결정한다. 한편, 멤버십 함수 결정은 실제 연료전지-배터리 하이브리드 시스템을 구동 시키면서 최적의 값으로 튜닝할 수 있다.According to an embodiment, the purge controller of FIG. 3 determines a membership function between 0.3 and 0.8 for a battery charge rate, a required load size between 300W and 1200W, and a fuel cell current size between 0A and 50A. On the other hand, the membership function determination can be tuned to an optimal value while driving the actual fuel cell-battery hybrid system.

이 방법을 사용하면 연료전지의 출력을 SOC의 범위, 요구되는 부하전력의 크기 및 현재 연료전지 출력 크기를 바탕으로 다음 단계의 연료전지 출력을 결정함으로써 연료전지의 출력 변화를 능동적으로 제어하는 효과를 얻을 수 있다.Using this method, the output of the fuel cell is determined based on the SOC range, the required load power, and the current fuel cell output size. You can get it.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기계 상태 제어 블록도를 나타낸다. 즉, 도 4는 하이브리드 시스템의 부하 분배를 제어하기 위하여 사용한 기계 상태 제어 블록도이다. 도 4를 참조하면, 현재의 배터리 충전율 값을 피드백 받아서 연료전지 측에서 출력할 세 개의 출력 값 (고출력, 중간출력 및 저출력)을 계산한다. 배터리 충전율의 범위는 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 운영환경에 따라 결정할 수 있다. 예를 들어 배터리 충전율이 40%-70% 사이 (40% < SOC < 70%)에 있으면 연료전지가 중간출력 값 (Optimal current)을 출력한다. 또한, 배터리 충전율이 30% 미만 (SOC < 30%)이면 고출력 값 (High current)을 출력한다. 또한, 배터리 충전율이 70% 이상 (SOC > 70%)이면 저출력 값을 출력한다. 반면에, 배터리 충전율이 90% 이상의 과충전 상태 (SOC > 90%)에 있으면 배터리의 충전을 중지한다.4 illustrates a machine state control block diagram, in accordance with an embodiment of the present invention. 4 is a machine state control block diagram used to control load distribution in a hybrid system. Referring to FIG. 4, three output values (high power, medium power, and low power) to be output from the fuel cell are calculated by receiving the current battery charge rate value. The range of battery charge rates can be determined by the operating environment of the fuel cell-battery hybrid system. For example, if the battery charge rate is between 40% -70% (40% <SOC <70%), the fuel cell outputs an optimal current. In addition, when the battery charge rate is less than 30% (SOC <30%), a high output value (High current) is output. In addition, when the battery charge rate is 70% or more (SOC> 70%), a low output value is output. On the other hand, if the battery charge rate is over 90% (SOC> 90%), the battery stops charging.

하이브리드 시스템의 부하 분배를 제어하기 위하여 사용한 제어 방식은 아래와 같다.The control method used to control the load distribution of the hybrid system is as follows.

SOC min < SOC < SOC max SOC min <SOC <SOC max

Ifc, min < I* fc < Ifc, max I fc , min <I * fc <I fc, max

if I* fc > Ifc ,max I* fc = Ifc , max if I * fc > I fc, max I * fc = I fc , max

if I* fc < Ifc , min I* fc = Ifc , min if I * fc <I fc , min I * fc = I fc , min

위 식에서 I* fc는 각각 DC/DC 컨버터에서 제어할 연료전지의 기준 전류 값이며 연료전지를 보호하기 위해 연료전지 최대 출력 값인 각각 Ifc , max와 최소 출력 값인 Ifc , min 사이에서 운전한다. 동시에 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해 배터리 최대 충전율을 각각 ?SOC max와 최소 충전율 SOC min을 미리 설정해 두며 본 발명에서는 이들의 범위 안에서 동작하게 제어한다.In the above equation, I * fc is the reference current value of the fuel cell to be controlled by the DC / DC converter, respectively , and operates between I fc , max which is the maximum output value of the fuel cell and I fc , min which is the minimum output value to protect the fuel cell. At the same time, in order to prevent overcharging and overdischarging of the battery, the maximum charge rate of the battery is set to SOC max and the minimum charge rate SOC min , respectively, and the present invention is controlled to operate within these ranges.

연료전지의 급격한 부하 상승 및 감소는 연료전지 수명에 나쁜 영향을 미치므로 본 발명에서는 연료전지 출력의 급격한 변동을 억제하기 위하여 다음과 같은 전류 급격 변동 제한 방법을 사용한다.Since the sudden increase and decrease of the load of the fuel cell has a bad effect on the fuel cell life, the present invention uses the following method of limiting the sudden change of the fuel cell in order to suppress the sudden change of the fuel cell output.

△I = I* fc,k+1 - I* fc,k ΔI = I * fc, k + 1 -I * fc, k

if |△I| > Ismall I* fc,k+1 = I* fc,k + △I/ (τs+1)if | △ I | I small I * fc, k + 1 = I * fc, k + △ I / (τs + 1)

if |△I| > Ismall I* fc,k+1 = I* fc,k if | △ I | I small I * fc, k + 1 = I * fc, k

위 식에서 ?△I는 새로이 계산된 기준 연료전지 전류 값과 현재 연료전지 전류 값의 차를 의미하며 지수 k는 k번째 샘플링 시간을 의미한다. 본 발명은 k+1 스텝과 바로 전 단계인 k 스텝 사이의 연료전지 기준 출력을 비교하여 출력 변화량이 Ismall 이내이면 연료전지의 전류량 변화가 없도록 한다. 반면에, 기준 출력 변화량이 Ismall 이상이면 급격한 출력을 방지하기 위하여 시간지연 함수를 이용하여 시정수 ? 만큼 연료전지 출력의 변화량을 완만하게 변화시킨다. 이와 같이 연료전지 출력의 변화량을 완만하게 변화시켜, 연료전지의 스트레스를 줄여준다. 이 때 시정수 τ와 출력 변화량 Ismall은 시스템에 맞도록 설계한다. 시정수가 클수록 시간지연이 더 되므로 천천히 기준 출력 값에 접근하게 되며, 시정수가 0이면 순간적으로 연료전지 출력이 I* fc,k+1 = I* fc,k + △I가 된다.In the above formula,? I represents the difference between the newly calculated reference fuel cell current value and the current fuel cell current value, and the index k is the kth sampling time. The present invention compares the fuel cell reference output between the k + 1 step and the immediately preceding step k step so that the current amount of the fuel cell does not change when the output change amount is within I small . On the other hand, if the reference output change is more than I small, the time constant? As a result, the amount of change in fuel cell output is changed gently. As such, the amount of change in the fuel cell output is gently changed to reduce the stress of the fuel cell. At this time, the time constant τ and the output variation I small are designed to fit the system. As the time constant increases, the time delay increases, so the reference output value is slowly approached. If the time constant is 0, the fuel cell output is instantaneously I * fc, k + 1 = I * fc, k + ΔI.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 실제 외부 부하 조건에서 기계상태 제어와 본 발명(기계상태제어와 퍼지제어를 혼합)의 제어방법에 대하여 하이브리드 시스템의 운전 실험결과를 비교한 그래프이다. 즉, 도 5는 도 1의 시스템을 사용하여 외부 부하 변화에 따른 하이브리드 시스템의 운전 실험결과의 일례를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 기계상태 제어만을 사용했을 경우(A)에는 시스템 운전 실험 결과가 실제 요구되는 부하출력과 잘 일치함을 보이나, 연료전지의 출력이 안정되지 못하고 부하 변동에 따라 큰 폭으로 변화되는 것으로 나타났다. 그러나 본 발명에서 사용한 방법(기계제어 + 퍼지제어)을 이용한 경우에는 시스템 운전 실험 결과(B)가 실제 요구되는 부하 출력과 잘 일치하면서, 동시에 부하변동에 크게 영향을 받지 않고 연료전지 출력이 큰 변화 없이 안정되는 것으로 나타났다. 즉, 동일한 외부 부하요구 조건에서 기계상태 제어만을 사용했을 경우 (A)와 본 발명을 사용한 경우 (B)가 모두 외부 부하 조건은 만족시킬 수는 있다. 하지만, 본 발명의 방법을 사용했을 경우에만 연료전지 출력이 안정됨을 알 수 있으며, 그 결과 연료전지가 받는 스트레스를 감소시킴으로써 연료전지의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 본 발명을 사용한 경우, 동일한 외부 부하 조건에서 배터리 충전율 변화가 적은 것으로 나타났으며, 이 결과로부터 본 발명이 배터리의 잦은 충전/방전 횟수 및 범위를 줄여 줌으로써 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.FIG. 5 is a graph comparing operation results of a hybrid system with respect to a control method of machine state control and the present invention (machine state control and fuzzy control) under actual external load conditions according to an embodiment of the present invention. That is, Figure 5 shows an example of the experimental results of the operation of the hybrid system according to the external load change using the system of FIG. Referring to FIG. 5, when only the machine state control is used (A), the results of the system operation experiment show that the results match well with the actual required load output, but the output of the fuel cell is not stabilized and changes significantly according to the load variation. Appeared to be. However, in the case of using the method (machine control + fuzzy control) used in the present invention, the results of the system operation experiment (B) are in good agreement with the actual required load output, and at the same time, the fuel cell output is not significantly affected by the load fluctuation. It appeared to be stable without. That is, when only the machine state control is used under the same external load demand condition, both (A) and (B) when using the present invention can satisfy the external load condition. However, it can be seen that the fuel cell output is stable only when the method of the present invention is used, and as a result, it is possible to extend the life of the fuel cell by reducing the stress on the fuel cell. In addition, in the case of using the present invention, it was shown that the change in battery charge rate is small under the same external load condition, and from this result, the present invention can extend battery life by reducing the number and range of frequent charge / discharge of the battery.

이상에서는 본 발명에 따른 연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템에 대해 살펴보았다. 즉, 본 발명은 가정용/건물용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템에서 연료전지와 배터리 간 전력을 최적으로 분배하는 기술로써 부하 변동에 따라서 연료전지와 배터리의 부하 분담을 실시간으로 최적 제어함으로써 연료전지 부하 변화량을 최소화하고, 배터리의 충전율을 일정하게 유지시키는 기술이다.In the above, the hybrid power system performing power distribution between the fuel cell and the battery according to the present invention has been described. That is, the present invention is a technology for optimally distributing the power between the fuel cell and the battery in a fuel cell-battery hybrid system for home / building, and optimally controlling the load sharing of the fuel cell and the battery in real time according to the load variation, thereby changing the fuel cell load variation. Minimize the charge rate and keep the battery's charge rate constant.

본 발명에서는 연료전지와 배터리의 최적 전력 분배를 위해서 기계상태 제어법, 퍼지제어법 및 이들 둘의 장점을 결합한 혼합 제어법이며, DC/DC 컨버터 제어를 통해 전력을 분배한다. 이 방법은 외부 부하가 변동되더라도 연료전지가 출력할 수 있는 최대 부하와 최소 부하를 동시에 만족시키면서 배터리의 최대 또는 최소 충전율도 만족시킨다.In the present invention, for the optimal power distribution between the fuel cell and the battery, the machine state control method, the fuzzy control method, and a hybrid control method combining the two advantages, and the power distribution through the DC / DC converter control. This method satisfies the maximum or minimum charge rate of the battery while satisfying the maximum load and the minimum load that the fuel cell can output even when the external load changes.

또한, 본 발명은 미리 설정해 놓은 값 이상의 부하가 요구될 때만 연료전지 부하와 배터리 부하를 함께 사용하는 기존 기술에 비하여 연료전지와 배터리의 수명이 향상되는 동시에 연료 소모량을 저감할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템만 단독으로 사용했을 때에 비하여 연료전지 용량을 다운 사이징할 수 있어 시스템 설치 및 유지 비용을 절감시키고 시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.In addition, the present invention can improve the life of the fuel cell and the battery and at the same time reduce the fuel consumption as compared to the existing technology using the fuel cell load and the battery load only when a load equal to or greater than a preset value is required. In addition, the fuel cell capacity can be downsized as compared with the fuel cell system alone, thereby reducing the cost of installing and maintaining the system and operating the system stably.

또한, 본 발명은 연료전지 배터리 하이브리드 시스템, 태양광 배터리 하이브리드 시스템, 풍력 배터리 하이브리드 시스템 및 연료전지-태양광-풍력-배터리 하이브리드 시스템 전력 분배에 적용 가능하다.The present invention is also applicable to fuel cell battery hybrid systems, solar battery hybrid systems, wind battery hybrid systems and fuel cell- photovoltaic- wind- battery hybrid systems.

그리고, 본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.And while the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments, it is understood that the present invention may be variously modified and changed without departing from the spirit or the scope of the present invention provided by the following claims. It will be apparent to those skilled in the art that they can easily know.

1000: 하이브리드 전력 시스템
100: 연료전지
200: 배터리
300: 제어기
400: DC-DC 컨버터
S120: 배터리 충전 상태 확인 단계
S120: 출력 전류 값 차이 비교 단계
S121:출력 전류 제한 단계
S122:출력 전류 값 재사용 단계
S130: 출력 전류 값 비교 단계
1000: hybrid power system
100: fuel cell
200: battery
300: controller
400: DC-DC converter
S120: Battery charge check step
S120: difference step of output current value comparison
S121: Output Current Limit Step
S122 : Reuse of Output Current Value
S130: output current value comparison step

Claims (10)

연료전지-배터리 간 전력 분배를 수행하는 하이브리드 전력 시스템에 있어서,
연료전지;
배터리; 및
외부 부하의 요구 조건에 따른 특성을 분석하여 상기 연료전지와 상기 배터리의 부하 분담 비율을 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법 중 적어도 하나에 기반하여 결정하는 제어기를 포함하고,
상기 제어기는,
상기 기계 상태 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제1 제어부;
기 퍼지 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제2 제어부; 및
상기 기계 상태 제어 방법 및 상기 퍼지 제어 방법을 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 부하 분담 비율을 최적화하는 제3 제어부를 포함하는, 하이브리드 전력 시스템.
A hybrid power system that performs power distribution between a fuel cell and a battery,
Fuel cell;
battery; And
A controller for analyzing a characteristic according to a requirement of an external load to determine a load sharing ratio of the fuel cell and the battery based on at least one of a mechanical state control method and a purge control method,
The controller,
A first control unit optimizing a load sharing ratio between the fuel cell and the battery using the machine state control method;
A second controller which optimizes a load sharing ratio between the fuel cell and the battery using a gas purge control method; And
And a third controller for optimizing a load sharing ratio between the fuel cell and the battery using the machine state control method and the purge control method.
제1항에 있어서,
상기 연료전지는 연료전지, 태양광 전지, 풍력 전지 중 적어도 하나이고,
상기 하이브리드 전력 시스템은 연료전지-배터리, 태양광-배터리, 풍력-배터리, 연료전지-태양광-배터리, 연료전지-풍력-배터리, 연료전지-태양광-풍력-배터리 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell is at least one of a fuel cell, a solar cell, a wind cell,
The hybrid power system comprises at least one of a fuel cell-battery, a solar-battery, a wind-battery, a fuel cell-solar-battery, a fuel cell-wind-battery, and a fuel cell-solar-wind-battery. , Hybrid power system.
제1항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 기계 상태 제어 방법 및 퍼지 제어 방법을 혼합하여 구현된 알고리즘을 사용하여 상기 부하 분담 비율을 결정하고,
상기 부하 분담 비율은 상기 연료전지가 출력할 수 있는 최대 부하 조건과 최소 부하 조건 범위를 만족시키고, 상기 배터리의 최대 충전율과 최소 충전율 범위를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 1,
The controller,
The load sharing ratio is determined using an algorithm implemented by mixing the machine state control method and the fuzzy control method.
And the load sharing ratio satisfies the maximum load condition and the minimum load condition range that the fuel cell can output, and satisfies the maximum charge rate and the minimum charge rate range of the battery.
제1항에 있어서,
상기 연료전지와 상기 외부 부하 간에 배치되는 DC-DC 컨버터를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 연료전지에서 발생하는 전류로 부하변동에 따른 최적의 연료전지 부하를 계산하고, 상기 최적의 연료전지 부하에 기반하여 연료전지 전류를 출력할 수 있도록 상기 DC-DC 컨버터를 제어하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 1,
Further comprising a DC-DC converter disposed between the fuel cell and the external load,
The controller calculates an optimal fuel cell load according to a load change with the current generated in the fuel cell, and controls the DC-DC converter to output a fuel cell current based on the optimal fuel cell load. Hybrid power system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 제어부, 상기 제2 제어부 및 상기 제3 제어부는 각각 독립적으로 상기 부하 분담 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 1,
The first control unit, the second control unit and the third control unit, characterized in that each independently control the load sharing ratio, hybrid power system.
제6항에 있어서,
상기 제1 제어부, 상기 제2 제어부 및 상기 제3 제어부는 배터리 충전율(SOC: State Of Charge), 현재 단계의 연료전지 전류, 요구 부하를 입력으로 하고, 다음 단계의 연료전지 전류를 출력으로 제어하는 것을 특징으로하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 6,
The first controller, the second controller, and the third controller are configured to input a state of charge (SOC), a fuel cell current of a current stage, and a demand load, and control the fuel cell current of a next stage as an output. Characterized in that, the hybrid power system.
제7항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 연료전지 전류의 기준 출력 값과 상기 연료전지에서 측정된 공기 과급량이 일정하게 수렴하도록 비례적분 제어를 사용하는 것을 특징으로하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 7, wherein
The controller,
And a proportional integral control is used to constantly converge the reference output value of the fuel cell current and the air charge measured in the fuel cell.
제7항에 있어서,
상기 제어기는,
k번째 스텝과 k+1번째 스텝 간의 상기 연료전지 전류의 기준 출력 값을 비교하여 출력 변화량이 임계치(Ismall)이하이면, k번째 스텝에서의 기준 출력 값(I* fc,k)를 사용하고,
상기 출력 변화량이 임계치(Ismall)이상이면. 시간지연 함수를 이용하여 시정수(τ) 만큼 상기 출력 변화량을 완만하게 하여 상기 연료전지의 스트레스를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 7, wherein
The controller,
Comparing the reference output value of the fuel cell current between the kth step and the k + 1th step, if the output change amount is less than or equal to the threshold value I small , the reference output value I * fc, k at the kth step is used. ,
If the output change amount is greater than or equal to a threshold value I small . And the stress of the fuel cell is reduced by smoothing the output change amount by a time constant τ using a time delay function.
제4항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 상기 최적의 연료전지 부하에 따라 상기 연료전지 전류를 상기 외부 부하로 출력하여, 상기 연료전지와 상기 배터리 간의 전력 분배를 수행하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전력 시스템.
The method of claim 4, wherein
And using the DC-DC converter to output the fuel cell current to the external load according to the optimal fuel cell load between the fuel cell and the battery to perform power distribution between the fuel cell and the battery. , Hybrid power system.
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