KR20200003630A - Power supply system of fuel cell and control method of the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electric power supply system of a fuel cell, which comprises: a fuel cell which generates electric power by chemical reaction between hydrogen and oxygen; a main bus end connecting fuel cell and load; a bi-directional converter which is disposed between the fuel cell and the load of the main bus end and converts the electric power; a battery supplying the electric power to the main bus end between the bidirectional converter and the load by charging/discharging or receiving the electric power; and a control unit for controlling the current of the bi-directional converter based on a charging state of the battery.

Description

연료전지의 전력 공급 시스템 및 그 제어방법{POWER SUPPLY SYSTEM OF FUEL CELL AND CONTROL METHOD OF THE SAME}Power supply system of fuel cell and its control method {POWER SUPPLY SYSTEM OF FUEL CELL AND CONTROL METHOD OF THE SAME}

본 발명은 연료전지의 전력 공급 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 배터리에 전력을 충전 또는 방전함으로써 부하의 요구전력에 따른 연료전지 시스템의 전력을 분배하는 제어에 관한 것이다.The present invention relates to a power supply system for a fuel cell and a control method thereof, and more particularly, to a control for distributing power of a fuel cell system according to a required power of a load by charging or discharging power to a battery.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자 제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.A fuel cell is an energy converter that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemically reacting it without converting it into heat by combustion. It can also be used to supply power.

특히, 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에서는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.Particularly, in the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) having a high power density, a membrane electrode assembly (MEA), which is a main component, is located at the innermost side, and the membrane electrode assembly is a hydrogen ion. A solid polymer electrolyte membrane that can be moved, and a cathode and an anode, which are electrode layers coated with a catalyst to allow hydrogen and oxygen to react on both sides of the electrolyte membrane.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템을 도시한 것이다.1 shows a power supply system of a fuel cell according to the prior art.

도 1을 참조하면, 종래의 연료전지(10)를 포함하는 연료전지(10)의 전력 공급 시스템은 연료전지(10)의 발전 전력을 충전하거나 방전하는 배터리(20)를 포함한다. 배터리(20)는 연료전지(10)에서 발전한 전력을 충전하거나, 모터(32)의 회생제동에 의한 전력을 충전하고, 요구 전력이 큰 상황에서는 방전을 통하여 모터(32)를 어시스트한다.Referring to FIG. 1, the power supply system of the fuel cell 10 including the conventional fuel cell 10 includes a battery 20 for charging or discharging generated power of the fuel cell 10. The battery 20 charges the electric power generated by the fuel cell 10, or charges the electric power by regenerative braking of the motor 32, and assists the motor 32 by discharging when the required electric power is large.

이러한 종래의 연료전지(10)의 전력 공급 시스템은 연료전지와 모터(32) 및 인버터(31)의 구동 전압 범위와 배터리(20)의 충방전 전압 범위가 상이하여, 연료전지(10)와 모터(32) 사이에 연결된 메인버스단에서 배터리(20) 사이에 양방향 컨버터(40, BHDC: Bidirectional High voltage DC/DC Converter)를 포함하여 상이한 전압 범위를 컨버팅하였다. 다만, 모터(32)에 600V 이상의 전압이 요구되는 대용량 구동시스템의 경우에는 이러한 연료전지(10)의 전력 공급 시스템이 적용될 수 없다. In the conventional power supply system of the fuel cell 10, the driving voltage ranges of the fuel cell, the motor 32, and the inverter 31 and the charge / discharge voltage ranges of the battery 20 are different from each other. Different voltage ranges were converted between the batteries 20 between the main bus terminals connected between the 32, including a bidirectional high voltage DC / DC converter (BHDC). However, in the case of a large-capacity driving system requiring a voltage of 600V or more in the motor 32, such a power supply system of the fuel cell 10 cannot be applied.

따라서, 연료전지(10)와 모터(32) 사이의 메인버스단에도 전압 컨버팅을 위한 컨버터가 더 추가된 연료전지(10)의 전력 공급 시스템이 개발되었다. 그러나 컨버터가 많이 사용될수록 컨버팅에 따른 효율이 떨어지고, 이에 따라 연료전지(10)의 전력 공급 시스템 자체의 효율이 감소하여 연비가 악화되는 문제가 있었다.Accordingly, a power supply system of the fuel cell 10 in which a converter for voltage conversion is further added to the main bus terminal between the fuel cell 10 and the motor 32 has been developed. However, as more converters are used, efficiency decreases due to converting. As a result, the efficiency of the power supply system itself of the fuel cell 10 decreases, thereby deteriorating fuel efficiency.

이를 해결하기 위하여, 컨버터를 최소한으로 포함하면서 배터리의 충방전을 적절하게 제어하여 컨버팅 효율을 최대화한 연료전지의 전력 공급 시스템이 요구되었다.In order to solve this problem, there is a demand for a fuel cell power supply system that maximizes the conversion efficiency by appropriately controlling the charging and discharging of a battery while minimizing a converter.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as the background art are only for the purpose of improving the understanding of the background of the present invention, and should not be taken as acknowledging that they correspond to the related art already known to those skilled in the art.

KR 10-1047406 BKR 10-1047406 B

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 컨버터의 사용을 감소하여 효율을 높인 대용량 구동시스템을 포함하는 연료전지의 전력 공급 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 함이다.The present invention has been proposed to solve such a problem, and is to provide a power supply system for a fuel cell and a control method thereof including a large-capacity driving system having a high efficiency by reducing the use of a converter.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템은 수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지와 부하 사이를 연결하는 메인버스단; 메인버스단의 연료전지와 부하 사이에 마련되어 전력을 컨버팅하는 양방향 컨버터; 충전 또는 방전을 통하여 양방향 컨버터와 부하 사이의 메인버스단으로 전력을 공급하거나 전력을 공급받는 배터리; 및 배터리의 충전 상태를 기반으로 양방향 컨버터의 전류를 제어하는 제어부;를 포함한다.A fuel cell power supply system according to the present invention for achieving the above object is a fuel cell for generating power by a chemical reaction of hydrogen and oxygen; A main bus stage connecting between the fuel cell and the load; A bidirectional converter provided between a fuel cell of the main bus stage and a load to convert electric power; A battery that supplies power or is supplied with power to the main bus terminal between the bidirectional converter and the load through charging or discharging; And a controller configured to control the current of the bidirectional converter based on the state of charge of the battery.

제어부는 배터리의 충전 상태를 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하고, 설정된 배터리 충전 허용 전류와 부하의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터의 전류로 제어할 수 있다.The controller may set the battery charge allowable current based on the state of charge of the battery, and control the sum of the set battery charge allowable current and the required current of the load as the current of the bidirectional converter.

메인버스단에서 배터리로 공급되는 배터리 충전 전류를 측정하는 전류센서;를 더 포함하고, 제어부는 전류센서에서 측정한 배터리 충전 전류를 이용하여 양방향 컨버터의 전류를 피드백 제어할 수 있다.A current sensor for measuring the battery charging current supplied from the main bus terminal to the battery; further comprising, the control unit may control the feedback of the current of the bidirectional converter using the battery charging current measured by the current sensor.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템을 제어하는 방법은 배터리의 충전량을 추정하는 단계; 추정한 배터리의 충전량을 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계; 및 설정한 배터리 충전 허용전류를 기반으로 양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a power supply system of a fuel cell, the method comprising: estimating a charge amount of a battery; Setting a battery charge allowable current based on the estimated amount of charge of the battery; And controlling the current of the bidirectional converter based on the set battery charge allowable current.

배터리의 충전량을 추정하는 단계 이전에, 부하의 요구 전력이 기설정된 전력 범위 이내인지 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method may further include determining whether the required power of the load is within a preset power range before estimating the charge amount of the battery.

기설정된 전력 범위는 부하의 요구 전력이 연료전지가 아이들 스탑 상태를 유지하는 기준이 되는 제1전력 이상일 수 있다.The preset power range may be greater than or equal to the first power on which the required power of the load is a reference for maintaining the idle state of the fuel cell.

기설정된 전력 범위는 부하의 요구 전력이 연료전지의 최대 발전 전력인 제2전력 이하일 수 있다.The preset power range may be less than or equal to the second power that is the maximum generated power of the fuel cell.

배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제1충전량보다 큰 경우, 배터리 충전 허용전류를 음수인 값으로 설정할 수 있다.In the setting of the battery charge allowable current, when the estimated charge amount of the battery is greater than the first charge amount, the battery charge allowable current may be set to a negative value.

배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제2충전량보다 작은 경우, 배터리 충전 허용전류를 양수인 값으로 설정할 수 있다.In the setting of the battery charge allowable current, when the estimated charge amount of the battery is smaller than the second charge amount, the battery charge allowable current may be set to a positive value.

배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제1충전량 이하이고 제2충전량 이상인 경우, 배터리 충전 허용전류를 0으로 설정할 수 있다.In setting the battery charge allowable current, when the estimated charge amount of the battery is equal to or less than the first charge amount and equal to or greater than the second charge amount, the battery charge allowable current may be set to zero.

양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계에서는, 설정한 배터리 충전 허용전류와 부하의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터의 전류로 제어할 수 있다.In the step of controlling the current of the bidirectional converter, the sum of the set battery charge allowable current and the required current of the load may be controlled by the current of the bidirectional converter.

양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계에서는, 메인버스단에서 배터리로 공급되는 배터리 충전 전류를 측정하여 양방향 컨버터의 전류를 피드백 제어할 수 있다.In the controlling of the current of the bidirectional converter, feedback of the current of the bidirectional converter may be controlled by measuring the battery charging current supplied from the main bus terminal to the battery.

본 발명의 연료전지의 전력 공급 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 고전압이 요구되는 부하에 전력을 공급하더라도 컨버터를 최소화하여 컨버팅에 소모되는 전력을 최소화하는 효과를 갖는다.According to the power supply system and control method thereof of the fuel cell of the present invention, even when power is supplied to a load requiring a high voltage, it has the effect of minimizing the power consumed for converting by minimizing the converter.

또한, 배터리의 충전량(SOC)에 따라 충방전 전류를 제한함으로써 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지하여 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.In addition, by limiting the charge and discharge current according to the amount of charge (SOC) of the battery has the effect of preventing overcharge or over-discharge of the battery to improve the durability.

또한, 배터리의 충전량을 적절하게 유지함으로써 차량의 연비를 향상시키고, 차량의 주행 성능을 확보하는 효과를 갖는다.In addition, by appropriately maintaining the amount of charge of the battery has the effect of improving the fuel economy of the vehicle, and ensures the running performance of the vehicle.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법의 순서도이다.
1 shows a power supply system of a fuel cell according to the prior art.
2 is a block diagram of a power supply system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a method for controlling a power supply system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. Specific structural to functional descriptions of the embodiments of the present invention disclosed in the specification or the application are only illustrated for the purpose of describing the embodiments according to the present invention, and the embodiments according to the present invention may be embodied in various forms. It should not be construed as limited to the embodiments described in this specification or the application.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the embodiments according to the present invention can be variously modified and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to a particular disclosed form, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first and / or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another, for example, without departing from the scope of rights in accordance with the inventive concept, and the first component may be called a second component and similarly The second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between," or "neighboring to," and "directly neighboring to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is described, and that one or more other features or numbers are present. It is to be understood that the present invention does not exclude, in advance, the possibility of addition, presence of steps, actions, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal sense unless clearly defined herein. .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템의 구성도를 도시한 것이다.2 is a block diagram of a power supply system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100)의 전력 공급 시스템은 수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지(100); 연료전지(100)와 부하(200) 사이를 연결하는 메인버스단(300); 메인버스단(300)의 연료전지(100)와 부하(200) 사이에 마련되어 전력을 컨버팅하는 양방향 컨버터(400); 충전 또는 방전을 통하여 양방향 컨버터(400)와 부하(200) 사이의 메인버스단(300)으로 전력을 공급하거나 전력을 공급받는 배터리(500); 및 배터리(500)의 충전 상태를 기반으로 양방향 컨버터(400)의 전류를 제어하는 제어부(600);를 포함한다.2, a power supply system of a fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell 100 generating power by a chemical reaction between hydrogen and oxygen; A main bus stage 300 connecting the fuel cell 100 and the load 200; A bidirectional converter 400 provided between the fuel cell 100 and the load 200 of the main bus stage 300 to convert power; A battery 500 for supplying power or supplying power to the main bus terminal 300 between the bidirectional converter 400 and the load 200 through charging or discharging; And a controller 600 for controlling the current of the bidirectional converter 400 based on the state of charge of the battery 500.

연료전지(100)는 수소와 산소가 각각 공급되어 전력을 발전하는 연료전지 스택(Stack)일 수 있다. 연료전지 스택은 촉매를 포함한 막-전극 접합체(MEA)를 사이에 두고 산소를 포함한 공기와 수소를 각각 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)로 공급받아 화학 반응에 의해 전력을 발전할 수 있다. The fuel cell 100 may be a fuel cell stack in which hydrogen and oxygen are supplied to generate power. The fuel cell stack may generate power by a chemical reaction by receiving oxygen and air containing oxygen through a membrane-electrode assembly (MEA) including a catalyst to a cathode and an anode, respectively.

연료전지(100)의 발전 전력은 메인버스단(300)을 통하여 부하(200)와 연결될 수 있다. 부하(200)는 공급된 전력을 소비하는 장치로, 도시된 것과 같이 모터(220)와 모터(220)에 전력을 공급하는 인버터(210)일 수 있고, 기타 보기류(BOP: Balance of Plant) 또는 외부로 연결된 부하 등을 모두 포함할 수 있다.The generated power of the fuel cell 100 may be connected to the load 200 through the main bus stage 300. The load 200 is a device that consumes the supplied power, and may be an inverter 210 for supplying power to the motor 220 and the motor 220 as shown, and other balances of plant (BOP). Or it may include all of the load connected to the outside.

연료전지(100)의 발전 전력은 약 250~450[V]의 전압으로 메인버스단(300)에 공급되고, 부하(200)가 해당 전압으로 운전되는 경우에는 양방향 컨버터(400)가 필요없으나, 부하(200)가 해당 전압 영역보다 더 높은 전압에서 운전되어야 하는 경우에는 승압의 과정이 필요하다. 예를 들어, 승용차가 아닌 상용차와 같이 대용량 구동시스템이 요구되는 경우에는 모터(220)에 약 600[V]의 고전압이 요구될 수 있다. 따라서, 양방향 컨버터(400)는 메인버스단(300)의 연료전지(100)와 부하(200) 사이에 마련되어 전력을 컨버팅할 수 있다.The generated power of the fuel cell 100 is supplied to the main bus terminal 300 at a voltage of about 250 to 450 [V], and when the load 200 is operated at the corresponding voltage, the bidirectional converter 400 is not necessary. When the load 200 is to be operated at a voltage higher than the voltage range, a step-up process is required. For example, when a large-capacity driving system is required, such as a commercial vehicle instead of a passenger car, a high voltage of about 600 [V] may be required for the motor 220. Therefore, the bidirectional converter 400 may be provided between the fuel cell 100 and the load 200 of the main bus stage 300 to convert power.

배터리(500)는 충전 또는 방전을 통하여 양방향 컨버터(400)와 부하(200) 사이의 메인버스단(300)으로 전력을 공급하거나 전력을 공급받을 수 있다. 즉, 연료전지(100)의 발전 전력이 남거나 모터(220)가 회생제동하는 경우에는 잉여 전력을 충전하였다가, 필요한 상황에서 방전됨에 따라 모터(220)에 전력을 공급할 수 있다. The battery 500 may supply or receive power to the main bus terminal 300 between the bidirectional converter 400 and the load 200 through charging or discharging. That is, when the generated power of the fuel cell 100 remains or the motor 220 regeneratively brakes the surplus electric power, the electric power may be supplied to the motor 220 as it is discharged when necessary.

배터리(500)는 대용량 구동시스템에 요구되는 약 600[V]의 고전압 영역에서 충전 및 방전이 가능한 것으로, 양방향 컨버터(400)와 부하(200) 사이의 메인버스단(300)에 별도의 컨버터를 더 포함하지 않고 직접 연결될 수 있다. 이에 따라, 컨버팅에 소모되는 전력을 낭비하지 않음으로써 전력 공급의 효율이 향상되는 효과를 갖는다. The battery 500 is capable of charging and discharging in a high voltage region of about 600 [V] required for a large-capacity driving system. A separate converter may be provided in the main bus stage 300 between the bidirectional converter 400 and the load 200. It can be connected directly without further inclusion. Accordingly, the efficiency of power supply is improved by not wasting power consumed in converting.

배터리(500)가 별도의 컨버터 없이 메인버스단(300)에 직접 연결됨에 따라, 배터리(500)의 충방전은 메인버스단(300)의 연료전지(100)와 부하(200) 사이에 마련된 양방향 컨버터(400)를 이용하여 제어할 수 있다. As the battery 500 is directly connected to the main bus terminal 300 without a separate converter, charging and discharging of the battery 500 are bidirectionally provided between the fuel cell 100 and the load 200 of the main bus terminal 300. Control may be performed using the converter 400.

다만, 배터리(500)의 충방전은 배터리(500)의 OCV(Open Circuit Voltage) 전압에 따라 제어되는 것으로, 배터리(500)의 OCV를 정확하게 알 수 없고, 부하(200)의 크기가 실시간으로 가변됨에 따라 배터리(500)의 충방전을 제대로 제어할 수 없었다. 그러나 본 발명의 제어부(600)는 배터리(500)의 충전 상태를 기반으로 양방향 컨버터(400)의 전류를 제어함으로써 배터리(500) 충전 전류를 정확하게 제어할 수 있다.However, the charge and discharge of the battery 500 is controlled according to the OCV (Open Circuit Voltage) voltage of the battery 500, the OCV of the battery 500 can not be accurately known, the size of the load 200 is variable in real time As a result, the charging and discharging of the battery 500 could not be properly controlled. However, the controller 600 of the present invention can accurately control the charging current of the battery 500 by controlling the current of the bidirectional converter 400 based on the state of charge of the battery 500.

구체적으로, 제어부(600)는 배터리(500)의 충전 상태를 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하고, 설정된 배터리(500) 충전 허용 전류와 부하(200)의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터(400)의 전류로 제어할 수 있다. 배터리 충전 허용전류를 설정하는 방법은 후술하는 제어방법에서 설명한다.In detail, the controller 600 sets a battery charge allowable current based on the state of charge of the battery 500, and sets the sum of the set allowance of the charge charge current of the battery 500 and the required current of the load 200 in the bidirectional converter 400. Can be controlled by the current of. The method for setting the battery charge allowable current will be described later in the control method.

본 발명의 연료전지(100)의 전력 공급 시스템은 메인버스단(300)에서 배터리(500)로 공급되는 배터리(500) 충전 전류를 측정하는 전류센서(700);를 더 포함할 수 있고, 제어부(600)는 전류센서(700)에서 측정한 배터리(500) 충전 전류를 이용하여 양방향 컨버터(400)의 전류를 피드백 제어할 수 있다.The power supply system of the fuel cell 100 of the present invention may further include a current sensor 700 for measuring the charging current of the battery 500 supplied from the main bus stage 300 to the battery 500, and includes a control unit. The 600 may feedback control the current of the bidirectional converter 400 using the charging current of the battery 500 measured by the current sensor 700.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법의 순서도이다.3 is a flowchart of a method for controlling a power supply system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100)의 전력 공급 시스템을 제어하는 방법은, 배터리(500)의 충전량을 추정하는 단계(S200); 추정한 배터리(500)의 충전량을 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계(S300); 및 설정한 배터리 충전 허용전류를 기반으로 양방향 컨버터(400)의 전류를 제어하는 단계(S400);를 포함한다.Referring to FIG. 3, the method for controlling the power supply system of the fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention includes estimating a charge amount of the battery 500 (S200); Setting a battery charge allowable current based on the estimated amount of charge of the battery 500 (S300); And controlling the current of the bidirectional converter 400 based on the set battery charge allowable current (S400).

배터리(500)의 충전량을 추정하는 단계(S200)에서는 현재 배터리(500)에 충전된 전력량 또는 배터리(500)에서 방전 가능한 전력량을 배터리(500)의 충전량(SOC: State of Charge)으로 추정할 수 있다. 이러한 배터리(500)의 충전량은 배터리(500)의 온도 등의 외부 요인에 의해 가변될 수 있고, 이러한 외부 요인에 따라 가변되는 배터리(500)의 충전량은 별도의 기저장된 맵에 의해 추정될 수 있다.In the estimating amount of charge of the battery 500 (S200), the amount of power currently charged in the battery 500 or the amount of power dischargeable from the battery 500 may be estimated as a state of charge (SOC) of the battery 500. have. The amount of charge of the battery 500 may vary by external factors such as the temperature of the battery 500, and the amount of charge of the battery 500 that varies according to such external factors may be estimated by a separate pre-stored map. .

배터리(500)의 충전량을 추정하는 단계(S200) 이전에, 부하(200)의 요구 전력이 기설정된 전력 범위 이내인지 판단하는 단계(S100);를 더 포함할 수 있다.Before the step of estimating the charge amount of the battery 500 (S200), determining whether the required power of the load 200 is within a predetermined power range (S100); may further include.

기설정된 전력 범위는 부하(200)의 요구 전력이 연료전지(100)가 아이들 스탑 (Idle Stop) 상태를 유지하는 기준이 되는 제1전력 이상일 수 있다. 연료전지(100)의 아이들 스탑 상태 유지 기준은 배터리(500)의 충전량에 따라 가변될 수 있는 것으로, 제1전력 또한 가변되는 값일 수 있다. 또한, 기설정된 전력 범위는 부하(200)의 요구 전력이 연료전지(100)의 최대 발전 전력인 제2전력 이하일 수 있다. 즉, 부하(200)의 요구 전력이 연료전지(100)의 최대 발전 전력을 초과하여 배터리(500)가 항상 방전되면서 전력을 어시스트하는 범위가 아닐 수 있다.The preset power range may be equal to or greater than the first power at which the required power of the load 200 becomes a reference for maintaining the idle stop state of the fuel cell 100. The idle stop state maintenance criterion of the fuel cell 100 may vary according to the charging amount of the battery 500, and the first power may also vary. In addition, the preset power range may be less than or equal to the second power that is the maximum generated power of the fuel cell 100. That is, the required power of the load 200 exceeds the maximum generated power of the fuel cell 100 so that the battery 500 is always discharged and may not be a range for assisting power.

따라서, 기설정된 전력 범위는 부하(200)의 요구 전력이 제1전력 이상이고 제2전력 이하인 구간으로, 연료전지(100)의 발전 전력이 배터리(500)에 충전될 수도 있고, 방전될 수도 있는 Part Load 상태일 수 있다. 연료전지(100)는 기설정된 전력 범위에서 계속해서 전력을 발전하고, 배터리(500)의 충전량에 따라 연료전지(100)의 발전 전력이 배터리(500)로 충전되거나 반대로 배터리(500)가 방전되면서 연료전지(100)의 발전 전력을 어시스트하여 부하(200)로 공급될 수 있다.Therefore, the preset power range is a section in which the required power of the load 200 is greater than or equal to the first power and less than or equal to the second power. The generated power of the fuel cell 100 may be charged or discharged in the battery 500. It may be in Part Load state. The fuel cell 100 continuously generates power in a preset power range, and the generated power of the fuel cell 100 is charged with the battery 500 or the battery 500 is discharged according to the amount of charge of the battery 500. The generated power of the fuel cell 100 may be assisted and supplied to the load 200.

부하(200)의 요구 전력은 실시간으로 가변될 수 있는 것이므로, 실시간으로 기설정된 전력 범위를 벗어나거나 진입하지 않도록 기설정된 시간 동안의 평균값을 이용하여 연료전지(100)의 운전 상태가 계속해서 변경되는 것을 방지할 수 있다.Since the required power of the load 200 may be changed in real time, the operating state of the fuel cell 100 is continuously changed by using an average value for a predetermined time so as not to enter or exit the preset power range in real time. Can be prevented.

배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계(S300)에서는, 추정한 배터리(500)의 충전량이 제1충전량보다 큰 경우(S210), 배터리 충전 허용전류를 음수인 값으로 설정할 수 있다(S310). 배터리 충전 허용전류가 음수인 경우는 배터리(500)가 충전이 아닌 방전되는 상황으로, 배터리(500)에서 메인버스단(300)으로 전류가 흐르는 상태이다.In the step of setting the battery charge allowable current (S300), when the estimated charge amount of the battery 500 is greater than the first charge amount (S210), the battery charge allowable current may be set to a negative value (S310). When the battery charge allowable current is negative, the battery 500 is discharged, not charged, and a current flows from the battery 500 to the main bus terminal 300.

제1충전량은 배터리의 충전량이 충분히 큰 상태의 충전량으로, 최대 충전 가능 전력량의 80% 또는 90%로 기설정될 수 있다.The first charge amount is a charge amount in a state where the charge amount of the battery is sufficiently large, and may be preset to 80% or 90% of the maximum chargeable power amount.

반대로, 배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계(S300)에서는, 추정한 배터리(500)의 충전량이 제2충전량보다 작은 경우(S220), 배터리 충전 허용전류를 양수인 값으로 설정할 수 있다. 배터리 충전 허용전류가 양수인 경우는 배터리(500)가 충전되는 상황으로, 메인버스단(300)에서 배터리(500)로 전류가 흐르는 상태이다.Conversely, in the step of setting the battery charge allowable current (S300), when the estimated charge amount of the battery 500 is smaller than the second charge amount (S220), the battery charge allowable current may be set to a positive value. If the battery charge allowable current is positive, the battery 500 is charged, and a current flows from the main bus terminal 300 to the battery 500.

제2충전량은 배터리를 더 충전할 필요가 있는 상태로 배터리의 충전량이 적은 상태이며, 최대 충전 가능 전력량의 50% 정도로 기설정될 수 있다.The second charge amount is a state in which it is necessary to charge the battery further, and a state in which the charge amount of the battery is small and may be preset to about 50% of the maximum chargeable power amount.

단순히, 배터리 충전 허용전류를 기설정된 양수값 또는 기설정된 음수값으로 고정할 수도 있고, 배터리(500)의 충전량에 따라 여러 단계를 나누어서 복수 개의 양수값 또는 음수값으로 설정할 수도 있다. 배터리(500)의 충전량에 따라 선형적 또는 비선형적으로 연속되게 배터리 충전 허용전류를 설정하는 것도 가능하다.The battery charging allowable current may be fixed to a predetermined positive value or a predetermined negative value, or may be set to a plurality of positive values or negative values by dividing various steps according to the charging amount of the battery 500. It is also possible to set the battery charge allowable current continuously linearly or nonlinearly according to the charge amount of the battery 500.

추가로, 배터리 충전 허용전류의 크기를 제한할 수 있다. 즉, 배터리(500)를 충전 또는 방전하는 전류의 크기를 제한하여 배터리(500)에 너무 큰 전류가 흐르게 되어 배터리가 손상되는 문제를 방지함으로써 배터리(500)의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to limit the magnitude of the battery charge allowable current. That is, the durability of the battery 500 may be improved by limiting the magnitude of the current for charging or discharging the battery 500, thereby preventing the battery from being damaged because too large current flows in the battery 500.

배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계(S300)에서는, 추정한 배터리(500)의 충전량이 제1충전량 이하이고 제2충전량 이상인 경우, 배터리 충전 허용전류를 0으로 설정할 수 있다(S330). 즉, 배터리(500)의 충전량이 적정 수준인 경우에는 배터리 충전 허용전류를 0으로 설정하여 충방전이 반복됨에 따른 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.In step S300 of setting the allowable battery charge current, when the estimated charge amount of the battery 500 is less than or equal to the first charge amount and more than or equal to the second charge amount, the battery charge allowance current may be set to 0 (S330). That is, when the charge amount of the battery 500 is an appropriate level, the battery charge allowable current is set to 0 to minimize the power loss due to repeated charging and discharging.

양방향 컨버터(400)의 전류를 제어하는 단계(S400)에서는, 설정한 배터리 충전 허용전류와 부하(200)의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터(400)의 전류로 제어할 수 있다.In step S400 of controlling the current of the bidirectional converter 400, the sum of the set allowable battery charging current and the required current of the load 200 may be controlled by the current of the bidirectional converter 400.

특히, 양방향 컨버터(400)의 전류를 제어하는 단계(S400)에서는, 메인버스단(300)에서 배터리(500)로 공급되는 배터리(500) 충전 전류를 측정하여 양방향 컨버터(400)의 전류를 피드백 제어할 수 있다.In particular, in the step S400 of controlling the current of the bidirectional converter 400, the charging current of the battery 500 supplied from the main bus terminal 300 to the battery 500 is measured to feed back the current of the bidirectional converter 400. Can be controlled.

더 구체적으로, 설정한 배터리 충전 허용전류와 측정한 배터리(500) 충전 전류 사이의 오차를 산출하고, 이를 이용하여 피드백 제어할 수 있다. PI 제어를 이용하여 아래와 같이 양방향 컨버터(400)의 전류를 제어할 수 있다.More specifically, an error between the set battery charge allowance current and the measured battery 500 charge current may be calculated and feedback control may be performed using the error. By using the PI control it is possible to control the current of the bi-directional converter 400 as follows.

Ic = Pgain * 오차 + Igain * 누적 오차Ic = Pgain * Error + Igain * Cumulative Error

여기서, Ic는 양방향 컨버터(400)의 전류이고, Pgain 및 Igain은 게인(Gain) 값으로 반복 실험에 의하여 적절하게 설정된 가중치이며, 오차는 설정한 배터리 충전 허용전류와 측정한 배터리(500) 충전 전류 사이의 차이 값이고, 누적 오차는 오차를 누적하여 적분한 값이다.Here, Ic is a current of the bidirectional converter 400, Pgain and Igain are gain values and weights appropriately set by repetitive experiments, and an error is a set battery charge allowance current and a measured battery 500 charge current. The difference value between, and the cumulative error is a cumulative error integrated value.

즉, 전류센서(700) 등을 이용하여 측정한 배터리(500) 충전 전류를 피드백하여 설정한 배터리 충전 허용전류와의 오차를 반영하여 제어할 수 있다. 또한, 적분 제어(Integral Control)을 더 이용하여 측정한 배터리(500) 충전 전류와 설정한 배터리 충전 허용전류 사이의 오차를 누적 적분하여 제어에 이용함으로써 설정한 배터리 충전 허용전류와의 오차가 최소화되도록 제어할 수 있다.That is, the battery 500 may be controlled by reflecting an error from the battery charging allowance current set by feeding back the charging current of the battery 500 measured using the current sensor 700 or the like. In addition, by accumulating the error between the battery 500 charging current measured by using the integral control and the set battery charge allowable current cumulatively integrated in the control to minimize the error between the set battery charge allowable current Can be controlled.

양방향 컨버터(400)의 전류를 제어하는 단계(S400) 이후에는, 다시 부하(200)의 요구 전력이 기설정된 범위인지 여부를 판단할 수 있다(S500). 즉, 부하(200)의 요구 전력이 상기 설명한 연료전지(100)의 발전 전력이 배터리(500)에 충전될 수도 있고, 방전될 수도 있는 Part Load 상태인지 여부를 판단할 수 있는 것으로, 부하(200)의 요구 전력이 제1전력 미만이거나, 제2전력 초과인 경우에는 Part Load 상태를 벗어나는 것으로 제어를 종료할 수 있다. 부하(200)의 요구 전력이 기설정된 범위 이내라면 다시 배터리(500)의 충전량을 추정하는 단계(S200)로 진입하여 제어를 반복할 수 있다.After controlling the current of the bidirectional converter 400 (S400), it may be again determined whether the required power of the load 200 is a predetermined range (S500). That is, it is possible to determine whether the required power of the load 200 is the Part Load state in which the generated power of the fuel cell 100 described above may be charged or discharged, and the load 200 may be determined. If the required power is less than the first power or the second power is exceeded, the control may be terminated by leaving the part load state. If the required power of the load 200 is within a predetermined range, the process may return to the step S200 of estimating the charge amount of the battery 500 and the control may be repeated.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.While shown and described with respect to specific embodiments of the present invention, it is within the skill of the art that various changes and modifications can be made therein without departing from the spirit of the invention provided by the following claims. It will be self-evident for those of ordinary knowledge.

100 : 연료전지 200 : 부하
210 : 인버터 220 : 모터
300 : 메인버스단 400 : 양방향 컨버터
500 : 배터리 600 : 제어부
700 : 전류센서
100: fuel cell 200: load
210: inverter 220: motor
300: main bus stage 400: bidirectional converter
500 battery 600 control unit
700: current sensor

Claims (12)

수소와 산소의 화학반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지;
연료전지와 부하 사이를 연결하는 메인버스단;
메인버스단의 연료전지와 부하 사이에 마련되어 전력을 컨버팅하는 양방향 컨버터;
충전 또는 방전을 통하여 양방향 컨버터와 부하 사이의 메인버스단으로 전력을 공급하거나 전력을 공급받는 배터리; 및
배터리의 충전 상태를 기반으로 양방향 컨버터의 전류를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지의 전력 공급 시스템.
A fuel cell generating electric power by a chemical reaction between hydrogen and oxygen;
A main bus stage connecting between the fuel cell and the load;
A bidirectional converter provided between a fuel cell of the main bus stage and a load to convert electric power;
A battery that supplies power or is supplied with power to the main bus terminal between the bidirectional converter and the load through charging or discharging; And
Control unit for controlling the current of the bi-directional converter based on the state of charge of the battery.
청구항 1에 있어서,
제어부는 배터리의 충전 상태를 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하고, 설정된 배터리 충전 허용 전류와 부하의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터의 전류로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템.
The method according to claim 1,
The control unit sets the battery charge allowance current based on the state of charge of the battery, and controls the sum of the set battery charge allowance current and the load current required by the current of the bidirectional converter, characterized in that the fuel cell power supply system.
청구항 2에 있어서,
메인버스단에서 배터리로 공급되는 배터리 충전 전류를 측정하는 전류센서;를 더 포함하고,
제어부는 전류센서에서 측정한 배터리 충전 전류를 이용하여 양방향 컨버터의 전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템.
The method according to claim 2,
Further comprising: a current sensor for measuring the battery charging current supplied from the main bus to the battery,
The control unit feedback control the current of the bidirectional converter using the battery charging current measured by the current sensor.
청구항 1의 연료전지의 전력 공급 시스템을 제어하는 방법으로서,
배터리의 충전량을 추정하는 단계;
추정한 배터리의 충전량을 기반으로 배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계; 및
설정한 배터리 충전 허용전류를 기반으로 양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
A method of controlling a power supply system of a fuel cell of claim 1,
Estimating a charge amount of the battery;
Setting a battery charge allowable current based on the estimated amount of charge of the battery; And
And controlling the current of the bidirectional converter based on the set battery charge allowable current.
청구항 4에 있어서,
배터리의 충전량을 추정하는 단계 이전에, 부하의 요구 전력이 기설정된 전력 범위 이내인지 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
And determining whether the required power of the load is within a preset power range before estimating the charge amount of the battery.
청구항 5에 있어서,
기설정된 전력 범위는 부하의 요구 전력이 연료전지가 아이들 스탑 상태를 유지하는 기준이 되는 제1전력 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 5,
The preset power range is a power supply system control method for a fuel cell, characterized in that the required power of the load is equal to or more than the first power which becomes a reference for maintaining the idle state of the fuel cell.
청구항 5에 있어서,
기설정된 전력 범위는 부하의 요구 전력이 연료전지의 최대 발전 전력인 제2전력 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 5,
The predetermined power range is a power supply system control method for a fuel cell, characterized in that the required power of the load is less than the second power which is the maximum generated power of the fuel cell.
청구항 4에 있어서,
배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제1충전량보다 큰 경우, 배터리 충전 허용전류를 음수인 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
In the step of setting the battery charge allowable current, when the estimated amount of charge of the battery is greater than the first charge amount, the battery charge allowance current control method, characterized in that for setting a negative value.
청구항 4에 있어서,
배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제2충전량보다 작은 경우, 배터리 충전 허용전류를 양수인 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
In the step of setting the battery charge allowable current, when the estimated amount of charge of the battery is less than the second charge amount, the control method of the power supply system of the fuel cell, characterized in that the battery charge allowable current is set to a positive value.
청구항 4에 있어서,
배터리 충전 허용전류를 설정하는 단계에서는, 추정한 배터리의 충전량이 제1충전량 이하이고 제2충전량 이상인 경우, 배터리 충전 허용전류를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
In the step of setting the battery charge allowable current, when the estimated amount of charge of the battery is less than the first charge amount and more than the second charge amount, the battery charging allowance current is set to zero.
청구항 4에 있어서,
양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계에서는, 설정한 배터리 충전 허용전류와 부하의 요구 전류의 합을 양방향 컨버터의 전류로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
In the controlling of the current of the bidirectional converter, the method of controlling the power supply system of a fuel cell, characterized in that the sum of the set battery charge allowable current and the required current of the load is controlled by the current of the bidirectional converter.
청구항 4에 있어서,
양방향 컨버터의 전류를 제어하는 단계에서는, 메인버스단에서 배터리로 공급되는 배터리 충전 전류를 측정하여 양방향 컨버터의 전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 공급 시스템 제어방법.
The method according to claim 4,
In the step of controlling the current of the bi-directional converter, the control method of the power supply system of the fuel cell, characterized in that the feedback control the current of the bi-directional converter by measuring the battery charging current supplied to the battery from the main bus terminal.
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