KR101673717B1 - Power generation system using fuel cell electric vehicle and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고, 발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템, 및 그 제어 방법이 개시된다. The present invention relates to a mobile power generation system using a fuel cell vehicle and a control method thereof, in which a separate converter in a power conversion module is deleted, a DC-link voltage at the input terminal of the inverter is kept constant by utilizing a converter in the vehicle, The present invention provides a portable power generation system using a fuel cell vehicle and a control method thereof. In order to achieve the above object, there is provided a fuel cell system including a fuel cell system including a fuel cell, a fuel cell controller for controlling overall operation of the fuel cell system, a connector connected to the fuel cell and a DC- -DC converter, and a battery-powered fuel cell vehicle which is connected via a bidirectional DC-DC converter to a DC-link terminal and is charged or discharged through a DC-link terminal in accordance with the operation of the bidirectional DC- ; And a power conversion module connected to the connector and connected to the DC-link stage to supply the inverter output current to the power system, wherein the output of the inverter according to the current command And the bidirectional DC-DC converter operates according to the output voltage command to control a DC-link voltage, which is an input terminal voltage of the inverter, when the fuel cell controller generates and outputs an output voltage command according to the current command. A portable power generation system using a fuel cell vehicle, and a control method thereof.

Description

연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법{Power generation system using fuel cell electric vehicle and control method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a portable power generation system using a fuel cell vehicle,

본 발명은 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a mobile power generation system using a fuel cell vehicle and a control method thereof, and more particularly, to a power generation system using a fuel cell vehicle, which eliminates a separate converter in the power conversion module and utilizes a converter inside the vehicle, The present invention relates to a portable power generation system using a fuel cell vehicle and a control method thereof.

친환경 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기를 포함한다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of the environmentally friendly automobiles, includes a fuel cell stack that generates electric energy from an electrochemical reaction of a reactive gas (hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidizer) An air supply device for supplying air containing oxygen to the fuel cell stack, a heat and water management system for controlling the operation temperature of the fuel cell stack and performing a water management function, And a fuel cell controller.

통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크), 레귤레이터, 수소압력제어밸브, 수소재순환장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수펌프, 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.In a typical fuel cell system, a hydrogen supply device includes a hydrogen storage (hydrogen tank), a regulator, a hydrogen pressure control valve, a hydrogen recirculation device, etc., and the air supply device includes an air blower, a humidifier, The system includes a coolant pump, a water tank, a radiator, and the like.

수소공급장치에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 레귤레이터에서 감압된 후 연료전지 스택으로 공급되는데, 이때 감압된 수소는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다.The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank is supplied to the fuel cell stack after being reduced in pressure by the regulator. At this time, the reduced-pressure hydrogen is supplied to the fuel cell stack Is supplied to the stack.

그리고, 연료전지 자동차는 주행을 위한 구동원으로 모터를 이용하고, 주동력원인 연료전지 또는 보조동력원인 고전압 배터리의 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여 모터를 구동시키는 인버터가 구비된다. The fuel cell vehicle is equipped with an inverter that uses a motor as a driving source for running, and drives a motor by converting a direct current of a fuel cell, which is a main power source, or a high voltage battery, which is an auxiliary power source, into a three-phase alternating current.

연료전지 자동차에서 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.In a fuel cell vehicle, when only a fuel cell is used as a power source of a vehicle, the fuel cell takes charge of all the loads constituting the vehicle, so that the performance of the fuel cell deteriorates in an operation region where the efficiency of the fuel cell is low.

또한, 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에는 연료전지의 출력전압이 순간적으로 급강하하고 모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하될 수 있고, 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없다.In addition, when a sudden load is applied to the vehicle, the output voltage of the fuel cell dips instantly and the sufficient performance can not be supplied to the motor. As a result, the fuel cell has a unidirectional output characteristic. Energy can not be recovered.

따라서, 연료전지 자동차에는 주동력원인 연료전지 외에 보조동력원으로 별도의 에너지 저장장치, 그 예로 충/방전 가능한 고전압 배터리를 탑재하고 있으며, 이러한 고전압 배터리는 연료전지에서 생성된 전력을 저장(충전)할 수 있도록 전력변환장치를 통해 연결되어 있다.Therefore, in addition to the fuel cell, which is the main power source, the fuel cell vehicle is equipped with a separate energy storage device such as a chargeable / dischargeable high voltage battery as an auxiliary power source. Such a high voltage battery stores (charges) And is connected via a power converter.

상기 전력변환장치는 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(직류변환장치)로서, 연료전지와 부하측인 인버터 및 모터 사이를 연결하는 DC-링크단에 연결되어 있고, 고전압 배터리가 양방향 고전압 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 DC-링크단에 연결된 구조로 되어 있다.The power conversion device is a bidirectional high voltage DC / DC converter (BHDC) (DC conversion device), which is connected to a DC-link stage that connects a fuel cell, The high-voltage battery is connected to the DC-link stage via a bidirectional high-voltage DC-DC converter.

이러한 구성에 의해 연료전지의 발전전력을 차량 내 부하측에 공급할 수 있는 한편, 연료전지의 발전전력으로 컨버터를 통해 고전압 배터리를 충전할 수 있고, 또한 고전압 배터리에 충전된 전력을 컨버터를 통해 차량 내 부하에 공급할 수 있다.With this configuration, the generated power of the fuel cell can be supplied to the in-vehicle load, while the high-voltage battery can be charged through the converter with the generated power of the fuel cell, and the power charged in the high- .

또한, 양방향 고전압 DC-DC 컨버터에 대한 전압 제어를 통해 연료전지의 출력을 제어하는 것이 가능하다.It is also possible to control the output of the fuel cell through voltage control for the bidirectional high voltage DC-DC converter.

한편, 연료전지 자동차를 외부 전력계통에 연결하여 연료전지의 발전전력을 외부 전력계통으로 공급하여 활용할 수 있도록 하는 기술이 제시된 바 있다.On the other hand, a technology has been proposed in which a fuel cell vehicle is connected to an external power system so that the generated power of the fuel cell can be supplied to an external power system for utilization.

도 1은 연료전지 자동차의 발전전력을 전력계통으로 송전하기 위한 종래의 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional mobile power generation system for transmitting generation power of a fuel cell vehicle to a power system; FIG.

도 1을 참조하면, 연료전지(스택)(11), 연료전지 제어기(12), 고전압 배터리(14), 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)(15), 인버터(16) 및 모터(17)를 탑재한 연료전지 자동차(10)와, 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 도시되어 있다.1, a fuel cell (stack) 11, a fuel cell controller 12, a high voltage battery 14, a bidirectional high voltage DC-DC converter (BHDC) 15, an inverter 16, And a power conversion module 30 for transmitting the electric power transmitted from the fuel cell vehicle 10 to the power system 40. [

도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)에는 차량의 주동력원이 되는 연료전지(11), 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기(12), 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(14), 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 DC-DC 컨버터(15), 차량의 구동원이 되는 모터(17), 모터(17)를 구동시키기 위한 인버터(16)가 탑재된다.As shown in the figure, the fuel cell vehicle 10 is provided with a fuel cell 11 as a main power source of the vehicle, a fuel cell controller 12 for controlling overall operation of the fuel cell system, a high voltage battery 14 used as an auxiliary power source, A DC-DC converter 15 for charging and discharging control of the high-voltage battery 14, a motor 17 as a driving source of the vehicle, and an inverter 16 for driving the motor 17 are mounted.

상기 연료전지 제어기(12)는 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 DC-DC 컨버터(15), 보다 명확히는 미도시된 컨버터 제어기로 전달하여 DC-DC 컨버터의 구동을 제어하게 된다. The fuel cell controller 12 transfers the output voltage command Vref for charging and discharging control of the high voltage battery 14 to the DC-DC converter 15, more specifically to the converter controller not shown, As shown in FIG.

또한, 연료전지 자동차(10)의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 전력계통으로 송전해주는 이동식 전력변환모듈(30)이 차량 외부에 구비되고, 차량 전력의 송전을 위해 연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)이 커넥터(22)를 통해 연결된다.Also, a mobile power conversion module 30, which converts DC power of the fuel cell vehicle 10 into AC power and transmits the power to the power system, is provided outside the vehicle, and the fuel cell vehicle 10 and the electric power The conversion module 30 is connected via the connector 22. [

여기서, 상기 전력변환모듈(30)은 컨버터(31)와 인버터(32)를 포함한다.Here, the power conversion module 30 includes a converter 31 and an inverter 32.

보다 상세하게는, 연료전지 자동차(10)에서 생성된 전력을 외부 전력계통(40)으로 송전하기 위해서는 연료전지(11)의 출력이 직류이므로 직류전압을 교류전압으로 변환해주는 전력변환장치, 즉 인버터(32)가 필요하다.More specifically, in order to transmit the electric power generated by the fuel cell vehicle 10 to the external power system 40, since the output of the fuel cell 11 is a direct current, a power conversion device for converting a direct current voltage into an alternating voltage, (32) is required.

또한, 연료전지(11)에서 생성되는 전력을 외부 전력계통(40)으로 송전하기 위해서는 전력계통의 상 전압보다 높은 DC-링크 전압을 유지하는 것이 필수적이다.Further, in order to transmit power generated in the fuel cell 11 to the external power system 40, it is necessary to maintain a DC-link voltage higher than the phase voltage of the power system.

그러나, 연료전지(11)에서 지속적으로 정전류를 출력하는 발전을 할 경우 연료전지의 드라이-아웃(Dry-out) 특성으로 인해 연료전지의 출력전압이 지속적으로 떨어지게 된다.However, when the fuel cell 11 continuously generates a constant current, the output voltage of the fuel cell continuously drops due to the dry-out characteristic of the fuel cell.

따라서, 연료전지(11)의 출력전압이 전력계통으로 송전되기 위해 필요한 최소 직류전압보다 떨어지게 되어 전력계통(40)으로의 송전이 불가한 상황이 발생한다.Therefore, the output voltage of the fuel cell 11 becomes lower than the minimum DC voltage necessary for transmission to the power system, and a situation occurs that transmission to the power system 40 is impossible.

이를 방지하기 위해, 통상적으로 연료전지 자동차(10)와 이동식 전력변환모듈(30)의 인버터(32) 사이에 또 다른 전력변환장치, 즉 DC-DC 컨버터(직류변환장치)(31)를 배치하여 인버터 입력단의 전압을 일정하게 유지시킨다.In order to prevent this, another power converter, that is, a DC-DC converter (DC inverter) 31, is typically disposed between the fuel cell vehicle 10 and the inverter 32 of the mobile power conversion module 30 Keep the inverter input voltage constant.

요컨대, 전력변환모듈(30)에서 DC-DC 컨버터(31)는 커넥터(22)를 통해 입력되는 연료전지 자동차(10)의 전력을 직류-직류 변환하여 인버터(32)로 출력하고, 인버터(32)는 컨버터(31)의 출력을 직류-교류 변환하여 전력계통(40)으로 출력한다.That is, in the power conversion module 30, the DC-DC converter 31 converts the power of the fuel cell vehicle 10 input through the connector 22 to DC-DC conversion and outputs it to the inverter 32, Converts the output of the converter 31 to DC-AC and outputs it to the power system 40.

이러한 연료전지 자동차(10)와 이동식 전력변환모듈(30)은 일종의 이동식 발전 시스템으로 이용될 수 있는 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 자동차(10)의 외부 접속용 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)을 연결하고, 연료전지(11)에서 생성된 발전전력을 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)의 컨버터(31) 입력단으로 공급한다.The fuel cell vehicle 10 and the mobile power conversion module 30 can be used as a portable power generation system. More specifically, the fuel cell vehicle 10 and the mobile power conversion module 30 can be connected to the external connection connector 22 of the fuel cell vehicle 10, 30 and supplies the generated power generated by the fuel cell 11 to the input terminal of the converter 31 of the power conversion module 30 through the connector 22. [

이때, 전력변환모듈(30)의 컨버터(31)는 전압 제어를 통해 인버터(32) 입력단을 일정 전압으로 유지시키도록 동작하고, 인버터(32)는 전력계통(40)에 연결되어 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 연료전지(11)의 DC 발전전력을 AC 전력으로 변환하여 전력계통(40)으로 송전한다.At this time, the converter 31 of the power conversion module 30 operates to maintain the input terminal of the inverter 32 at a constant voltage through voltage control, and the inverter 32 is connected to the power system 40, 10 to the AC power and transmits the DC power to the power system 40. [

이하, 종래의 이동식 발전 시스템이 가지는 문제점을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the problems of the conventional mobile power generation system will be described.

먼저, 이동식 전력변환모듈(30)은 차량에 적재하여 이동하면서 사용할 목적으로 구비하는 것이므로 모듈의 부피와 중량이 중요하며, 부피 축소 및 중량 저감을 통해 이동성 및 휴대성을 높이는 것이 중요하다. First, since the mobile power conversion module 30 is provided for use while being loaded on a vehicle, it is important that the volume and weight of the module are important, and it is important to improve portability and mobility through volume reduction and weight reduction.

그러나, 종래의 전력변환모듈(30)은 컨버터(31)와 인버터(32) 모두를 포함하므로 부피와 중량 증대, 원가 상승, 고장 발생 요소가 많다는 문제점을 가지며, 이동성 및 휴대성이 좋지 못한 단점이 있다.
However, since the conventional power conversion module 30 includes both the converter 31 and the inverter 32, the conventional power conversion module 30 has a problem that the volume and the weight increase, the cost rise, and the trouble occurrence factor are large, have.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a DC / DC converter that eliminates a separate converter in a power conversion module, The present invention provides a portable power generation system using a fuel cell vehicle and a control method thereof.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고, 발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell, a fuel cell controller for controlling overall operation of the fuel cell system, a connector connected to the fuel cell via a DC- A bidirectional DC-DC converter connected to the DC-link stage, and a bidirectional DC-DC converter connected to the DC-link stage and charged or discharged through the DC-link stage according to the operation of the bidirectional DC- A battery-powered fuel cell vehicle; And a power conversion module connected to the connector and connected to the DC-link stage to supply the inverter output current to the power system, wherein the output of the inverter according to the current command And the bidirectional DC-DC converter operates according to the output voltage command to control a DC-link voltage, which is an input terminal voltage of the inverter, when the fuel cell controller generates and outputs an output voltage command according to the current command. A portable power generation system using a fuel cell vehicle is provided.

그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와; 상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하는 이동식 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 발전 모드가 선택되어 연료전지가 운전되는 동안 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell system including a fuel cell, a fuel cell controller for controlling overall operation of the fuel cell system, a connector connected to the fuel cell via a DC-link stage, A bidirectional DC-DC converter and a bidirectional DC-DC converter connected to the DC-link stage, the battery being charged or discharged through a DC-link terminal according to the operation of the bidirectional DC- With a car; And a power conversion module connected to the connector and including an inverter connected directly to the DC-link stage and connected to supply an inverter output current to the power system, wherein the power generation mode is selected, During the operation, the output of the inverter is controlled according to the current command. When the fuel cell controller generates and outputs an output voltage command according to the current command, the bidirectional DC-DC converter operates in accordance with the output voltage command, And controlling a DC-link voltage of the fuel cell vehicle.

이로써, 본 발명에 따른 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 직류(DC)전압을 일정하게 유지시켜 인버터 입력단에 전류를 전달하기 위한 컨버터를 전력변환모듈에서 삭제할 수 있다.Thus, according to the mobile power generation system using the fuel cell vehicle according to the present invention and the control method thereof, a converter for transmitting the current to the inverter input terminal while maintaining the direct current (DC) voltage constant can be deleted from the power conversion module.

이를 통해 원가 절감은 물론 전력변환모듈의 부피 축소와 중량 저감을 달성할 수 있고, 전력변환모듈의 이동성 및 휴대성 증대, 고장 요소 축소의 이점이 있게 된다. As a result, not only the cost reduction but also the volume reduction and the weight reduction of the power conversion module can be achieved, and there is an advantage of increasing the portability and portability of the power conversion module and reducing the failure factor.

또한, 연료전지에 대한 드라이-아웃 판정 로직의 결과에 따라 차량 내 컨버터(BHDC)에서 고전압 배터리의 충, 방전을 제어하므로 인버터 입력단의 DC-링크 전압(인버터 입력 전압)을 항상 일정하게 유지할 수 있고, 따라서 인버터의 전류 출력을 유지하여 전력계통으로의 안정적인 송전이 이루어질 수 있다.
In addition, according to the result of the dry-out decision logic for the fuel cell, the in-vehicle converter (BHDC) controls the charging and discharging of the high voltage battery so that the DC-link voltage (inverter input voltage) , So that the current output of the inverter can be maintained and stable transmission to the power system can be achieved.

도 1은 연료전지 자동차의 발전전력을 전력계통으로 송전하기 위한 종래의 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템에서 발전 모드의 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 연료전지 운전 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 이동식 발전 시스템이 가지는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional mobile power generation system for transmitting generation power of a fuel cell vehicle to a power system; FIG.
2 is a configuration diagram showing a mobile power generation system according to the present invention.
FIGS. 3 and 4 are views for explaining a power generation mode control process in the mobile power generation system according to the present invention.
5 is a view showing a fuel cell operating state in the present invention.
FIG. 6 is a view for explaining a problem of a conventional mobile power generation system.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명은 연료전지 자동차 내부에 보조동력원인 고전압 배터리의 충, 방전을 위한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)가 탑재되어 있는 점에 착안하여 전력변환모듈 내 별도의 컨버터를 삭제하고 차량 내부의 컨버터를 활용하여 인버터 입력단의 DC-링크 전압을 일정하게 유지함과 동시에 전류 출력을 가능하도록 하는 기술을 제공하고자 하는 것이다.In view of the fact that a bidirectional high voltage DC-DC converter (BHDC) for charging and discharging a high voltage battery as an auxiliary power source is mounted in the fuel cell vehicle, a separate converter in the power conversion module is deleted, To provide a technique for maintaining the DC-link voltage at the input of the inverter at a constant level while simultaneously enabling current output.

도 2는 본 발명에 따른 이동식 발전 시스템을 나타내는 구성도로서, 도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)을 포함하는 이동식 발전 시스템을 나타내고 있다.Fig. 2 is a configuration diagram showing a mobile power generation system according to the present invention. As shown in Fig. 2, a mobile power generation system including a fuel cell vehicle 10 and a power conversion module 30 is shown.

도 2를 참조하면, 연료전지(스택)(11), 연료전지 제어기(12), 고전압 배터리(14), 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(BHDC)(15), 그리고 인버터(16) 및 모터(17)를 탑재한 연료전지 자동차(10)와, 상기 연료전지 자동차(10)로부터 전달되는 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 도시되어 있다.Referring to FIG. 2, a fuel cell (stack) 11, a fuel cell controller 12, a high voltage battery 14, a bidirectional high voltage DC-DC converter (BHDC) 15, And a power conversion module 30 for transmitting the electric power transmitted from the fuel cell vehicle 10 to the power system 40. The power conversion module 30 includes a power conversion module 30,

도시된 바와 같이, 연료전지 자동차(10)에는 차량의 주동력원이 되는 연료전지(11), 연료전지(11) 및 그 주변 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기(12), 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(14), 고전압 배터리(14)의 충, 방전 제어를 위한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15), 차량의 구동원이 되는 모터(17), 모터(17)를 구동시키기 위한 인버터(16)가 탑재된다.As shown in the figure, the fuel cell vehicle 10 is provided with a fuel cell 11, which is a main power source of the vehicle, a fuel cell controller 12 that controls overall operation of the fuel cell system including the fuel cell 11 and its peripheral devices A high voltage battery 14 used as an auxiliary power source, a bidirectional high voltage DC-DC converter 15 for charging and discharging control of the high voltage battery 14, a motor 17 as a drive source of the vehicle, And an inverter 16 for driving the inverter 16 is mounted.

이와 더불어, 차량 내 연료전지 시스템의 전기부하로서, 연료전지(스택)(11)의 온도 제어를 위해 냉각수를 순환시키는 냉각수펌프(18), 그리고 연료전지(11)에 반응기체인 공기를 공급하기 위한 공기블로워(19)가 도 2에 도시되어 있다. In addition, as an electric load of the in-vehicle fuel cell system, a cooling water pump 18 for circulating cooling water for controlling the temperature of the fuel cell (stack) 11, and a cooling water pump 18 for supplying air to the fuel cell 11 An air blower 19 is shown in Fig.

상기 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)는 연료전지(11)의 발전전력을 공급받거나 고전압 배터리(14)의 전력을 컨버터(15)를 통해 공급받아 구동될 수 있고, 연료전지 제어기(12)로부터 출력되는 각각의 회전수 지령(RPMref1,RPMref2)에 따라 그 회전수가 제어된다. The cooling water pump 18 and the air blower 19 can be driven by receiving the power generation power of the fuel cell 11 or the power of the high voltage battery 14 through the converter 15, (RPMref1, RPMref2) output from the engine control unit (ECU).

상기 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)는 연료전지(11)와 부하측인 인버터(16) 및 모터(17) 사이를 연결하는 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 연결되어 있고, 고전압 배터리(14)가 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)를 개재한 상태로 DC-링크단(13)에 연결되어 있다.The bidirectional high voltage DC-DC converter 15 is connected to the DC-link stage (main bus stage) 13 which connects the fuel cell 11 with the inverter 16 and the motor 17 on the load side, And the battery 14 is connected to the DC-link terminal 13 via the bidirectional high-voltage DC-DC converter 15.

이러한 구성에 의해 연료전지(11)의 발전전력을 차량 내 부하측에 공급할 수 있는 한편, 연료전지(11)의 발전전력으로 컨버터(15)를 통해 고전압 배터리(14)를 충전할 수 있고, 또한 고전압 배터리(14)에 충전된 전력을 컨버터(15)를 통해 차량 내 부하에 공급할 수 있다.With this configuration, it is possible to supply the power generation power of the fuel cell 11 to the in-vehicle load side while charging the high voltage battery 14 via the converter 15 with the power generation power of the fuel cell 11, So that the electric power charged in the battery 14 can be supplied to the in-vehicle load through the converter 15. [

상기 고전압 배터리(14)에서는 양방향 DC-DC 컨버터(15)의 동작이 제어됨에 따라 DC-링크단(13)을 통한 충전 또는 방전이 이루어지고, 또한 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)에 대한 전압 제어를 통해 연료전지(11)의 출력이 제어될 수 있다.As the operation of the bidirectional DC-DC converter 15 is controlled in the high-voltage battery 14, charging or discharging is performed through the DC-link terminal 13 and the voltage for the bidirectional high-voltage DC-DC converter 15 The output of the fuel cell 11 can be controlled through the control.

연료전지 제어기(12)는 고전압 배터리(14)의 충, 방전 및 연료전지(11)의 출력 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 DC-DC 컨버터(15), 보다 명확히는 미도시된 컨버터 제어기로 전달하여 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하게 된다. The fuel cell controller 12 supplies the output voltage instruction Vref for charging and discharging the high voltage battery 14 and the output control of the fuel cell 11 to the DC-DC converter 15, more specifically, To control the operation of the DC-DC converter.

아울러, 연료전지 자동차(10)를 외부 연결하기 위한 외부 접속용 커넥터(22)가 차량에 구비되는데, 상기 커넥터(22)는 연료전지(11), 인버터(16) 및 컨버터(15) 사이의 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 연결되어 있고, 이 커넥터(22)에 차량 전력을 전력계통(40)으로 송전하기 위한 전력변환모듈(30)이 연결된다.A connector 22 for external connection for externally connecting the fuel cell vehicle 10 is provided in the vehicle. The connector 22 is connected to the fuel cell 11, the inverter 16, (Main bus end) 13 to which a power conversion module 30 for transmitting vehicle power to the power system 40 is connected.

이에 따라 연료전지(11)에서 발전을 통해 생성된 전력이 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)로 전달될 수 있고, 더불어 고전압 배터리(14)에 충전되어 있는 전력이 컨버터(15) 및 커넥터(22)를 통해 전력변환모듈(30)로 전달될 수 있다.The power generated in the fuel cell 11 can be transmitted to the power conversion module 30 through the connector 22 and the electric power charged in the high voltage battery 14 can be transmitted to the converter 15 and / And may be transmitted to the power conversion module 30 through the connector 22.

또한, 상기 DC-링크단(13)에는 연료전지 출력전류를 검출하고 검출값에 따른 신호를 연료전지 제어기(12)에 입력하도록 연결된 전류센서(21)가 설치된다.In addition, the DC-link stage 13 is provided with a current sensor 21 connected to the fuel cell controller 12 for detecting the output current of the fuel cell and inputting a signal according to the detected value.

또한, 본 발명에서는 이동식 전력변환모듈(30) 내에 별도의 컨버터가 삭제되는 대신, 인버터(32) 입력단이 커넥터(22)를 통해 차량의 DC-링크단(메인 버스단)(13)에 직결될 수 있도록 되어 있다. In the present invention, instead of eliminating a separate converter in the mobile power conversion module 30, the input of the inverter 32 is connected directly to the DC-link end (main bus end) 13 of the vehicle through the connector 22 .

상기 전력변환모듈(30)의 인버터(32)는 차량의 DC-링크단(13)에 연결된 상태에서 차량으로부터의 직류(DC)전력, 즉 연료전지(11)에서 출력되는 발전전력과 고전압 배터리(14)에서 DC-DC 컨버터(15)를 통해 출력되는 충전전력을 교류(AC)전력으로 변환하여 전력계통(40)으로 출력하게 된다. The inverter 32 of the power conversion module 30 is connected to the DC-link terminal 13 of the vehicle in such a manner that the direct current (DC) power from the vehicle, that is, the generated power output from the fuel cell 11 and the high- 14 converts the charging power output through the DC-DC converter 15 into AC power and outputs the power to the power system 40. [

본 발명의 이동식 발전 시스템에서 연료전지 제어기(12)와 전력변환모듈(30)의 인버터(32)(보다 명확히는 미도시된 인버터 제어기)는 계통(40)측으로부터 전달되는 전류지령(Icmd)을 입력받으며, 이 전류지령에 따라 전력변환모듈(30)의 인버터(32) 출력이 제어되고, 연료전지 제어기(12)가 상기 전류지령에 따라 컨버터(15) 제어를 위한 출력전압지령(Vref)을 생성하여 출력한다.In the portable power generation system of the present invention, the fuel cell controller 12 and the inverter 32 (more specifically, the inverter controller not shown) of the power conversion module 30 generate the current command Icmd transmitted from the side of the system 40 The output of the inverter 32 of the power conversion module 30 is controlled in accordance with the current command and the fuel cell controller 12 outputs the output voltage command Vref for controlling the converter 15 in accordance with the current command And outputs it.

한편, 연료전지 자동차(10)는 주행 용도와 발전 용도의 두 가지 목적으로 사용될 수 있으며, 따라서 주행 모드와 발전 모드를 구분하여 차량 제어가 수행된다.On the other hand, the fuel cell vehicle 10 can be used for two purposes, that is, a driving mode and a power generation mode.

즉, 차량의 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)의 커넥터가 연결되면, 인터락(Interlock) 신호가 연료전지 제어기(12)에 입력되는데, 인터락 신호는 커넥터 체결 유무 및 불량을 검출하기 위한 신호로 이용되는 것으로, 연료전지 제어기(12)는 인터락 회로를 통해 입력되는 전압 신호인 인터락 신호로부터 커넥터 체결 유무 및 불량 여부를 확인하게 된다.That is, when the connector of the power conversion module 30 is connected to the connector 22 of the vehicle, an interlock signal is inputted to the fuel cell controller 12, and the interlock signal detects the presence / And the fuel cell controller 12 checks whether the connector is tightened or not from the interlock signal, which is a voltage signal inputted through the interlock circuit.

또한, 사용자가 차량을 발전 용도로 이용하려는 경우 차량 내 버튼을 눌러 발전 모드를 선택할 수 있으며, 이때의 버튼 조작신호, 즉 발전 모드 신호를 연료전지 제어기(12)가 입력받게 된다.In addition, when the user wishes to use the vehicle for power generation, the user can select the power generation mode by pressing a button in the vehicle. The fuel cell controller 12 receives the button operation signal, that is, the power generation mode signal.

따라서, 차량의 커넥터(22)에 전력변환모듈(30)의 커넥터가 체결되고 사용자가 버튼을 누르게 되면, 연료전지 제어기(12)는 인터락 신호와 발전 모드 신호를 입력받게 되어 차량이 발전 모드로 진입되도록 한다. Accordingly, when the connector of the power conversion module 30 is connected to the connector 22 of the vehicle and the user presses the button, the fuel cell controller 12 receives the interlock signal and the power generation mode signal, Let it enter.

상기 발전 모드로 진입하면, DC-링크단(메인 버스단)(13)의 전압을 전력변환모듈(30)의 인버터(32)가 전력계통(40)으로 전력을 보낼 수 있는 최소 전압 이상으로 유지하기 위한 운전 제어 전략으로 제어를 실시한다.When the power generation mode is entered, the inverter 32 of the power conversion module 30 maintains the voltage of the DC-link stage (main bus end) 13 at or above the minimum voltage that can send power to the power system 40 And control is performed by the operation control strategy to be performed.

도 3과 도 4는 발전 모드의 제어 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4는 연료전지 출력의 전류-전압(I-V) 곡선을 나타내고 있고, 도 4에서 점선의 곡선은 드라이-아웃(Dry-out) 판정 기준 곡선을 나타낸다.4 and FIG. 4 show the current-voltage (IV) curve of the fuel cell output, and the curve of the dotted line in FIG. 4 indicates the dry-out ) Determination reference curve.

먼저, 발전 모드에서 연료전지(11)가 정상 운전되고, 연료전지(11)에서 생성된 발전전류를 차량에서 전력변환모듈(30)을 통해 전력계통(40)으로 전송하기 시작하면, 연료전지 제어기(12)는 연료전지 상태 정보로부터 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에 따라 연료전지(11)의 드라이-아웃 상태 도달 여부를 모니터링한다.When the fuel cell 11 starts to operate normally in the power generation mode and the generation current generated in the fuel cell 11 starts to be transmitted from the vehicle to the power system 40 through the power conversion module 30, The controller 12 monitors whether the fuel cell 11 has reached the dry-out state according to the fuel cell dry-out decision logic from the fuel cell state information.

연료전지(11)가 지속적으로 발전을 하면 드라이-아웃 현상이 발생하여 도 4에서와 같이 전류-전압 곡선이 아래로 처지게 되는데, 이때 연료전지(11)의 출력을 정전류 상태로 유지하면 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 낮아지게 된다. When the fuel cell 11 continuously generates electricity, a dry-out phenomenon occurs and the current-voltage curve is sagged down as shown in FIG. 4. When the output of the fuel cell 11 is maintained at a constant current state, The output voltage Vf of the transistor 11 is lowered.

이때, 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에는 연료전지(11)에서 전력계통(40)으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압(Vmin)을 고려하여 설정 마진(α)을 고려한 'Vmin + α'에 해당하는 전류-전압 곡선이 드라이-아웃 판정 기준으로 설정된다.At this time, in the fuel cell dry-out decision logic, 'Vmin + α' taking the setting margin α into account in consideration of the fuel cell minimum output voltage Vmin capable of transmitting power from the fuel cell 11 to the power system 40 Is set as the dry-out judgment criterion.

이에 연료전지(11)가 운전 중일 때 연료전지 제어기(12)의 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에서는 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 제1기준치인 'Vmin + α'에 도달할 경우 드라이-아웃 상태에 도달함을 판정하게 되고, 이후 연료전지 드라이-아웃 방지를 위한 로직, 즉 연료전지 복구 로직이 동작된다.When the output voltage Vf of the fuel cell 11 reaches the first reference value 'Vmin +?' In the fuel cell dry-out decision logic of the fuel cell controller 12 when the fuel cell 11 is in operation It is determined that the dry-out state has been reached, and then logic for preventing fuel cell dry-out, that is, fuel cell recovery logic, is operated.

이때, 연료전지 제어기(12)는 양방향 고전압 DC-DC 컨버터(15)(이하 'BHDC'라 칭함)에 대한 출력전압지령(Vref)을 'Vmin + α'로 출력하여 BHDC(15)의 구동을 제어하게 된다. At this time, the fuel cell controller 12 outputs the output voltage command Vref for the bidirectional high voltage DC-DC converter 15 (hereinafter referred to as BHDC) as 'Vmin + α' to drive the BHDC 15 Respectively.

결국, 연료전지(11)가 정상 출력(정상 운전) 중일 때에는 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 'Vmin + α'보다 크므로 BHDC(15)가 충전 모드로 동작하여 고전압 배터리(14)에 전기에너지를 저장하게 된다(배터리 충전). As a result, when the fuel cell 11 is in the normal operation state (normal operation), since the output voltage Vf of the fuel cell 11 is larger than 'Vmin + α', the BHDC 15 operates in the charge mode, ) To store the electric energy (battery charging).

또한, 연료전지(11)가 드라이-아웃 상태에 도달하면 연료전지(11)를 다시 정상 운전 상태로 회복시키기 위한 복구 운전을 실시하며, 연료전지 복구 로직에 따라 연료전지(11)의 온도를 낮추고 연료전지(11)에 공급되는 공기의 압력을 높여 연료전지(11)를 드라이-아웃 도달 상태로부터 정상 상태로 복구시킨다. Further, when the fuel cell 11 reaches the dry-out state, the recovery operation for restoring the fuel cell 11 to the normal operation state is performed again, the temperature of the fuel cell 11 is lowered according to the fuel cell recovery logic The pressure of the air supplied to the fuel cell 11 is increased to restore the fuel cell 11 from the dry-out state to the normal state.

이때, 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프(18)의 회전수 지령치(RPMref1)와 공기블로워(19)의 회전수 지령치(RPMref2)는 실험을 통해 기 설정된 값을 적용한다.At this time, the rotation speed command value RPMref1 of the cooling water pump 18 for cooling the fuel cell and the rotation speed command value RPMref2 of the air blower 19 are set to a predetermined value through experiments.

연료전지 복구 과정에서 연료전지(11)의 온도를 낮추고 연료전지(11)에 공급되는 공기의 압력을 높이기 위해서는 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)의 회전수 지령치(RPMref1,RPMref2)를 정상 운전 상태보다 높여야 한다.In order to lower the temperature of the fuel cell 11 and increase the pressure of the air supplied to the fuel cell 11 during the fuel cell restoration process, the rotation speed command values RPMref1 and RPMref2 of the cooling water pump 18 and the air blower 19 are set to be normal It should be higher than the driving condition.

이 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 냉각수펌프(18)와 공기블로워(19)의 전류 소모량이 증가하고, 이때 차량의 연료전지(11)로부터 전력계통(40)으로 공급되는 전류량은 계속 일정하게 유지되어야 하므로, 연료전지(11)의 출력전류가 높아지게 된다. 4, the amount of electric current consumed by the cooling water pump 18 and the air blower 19 increases. At this time, the amount of electric current supplied from the fuel cell 11 to the power system 40 of the vehicle is constantly So that the output current of the fuel cell 11 becomes high.

따라서, 도 4의 전류-전압 곡선에서 나타내는 바와 같이, 일시적으로 연료전지 출력전압(Vf)이 더욱 낮아지게 된다. Therefore, as shown by the current-voltage curve in Fig. 4, the fuel cell output voltage Vf is temporarily lowered.

이때, BHDC(15)의 출력전압지령(Vref)을 'Vmin + α'로 계속 유지시켜 운전을 실시하면, 연료전지 출력전압(Vf)이 BHDC 출력전압지령(Vref)보다 낮으므로, BHDC(15)가 방전 모드로 동작하게 되어, 고전압 배터리(14)에 저장된 전기에너지가 전력계통(40)에 송전되는 차량측 전기에너지를 어시스트하는데 사용될 수 있다.The fuel cell output voltage Vf is lower than the BHDC output voltage command Vref when the output voltage command Vref of the BHDC 15 is continuously maintained at Vmin + May operate in the discharge mode so that the electric energy stored in the high voltage battery 14 can be used to assist the vehicle side electrical energy to be transmitted to the power system 40. [

즉, 연료전지(11)의 복구 운전 동안 인버터(32)의 DC-링크 전압이 'Vmin + α'로 계속 유지되어 연료전지(11)의 발전전력과 함께 고전압 배터리(14)의 충전전력이 전력변환모듈(30)의 인버터(32)를 통해 전력계통(40)으로 송전될 수 있고, 이때 전력변환모듈(30)의 인버터(32)가 계통(40)측으로부터 전달된 전류지령에 따라 동작하여 그에 상응하는 전류를 출력하게 된다.That is, during the recovery operation of the fuel cell 11, the DC-link voltage of the inverter 32 is maintained at 'Vmin + alpha' so that the charging power of the high-voltage battery 14, together with the generated power of the fuel cell 11, The inverter 32 of the power conversion module 30 operates in accordance with the current command transmitted from the side of the system 40 to the power system 40 through the inverter 32 of the conversion module 30 And outputs a corresponding current.

그리고, 연료전지 복구 운전을 실시하면 연료전지 출력전류가 높아지므로 일시적으로 출력전압(Vf)이 낮아지지만, 드라이-아웃 상태에서 벗어나면 연료전지 출력전압은 정상 상태로 복구되어 상승하게 된다. When the fuel cell restoration operation is performed, the output voltage Vf is temporarily lowered because the fuel cell output current is increased. However, if the fuel cell restoration state is deviated from the dry-out state, the fuel cell output voltage returns to the normal state and rises.

따라서, 연료전지 제어기(12)는 연료전지 출력전압(Vf)을 모니터링하되, 연료전지 출력전압이 상승하여 제2기준치인 'Vmin + β'(β>α임)에 도달할 경우 드라이-아웃 상태로부터 벗어나기 위한 연료전지 복구 운전을 중지한다. Therefore, the fuel cell controller 12 monitors the fuel cell output voltage Vf, and when the fuel cell output voltage rises to reach the second reference value Vmin +? (??) The fuel cell restoration operation is stopped.

또는 고전압 배터리(14)의 용량에 의해 배터리 방전에 한계가 있으므로, 연료전지 제어기(12)가 배터리 제어기로부터 전달되는 배터리 상태 정보, 즉 배터리 SOC(State of Charge)를 모니터링하여, SOC가 미리 설정된 방전 허용 가능 최저치(예, 30%)에 도달할 경우 연료전지 복구 운전을 중단하고, 연료전지 정상 운전 상태로 복귀한다.Or the capacity of the high-voltage battery 14, the fuel cell controller 12 monitors the battery state information transmitted from the battery controller, that is, the battery state of charge (SOC) When the allowable minimum value (for example, 30%) is reached, the fuel cell restoration operation is stopped and the fuel cell is returned to the normal operation state.

즉, 연료전지 출력전압(Vf)과 배터리 SOC 값을 모니터링하여 둘 중 어느 하나가 상기한 조건을 만족할 경우 연료전지 복구 운전을 중지하고, 연료전지 정상 운전 상태로 복구하는 것이다.That is, if the fuel cell output voltage (Vf) and the battery SOC value are monitored and either one of them satisfies the above conditions, the fuel cell restoration operation is stopped and the fuel cell is restored to the normal operation state.

연료전지 자동차(10)와 전력변환모듈(30)로 구성되는 이동식 발전 시스템에서 상기와 같은 과정을 반복하여 DC-링크 전압을 일정하게 유지하면서 지속적으로 전류를 공급할 수 있도록 하기 위한 제어가 수행된다. In the portable power generation system including the fuel cell vehicle 10 and the power conversion module 30, the above-described process is repeated to control the DC-link voltage so that the DC-link voltage can be constantly maintained.

도 5는 본 발명에서 연료전지 운전 상태를 나타내는 도면으로, 연료전지 출력전압(Vf)과 전력변환모듈(30)의 인버터 출력전류를 나타내고 있다.FIG. 5 is a view showing the fuel cell operating state in the present invention, and shows the fuel cell output voltage Vf and the inverter output current of the power conversion module 30. FIG.

'A'는 연료전지 출력 및 배터리 충전이 이루어지는 구간을 나타내고, 'B'는 연료전지 복구 로직(드라이-아웃 방지 로직) 작동 및 배터리 방전이 이루어지는 구간을 나타낸다.'A' denotes a period during which fuel cell output and battery charging are performed, and 'B' denotes a period during which fuel cell recovery logic (dry-out prevention logic) operation and battery discharge are performed.

도시된 바와 같이, 연료전지 운전 중 연료전지 출력전압(Vf)이 낮아져 제1기준치인 'Vmin + α'에 도달하면, 즉 연료전지(11)가 드라이-아웃 조건에 도달하면 드라이-아웃 방지를 위한 연료전지 복구 로직이 작동하고, 이후 연료전지 복구 운전을 통해 연료전지 출력전압이 제2기준치인 'Vmin + β'까지 상승하면 연료전지(11)를 정상 운전시킨다. As shown in the figure, when the fuel cell output voltage Vf is lowered to the first reference value 'Vmin +?' During the operation of the fuel cell, that is, when the fuel cell 11 reaches the dry- The fuel cell restoration logic is operated and then the fuel cell 11 is operated normally when the fuel cell output voltage rises to the second reference value 'Vmin +?' Through the fuel cell restoration operation.

이후 연료전지 정상 운전 동안 연료전지 출력전압이 다시 낮아지면 연료전지 복구 로직을 동작시키고, 이후 연료전지 정상 운전과 연료전지 복구 운전을 계속 반복하게 된다. When the fuel cell output voltage drops again during the normal operation of the fuel cell, the fuel cell restoration logic is operated, and then the fuel cell normal operation and the fuel cell restoration operation are continuously repeated.

결국, 연료전지 정상 운전 및 복구 운전 과정에서 연료전지 드라이-아웃 판정 로직에 따라 BHDC(15)에서 배터리 충/방전을 실시하므로 이동식 발전 시스템의 DC-링크 전압을 'Vmin + α'로 유지할 수 있고, 전력변환모듈(30)의 인버터(32)로부터 전력계통(40)으로의 전류 출력을 지속적으로 유지시킬 수 있게 된다.As a result, since the battery charge / discharge is performed in the BHDC 15 according to the fuel cell dry-out decision logic during the normal operation and the recovery operation of the fuel cell, the DC-link voltage of the mobile power generation system can be maintained at 'Vmin + , The current output from the inverter 32 of the power conversion module 30 to the power system 40 can be continuously maintained.

도 6은 도 2와 같은 구성에서 본 발명의 제어 방법을 적용하지 않을 경우의 상태를 나타내는 비교 도면으로, 연료전지(11)의 정전류 출력시 연료전지 출력전압(Vf)과 전력변환모듈(30)의 인버터 출력전류를 나타내고 있다.FIG. 6 is a comparative diagram showing a state in which the control method of the present invention is not applied in the configuration as shown in FIG. 2, in which the fuel cell output voltage Vf at the time of constant current output of the fuel cell 11, The inverter output current of the inverter is shown.

'C'는 연료전지(11)의 출력이 이루어지는 구간이고, 'D'는 연료전지 아이들(Idle) 상태 및 발전 정지 구간을 나타낸다.'C' is a period during which the output of the fuel cell 11 is performed, and 'D' represents a fuel cell idle state and a power generation stop period.

도시된 바와 같이, 도 2와 같은 시스템을 운용할 때, 상기한 연료전지 복구 운전 과정이 없다고 가정하면, 연료전지(11)의 드라이-아웃에 의해 연료전지의 출력전압(Vf)이 발전 가능한 최소 전압(Vmin)으로 떨어질 경우, 연료전지의 발전을 중단해야 하고, 발전재개 전압에 도달할 때까지 인버터 출력 없이 연료전지의 전압 회복을 기다려야 한다.2, when the fuel cell recovery operation is not performed, the output voltage Vf of the fuel cell is reduced by the dry-out operation of the fuel cell 11, When the voltage drops to the voltage Vmin, it is necessary to stop the generation of the fuel cell and wait for the recovery of the voltage of the fuel cell without outputting the inverter until the power generation restart voltage is reached.

또한, 연료전지(11)의 출력전압(Vf)이 발전재개 전압에 도달하여 연료전지의 출력이 이루어지면, 이후 다시 연료전지의 드라이-아웃에 의해 연료전지의 출력전압(Vf)이 Vmin으로 떨어지는데, 이에 다시 연료전지의 발전을 중단하고 인버터 출력 없이 연료전지의 전압 회복을 기다려야 한다.Further, when the output voltage Vf of the fuel cell 11 reaches the power generation restart voltage and the output of the fuel cell is made, the output voltage Vf of the fuel cell falls to Vmin by the dry-out of the fuel cell , The fuel cell must be stopped again and the voltage of the fuel cell must be restored without the inverter output.

그로 인해 연료전지의 상태에 따라 전력변환모듈의 인버터로부터 전력계통으로의 출력 중단이 계속해서 반복되는 문제점이 있게 된다. Accordingly, there is a problem that the output interruption from the inverter of the power conversion module to the power system is continuously repeated according to the state of the fuel cell.

이와 같이 하여, 본 발명의 이동식 발전 시스템에 따르면, 직류(DC)전압을 일정하게 유지시켜 인버터(32) 입력단에 전류를 전달하기 위한 컨버터를 전력변환모듈(30)에서 삭제할 수 있다.Thus, according to the mobile power generation system of the present invention, a converter for transmitting a current to the input terminal of the inverter 32 while maintaining a direct current (DC) voltage can be deleted from the power conversion module 30.

이를 통해 원가 절감은 물론 전력변환모듈(30)의 부피 축소와 중량 저감을 달성할 수 있고, 전력변환모듈(30)의 이동성 및 휴대성 증대, 고장 요소 축소의 이점이 있게 된다. As a result, not only the cost reduction but also the volume reduction and the weight reduction of the power conversion module 30 can be achieved and the power conversion module 30 can be improved in mobility, portability, and failure factor.

또한, 연료전지(11)에 대한 드라이-아웃 판정 로직의 결과에 따라 차량 내 컨버터(BHDC)(15)에서 고전압 배터리(14)의 충, 방전을 제어하므로 인버터(32) 입력단의 DC-링크 전압(인버터 입력 전압)을 항상 일정하게 유지할 수 있고, 따라서 인버터(32)의 전류 출력을 유지하여 전력계통(40)으로의 안정적인 송전이 이루어질 수 있다. In addition, since the in-vehicle converter (BHDC) 15 controls the charging and discharging of the high-voltage battery 14 according to the result of the dry-out decision logic for the fuel cell 11, the DC- (Inverter input voltage) can be maintained at a constant level, and therefore, the current output of the inverter 32 can be maintained and stable transmission to the power system 40 can be achieved.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Forms are also included within the scope of the present invention.

10 : 연료전지 자동차 11 : 연료전지
12 : 연료전지 제어기 13 : DC-링크단
14 : 고전압 배터리 15 : DC-DC 컨버터
16 : 인버터 17 : 모터
18 : 냉각수펌프 19 : 공기 블로워
21 : 전류센서 22 : 커넥터
30 : 전력변환모듈 31 : 컨버터
32 : 인버터 40 : 전력계통10: Fuel cell vehicle 11: Fuel cell
12: Fuel cell controller 13: DC-link stage
14: High-voltage battery 15: DC-DC converter
16: inverter 17: motor
18: Coolant pump 19: Air blower
21: current sensor 22: connector
30: power conversion module 31: converter
32: inverter 40: power system

Claims (14)

연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와;
상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하고,
발전 모드의 연료전지 운전 중에 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고, 연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하도록 구성되며,
상기 연료전지 제어기는,
발전 모드 동안 연료전지 상태 정보로부터 연료전지가 정상 운전 상태에서 드라이-아웃 상태가 되었는지를 판정하고,
드라이-아웃 상태가 됨을 판단한 경우, 연료전지의 드라이-아웃 상태를 해소하기 위한 연료전지 복구 운전 제어를 수행함과 동시에, 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하여, 전력변환모듈의 인버터가 연결된 DC-링크단 전압을, 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
A fuel cell controller that controls overall operation of the fuel cell system, a connector that is connected to the fuel cell via a DC-link stage, a bidirectional DC-DC converter that is connected to the DC-link stage, A fuel cell vehicle mounted with a battery through which a bidirectional DC-DC converter is connected and charged or discharged through a DC-link terminal in accordance with the operation of the bidirectional DC-DC converter;
And a power conversion module connected to the connector and including an inverter directly connected to the DC-link stage and connected to supply the inverter output current to the power system,
During operation of the fuel cell in the power generation mode, the output of the inverter is controlled in accordance with the current command. When the fuel cell controller generates and outputs an output voltage command according to the current command, the bidirectional DC-DC converter operates in accordance with the output voltage command A DC-link voltage, which is an inverter input voltage,
The fuel cell controller includes:
It is determined from the fuel cell state information during the power generation mode whether the fuel cell is in a dry-out state in a normal operation state,
The control unit controls the operation of the bidirectional DC-DC converter to perform the fuel cell restoration operation control for eliminating the dry-out state of the fuel cell, and when the DC- Wherein the link terminal voltage is controlled to be 'Vmin + alpha' by adding the fuel cell minimum output voltage Vmin capable of transmitting power from the fuel cell to the power system and the margin value alpha.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 제어기는,
드라이-아웃 도달 상태에서 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프와 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워의 회전수를 정상 운전 상태에 비해 증가시키는 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
The method according to claim 1,
The fuel cell controller includes:
The fuel cell restoration operation is performed such that the number of revolutions of the cooling water pump for cooling the fuel cell and the air blower for supplying air to the fuel cell in the dry-out state is increased as compared with the normal operation state. Mobile power generation system using.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 상태 정보가 연료전지 출력전압이고,
상기 연료전지 제어기는 연료전지 출력전압이 발전 모드의 연료전지 운전 중 하강하여 정해진 제1기준치에 도달하면 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the fuel cell status information is a fuel cell output voltage,
Wherein the fuel cell controller performs a fuel cell restoration operation when the fuel cell output voltage falls during a fuel cell operation of the power generation mode and reaches a predetermined first reference value.
삭제delete 청구항 3에 있어서,
상기 제1기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the first reference value is set to " Vmin + alpha " which is a sum of a minimum output voltage Vmin of the fuel cell capable of transmitting power from the fuel cell to the power system and a margin value alpha.
청구항 3에 있어서,
상기 연료전지 제어기는 연료전지 복구 운전 중 연료전지 출력전압이 상승하여 정해진 제2기준치(제1기준치<제2기준치임)에 도달하거나, 배터리 SOC(State of Charge)가 설정된 방전 허용 가능 최저치에 도달할 경우 연료전지 정상 운전 제어로 복귀하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
The method of claim 3,
When the fuel cell output voltage rises to reach a predetermined second reference value (first reference value < second reference value) during the fuel cell restoration operation, or when the battery SOC (State of Charge) The control unit returns to the normal operation control of the fuel cell.
청구항 6에 있어서,
상기 제2기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 β를 더한 'Vmin + β'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템.
The method of claim 6,
Wherein the second reference value is set to 'Vmin + β' which is a sum of a fuel cell minimum output voltage Vmin and a margin value β capable of transmitting power from the fuel cell to the power system.
연료전지를 포함하는 연료전지 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기, 연료전지와 DC-링크단을 통해 연결된 커넥터, DC-링크단에 연결된 양방향 DC-DC 컨버터, 및 DC-링크단에 양방향 DC-DC 컨버터를 개재한 상태로 연결되고 양방향 DC-DC 컨버터의 동작에 따라 DC-링크단을 통한 충전 또는 방전이 이루어지는 배터리가 탑재된 연료전지 자동차와;
상기 커넥터에 연결되어 DC-링크단에 직결되는 인버터를 포함하고 인버터 출력전류를 전력계통에 공급하도록 연결되는 전력변환모듈을 포함하는 이동식 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
발전 모드가 선택되어 연료전지가 운전되는 동안 전류지령에 따라 상기 인버터의 출력이 제어되고,
연료전지 제어기가 상기 전류지령에 따른 출력전압지령을 생성하여 출력하면 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 출력전압지령에 따라 동작하여 인버터 입력단 전압인 DC-링크 전압을 제어하며,
상기 연료전지 제어기는,
발전 모드 동안 연료전지 상태 정보로부터 연료전지가 정상 운전 상태에서 드라이-아웃 상태가 되었는지를 판정하고,
드라이-아웃 상태가 됨을 판단한 경우, 연료전지의 드라이-아웃 상태를 해소하기 위한 연료전지 복구 운전 제어를 수행함과 동시에, 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하여, 전력변환모듈의 인버터가 연결된 DC-링크단 전압을, 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
A fuel cell controller that controls overall operation of the fuel cell system, a connector that is connected to the fuel cell via a DC-link stage, a bidirectional DC-DC converter that is connected to the DC-link stage, A fuel cell vehicle mounted with a battery through which a bidirectional DC-DC converter is connected and charged or discharged through a DC-link terminal in accordance with the operation of the bidirectional DC-DC converter;
And a power conversion module connected to the connector and including an inverter connected directly to the DC-link stage and connected to supply an inverter output current to the power system, the control method comprising:
An output of the inverter is controlled according to a current command while the power generation mode is selected and the fuel cell is operated,
When the fuel cell controller generates and outputs an output voltage command according to the current command, the bidirectional DC-DC converter operates according to the output voltage command to control the DC-link voltage, which is the input terminal voltage of the inverter,
The fuel cell controller includes:
It is determined from the fuel cell state information during the power generation mode whether the fuel cell is in a dry-out state in a normal operation state,
The control unit controls the operation of the bidirectional DC-DC converter to perform the fuel cell restoration operation control for eliminating the dry-out state of the fuel cell, and when the DC- Wherein the link terminal voltage is controlled to be 'Vmin + alpha' by adding a fuel cell minimum output voltage Vmin capable of transmitting power from the fuel cell to the power system and a margin value alpha. Control method.
청구항 8에 있어서,
상기 연료전지 제어기는,
드라이-아웃 도달 상태에서 연료전지 냉각을 위한 냉각수펌프와 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워의 회전수를 정상 운전 상태에 비해 증가시키는 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
The method of claim 8,
The fuel cell controller includes:
The fuel cell restoration operation is performed such that the number of revolutions of the cooling water pump for cooling the fuel cell and the air blower for supplying air to the fuel cell in the dry-out state is increased as compared with the normal operation state. Control Method of Mobile Power Generation System Using.
청구항 8에 있어서,
상기 연료전지 상태 정보가 연료전지 출력전압이고,
상기 연료전지 제어기는 연료전지 출력전압이 발전 모드의 연료전지 운전 중 하강하여 정해진 제1기준치에 도달하면 연료전지 복구 운전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
The method of claim 8,
Wherein the fuel cell status information is a fuel cell output voltage,
Wherein the fuel cell controller performs a fuel cell restoration operation when the fuel cell output voltage falls during a fuel cell operation of the power generation mode and reaches a predetermined first reference value.
삭제delete 청구항 10에 있어서,
상기 제1기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 α을 더한 'Vmin + α'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.
The method of claim 10,
Wherein the first reference value is set to 'Vmin + alpha' which is a sum of a fuel cell minimum output voltage Vmin and a margin value alpha that can transmit power from the fuel cell to the power system. Control method.
청구항 10에 있어서,
상기 연료전지 제어기는 연료전지 복구 운전 중 연료전지 출력전압이 상승하여 정해진 제2기준치(제1기준치<제2기준치임)에 도달하거나, 배터리 SOC(State of Charge)가 설정된 방전 허용 가능 최저치에 도달할 경우 연료전지 정상 운전 제어로 복귀하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법
The method of claim 10,
When the fuel cell output voltage rises to reach a predetermined second reference value (first reference value < second reference value) during the fuel cell restoration operation, or when the battery SOC (State of Charge) The fuel cell system is returned to the normal operation control of the fuel cell.
청구항 13에 있어서,
상기 제2기준치는 연료전지에서 전력계통으로 전력을 송전할 수 있는 연료전지 최소 출력전압 Vmin과 마진값 β를 더한 'Vmin + β'로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차를 이용한 이동식 발전 시스템의 제어 방법.


14. The method of claim 13,
Wherein the second reference value is set to 'Vmin + β' which is a sum of a fuel cell minimum output voltage Vmin and a margin value β capable of transmitting power from the fuel cell to the power system. Control method.


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