KR101915848B1 - 연료 전지와 이차 전지의 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

연료 전지와 이차 전지의 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하이브리드 전원 공급 시스템에 있어서, 이차 전지, 연료 전지, 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 시스템을 제어하기 위한 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받아, 상기 통합 제어 변수 중 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 시스템을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지와 이차 전지가 포함된 하이브리드 회로에서 제어부가 연료 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)와 이차 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)인 총 6개의 제어 변수를 3개의 통합 제어 변수로 변환한다. 특히, 이 경우 3개의 통합된 제어 변수는 이차 전지와 연료 전지 제어 변수의 비로 정의되며, 옴의 법칙을 만족하여 회로 설계나 해석을 극히 용이하게 한다.

Description

연료 전지와 이차 전지의 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법{HYBRID ELECTRICITY SUPPLYING SYSTEM CONTAINING SOLID OXIDE FUEL CELL AND SECONDARY BATTERY AND CONTROLLING METHOD}
본 발명은 연료 전지와 이차 전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 시스템 및 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)는 산화반응에 의해 생성된 양성자의 이동통로가 되는 고분자 전해질 막과, 산화반응을 통하여 연료(수소)로부터 양성자를 전해질 막으로 제공하는 양극과, 전해질 막으로부터 제공된 양성자를 환원시켜 물을 만드는 음극으로 구성된다. 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)는 화학에너지를 중간의 변환과정 없이 바로 전기에너지로 변환한다.
연료 전지에서 일어나는 에너지 변환과정은 일반 내연기관에 비해 높은 에너지 변환 효율을 보여준다. 내연기관이나 열기관의 생성물은 CO2나 환경적으로 유해한 기체인 반면, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)의 반응물은 일반적인 물이 생성되어 친환경 적이다. 또한, 고분자 전해질 연료 전지는 연료(H2)가 제공되는 한 일관적인 성능을 보여줄 수 있다. 이와 같은 연료 전지의 특성은 로봇용 에너지원으로 특히 적합하다.
그러나, 연료 전지는 여러 장점에도 불구하고, 아직 여러 분야에 적용시키기에는 많은 장벽이 존재한다. 일례로, 연료 전지는 그 구조적인 문제로 인하여 시동 시 부하에 즉각적으로 전력을 제공하기 어려우며, 또한 급격한 부하의 변화에 대응하기 어렵다.
한편, 이차 전지, 특히 리튬이온 전지는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동을 하면서 전력을 제공하고 반대의 경우 충전을 한다. 리튬폴리머 배터리는 근본적으로 리튬이온 배터리와 같은 구조를 가지지만 고체나 겔 형태의 전해질을 사용한다. 고체나 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 리튬폴리머 배터리는 고 에너지 밀도를 가지며 그 모양을 쉽게 성형할 수 있는 장점을 갖는다. 다만, 리튬폴리머 배터리는 사용 시간에 따라 전력이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 전원 공급 장치가 연료 전지만으로 구성되는 경우, 느린 기동 시간으로 인하여 빠른 부하에 대응하는 것이 어렵다. 반면, 전원 공급 장치가 이차 전지만으로 구성되는 경우에는 빠른 부하 응답 특성을 가지나 오랜시간 사용할 수 없다. 이러한 이유로, 상호 트레이드오프 적인 단점을 극복하고자 최근 이차 전지와 연료 전지를 결합한 하이브리드형 전원 시스템의 개발이 활발한 실정이다
다만, 앞서 설명한 바와 같이, 연료 전지 및 이차 전지는 전류, 저항 및 전압 특성이 상이하기 때문에, 연료 전지 및 이차 전지를 하나의 전원 공급 장치에 응용하는 것은 용이하지 않다.
한국등록특허 제10-0659818호
본 발명은 연료 전지와 이차 전지가 결합된 하이브리드 전원 공급 시스템의 출력을 손쉽고 효과적으로 제어할 수 있고, 설계가 용이한 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명은 연료 전지의 출력 전류를 제어함으로써 시스템의 출력을 제어하는 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하이브리드 전원 공급 시스템에 있어서, 이차 전지, 연료 전지, 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 시스템을 제어하기 위한 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받아, 상기 통합 제어 변수 중 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 시스템을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 하이브리드 전원 공급 시스템은 상기 제어부에서 출력된 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수가 입력되고, 이에 따라 상기 연료 전지의 상대습도를 조절하여 상기 연료 전지의 저항을 가변하는 저항 조절부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하여, 상기 제3 통합 제어 변수는 상기 제1 통합 제어 변수와 상기 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 시스템을 제어하기 위한 지령값을 상기 제1 통합 제어 변수로 입력받을 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는 옴의 법칙을 이용하여 지령값인 상기 제1 통합 제어 변수로부터 상기 제3 통합 제어 변수를 산출하고, 상기 제3 통합 제어 변수로부터 상기 연료 전지의 내부 저항 지령값을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은 이차 전지와 연료 전지를 포함한 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 이차 전지 및 상기 연료 전지의 측정된 전류, 전압, 저항을 입력받는 (a)단계; 상기 (a)단계에서 입력 받은 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 상기 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받는 (b)단계; 및 상기 (b)단계에서 변환된 상기 통합 제어 변수 중 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 상기 연료 전지의 저항값을 조절함에 따라 시스템을 제어하는 (c)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 (b)단계는 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 전지와 이차 전지가 포함된 하이브리드 회로에서 제어부가 연료 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)와 이차 전지의 제어 변수 3개(전류, 전압, 저항)인 총 6개의 제어 변수를 3개의 통합 제어 변수로 변환한다. 특히, 이 경우 3개의 통합된 제어 변수는 이차 전지와 연료 전지 제어 변수의 비로 정의되며, 옴의 법칙을 만족하여 회로 설계나 해석을 극히 용이하게 한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지의 출력 전류를 하이브리드 시스템에 효율적이도록 제어할 수 있다. 이 경우, 연료 전지의 출력 전류는 이차 전지와 연료 전지의 내부 저항 차이에 의해서 발생되며, 본 발명은 상기의 사항을 고려하여 제어부가 통합 제어 변수를 이용하여 연료 전지의 저항 지령값을 손쉽게 산출한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원 공급 시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1의 하이브리드 전원 공급 시스템에서 제어부가 수행하는 제어 과정을 나타낸다.
도 3은 연료 전지의 전압/전류 특성 곡선을 나타낸다.
도 4는 연료 전지의 등가 회로를 나타낸다.
도 5는 연료 전지(10)와 이차 전지를 포함하는 하이브리드 전원 공급 시스템의 전류 및 전압 관계를 도시한 것이다.
도 6은 연료 전지에서 상대 습도 운전 조건 별 특성 곡선의 변화도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원 공급 시스템(1)을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 전원 공급 시스템(1)은 연료 전지(10), 이차 전지(30), 제어부(50) 및 저항 조절부(70)를 포함할 수 있다. 하이브리드 전원 공급 시스템(1)은 부하 장치(5)에 연결되어 전원을 공급한다. 여기서 부하 장치(5)는 전류를 공급받는 장치로, 본 발명의 구성요소에 필수적으로 포함되는 것은 아니다. 부하 장치(5)는 전기 에너지를 이용하는 장치로서 특별히 한정되지 않으며, 일 예시로 하이브리드 자동차, 가전 제품 등이 될 수 있다.
연료 전지(10)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 연료 전지(10)는 특별히 한정되지 않으며, 일 예로, 공기극(cathode)에 산소가 공급되고 연료극(anode)에 연료가스가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태의 전기화학 반응이 진행되면서 전기, 열 및 물이 발생하는 형태의 것일 수 있으며, 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell)일 수 있다.
이차 전지(30)는 전기 에너지를 공급하고 충전할 수 있는 장치이다. 이차 전지(30)는 특별히 한정되지 않으며, 일 예시로 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등일 수 있다. 이차 전지(30)는 충전기(301)와 전기적으로 연결되고, 충전기(301)는 이차 전지(30)의 충방전을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1의 하이브리드 전원 공급 시스템(1)에서 제어부(50)가 수행하는 제어 과정을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제어부(50)는 이차 전지(30)의 제어 변수와 연료 전지(10)의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 시스템을 제어하기 위한 지령값을 통합 제어 변수로 입력받아, 통합 제어 변수 중 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 시스템을 제어할 수 있다.
제어부(50)가 수행하는 과정의 설명에 앞서, 연료 전지(10)의 특성식 선형화 유도 과정을 설명한다. 도 3은 연료 전지(10)의 전압/전류 특성 곡선을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 연료 전지(10)의 두 가지 특성을 확인할 수 있다.
첫째로, 연료 전지(10)는 흐르는 전류 량에 따라서 3 종류의 구동 특성으로 분류할 수 있다. 도 3에서 3 종류의 구동 특성은 각각 High slope region, Low slope region, Middle slope region으로 표기되었다. 연료 전지(10)의 초기 시동 상태에서 전류가 흐르기 시작하면, 급격한 전압 기울기(High slope region)가 형성된다. 이 경우, 연료 전지(10)의 내부 저항(RF)을 다른 구동 구간의 저항 값과 구분하기 위하여 초기 구동 시의 저항(Ract)으로 나타냈다. 이후, 연료 전지(10)가 시동되어 전류가 일정량 흐르게 되면, 비교적 선형적으로 전압 기울기(Low slope region)가 형성되는 구동 구간이 나타난다. 이 경우, 연료 전지(10)의 내부 저항(RF)을 다른 구동 구간의 저항 값과 구분하기 위하여 선형 저항(Rohm)으로 나타냈다. 이후, 연료 전지(10)에 과전류가 흐르게 되면 초기 전압 기울기보다는 낮고, 선형적인 전압 기울기 보다는 큰 전압 기울기(Middle slope region)가 형성되는 구동 구간이 나타난다. 이 경우, 연료 전지(10)의 연료 전지(10)의 내부 저항(RF)을 다른 구동 구간의 저항 값과 구분하기 위하여 포화 저항(Rconc)으로 나타냈다.
둘째로, 연료 전지(10)는 상대 습도가 높은 경우(Fully humidified)와 상대 습도가 낮은 경우(Partially humidified) 전압/전류 특성이 현저하게 상이하다. 도 3의 그래프에서 확인할 수 있듯이 연료 전지(10)는 상대 습도가 높을수록 동 전압에 더 많은 양의 전류를 공급할 수 있고, 동 전류에 더 큰 전압을 공급할 수 있다. 제어부(50)는 전술한 연료 전지(10) 특성을 이용하여 상대 습도를 조절하여 내부 저항을 제어한다. 이와 관련, 후술한다.
도 3의 연료 전지(10) 특성 곡선을 참조하여 연료 전지(10)의 등가 회로를 표현하면 도 4와 같다. 도 4를 참조하면 초기, 후기의 비선형 적인 동작 특성을 반영하기 위해 커패시터(C)와 저항(Ract, Rconc)이 병렬로 결선되고, 커패시터(C)의 포화시 선형 특성을 반영하는 선형 저항(Rohm)이 직렬로 결선된다.
도 4의 회로도를 참조하면, 연료 전지(10)의 등가 회로에서 전압과 전류의 관계식은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016092546366-pat00001
여기서, IF는 연료 전지(10)의 출력 전류이고, VF는 연료 전지(10)의 출력 전압이며, E는 연료 전지(10)의 구동 전압이고, vc와 vo는 커패시터(C)의 충방전 전압을 나타낸다.
[수학식 1]을 도 3의 붉은색 점선과 같이 선형화(after linearization)하면 연료 전지(10)의 출력 전압(VF)을 하기의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016092546366-pat00002
한편, 연료 전지(10)는 전술한 바와 같이 전류의 크기에 따라 내부 저항의 대푯값과 연료 전지(10)의 출력 전류(IF) 범위는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016092546366-pat00003
여기서, Iact는 연료 전지(10) 초기 구동시의 출력 전류이고, Iconc는 연료 전지(10)의 포화시 출력 전류를 나타낸다. 이를 고려하여 최종적으로 연료 전지(10)를 내부 저항과 개방 전압(VFo)으로 [수학식 3]과 같이 근사적으로 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016092546366-pat00004
결국, [수학식 3]과 같은 원리로 이차 전지(30)를 내부 저항과 개방 전압(VBo)으로 [수학식 4]와 같이 근사적으로 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016092546366-pat00005
여기서, VB는 이차 전지(30)의 출력 전압이고, RB는 이차 전지(30)의 내부 저항이며, IB는 이차 전지(30)의 출력 전류이다.
도 5는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)를 포함하는 하이브리드 전원 공급 시스템(1)의 전류 및 전압 관계를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 일정한 전압이 유지되는 상태에서 부하 장치가 작동하는 경우, 연료 전지(10)의 전류(IF) 및 이차 전지(30)의 전류(IB)가 주어진다. 일정한 전압하에서 작동하는 경우 부하 장치(5)의 전압 VL=VLO이므로, 도 5 및 [수학식 4]를 이용하여 [수학식 5]를 도출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016092546366-pat00006
여기서, KI는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류비를 나타낸다. KV는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 상대 전압비를 나타낸다. KR은 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비를 나타낸다. 여기서, 알 수 있는 것은 개별 소자들의 고유 특성 값의 비율로사 하이브리드 소자를 표현할 수 있다는 것이다. 개별 소자의 각 제어 변수(전압, 전류, 저항)가 옴의 법칙을 만족하면, 결합 후에도 하이브리드 옴의 법칙을 만족한다. 따라서, [수학식 5]에서 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 제어 변수의 비로 설정된 K변수가 옴의 법칙(V=IR)을 만족함에 주목한다. 또한, 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템에서, 설계 또는 제어시 고려해야 할 변수가 6개(VB, VF, IB, IF, RB, RF)에서 단일 시스템의 제어 변수와 같이 3개(KV, KI, KR)로 통합됨에 주목한다.
제어부(50)는 [수학식 5]의 관계식으로, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)가 하이브리드화 된 경우에도 두 소자 고유 특성으로부터 관계를 표현한 결합식을 도출한다.
제어부(50)는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산한다. 이 경우, 제3 통합 제어 변수는 제1 통합 제어 변수와 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있으며 결국 옴의 법칙을 만족하게 된다.
본 실시예에서, 제1 통합 제어 변수는 전술한 KI(IB/IF)가 될 수 있다. 또한, 제2 통합 제어 변수는 전술한 KR(RB/RF)이 될 수 있다. 또한, 제3 통합 제어 변수는 전술한 KV((VB-VL)/(VF-VL))가 될 수 있다. 이하, 상기와 같은 통합 제어 변수의 변환으로 연료 전지(10)의 출력을 제어하는 과정을 살펴본다.
제어부(50)가 수행하게 되는 연료 전지(10)의 출력 전류 제어 방법을 살펴보면 다음과 같다. 부하 장치(5)에서 요구하는 운전 조건을 그래프로 표시한다. 여기서는 정전압 운전 조건에 대하여 예시한다. 이차 전지(30)의 특성 곡선을 확인하면, 여기서 이차 전지(30)는 일정 충전량을 갖도록 제어되어야 한다. 연료 전지(10)의 운전 조건을 변화하면서 연료 전지(10)에서 공급하고자 하는 전류량의 변화를 제어한다. 출력 전류 관계식은 [수학식 5]에 따라 KI=KV/KR로 표현될 수 있다. 여기서, 이차 전지(30)와 연료 전지(10)의 개방 전압의 비는 일정하기 때문에 출력 전류에 영향을 미치지 않는다. 연료 전지(10)의 출력 전류는 이차 전지와의 내부 저항의 차이에 의해서 발생하게 됨을 이해할 수 있다. 도 3에서 전술한 바와 같이 연료 전지(10)는 상대 습도가 높을수록 더 많은 양의 전류를 공급할 수 있다.
도 6은 연료 전지(10)에서 상대 습도 운전 조건 별 특성 곡선의 변화도를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 제어부(50)는 부하 장치(5)가 요구하는 전류량을 이차 전지(30)에서 공급할 수 있는 최대 전류량과의 차이분을 연료 전지(10)로부터 공급할 수 있도록 연료 전지(10)의 상대습도를 조정함으로써 저항을 제어할 수 있다.
다시, 도 2를 참조하여 제어부(50)가 통합 제어 변수를 이용하여 연료 전지(10)의 출력을 제어하는 과정을 설명한다. 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류 분배리는 시스템 운전 모드에 따라 전류비 지령값으로 주어질 수 있다. 제어부(50)는 시스템을 제어하기 위한 지령값을 제1 통합 제어 변수 KI*로 입력 받을 수 있다.
이후, 제어부(50)는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전압을 측정하여, 제3 통합 제어 변수 KV를 산출한다. 이후, 제어부(50)는 옴의 법칙을 이용하여 제3 통합 제어 변수의 지령값 KR*을 산출할 수 있다. 제3 통합 제어 변수 KR*는 전술한 바와 같이 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비 이다. 제어부(50)는 연료 전지(10) 내부의 저항 지령 값 RF를 구하기 위하여 이차 전지(30) 내부 저항 RB을 이차 전지(30) 전류 IB와 전압 VB을 측정하여 구할 수 있고, RB 값을 KR*에 나누어 연료 전지(10)의 내부 저항 지령값 RF를 산출할 수 있다. 연료 전지(10)의 내부 저항은 전술한 바와 같이 상대 습도의 함수로 표현될 수 있으며, 연료 전지(10)의 내부 저항을 제어하기 위해 제어부(50)는 산출된 지령값 RF를 저항 조절부로 전송한다.
저항 조절부(70)는 제어부(50)에서 출력된 연료 전지(10)의 저항값에 해당하는 제어 변수 RF가 입력되고, 이에 따라 연료 전지(10)의 상대 습도를 조절하여 연료 전지(10)의 저항을 가변할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 전술한 하이브리드 전원 공급 시스템(1)의 제어부(50)를 통해 수행되는 제어 방법은 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 제어 변수를 입력 받는 (a)단계, 통합 제어 변수를 연산하는 (b)단계, 및 통합 제어 변수로부터 지령 저항값을 산출하여 연료 전지의 저항값을 조절하는 (c)단계를 포함할 수 있다.
(a)단계 내지 (c)단계는 도 1 내지 도 5에서 설명한 하이브리드 전원 공급 시스템(1)의 제어부(50)에서 수행하는 제어 과정을 의미한다.
(a)단계는 이차 전지(30) 및 연료 전지(10)의 측정된 전류, 전압, 저항을 입력받을 수 있다. (b)단계는 (a)단계에서 입력 받은 이차 전지(30)의 제어 변수와 연료 전지(10)의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 지령값을 통합 제어 변수로 입력받을 수 있다. (b)단계는 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 연료 전지(10)와 이차 전지(30)의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산할 수 있다. (c)단계는 (b)단계에서 변환된 통합 제어 변수 중 연료 전지(10)의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 연료 전지(10)의 저항값을 조절함에 따라 시스템을 제어할 수 있다. 보다 상세한 제어부(50)의 수행 단계 또는 (a)단계 내지 (c)단계의 상세한 설명은 기 설명한 바와 동일한 바 중복 설명을 생략한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 하이브리드 전원 공급 시스템 5: 부하 장치
10: 연료 전지 30: 이차 전지
301: 충전기 50: 제어부
70: 저항 조절부

Claims (7)

  1. 하이브리드 전원 공급 시스템에 있어서,
    이차 전지, 연료 전지, 및 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 시스템을 제어하기 위한 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받아, 상기 통합 제어 변수 중 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 시스템을 제어하고,
    상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하여,
    상기 제3 통합 제어 변수는 상기 제1 통합 제어 변수와 상기 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부에서 출력된 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수가 입력되고, 이에 따라 상기 연료 전지의 상대습도를 조절하여 상기 연료 전지의 저항을 가변하는 저항 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하여,
    상기 제3 통합 제어 변수는 상기 제1 통합 제어 변수와 상기 제2 통합 제어 변수의 곱으로 표현될 수 있 출력전압과 출력전류의 관계를 수학식 1을 이용해 선형화 하여 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112018053884078-pat00013


  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    시스템을 제어하기 위한 지령값을 상기 제1 통합 제어 변수로 입력받는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    옴의 법칙을 이용하여 지령값인 상기 제1 통합 제어 변수로부터 상기 제3 통합 제어 변수를 산출하고, 상기 제3 통합 제어 변수로부터 상기 연료 전지의 내부 저항 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템.
  6. 이차 전지와 연료 전지를 포함한 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 이차 전지 및 상기 연료 전지의 측정된 전류, 전압, 저항을 입력받는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 입력 받은 상기 이차 전지의 제어 변수와 상기 연료 전지의 제어 변수를 옴의 법칙을 만족하는 통합 제어 변수로 변환하고, 지령값을 상기 통합 제어 변수로 입력받는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계에서 변환된 상기 통합 제어 변수 중 상기 연료 전지의 저항값에 해당하는 제어 변수를 산출하여 상기 연료 전지의 저항값을 조절함에 따라 시스템을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계는,
    상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법.

  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 전류비를 제1 통합 제어 변수로 연산하고, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 저항비를 제2 통합 제어 변수로 연산하며, 상기 연료 전지와 상기 이차 전지의 상대 전압비를 제3 통합 제어 변수로 연산하출력전압과 출력전류의 관계를 수학식 1을 이용해 선형화 하여 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 공급 시스템의 제어 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112018053884078-pat00014

KR1020160122338A 2016-09-23 2016-09-23 연료 전지와 이차 전지의 하이브리드 전원 공급 시스템 및 제어 방법 KR101915848B1 (ko)

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JP2006032169A (ja) * 2004-07-16 2006-02-02 Toyota Motor Corp 燃料電池車両
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한국태양에너지학회 로봇 하이브리드 전원장치 2012 11

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