KR101936998B1 - 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계; 연료전지와 외부장비 사이에 마련된 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계; 연료전지의 출력전류 인자와 발전용 인버터의 출력전류 인자를 통해 효율값을 도출하는 단계; 연료전지의 출력전류를 변화시키고, 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하는 단계; 복수의 효율값을 비교하고, 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 단계; 및 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 단계;를 포함하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR EXTERNAL GENERATING OF FUELCELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지차량의 발전 전력을 외부에서 사용하기 위한 발전용 인버터를 활용함에 있어서, 외부 발전에 최적화된 연료전지의 운전점을 실시간으로 파악하여 연료전지를 가동하기 위한 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템(연료전지 차량)에서는 발전되는 전기 에너지를 외부장비로 송전하기 위해 외부에 이동식 발전용 인버터를 연결하여 사용할 수 있다. 그러나 사용자의 입장에선 연료전지 시스템 효율을 최적화하여 전력을 생산하는 것이 경제적 이득이 극대화되는 것이다. 따라서, 사용자의 요구 여부에 따라 이동식 발전용 인버터는 외부장비로 전달하는 전기에너지의 크기를 연료전지 시스템의 발전 효율이 가장 최적화되는 크기로 제어할 필요가 있다.
연료전지 출력에 따른 I-V 곡선은 대략 전류와 전압이 반비례하는 커브로 형성된다. 그에 따른 연료전지 시스템의 효율 운전점은 이와는 다르게 나타나게 되며, 일정 출력 전류 지점에서 효율 최적점(P)이 나타나게 된다.
따라서, 이동식 발전용 인버터에서는 외부장비로 전달하는 전기 에너지의 크기를 연료전지 효율 최적점(P)을 유지하도록 설정하여 사용자의 경제적 이득을 극대화 하는 제어를 수행할 필요가 있다. 그러나 효율을 비교하고 효율 최적점을 찾는 과정이 길어 질수록 비효율적인 운전으로 인한 손실이 증가하게 되므로 효율값의 계산 및 운전점 간의 효율값 비교는 빠른 시간 주기로 수행되어야 한다.
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.
KR 10-1511678 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지차량의 발전 전력을 외부에서 사용하기 위한 발전용 인버터를 활용함에 있어서, 외부 발전에 최적화된 연료전지의 운전점을 실시간으로 파악하여 연료전지를 가동하기 위한 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어방법은, 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계; 연료전지와 외부장비 사이에 마련된 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계; 연료전지의 출력전류 인자와 발전용 인버터의 출력전류 인자를 통해 효율값을 도출하는 단계; 연료전지의 출력전류를 변화시키고, 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하는 단계; 복수의 효율값을 비교하고, 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 단계; 및 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 단계;를 포함한다.
연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계에서는 연료전지의 출력전류가 기준 전하량을 채우는데 걸리는 기준시간 동안 연료전지의 출력전류를 적산하여 연료전지의 출력전류 인자를 도출할 수 있다.
발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계에서는 기준시간 동안 발전용 인버터의 출력전류를 적산하여 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출할 수 있다.
효율값을 도출하는 단계에서는 발전용 인버터의 출력전류 인자를 연료전지의 출력전류 인자로 나누어 도출할 수 있다.
새로운 효율값을 도출하는 단계에서는 연료전지의 출력전류를 작게 한 경우와 크게 한 경우 각각의 효율값을 도출할 수 있다.
최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 도출할 수 있다.
최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따를 때 도출된 복수의 효율값들 중 최적의 효율값을 찾지 못한 경우 연료전지의 출력전류를 다시 변화시켜 다른 효율값을 도출하여 비교할 수 있다.
연료전지를 구동하는 단계에서는 연료전지의 출력전압이 일정 수준 이상으로 변경될 경우 새로운 효율값을 도출하고 도출된 새로운 효율값에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 도출할 수 있다.
본 발명의 연료전지차량의 외부발전 제어방법을 수행하기 위한 시스템은, 연료전지 출력전류 및 발전용 인버터 출력전류를 도출하는 전류도출부; 및 도출된 연료전지와 발전용 인버터의 출력전류를 통해 연료전지 및 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하고, 이를 통해 효율값을 도출하며, 연료전지의 출력전류를 변화시킨 후 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하고, 복수의 효율값을 비교하여 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하며, 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지차량의 발전 전력을 외부에서 사용하기 위한 발전용 인버터를 활용함에 있어서, 외부 발전에 최적화된 연료전지의 운전점을 실시간으로 파악하여 연료전지를 가동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어방법을 나타낸 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명은 연료전지차량에 외부의 장비를 연결하여 전력을 발전하고 사용하는 것에 관한 것이다. 연료전지(100)에서 출력되는 전압은 고전압이고 직류이기 때문에 이를 일반 가정용의 220V 교류로 변환이 필요하고, 이를 위해 발전용 인버터(300)가 따로 마련된다. 이러한 발전용 인버터(300)는 차량의 내부에 마련될 수도 있고, 외부에 별도로 마련되어 차량과 연결되는 형태도 가능하다.
제어부(700)는 이러한 발전용 인버터(300)의 동작을 제어하기 위한 것이고 발전용 인버터(300)와 함께 연료전지(100) 및 그 부속 보기류들도 함께 제어하는 것으로서 차량의 외부 또는 내부에 마련될 수 있고 복수의 계층으로 나뉘어 마련되는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어방법을 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 연료전지차량의 외부발전 제어방법은, 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계(S100); 연료전지와 외부장비 사이에 마련된 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계(S120); 연료전지의 출력전류 인자와 발전용 인버터의 출력전류 인자를 통해 효율값을 도출하는 단계(S140); 연료전지의 출력전류를 변화시키고, 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하는 단계(S300); 복수의 효율값을 비교하고, 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 단계(S520); 및 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 단계(S560);를 포함한다.
본 발명은 연료전지차량의 발전 전력을 외부에서 사용하기 위한 발전용 인버터를 활용함에 있어서, 외부 발전에 최적화된 연료전지의 운전점을 실시간으로 파악하여 연료전지를 가동하기 위한 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다. 따라서, 연료전지가 가장 효율적으로 운행할 수 있도록 하는 운전점을 찾아야 하고, 그 운전점에 따르도록 인버터와 연료전지의 제어가 필요한 것이다.
먼저, 연료전지 시스템의 일반적인 효율은 아래의 수식과 같이 생각해볼 수 있다.
Figure 112016123799563-pat00001
상기 수식과 같이 통합적인 효율에는 수소이용률도 반영이 되는데, 수소이용률의 경우 연료전지 시스템에서 수소를 퍼지하는 횟수가 큰 영향을 미치고, 수소가 공기극으로 크로스오버되는 정도도 영향을 미친다. 다만, 수소 크로스오버의 경우 그 양이 미미하고 효율에 미치는 영향이 적기 때문에 무시할 수 있지만, 수소 퍼지의 경우에는 그 양이 상당하고 빈번하기 때문에 무시하기는 어렵다. 수소 퍼지의 경우 일반적으로 연료전지 출력전류의 누적 전하량을 기준으로 일정 전하량이 되었을때 수소를 퍼지하기 때문에 본 발명의 경우에도 그 퍼지 주기에 따라 효율을 비교하는 것이 타당하다.
이와 같은 방식으로 수소이용률이 효율에 미치는 영향을 상쇄할 수 있다면, 연료전지의 발전 효율은 아래의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure 112016123799563-pat00002
Figure 112016123799563-pat00003
상기와 같이 발전용 인버터의 출력전압은 가정용인 220V로 고정되고 연료전지 스택의 개방전압 역시 상수로 볼 수 있기 때문에 결국 수식에서 영향을 미치는 변수들을 고려한다면 효율을 비교하기 위한 수식으로는 아래와 같이 가정할 수 있다.
Figure 112016123799563-pat00004
즉, 발전시스템의 전체적인 발전 효율은 위와 같이 발전용 인버터의 출력전류를 연료전지의 출력전류로 나눈 값을 통해 발전의 효율을 판단할 수 있는 것이다.
그리고 앞서 설명한 수소 퍼지량이 미치는 영향을 최소화하기 위해 전류값을 바로 사용하는 것이 아니라, 전하량으로 적산하여 사용하도록 하는 것이다.
구체적으로, 먼저 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계(S100)를 수행하고, 연료전지와 외부장비 사이에 마련된 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계(S120)를 수행한다. 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계(S100)에서는 연료전지의 출력전류가 기준 전하량을 채우는데 걸리는 기준시간 동안 연료전지의 출력전류를 적산하여 연료전지의 출력전류 인자를 도출할 수 있다. 즉, 전류를 적분하는 경우 전하량이 되고, 수소 퍼지의 주기는 전하량을 기준으로 하기 때문에 수소 퍼지의 주기와 동일하게 기준 전하량을 설정하고 기준 전하량이 채워지는데 걸리는 시간 동안의 연료전지 출력전류를 적산하여 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 것이다. 그리고 결국 그 시간 동안 적산하는 것이기 때문에 결국 연료전지의 출력전류 인자는 수소 퍼지의 주기 기준이 되는 기준 전하량이 될 것이다.
한편,그 기준 전하량이 충족되는 시간 동안 발전용 인버터에서 출력되는 전류 역시 적산을 하도록 함으로써 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출한다.
그리고 도출된 두 개의 인자를 위 수식과 같이 대입함으로써 효율값을 도출한다. 즉, 연료전지의 출력전류 인자와 발전용 인버터의 출력전류 인자를 통해 효율값을 도출하는 단계(S140)를 수행한다. 효율값을 도출하는 단계에서는 발전용 인버터의 출력전류 인자를 연료전지의 출력전류 인자로 나누어 도출할 수 있는 것이다. 이에 따라 현재의 운전점인 P1 지점에서의 효율값을 알 수 있다.
그리고 다른 운전점으로 연료전지를 구동하고 그 지점에서의 효율점을 동일한 방식으로 도출한다. 즉, 연료전지의 출력전류를 변화시키고, 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하는 단계(S300)를 수행한다. 구체적으로, 이 단계에서는 종전에 효율값을 측정하였던 연료전지의 출력전류를 다른 값으로 제어하고 변경된 출력전류에서의 효율값을 측정하는 것이다.
이를 위해 새로운 효율값을 도출하는 단계에서는 연료전지의 출력전류를 작게 한 경우와 크게 한 경우 각각의 효율값을 도출할 수 있다. 즉, 현재 100이라는 연료전지 출력전류 환경에서 효율값을 도출하였다면, 연료전지 출력전류 90과 110 지점에서 효율값을 동일한 방식으로 도출하는 것이다. 이는 제어부에서 발전용 인버터로 지령하는 전류지령을 변경시키고 그에 따라 연료전지의 보기류 등을 제어함으로써 결론적으로 연료전지의 출력전류를 인위적으로 변경시키고 변경된 운전점에서의 각각의 효율값을 수식에 의거하여 도출하는 것이다.
이에 따라 P1(초기 운전점), P2(연료전지 출력전류가 작은 운전점), P3(연료전지 출력전류가 큰 운전점)에서의 효율값을 각각 도출한다(S500).
그리고 가장 쉽게는 복수의 효율값을 비교하고, 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 단계(S520,S540)를 수행하며, 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 단계(S560)를 수행한다. 효율값이 가장 큰 지점이 발전효율이 좋다고 볼 수 있는바, 비교한 운전점들 중 가장 효율이 큰 저점에서 연료전지를 구동제어하는 것이 가장 바람직하다.
더욱 정밀하게 운전점을 세팅하기 위하여는 최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 도출할 수 있다. 즉, 최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따를 때 도출된 복수의 효율값들 중 최적의 효율값을 찾지 못한 경우 연료전지의 출력전류를 다시 변화시켜 다른 효율값을 도출하여 비교할 수 있다.
즉, 연료전지의 출력전류가 가장 작은 운전점에서 가장 큰 효율값을 갖는다면 연료전지 출력전류가 더 낮아질 경우 효율이 더 상승할 여지가 있는 것이다. 따라서, 이 경우에는 더 낮은 연료전지 출력전류하에서의 효율값을 도출하고 이를 함께 비교하는 것이다. 그러한 과정을 통해 좀 더 좋은 운전점을 발견할 수 있을 것이다. 또는 연료전지 출력전류가 중간이 경우에 효율이 가장 좋다면 그 해당 전류가 바로 최적의 운전점이 될 학률이 높은 것이다. 이처럼 연료전지 출력전류의 크기와 각각에 해당하는 효율값을 비교분석함으로써 최적의 운전점을 추적하여 도출할 수 있는 것이다.
그러나 만약 연료전지의 출력전압이 일정 수준 이상으로 변경될 경우에는 연료전지의 성능곡선의 개형 자체가 변화된 경우라고 볼 수 있는바, 이러한 경우에는 다시 새로운 효율값을 도출하고 도출된 새로운 효율값에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 다시 새로이 도출할 수 있다(S700).
한편, 발전용 인버터의 출력전류는 교류이기 때문에 RMS값을 이용하여 적산하는 것이 가능하고, 또는 3삼 전류일 경우에는 Q축 전류값을 이용하여 적산하는 것도 가능할 것이다.
도 1은 이를 위한 시스템을 나타낸 도면으로써, 본 발명의 연료전지차량(10)의 외부발전 제어방법을 수행하기 위한 시스템은, 연료전지(100) 출력전류 및 발전용 인버터(300) 출력전류를 도출하는 전류도출부(120,320); 및 도출된 연료전지와 발전용 인버터의 출력전류를 통해 연료전지 및 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하고, 이를 통해 효율값을 도출하며, 연료전지의 출력전류를 변화시킨 후 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하고, 복수의 효율값을 비교하여 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하며, 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 제어부(700);를 포함한다. 연료전지의 출력전류는 차량의 전류센서(120)를 활용하여 도출하고, 발전용 인버터의 출력전류 역시 전류센서(320)를 통해 계측할 수 있다. 그리고 이러한 출력전류들을 이용한 효율값의 도출, 연료전지의 제어 등을 위해 제어부(700)가 차량의 내부 또는 외부에 마련될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 연료전지차량의 외부발전 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지차량의 발전 전력을 외부에서 사용하기 위한 발전용 인버터를 활용함에 있어서, 외부 발전에 최적화된 연료전지의 운전점을 실시간으로 파악하여 연료전지를 가동할 수 있다.
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.
100 : 연료전지 300 : 발전용 인버터
700 : 제어부

Claims (9)

  1. 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계;
    연료전지와 외부장비 사이에 마련된 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계;
    연료전지의 출력전류 인자와 발전용 인버터의 출력전류 인자를 통해 효율값을 도출하는 단계;
    연료전지의 출력전류를 변화시키고, 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하는 단계;
    복수의 효율값을 비교하고, 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 단계; 및
    도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 단계;를 포함하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 단계에서는 연료전지의 출력전류가 기준 전하량을 채우는데 걸리는 기준시간 동안 연료전지의 출력전류를 적산하여 연료전지의 출력전류 인자를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 단계에서는 기준시간 동안 발전용 인버터의 출력전류를 적산하여 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    효율값을 도출하는 단계에서는 발전용 인버터의 출력전류 인자를 연료전지의 출력전류 인자로 나누어 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    새로운 효율값을 도출하는 단계에서는 연료전지의 출력전류를 작게 한 경우와 크게 한 경우 각각의 효율값을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    최적 출력전류를 도출하는 단계에서는 복수의 효율값이 증감하는 경향에 따를 때 도출된 복수의 효율값들 중 최적의 효율값을 찾지 못한 경우 연료전지의 출력전류를 다시 변화시켜 다른 효율값을 도출하여 비교하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지를 구동하는 단계에서는 연료전지의 출력전압이 일정 수준 이상으로 변경될 경우 새로운 효율값을 도출하고 도출된 새로운 효율값에 따라 연료전지의 최적 출력전류를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 외부발전 제어방법.
  9. 청구항 1의 연료전지차량의 외부발전 제어방법을 수행하기 위한 시스템으로써,
    연료전지 출력전류 및 발전용 인버터 출력전류를 도출하는 전류도출부; 및
    도출된 연료전지와 발전용 인버터의 출력전류를 통해 연료전지 및 발전용 인버터의 출력전류 인자를 도출하고, 이를 통해 효율값을 도출하며, 연료전지의 출력전류를 변화시킨 후 변화된 연료전지의 출력전류에 따른 새로운 효율값을 도출하고, 복수의 효율값을 비교하여 가장 큰 효율값에 대응되는 연료전지의 최적 출력전류를 도출하며, 도출된 최적 출력전류에 따라 연료전지를 구동하는 제어부;를 포함하는 연료전지차량의 외부발전 제어시스템.
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