KR20070025834A - 선형 전압 프로파일을 갖는 배터리와 연료전지의하이브리드 전원공급 시스템 및 그 구동방법 - Google Patents
선형 전압 프로파일을 갖는 배터리와 연료전지의하이브리드 전원공급 시스템 및 그 구동방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 선형 전압 프로파일을 갖는 배터리를 이용하여 배터리와 연료전지의 조합을 간단하고 원활하게 구현할 수 있는 하이브리드 전원공급 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급 시스템은, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지, 재충전가능하며 연료전지의 출력을 보조하는 배터리, 연료전지의 제1 출력 및 배터리의 제2 출력 중 적어도 하나를 받고 내부 또는 외부의 전기적 부하에 전력을 공급하는 전력변환장치, 그리고 배터리의 충방전 전압이 선형 충방전 전압 구간에 위치하도록 배터리의 충방전을 제어하는 제어장치를 포함한다.
연료 전지, 배터리, 하이브리드, 전원공급, 선형 전압 프로파일,
Description
도 1은 기존의 연료전지, 슈퍼캐패시터 그리고 배터리 충방전 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템의 작동원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템에서 배터리의 양극 활물질로 이용할 수 있는 재료를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템에 결합되는 배터리의 충전 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템에 결합되는 또 다른 배터리의 방전 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템 구동방법 을 나타내는 순서도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110: 연료전지 120: BOP(balance of plant)
130: 배터리 140: 배터리 충전제어장치
150: 전력변환장치 160: 제어장치
본 발명은 연료전지를 이용한 전원공급 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 선형 전압 프로파일을 갖는 배터리를 이용하여 연료전지와의 조합을 간단하고 원활하게 할 수 있는 하이브리드 전원공급 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등과 같은 연료와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료전지는 높은 에너지 효율을 갖고 NOx와 SOx 등을 배출시키지 않는 무공해 발전장치이며, 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상술한 연료전지 시스템은 연료가 공급되는 동안 지속적으로 전기에너지를 생산한다. 대부분의 연료전지 시스템의 에너지 효율은 낮은 출력 기간동안에 상당히 감소한다. 그것은, 예를 들어, 연료전지에 연료와 공기 등을 공급하는 펌프 등의 보조 장치가 연료전지의 전기에너지를 일정량 소모하고, 따라서 낮은 출력 기간동안에 연료전지에서 발생되는 전체 전력에 대한 보조 장치의 전력 소모율이 증가되기 때문이다.
또한, 연료전지 시스템은 큰 전력이 요구되는 어플리케이션에 사용하기는 아직 출력 특성이 부족하기 때문에 일반적으로 EDLC(electric double layer capacitor)와 같은 슈퍼캐패시터나 배터리를 조합하여 사용하고 있다. 다시 말해서, 급격한 부하 변동과 같이 전기적인 과도상태가 발생하는 경우, 연료전지 시스템에서는 연료공급 등의 한계 조건에 의해 빠른 대응을 할 수 없으므로 그 출력 특성이 현저히 변화되는 문제점이 있다. 따라서, 연료전지를 이용하는 기존의 하이브리드 전원공급 시스템은 배터리나 슈퍼캐패시터와 같은 보조 전원장치를 결합하여 시스템 출력측에 전기적인 과도상태가 발생될 때 이를 보완하도록 구성되고 있다.
상술한 연료전지, 슈퍼캐패시터, 배터리의 충방전 곡선을 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시한 바와 같이, 슈퍼캐패시터(E)는 에너지 용량이 작은 반면에 큰 출력을 낼 수 있고, 충방전전압 프로파일이 연료전지(FC)의 출력전압 프로파일과 유사해서 연료전지 시스템의 전력 백업용으로 많이 사용되고 있다. 예를 들면, 슈퍼캐패시터와 같은 전력 공급장치가 연료전지 시스템의 효율이 감소되는 기간동안, 즉 낮은 출력 기간동안에 에너지 효율을 충족시키고 에너지 효율을 향상시키도록 이용되고 있다. 이것은 슈퍼캐패시터가 높은 전력 밀도와 높은 충방전 효율을 갖기 때문이다.
반면에 배터리(B)는 슈퍼캐패시터(E)와 비교해서 중량당 에너지 용량은 매우 크지만, 충방전전압 프로파일이 연료전지(FC)의 출력전압 프로파일과 다르다. 따라서, 연료전지와 배터리의 하이브리드 시스템에서는 연료전지(FC)와 배터리(B)가 원활하게 작용하도록 하는 고가의 컨트롤러를 사용해야 한다. 이처럼, 연료전지를 이용하는 하이브리드 전원공급 시스템에서 배터리를 보조적인 전원공급장치로 사용하는 경우, 평탄 구간 또는 플래토우(plateau)를 가지는 배터리의 충방전 특성으로 인해 배터리와 연료전지와의 원할한 조합 사용이 어렵다. 다시 말해서, 연료전지와 배터리를 조합하여 사용해야 하는 종래의 하이브리드 전원공급 시스템의 경우, 고가의 컨트롤러를 함께 사용해야 하는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터 리의 충방전 전압 프로파일에서 연료전지의 출력전압 프로파일과 유사한 구간을 이용하여 배터리와 연료전지와의 조합을 간단하고 원활하게 구현할 수 있는 하이브리드 전원공급 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지와 배터리의 하이브리드 전원공급 시스템에서 고가의 컨트롤러를 사용할 필요가 없고, 슈퍼캐패시터와 비교해서 매우 큰 에너지 용량을 가지는 배터리를 사용하여 연료전지 시스템의 효율성을 극대화시킬 수 있는 하이브리드 전원공급 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지, 재충전가능하며 연료전지의 출력을 보조하는 배터리, 연료전지의 제1 출력 및 배터리의 제2 출력 중 적어도 하나를 받고 내부 또는 외부의 전기적 부하에 전력을 공급하는 전력변환장치, 그리고 배터리의 충방전 전압이 선형 충방전 전압 구간에 존재하도록 배터리를 제어하는 제어장치를 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템이 제공된다.
바람직하게, 제어장치는 배터리의 전압을 감지하고, 배터리가 선형 충방전 전압 구간의 최대전압으로 충전되도록 배터리 충전을 제어한다. 그리고, 제어장치는 감지된 배터리 전압이 최대전압 이상이면, 배터리의 충전을 중지시킨다. 또한, 제어장치는 배터리의 전압을 감지하는 감지부와, 감지된 신호와 기준 신호를 비교하는 비교부, 및 비교부에서 출력되는 신호 레벨에 따라 배터리의 충전을 인에이블 또는 디스에이블시키기 위한 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부를 포함한다. 여기서, 기준 신호는 선형 충방전 전압 구간의 최대 전압에 상응하는 신호이다.
또한, 배터리는 전기적으로 직렬 접속되는 복수개의 셀을 구비한다.
또한, 상술한 하이브리드 전원공급 시스템은 제어장치에 의해 제어되며, 연료전지의 출력 또는 외부의 상용 전원을 이용하여 배터리를 충전시키는 배터리 충전제어장치를 추가적으로 포함한다.
또한, 상기 배터리는 적어도 두 개의 선형 충방전 전압 구간을 구비한다. 상기 제어장치는 적어도 두 개의 함수를 이용하여 배터리의 충방전 전압이 적어도 두 개의 선형 충방전 전압 구간에 위치하도록 배터리의 충방전을 제어한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 배터리와 연료전지와의 하이브리드 전원공급 시스템의 구동방법에 있어서, 배터리의 선형 충방전 구간 및 이 구간의 최대전압을 설정하는 단계와, 배터리 전압을 감지하는 단계와, 감지된 배터리 전압이 최대전압 미만이면, 배터리를 충전하는 단계, 그리고 감지된 배터리 전압이 최대전압 이상이면, 배터리 충전을 중지하는 단계를 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템의 구동방법이 제공된다.
바람직하게, 상술한 하이브리드 전원공급 시스템은 배터리의 선형 충방전 구간의 최저전압을 설정하는 단계와, 연료전지의 출력전압 및 출력전류를 감지하는 단계와, 연료전지의 출력전력의 급격한 감소를 감지하는 단계와, 배터리를 방전시키는 단계, 그리고 감지된 배터리 전압이 최저전압 이하이면, 배터리의 방전을 중지시키는 단계를 추가적으로 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 결합되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 결합되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 요소를 사이에 두고 결합되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 연료라 함은 메탄올이나 천연 가스와 같이 수소를 함유한 협의(狹義)의 연료 이 외에, 광의(廣義)의 연료로서 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서 설명하는 연료는 협의의 연료로 정의한다. 그리고 도면에서 각 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 유사하거나 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템의 작동원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 전원공급 시스템에서는 배터리(B)의 충방전 전압-전류 곡선 중 연료전지(FC)의 출력 곡선과 유사한 구간, 예컨대, A와 B 구간에서 배터리(B)의 충방전 전압을 제어하여 연료전지와 배터리와의 조합을 간단하고 원활하게 이룬다. 재충전가능한 배터리는 원활한 가역적 충방전을 위하여 배터리 전압의 상한선과 하한선을 가진다. 배터리 전압의 상한선과 하한선은 배터리의 만충전용량의 대략 80%와 20%가 된다. 본 실시예에 적합한 배터리로는 리튬이온 이차전지가 있다.
리튬이온 이차전지는 부극활성물질로 금속 리튬을 사용하지 않고 리튬이온 (Li+)을 층간삽입(intercalation) 및 탈리(deintercalation)할 수 있는 물질로 사용하는 리튬이차전지의 일종이며, LiCoO2/Carbon 구조의 리튬이온 이차전지나 LiMn2O4을 정극으로 사용하는 리튬이온 이차전지를 예로 들 수 있다. 이러한 리튬이온 이차전지의 각 셀은 현재 4.2V로 매우 높은 전위를 가지고 있어 여러개를 직렬 및/또는 병렬 연결하여 매우 효율적으로 사용가능하다. 예를 들면, 충분한 수의 셀을 연결하면, 400V까지의 전압을 얻을 수 있다.
또한, 리튬이온 이차전지의 다중 셀 충전전지의 출력 전압은 직렬 연결된 셀의 수와 셀을 위해 선택되는 특정 화학물질에 의존한다. 그리고 리튬이온 이차전지는 니켈을 포함하는 전지(Ni-Cd, Ni-Mh)에서 나타나는 메모리 효과(memory effect) 현상이 없으므로, 임의대로 수시로 충전하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않는다.
또한, 본 실시예에 채용할 수 있는 배터리는 특정 구간에서 선형 방전전압 프로파일을 갖는 모든 리튬이온 이차전지를 포함한다. 따라서, 본 발명에서는 원하는 방전전압 구간에서 선형 프로파일을 갖도록 배터리를 제작하여 이용할 수 있다. 예를 들면, 특정 구간에서 플래토우를 가지는 다양한 활물질을 적절히 혼합하면, 그 사용량에 따라 제작된 배터리의 플래토우 구간이 변하게 되는데, 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 다양한 활물질을 혼합 사용하여 원하는 전압 구간에서 선형 방전 전압 프로파일을 갖는 배터리를 제작하여 이용할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 배터리의 선형 충방전 구간을 이용하여 간단하고 원활하게 연료전지와의 조합을 이룬다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템에서 배터리의 양극 활물질로 이용할 수 있는 재료를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 전원공급 시스템에 채용되는 배터리는 배터리의 전극을 구성할 수 있는 다양한 양극 산화물을 이용하여 제작될 수 있다. 예컨대, LiF, LiMiVO4, Li1 - xNiO2, Li1 - xCoO2, Li1 - xMn2O4, LixMnO4, LixMoS2, LixTiS2, LixMoO2, LixWO3, LixCoke, LixGraphite 등의 재료를 적절히 조합하여 원하는 충방전 구간에서 선형 전압 프로파일을 나타내는 배터리를 구현할 수 있다. 물론, 상기 재료 이외에 LixNiyCozAl(1-y-z)O2 등의 재료를 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상술한 경우, 음극에는 소프트 카본(soft carbon) 또는 하드 카본(hard carbon)에서 출발한 흑연을 사용할 수 있다. 여기서, 소프트 카본은 열처리에 의해서 흑연으로 변환가능한 탄소질 재료를 말하며, 이흑연화성탄소라고도 한다. 하드 카본은 예컨대 3000℃에 미치는 열처리를 행하여도 결정자 배향이 산란한 상태가 계속되어 흑연으로 변화되지 않는 탄소질 재료를 말하며, 난흑연화성 탄소라고도 한다. 음극으로 특히 하드 카본을 사용하는 배터리에서는 방전과 동시에 전압이 천천히 떨어지므로 비교적 선형 방전전압 곡선 구간을 용이하게 얻을 수 있다.
예를 들어 LixNi1 /3Co1 /3Al1 /3O2 와 LiMn2O4 를 5:5로 조합한 혼합물을 배터리의 양극 활물질로 사용하면, 도 3b에 도시한 바와 같이, 높은 충전 특성과 선형 구간 이 넓은 배터리를 얻을 수 있다. 본 구현예에서, 양극 활물질에는 활물질 90%, 도전재 5%, 바인더 5%를 사용하였다. 음극 활물질에는 천연흑연 95%, 바인더 5%를 사용하였다. 전해액은 EC:DEC 1:1, 1.3M LiPF6을 사용하였다. 용량은 1000㎃h급이며 약 2C~10C 비율로 충전하였다. 방전 프로파일은 충전 프로파일과 실질적으로 동일하다. 도 3b에서 알 수 있듯이, 제작된 배터리는 방전율 2C일 때 약 4.2V~3.5V의 구간에서 거의 선형에 가까운 방전 프로파일을 나타낼 수 있다.
또 예를 들어, 도 3c에 도시한 바와 같이, LiNiCoAlO2 와 LiMn2O4 를 4:6으로 섞은 혼합물을 배터리의 양극 활물질로 사용하여 배터리를 제작하였다. 본 구현예에서, 제작된 배터리의 방전율은 10C이며, 컷오프(cutoff) 전압이 2.5V이었다. 그리고, 제작된 배터리는 대략 3.6V~3.0V의 전압 구간과 대략 3.0V~2.5V의 전압 구간에서 거의 선형에 가까운 방전 프로파일 구간을 나타내었다. 이것은 본 발명이 적어도 두 개의 선형 구간을 갖는 배터리를 이용하여 연료전지와의 조합을 구현할 수 있다는 것을 나타낸다. 다시 말해서, 배터리의 특정 전압을 기준으로 특정 전압으로부터 그 이상의 소정 전압 구간에서와 상기 특정 전압으로부터 그 미만의 소정 전압 범위에서 제어장치가 두 구간에 각각 다른 비율 또는 함수를 적용하면, 연료전지와 배터리와의 조합을 손쉽게 구현할 수 있다. 이 경우, 배터리의 충방전 프로파일의 넓은 범위를 이용하므로 더욱 효율적으로 배터리를 이용할 수 있다는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 배터리의 충방전 선형 전압 구간을 이용하므로, 배터리를 연료전지와 조합하여 용이하게 출력 제어를 할 수 있다. 이 경우, 배터리가 선형 구간에서 방전 대기되도록 배터리의 충전 전압을 체크하여 배터리의 충방전을 제어한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 제어회로의 단순화가 가능하여 저가의 컨트롤러를 이용할 수 있고, 연료전지와 배터리가 조합된 단순한 구조의 하이브리드 전원공급장치를 간단하게 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 하이브리드 전원공급 시스템은 매우 큰 에너지 용량을 갖는 배터리를 연료전지에 간단하고 원활하게 결합시킴으로써 시스템 효율성을 극대화시킬 수 있다. 이를 위해, 하이브리드 전원공급 시스템은 연료전지(110), 연료전지 지원부(balance of plant, BOP, 120), 배터리(130), 배터리 충전제어장치(140), 전력변환장치(150) 및 제어장치(160)를 포함한다.
구체적으로, 연료전지(110)는 수소, 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유, 바이오매스가스, 매립지 가스 등과 같은 연료와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 모든 종류의 연료전지를 포함한다. 특히, 본 실시예에서는 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
연료전지 지원부(120)는 연료전지(110)에 연료나 공기, 물 등을 공급하기 위 한 펌프, 밸브, 팬 등의 장치와, 개질기(미도시)와 연료전지(110)의 반응 온도와 작동 온도 등을 조절하기 위한 열교환기 등의 장치를 포함한다. 또한, 연료전지 지원부(120)는 연료전지(110)의 운전 효율을 높이기 위한 장치, 예컨대, 연료전지(110)에서 나오는 연료 및 물을 재사용하기 위해 연료 및 물을 순환시키는 순환 탱크(미도시) 등을 포함할 수 있다.
배터리(130)는 적어도 일정 구간에서 선형 방전 전압 프로파일을 갖고, 연료전지(110)나 외부 상용 전원에 의해 재충전할 수 있는 이차전지를 포함한다. 상술한 배터리(130)로는 리튬이온 이차전지가 적합하다.
또한, 배터리(130)는 복수개의 단위 전지 또는 셀(B1, B2, B3, B4,…, Bn)이 직렬로 접속되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 구조에서, 배터리(130)가 충전 또는 재충전될 때, 전류원은 직렬 연결된 모든 셀을 통해 연결된다. 배터리 충전이 이루어질 때, 각각의 셀들은 충전 전류에 다르게 반응할 수 있으므로, 배터리(130)에는 각 셀의 충방전을 독립적으로 제어할 수 있는 배터리 충전제어장치(140)가 결합된다.
배터리 충전제어장치(140)는 배터리(130) 충전 사이클 중 과충전된 특정 셀이 다른 셀과 반응하지 않고 셀이 손상되지 않도록 하기 위하여 각각의 셀(B1, B2, B3, B4,…, Bn)에 병렬로 결합되어 특정 셀에 인가되는 과전류를 바이패스시키는 복수개의 바이패스 스위칭 수단(S1, S2, S3, S4,…, Sn)을 포함한다.
전력변환장치(150)는 복수개의 바이패스 스위칭 수단(S1, S2, S3, S4,…, Sn)의 온오프 상태가 변화하는 것에 관계없이 배터리(130)에 정전압을 공급한다. 이러한 전력변환장치(150)로는 기존의 정전압 레귤레이터(regulator)가 사용될 수 있다.
또한, 전력변환장치(150)는 연료전지(110) 및/또는 배터리(130)의 전력을 외부의 전기적 부하(electrical load, 200)나 연료전지 지원부(120), 제어장치(160) 등에 공급한다. 이때, 전력변환장치(150)는 연료전지(110) 및/또는 배터리(130)의 출력을 이 전력을 사용하는 장치에 맞추어 변환하는 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 예컨대, 기존의 DC-DC 변환기, DC-AC 변환기 등을 포함한다.
또한, 전력변환장치(150)는 배터리(130) 충전시 배터리(130)에 공급되는 전력을 변환하는 또 다른 수단, 예컨대, 기존의 또 다른 DC-DC 변환기를 구비할 수 있다. 여기서, 배터리(130)에 공급되는 전력은 연료전지(110)의 출력이거나 또는 외부의 상용 전원(미도시)이 될 수 있다.
제어장치(160)는 배터리(130) 내의 각각의 셀(B1, B2, B3, B4,…, Bn)을 감시하여 과충전되지 않도록 보호하기 위한 회로를 포함한다. 예를 들면, 제어장치(160)는 전압검출부(162), A/D 변환부(164), 비교부(comparator, 166) 및 제어신호 발생부(168)를 포함한다.
전압검출부(162)는 배터리(130) 내의 각 셀(B1, B2, B3, B4,…, Bn)의 양단에 접속되는 복수쌍의 입력단자(a1, a2; b1, b2; c1, c2; d1, d2; … ; n1, n2)를 구비한다. 이들 입력단자들과 배터리 충전제어장치(140)의 바이패스 스위칭 수단(S1, S2, S3, S4,…, Sn)을 적절히 조합하면, 각 셀의 양단 전압 뿐만 아니라 배터리(130) 전체의 양단 전압 등을 검출할 수 있다.
A/D 변환부(164)는 전압검출부(162)에서 검출된 전압을 디지털 신호로 변환한다. 즉, A/D 변환부(164)는 검출된 아날로그 전압을 제어장치(160)에서 감지할 수 있도록 그것을 디지털 형태로 변환하는 부분이다. 이 A/D 변환부(164)는 전압검출부(162)와 함께 배터리(130)의 전압을 감지하는 감지부를 구성한다.
비교부(166)는 감지부로부터 입력되는 디지털 신호를 기준 신호와 비교하고 그 비교 결과에 따라 비교된 값들 중 큰 값 또는 작은 값을 제어신호 발생부(168)에 전달한다. 여기서, 기준 신호는 배터리(130)의 선형 방전 전압 구간의 최대 전압에 상응하는 최대 기준값과, 선형 방전 전압 구간의 최저 전압에 상응하는 최저 기준값 중 적어도 어느 하나의 레벨을 갖는 신호가 된다. 이러한 비교부(166)는 예컨대 적어도 하나의 연산 증폭기를 이용하여 간단히 구현될 수 있다.
제어신호 발생부(168)는 비교부(166)에서 출력되는 신호 레벨에 따라 배터리(130)의 충전 또는 충전 중지를 위한 제어신호를 발생시킨다.
상술한 구성에 의해, 제어장치(160)는 전력변환장치(150)를 통해 연료전지(110)의 출력 전압 및 출력 전류를 감지하고, 과도상태시 즉, 연료전지(110)에서 감당할 수 있는 이상의 전력이 요구되어 연료전지(110)의 출력이 급격히 저하될 때, 연료전지(110)의 출력과 배터리(130)의 출력을 함께 조합하여 부하(200)에 대하여 정상적으로 전력이 공급될 수 있도록 전력변환장치(150)를 제어한다.
한편, 상술한 제어장치(160)는 연료전지(110)와 연료전지 지원부(120)에 결합된 센서로부터 정해진 감지 신호를 받고, 연료전지(110)와 연료전지 지원부(120)를 제어할 수 있다. 또한, 제어장치(160)는 시스템 제어를 위해 외부의 전기적 부 하(200)과 유선 또는 무선 방식으로 통신할 수 있다. 그리고, 제어장치(160)는 칩 형태의 마이크로컴퓨터(microcomputer)로 구성되고, 시스템 제어와 배터리의 선형 충방전 전압 제어를 위한 프로그램이 저장된 메모리(미도시)에 결합될 수 있다. 이 경우, 메모리는 제어장치(160)에 내장되거나 별도의 포트를 통해 결합될 수 있다.
상술한 본 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템은 매우 큰 에너지 용량을 갖지만 충방전 프로파일이 연료전지의 출력 프로파일과 달라 조합하기 어려웠던 배터리를 연료전지와 간단하면서 원활하게 조합하여 이용하는 것이 가능하다. 따라서, 배터리를 구비한 연료전지 시스템 즉, 하이브리드 전원공급 시스템의 효율성을 극대화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 전원공급 시스템 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 하이브리드 전원공급 시스템을 구동하는 방법은 다음과 같은 과정들을 포함한다. 먼저, 제어장치에 배터리의 선형 충방전 구간 및 이 구간의 최대전압(Vmax) 및 최저전압(Vmin)을 설정한다(302).
다음, 제어장치는 배터리의 충전전압(Vb)을 감지한다(304). 그리고, 감지된 충전전압이 최대전압보다 작은가를 판단한다(306). 그 판단 결과, 충전전압이 최대전압보다 작으면, 배터리를 충전한다(308). 그리고 그 판단 결과, 충전전압이 최대전압보다 작지 않으면, 배터리를 충전시키지 않고 다음 단계로 넘어간다.
다음, 제어장치는 감지된 충전전압이 최대전압 이상인가를 판단한다(310). 그 판단 결과, 충전전압이 최대전압 이상이면, 배터리 충전을 중지한다(312). 그리고 그 판단 결과, 충전전압이 최대전압 이상이 아니면, 배터리의 충전전압을 지속적으로 감시한다.
상술한 과정을 통해, 제어장치는 배터리가 선형 충방전 구간에서 대기할 수 있도록 배터리의 충방전을 제어한다. 이처럼, 본 발명에 따르면, 배터리의 선형 충방전 구간을 이용하여 연료전지와 조합되도록 구성함으로써, 슈퍼캐패시터보다 큰 에너지 용량을 갖는 배터리를 연료전지와 간단하고 원활하게 조합하는 것이 가능하다. 이하의 이어지는 단계들은 본 시스템의 유용한 적용예를 나타낸 것이다.
다음, 제어장치는 배터리가 선형 충방전 구간의 최대 전압으로 충전되도록 제어되고 있는 상태에서, 연료전지의 출력전압 및 출력전류를 감지한다(314).
다음, 제어장치는 연속적으로 감지되는 출력전압 및 출력전류의 변화에서 출력전력의 급속한 감소를 나타내는 과도상태가 발생되었는가를 판단한다(316). 그 판단 결과, 과도상태이면, 제어장치는 과도상태에서 요구되는 전력이 보상되도록 배터리를 방전시킨다(318). 그리고 그 판단 결과, 과도상태가 아니면, 상기 과정을 종료한다.
한편, 제어장치는 배터리를 방전시키는 단계(318) 이후에, 배터리의 충전전압(Vb)을 다시 감지하고, 감지된 충전전압이 배터리의 선형 충방전 구간의 최저전압(Vmin) 이하인가를 판단한다(320). 그 판단 결과, 충전전압이 최저전압 이하이면, 배터리 방전을 중지시킨다(322). 그리고 그 판단 결과, 충전전압이 최저전압 이하가 아니면, 상기 과정을 종료시킨다. 상술한 구성에 의하면, 하이브리드 전원 공급 시스템은 과도상태 발생시 연료전지와 배터리의 적절한 출력 조합에 의해 부하의 요구에 빠르게 응답할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 구성에 의하면, 배터리의 선형 충방전 구간을 이용하여 배터리와 연료전지를 조합함으로써, 간단하고 원활하게 배터리와 연료전지의 하이브리드 전원공급 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 슈퍼캐패시터 등에 비해 매우 큰 중량당 에너지 밀도를 갖는 배터리와 연료전지를 간단하게 조합할 수 있으므로 하이브리드 전원공급 시스템의 효율을 극대화시킬 수 있다. 아울러, 배터리의 선형 충방전 구간을 이용함으로써, 연료전지와의 원활한 조합에 있어서 고가의 컨트롤러를 사용할 필요가 없으므로, 시스템의 소형화에 기여할 수 있다.
Claims (11)
- 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지;재충전가능하며 상기 연료전지의 출력을 보조하는 배터리;상기 연료전지의 제1 출력 및 상기 배터리의 제2 출력 중 적어도 하나를 받고 내부 또는 외부의 전기적 부하에 전력을 공급하는 전력변환장치; 및상기 배터리의 충방전 전압이 선형 충방전 전압 구간에 위치하도록 상기 배터리의 충방전을 제어하는 제어장치를 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어장치는 상기 배터리의 전압을 감지하고, 상기 배터리가 상기 선형 충방전 전압 구간의 최대전압으로 충전되도록 상기 배터리 충전을 제어하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 제어장치는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 최대전압 이상이면, 상기 배터리의 충전을 중지시키는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 배터리는 적어도 두 개의 선형 충방전 전압 구간을 구비하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 제어장치는 적어도 두 개의 함수를 이용하여 상기 배터리의 상기 충방전 전압이 상기 적어도 두 개의 선형 충방전 전압 구간에 위치하도록 상기 배터리의 충방전을 제어하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어장치는 상기 배터리의 전압을 감지하는 감지부와, 상기 감지된 신호와 기준 신호를 비교하는 비교부, 및 상기 비교부에서 출력되는 신호 레벨에 따라 상기 배터리의 충전을 인에이블 또는 디스에이블시키기 위한 제어신호를 발생시키는 제어신호 발생부를 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 기준 신호는 상기 선형 충방전 전압 구간의 최대 전압에 상응하는 신호인 하이브리드 전원공급 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 배터리는 전기적으로 직렬 접속되는 복수개의 셀을 구비하는 하이브리 드 전원공급 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 제어장치에 의해 제어되며, 상기 연료전지 또는 외부의 상용 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전시키는 배터리 충전제어장치를 추가적으로 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템.
- 배터리와 연료전지와의 하이브리드 전원공급 시스템의 구동방법에 있어서,상기 배터리의 선형 충방전 구간 및 상기 구간의 최대전압을 설정하는 단계;상기 배터리 전압을 감지하는 단계;상기 감지된 배터리 전압이 상기 최대전압 미만이면, 상기 배터리를 충전시키는 단계; 및상기 감지된 배터리 전압이 상기 최대전압 이상이면, 상기 배터리 충전을 중지시키는 단계를 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템의 구동방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 배터리의 상기 선형 충방전 구간의 최저전압을 설정하는 단계;상기 연료전지의 출력전압 및 출력전류를 감지하는 단계;상기 연료전지의 출력전력의 급격한 감소를 감지하는 단계;상기 배터리를 방전시키는 단계; 및상기 감지된 배터리 전압이 상기 최저전압 이하이면, 상기 배터리 방전을 중지시키는 단계를 추가적으로 포함하는 하이브리드 전원공급 시스템의 구동방법.
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Cited By (3)
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