KR20070036481A - 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070036481A
KR20070036481A KR1020050091535A KR20050091535A KR20070036481A KR 20070036481 A KR20070036481 A KR 20070036481A KR 1020050091535 A KR1020050091535 A KR 1020050091535A KR 20050091535 A KR20050091535 A KR 20050091535A KR 20070036481 A KR20070036481 A KR 20070036481A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
fuel cell
voltage
load
hybrid system
Prior art date
Application number
KR1020050091535A
Other languages
English (en)
Inventor
안진홍
이종기
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020050091535A priority Critical patent/KR20070036481A/ko
Publication of KR20070036481A publication Critical patent/KR20070036481A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/28—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/545—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2250/00—Driver interactions
    • B60L2250/10—Driver interactions by alarm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/20—Energy converters
    • B60Y2400/202—Fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법은 연료전지 장치 및 배터리 중 적어도 하나의 전력을 부하에 공급하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 배터리의 온도를 감지하는 단계와, 감지된 온도에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출하는 단계와, 배터리의 전압을 감지하는 단계, 및 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하일 때, 연료전지 장치의 출력 전력과 부하의 요구 전력을 비교하여 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 배터리가 한계 전압 이하에서 방전되는 것을 방지하여 시스템의 예기치 못한 셧다운을 예방하고 배터리의 손상을 방지할 수 있다.
연료 전지, 하이브리드, 배터리, 온도, 운전 제어

Description

연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법{Method for controlling operation of fuel cell hybrid system}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 운전제어 방법에 이용되는 배터리의 온도에 따른 전류(용량)-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 이용하는 시스템에 대한 블록도이다.
도 4는 도 3의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치의 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치에 결합되는 전력분배 장치의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 특히 배터리가 한계 용량 이하로 방전되는 것을 방지하여 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하고 배터리를 보호할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23V
연료전지로는 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질형, 알칼리형이 있다. 그 중에 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하는 연료전지를 말한다. 고분자 전해질형 연료전지는 통상 고출력을 위한 스택 구조를 가지며, 연료전지 내의 양극과 음극의 반응을 원활히 진행시키기 위해 촉매를 구비한다. 촉매로는 탄소에 담지된 백금촉매 등이 사용된다. 전술한 연료전지는 화석연료를 연소하는 발전시스템에 비해 질소화합물이나 황산화물의 배출이 매우 적은 차세대 청정 에너지원으로서 주목받고 있다.
한편, 연료전지 시스템은 충분한 연료와 공기를 이용하여 최적의 전기 에너지를 발생시키므로 갑자기 출력을 증가시키기가 어렵고 따라서 일정한 출력하에서 운전되는 것이 바람직하다. 하지만, 연료전지 시스템으로부터 전력을 제공받는 부 하는 일정한 전력만을 소비하지 않는다. 게다가, 부하에서 순간 고전력이 요구되는 경우, 연료전지 시스템에서는 출력 전력을 증가시키기 어렵기 때문에 신속하게 부하 변동에 대응할 수 없다.
전술한 문제를 해소하기 위하여 종래의 연료전지 시스템에서는 배터리가 결합된 연료전지 하이브리드 시스템을 이용하여 부하의 순간 고전력 요구시 배터리의 출력을 부하에 공급하여 부하의 순간 고전력 요구에 대응하고 있다.
배터리는 완만한 충방전 특성 곡선을 갖지만, 용량이 급격히 떨어지는 전압 구간도 갖는다. 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서 배터리가 전력을 소비하게 되면 노트북이나 핸드폰 등의 부하는 그 즉시 셧다운(shutdown)되고, 배터리도 치명적인 손상을 입는다. 따라서, 배터리는 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서 사용되지 않도록 적절히 제어되어야 한다.
본 발명의 목적은 한계 전압 이하에서 배터리가 방전되는 것을 방지하여 시스템의 예기치 못한 셧다운을 예방하고 배터리를 보호할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 측면에 의하면, 연료전지 장치 및 배터리 중 적어도 하나의 전력을 부하에 공급하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 있어서, (a) 운전제어 장치에서 배터리의 온도를 감지하는 단계; (b) 감지된 온도에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출하는 단계; (c) 배터리의 전압을 감지하는 단계; 및 (d) 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하일 때, 연료전지 장치의 출력 전력과 부하의 요구 전력을 비교하여 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 (d)단계는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과할 때, 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (d)단계는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키는 단계, 및 연료전지 장치의 출력 전력으로 배터리를 충전하는 단계를 추가적으로 포함한다. 또한, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키는 것에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (d)단계는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키는 단계를 추가적으로 포함한다. 또한, 운전 중지에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함한다.
또한, 상기 (a)단계는 배터리 중앙부의 온도를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b)단계는 온도에 상응하는 한계 전압을 기저장된 테이블에서 추 출하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법은 부하의 고전력 요구시 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하기 위하여 운전제어 장치에서 배터리의 온도에 따라 배터리의 한계 전압을 변경 설정하며, 설정된 한계 전압으로 배터리의 용량이 급격히 저하되는 전압 이하에서 배터리가 방전되는 것을 방지하도록 배터리의 방전을 제어한다.
구체적으로, 먼저 연료전지 하이브리드 시스템에 운전 개시 신호가 입력되면(S10), 온도 센서에 의해 배터리의 온도를 감지한다(S12). 예를 들면, 배터리의 방전시의 배터리 온도는 써미스터(thermistor) 또는 서모커플(thermocouple)을 통해 검출되고, 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 연산처리부에 의해 감지된다.
다음, 감지된 온도에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출한다(S14). 예를 들면, 본 단계는 감지된 배터리 온도에 상응하는 배터리의 한계 전압을 연료전지 하이브리드 시스템 내의 저장부에 기저장된 테이블에서 추출하도록 구현될 수 있다.
다음, 배터리의 한계 전압이 준비된 상태에서 소정의 전압검출부에 의해 배터리의 전압을 감지한다(S16). 예를 들면, 배터리 전압은 전압계를 통해 검출되고, 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 연산처리부에 의해 감지된다.
다음, 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하인가를 판단한다(S18).
상기 판단 결과가 예이면, 현재의 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과하는가를 판단한다(S20). 상기 판단 결과가 아니오이면, 다시 배터리 전압을 감지하고, 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하인가를 주기적으로 판단한다.
상기 판단 결과, 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과하면, 연료전지 장치의 출력 전력을 부하에 공급하면서 배터리를 충전시킨다(S22).
한편, 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력 이하이면, 경보 신호를 출력한다(S24). 여기서, 경보 신호는 이후의 단계로 설정된 것에 따라 연료전지 장치로부터의 부하 분리를 알리는 신호이거나 시스템의 운전 중지를 알리는 신호 중 어느 하나가 된다.
다음, 연료전지 장치로부터 부하를 분리시킨 후 배터리를 충전시킨다. 또는 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시킨 후 배터리를 충전시킨다(S26). 본 단계는 배터리의 용량이 부족한 상태에서 부하의 고전력 요구에 대응하기 어렵기 때문에 배터리를 우선적으로 충전시키거나 시스템을 종료한 후에 별도로 배터리를 충 전시키기 위한 단계이다. 본 단계에서 연료전지 장치의 출력 전력이 소정값 이상이면 부하를 분리시킨 후에 배터리를 충전하고, 연료전지 장치의 출력 전력이 소정값 미만이면 시스템을 운전 중지시킨 후에 별도로 배터리를 충전시킬 수 있다. 전술한 구성에 의하면, 배터리의 용량 부족시 부하의 고전력 요구에 적절히 대응하지 못하여 배터리나 시스템이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1에 채용된 배터리의 온도에 따른 전류(용량)-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
실험을 위해, 먼저 배터리를 25℃의 분위기에서 0.5C-4.2V로 3시간 동안 충전시켜 준비하였다. 그리고, -20℃, -10℃, 0℃, 25℃, 45℃ 및 60℃의 배터리 온도에서 배터리를 방전율 0.2C-2.75V로 방전시켰다. 여기서, 0.2C는 배터리의 용량을 5시간 동안 방전할 수 있다는 것을 나타낸다.
도 2에서 알 수 있듯이, 방전되는 배터리의 전압은 배터리 온도가 25℃ 이상일 때, 약 3.50V를 기준으로 용량이 급격히 떨어진다. 반면, 온도가 내려갈수록, 컷오프(cut off) 전압(이하 한계 전압이라 한다)이 점점 떨어지며 쓸 수 있는 용량도 작아진다. 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서도 전력을 소비하게 되면, 노트북이나 핸드폰 등의 부하는 그 즉시 셧다운되며 배터리에는 치명적인 악영향이 미친다.
예를 들면, 시스템에 배터리의 한계 전압을 3.6V로 정하면, 25℃의 온도 이상에서는 배터리가 정상적으로 동작하지만, 25℃보다 낮은 온도에서는 배터리의 정 상적인 방전이 불가능하여 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하기 위하여 시스템을 멈추어야 한다. 반대로, 한계 전압을 3.25V로 정하면, 0℃의 온도 이상에서는 배터리가 정상적으로 동작하지만, 0℃보다 높은 온도에서는 배터리의 용량이 남아있는데도 불구하고 시스템을 운전 중지시켜야 한다.
전술한 구성에 의하면, 배터리의 한계 전압을 배터리의 온도에 따라 유동적으로 변경 설정함으로써 배터리 및 시스템을 안정적이면서 효과적으로 운전제어할 뿐 아니라 배터리를 최대한 활용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 이용하는 시스템에 대한 블록도이다. 이하의 설명에서 어느 요소가 다른 요소에 결합된다고 할 때는 직접 결합되는 것과 또 다른 요소를 사이에 두고 결합되는 것을 포함한다.
도 3을 참조하면, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 이용하는 시스템(100)(이하 운전제어 시스템이라고 한다)은 전압검출부(110), 온도검출부(120), 세 개의 아날로그-디지털 변환기(132, 134, 136)(이하 A/D 컨버터라고 한다), 연산처리부(140), 통신처리부(150) 및 저장부(160)를 구비한다. 또한, 운전제어 시스템(100)은 배터리(200), 연료전지 장치(300), 전력분배 장치(400) 및 전기기기(500)에 결합된다.
구체적으로, 전압검출부(110)는 배터리(200)의 전압을 검출한다. 전압검출부(110)는 배터리(200) 전체의 전압을 검출하거나 배터리(200) 내의 복수의 전지셀에 대하여 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 전압검출부(110)는 검출된 신호를 제1 A/D 컨버터(132)를 통해 연산처리부(140)에 제공한다. 전압검출부(110)는 통상의 전압계로 구현될 수 있다.
온도검출부(120)는 배터리(200)의 표면 또는 내부에 설치되며, 배터리(200)의 온도를 검출한다. 복수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬로 조합된 배터리 팩 구조를 갖는 배터리(200)의 경우, 배터리(200)의 온도는 가장자리보다 중앙에서 가장 높으므로, 온도검출부(120)는 배터리(200)의 중앙 부분에서 온도를 측정하도록 설치된다. 또한, 배터리 팩 구조를 갖는 배터리(200)의 경우, 온도검출부(120)는 모든 전지 셀의 온도를 측정하도록 설치되는 것이 바람직하다. 온도검출부(120)는 검출된 온도를 제2 A/D 컨버터(134)를 통해 연산처리부(140)에 제공한다. 온도검출부(120)는 써미스터 또는 서모커플로 구현될 수 있다.
연산처리부(140)는 전압검출부(110)와 온도검출부(120)으로부터 입력되는 신호를 감지하고, 감지된 신호를 소정의 처리 루틴에 따라 처리한다. 여기서, 감지된 신호는 배터리의 온도와 배터리 전압을 포함한다.
상세히 설명하면, 연산처리부(140)는 감지된 온도에 상응하는 한계 전압을 저장부(160)에 저장된 테이블로부터 추출한다. 온도에 상응하는 한계 전압은 소정의 함수로 구현될 수 있다. 또한, 연산처리부(140)는 전력분배장치(400)의 연료전지장치(300)측 입력단과 전기기기(500)측 출력단에 인가되는 전류 및 전압을 제3 A/D 컨버터(136)를 통해 감지한다. 이것은 연료전지 장치(300)의 출력 전력과 부하로서의 전기기기(500)의 요구 전력을 감지하기 위한 것이다. 전술한 경우, 전력분 배장치(400)의 입력단과 출력단의 전력은 소정의 전류/전압 감지수단에 의해 검출될 수 있으며, 전류/전압 감지수단은 전력분배장치(400)에 내장되거나 별도로 구성될 수 있다.
또한, 연산처리부(140)는 한계 전압과 배터리 전압을 비교하고, 연료전지 장치(300)의 출력 전력과 전기기기(500)의 요구 전력을 비교한 후, 이들 비교 결과에 따라 소정의 출력 신호를 발생시킨다. 발생된 출력 신호는 통신처리부(150)에 전달된다. 연산처리부(140)는 디지털 신호처리 장치(digital signal processing device)로 구현될 수 있으며, 이 경우 전술한 3개의 A/D 컨버터 중 하나 이상을 생략할 수 있다.
전술한 출력 신호는 배터리 전압이 한계 전압 이하이고 연료전지 장치의 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과할 때, 배터리를 충전시키기 위한 신호이다. 혹은, 전술한 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키고 연료전지 장치의 출력 전력으로 배터리를 충전시키기 위한 신호이다. 혹은, 전술한 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키기 위한 신호이다.
통신처리부(150)는 연산처리부(140)의 출력 신호에 응답하여 제어 신호를 발생시키고, 발생된 제어 신호를 전력분배장치(400) 및/또는 전기기기(500)에 전달한다. 또한, 통신처리부(150)는 연산처리부(140)의 출력 신호에 응답하여 경보 신호 를 발생시킨다. 발생된 경보 신호는 운전제어 장치(100)에 결합된 영상 장치나 음향 장치에 전달되거나 전기기기(500)에 전달되어 전기기기(500)의 화면이나 스피커를 통해 출력된다. 통신처리부(150)는 유선 또는 무선 인터페이스를 구비한 유선 또는 무선 통신회로로 구현될 수 있다.
저장부(160)는 배터리(200)의 방전 전류와 방전 전류에 대응하는 배터리의 한계 전압을 저장한 테이블을 구비할 수 있다. 또한, 저장부(160)는 배터리(200)의 충방전 횟수 즉 사이클 횟수를 저장할 수 있다. 저장부(160)는 연산처리부(140)에 결합되며, 램(RAM), 롬(ROM), 플래시 메모리, 하드 디스크 등의 임의의 저장장치로 구현될 수 있다. 또한, 저장부(160)는 앤드(AND), 오어(OR), 낸드(NAND), 노어(NOR) 게이트 등에 의해 구현된 논리 회로로 구현될 수 있다.
배터리(200)는 연료전지 장치(300)나 외부 상용 전원에 의해 재충전할 수 있는 이차전지를 포함한다. 배터리(200)는 적어도 하나의 리튬이온 이차전지로 구현될 수 있다. 배터리(200)가 직렬 접속된 복수개의 리튬이온 이차전지로 이루어지는 경우, 배터리(200)의 충전시 각각의 이차전지가 충전 전류에 서로 다르게 반응할 수 있으므로, 배터리(200)에는 각 이차전지의 충전 전압을 독립적으로 검출할 수 있는 전압검출부(110)가 결합되는 것이 바람직하다. 이 경우, 배터리(200) 내의 특정 이차전지의 불량을 감지할 수 있으므로 배터리(200)의 상태를 더욱 정확하게 파악할 수 있다는 이점이 있다.
연료전지 장치(300)는 도 4에 도시한 바와 같이 연료를 산화시켜 직접 전기 에너지를 생산하는 전기발생부(310)를 구비한다. 전기발생부(310)는 복수의 연료전 지가 적층된 구조를 갖는 스택으로 구현될 수 있다. 또한, 전기발생부(310)는 전해질막(311)과 이 전해질막(311)의 양면에 접합되는 애노드 전극(313) 및 캐소드 전극(315)으로 구현될 수 있다. 연료전지 장치(300)에 공급되는 연료로는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등의 탄화수소 계열의 연료가 사용될 수 있다. 또한, 연료전지 장치(300)는 연료를 저장하는 연료펌프(320), 연료를 공급하는 연료펌프(330), 연료를 개질하는 연료 개질장치(340), 공기나 산소 등의 산화제를 전기발생부(310)의 캐소드에 공급하기 위한 산화제 공급장치(350)를 구비할 수 있다.
전력분배 장치(400)는 도 5에 도시한 바와 같이 연산처리부(140)에 의해 제어되며, 스위칭 수단(410, 420)에 의해 배터리(200)와 연료전지 장치(300) 중 적어도 어느 하나의 전력을 전기기기(500)에 공급하도록 결합된다. 스위칭 수단(410), 420)은 트랜지스터나 사이리스터로 구현될 수 있다. 또한, 전력분배 장치(400)는 전류/전압 검출부(432, 434, 436, 438)에 의해 연료전지 장치(300)의 출력 전력을 검출하고, 전기기기(500)의 요구 전력을 검출하며, 검출된 신호를 제3 A/D 컨버터(136)를 통해 연산처리부(140)에 전달한다. 또한, 전력분배 장치(400)는 전력변환수단(440)에 의해 연료전지 장치(300)의 출력 전력을 전기기기(500)에서 사용하기 적합한 적절한 레벨 및/또는 방식으로 변환한다. 전력변환수단(440)은 연료전지 장치(300)에서 출력되는 직류를 다른 레벨의 직류로 변환하는 DC/DC 컨버터 또는 연료전지 장치(300)에서 출력되는 직류를 교류로 변환하는 DC/AC 컨버터로 구현될 수 있다.
전기기기(500)는 배터리(200) 또는 연료전지 장치(300)의 전기 에너지를 사 용하는 전기적 부하를 말한다. 전기기기(500)는 노트북, 핸드폰, 가정용 전기기기 등의 전기를 사용하는 모든 기기를 포함한다. 또한, 전기기기(500)는 운전제어 시스템(100)의 통신처리부(150)와 결합되며, 통신처리부(150)의 제어 신호 또는 경보 신호를 받고, 그 신호에 응답하여 화면을 표시할 수 있는 기기를 포함한다.
한편, 연료전지 장치의 출력 전압에 대한 프로파일과 배터리의 방전 전압에 대한 프로파일이 달라 두 장치를 서로 조합하는 것이 어렵다. 또한, 연료전지 장치와 배터리의 출력 전압을 조합하기 위해서는 추가적으로 고가의 제어 장치가 필요하며, 그러한 고가의 제어 장치를 탑재한 시스템은 구성이 복잡하다. 따라서, 전술한 실시예에서는 연료전지 장치와 배터리의 출력 전압을 조합하는 예는 생략하고 부하의 고전력 요구시 배터리만으로 부하를 담당하는 구성을 바람직한 실시예로 설명하였다.
또 한편, 상술한 실시예에서 명확하게 언급하지 않았지만, 배터리의 방전 전류 및 전압을 감지하는 단계는 방전 전류 및 전압 중 어느 하나를 먼저 감지하거나 두개를 동시에 감지하는 것을 포함한다. 그리고 상술한 실시예의 배터리의 전류나 전압을 검출하는 검출부는 배터리의 전류 및 전압을 직접 또는 간접적으로 감지할 수 있다면 어떠한 위치에서 설치가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에 의하면, 연료전지 하이브리드 시스템에서 배터리가 한계 용량 이하로 방전되는 것을 용이하게 방지함으로써 시스템의 예기치못한 셧다운을 예방하고 배터리를 보호할 수 있다.

Claims (8)

  1. 연료전지 장치 및 배터리 중 적어도 하나의 전력을 부하에 공급하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    (a) 배터리의 온도를 감지하는 단계;
    (b) 상기 감지된 온도에 상응하는 상기 배터리의 한계 전압을 추출하는 단계;
    (c) 상기 배터리의 전압을 감지하는 단계; 및
    (d) 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하일 때, 상기 연료전지 장치의 출력 전력과 상기 부하의 요구 전력을 비교하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력 전력이 상기 부하의 요구 전력을 초과할 때, 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력이 상기 부하의 요구 전력 이하일 때, 상기 연료전지 장치에 서 상기 부하를 분리시키는 단계, 및 상기 연료전지 장치의 출력 전력으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 장치에서 상기 부하를 분리시키는 것에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d)단계는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력이 상기 부하의 요구 전력 이하일 때, 상기 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 운전 중지에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 배터리의 중앙부에서 상기 온도를 측정하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 온도에 상응하는 상기 한계 전압을 기저장된 테이블에서 추출하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.
KR1020050091535A 2005-09-29 2005-09-29 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법 KR20070036481A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050091535A KR20070036481A (ko) 2005-09-29 2005-09-29 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050091535A KR20070036481A (ko) 2005-09-29 2005-09-29 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070036481A true KR20070036481A (ko) 2007-04-03

Family

ID=38158651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050091535A KR20070036481A (ko) 2005-09-29 2005-09-29 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20070036481A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101491375B1 (ko) * 2013-12-18 2015-02-06 현대오트론 주식회사 연료전지 스택용 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치
KR101509895B1 (ko) * 2013-06-28 2015-04-06 현대자동차주식회사 배터리 파워 제한방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101509895B1 (ko) * 2013-06-28 2015-04-06 현대자동차주식회사 배터리 파워 제한방법
KR101491375B1 (ko) * 2013-12-18 2015-02-06 현대오트론 주식회사 연료전지 스택용 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100722109B1 (ko) 연료전지 시스템과 그 제어장치 및 제어방법
JP5100008B2 (ja) 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
US20060035116A1 (en) Equipment with a built-in fuel cell
US8614024B2 (en) Power supply apparatus
JP2006108124A (ja) 燃料電池システムの効率を制御する技術
US20080116843A1 (en) Fuel cell system and method for controlling operation of the fuel cell system
JPH05151983A (ja) ハイブリツド燃料電池システム
US20100261083A1 (en) Power supply apparatus
US20070269692A1 (en) Fuel Cell Apparatus and a Charging/Discharging Management System and Method Using Such Apparatus
US10267862B2 (en) Fuel cell system with minimum cell voltage estimation
US20060228594A1 (en) Method for shutting down fuel cell and fuel cell system using the same
US6504339B2 (en) Technique and apparatus to control the charging of a battery using a fuel cell
KR101233504B1 (ko) 연료전지와 축전지의 선택 제어방법 및 그 시스템
KR20070036481A (ko) 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법
KR20140029906A (ko) 하이브리드 연료 전지를 제어하기 위한 시스템 및 그 방법
CN111200143A (zh) 一种基于燃料电池的dcdc输出电流控制***
KR100698677B1 (ko) 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치
KR20070025834A (ko) 선형 전압 프로파일을 갖는 배터리와 연료전지의하이브리드 전원공급 시스템 및 그 구동방법
US20050089729A1 (en) Technique and apparatus to control the response of a fuel cell system to load transients
JP4971773B2 (ja) 燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法
US6697745B2 (en) Technique and apparatus to control the transient response of a fuel cell system
KR20080044425A (ko) 두 이차전지를 이용하는 전원공급장치
JP2008004379A (ja) 燃料電池システム
Ban et al. Load sharing improvement in parallel-operated lead acid batteries
JP5895736B2 (ja) ２次電池型燃料電池システム及びそれを備えた給電システム

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid