KR20180107384A - 연료전지 공기 공급 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

공기 압축기의 소모전력을 최소화하는 인버터의 스위칭 주파수를 제어하는 연료전지 공기 공급 제어방법 및 시스템이 소개된다. 연료전지 공기 공급 제어방법은 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계; 산출된 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 공기 압축기 모터의 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계; 및 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

연료전지 공기 공급 제어방법 및 시스템 {AIR SUPPLY CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUELCELL}
본 발명은 연료전지의 저출력 구간에서 공기 압축기의 모터에 연결된 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 제시함으로써 연료전지 공기 공급 시스템의 효율 개선을 향상시킬 수 있는 연료전지 공기 공급 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
특히, 연료전지 시스템의 고온 조건에서 성능 만족을 위해 공기 압축기를 통한 가압형 시스템이 적용되는 기술은 이미 공지되어 있다.
그러나 연료전지 시스템의 저출력 운전 구간에서는 연료전지 출력 중 보기류 소모전력이 상대적으로 높은 비중을 차지하고 있고, 그중에서도 공기를 공급하기 위해 사용되는 공기 압축기의 소모전력이 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
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 - 1655602 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지에 공기를 공급하기 위한 공기 압축기의 소모전력이 최소가 되도록 제어하는 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 제어방법은 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계; 산출된 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 공기 압축기 모터의 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계; 및 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계에서 모터 회전속도는 위치 센서를 이용하여 측정할 수 있다.
인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계 이전에, 공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계;를 더 포함하고, 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 공기 공급 압력 조건 및 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 인버터 스위칭 주파수를 산출할 수 있다.
공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계에서 공기 공급 압력 조건으로 공기 제어 밸브의 개도를 측정하여 이용할 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력에 의해 결정될 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 공기 압축기 모터의 인버터에 입력되는 직류 전압 및 전류를 이용하여 산출할 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 기설정된 개수의 측정값의 평균값을 이용할 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 인버터의 스위칭 주파수를 가변하면서 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 결정할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 제어시스템은 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 모터 회전속도 산출부; 모터 회전속도 산출부에서 산출된 모터 회전속도를 기반으로 공기 압축기 모터에 연결된 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출하는 스위칭 주파수 산출부; 및 스위칭 주파수 산출부에서 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 인버터 제어기;를 포함할 수 있다.
모터 회전속도 산출부에서는 모터의 위치센서를 이용하여 회전속도를 측정할 수 있다.
공기 공급 압력 조건을 산출하는 공기 공급 압력 조건 산출부;를 더 포함하고, 스위칭 주파수 산출부에서는 산출된 모터 회전속도 및 공기 공급 압력 조건을 기반으로 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출할 수 있다.
공기 공급 압력 조건 산출부에서는 공기 공급 압력 조건으로 공기 제어 밸브의 개도를 측정하여 이용할 수 있다.
스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력에 의해 결정될 수 있다.
스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 공기 압축기 모터의 인버터에 입력되는 직류 전압 및 전류를 이용하여 산출할 수 있다.
스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 기설정된 개수의 측정값의 평균값을 이용할 수 있다.
스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 스위칭 주파수를 가변하면서 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 결정할 수 있다.
상술한 본 발명의 제어방법 및 시스템에 따르면, 별도 부품의 추가 없이 제어 기술만으로 연료전지 공기압축기의 소모전력을 최소화하여 연료전지 시스템의 효율을 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어시스템의 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어방법은 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계(S100); 산출된 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 공기 압축기 모터의 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200); 및 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계(S300);를 포함한다.
이와 같은 연료전지 공기 공급 제어방법에 따르면, 공기 압축기의 모터 회전속도에 따라 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출하고 제어하여 공기 압축기의 효율이 개선되는 효과를 가진다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어시스템은 공기 압축기(30)의 모터(31) 회전속도를 산출하는 모터 회전속도 산출부(32); 모터 회전속도 산출부에서 산출된 모터 회전속도를 기반으로 공기 압축기 모터에 연결된 인버터(40)의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출하는 스위칭 주파수 산출부(42); 및 스위칭 주파수 산출부(42)에서 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 인버터 제어기(41);를 포함한다.
도 2의 굵은 선은 연료전지에 공급되고 배출되는 공기 통로를 나타낸 것으로, 일 실시예로서 공기압축기(30)를 통해 연료전지(10)로 유입되고, 유출되는 통로에서 공기 제어 밸브(ACV, 50)가 공기 압력을 조절하는 역할을 한다.
이러한 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 제어방법은 도 2의 연료전지의 공기 공급 제어시스템에 의해 구현될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 2를 함께 참조하면, 제어부(20)는 요구출력, 배터리의 충전량 등을 기반으로 연료전지(10)의 발전을 제어하고, 그에 따라 공기 압축기(30)의 모터(31)의 회전속도와 공기 제어 밸브(ACV, 50)의 개도를 제어한다.
공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계(S100)는 공기압축기(30) 내부의 모터(31)에 연결된 모터 회전속도 산출부(32)에서 모터(31)의 회전속도 RPM을 산출하는 것이다.
구체적으로, 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계(S100)는 공기압축기(30)의 모터(31)에 위치센서를 부착하고, 이를 이용하여 모터(31)의 회전속도를 측정하여 모터 회전속도 산출부(32)에서 산출할 수 있다.
산출된 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 공기 압축기 모터의 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)는 스위칭 주파수 산출부(42)에서 공기 압축기(30) 모터(31)에 연결된 인버터(40)의 소모전력이 최소가 되는 인버터 스위칭 주파수를 산출한다.
인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200) 이전에, 공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계(S100)는 공기 공급 압력 조건 산출부(51)에서 연료전지에 공급하는 공기의 압력 조건을 산출하여 공기 압축기(30)의 부하상태를 산출할 수 있다.
공기 공급 압력 조건은 예를 들어 연료전지(10)에 연결된 공기 제어 밸브(ACV, 50)의 개도를 측정하여 이를 공기 공급 압력 조건에 이용할 수 있다.
구체적으로, 공기 압축기의 모터 회전속도 및 공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계(S100)는 모터 회전속도 산출부(32)에서 모터(31)의 회전속도 RPM 및 공기 공급 압력 조건 산출부(51)에서 공기 제어 밸브(ACV, 50)의 개도를 산출하고(S110), 산출된 모터 회전속도 RPM 및 ACV 개도가 메모리(43)의 TABLE에 저장되는 특정한 모터 회전속도 RPM 및 ACV 개도인지 판단하여(S120), 특정 모터 회전속도 RPM 및 ACV 개도일때 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)로 진행한다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)는 스위칭 주파수 산출부(42)에서 모터 회전 속도 산출부(32)에서 산출한 모터 회전속도의 조건과 공기 공급 압력 조건 산출부(51)에서 산출한 공기 압력 조건에서 소모전력이 최소가 되는 인버터의 스위칭 주파수를 산출한다.
스위칭 주파수 산출부(42)에서 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)의 소모전력은 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력에 의해 결정될 수 있다. 3상 리플 전류에 의한 손실 전력은 인버터의 스위칭 주파수가 낮은 경우 인버터 효율에 지배적인 영향을 미치게 되고, 스위칭 손실 전력은 인버터의 스위칭 주파수가 일정 수준 이상인 경우 인버터 효율에 지배적인 영향을 미친다. 따라서 스위칭 주파수에 따라 달라지는 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력의 합에 의해 인버터의 소모전력이 결정될 수 있다.
스위칭 주파수 산출부(42)에서 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)의 소모전력은 공기 압축기(30) 모터(31)의 인버터(40)에 입력되는 직류 전압 및 전류를 이용하여 산출(S210, S220)할 수 있다. 구체적으로, 공기 압축기(30) 모터(31)의 인버터(40)에 입력되는 직류(DC) 전압 및 전류를 센싱하여(S210), 소모전력을 산출(소모전력 = 전압 X 전류)할 수 있다(S220).
스위칭 주파수 산출부(42)에서 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)의 소모전력은 기설정된 개수의 측정값의 평균값을 이용할 수 있다(S230, S240, S250, S260, S270). 인버터의 소모전력은 노이즈 및 오차가 발생하기 쉽기 때문에 다수 개의 측정값을 이용하여 평균값을 산출하여 이용할 수 있다. 여기서 기설정된 개수는 예를 들어 10개로 설정될 수 있고, 더 크거나 작게 설정될 수 있다.
구체적으로, 산출된 다수 개의 소모전력을 합하고(S230), 산출한 소모전력의 개수를 소모전력 평균 계산 카운트로 정하여(S240), 소모전력 평균 계산 카운트가 기설정된 개수만큼 산출되면(S250), 다수 개의 소모전력의 합을 소모전력 평균 계산 카운트로 나누어 소모전력 평균을 계산한다(S260). 스위칭 주파수 및 그에 따라 계산된 소모전력 평균은 스위칭 주파수 산출부(42)에 연결된 메모리(43)에 저장한다(S270).
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)는 스위칭 주파수 산출부(42)에서 인버터의 최소 소모전력인 스위칭 주파수를 산출할 때, 동일한 모터 회전속도 및 공기 공급 압력 조건에서 스위칭 주파수를 가변하면서 스위칭 주파수 산출부(42)에 연결된 메모리(43)에 소모전력을 저장하고, 메모리(43)에 저장된 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 결정하도록 할 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계(S200)는 스위칭 주파수 산출부(42)에서 모터의 회전속도 및 공기 공급 압력 조건을 산출하고, 산출된 모터의 회전속도를 RPM 조건으로 정하고, 산출된 공기 공급 압력 조건을 압력 조건으로 정하여 스위칭 주파수 산출부(42)에 연결된 메모리(43)에 인버터의 스위칭 주파수에 따른 평균 소모전력 TABLE을 저장할 수 있다.
구체적으로, 모터의 회전속도를 유한개의 RPM으로 정하고, 공기 공급 압력 조건으로 공기 제어 밸브(ACV, 50)의 개도를 유한개의 개도로 정하여, 유한개의 RPM과 유한개의 개도 조건이 각각 대응되는 유한개의 포인트에서 최소 소모전력의 스위칭 주파수를 산출하여 메모리(43)의 TABLE을 채울 수 있다. 해당 유한개의 포인트 사이 구간에서는 선형 보간 등을 통하여 스위칭 주파수를 산출할 수 있다. 예를 들면, 유한개의 RPM은 공기 압축기(30) 모터(31)의 최대 회전속도와 최소 회전속도를 5000[rpm] 단위로 나누고, 유한개의 ACV 개도는 ACV(50)의 최대 개도와 최소 개도를 10[deg] 단위로 나눈 TABLE을 이용할 수 있다.
산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계(S300)는 인버터(40)에 연결된 인버터 제어기(41)에서 산출된 최소 소모전력 스위칭 주파수로 인버터가 스위칭되도록 제어한다.
구체적으로, 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계(S300)는 스위칭 주파수 산출부(42)에 연결된 메모리(43)에 해당 모터 회전속도 및 공기 압력 조건에서 인버터 스위칭 주파수별 평균 소모전력 TABLE이 모두 채워졌는지 판단하고(S310), 모두 채워진 경우에는 해당 모터 회전속도 및 공기 압력 조건의 최소 소모전력 스위칭 주파수로 제어하고(S321), 인버터 스위칭 주파수에 따른 평균 소모전력 TABLE이 모두 채워지지 않은 경우에는 미계산된 스위칭 주파수로 제어하여(S322) 평균 소모전력 TABLE을 완성하도록 한다.
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.
S100 : 공기 압축기 회전속도 및 공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계
S200 : 인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계
S300 : 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계
10 : 연료전지
20 : 제어부
30 : 공기 압축기
40 : 인버터
50 : ACV (Air Control Valve)

Claims (16)

  1. 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계;
    산출된 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 공기 압축기 모터의 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계; 및
    산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 단계에서 모터 회전속도는 위치 센서를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    인버터 스위칭 주파수를 산출하는 단계 이전에, 공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계;를 더 포함하고,
    인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 공기 공급 압력 조건 및 모터 회전속도를 기반으로 소모전력이 최소가 되는 인버터 스위칭 주파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    공기 공급 압력 조건을 산출하는 단계에서 공기 공급 압력 조건으로 공기 제어 밸브의 개도를 측정하여 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 공기 압축기 모터의 인버터에 입력되는 직류 전압 및 전류를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 소모전력은 기설정된 개수의 측정값의 평균값을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    인버터의 스위칭 주파수를 산출하는 단계에서 인버터의 스위칭 주파수를 가변하면서 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어방법.
  9. 공기 압축기의 모터 회전속도를 산출하는 모터 회전속도 산출부;
    모터 회전속도 산출부에서 산출된 모터 회전속도를 기반으로 공기 압축기 모터에 연결된 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출하는 스위칭 주파수 산출부; 및
    스위칭 주파수 산출부에서 산출된 스위칭 주파수로 인버터를 제어하는 인버터 제어기;를 포함하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    모터 회전속도 산출부에서는 모터의 위치센서를 이용하여 회전속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    공기 공급 압력 조건을 산출하는 공기 공급 압력 조건 산출부;를 더 포함하고,
    스위칭 주파수 산출부에서는 산출된 모터 회전속도 및 공기 공급 압력 조건을 기반으로 인버터의 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    공기 공급 압력 조건 산출부에서는 공기 공급 압력 조건으로 공기 제어 밸브의 개도를 측정하여 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 3상 리플 손실 전력과 스위칭 손실 전력에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 공기 압축기 모터의 인버터에 입력되는 직류 전압 및 전류를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 소모전력은 기설정된 개수의 측정값의 평균값을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
  16. 청구항 9에 있어서,
    스위칭 주파수 산출부에서 인버터의 스위칭 주파수를 가변하면서 소모전력이 최소가 되는 스위칭 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 제어시스템.
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