KR100448365B1 - 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법 - Google Patents

Abstract

연료전지 전기 자동차에서 연료전지 출력전압의 변동에 따라 모터가 출력할 수 있는 최대 토오크를 낼 수 있도록 제어하기 위한 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 주행이 개시되거나 주행중인 상태에서 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 검출하는 과정과, 검출되는 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 분석하여 전류 제어를 위한 모터제어(정토오크, 정출력, 스톨)구간을 판별하는 과정과, 상기 판별된 구간에 따라 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 추출하는 과정과, 상기 추출된 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 모터 상전류 지령치로 변환하여 모터의 상전류를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법{MOTOR CONTROL METHOD OF FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료전지 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지 출력전압의 변동에 따라 모터가 출력할 수 있는 최대 토오크를 낼 수 있도록 제어하기 위한 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어, 미래의 전지로 각광받고 있으며 이를 자동차의 동력원으로 적용이 연구되고 있다.

이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.

이에 대한 각각의 양극과 음극에서의 화학반응은 다음과 같다.

양극반응 : H₂(g) -> 2H⁺+ 2e^-

음극반응 :

총반응식 :

이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제등을 해결하기 위하여 기존의 내연기관을 대체하기 위한 자동차의 동력원으로 개발되고 있다.

연료전지를 동력원으로 사용하는 전기자동차는 연료 공급원과, 공급되는 연료의 화학반응을 통해 수소(H2)를 발생시키는 연료개질기 및 연료개질기로부터 공급되는 수소(H2)를 공급받아 전기 에너지를 생성시켜 축적하는 축전지를 포함하여 구성되는 연료전지와, 연료전지 전기자동차의 제반적인 동작을 제어하는 제어장치와, 제어장치에서 제어신호에 따라 연료전지에서 공급되는 전기적 에너지를 일정 전압으로 출력되도록 하여 모터의 구동을 제어하는 인버터로 이루어진다.

상기한 바와 같은 연료전지 전기 자동차는 연료전지의 출력 전압 변동에 따라서 제어장치가 모터의 기저속도값을 변화시킴으로써 출력을 조정하는 방법을 사용하고 있다.

따라서, 도 4에서 알 수 있는 바와 같은 연료전지 출력 전압에 따라 모터의 출력 특성 곡선이 형성된다.

상기한 바와 같은 연료전지 전기 자동차의 경우 차량 부하 모두를 연료전지가 담당하는 구조로이므로 축전지의 전압은 모터의 출력에 비례하여 저하되는 특성을 갖고 있어 축전지의 전압의 저하는 궁극적으로 모터의 출력 특성에 영향을 미치게 된다.

또한, 연료전지의 효율이 낮은 영역에서의 운전이 진행되는 경우 차량 연비를 저하시키게 되고, 고속 운전 영역에서는 저속 운전 영역보다 높은 DC 전압을 요구하게 되나 연료 전지는 출력량(출력파워)이 증대되면 출력전압이 급격하게 감소하는 출력 특성을 가지고 있으므로 모터가 요구하는 충분한 DC 전압을 공급 못하게 되며, 축전지가 저전압을 유지하는 상태에서 급가속이 요구되는 경우 충분한 전압이 모터에 공급되지 못하여 가속 성능이 저하되는 문제점이 발생한다.

또한, 초기 시동시 연료 개질기로부터 수소를 추출하고 화학반응을 일으켜 전기 에너지를 공급하기까지의 시간이 최소 1분 내지 최대 수 분의 시간이 소요되며, 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료 개질기를 통한 충분한 수소가 공급되기까지의 지연기간이 존재하게 되어 연료전지 출력전압이 순간적으로 급 강하 하는 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 전기 모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 축전지의 전압 변동에 따라 모터 토오크 및 출력을 제어하도록 함으로써 축전지의 출력전압 저하에 따른 동력 성능의 저하를 최소화하도록 한 것이다.

즉, 축전지의 전압 변동에 따라 모터가 출력할 수 있는 최대 토오크 및 출력속도를 낼 수 있도록 하여 가속 성능 및 동력 성능의 최적화를 제공하여 운전성을 향상시키도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전기 자동차의 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 전기 자동차의 모터 제어를 수행하는 동작 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 전기 자동차의 구간별 모터 제어 그래프.

도 4는 일반적인 연료전지의 출력전압에 따른 모터 출력 가능영역을 도시한 그래프.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 주행이 개시되거나 주행중인 상태에서 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 검출하는 과정과; 상기 검출되는 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 분석하여 전류 제어를 위한 모터제어(정토오크, 정출력, 스톨) 구간을 판별하는 과정과; 상기 판별 구간에 따라 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 추출하는 과정과; 상기 추출된 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 모터 상전류 지령치로 변환하여 모터의 상전류를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 전기 자동차의 시스템은, 연료 공급원으로부터 공급되는 LNG, LPG, 메탄올 등 연료의 화학반응을 통해 수소(H2)를 생성시키는 연료개질기(10)와, 연료개질기(10)에서 생성되는 수소 (H2)를 공급받아 전기 에너지를 생성시켜 축적하는 연료전지(20)와, 연료전지(20)에서 공급되는 전기 에너지를 모터의 구동에 필요한 일정 전압으로 조정하는 인터버(40)와, 연료전지(20)의 출력 전압의 정보와 모터의 속도 정보를 분석하여 출력 전압 대비 속도 구간을 결정하고, 결정된 속도 구간별 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 결정하여 가속 페달의 정보로부터 검출되는 운전자의 토오크 요구를 결정된 토오크분 전류 제한값 이내로 토오크분 전류 지령을 결정한 다음 계자전류 지령값과 연산하여 모터의 상전류 지령치를 추출한 후 모터의 구동을 제어하는 제어장치(50)로 구성된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에서 모터 제어방법를 수행하는 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 연료전지 전기 자동차가 주행을 개시하거나 주행중인 상태에서 제어장치(50)는 연료전지(20)의 출력전압과 모터(M)의 속도 정보 및 가속 페달의 정보로부터 운전자의 주행의지인 토오크 지령을 검출한다.

이후, 연료전지(20)의 출력 전압 상태와 모터(M)의 속도를 분석하여 모터(M)에 공급되는 전류 제어를 위한 구간(정토크, 정출력, 스톨)을 판별한다.

상기에서 구간 판별을 위해서는 연료전지 출력 전압에 따른 출력제한 곡선을 산출하여야 하는데, 이는 하기의 수학식 1과 같이 산출된다.

도 3의 그래프에서 최대 출력 곡선과 전압에 의한 출력제한 곡선이 만나는 지점의 속도는 하기의 수학식 1로 표현된다.

상기의 수학식 1에서 P는 모터 극수이고, σ는 인덕턴스 누설계수이며, Ls는 고정자 인덕턴스이고,는 고정자 전류 최대치, V_bat는 연료전지의 출력전압이다.

또한, 연료전지 출력전압에 따른 출력제한 곡선은 하기의 수학식 2로 표현된다.

상기의 수학식 2에서 P_{lim_v}는 출력 제한 전압이고, P는 모터 극수이고, σ는 인덕턴스 누설계수이며, Ls는 고정자 인덕턴스이고, V_bat는 연료전지의 출력전압이며, RPM은 모터 속도이다따라서, 상기의 수학식 1 및 2로부터 출력은 속도에 반비례하면서 감소하게 되고 연료전지 출력전압의 제곱에 비례함으로 알 수 있다.

그러므로, 상기에서 연료전지의 출력전압과 모터 속도로부터 판별되는 구간은 도 3에 도시된 바와 같이, 예를들어 모터의 속도가 0부터 모터의 기저속도인 RPM1 구간내에 포함되는 경우 Ⅰ구간(정토크)으로 하고, 모터의 속도가 기저속도인 RPM1에서 상기의 수학식 1로부터 산출되는 RPM2, 즉 모터의 최대 출력곡선과 전압에 의한 출력 제한곡선이 만나 속도 구간내에 포함되면 Ⅱ구간(정출력)으로 하며, 모터의 속도가 상기 RPM2의 구간 이상을 유지하는 것으로 판단되면 Ⅲ구간(스톨)으로 설정한다.

상기와 같이 연료전지의 출력전압과 모터의 속도로부터 구간 판별이 완료되면 판별된 구간이 Ⅰ구간(정토크)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값으로 설정하고 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류값으로 설정한다.

또한, 판별된 구간이 Ⅱ구간(정출력)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값*RPM1/RPM값으로 설정하고 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류값으로 설정한다.

또한, 판별된 구간이 Ⅲ구간(스톨)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값*RPM1/RPM으로 설정하고 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류값*RPM2/RPM으로 설정한다.

상기와 같이 현재 검출되는 구간에 대한 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한치가 설정되면 운전자의 가속 요구인 토오크 지령값을 상기 설정된 구간별 토오크분 전류 제한치 이내로 전류 지령을 제한하여 토오크분 전류 지령값을 출력한 다음 설정된 구간별 계자전류 지령값과 토오크분 전류 지령값을 모터(M)의 상전류 제어를 위한 지령치 변환하여 모터(M)를 제어한다.

전술한 설명을 도 3을 통해 보충하면 다음과 같다.

연료전지의 출력전압과 모터(M)의 속도 검출을 통해 판단되는 구간 정보가 모터(M)의 기저속도인 RPM1까지의 Ⅰ구간(정토크)인 경우 토오크분 전류 제한과 계자전류 지령값을 설정된 기준값으로 제어하여 안정된 토오크와 출력을 유지하여준다.

또한, 연료전지의 출력전압과 모터(M)의 속도 검출을 통해 판단되는 구간 정보가 모터(M)의 기저속도인 RPM1구간이상 RPM2구간 이내인 Ⅱ구간(정출력)인 경우 토오크분 전류 제한치를 설정된 기준값을 그대로 유지하고, 계자전류 지령값을 소정의 값으로 저하되게 제어하여 출력 토오크는 저감되도록 하나 출력은 안정되게 제어하여 모터(M)가 현재의 연료전지 출력 전압 상태에서 최대의 효율을 낼 수 있도록 제어하여 준다.

또한, 연료전지의 출력전압과 모터(M)의 속도 검출을 통해 판단되는 구간 정보가 모터(M)의 RPM2구간 이상인 Ⅲ구간(스톨)인 경우 토오크분 전류 제한치와 계자전류 지령값을 소정의 값으로 저하되게 제어하여 모터(M)의 출력 및 토오크가 현재의 연료전지 출력 전압 상태에서 최대의 효율을 낼 수 있도록 제어하여 준다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전지의 출력전압 상태에 따라 모터의 토오크 및 계자전류를 제어하여 모터가 현재의 출력전압 상태에서 최대의 효율을 낼 수 있도록 제어함으로써 가속 성능이 향상된다.

Claims (8)

1. 주행이 개시되거나 주행중인 상태에서 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 검출하는 과정과;

   상기 검출되는 연료전지의 출력전압과 모터의 속도를 분석하여 전류 제어를 위한 모터 제어구간을 판별하는 과정과;

   상기 판별된 구간에 따라 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 추출하는 과정과;

   상기 추출된 계자전류 지령값과 토오크분 전류 제한값을 모터 상전류 지령치로 변환하여 모터의 상전류를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전류 제어를 위한 모터 제어구간은,

   모터 속도가 0에서 기저속도까지의 범위를 제Ⅰ구간(정토크)으로 설정하고,

   모터의 기저속도 이상부터 모터의 최대 출력곡선과 전압에 의한 출력제한곡선이 만나는 지점까지의 범위를 Ⅱ구간(정출력)으로 설정하며,

   모터의 최대 출력곡선과 전압에 의한 출력제한곡선이 만나는 지점 이상을 Ⅲ구간(스톨)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 연료전지 전압과 모터 속도로부터 생성되는 토오크분 전류 제한값은 운전자의 가속 요구인 토오크 지령에 의한 토오크 지령을 토오크분 전류 제한치 이내로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 모터의 최대 출력곡선과 전압에 의한 출력 제한곡선이 만나는 지점인 모터 제어구간은 연료 전지의 전압 및 모터에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 모터의 최대 출력곡선과 전압에 의한 출력 제한곡선이 만나는 지점은 하기의 수학식 3을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.

   여기서, P는 모터 극수이고, σ는 인덕턴스 누설계수이며, Ls는 고정자 인덕턴스이고,는 고정자 전류 최대치, V_bat는 연료전지 출력전압이다.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 연료전지 출력전압과 모터 속도가 Ⅰ구간(정토크)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값으로 하고, 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 연료전지 출력전압과 모터 속도가 Ⅱ구간(정출력)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값*모터 기저속도/현재 모터속도로 하고, 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 연료전지 출력전압과 모터 속도가 Ⅲ구간(스톨)인 경우 계자전류 지령값을 정격계자 전류값*모터 기저속도/현재 모터속도로 하고, 토오크분 전류 제한치를 정격 토오크분 전류*최대 출력곡선과 전압에 의한 출력 제한곡선이 만나는 속도/현재 모터속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법.