KR100897088B1 - 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법 - Google Patents

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100897088B1
KR100897088B1 KR1020070109042A KR20070109042A KR100897088B1 KR 100897088 B1 KR100897088 B1 KR 100897088B1 KR 1020070109042 A KR1020070109042 A KR 1020070109042A KR 20070109042 A KR20070109042 A KR 20070109042A KR 100897088 B1 KR100897088 B1 KR 100897088B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mcu
fuel cell
current
lim
limit
Prior art date
Application number
KR1020070109042A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090043271A (ko
Inventor
정성진
전순일
권상욱
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020070109042A priority Critical patent/KR100897088B1/ko
Publication of KR20090043271A publication Critical patent/KR20090043271A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100897088B1 publication Critical patent/KR100897088B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B60W20/00—Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • B60W20/10—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
    • B60W20/13—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand in order to stay within battery power input or output limits; in order to prevent overcharging or battery depletion
    • 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
    • B60W10/04—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units
    • B60W10/08—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of electric propulsion units, e.g. motors or generators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 제한운전이 필요한 상황에서 연료전지 시스템을 보호하여 시스템의 수명을 증대시키고, 초기 발진 및 고속 주행시의 파워리밋에 의한 승차감 저하를 최소화하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은 하이브리드 차량의 운전시 연료전지 전류의 제한 여부를 판단하는 단계와, 연료전지의 전류를 제한하는 것으로 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와, 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와, MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 비교하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출는 단계로 이루어지는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법을 제공한다.
연료전지-수퍼캡, 하이브리드, 파워리밋, 전류리밋, MCU

Description

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법{Power-limit method for fuel cell-super capacitor hybrid electric vehicle}
본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 제한운전이 필요한 상황에서 연료전지 시스템을 보호하여 시스템의 수명을 증대시키고, 초기 발진 및 고속 주행시의 파워리밋에 의한 승차감 저하를 최소화하게 되며, 정상운전시 연료전지와 수퍼캡의 상한전류를 최대한 활용하여 동력성능을 확보하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해물질의 배출이 전혀 없어 미래의 발전기술로 평가받고 있으며, 에너지 절약과 환경 공해문제, 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위한 차량의 동력원으로 활발히 연구되고 있다.
연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에서 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.
하지만, 환경친화적인 연료전지만을 전기 차량의 동력원으로 사용하는 경우, 전기 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로, 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.
그리고, 높은 전압을 요구하는 고속 운전영역에서 출력전압이 급격하게 감소하는 출력특성에 의해 구동모터가 요구하는 충분한 전압을 공급하지 못하여 차량의 가속성능을 저하시키는 문제점이 있다.
또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우, 연료전지 출력전압이 순간적으로 급강하하고, 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여, 차량 성능이 저하되는 단점이 있다.
또한 연료전지는 단방향성 출력특성을 가지므로 차량 제동시에 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.
상기한 단점을 보완하기 위한 방안으로서, 연료전지 차량에서 고전압 배터리 또는 수퍼캡(super capacitor)을 별도 차량 동력원으로 추가 탑재한 연료전지 배터리 하이브리드 또는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템이 개발되어 있다.
여기서, 연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템은 소형 차량뿐만 아니라 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하 기 위한 별도 동력원으로 수퍼캡을 탑재한 시스템이며, 첨부한 도 1은 연료전지 수퍼캡 하이브리드 전기 차량의 파워넷 구성도이다.
연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템의 기본적인 파워넷 구성을 살펴보면, 모터(30) 구동에 필요한 파워를 제공하는 연료전지(10) 및 수퍼캡(20), 모터의 작동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, 이하 MCU라 함)(31)를 포함한다.
또한 각종 보기류 부품 및 연료전지 구동 관련 부속 부품 등의 부속 부하(Parasitic Load)에는 차량에 장착된 각종 부품에 대해 파워를 제공하기 위한 12V 및 24V 보조배터리, 연료전지 시스템 구동에 필요한 BOP(Balance Of Plant) 부품(공기공급장치(APS), 수소공급장치(FPS), 냉각장치(TMS) 등의 장치 전체를 말함), 고전압 부품 및 연료전지 냉각을 위한 냉각펌프(고전압 부품 냉각 및 연료전지 냉각용), 에어컨, 파워 스티어링 등의 부품이 포함된다.
상기에서 도시한 연료전지 수퍼캡 하이브리드 시스템의 파워넷 구성은 연료전지(10)가 제공하는 파워로만 모터(30)가 구동되는 모드인 연료지 모드와, 연료전지(10)와 더불어 수퍼캡(20)이 제공하는 파워로 모터(30)가 구동되는 모드인 하이브리드 모드로 구분된다.
한편, 연료전지와 수퍼캡이 직결된 하이브리드 차량에서는 MCU만이 능동적인 제어요소이므로 연료전지와 수퍼캡 각각을 독립적으로 제어할 수 없다.
특히, 주동력원인 연료전지의 비정상 운전시에는 연료전지 제어기가 요구하는 범위내에서 시스템 운전을 통해 연료전지를 보호하여 주행성능을 확보하는 것이 어려운 문제점이 있다.
따라서, MCU의 파워리밋 제어를 통해 연료전지 시스템을 보호하고 승차감 저하를 최소화하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 하이브리드 차량의 운전시 연료전지 전류의 제한 여부를 판단한 후, 연료전지의 전류를 제한할 필요가 있다고 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하고, 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하되, 각각의 운전조건에 따라 생성된 상기 MCU 전류리밋을 이용하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출함로써, 연료전지 시스템을 보호하여 시스템의 수명을 증대시키고, 초기 발진 및 고속 주행시의 파워리밋에 의한 승차감 저하를 최소화하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은
a하이브리드 차량의 운전시 연료전지 전류의 제한 여부를 판단하는 단계와;
(b)상기 a단계에서 연료전지의 전류를 제한하는 것으로 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와;
(c)상기 a단계에서 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와;
(d)상기 (b)단계 또는 (c)단계에서 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 비교하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하고, 상기 최종 MCU 토크명령 리밋과 MCU의 전류리밋을 MCU에 입력하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 전류제한 운전시 MCU 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM ( T1 ) - 수퍼캡 충방전 추정치 - I_ AUX ( T1 ),
I_MCU_LIM(T1) : 시간 T1에서 MCU의 전류리밋,
I_FC_LIM(T1) : 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋,
I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
그리고, 상기 수퍼캡 충방전 추정치는 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
수퍼캡 충방전 추정치 = C×(V_ FC _ LIM ( T1 ) - V_ FC _ LIM ( T0 ))/ΔT×α,
C : 수퍼캡의 전기용량(Capacitance),
V_FC_LIM(T1) : 상기 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
V_FC_LIM(T0) : 시간 T0에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
ΔT : T1-T0(제어 샘플링 시간),
α : 연료전지의 열화율 또는 누적 주행시간에 따른 보정계수.
덧붙여, 상기 연료전지의 전류리밋은 연료전지의 전체전압, 셀전압 및 온도에서 도출된 연료전지 에러를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 실시예에 있어서, 상기 정상운전시 MCU 전류리밋은 수퍼캡이 방전되는 동력보조모드와 수퍼캡이 충전되는 회생제동모드로 나누어 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동력보조모드에서 MCU의 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM + I_SC_ DIS _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
I_FC_LIM : 연료전지 정상운전시 전류리밋 상수(연료전지가 요구하는 전류 최대 허용치),
I_SC_DIS_LIM(V_BUS) : 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)에 따른 수퍼캡 방전 전류리밋,
I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
그리고, 상기 회생제동모드에서 MCU 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_SC_ CHG _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
I_SC_CHG_LIM(V_BUS) : 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)에 따른 수퍼캡 충전 전류리밋,
I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
바람직한 또 다른 실시예에 있어서, 차량 제어기(VCU)에서 입력된 모터 토크 및 모터 회전속도를 이용하여 모터 출력 명령치를 산출하는 단계와;
상기 모터 출력 명령치로부터 모터 및 인버터 효율맵을 통해 각각의 효율을 추정한 후, 메인버스단 전압을 이용하여 상기 차량 제어기(VCU)의 모터 토크에 상응하는 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 산출하는 단계와;
상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 상기 (b)단계 또는 (c)단계에서 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 비교하여 상기 MCU의 토크명령 리밋을 도출하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 상기 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이하인 경우 상기 차량 제어부에서 입력된 모터 토크를 상기 최종 MCU 토크명령 리밋으로 도출하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 상기 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이상인 경우 상기 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))으로부터 상기 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하는 것을 특징으로 한다.
덧붙여, 상기 최종 MCU 토크명령 리밋은 상기 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 모터 및 인버터 효율맵을 통해 각각의 효율을 추정한 후, 메인버스단 전압을 이용하여 모터 출력 명령치를 산출하고,
상기 모터 출력 명령치 및 모터 회전속도를 이용하여 도출되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
우선, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 제한운전이 필요한 상황에서 연료전지 시스템을 보호하여 시스템의 수명을 증대시키고,
초기 발진 및 고속 주행시의 파워리밋에 의한 승차감 저하를 최소화하게 되며,
정상운전시 연료전지와 수퍼캡의 상한전류를 최대한 활용하여 동력성능을 확보하는 효과가 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법의 흐름도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 (b)단계의 전류리밋 산출 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 (c)단계의 수퍼캡 충방전 전류리밋 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 (d)단계의 흐름도이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 (b)단계의 구체적인 제어기법 개시도이다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명은 하이브리드 차량의 운전시 연료전지 전류의 제한 여부를 판단(a단계)한 후, 연료전지의 전류를 제한할 필요가 있다고 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성(b단계)하고, 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성(c단계)하되, 각각의 운전조건에 따라 생성된 상기 MCU 전류리밋을 이용하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출(d단계)하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법을 제공한다.
우선, 본 발명에서는 3가지의 제어단계를 거치기 전에 연료전지 전류를 제한할 필요가 있는지 여부를 판단(a단계)하게 되는데, 이때, 연료전지 전류의 제한여부는 연료전지의 온도, 전압, 전류 등의 수치를 종합적으로 산정하여 판단하게 된다.
연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 비정상 운전으로 연료전지의 전류를 제한할 필요가 있다고 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하게 된다.(b단계)
상기 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))은 이하의 수학식 1에 의해 산출된다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM ( T1 ) - 수퍼캡 충방전 추정치 - I_ AUX ( T1 ),
I_MCU_LIM(T1) : 시간 T1에서 MCU의 전류리밋,
I_FC_LIM(T1) : 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋,
I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
여기서, 상기 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋(I_FC_LIM(T1))은 도 3에 나타낸 그래프에 연료전지 에러의 산정수치(연료전지의 전체전압, 셀전압, 온도 등의 비정상 수치)를 적용하여 산출하게 된다.
또한, 상기 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류(I_AUX(T1))는 연료전지 시스템 구동에 필요한 BOP(Balance Of Plant)(공기공급장치(APS), 수소공급장치(FPS), 냉각장치(TMS) 등의 장치 전체를 말함)를 포함하여 각종 부품의 소모전류를 산정한 것이다.
상기 수퍼캡 충방전 추정치는 이하의 수학식 2에 의해 산출된다.
수퍼캡 충방전 추정치 = C×(V_ FC _ LIM ( T1 ) - V_ FC _ LIM ( T0 ))/ΔT×α,
C : 수퍼캡의 전기용량(Capacitance),
V_FC_LIM(T1) : 상기 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
V_FC_LIM(T0) : 시간 T0에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
ΔT : T1-T0(제어 샘플링 시간),
α : 연료전지의 열화율 또는 누적 주행시간에 따른 보정계수.
이때, 상기 시간 T0 및 T1에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압은 각각의 시간에 따른 연료전지 에러값을 도 3의 그래프에 적용하여 연료전지 전류리밋을 산출하고, 산출된 연료전지 전류리밋값을 도 4의 그래프에 적용하여 각기 상응하는 전압을 도출시킨다.
또한, 연료전지의 열화율 또는 누적 주행시간에 따른 보정계수(α)는 도 5의 그래프에 연료전지의 누락 및 산화가 원인이 되는 열화율 또는 하이브리드 차량의 주행시간 누적값을 적용하여 산출한다.
이와 같이, 상기 수퍼캡 충방전 추정치를 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 산출하는데 반영하는 것은 연료전지 전류제한 상황 악화시 수퍼캡 충전량을 고려하여 연료전지 제어기(FCU)로부터의 연료전지 전류리밋의 추종성을 향상시킴으로써, 연료전지 시스템을 보호하기 위함이다.
예를 들어, 도 8a에서 도시한 바와 같이, 연료전지 100A, 수퍼캡 50A, MCU 150A(=100+50)인 상황에서 FCU로부터의 요구 전류리밋이 80A로 인가될 경우(상황 악화, 100A->80A), MCU를 단지 20A만 감소시켜 130A(=150-20)로 인가하거나 완전히 수퍼캡을 배제한채 80A(=100-20)를 인가할 경우, 연료전지와 수퍼캡이 직결된 구조상, 수퍼캡 충전(40A라 가정하면)으로 인해 연료전지 측에서는 170A(=130+40) 또는 120A(=80+40)가 출력될 수 있으므로, FCU 요구전류리밋 80A를 초과함으로써, 연료전지시스템에 손상을 유발시킨다.
다만, 상기 제어기법(b단계)을 적용하게 되면, 수퍼캡 충전량을 감안하여 40A(=80-40)를 MCU에 명령함으로써, 연료전지 요구 전류리밋 범위내에서 시스템을 보호하며 운전을 수행할 수 있다.
덧붙여, 연료전지 전류제한 상황 완화시에는 수퍼캡 방전량을 고려하여 MCU 전류리밋을 증가시킴으로써, 승차감 저하를 최소화하기 위함이다.
예를 들어, 도 8b에서 도시한 바와 같이, 연료전지 80A, 수퍼캡 -40A(충전), MCU 40A(=80-40)인 상황에서, FCU로부터의 요구 전류리밋이 100A로 인가될 경우(상황 완화, 80->100A), MCU를 단지 20A만 증가시켜 60A(=40+20)로 인가하거나, 완전히 수퍼캡을 배제한채 100A(=80+20)를 인가할 경우, 초기 대비하여 20A (=60-40)또는 60A(=100-40)가 더해져 동력성능이 개선이 한정된다.
하지만, 상기 제어기법(b단계)을 적용하게 되면, 연료전지와 수퍼캡이 직결된 구조상, FCU로부터의 요구 전류리밋에 수퍼캡 방전(40A라 가정하면)량을 고려함으로 인해, 140A(=100+40)를 MCU에 명령함으로써, 초기 대비 100A(=140-40)만큼의 동력성능이 개선되어 연료전지 요구 전류리밋 범위를 최대한 활용하며 승차감 저하를 최소화 할 수 있다
한편, 연료전지 에러에 따른 전류리밋과 실제 측정된 연료전지 전류의 오차가 PID제어기를 통해 반영됨으로써, 상기 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))의 피드백 콘트롤이 이루어진다.
다른 경우로, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 정상 운전으로 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하게 된다.(c단계)
이때, 상기 정상운전시 MCU 전류리밋은 수퍼캡이 방전되는 동력보조모드와 수퍼캡이 충전되는 회생제동모드로 나누어 산출하게 된다.
상기 동력보조모드(수퍼캡 방전)에서 정상운전시 MCU의 전류리밋은 이하의 수학식 3에 의해 산출된다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM + I_SC_ DIS _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
I_FC_LIM : 연료전지 정상운전시 전류리밋 상수,
I_SC_DIS_LIM(V_BUS) : 수퍼캡 방전 전류리밋,
I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
여기서, 상기 연료전지 정상운전시 전류리밋 상수(I_FC_LIM)는 연료전지가 요구하는 전류 최대 허용치를 나타내고, 상기 수퍼캡 방전 전류리밋(I_SC_DIS_LIM(V_BUS))은 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)을 도 6에 적용하여 산출하고, 상기 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류는 상기 전류제한 운전시 전류리밋 상수를 산출할 때와 동일한 방법으로 도출된다.
또한, 상기 동력보조모드에서는 실제 측정된 연료전지 전류를 연료전지가 요구하는 전류 최대 허용치 이내로 유도하기 위해 실제 측정된 연료전지 전류가 최대 허용치 이상인 경우 PID제어기를 통해 피드백 제어함으로써, 동력성능를 최대한 확보하게 된다.
상기 회생제동모드(수퍼캡 충전)에서 정상운전시 MCU 전류리밋은 이하의 수학식 4에 의해 산출된다.
I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_SC_ CHG _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
I_SC_ CHG _ LIM (V_BUS) : 수퍼캡 충전 전류리밋,
I_ AUX ( T1 ) : 시간 T1 에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
이때, 상기 수퍼캡 충전 전류리밋(I_SC_CHG_LIM(V_BUS))은 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)을 도 6에 적용하여 산출하고, 상기 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류는 상기 동력보조모드에서 산출할 때와 동일한 방법으로 도출된다.
또한, 동력보조모드와는 다르게 회생제동모드에서 연료전지가 요구하는 전류 최대 허용치를 배제하는 것은 일반적으로 회생제동시도 연료전지에 의한 수퍼캡 강제충전량이 존재하나 수퍼캡의 충전전류 한계가 이 강제충전량을 충분히 상회하기 때문이다.
연료전지 전류의 제한여부에 따라 각각의 방법(전류제한시, 정상운전시)으로 생성된 MCU의 전류리밋값을 기반으로 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하게 된다.(d단계)
우선, 차량 제어기(VCU)에서 구해진 모터 토크 및 모터 회전속도와, 도 7에 도시된 모터 성능곡선(회전속도-최대토크)을 이용하여 모터 출력파워 명령치를 산출하게 된다.
이후, 산출된 모터 출력 명령치로부터 모터 및 인버터 효율맵을 통해 각각의 효율을 추정하고, 메인버스단 전압을 이용하여 상기 차량 제어기(VCU)의 모터 토크에 상응하는 MCU 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 산출한다.
여기서, 상기 모터 성능곡선(회전속도-최대토크)과 모터 및 인버터 효율맵을 사용하여 하이브리드 차량 주행시의 모터 및 인버터의 운전점을 추정함으로써, MCU의 전류리밋을 초과하는 운전을 최소화할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 MCU 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 연료전지 전류의 제한여부에 따라 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 비교하게 된다.
여기서, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 전류제한시 또는 정상운전시 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이하인 경우 최종 MCU 토크명령 리밋은 상기 차량 제어기에서 구해진 모터 토크로 결정됨으로써, MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 함께 MCU로 입력된다.
또한, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 전류제한시 또는 정상운전시 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이상인 경우 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))으로부터 상기 최종 MCU 토크명령 리밋을 다시 산출하게 된다.
구체적으로, MCU의 전류 명령치를 MCU 전류리밋으로 치환시키고, 모터 및 인버터 효율맵을 통해 각각의 효율을 추정한 후, 메인버스단 전압 및 치환된 MCU의 전류 명령치를 이용하여 모터 출력파워 명령치를 산출한다.
그리고, 산출된 모터 출력파워 명령치 및 모터 회전속도와, 도 7에서 도시한 모터 성능곡선(회전속도-최대파워)을 이용하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 결정함으로써, MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 함께 MCU로 입력한다.
이는 상기 차량 제어기(VCU)의 모터 토크에 상응하는 MCU 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 산출하는 프로세스를 역으로 진행하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 결정한 것이다.
이와같이, 최종 MCU 토크명령 리밋값은 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)와 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))중에서 더 작은값을 선택하여 반영함으로써, 제어 시스템의 안정성을 향상시키게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 연료전지 수퍼캡 하이브리드 전기 차량의 파워넷 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법의 흐름도,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 (b)단계의 전류리밋 산출 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 (c)단계의 수퍼캡 충방전 전류리밋 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 (d)단계의 흐름도,
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 (b)단계의 구체적인 제어기법 개시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 20 : 수퍼캡
30 : 구동모터 40 : 초퍼
50 : 브레이킹 레지스터 60 : 부속부하

Claims (10)

  1. (a)하이브리드 차량의 운전시 연료전지 전류의 제한 여부를 판단하는 단계와;
    (b)상기 (a)단계에서 연료전지의 전류를 제한하는 것으로 판단되는 경우 전류제한 운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와;
    (c)상기 (a)단계에서 연료전지의 전류를 제한할 필요가 없다고 판단되는 경우 정상운전시 MCU 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))을 생성하는 단계와;
    (d)상기 (b)단계 또는 (c)단계에서 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 비교하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하고, 상기 최종 MCU 토크명령 리밋과 MCU의 전류리밋을 MCU에 입력하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (b)단계에서 전류제한 운전시 MCU 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
    I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM ( T1 ) - 수퍼캡 충방전 추정치 - I_ AUX ( T1 ),
    I_MCU_LIM(T1) : 시간 T1에서 MCU의 전류리밋,
    I_FC_LIM(T1) : 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋,
    I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 수퍼캡 충방전 추정치는 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
    수퍼캡 충방전 추정치 = C×(V_FC_LIM(T1) - V_FC_LIM(T0))/ΔT×α,
    C : 수퍼캡의 전기용량(Capacitance),
    V_FC_LIM(T1) : 상기 시간 T1에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
    V_FC_LIM(T0) : 시간 T0에서 연료전지의 전류리밋에 상응하는 전압,
    ΔT : T1-T0(제어 샘플링 시간),
    α : 연료전지의 열화율 또는 누적 주행시간에 따른 보정계수.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 연료전지의 전류리밋은 연료전지의 전체전압, 셀전압 및 온도에서 도출된 연료전지 에러값을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 (c)단계에서 정상운전시 MCU 전류리밋은 수퍼캡이 방전되는 동력보조모드와 수퍼캡이 충전되는 회생제동모드로 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 동력보조모드에서 정상운전시 MCU의 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
    I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_ FC _ LIM + I_SC_ DIS _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
    I_FC_LIM : 연료전지 정상운전시 전류리밋 상수(연료전지가 요구하는 전류 최대 허용치),
    I_SC_DIS_LIM(V_BUS) : 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)에 따른 수퍼캡 방전 전류리밋,
    I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 회생제동모드에서 정상운전시 MCU 전류리밋은 하기의 식으로 계산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
    I_MCU_ LIM ( T1 ) = I_SC_ CHG _ LIM (V_BUS) - I_ AUX ( T1 ),
    I_SC_CHG_LIM(V_BUS) : 수퍼캡 전압 또는 메인버스단 전압(V_BUS)에 따른 수퍼캡 충전 전류리밋,
    I_AUX(T1) : 시간 T1에서 에어컨, 히터, BOP의 소모전류.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 (d)단계는 차량 제어기(VCU)에서 입력된 모터 토크 및 모터 회전속도를 이용하여 모터 출력 명령치를 산출하는 단계와;
    상기 모터 출력 명령치로부터 모터 및 인버터 효율맵을 통해 각각의 효율을 추정한 후, 메인버스단 전압을 이용하여 상기 차량 제어기(VCU)의 모터 토크에 상응하는 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 산출하는 단계와;
    상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)를 상기 (b)단계 또는 (c)단계에서 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))과 비교하여 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하고, 상기 최종 MCU 토크명령 리밋과 MCU의 전류리밋을 MCU에 입력하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 상기 (b)단계 또는 (c)단계에서 생성된 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이하인 경우 상기 차량 제어기(VCU)에서 입력된 모터 토크를 상기 최종 MCU 토크명령 리밋으로 도출하는 것 을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 MCU의 전류 명령치(I_MCU_CMD)가 상기 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1)) 이상인 경우 상기 MCU의 전류리밋(I_MCU_LIM(T1))으로부터 상기 최종 MCU 토크명령 리밋을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법.
KR1020070109042A 2007-10-29 2007-10-29 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법 KR100897088B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070109042A KR100897088B1 (ko) 2007-10-29 2007-10-29 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070109042A KR100897088B1 (ko) 2007-10-29 2007-10-29 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090043271A KR20090043271A (ko) 2009-05-06
KR100897088B1 true KR100897088B1 (ko) 2009-05-14

Family

ID=40854137

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070109042A KR100897088B1 (ko) 2007-10-29 2007-10-29 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100897088B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101240978B1 (ko) * 2010-11-16 2013-03-11 현대자동차주식회사 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법
CN107657076B (zh) * 2017-08-24 2021-05-18 厦门金龙旅行车有限公司 一种插电式混合动力***动力匹配方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004180455A (ja) 2002-11-28 2004-06-24 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両の制御装置
KR100448365B1 (ko) 2001-12-18 2004-09-10 현대자동차주식회사 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법
JP2005347087A (ja) 2004-06-02 2005-12-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびこれを備える動力出力装置並びに燃料電池車

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100448365B1 (ko) 2001-12-18 2004-09-10 현대자동차주식회사 연료전지 전기 자동차의 모터 제어방법
JP2004180455A (ja) 2002-11-28 2004-06-24 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両の制御装置
JP2005347087A (ja) 2004-06-02 2005-12-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびこれを備える動力出力装置並びに燃料電池車

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090043271A (ko) 2009-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5335047B2 (ja) 燃料電池システム
US8600599B2 (en) Fuel cell vehicle
JP4774430B2 (ja) 電気自動車及び蓄電装置の制御方法
US9299996B2 (en) Fuel cell system
US7527112B2 (en) Electric system for fuel cell, fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
JP5329366B2 (ja) 電動車両
WO2016151695A1 (ja) 車両の電力制御装置
JP2003249236A (ja) 電源装置
JP2001275205A (ja) ２次電池と発電機の併用システムの制御装置
WO2011021266A1 (ja) 電気車推進用電力変換装置
JP2002218606A (ja) 移動体用電力管理装置
JP2012056462A (ja) 制御装置、制御方法、および、車両電源システム
JP2013208001A (ja) 燃料電池車両
JP4379922B2 (ja) 移動体
JP6621489B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007157586A (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
KR101151750B1 (ko) 연료전지시스템
JP5081068B2 (ja) 燃料電池システム
KR100897088B1 (ko) 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량용 파워리밋 제어방법
JP5631826B2 (ja) 燃料電池システム
JP4495003B2 (ja) 鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置
KR100579298B1 (ko) 환경 차량의 보조 배터리 충전 제어방법
JP2020170628A (ja) 燃料電池システム
JP2020170627A (ja) 燃料電池車両
JP6054918B2 (ja) ２電源負荷駆動燃料電池システム及び燃料電池自動車

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130430

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140430

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150430

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180427

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190429

Year of fee payment: 11