KR101198667B1 - 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 요구전력 계산기 부분을 삭제하고 연료전지, 양방향 DC/DC 컨버터 전력값 및 인버터 전류를 이용하여 전력분배제어를 수행함으로 제어를 단순화하고, 연료전지 열화에 의한 특성을 고려하여 축전수단의 전류제어를 가능하게 하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 동력모터에 연결된 인버터의 전류값, 연료전지의 전력, 배터리에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리의 충전량을 측정하는 단계; 상기 측정된 인버터 전류값, 연료전지 전력, 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리 충전량을 토대로 연료전지와 배터리의 전력분배를 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법을 제공한다.

Description

연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법{Power Dividing Control Method of Fuel Cell Hybrid Car}
본 발명은 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 요구전력 계산기 부분을 삭제하고 연료전지, 양방향 DC/DC 컨버터 전력값 및 인버터 전류를 이용하여 전력분배제어를 수행함으로 제어를 단순화하고, 연료전지 열화에 의한 특성을 고려하여 축전수단의 전류제어를 가능하게 하는 전력분배 제어방법에 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.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있었다. 또한 높은 전압을 요구하는 고속 운전영역에서 출력 전압이 급격하게 감소하는 출력 특성에 의해 구동모터가 요구하는 충분한 전압을 공급하지 못하여 차량의 가속성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 그리고 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료전지 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하되었다(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 연료전지에 무리가 감). 뿐만 아니라, 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있었다.
상기와 같은 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량은 물론 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 배터리를 탑재한 시스템이다. 이와 같이 연료전지와 축전수단이 직결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 축전수단을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 축전수단에서 보충 출력한다. 또한, 자동차가 감속하는 경우 회생 제동 모드를 통해 축전수단을 충전할 수 있다.
첨부된 도 7은 종래 기술에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법을 나타낸 구성도이다. 연료전지 하이브리드 차량은 연료전지(200)와 배터리(300)를 동력원으로 사용하며, 상기 동력원은 인버터(110)를 통해 교류로 전환되어 모터(100)를 구동시킨다. 또한, 상기 배터리(300)는 양방향 DC/DC 컨버터(310)를 통해 승압 또는 강압될 수 있는데, 배터리(300)의 방전시에는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(310)를 통해 승압을 하여 배터리(300)의 전력을 모터(100)에 전달하고, 배터리(300)를 충전할 경우에는 연료전지(200)의 전력 또는 회생제동모드에서 모터(100)를 통해 인가되는 전력을 상기 양방향 DC/DC 컨버터(310)를 거쳐 배터리(300)에 강압 인가함으로 배터리를 충전한다.
이때, 기존의 연료전지 하이브리드 차량은 상기 인버터(110)의 전류값, 브레이크 페달 및 가속 페달의 변화량을 통해 차량요구동력을 계산하였으며, 상기 계산된 차량요구동력과, 배터리의 충전량(State of Charge, SOC) 측정값을 토대로 주행 모드를 선택하고 각 주행 모드에 맞게 연료전지(200)와 배터리(300)의 전력을 분배하였다. 이러한 주행 모드에는 연료전지의 전력을 통해 차량을 운행하는 연료전지모드, 배터리의 전력을 보충 출력하는 배터리방전모드, 배터리를 충전하는 배터리충전모드 및 모터에서 얻어지는 에너지를 전력으로 변환하여 배터리에 저장하는 회생제동모드 등이 있다.
첨부된 도 8은 상기의 종래 기술에 따른 주행 모드의 일 실시예로서 회생제동모드를 제어하는 방법을 나타내고 있다. 먼저, 인버터의 전류, 브레이크 페달 및 가속 페달의 변화량을 통해 차량요구동력(Preq)을 계산한다(S810). 상기 계산된 차량 요구동력(Preq)이 0 이하일 경우, 회생제동모드(리제너레이션모드)가 된다(S830). 회생제동모드에서는 연료전지의 출력이 필요 없으므로 연료전지요구출력량이 0이 되며(S840), 배터리의 충전상태(SOC)를 측정하여(S850) 모터에서 얻어지는 에너지를 전력으로 변환하여 배터리에 저장한다.
상기 SOC 측정 값이 기준치 이상일 경우 배터리는 과충전 상태이므로 배터리는 더 이상 충전할 필요가 없으며, 회생제동모드를 중단한다(S860). 반면에, SOC 측정 값이 기준치 이하일 경우 배터리는 충전이 필요한 상태로서, 배터리 충전 요구량을 연산하고(S852), 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 배터리에 전류를 인가하여 충전한다(S856).
그러나 이와 같은 종래의 하이브리드 차량 전력분배 제어방법의 경우 운전자의 가속 페달 및 브레이크 페달 입력 정보가 필요한 것이 단점이었다. 따라서 가속 페달 또는 브레이크 페달의 고장시 올바른 전력분배 제어가 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 자동차의 주행에 따라 연료전지는 열화 현상에 의하여 전류-전압 값이 변화하게 되는데, 이러한 전압값 변화에 대처하기 위해서는 출력보상을 위해 배터리 전류가 추가적으로 사용되어야 하는 문제점이 있었다.
첨부된 도 9는 연료전지의 열화 현상에 따른 전류-전압 곡선의 변화를 나타내고 있다. 도 9를 참조로 하면, 연료전지를 장시간 사용함에 따라 연료전지 내부에 열화 현상이 발생하면 이로 인해 내부저항이 증가하게 되고, 동일한 전류에 대하여 전압 강하가 증대되어 출력 전압이 V1에서 V2로 낮아지게 된다. 이처럼 전압값이 낮아짐에 따라 연료전지에서 출력되는 전력이 낮아지게 되고, 이러한 출력값 저하를 보상하기 위해 배터리의 전류가 추가적으로 필요하게 된다. 따라서 배터리의 충방전 에너지가 증대되며, 배터리의 내구성이 떨어지는 결과를 가져오게 된다.
또한, 운전 모드가 연료전지모드, 배터리방전모드, 배터리충전모드, 회생제동모드와 같이 연료전지 및 배터리 중심으로 구성되어 있었기 때문에 운전자에게 동일한 운전감을 전달하기가 어려웠다. 즉, 동일한 가속모드에서 가속 페달을 조작하여도 연료전지 및 배터리의 상태에 따라 동일한 가속감을 느낄 수가 없는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는데 그 목적이 있는 발명으로서, 운전자의 가속 페달 및 브레이크 페달 조작을 감지하여 요구동력을 계산하는 단계를 삭제하고, 기존의 모드선택 제어기 및 전력분배 제어기에서 사용되는 값을 이용함으로 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어를 단순화하는 것을 목적으로 하고 있다.
또한, 연료전지 열화에 따른 전류-전압 값의 변화가 고려되어 배터리에 의한 추가적인 출력보상이 불필요한 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 운전자 중심의 운전모드를 사용함으로써 운전자에게 동일한 운전감을 전달하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법을 제공하는것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법은, 동력 모터에 연결된 인버터의 전류값, 연료전지의 전력, 배터리에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리의 충전량을 측정하는 단계; 상기 측정된 인버터 전류값, 연료전지 전력, 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리 충전량을 토대로 연료전지와 배터리의 전력분배를 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력분배를 제어하는 단계 이전에, 연료전지 차량의 주행모드를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주행모드를 설정하는 단계에 있어서 주행모드는 연료전지모드, 배터리방전모드, 배터리충전모드 및 회생제동모드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력값 범위 이내이고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 보다 클 경우로서, 연료전지의 전력만으로 상기 동력 모터를 구동하고, 상기 배터리방전모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력 미만이거나 설정 전력값을 초과하고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 보다 클 경우로서, 연료전지와 배터리의 전력을 함께 이용하여 상기 동력 모터를 구동하며, 상기 배터리충전모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력 값 미만이거나 설정 전력값을 초과하고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 이하일 경우로서, 연료전지의 전력을 통해 배터리를 충전하고, 상기 회생제동모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 배터리 미사용시 하이브리드차에서 요구되는 최소 전력값 미만이고, 상기 측정된 인버터 전류값이 (-)일 경우, 동력 모터의 동력을 이용하여 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 주행모드를 설정하는 단계에 있어서 주행모드는 가속모드, 감속모드 및 아이들모드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가속모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH1) 보다 크고, 상기 측정된 연료전지 전력의 변화량이 기준값(TH2) 보다 크며, 버스단의 전압 변화량이 기준값(TH3) 미만이고, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준값(TH8) 보다 클 경우로서, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준상한값(SOC_H)보다 클 경우 연료전지와 배터리의 전력을 함께 사용하고, 기준상한값 이하일 경우 연료전지의 전력만을 사용하여 상기 동력 모터를 구동하고, 상기 감속모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH4) 보다 작고, 상기 측정된 인버터 전류값이 (-)이며, 버스단 전압 변화량이 기준값(TH5)보다 클 경우로서, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준하한값(SOC_L)보다 작을 경우 배터리를 충전하며, 상기 아이들모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH6) 보다 작고, 버스단 전압이 기준값(TH7) 보다 클 경우로서, 연료전지의 작동을 중단하고 배터리의 전력만으로 상기 동력 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법에 의하면, 운전자의 가속 페달 및 브레이크 페달 조작을 감지하여 연산하는 요구동력 계산기 부분을 삭제할 수 있어서 전력분배 제어가 단순화되는 효과가 있다.
또한, 가속 페달 및 브레이크 페달의 조작을 감지하는 센서의 고장 시에도 대체수단으로 사용 가능하여 비상운전시 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지 열화에 따른 전류-전압 변화가 고려되어 배터리의 출력을 조절함으로 배터리의 추가적인 출력보상이 불필요하고, 배터리의 내구성이 증대될 수 있는 효과가 있다.
또한, 운전자 중심의 운전모드(가속/감속/아이들)를 사용함으로 연료전지 및 배터리의 상태에 관계없이 운전자에게 동일한 가속감 및 감속감을 전달할 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 주행모드 선택 및 전력분배 제어방법을 나타낸 구성도,
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 주행모드 선택 기준을 나타내는 흐름도,
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 주행모드 선택 및 전력분배 제어방법을 나타낸 구성도,
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 가속모드 및 감속모드에서의 배터리 전류양을 나타내는 그래프
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 주행모드 선택 기준을 나타내는 흐름도,
도 6은, 도 5의 기준에 따른 주행모드에 있어서 전력분배 제어를 나타내는 흐름도,
도 7은, 종래기술에 따른 주행모드 선택 및 전력분배 제어방법을 나타내는 구성도,
도 8은, 종래기술에 따른 회생제동모드의 과정을 나타내는 흐름도,
도 9는, 연료전지의 열화에 의해 출력 전압이 감소함을 나타내는 전류-전압 곡선 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드차의 주행모드 선택 및 전력분배 제어방법을 나타내고 있다. 우선, 본 발명에 따른 모드선택 제어기(500)는 종래 기술과는 달리 동력모터(100)에 연결된 인버터(110)의 전류값, 연료전지(200)의 전력, 배터리(300)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(310)의 전력 및 배터리(300)의 충전량을 측정하여 주행모드를 결정하고, 상기 결정된 주행모드에 따라 전력분배 제어기(400)가 연료전지와 배터리의 전력을 분배할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 주행모드로는 연료전지모드, 배터리방전모드, 배터리충전모드 및 회생제동모드로 이루어질 수 있다. 여기서 연료전지모드란 연료전지 하이브리드차의 주행에 있어서 연료전지(200)의 전력만으로 하이브리드차의 동력모터(100)를 구동하는 것을 가리키고, 배터리방전모드란 연료전지의 전력만으로 동력모터(100)의 구동이 어려울 경우 연료전지(200)의 전력과 배터리(300)의 전력을 함께 이용하여 동력모터를 구동하는 주행모드를 말한다. 또한, 배터리충전모드란 연료전지(200)의 전력이 남는 경우 잉여분의 전력을 이용하여 배터리(300)를 충전하는 것을 가리키고, 회생제동모드란 자동차가 감속하는 상황에서 연료전지(200)의 출력이 필요하지 않을 경우 동력모터(100)에서 얻어지는 에너지를 전력으로 변환하여 배터리(300)에 저장하는 주행모드를 말한다.
상기 각 모드가 결정되는 조건은 도 2에 나타난 바와 같다. 도 2를 참조로 하면, 먼저 본 발명의 연료전지모드(S212)는 측정된 연료전지의 전력(P_FC)이 연료전지 고효율 구간 설정 전력값 범위(Popt_L ~ Popt_H) 이내이고, 측정된 배터리 충전량(SOC)이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값(SOC_L) 보다 클 경우(S210) 수행된다. 상기 연료전지 고효율 구간이란, 연료전지의 출력에 따라 변화하게 되는 연료전지 효율 값 중 미리 설정된 효율 이상의 값을 가지는 구간의 출력 전력 하한(Popt_L) 및 상한(Popt_H) 사이를 가리킨다. 일반적으로 연료전지는 낮은 출력값 및 높은 출력값에서는 효율이 떨어지는 위로 굽은 모양의 효율 분포를 나타내는데, 연료전지의 효율 값이 설정 효율 이상의 값을 가지는 구간에서 연료전지모드가 수행되어 연료전지만으로 동력모터를 구동하게 된다.
한편, 상기 연료전지 전력(P_FC)이 연료전지 고효율 구간 설정 전력값 범위(Popt_L ~ Popt_H)를 벗어나는 경우에는 배터리방전모드(S222) 혹은 배터리충전모드(S232)를 수행한다. 먼저, 측정된 배터리 충전량(SOC)이 방전가능한 배터리 충전량의 최저값(SOC_L) 보다 클 경우(S220) 배터리방전모드(S222)를 수행하는데, 연료전지의 효율이 좋지 않고 배터리의 충전량이 충분한 구간으로서 연료전지와 배터리의 전력을 함게 이용하여 동력모터를 구동한다.
다음으로, 측정된 배터리 충전량(SOC)이 방전가능한 배터리 충전량의 최저값(SOC_L) 이하일 경우(S230) 배터리충전모드(S232)를 수행하는데, 효율이 좋지 않은 연료전지의 일부 전력을 배터리의 충전에 사용함으로 전체적인 에너지 효율을 증대시킨다.
마지막으로, 상기 연료전지 전력(P_FC)이 배터리 미사용시 하이브리드차에서 요구되는 최소 전력값(P_min) 미만이고, 측정된 인버터 전류값(I_inv)이 (-)인 경우(S240) 회생제동모드(S242)를 수행한다. 여기에서 인버터 전류값(I_inv)이란 도 1을 참조로 하면, 동력모터(100)에 연결된 인버터(110)에 흐르는 전류값을 의미하는데, 연료전지(200) 또는 배터리(300)의 전원이 모터(100)로 인가되는 정방향의 전류 흐름일 경우 전류값은 (+)값을 갖게 되고, 그 반대 방향으로 전류가 흐를 경우 (-)값을 갖게 된다. 즉, 인버터 전류값이 (-)값을 갖는다는 것은 동력모터(100)에서 발생하는 에너지를 이용하여 배터리(300)를 충전하기 위하여 상기 동력모터(100)에서 배터리(300)쪽으로 전류가 흐르는 것을 의미한다.
상기 설명한 연료전지모드, 배터리방전모드, 배터리충전모드 및 회생제동모드는 모두 운전자의 가속 페달 및 브레이크 페달의 움직임을 검출하지 않고 기존의 모드선택제어기(500) 및 전력분배 제어기(400)에서 사용하는 값들을 이용하여 주행모드를 설정하고 전력분배를 제어함으로 제어 과정을 단순화시킬 수 있다.
또한, 연료전지의 열화에 의하여 동일한 전류에 대한 전압이 떨어지더라도 상기 감소한 만큼의 출력값(연료전지 전력값, P_FC)을 직접 입력받아 주행모드를 제어하고 전력분배를 수행하기 때문에, 연료전지의 열화에 따른 이차적인 출력보상 과정이 필요 없게 되고 배터리의 출력을 효율적으로 제어할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법은 상기 연료전지의 열화에 의한 연료전지의 변화를 직접 감지할 수 있게 되고, 운전자의 가속 페달 및 브레이크 페달의 움직임을 통해 요구 동력을 계산하는 과정이 불필요하게 되므로 제어 과정이 단순화될 수 있다.
첨부된 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 하이브리드차의 주행모드 선택 및 전력분배 제어방법을 나타내고 있다. 도 3을 참조로 하면, 본 발명의 주행모드는 운전자 중심의 운전모드 즉, 가속모드, 감속모드 및 아이들모드로 이루어질 수 있다. 상기 가속모드에서는 동력모터(100)의 요구동력이 증가하므로 이에 맞추어 배터리의 출력을 증가시켜주며, 감속모드에서는 동력모터(100)의 동력을 회생제동 전류로 변환하여 배터리를 충전하는데 사용할 수 있다. 한편, 아이들모드에서는 연료전지의 사용을 중단하고 배터리의 출력만으로 하이브리드차의 기본적인 요구 전력을 공급할 수 있다.
첨부된 도 4는 상기 가속모드와 감속모드를 제어하는 실시예를 나타내고 있다. 먼저, 도 4(a)를 참조로 하면, 가속모드에서는 하이브리드차의 가속에 따라 요구되는 전체요구전류(전체요구전력)에 비례하는 만큼 배터리(300)의 출력전류를 증가(Constant Rate Assist)시킬 수 있다(그래프 ①). 한편, 전체요구전류에 관계없이 일정한 양의 전력을 보조하도록(Constant Quantity Assist) 배터리(300)의 출력전류를 제어할 수도 있다(그래프 ②).
한편, 도 4(b)를 참조로 하면, 감속모드에서 있어서도 하이브리드차의 감속에 따라 발생하는 회생제동 전류를 모두 배터리(300)에 저장하는 방법(Maximum Regeneration)이 사용될 수도 있고(그래프 ①'), 운전자에게 일정한 감도의 감속감을 유지해주도록 일정 전류를 배터리에 저장하는 방법(Constant Regeneration)이 사용될 수도 있다(그래프 ②').
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 가속모드, 감속모드 및 아이들모드가 결정되는 구체적인 조건을 나타내고 있다. 먼저 본 발명에 따른 가속모드는 측정되는 연료전지의 전력(P_FC)이 기준값(TH1)보다 크고, 상기 연료전지 전력의 변화량(△P_FC)이 기준값(TH2)보다 크며, 버스단의 전압 변화량(△V)이 기준값(TH3) 미만이고, 상기 측정된 배터리 충전량(SOC)이 기준값(TH8) 보다 클 경우 수행된다(S510).
여기서 버스단의 전압이란 동력모터(100)와 연료전지(200) 및 배터리(300)를 전기적으로 연결하는 구간의 전압을 말하며 별도의 전압센서를 통하여 전압을 측정할 수 있다. 상기 버스단의 전압은 운전자가 가속을 하여 동력모터가 더 많은 전력을 필요로 할 경우에는 부족한 전력으로 인해 일시적으로 전압이 떨어지고, 감속을 하여 동력모터가 보다 적은 전력을 사용할 경우에는 잉여 전력으로 인해 일시적으로 전압이 상승하게 된다.
상기 가속모드에서 배터리의 충전량(SOC)과 배터리 전력 사용 여부를 결정하는 기준상한값(SOC_H)을 비교한다(S512). 만일 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준상한값(SOC_H)보다 큰 경우 배터리는 충분한 전력을 저장하고 있음을 의미하며 연료전지와 배터리의 전력을 함께 사용하여 동력모터(100)를 구동시킬 수 있다(S514). 이때 배터리의 출력전류값(I_DCDC)은 연료전지 전류값(I_FC)과 연료전지 전류 변화량(△I_FC)에 기초하여 결정될 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 연료전지 전류값(I_FC)과 연료전지 전류 변화량(△I_FC)을 통해 전체요구전류를 산출할 수 있고, 도 4(a)를 참조로 상기 설명한 바와 같이 전체요구전류에 비례하거나(Constant Rate Assist), 일정양의 전류를 보조(Constant Quantity Assist)하는 방식으로 출력전류값(I_DCDC)을 제어할 수 있다.
한편, 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준상한값(SOC_H) 이하인 경우에는 배터리의 전력을 사용하지 않고(I_DCDC=0) 연료전지의 전력만을 사용하여 동력모터(100)를 구동한다(S516).
다음으로, 본 발명에 따른 감속모드는 측정되는 연료전지의 전력(P_FC)이 기준값(TH4)보다 작고, 측정된 인버터의 전류(I_inv)가 (-)값을 갖고, 버스단의 전압 변화량(△V)이 기준값(TH5) 보다 큰 경우에 수행된다(S520).
상기 감속모드에서 배터리의 충전량(SOC)과 배터리 전력 충전 여부를 결정하는 기준하한값(SOC_L)을 비교한다(S522). 만일 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준하한값(SOC_L)보다 작은 경우 배터리의 충전량이 부족하여 충전을 할 필요가 있음을 의미하며, 회생제동모드를 통해 배터리를 충전할 수 있다(S524). 이때 배터리에 인가되는 입력전류값(I_DCDC)은 상기 S514단계와 마찬가지로 연료전지 전류값(I_FC)과 연료전지 전류 변화량(△I_FC)에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 도 4(b)를 참조로 설명한 바와 같이 회생제동 전류를 모두 배터리(300)에 저장하거나(Maximum Regeneration) 일정 전류를 배터리에 저장하는 방법(Constant Regeneration)이 사용될 수 있다.
한편, 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준하한값(SOC_L) 이상인 경우에는 배터리의 충전량이 부족하지 않으므로 회생제동을 수행하지 않는다(S526).
마지막으로, 아이들모드는 상기 측정된 연료전지의 전력(P_FC)이 기준값(TH6)보다 작고, 버스단의 전압(V)이 기준값(TH7)보다 큰 경우에 수행된다(S530). 상기 아이들모드에서 먼저 배터리 충전량(SOC)과 강제충전이 필요한 배터리 충전량 하한값(SOC_ML)을 비교한다(S531).
이때, 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 강제충전이 필요한 배터리 충전량 하한값(SOC_ML) 이하일 경우 연료전지에 의한 강제충전을 수행한다(S533). 그러나, 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 강제충전이 필요한 배터리 충전량 하한값(SOC_ML) 보다 클 경우 상기 배터리 충전량(SOC)과 기준값(SETa)을 비교한다(S532). 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준값(SETa) 이하일 경우 연료전지를 이용하여 전력을 공급할 필요가 있는데, 연료전지 전류(I_FC)와 기준값(SETb)를 비교하여(S535), 상기 연료전지 전류(I_FC)가 상기 기준값(SETb) 이하일 경우 연료전지 전류(I_FC)값을 설정값(SETc)으로 설정해 준다(S538).
한편, 상기 배터리 충전량(SOC)이 상기 기준값(SETa) 보다 클 경우에는 아이들 모드로써 배터리를 이용하여 전력을 공급할 수 있으며, 배터리 충전량(SOC)과 기준하한값(SOC_L)을 비교하여(S534) 배터리 충전량(SOC)이 기준하한값(SOC_L) 이상일 경우 배터리를 통해 설정 전류(SETd)를 얻어내고(S537), 배터리 충전량(SOC)이 기준하한값(SOC_L) 보다 작을 경우에는 배터리의 전력을 사용하지 않고 아이들 모드를 종료한다(S536).
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어에 있어서 연료전지와 배터리의 상태가 아닌 사용자 중심의 가속/감속/아이들 모드를 사용함으로 운전자에게 동일한 가속 및 감속감을 전달할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
100 : 동력 모터 110 : 인버터
200 : 연료전지 300 : 배터리
310 : 양방향 DC/DC 컨버터 400 : 전력분배 제어기
500 : 모드선택 제어기

Claims (6)

  1. 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법에 있어서,
    동력모터에 연결된 인버터의 전류값, 연료전지의 전력, 배터리에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리의 충전량을 측정하는 단계;
    상기 측정된 인버터 전류값, 연료전지 전력, 양방향 DC/DC 컨버터의 전력 및 배터리 충전량을 토대로 연료전지와 배터리의 전력분배를 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 전력분배를 제어하는 단계 이전에 연료전지모드, 배터리방전모드, 배터리충전모드 및 회생제동모드로 이루어진 연료전지 차량의 주행모드를 설정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 연료전지모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력값 범위 이내이고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 보다 클 경우로서, 연료전지의 전력만으로 상기 동력모터를 구동하고,
    상기 배터리방전모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력 미만이거나 설정 전력값을 초과하고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 보다 클 경우로서, 연료전지와 배터리의 전력을 함께 이용하여 상기 동력모터를 구동하며,
    상기 배터리충전모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 연료전지 고효율 구간 설정 전력 값 미만이거나 설정 전력값을 초과하고, 상기 측정된 배터리 충전량이 방전 가능한 배터리 충전량의 최저값 이하일 경우로서, 연료전지의 전력을 통해 배터리를 충전하고,
    상기 회생제동모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 배터리 미사용시 하이브리드차에서 요구되는 최소 전력값 미만이고, 상기 측정된 인버터 전류값이 (-)일 경우, 동력모터의 동력을 이용하여 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 주행모드를 설정하는 단계에 있어서 주행모드는 가속모드, 감속모드 및 아이들모드로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가속모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH1) 보다 크고, 상기 측정된 연료전지 전력의 변화량이 기준값(TH2) 보다 크며, 버스단의 전압 변화량이 기준값(TH3) 미만이고, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준값(TH8) 보다 클 경우로서, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준상한값(SOC_H)보다 클 경우 연료전지와 배터리의 전력을 함께 사용하고, 기준상한값 이하일 경우 연료전지의 전력만을 사용하여 상기 동력모터를 구동하고,
    상기 감속모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH4) 보다 작고, 상기 측정된 인버터 전류값이 (-)이며, 버스단 전압 변화량이 기준값(TH5)보다 클 경우로서, 상기 측정된 배터리 충전량이 기준하한값(SOC_L)보다 작을 경우 배터리를 충전하며,
    상기 아이들모드는, 상기 측정된 연료전지의 전력이 기준값(TH6) 보다 작고, 버스단 전압이 기준값(TH7) 보다 클 경우로서, 연료전지의 작동을 중단하고 배터리의 전력만으로 상기 동력모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드차의 전력분배 제어방법.
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