KR101240978B1 - 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력에 영향을 주는 각 요소들의 수치를 이용하여 연료전지 전류명령값을 생성하고, 이를 통해 연료전지 전류제어를 수행함으로 연료전지 전류제한 기능의 정확도를 향상할 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 있어서, 모터파워 보상전류, 배터리 SOC 보상전류, 보기류 소모전류 및 토크변화 보상전류를 산출하고, 이를 합산하여 연료전지 전류명령값을 생성하며, 상기 연료전지 전류명령값을 추종하도록 연료전지 전압 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법을 제공한다.

Description

연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법{Power distribution method for fuel cell hybrid vehicle using current control of fuel cell}

본 발명은 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력에 영향을 주는 각 요소들의 수치를 이용하여 연료전지 전류명령값을 생성하고, 이를 통해 연료전지 전류제어를 수행함으로 연료전지 전류제한 기능의 정확도를 향상할 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 관한 것이다.

최근 친환경 자동차에 대한 개발의 일환으로 연료전지 차량의 개발이 이루어지고 있다. 연료전지 차량은 수소를 연료로 하여 전기에너지를 발생하는 연료전지를 통해 동력을 얻는 차량으로서, 에너지 생성의 부산물로 물이 생성되기 때문에 환경오염 물질을 배출하지 않는다.

한편, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생할 수 있으며, 높은 전압을 요구하는 고속 운전영역 및 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 출력 전압이 급격하게 감소하여 구동모터가 요구하는 충분한 전압을 공급하지 못하기 때문에 차량의 가속성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

상기와 같은 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 배터리를 탑재한 시스템이다. 이와 같이 연료전지와 배터리가 직결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 배터리를 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 배터리에서 보충 출력한다. 또한, 자동차가 감속하는 경우 회생 제동 모드를 통해 배터리를 충전할 수 있다.

기존의 연료전지 하이브리드 차량은 차속, 모터 회전 속도, 브레이크 페달 및 가속 페달의 변화량 등을 통해 차량의 상태를 파악하고, 이러한 차량의 상태에 따라 연료전지 전압을 가감시킴으로 연료전지 전류제어를 수행하였다.

그러나 종래의 방법은 연료전지 전류를 차량의 상태에 따라 가감시키는 제어를 수행함으로 그 정확도가 떨어지는 문제가 있었다. 특히, 발진시 빠르게 변화하는 토크 보상값에 비하여 모터요구파워 보상값은 느리게 변화함으로 인해 연료전지의 출력 전류가 발진 상황에 맞추어 안정적인 출력을 제공하지 못하는 단점이 있었다.

또한, 연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 전력 분배를 위해서는, 배터리를 연료전지 출력으로 강제 충전하는 빈도를 최소화하고 회생제동모드를 통해 충전을 수행하도록 함이 바람직한데, 종래의 방법에 따른 연료전지 전류 제어에서는 연료전지 전류제한 기능의 정확도가 떨어짐으로 효율적인 전력 분배에 어려움이 있었다.

따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는데 그 목적이 있는 발명으로서, 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력에 영향을 주는 각 요소들의 수치를 이용하여 연료전지 전류명령값을 직접 생성하고, 이를 통해 연료전지 전류제어를 수행함으로 연료전지의 전류 제어 및 전류제한 기능의 정확도를 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법을 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.

또한, 본 발명은 회생제동시 연료전지에 의한 배터리 강제충전을 방지함으로 연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 전력 분배를 수행하기 위한 목적도 가지고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법은, 모터파워 보상전류, 배터리 SOC 보상전류, 보기류 소모전류 및 토크변화 보상전류를 산출하고, 이를 합산하여 연료전지 전류명령값을 생성하며, 상기 연료전지 전류명령값을 추종하도록 연료전지 전류 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는

로 산출되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 모터요구파워에 대한 모터파워 보상전류 변환비(K_P)는 SOC 값에 반비례하여 변화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 SOC 보상전류(I_SOC)는

로 산출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보기류 소모전류는 연료전지 출력전류에 대한 함수로 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 토크변화 보상전류(I_TOQ)는

로 산출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 연료전지 하이브리드 차량의 회생제동시, 상기 전류명령값을 0으로 설정하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 의하면, 연료전지 전류명령값을 모터파워 보상전류, SOC 보상전류, 보기류 소모전류 및 토크변화 보상전류 값을 이용하여 직접 생성하고 이를 토대로 전류제어를 수행함으로 연료전지 전류제어의 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.

특히, 발진시 빠르게 변화하는 토크 보상값을 이용하여 연료전지 전류명령값을 생성함으로 발진 상황에 대처하여 안정적인 출력을 공급할 수 있는 장점이 있다.

또한, 회생제동시에는 연료전지에 의한 배터리 강제충전을 방지함으로 연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 전력 분배를 수행할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 배터리 SOC 수치의 변화에 따라 모터요구파워에 대한 보상전류 변환비(K_P)를 변화시키는 것을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서 배터리 SOC에 대한 보상전류 변환비를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서 발진 상황에서 이루어지는 연료전지 전류명령값 변화를 나타내는 그래프

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법으로서, 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력에 영향을 주는 모터파워 보상전류, 배터리 SOC 보상전류, 보기류 소모전류 및 토크변화 보상전류를 산출하고, 이를 합산하여 전류명령값을 생성하여 연료전지 전류제어를 수행하는 방법에 대한 것이다.

연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지의 출력은 다양한 요인에 의하여 증감 변동해야 하며, 특히 모터에 요구되는 동력이 클수록, 보기류의 소모전류가 클 수록 더 큰 연료전지 출력이 요구된다. 또한, 상기 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지와 배터리는 상호 보완을 통해 모터에 동력을 전달하는 관계로서, 배터리의 충전량(SOC:State of Charge)이 작을 때는 연료전지의 출력을 증가시키고, 상기 SOC가 높으면 연료전지의 출력을 감소시켜 배터리를 통한 전력 공급이 이루어지도록 해야 한다. 이에 더하여 차량의 발진 등에 의한 속도 변화에 따라 빠르게 변화하는 토크 명령값에 대하여도 대처할 수 있어야 한다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 전류명령값(I_FC_CMD)은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

여기서, I_FC_CMD0는 모터파워 보상전류, I_SOC는 배터리 SOC 보상전류, I_BOP는 보기류 소모전류, I_TOQ는 토크변화 보상전류를 나타낸다.

먼저, 본 발명의 실시예에서는 산출된 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)를 전류명령값 생성에 이용할 수 있다. 본 발명에서 상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 모터요구파워(P_MCU_CMD)에 관계된 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

여기서, K_FC는 배터리 SOC에 대한 모터파워 보상전류 변환비를 나타내고, K_P는 모터요구파워에 대한 모터파워 보상전류 변환비를 나타낸다.

상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 연료전지 하이브리드 차량의 모터에서 요구되는 동력을 나타내는 모터요구파워(P_MCU_CMD)에 비례하는 값으로서, 모터요구파워(P_MCU_CMD)가 클수록 높은값을 갖게 된다.

이때, 본 발명에서 상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 단순히 모터요구파워(P_MCU_CMD)의 크기뿐만 아니라 연료전지와 보완관계에 있는 배터리의 SOC값에 의존하도록 설정할 수 있다. 즉, 배터리의 SOC값에 의존하는 K_FC 및 K_P 값의 설정을 통해 배터리 SOC가 높은 상황에서는 배터리의 출력 의존도를 높이도록 하고, 배터리 SOC가 낮은 상황에서는 연료전지 출력 의존도를 높이도록 할 수 있다.

첨부된 도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 배터리 SOC 수치의 변화에 따라 모터요구파워(P_MCU_CMD)에 대한 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 변환비(K_P)를 변화시키는 것을 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 모터요구파워(P_MCU_CMD) 값에 비례하여 증가할 수 있는데, 상기 모터요구파워(P_MCU_CMD)에 대한 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 변환비(K_P)는 배터리 SOC 값에 따라 다르게 할 수 있다.

즉, 배터리 SOC 수치가 높을 때에는 도 1의 오른쪽 그래프와 같이 상기 변환비(K_P)를 낮춤으로, 모터요구파워(P_MCU_CMD) 증가분에 대한 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 및 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)의 증가가 적게 일어나도록 할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 시스템에서 요구되는 동력에 대해 배터리의 전력 사용 비율을 상대적으로 높이게 될 수 있다.

또한, 배터리 SOC 수치가 낮을 때에는 도 1의 왼쪽 그래프와 같이 변환비(K_P)를 높일 수 있고, 모터요구파워(P_MCU_CMD) 증가분에 대한 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 및 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)의 증가가 높게 일어나도록 할 수 있다. 따라서, 배터리 SOC 수치가 낮을 때에는 연료전지 시스템에서 요구되는 동력에 대해 연료전지의 전력 사용 비율을 상대적으로 높일 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 배터리 SOC에 대한 모터파워 보상전류 변환비(K_FC)를 나타내고 있다.

도시된 바와 같이, 상기 변환비(K_FC)는 배터리 SOC 수치가 높을수록 증가하는 반비례 관계를 이룰 수 있다. 즉, 배터리 SOC 수치가 높을 때에는 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)의 값이 작아지도록 하여 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)의 증가분이 작아지도록 할 수 있으며, 배터리 SOC 수치가 낮을 때에는 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)의 값이 커지도록 하여 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)의 증가분이 커지도록 할 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 배터리 SOC 수치를 고려하여 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 값을 설정함으로, 배터리 SOC가 높은 상황에서는 배터리의 출력 의존도를 높이도록 하고, 배터리 SOC가 낮은 상황에서는 연료전지 출력 의존도를 높이도록 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 SOC 보상전류(I_SOC) 값에 영향을 받을 수 있다. 본 발명에서 상기 SOC 보상전류(I_SOC)는 다음과 같은 수식으로 구할 수 있다.

여기서, K_SOC는 배터리 SOC에 대한 보상전류 변환비를 나타내며, SOC_REF는 배터리 SOC 기준값을 나타낸다.

전술한 바와 같이, 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지와 배터리는 모터를 구동하기 위한 동력을 제공하기 위해 상호 보완관계에 있는 것으로서, 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 상기 배터리의 SOC 수치에 직접적인 영향을 받는다.

즉, 배터리 SOC 수치가 낮아서 상기 SOC가 기준값(SOC_REF) 이하일 경우에는 SOC 보상전류(I_SOC)가 양의 값을 가지게 되어 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)이 증가하게 되지만, 배터리 SOC 수치가 기준값(SOC_REF) 이상일 경우에는 상기 SOC 보상전류(I_SOC)가 음의 값을 가지게 되어 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)이 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 배터리 SOC 수치에 의존하여, 연료전지와 배터리의 출력이 상호 보완관계를 이룰 수 있도록 한다.

한편, 연료전지 하이브리드 차량에는 다양한 보기류가 구비될 수 있으며, 상기 보기류를 구동하기 위한 보기류 소모전류(I_BOP)는 연료전지 출력 상승에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 발명에서 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 보기류 소모전류(I_BOP)를 합산하여 생성할 수 있다.

이때, 상기 보기류 소모전류(I_BOP)는 연료전지 출력전류에 대한 함수로 결정될 수 있다. 또는, 상기 보기류 소모전류(I_BOP)는 본 발명의 실시예에 따라 연료전지 출력전류가 급격한 변화를 이루지 않고 안정적으로 제어됨에 따라 상수로 처리할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 실시예에서 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 토크변화 보상전류(I_TOQ)에 영향을 받을 수 있다. 일반적으로 차량의 최대 토크는 저속영역에서 더 큰 값을 갖게 되는데, 이러한 저속 영역에서 발진이 이루어질 경우 토크명령값은 빠르게 상승하게 된다. 본 발명에서 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 빠르게 변화하는 상기 토크 명령값에 의한 토크변화 보상전류(I_TOQ)를 반영함으로 연료전지 출력 전류가 발진 상황에 맞추어 안정적인 출력을 제공하도록 할 수 있다.

본 발명에서 상기 토크변화 보상전류(I_TOQ)는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

여기서 k₁, k₂는 상수이며, TOQ_REF는 토크 명령값을 나타낸다.

실제 발진 상황에서 모터요구파워(P_MCU_CMD)에 의존하는 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 변화가 느린 반면에, 토크 명령값(TOQ_REF)은 빠르게 변화한다. 본 발명에서는 빠르게 변화하는 상기 토크 명령값(TOQ_REF)을 이용하여 상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)의 느린 변화를 보상함으로 안정적인 출력을 제공할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서 상기 토크 명령값(TOQ_REF)이 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)보다 작을 경우에는 토크변화 보상전류(I_TOQ)를 0으로 설정하여 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)이 감소하지 않도록 할 수 있다.

상기와 같은 과정을 통해 생성된 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)은 FHCU(Fuel cell Hybrid Control Unit)가 연료전지의 직접적인 전류제어를 수행하는데 이용된다. 즉, 상기 생성된 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)을 추종하도록 연료전지 전압 제어를 수행하며, 이를 통해 상기 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)에 의한 연료전지 출력 전류를 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 연료전지 하이브리드 차량의 효율적인 전력 분배 수행을 위하여, 회생제동시에는 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)을 0으로 설정함으로 연료전지에 의한 배터리 강제충전이 이루어지지 않도록 할 수 있다. 즉, 회생제동 모드에서는 배터리 SOC 수치에 관계없이 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)이 0이 되도록 함으로, 회생제동 에너지만으로 배터리의 충전이 이루어지도록 하고, 연료전지의 에너지 소모를 최소화할 수 있다.

첨부된 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 발진 상황에서 이루어지는 연료전지 전류명령값 변화를 나타내고 있다.

도시된 바와 같이 2초 ~ 2.5초 구간의 급발진 상황에 대하여 토크 명령값(TOQ_REF)은 빠르게 상승하는데 비하여, 모터요구파워(P_MCU_CMD0) 및 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는 더디게 상승함을 알 수 있다. 본 발명에서는 상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0) 뿐만 아니라 토크변화 보상전류(I_TOQ) 값을 함께 이용하여 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)을 생성함으로, 발진 상황의 토크 명령값(TOQ_REF)의 빠른 상승에 대응하여 도 3의 화살표와 같이 전류명령값(I_FC_CMD)을 상승시킬 수 있게 된다. 한편, 타 알고리즘을 적용한 연료전지의 경우 연료전지 전류값이 불안정하게 상승함을 관찰할 수 있었다.

이처럼 본 발명에서는 산출된 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0), 배터리 SOC 보상전류(I_SOC), 보기류 소모전류(I_BOP) 및 토크변화 보상전류(I_TOQ)를 통해 연료전지 전류명령값(I_FC_CMD)을 생성함으로 연료전지 전류의 직접 제어가 가능하게 되며, 연료전지를 보호하고 연료전지 하이브리드 차량의 전력 사용 및 분배 효율을 높일 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.

Claims (7)

1. 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법에 있어서,
   모터파워 보상전류, 배터리 SOC 보상전류, 보기류 소모전류 및 토크변화 보상전류를 산출하고, 이를 합산하여 연료전지 전류명령값을 생성하며, 상기 연료전지 전류명령값을 추종하도록 연료전지 전류 제어를 수행하고,
   상기 모터파워 보상전류(I_FC_CMD0)는

   

   로 산출되며, 여기서 K_FC : 배터리 SOC에 대한 모터파워 보상전류 변환비, K_P : 모터요구파워에 대한 모터파워 보상전류 변환비, P_MCU_CMD : 모터요구파워이고,
   상기 SOC 보상전류(I_SOC)는

   

   로 산출되며, 여기서 K_SOC : 배터리 SOC에 대한 보상전류 변환비, SOC_REF : 배터리 SOC 기준값이고,
   상기 보기류 소모전류는 연료전지 출력전류에 대한 함수로 결정되며,
   상기 토크변화 보상전류(I_TOQ)는

   

   로 산출되며, 여기서 k₁, k₂ : 상수, TOQ_REF : 토크 명령값인 것을 특징으로 하는 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   모터요구파워에 대한 모터파워 보상전류 변환비(K_P)는 SOC 값에 반비례하여 변화하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 연료전지 하이브리드 차량의 회생제동시, 상기 전류명령값을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전류제어를 이용한 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분배 방법.

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