KR101519666B1 - Control method for fuel cell hybrid vehicle - Google Patents

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전순일
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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점을 해결하기 위하여, 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시키고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시키는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control method of a fuel cell hybrid vehicle, and it is an object of the present invention to provide a control method of a fuel cell hybrid vehicle, in which a supercap usage period is limited to a lower limit value of a fuel cell voltage or a lower limit value of a main bus voltage, In order to solve this problem, the supercap energy (voltage) is extended to a set lower limit value of the supercap voltage by using the bidirectional DC / DC converter of the supercap output stage in the supercap discharge mode to increase the power assist amount of the supercap, To a control method of a fuel cell hybrid vehicle.

연료전지, 수퍼캡, 하이브리드, 직결모드, 충전모드, 방전모드, 모드 전환, 파워 어시스트 Fuel cell, supercap, hybrid, direct connection mode, charge mode, discharge mode, mode switching, power assist

Description

연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법{Control method for fuel cell hybrid vehicle}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a control method for a fuel cell hybrid vehicle,

본 발명은 연료전지 차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주동력원으로 연료전지를, 보조동력원으로 별도의 축전수단을 사용하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell vehicle, and more particularly, to a control method of a fuel cell hybrid vehicle using a fuel cell as a main power source and a separate power storage means as an auxiliary power source.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of environmentally friendly future vehicles, includes a fuel cell stack that generates electric energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a hydrogen supply device that supplies hydrogen as fuel to a fuel cell stack, An air supply device for supplying air containing oxygen, which is an oxidizing agent required for the electrochemical reaction, to the fuel cell stack, an operation of controlling the operation temperature of the fuel cell stack by discharging heat, which is a by- A heat and water management system that performs management functions, and a fuel cell system controller that controls overall operation of the fuel cell system.

이러한 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량에서는 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다. 또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료전지 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하된다(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 연료전지에 무리가 감). 이와 더불어 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.In the fuel cell vehicle equipped with such a fuel cell system, when the fuel cell alone is used as the power source of the vehicle, the fuel cell takes charge of all the loads constituting the vehicle, so that the performance deterioration occurs in the fuel cell efficiency- . In addition, when a sudden load is applied to the vehicle, the output voltage of the fuel cell dips instantaneously and fails to supply sufficient power to the driving motor, thereby deteriorating the performance of the vehicle (since electricity is generated by a chemical reaction, . In addition, since the fuel cell has a unidirectional output characteristic, the energy drawn from the drive motor can not be recovered during the braking of the vehicle, thereby deteriorating the efficiency of the vehicle system.

상기의 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량뿐만 아니라 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 보조동력원으로 축전수단, 예컨대 충/방전이 가능한 고전압 배터리 또는 수퍼캐패시터(수퍼캡)를 탑재한 시스템이다.In order to overcome the disadvantages described above, a fuel cell hybrid vehicle is being developed. The fuel cell hybrid vehicle is a separate auxiliary power source for supplying power required for driving a motor in addition to a fuel cell which is a main power source in a large vehicle such as a bus, as well as a small vehicle. A high voltage battery or a super capacitor ).

첨부한 도 1은 종래기술에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도로서, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성은, 주동력원으로 사용되는 연료전지(스택)(2), 보조동력원으로 사용되는 수퍼캡(10), 연료전지(2)의 출력 측인 메인버스단(3)과 수퍼캡(10) 사이에 개재되는 수퍼캡 초기충전 유닛(Supercap Precharge Unit)(9), 구동모터(8)를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지(2)와 수퍼캡(10)의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3 상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함)(7)를 포함한다. 수퍼캡 초기충전 유닛(9)은 초기 시동시에만 방전된 수퍼캡 전압을 충전시키는 용도로 사용된다.FIG. 1 is a power net diagram of a fuel cell-supercap direct hybrid system according to the related art. The power net configuration of a fuel cell-supercap hybrid vehicle includes a fuel cell (stack) 2 used as a main power source, A supercap precharge unit 9 interposed between the main bus terminal 3 serving as an output side of the fuel cell 2 and the supercap 10 and a drive motor 8 A motor controller (not shown) connected to the output side of the fuel cell 2 and the supercap 10 to generate a three-phase PWM (Pulse Width Modulation) by receiving a direct current from the fuel module 2 and controlling motor driving and regenerative braking A motor control unit (MCU) 7 (including an inverter). The super-cap initial charging unit 9 is used to charge the discharged super-cap voltage only at the initial start-up.

이러한 구성에서 주동력원인 연료전지(2)는 수소탱크(1)로부터 수소를 공급받고 공기블로워(도시하지 않음)에 의해 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 구동모터(8) 및 MCU(7)는 연료전지(2)에 메인버스단(3)을 통해 직접 연결되어 있으며, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 수퍼캡(10)이 초기충전 유닛(9)을 통해 연결되어 있다. In this configuration, the fuel cell 2 as a main power source receives hydrogen from the hydrogen tank 1 and receives air by an air blower (not shown) to generate electricity by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air . The drive motor 8 and the MCU 7 are connected directly to the fuel cell 2 through the main bus terminal 3 and the supercap 10 is connected to the initial charge unit 9).

또한 메인버스단(3)에는 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 LDC(Low Voltage DCDC Converter, LV DCDC)(11)와 보기류 부품 구동을 위한 저전압 배터리(12V 보조배터리)(12)가 연결되고, 메인버스단(3)을 통해 직접 고전압 전력을 공급받아 작동되는 에어컨(13) 및 히터(냉난방용)(14) 등의 부하가 연결되어 있다. In addition, a low voltage DCDC converter (LDC) 11 for converting an output between a high voltage and a low voltage and a low voltage battery (12V auxiliary battery) 12 for driving an analog current component are connected to the main bus terminal 3 A load such as an air conditioner 13 and a heater (for cooling and heating) 14, which are directly supplied with high-voltage power via the main bus terminal 3, are connected.

연료전지(2)를 구동하기 위한 보기류 부품(Fuel Cell BOP, 공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프 등)(16)은 메인버스단(3)에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인버스단(3)에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(4,5)와, 연료전지(2)로 역전류가 흐르지 않도록 하는 블로킹 다이오드(6)가 설치된다. 미설명부호 15는 연료전지 보기류(16)의 드라이버(Driver)를 나타내며, 17은 연료전지(2)의 냉시동을 용이하게 하기 위해 열을 공급해주는 히터를, 18은 연료전지의 전류를 소모하는 부하장치를 나타낸다.(Fuel Cell BOP, air blower, hydrogen recirculation blower, water pump, etc.) 16 for driving the fuel cell 2 is connected to the main bus terminal 3 to facilitate starting of the fuel cell, The bus terminal 3 is provided with various relays 4 and 5 for facilitating power interruption and connection and a blocking diode 6 for preventing a reverse current from flowing through the fuel cell 2. Reference numeral 15 denotes a driver of the fuel cell flow 16, 17 is a heater for supplying heat to facilitate cold start of the fuel cell 2, 18 is a current consuming current of the fuel cell Lt; / RTI >

DC/DC 컨버터, DC/DC 초퍼 등과 같은 전력변환장치를 사용하지 않는 종래의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템은 전력변환장치가 없는 직결 구조의 특성상 수퍼캡에 의한 자동 파워 어시스트 및 회생제동에 의한 수퍼캡 충전이 자동으로 구현(자동 회생제동 기능)되어 제어 신뢰성이 높은 장점이 있고, 연료전지 내구 증대, 연비 우수(회생제동 大, 수퍼캡 자체 효율 高) 등의 장점을 가진다. 특히, 연료전지에서 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 수퍼캡을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 수퍼캡이 보충 출력(출력 보조/파워 어시스트)하는 운전 모드가 적용되고 있다.Conventional fuel cell-supercompact hybrid system that does not use power conversion devices such as DC / DC converter, DC / DC chopper and the like is a supercap by automatic power assist and regenerative braking by supercap due to the characteristics of direct- (Automatic regenerative braking function), and it has advantages of high control reliability, fuel cell durability increase, fuel economy excellent (regenerative braking big, supercap self efficiency). In particular, when the power is continuously outputted from the fuel cell, the supercap is charged with surplus power when the power is left, and when the power is insufficient, supplementary power (auxiliary output / power assist) Mode is being applied.

그러나, 종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템은 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어, 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점이 있다.However, the conventional fuel cell-supercap hybrid system is disadvantageous in that the super-cap usage period is limited to the lower limit value of the fuel cell voltage or the lower limit value of the main bus voltage, so that the energy of the supercap can not be fully utilized.

연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템에 관한 선행기술로서, 등록특허 제862467호는 멀티기능 저항장치 및 그 제어방법에 관한 것이며, 저항과 초퍼(chopper)를 이용하여 수퍼캡 초기 충전 제어, 수퍼캡 상한 전압 도달시 회생제동 제어, 시동 및 셧다운시 연료전지 전압 상승 및 하강 제어, 수퍼캡 유지보수시 수퍼캡 방전 제어, 냉시동시 연료전지 시스템의 프리히팅, 실내 히팅 등의 멀티기능을 수행하는 방식이 개시되어 있다. As a prior art relating to a fuel cell-supercap hybrid system, the patent No. 862467 relates to a multifunctional resistance device and a control method thereof, and it relates to a multifunctional resistance device and a control method thereof, A method of performing multi-functions such as fuel cell voltage rise and fall control during braking control, start-up and shutdown, super-cap discharge control during maintenance of a supercap, preheating of a simultaneous fuel cell system in a cold state, and indoor heating.

연료전지-수퍼캡 직결형 구조와는 다르게 전력변환장치를 사용하는 연료전지 하이브리드 시스템의 선행기술의 예를 살펴보면, 미국특허 6484075는 연료전지 하이브리드 시스템(배터리 또는 수퍼캡 사용)의 아이들 스탑 제어에 관한 특허로서, 연료전지 출력단에 전력변환장치(단방향 DC/DC 초퍼)를 장착하였으며, 이 장치를 통해 연료전지의 전력 차단 및 전원 공급 재개 제어를 수행한다. 바퀴 회전수, 브레이크 작동 유무, 배터리 SOC(state of charge), 전기부하 등을 통해 아이들(idle) 상태를 결정한 뒤, 연료전지의 반응가스 차단으로 전원 공급을 차단하고, 설정된 SOC 값 이하로 떨어지는 경우 연료전지에 의한 전원 공급을 재개하는 등 아이들 구간에서의 연료전지 발전 정지 제어를 위해 전력변환장치가 장착되어 있다.As an example of the prior art of a fuel cell hybrid system using a power conversion device different from a fuel cell-supercap direct type structure, U.S. Patent 6484075 discloses a patent for an idle stop control of a fuel cell hybrid system (using a battery or a supercap) , A power converter (unidirectional DC / DC chopper) is installed at the output terminal of the fuel cell, and power cutoff and power supply resumption control of the fuel cell are performed through this device. The idle state is determined by the number of revolutions of the wheels, the operation of the brake, the battery state of charge (SOC), the electric load, etc., and then the power supply is cut off by the reaction gas shutoff of the fuel cell. A power conversion device is mounted for controlling the stoppage of fuel cell generation in the idle section such as resuming the power supply by the fuel cell.

미국특허 US6920948은 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 동력 분배 제어(연료전지 출력과 배터리 출력 비율)관한 특허로서, 배터리 출력단에 양방향 DC/DC 컨버터를 장착하여 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워 제어를 수행하도록 한다. 이 하이브리드 시스템에서는 연료전지와 배터리가 직결되는 운전 모드가 없으며, 배터리의 모든 출력이 DC/DC를 거치는 방식이다.U.S. Patent No. 6,920,948 is a patent on power distribution control (fuel cell output and battery output ratio) of a fuel cell-battery hybrid system. A bidirectional DC / DC converter is mounted at the battery output terminal to control the charge / . In this hybrid system, there is no operation mode in which the fuel cell and the battery are directly connected, and all the output of the battery goes through DC / DC.

하지만, 상기의 특허 역시 수퍼캡 에너지를 이용하여 파워 어시스트를 수행함에 있어서 발진 또는 추월 가속시 파워 어시스트량 증대를 위한 방법 및 시동, 주행, 셧다운시 최적의 제어 방법에 대해서 제시하고 있지 못하다. However, the above-mentioned patent also does not disclose a method for increasing the amount of power assist when rushing or overtaking acceleration in performing power assist using supercap energy, and an optimal control method for starting, traveling, and shutdown.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 문제점을 해결하고, 수퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시킴은 물론 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to solve the problem that energy of a supercap can not be fully utilized in a fuel cell-supercap hybrid vehicle, increase the power assist amount of a supercap, And to provide a control method of a fuel cell hybrid vehicle capable of improving overtaking performance.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 주행 중에 수퍼캡 전압을 연료전지 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전 및 출력 보조가 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 전환하는 단계;를 포함하고, 차량 주행 중 상기 수퍼캡 방전모드에서는 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system comprising: comparing a super-cap voltage with a fuel cell voltage lower limit during running of a fuel cell-super-cab hybrid vehicle; Switching to a super-cap discharge mode in which a direct connection between the fuel cell and the super-cap is released when the super-cap voltage is equal to or lower than the lower limit of the fuel cell voltage, and a super-cap discharge and an output assistance are performed through the bidirectional DC / And the supercap output assists the fuel cell output within a range in which the supercap voltage exceeds a predetermined lower limit value of the supercap voltage in the supercharging mode during driving of the vehicle.

여기서, 상기 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정된다.Here, the supercap voltage lower limit value is set to be lower than the lower limit value of the fuel cell voltage.

또한 본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 시동을 진행하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 시동 중 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 한다.The present invention also relates to a method of controlling a fuel cell-supercap hybrid vehicle, comprising the steps of: comparing a supercap voltage with a main bus voltage lower limit at the start of the fuel cell-supercap hybrid vehicle; And if the supercap voltage is lower than the lower limit of the main bus voltage, proceeding to start the fuel cell in a supercharged discharge mode in which supercharging is performed through the bidirectional DC / DC converter with the direct connection between the fuel cell and the supercap being canceled During the start-up of the fuel cell, in the super-cap discharge mode, the super-cap energy is used to start the fuel cell within a range in which the super-cap voltage exceeds a predetermined lower limit value of the super-cap voltage.

또한 본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 셧다운시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 셧다운을 진행하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 셧다운 중 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 한다.The present invention also relates to a method of controlling a fuel cell-supercap hybrid vehicle, comprising the steps of: comparing a supercap voltage during a shutdown of a fuel cell-supercap hybrid vehicle with a lower limit voltage of the main bus; And if the super-cap voltage is lower than the lower limit of the main-bus voltage, proceeding to fuel cell shutdown in a super-cap discharge mode in which supercharging is performed through the bidirectional DC / DC converter with the direct connection between the fuel cell and the super- During the fuel cell shutdown, in the super-cap discharge mode, the fuel cell shutdown proceeds using super-cap energy within a range in which the super-cap voltage exceeds a predetermined lower limit value of the super-cap voltage.

이때, 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정된다.At this time, the set lower limit value of the supercap voltage is set to be lower than the lower limit value of the main bus voltage.

이에 따라, 상기한 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에서는, 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수 퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시킬 수 있고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Accordingly, in the control method of the fuel cell hybrid vehicle according to the present invention, the supercap energy (voltage) is extended to the set lower limit of the supercap voltage by using the bidirectional DC / DC converter of the supercap output stage in the supercap discharge mode, The power assist amount of the percap can be increased, and the oscillation and overtaking performance of the vehicle can be improved.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 is a power net configuration diagram of a fuel cell-supercap hybrid system according to the present invention.

도시된 바와 같이, 주동력원인 연료전지(연료전지 스택)(100)와 함께 보조동력원으로 사용되는 축전수단인 수퍼캡(200)이 병렬로 접속되며, 여기서 수퍼캡(200)은 양방향 DC/DC 컨버터(210)를 매개로 하여 연료전지(100)의 출력 측인 메인버스단(main bus)(101)에 연결된다. 이로써 상기 두 동력원, 즉 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 메인버스단(101)을 통해 시스템 내 각 부하에 대해서 병렬로 접속되는 구조가 된다. As shown in the figure, a supercap 200, which is a power storage means used as an auxiliary power source, is connected in parallel with a fuel cell (fuel cell stack) 100 as a main power source. The supercap 200 includes a bidirectional DC / DC converter 210 to the main bus 101, which is the output side of the fuel cell 100. In this way, the two power sources, that is, the fuel cell 100 and the supercap 200 are connected in parallel to each load in the system via the main bus terminal 101.

또한 구동모터(302)를 회전시키기 위한 인버터(301)가 메인버스단(101)을 통해 연료전지(100) 및 수퍼캡(200)의 출력 측에 연결되어, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 따라 연료전지(100) 또는 수퍼캡(200)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(302)를 구동시킨다.An inverter 301 for rotating the driving motor 302 is connected to the output side of the fuel cell 100 and the supercap 200 through the main bus terminal 101 so that the control signal applied to the controller 500 The power supplied from the fuel cell 100 or the supercap 200 is phase-converted to drive the drive motor 302. [

상기 DC/DC 컨버터(210)는 수퍼캡(200) 출력단에 위치되어 연료전지(100)에 서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 수퍼캡(200)에 충전되도록 공급하거나, 수퍼캡(200)에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 구동모터(302) 및 연료전지 보기류 등 시스템 내 각 부하에 공급한다. 또한 제동 제어시에는 구동모터(302)에서 발생하는 회생에너지를 DC/DC 컨버팅하여 수퍼캡(200)에 충전되도록 공급한다.The DC / DC converter 210 is disposed at an output terminal of the super cap 200 to DC / DC convert the power output from the fuel cell 100 to be supplied to the super cap 200 to be charged, DC / DC converter for supplying power to each load in the system such as the drive motor 302 and the fuel cell. During braking control, regenerative energy generated in the drive motor 302 is DC / DC converted and supplied to the super cap 200 to be charged.

시스템 부하로서 연료전지 구동을 위해 필요한 보기류(Balance Of Plant, BOP), 에어컨, 히터(냉난방용) 등 고전압 전력을 공급받아 작동되는 고전압 구동 부품(220)이 연료전지(100) 또는 수퍼캡(200), 저전압 배터리(400)의 출력에 의해 구동되도록 메인버스단(101)에 연결되어 있다. 연료전지 보기류는 수소공급장치의 수소 재순환 블로워, 공기공급장치의 공기블로워, 냉각수 순환을 위한 물 펌프 등을 포함한다.A high voltage driving component 220 that is operated by receiving a high voltage power such as a Balance Of Plant (BOP), an air conditioner and a heater (for heating and cooling) necessary for driving a fuel cell as a system load is installed in the fuel cell 100 or the supercap 200 , And is connected to the main bus terminal 101 so as to be driven by the output of the low voltage battery 400. The fuel cell includes a hydrogen recirculation blower of a hydrogen supply device, an air blower of an air supply device, and a water pump for cooling water circulation.

그리고, 메인버스단(101)에 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LV DC/DC)(410)가 연결되고, 또한 이를 매개로 저전압 배터리(보조배터리)(400)가 연결되며, 저전압 배터리(400)에는 저전압 구동 부품(420)이 연결된다. A low voltage DC / DC converter (LV DC / DC converter) 410 is connected to the main bus 101 for switching the output between the high voltage and the low voltage. And a low voltage driving part 420 is connected to the low voltage battery 400.

아울러, 연료전지(100)의 출력 측에 서지 전압이 연료전지(100)로 공급되는 것을 차단하기 위한 역전압 방지 다이오드(102)가 설치되고, 상기 역전압 방지 다이오드(102)의 후단에는 부하장치(110)가 설치된다. 상기 부하장치(110)는 연료전지(100)의 출력 측에 설치되는 스택 전류 소모용 부하로서, 연료전지 셧다운시에는 스택의 캐소드 산소 소진 및 전압 제거를 위해 사용되고, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 스위칭되는 릴레이(111)의 동작에 따라 선택적으로 연료전지(100)의 전류를 공급받아 동작된다.A reverse voltage prevention diode 102 is provided at the output side of the fuel cell 100 to block the surge voltage from being supplied to the fuel cell 100. A reverse voltage prevention diode 102 is connected to the rear end of the reverse voltage prevention diode 102, (110). The load device 110 is a stack current consuming load installed on the output side of the fuel cell 100. In the fuel cell shutdown mode, the load device 110 is used for exhausting the cathode oxygen of the stack and for removing the voltage. And is operated by supplying the current of the fuel cell 100 selectively according to the operation of the relay 111 which is switched on / off by the signal.

또한 본 발명의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템은, 수퍼캡 충전모드 및 방전모드와 구분되는 연료전지-수퍼캡 직결모드 운전을 위하여, 연료전지(100)와 수퍼캡(200) 사이에 설치되어 연료전지(100)와 수퍼캡(200) 간을 선택적으로 직결/차단하는 직결 릴레이(201)를 포함하며, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 의해 직결 릴레이(201)가 온/오프 구동 제어되면서 연료전지-수퍼캡 직결모드와 다른 운전 모드(수퍼캡 충전모드 및 방전모드) 사이의 전환이 이루어지게 된다. Also, the fuel cell-supercap hybrid system of the present invention is installed between the fuel cell 100 and the supercap 200 for fuel cell-supercap direct mode operation different from the supercap charging mode and the discharging mode, And a direct connection relay 201 for selectively directing / disconnecting the supercap 200. The direct connection relay 201 is controlled on / off by a control signal applied from the controller 500, Mode and a different operation mode (super-cap charge mode and discharge mode).

제어기(500)(연료전지 시스템 제어기, 컨버터 제어기, 전력분배 제어기 등을 포함)는 연료전지 시스템 제어, 양방향 DC/DC 컨버터(210)의 구동 및 출력 제어, 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 제어, 동력 분배 제어 등 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 구동에 따른 제반적인 동작을 제어한다.The controller 500 (including the fuel cell system controller, the converter controller, the power distribution controller, etc.) includes a fuel cell system control, drive and output control of the bidirectional DC / DC converter 210, control of the low voltage DC / , Power distribution control, and other operations related to the operation of the fuel cell-supercap hybrid system.

본 발명에서 제어기(500)는 기본적으로 시동, 주행, 제동, 셧다운(시동 오프) 전 과정에서 시스템 내 각 구성요소의 구동을 제어하되, 키 신호(시동 및 셧다운 판단), 외기온센서의 신호(빙점 이하의 온도에서 냉시동 및 콜드 셧다운 과정 진행), 브레이크 작동 유무를 알려주는 브레이크 신호(온/오프 신호), 가속페달 신호(가속 판단), 그리고 시스템 내 전압검출신호, 즉 연료전지(100)의 전압(스택 전압)을 검출하기 위한 전압검출기(501), 메인버스단(101)의 전압을 검출하기 위한 전압검출기(502), 및 수퍼캡(200)의 전압을 검출하기 위한 전압검출기(503)의 신호를 기초로 하여 시스템 구동을 제어하게 된다. In the present invention, the controller 500 basically controls the driving of each component in the system during all steps of starting, running, braking, and shutdown (start-off) A brake pedal signal (acceleration judgment), and a voltage detection signal in the system, that is, a signal indicative of the presence or absence of the brake pedal (on / off signal) A voltage detector 502 for detecting the voltage of the main bus 101 and a voltage detector 503 for detecting the voltage of the supercap 200 And controls the system drive based on the signal.

한편, 상기와 같이 이루어진 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템이 탑재된 차량에서 본 발명에 따른 운전 제어 방법에 대해 설명하면 다음과 같다. The operation control method according to the present invention in a vehicle mounted with the above-described fuel cell-supercap hybrid system will now be described.

종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡(200) 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터(210)를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수퍼캡(200)의 파워 어시스트량을 증대시키고(저/중출력의 파워 어시스트 시간 증대), 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시키는 점에 주된 특징이 있다. In order to solve the disadvantage that the super-cap usage period is limited to the lower limit value of the fuel cell voltage or the lower limit value of the main bus voltage in the conventional fuel cell-supercap hybrid vehicle, the energy of the supercap can not be utilized sufficiently. In the present invention, (Voltage) of the supercap 200 is increased by using the bidirectional DC / DC converter 210 of the output stage of the DC / DC converter 210 to extend the supercap energy (voltage) to the set lower limit of the supercap voltage Increase), and improve the oscillation and overtaking performance of the vehicle.

이러한 본 발명에서, 차량의 시동(냉시동 포함) 및 주행, 제동, 셧다운(콜드 셧다운 포함) 전 과정 동안, 제어기(500)가 직결 스위치(201) 및 양방향 DC-DC 컨버터(210)의 구동을 제어하여, 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결 릴레이(201)에 의해 직결되는 연료전지-수퍼캡 직결모드(직결 릴레이 온), 수퍼캡 충전모드(직결 릴레이 오프), 수퍼캡 방전모드(직결 릴레이 오프)의 3가지 운전 모드로 제어가 수행되며, 이 3가지 운전 모드를 활용한 발진/추월, 회생제동, 일반 시동/일반 셧다운, 냉시동/콜드 셧다운시의 모드 천이 및 수퍼캡 제어가 수행된다.In the present invention, the controller 500 drives the direct-connection switch 201 and the bidirectional DC-DC converter 210 during the entire start-up (including cold start) of the vehicle and all the processes of running, braking, and shutdown (including cold shutdown) Supercomputer direct mode (direct connection relay on), supercap charging mode (direct connection relay off), supercap discharge mode (direct connection relay mode) in which the fuel cell 100 and the supercap 200 are directly connected by the direct coupling relay 201 Off), and the mode transition and supercap control are performed during the oscillation / overtaking, regenerative braking, normal start / normal shutdown, cold start / cold shutdown using these three operation modes.

상기의 운전 모드 중 연료전지-수퍼캡 직결모드는 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결된 모드(직결 릴레이 온)로서, 일반 주행시 실행되고, 연료전지(100)와 직결된 상태에서 수퍼캡(200)의 충방전이 자동으로 수행된다.The fuel cell-supercap direct mode is a mode in which the fuel cell 100 and the super-cap 200 are directly connected to each other (direct-coupled relay-on) 200 are automatically charged and discharged.

수퍼캡 충전모드는 수퍼캡 초기 충전 및 수퍼캡 방전 후 소진된 수퍼캡을 충전할 때 실행되며(저/중출력의 수퍼캡 충전), 수퍼캡 방전모드는 시동/셧다운(냉시 동/콜드 셧다운 포함) 및 발진/추월 가속시 파워 어시스트 증대를 위해 실행된다.The supercap charging mode is executed when the supercap charging is completed and the supercap discharged after the supercap discharge is charged (supercap charging of low / middle output), the supercap discharge mode is the startup / shutdown (including cold / cold shutdown) Is executed to increase the power assist.

첨부한 도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 각 운전 모드에서 파워 흐름을 나타낸 상태도로서, 도 3a는 연료전지-수퍼캡 직결모드를, 도 3b는 수퍼캡 충전모드를, 도 3c는 수퍼캡 방전모드를 나타낸 것이다. 또한 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 각 운전 모드의 특징을 나타낸 도면이다.3A to 3C are diagrams showing power flow in each operation mode according to the present invention, wherein FIG. 3A shows a fuel cell-supercap direct coupling mode, FIG. 3B shows a supercap charging mode, and FIG. 3C shows a supercap discharge mode . 4 is a diagram illustrating the characteristics of each operation mode according to the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지-수퍼캡 직결모드에서는 일반 주행시 연료전지(100), 수퍼캡(200), 메인버스단(101)의 전압상태에 따라 수퍼캡의 충방전이 자동으로 수행되며, 직결 릴레이(201)를 통해 연료전지(100) 및 메인버스단(101)과 수퍼캡(200)이 직결된 상태에서, 충전시 연료전지(100) 또는 구동모터(302)(회생제동시)로부터 메인버스단(101)을 경유하는 수퍼캡(200)으로의 파워 흐름과, 방전시 수퍼캡(200)으로부터 메인버스단(101)을 경유하는 파워 흐름을 보이게 된다.As shown in the figure, in the fuel cell-supercap direct connection mode, charging / discharging of the supercap is automatically performed according to the voltage state of the fuel cell 100, the supercap 200, and the main bus terminal 101 during normal traveling, ) From the fuel cell 100 or the drive motor 302 (at the time of regenerative braking) at the time of charging to the main bus terminal 101 (at the time of regenerative braking) while the fuel cell 100 and the main bus terminal 101 are directly connected to the super- And the power flow from the supercap 200 to the main bus terminal 101 at the time of discharging.

수퍼캡 충전모드에서는(직결 릴레이 오프) 시동시의 수퍼캡 초기 충전, 그리고 수퍼캡 방전모드 후 소진된 수퍼캡의 충전을 위해 연료전지(100)로부터 메인버스단(101), DC/DC 컨버터(210)를 경유하는 수퍼캡(200)으로의 파워 흐름을 보이게 된다. In the super-cap charging mode, the main bus 101 and the DC / DC converter 210 are connected to the fuel cell 100 via the main bus 101 and the DC / DC converter 210 for the initial charging of the super- The power flow to the supercap 200 is displayed.

수퍼캡 방전모드에서는 파워 어시스트 증대를 위해 수퍼캡(200)으로부터 DC/DC 컨버터(210)를 경유하는 메인버스단(101)으로의 파워 흐름을 보이게 된다.In the super-cap discharge mode, power flow from the super-cap 200 to the main bus terminal 101 via the DC / DC converter 210 is shown for the purpose of increasing the power assist.

첨부한 도 5는 발진/추월 가속시 수퍼캡의 파워 어시스트 증대가 이루어지는 운전 모드 제어 상태를 종래와 비교하여 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이, 연료전지-수퍼캡 직결모드에서 연료전지 출력을 수퍼캡 출력이 보조하여 차량 주행이 이루지다가, 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치에 도달하면, 종래에는 수퍼캡 파워 어시스트가 중단되지만, 본 발명에서는 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이내(하한치 초과)인 조건에서 DC/DC 컨버터를 통해 수퍼캡 출력이 이루어지면서 연료전지 출력을 보조하는 수퍼캡 방전모드가 실행된다. 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정되며, 이에 따라 수퍼캡 에너지의 사용 구간이 확장될 수 있게 된다. 이와 같이 종래에는 수퍼캡 에너지(전압)를 연료전지 전압 하한치까지만 사용할 수 있는 것에 비해 본 발명에서는 수퍼캡 에너지를 양방향 DC/DC의 방전모드를 이용하여 수퍼캡 방전모드의 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 사용 가능하며, 이에 따라 수퍼캡의 파워 어시스트량이 증대되어 차량의 발진 및 추월 성능이 향상될 수 있다.FIG. 5 is a diagram showing the operation mode control state in which the power assist of the supercap is increased in the acceleration / overtaking acceleration, as compared with the prior art. As shown in FIG. 5, the fuel cell output in the fuel cell- However, in the present invention, when the super-cap voltage is within the lower limit of the set super-cap voltage (lower limit value), the DC / DC converter is switched to the low- A supercap discharge mode is performed in which the fuel cell output is assisted. The lower limit value of the supercap voltage is set to be lower than the lower limit value of the fuel cell voltage, so that the use period of the supercap energy can be extended. As described above, in the present invention, the supercap energy can be used up to the lower limit value of the supercool voltage by using the discharge mode of the bidirectional DC / DC, whereas the supercap energy (voltage) Accordingly, the power assist amount of the supercap increases, and the oscillation and overtaking performance of the vehicle can be improved.

첨부한 도 6은 본 발명에서 냉시동시 수퍼캡의 에너지 보조 증대를 설명하기 위한 운전 모드 제어 상태의 예시도로서, 종래에는 냉시동시(일반 시동도 마찬가지임) 수퍼캡 에너지(전압)를 메인버스단 전압 하한치까지만 사용할 수 있는데 비해, 본 발명에서는 수퍼캡 방전모드의 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 사용 가능하도록 한다. 이때, 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정되고, 이에 따라 수퍼캡 에너지의 사용 구간이 확장되면서 수퍼캡의 에너지 보조가 증대되어, 12V 보조배터리의 사용을 최소화하면서 냉시동 가능 횟수를 증대시킬 수 있다. 또한 수퍼캡 방전모드로 냉시동을 완료한 후에는 수퍼캡 충전모드로 전환되어 수퍼캡 충전을 실시함으로써, 이후 연료전지-수퍼캡 직결모드로 전환되어 차량 주행이 이루어질 수 있게 한다.6 is a diagram illustrating an operation mode control state for explaining the energy assist increase of the cold snap super cap in the present invention. In the related art, supercap energy (voltage) However, in the present invention, it is possible to use up to the lower limit value of the supercap voltage set in the supercap discharge mode. At this time, the lower limit value of the supercap voltage is set to be lower than the lower limit voltage of the main bus voltage, so that the supercap energy assistance is increased as the use period of the supercap energy is expanded, so that the number of times of cold starting can be increased while minimizing the use of the 12- have. After completion of the cold start in the super-cap discharge mode, the super-cap charging mode is switched to the super-cap charging mode so that the vehicle can be switched to the fuel cell-supercap direct-connection mode.

수퍼캡 충전을 통해 연료전지 자체 발열 과정을 위한 히트싱크(heat sink) 기능을 수행할 수 있으므로, 기존 히트싱크의 용량을 최소화할 수 있다. 연료전지 자체 발열은 냉시동 완료 후 연료전지 파워링을 통해 스택 내부의 온도를 상승시키기 위한 필수적인 프로세스로서, 도 6에서 A>B인 경우 별도의 히트싱크(A-B 차이 소진을 위한 부하, 예, 저항)가 필요하다. 본 발명에서 수퍼캡 충전모드를 통해 소진된 수퍼캡 에너지를 충전하고, 이러한 수퍼캡 충전은 연료전지 자체 발열을 위한 히트싱크의 작용을 수행하게 된다.The capacity of the existing heat sink can be minimized since the heat sink function for the self-heating process of the fuel cell can be performed through the supercap charging. The self-heating of the fuel cell is an essential process for raising the temperature inside the stack through powering of the fuel cell after completion of the cold start. In the case of A> B in FIG. 6, a separate heat sink (load for exhausting AB difference, ) Is required. In the present invention, the supercap energy exhausted through the supercap charging mode is charged, and the supercap charging performs the function of the heat sink for the heat generation of the fuel cell itself.

첨부한 도 7과 도 8은 본 발명에 따른 모드 전환이 이루어지는 예를 나타낸 순서도로서, 도 7은 시동 및 주행이 이루어지는 동안 모드 전환의 예를 나타낸 것이고, 도 8은 섯다운시 모드 전환의 예를 나타낸 것이다.7 and 8 are flowcharts showing an example of mode switching according to the present invention. FIG. 7 shows an example of mode switching during startup and running. FIG. 8 shows an example of mode switching .

우선, 도 7에서, 제어기(500)가 키 신호로부터 시동 온(Key On)을 검출하면, 전압검출기(503)의 검출신호를 토대로 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압을 초과하는지를 판정하고(S11), 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압을 초과하면, 제어기(500)로부터 인가되는 제어신호에 의해 직결 스위치(201)가 온(On) 되면서 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)로 제어된다(S12).7, when the controller 500 detects a key on from the key signal, it determines whether the super-cap voltage exceeds the main bus voltage based on the detection signal of the voltage detector 503 (S11) When the supercap voltage exceeds the main bus terminal voltage, the direct switch 201 is turned on by the control signal applied from the controller 500 and is controlled to the fuel cell-supercap direct connection mode (M1 mode) (S12).

이때, 수퍼캡(200)의 출력 에너지를 이용하여 공기블로워, 수소 재순환 블로워 등 연료전지 보기류를 포함하여 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜(시동을 위한 보기류에 파워 공급) 연료전지 시동을 완료한다(S13,S14).At this time, by using the output energy of the supercap 200, various loads such as an air blower, a hydrogen recirculation blower, and the like including a fuel cell type are required to start the fuel cell (including cold start) Power supply) The fuel cell start is completed (S13, S14).

반면, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이내에서 수퍼캡(200)의 출력 에너지를 이용하는 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 시동을 완료한다(S15~S18). 즉, 수퍼캡 전압 하한치 이내인(하한치를 초과하는) 조건에서 DC/DC 컨버터(210)의 출력 제어를 통해 수퍼캡(200)에서 출력되는 에너지를 이용하여 연료전지 보기류를 포함한 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜(시동을 위한 보기류에 파워 공급) 시동을 진행하는 것이다.On the other hand, if the super-cap voltage is below the lower limit of the main bus voltage, the startup is completed in the super-cap discharge mode (M3 mode) using the output energy of the super-cap 200 within the set lower limit of the super-cap voltage (S15 to S18). That is, by using the energy output from the supercap 200 through the output control of the DC / DC converter 210 under the condition that the supercap voltage is within the lower limit (exceeding the lower limit), the fuel cell including the fuel cell type (Including power supply to the starter for starting) and start the engine.

만약, 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하인 상태라면, 수퍼캡 방전모드를 중지하고(S19) 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 부스트 제어를 통해 저전압 배터리(400)의 전압을 부스팅하여 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜 시동을 완료한다(S20,S21).If the super-cap voltage is below the set super-cap voltage lower limit, the super-cap discharge mode is stopped (S19) and the voltage of the low-voltage battery 400 is boosted through boost control of the low-voltage DC / DC converter 410, (Including start-up), the start-up is completed (S20, S21).

시동이 완료되고 나면, 수퍼캡 충전모드(M2 모드)로 전환하여 수퍼캡 초기 충전이 실시되도록 한 뒤(S22), 수퍼캡 전압이 상승하여 연료전지 전압 대비 일정 수준에 도달했는지를 판정하고(S23), 수퍼캡 전압이 목표치까지 상승하게 되면 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)로 전환하여(직결 스위치 온)(S24) 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결된 상태에서 수퍼캡 자동 충방전이 이루어지면서(S25) 차량 주행이 이루어지게 된다. After the startup is completed, the mode is switched to the super-cap charging mode (M2 mode) to perform the initial charging of the super-cap (S22), and then it is determined whether the super-cap voltage has risen to reach a certain level with respect to the fuel cell voltage (S23) When the voltage rises to the target value, the fuel cell is switched to the supercap direct mode (M1 mode) (direct switch on) (S24) and the supercap automatic charge / discharge is performed in a state where the fuel cell 100 and the supercap 200 are directly connected (S25) and the vehicle is driven.

이러한 수퍼캡 자동 충방전이 이루어지는 동안 수퍼캡 방전시에는 기본적으로 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하여 차량 주행이 이루어지고, 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)에서 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하가 되면, 직결 릴레이(201)를 오프시킨 뒤 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로의 전환이 이루어진 다(S27).During super-cap automatic charging and discharging, the super-cap output basically assists the fuel cell output during the super-cap discharging. When the super-cap voltage becomes lower than the fuel cell voltage lower limit in the fuel cell-supercap direct coupling mode (M1 mode) , The direct connection relay 201 is turned off and the supercharging discharge mode is switched to the M3 mode (S27).

수퍼캡 방전모드에서는 방전으로 인해 수퍼캡 전압이 낮아져 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지는 DC/DC 컨버터(210)를 통해 수퍼캡 출력이 이루어지도록 하고, 이로써 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하는 차량 주행이 이루어지게 된다(S28).In the supercap discharge mode, the supercap output is made through the DC / DC converter 210 until the supercap voltage drops due to the discharge and reaches the lower limit value of the supercap voltage. Thus, until the supercap voltage reaches the lower limit value, An auxiliary vehicle travel is performed (S28).

또한 제어기(500)가 차량 주행 중 브레이크 신호 등을 참조하여 회생제동 조건을 검출하거나, 수퍼캡 전압이 수퍼캡 방전모드의 수퍼캡 전압 하한치 이하임을 판정하게 되면, 수퍼캡 충전모드(M2 모드)로 전환하여(S29~S31) 연료전지(100)에서 생성된 에너지 또는 구동모터(302)에서 생성된 회생에너지로 수퍼캡(200)을 충전하게 된다(S32). When the controller 500 detects a regenerative braking condition by referring to a brake signal or the like while the vehicle is running or determines that the super-cap voltage is lower than the super-cap voltage lower limit value in the super-cap discharge mode, the super- S31) The supercap 200 is charged with the energy generated by the fuel cell 100 or the regenerative energy generated by the driving motor 302 (S32).

다음으로, 도 8을 참조하여 연료전지 셧다운시(콜드 셧다운 포함) 운전 모드 제어를 설명하면, 제어기(500)가 키 신호 입력으로 시동 오프(Key Off)를 검출하면, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치를 초과하는지를 판정하고(S41), 메인버스단 전압 하한치를 초과하면, 연료전지-수퍼캡 직결모드(직결 릴레이 온)(M1 모드)에서 수퍼캡 에너지를 이용하여 통상의 셧다운을 수행한다(S42~S44).Next, referring to FIG. 8, the operation mode control at the time of fuel cell shutdown (including the cold shutdown) will be described. When the controller 500 detects a key off by a key signal input, (S41). When the voltage exceeds the lower limit value of the main bus voltage, normal shutdown is performed using supercap energy in the fuel cell-supercap direct coupling mode (direct coupling relay ON) (M1 mode) (S42 to S44 ).

예컨대, 공기 공급은 중단하되, 수소 공급은 유지하고, 이와 함께 릴레이(111)를 온(On) 하여 연료전지(100)에서 출력되는 전류가 부하장치(110)에서 소모되도록 함으로써, 스택 내부의 산소 소진 및 전압을 제거하게 된다. 이때, 수소 재순환 블로워 등 셧다운 과정에서 필요한 전기에너지는 수퍼캡 에너지를 이용한다.For example, the air supply is interrupted while the hydrogen supply is maintained, and the relay 111 is turned on to consume the current output from the fuel cell 100 in the load device 110, Exhaustion and voltage are removed. At this time, the electric energy required for the shutdown process such as the hydrogen recirculation blower uses the supercap energy.

반면, 시동 오프 검출 후, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 직결 릴레이(201)를 오프하여 수퍼캡 방전모드(M3 모드)에서 수퍼캡 에너지를 이용해 통상의 셧다운 과정을 진행한다(S45~S48). 이때, DC/DC 컨버터(200)를 통해 수퍼캡 출력 제어가 이루어지며, 수퍼캡 방전모드에 의한 셧다운은 수퍼캡 전압이 수퍼캡 방전모드의 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 진행된다.On the other hand, if the super-cap voltage is less than the lower limit of the main bus voltage after the start-up detection, the direct-connect relay 201 is turned off and the normal shutdown process is performed using the supercap energy in the supercharged discharge mode (M3 mode) (S45 to S48) . At this time, supercap output control is performed through the DC / DC converter 200, and the shutdown by the supercap discharge mode proceeds within a range in which the supercap voltage exceeds the supercap voltage lower limit of the supercap discharge mode.

만약, 수퍼캡 전압이 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전모드(M3 모드)는 중지되고(S49), 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 부스트 제어를 통해 저전압 배터리(400)의 전압을 부스팅하여 저전압 배터리의 에너지를 셧다운 과정에서 필요한 전기에너지로 사용한다(S50,S51). If the super-cap voltage is below the super-cap voltage lower limit, the supercap discharge mode (M3 mode) is stopped (S49) and the voltage of the low-voltage battery 400 is boosted through the boost control of the low- Is used as electric energy required in the shutdown process (S50, S51).

이와 같이 본 발명에서는 시동시나 셧다운시 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치가 아닌 수퍼캡 전압 하한치 이내에서 수퍼캡 에너지를 이용하여 시동 또는 셧다운 과정을 진행하게 됨으로써 12V 저전압 배터리의 사용 횟수를 줄일 수 있다.As described above, according to the present invention, when starting or shutting down, the startup or shutdown process is performed using the supercap energy within the lower limit value of the fuel cell voltage or the lower limit value of the main bus voltage, which is not lower than the lower limit value of the main bus voltage, thereby reducing the frequency of use of the 12V low voltage battery.

특히, 차량 시동 후 발진 및 추월 가속시에 수퍼캡 사용 구간을 수퍼캡 전압 하한치로 확대 적용함으로써 수퍼캡 파워 어시스트량을 증대시킬 수 있고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있게 된다.Particularly, when the vehicle starts up and accelerates and accelerates, the supercap usage period is extended to the lower limit value of the supercap voltage, thereby increasing the amount of supercap power assist and improving the oscillation and overtaking performance of the vehicle.

첨부한 도 9는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 전반적인 운전 모드 전환 상태를 예시한 도면으로서, 시동 후 초기 충전시 수퍼캡 충전모드(M2 모드), 이후 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드), 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지 수퍼캡이 파워 어시스트를 수행하는 수퍼캡 방전모드(M3 모드), 회생제동시의 수퍼캡 충전모드, 회생제동 오프 후 연료전지-수퍼캡 직결모드가 순차적으로 전환되는 예를 보여주고 있다.FIG. 9 is a diagram illustrating an overall operation mode switching state of the fuel cell-supercap hybrid vehicle according to the present invention. In FIG. 9, a supercap charging mode (M2 mode) ), A supercap discharge mode (M3 mode) in which the supercap performs the power assist until the supercap voltage reaches the set lower limit of the supercap voltage, a supercap charging mode in the regenerative braking mode, and a fuel cell- As shown in Fig.

또한 연료전지-수퍼캡 직렬모드(M1 모드)에서 셧다운 후 냉시동 과정시 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 전환하여 냉시동을 완료하고, 이후 수퍼캡 충전모드(M2 모드)에서 수퍼캡을 초기 충전(연료전지 자체 발열을 위한 히트싱크 기능 동시 수행)한 뒤, 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)에서 차량 주행이 이루어지다가, 빙점 이하의 온도에서 진행되는 셧다운(콜드 셧다운) 과정시 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 전환되는 예를 보여주고 있다. In the fuel cell-supercap serial mode (M1 mode), the system is switched to the supercap discharge mode (M3 mode) during the cold start process after the shutdown to complete the cold start. (M3 mode) during a shutdown (cold shutdown) process at a temperature lower than a freezing point after the vehicle travels in a fuel cell-supercap direct mode (M1 mode) ). ≪ / RTI >

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. And are also included in the scope of the present invention.

도 1은 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.1 is a power net configuration diagram of a fuel cell-supercap direct-coupled hybrid system.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.2 is a power net configuration diagram of a fuel cell-supercap hybrid system according to the present invention.

도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 운전 모드에서 파워 흐름을 나타낸 상태도로서, 도 3a는 연료전지-수퍼캡 직결모드를, 도 3b는 수퍼캡 충전모드를, 도 3c는 수퍼캡 방전모드를 나타낸 도면이다.FIGS. 3A to 3C are diagrams showing power flows in an operation mode according to the present invention, wherein FIG. 3A shows a fuel cell-supercap direct mode, FIG. 3B shows a supercap charging mode, and FIG. 3C shows a supercap discharge mode.

도 4는 본 발명에 따른 각 운전 모드의 특징을 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing the characteristics of each operation mode according to the present invention.

도 5는 발진/추월 가속시 수퍼캡의 파워 어시스트 증대가 이루어지는 본 발명의 운전 모드 제어 상태를 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view showing the operation mode control state of the present invention in which the power assist of the supercap is increased in the case of the acceleration of the oscillation / overtaking, compared with the conventional case.

도 6은 본 발명에서 냉시동시 수퍼캡의 에너지 보조 증대를 설명하기 위한 운전 모드 제어 상태의 예시도이다.Fig. 6 is an exemplary view showing an operation mode control state for explaining the energy-assisted increase of the instantaneous super-cap in the present invention. Fig.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 모드 전환이 이루어지는 예를 나타낸 순서도로서, 도 7은 시동 및 주행이 이루어지는 동안 모드 전환의 예를 나타낸 것이고, 도 8은 섯다운시 모드 전환의 예를 나타낸 것이다.FIGS. 7 and 8 are flowcharts showing an example in which mode switching according to the present invention is performed. FIG. 7 shows an example of mode switching during startup and running, and FIG. .

도 9는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 전반적인 운전 모드 전환 상태를 예시한 도면이다.9 is a diagram illustrating a general operation mode switching state of the fuel cell-supercap hybrid vehicle according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art

100 : 연료전지 200 : 수퍼캡100: Fuel cell 200: Supercap

210 : 양방향 DC/DC 컨버터 220 : 고전압 구동 부품210: bidirectional DC / DC converter 220: high voltage driven component

301 : 인버터 302 : 구동모터301: inverter 302: drive motor

400 : 저전압 배터리 410 : 저전압 DC/DC 컨버터400: Low Voltage Battery 410: Low Voltage DC / DC Converter

Claims (8)

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 주행 중에 수퍼캡 전압을 연료전지 전압 하한치와 비교하는 단계와;Comparing the supercap voltage with the fuel cell voltage lower limit during running of the fuel cell-supercap hybrid vehicle; 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전 및 출력 보조가 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 전환하는 단계;Switching to a super-cap discharge mode in which direct connection between the fuel cell and the super-cap is canceled when the super-cap voltage is below the lower limit of the fuel cell voltage, and super-cap discharge and output assistance is performed through the bidirectional DC / DC converter at the super- 를 포함하고,Lt; / RTI &gt; 차량 주행 중 상기 수퍼캡 방전모드에서는 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하도록 하며, The supercap output assists the fuel cell output within a range in which the supercap voltage exceeds a predetermined lower limit of the supercap voltage in the supercharging mode during driving of the vehicle, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와;Comparing the supercap voltage with the main bus voltage lower limit at startup of the fuel cell-supercap hybrid vehicle; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 시동을 진행하는 단계;If the super-cap voltage is lower than the lower limit of the main-bus voltage, proceeding to start the fuel cell in a super-cap discharge mode in which the super-cap discharge is performed through the bidirectional DC / DC converter with the direct connection between the fuel cell and the super- 를 더 포함하고,Further comprising: 연료전지 시동 중 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein the fuel cell start-up is performed using supercap energy within a range in which the super-cap voltage exceeds a predetermined lower limit value of the super-cap voltage in the super-cap discharge mode during starting the fuel cell. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하가 되거나 회생제동 조건이 검출되면, 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 충전이 이루어지는 수퍼캡 충전모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein when the supercap voltage is lower than the set supercap voltage lower limit value or the regenerative braking condition is detected in the supercap discharge mode, the supercap charging mode is switched to the supercap charging mode in which the supercap charging is performed through the bidirectional DC / DC converter Control method. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein the supercap voltage lower limit value is set to be lower than the lower limit value of the fuel cell voltage. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전을 중지하고 저전압 DC/DC 컨버터를 부스트 제어하여 저전압 배터리의 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein when the super-cap voltage is lower than the predetermined super-cap voltage lower limit in the super-cap discharge mode, the super-cap discharge is stopped and the low-voltage DC / DC converter is boosted to start the fuel cell using energy of the low-voltage battery. A method of controlling a vehicle. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 셧다운시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와;Comparing the supercap voltage with the main bus voltage lower limit during shutdown of the fuel cell-supercap hybrid vehicle; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 셧다운을 진행하는 단계;Performing fuel cell shutdown in a super-cap discharge mode in which a super-cap discharge is performed through the bidirectional DC / DC converter in a state where the direct connection between the fuel cell and the super-cap is released if the super-cap voltage is lower than a lower limit value of the main bus voltage; 를 더 포함하고,Further comprising: 연료전지 셧다운 중 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein the fuel cell shutdown is performed using super-cap energy within a range in which the super-cap voltage exceeds a predetermined lower limit value of the super-cap voltage in the super-cap discharge mode during shutdown of the fuel cell. 청구항 6에 있어서,The method of claim 6, 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전을 중지하고 저전압 DC/DC 컨버터를 부스트 제어하여 저전압 배터리의 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein when the supercap voltage is lower than the set supercap voltage lower limit value in the supercap discharge mode, the supercap discharge is stopped and the low voltage DC / DC converter is boosted controlled so that the fuel cell shutdown proceeds using energy of the low voltage battery. A method of controlling a vehicle. 청구항 1, 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.Wherein the set lower limit value of the supercap voltage is set to be lower than the lower limit value of the main bus voltage.
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