KR102496656B1 - 연료전지 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 외부에 전원을 공급하며 방전하는 배터리와, 상기 연료전지와 상기 배터리를 연결하는 HDC(high-voltage DC-DC converter)와, 차량의 절연저항값이 기 설정된 최소절연저항값 이상이 되게하기 위해, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하고, 설정된 전력 범위 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충방전하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 HDC의 절연저항의 이상 시에도 일정 범위 내에서는 HDC를 이용하며 연료전지 시스템을 효과적으로 구동시킬 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THEROF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 내 절연저항 이상시 절연저항을 확보하기위해 제어하는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법이다.
연료전지 시스템에는 공기극, 전해질막 및 한 쌍의 전극을 갖는 연료전지와, 고전압배터리, HDC(High-voltage DC-DC convertor) 등이 채용된다. 연료전지 시스템의 기동 중에는 캐소드 전극으로 공기가 공급되고, 애노드 전극으로 수소가 공급되며, 고전압배터리는 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 차량 내부 장치에 전원을 공급하며 방전한다.
이러한 연료전지 시스템은 고전압으로 구성되는데, 시스템의 전압이나 절연저항 등을 모니터링하기 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 또는 스택 전압 모니터부(stack voltage monitor, SVM)가 연료전지 시스템에 채용된다.
예를 들면, BMS는 시스템의 안전성 확보를 위해 배터리 릴레이를 차단하고 차량 주행을 중지시킬 수 있다. 예를 들어, 배터리 누액/열화, 케이블 단락, 기타 차량 내 고전압 시스템이나 전자 부품에서의 절연 저항의 파괴로 차량 섀시(chassis)에 누전되는 경우, 탑승자의 전기 감전에 대한 안전성 확보를 위하여 해당 차량 상태를 운전자에게 경보하고 차량 주행을 중지시킬 수 있다.
그러나, 종래의 연료전지 시스템에서는, 차량 주행 중 절연파괴 고장시 어느 부품이 문제인지를 확인하기가 어렵고, 고장시 경고 및 전체 시스템을 셧다운 시키는 단순한 구조로 이루어져 있었다. 이때문에, 운전자가 차량을 안전한 곳으로 이동시키거나, 차량을 수리하기 위해 최소한의 운행을 할 수가 없어, 위험성 및 불편함이 존재하였다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제 들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 연료전지 시스템의 절연 이상시에도, 운전자의 안전을 확보하면서도 가능한 연료전지 시스템을 효율적으로 이용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 외부에 전원을 공급하며 방전하는 배터리와, 상기 연료전지와 상기 배터리를 연결하는 HDC(high-voltage DC-DC converter)와, 차량의 절연저항값이 기 설정된 최소절연저항값 이상이 되게하기 위해, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하고, 설정된 전력 범위 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충방전하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, HDC에 인가되는 전력범위를 설정하는 단계와, 설정된 전력범위에 따라 상기 HDC가 동작하며 배터리가 충전 또는 방전하는 단계를 포함한다. 설정된 상기 전력범위 내에서 상기 HDC가 동작하는 동안 연료전지차량의 절연저항값은 기 설정된 최소절연저항값 이상이 된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량은, 차량의 구동장치에 전원을 공급하는 배터리와, 상기 배터리와 전기적으로 접속되는 HDC와, 상기 배터리가 충전 또는 방전될 때 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하고, 설정된 전력 범위 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충전 또는 방전하도록 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 HDC에 설정된 전력 범위 내의 전력이 인가되면, 차량의 절연저항값이 기 설정된 최소절연저항값 이상으로 유지되게 된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 차량의 절연저항값이 기 설정된 최소절연저항값 이상이 되게하기 위해 설정된 전력 범위 내에서 HDC가 동작하며 배터리가 충방전하도록 제어하는 방법 등을 통해, 연료전지 시스템의 절연 이상 시에도, 운전자의 안전을 확보하면서 가능한 연료전지 시스템을 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이다.
도 3은 도 2의 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는 단계(S1300)를 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 4는 도 2의 HDC에 인가되는 전력의 범위를 재설정하는 단계(S1500)를 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 HDC 절연저항 이상시 HDC에 인가되는 전력값에 따른 절연저항값에 관한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 연료를 공급받아 기동하는 연료전지(100), 충방전이 가능한 배터리(200), 양방향컨버터(300), 연료전지 시스템 내부의 구성 간의 연결을 단속하는 릴레이(400), 제어부(500), 연료전지 스택의 전압을 모니터링하는 스택 전압 모니터부(600), 배터리의 전압을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(700)을 포함한다.
실시예에 따라서 연료전지 시스템은, 상기 구성들 중 일부를 포함하지 않거나 추가적으로 구성을 더 포함하는 것도 가능하나, 연료전지(100), 배터리(200) 및 제어부(500)은 포함한다.
연료전지(100)는 전해질막과, 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극을 구비하는 연료전지 스택을 포함한다.
연료전지(100)의 기동 중에는 연료전지 스택의 캐소드 전극으로 산소를 포함한 공기가 공급되고, 연료전지 스택의 애노드 전극으로 수소가 공급되며, 연료전지(100)에서 전력이 생성된다.
연료전지(100)에서 공급하는 고전압은 양방향컨버터(300)에 의해 감압되어 배터리(200)로 제공되어, 배터리(200)를 충전할 수 있다. 또한, 배터리(200)는 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수하여 충전될 수도 있다.
배터리(200)는 주동력원인 연료전지(100)와 더불어 차량의 구동에 필요한 파워를 제공하기위한 보조동력원으로 사용된다. 배터리(200)는 단방향성 출력 특성을 가지는 연료전지(100)와 달리 충전 또는 방전이 가능하여, 차량의 시스템의 효율성을 높일 수 있다.
이와 같이 연료전지(100)와 배터리(200)를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량이 시스템의 효율성을 향상시킬 수 있는 것과는 별개로, 연료전지(100)와 고전압의 배터리(200)를 동시에 사용함에 따라 절연저항이 일정수준 이하로 내려가 운전자가 감전될 위험은 높아지게 되었다.
특히, 양방향컨버터(300)는 차량의 저면에 가깝게 설치되어 연료전지(100) 등으로부터 물이 유입되기 쉬운 구조이므로, 절연저항 문제에 취약하다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 절연저항이 일정수준 이하로 내려가 운전자가 위험에 처하는 것을 방지하면서도, 가능하면 차량을 운행가능한 상태로 유지하기 위한 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 양방향컨버터의 절연문제로 인해 차량의 절연저항이 일정 수준 이하로 떨어질 시, 양방향컨버터에 인가되는 전력을 제한함으로써, 위의 문제들을 해결하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 위와 같은 기술을 구현하기 위해, 절연저항값이 일정 이상이 되도록 하기위한 양방향컨버터에 인가되는 전력의 범위를 설정하고, 설정된 범위 내에서 양방향컨버터가 동작하며 시스템이 기동하도록 제어하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
도 1을 참조하면, 연료전지(100)와 배터리(200)가 HDC(300)를 통해 전기적으로 접속될 수 있다.
양방향컨버터(또는 HDC)(bidirectional high-voltage DC-DC convertor, BHDC)(300)는 연료전지 (100)과 배터리(200)간 전류이동 방향을 제어하기 위하여 연료전지 출력단의 전압을 조정할 수 있다.
예를 들면, 양방향컨버터(300)는 연료전지 출력단의 전압을 연료전지(100)와 양방향컨버터(300)의 고전압버스단의 전압보다 낮게 조정하여 배터리(200)가 충전되도록 할 수 있다. 반대로 양방향컨버터(300)는 연료전지 출력단의 전압을 연료전지(100)와 양방향컨버터(300)의 고전압버스단의 전압보다 높게 조정하여 배터리(200)가 방전되도록 할 수 있다. 여기서 양방향컨버터(510)의 고전압버스단 전압은 연료전지차량의 구동모터(미도시)의 파워에 따른 전압을 의미하며 구동모터가 파워를 필요로 하는 경우에는 고전압버스단 전압이 내려가며, 반대로 회생제동의 경우에는 고전압버스단 전압이 상승될 수 있다.
릴레이(400)는 연료전지(100)와 양방향컨버터(300) 사이의 연결을 단속할 수 있다. 예를 들면, 릴레이(400)는 연료전지(100)와 양방향컨버터(300)를 연결시키기위해 폐쇄되어, 연료전지(100) 및 배터리(200)가 차량의 구동장치(또는 구동모터)에 동력원을 제공하는 하이브리드 모드로 차량이 구동될 수 있다. 또는, 릴레이(400)는 연료전지(100)와 양방향컨버터(300) 사이의 연결을 단절시키기위해 개방되어, 연료전지(100)만 차량의 구동장치(또는 구동모터)에 동력원을 제공하는 연료전지 모드로 차량이 구동될 수 있다.
제어부(500)는 연료전지 시스템의 각 구성들을 제어할 수 있다.
제어부(500)는 연료전지(100)의 출력단에 연결되어 연료전지 스택의 전압 또는 절연저항 등을 모니터링하는 스택 전압 모니터부(600)로부터 전압 또는 절연저항에 관한 정보를 획득할 수 있다.
제어부(500)는 배터리(200)의 출력단에 연결되어 배터리(200)의 전압 또는 절연저항 등을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(700)으로부터 배터리(200)의 전압 또는 절연저항에 관한 정보를 획득할 수 있다.
제어부(500)는 획득한 전압 또는 절연저항에 관한 정보들에 기초하여, 연료전지 시스템의 각 구성들을 제어할 수 있다. 제어부(500)의 제어방법에 관하여 보다 상세하게는 도 2 이하를 참조하여 후술하기로 한다.
제어부(500)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
스택 전압 모니터부(600)는 연료전지 스택의 전압이나 절연저항을 감지하는 기능 이외에도, 절연저항이 위험수준으로 떨어지는 등의 조건을 만족할 시 연료전지 시스템이 셧다운되도록 제어하는 제어기능을 수행하도록 구성될 수도 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(700)는 배터리(200)의 전압 또는 절연저항을 감지하는 기능 이외에도, 배터리(200)에 인가되는 전압의 크기를 조정하거나, 배터리(200)로 유입되는 전류량을 조절하거나, 절연저항이 위험수준으로 떨어지는 등의 조건을 만족할 시 연료전지 시스템이 셧다운되도록 제어하는 제어기능을 수행하도록 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이고, 도 3은 도 2의 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는 단계(S1300)를 설명하기 위한 제어순서도이고, 도 4는 도 2의 HDC에 인가되는 전력의 범위를 재설정하는 단계(S1500)를 설명하기 위한 제어순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 HDC 절연저항 이상시 HDC에 인가되는 전력값에 따른 절연저항값에 관한 그래프이다.
이하에서는 도 2 이하를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 관하여 설명하기로 한다.
제어부(500)는 스택 전압 모니터부(600) 또는 배터리 관리 시스템(700) 등에 의해 차량의 절연저항값이 기 설정된 제1 저항값 이하인 것으로 감지되면, HDC 절연저항 이상여부를 판단하고 제어하는 로직을 개시할 수 있다(S1100).
제어부(500)는 양방향컨버터(300) 또는 양방향컨버터(300)와 연결된 구성으로부터, 양방향컨버터(300)에 인가된 전력값 및 양방향컨버터(300)에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 수 있다(S1200).
제어부(500)는 배터리(200)가 충전 또는 방전되며 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 양방향컨버터(300)에 인가된 전력값 및 양방향컨버터(300)에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 수 있다.
제어부(500)는 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 때의 상기 배터리(200)의 충전(또는 방전)속도는, 상기 배터리(200)가 상기 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 외부에 전원을 공급하며 방전하는 정상작동 시의 충전(또는 방전)속도 보다 느리게 제어할 수 있다. 연료전지 시스템의 정상작동 시에는 HDC를 최대파워로 사용하기 때문에, HDC의 값은 O 또는 최대값이 되어 HDC에 인가되는 파워와 절연저항값의 상관관계를 알기가 어렵다. 위와 같이 데이터를 획득할 때의 배터리(200)의 충방전 속도를 제어함으로써, 이후에 HDC의 절연이상여부를 판단하기 위한 데이터를 획득할 수 있다.
제어부(500)는 차량의 절연저항값이 제1 저항값(R1)인 시점부터 제2 저항값(R2) 이하가 되는 시점까지 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 수 있다. 제2 저항값(R2)는 제1 저항값(R1) 보다는 낮고 최소절연저항값(Rm) 보다는 높게 설정될 수 있다. 이와 같이, 최소절연저항값(Rm)에 도달할 때까지 데이터를 획득하지 않고 제1 저항값(R1)과 제2 저항값(R2) 사이의 데이터들을 획득하는 함으로써, 데이터들을 획득하는데 걸리는 시간을 줄일수 있다. 또한, 절연저항값을 최소절연저항값(Rm) 가까이 내리는 것은 운전자의 감전위험을 높이는 것이므로 바람직하지 않다.
한편, 제어부(500)는 차량의 절연저항값이 제1 저항값(R1)인 시점부터 양방향컨버터(300)에 인가될 수 있는 최대전력이 인가된 시점까지 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 수 있다. 이와 같이 양방향컨버터(300)에 인가될 수 있는 최대전력이 인가될 때까지도 차량의 절연저항값이 제2 저항값(R2)에 이르지 않는다면 양방향컨버터(300)를 최대파워로 이용할 수 있는 것이므로, 더 이상 데이터를 획득할 필요가 없기 때문이다. 또는, 절연저항 이상이 HDC의 문제가 아니라 다른 구성의 문제일 수 있다.
제어부(500)는 획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 설정할 수 있다(S1300).
제어부(500)는 상기 양방향컨버터(300)에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태에서 절연저항값이 기 설정된 제1 저항값(R1) 이하인 경우, 상기 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 설정할 수 있다.
양방향컨버터(300)에 기 설정된 값 이상의 전력이 인가되지 않을 상태에서는, 절연 문제가 있다고 하더라도 양방향컨버터(300)로 인한 것일 가능성이 낮다. 또한, 양방향컨버터(300)에 인가된 파워가 기 설정된 값 미만인 상태에서 획득한 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들은 정확하지 않을 수 있다. 따라서, 양방향컨버터(300)에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태에서 절연저항값이 기 설정된 제1 저항값(R1) 이하인 경우에 양방향컨버터(300)에 인가할 전력의 범위를 설정하는 것이 의미가 있을 수 있다.
제어부(500)는 획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초할 때, 상기 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값(V1)보다 큰지 판단할 수 있다(S1310).
도 5를 참조하여 예를 들면, 연료전지 시스템의 절연문제가 없는 정상 상태에서는 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값의 변화와 관계없이 절연저항값이 일정범위 내로 유지될 것이지만, 양방향컨버터(300)에 절연문제가 있을 경우 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값이 커질수록 절연저항값은 감소할 수 있다.
양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값의 변화와 차량의 절연저항값이 일정 수준 이상의 상관관계를 가지면, 양방향컨버터(300)의 절연 이상으로 인해 차량의 절연저항값이 떨어진 것으로 볼 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 제어부(500)는 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값의 변화에 대한 절연저항값의 변화율, 즉 도 5의 그래프의 기울기가 기 설정된 값(V1)보다 큰 경우에, 절연저항값을 일정 이상으로 유지하기 위해 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 설정할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 'HDC 전력값의 변화에 대한 절연저항값의 변화율'을 기 설정된 값(V1)와 비교하였으나, 다른 실시예에서 '절연저항값의 변화에 대한 HDC 전력값의 변화율'을 기 설정된 값(V2)와 비교하는 것도 가능하다. 이 경우에도 위와 마찬가지로 변화율이 기 설정된 값(V2) 보다 큰 경우에 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값과 절연저항값이 상관관계가 있는 것으로 볼 수 있다.
제어부(500)는 상기 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값(V1)보다 큰 경우, 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값과 절연저항값에 관한 식을 계산할 수 있다(S1320).
도 5를 참조하면, 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값과 절연저항값에 관한 식은, 일차함수 또는 일차식으로 계산될 수 있다. 제어부(500)는 획득한 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 일차함수 꼴의 추세식을 계산할 수 있다. 즉, 제어부(500)는 획득한 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 절연저항값이 최소절연저항값(Rm)에 도달하게되는 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력을 구하기 위해 도 5와 같이 나타나는 근사식 또는 상관관계를 계산할 수 있다.
양방향컨버터(300)의 전력값과 절연저항값에 관한 식은, 도 5와 같이 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력값이 커짐에 따라 절연저항값이 감소하는 일차함수로 계산될 수 있다.
한편, 배터리(200)가 충전되는 구간에서 양방향컨버터(300)에 일정 전력이 인가되었을 때의 차량의 절연저항값과, 배터리가 방전되는 구간에서 양방향컨버터(300)에 동일한 전력이 인가되었을 때의 차량의 절연저항값은 다를 수 있다. 따라서, 배터리(200)가 충전되는 구간에서 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 상한과 배터리(200)가 방전되는 구간에서 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 상한은 각각 다르게 설정되어야 한다.
제어부(500)는 상기 배터리가 충전되는 구간과 방전되는 구간 각각에 대하여, 획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여 상기 전력값과 절연저항값에 관한 식을 계산할 수 있다. 즉, 제어부(500)는 상기 배터리가 충전되는 구간과 방전되는 구간에서 획득한 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 상기 배터리가 충전되는 구간과 방전되는 구간 각각에 대하여 전력값과 절연저항값에 관한 식을 계산할 수 있다.
제어부(500)는 계산된 전력값과 절연저항값에 관한 식과 최소절연저항값(Rm)에 기초하여, 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 설정할 수 있다(S1330). 즉, 제어부(500)는 계산된 전력값과 절연저항값에 관한 식과 최소절연저항값(Rm)에 기초하여, 상기 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 최대값을 설정할 수 있다.
도 5를 참조하여 예를 들면, 제어부(500)는 절연저항값이 제1 저항값(R1)과 제2 저항값(R2) 사이인 범위의 데이터들에 기초하여 그래프와 같이 나타나는 식을 계산하고, 그 식에 최소절연저항값(Rm)을 대입하여 양방향컨버터(300)에 인가될 수 있는 전력값의 상한(WM)을 설정할 수 있다.
제어부(500)는 전력값과 절연저항값에 관한 식에 최소절연저항값(Rm)을 대입하여 계산된 값(WM) 보다 기 설정된 비율만큼 높은 값을 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 최대값으로 설정할 수 있다.
위와 같은 식에 의해 계산된 값(WM)은 추정값이므로, 실제로 절연저항값이 최소절연저항값(Rm)에 도달하는 양방향컨버터(300)의 전력값과는 차이가 날 수 있다. 또한, 양방향컨버터(300)의 절연저항이 시간이 지남에 따라 회복되는 경우도 있을 수가 있다. 예를 들면, 양방향컨버터(300) 내로 물이 유입되어 절연저항이 낮아진 경우, 시간이 지남에 따라 물이 증발하며 절연저항이 회복될 수 있다.
양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 상한값을 계산값(WM) 보다 일정 비율만큼 높게 설정함으로써, 양방향컨버터(300)를 가능한 최대로 이용할 수 있는 한편, 반대로 계산된 값(WM) 보다 더 낮은 전력값에서 최소절연저항값(Rm)에 도달하는 경우는 후술하는 HDC에 인가되는 전력범위를 재설정하는 단계(S1500)에서 대응할 수 있다.
제어부(500)는 S1310 단계에서, 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값(V1)보다 작은 경우, 연료전지 시스템이 연료전지 모드로 진입하도록 제어할 수 있다(S1810).
연료전지 모드는 연료전지(100)에서 제공되는 동력원 만으로 차량의 구동장치(또는 구동모터)가 구동되는 주행 모드로 정의될 수 있다. 연료전지 모드에서 양방향컨버터(300)와 배터리(200)는 차량의 절연저항에 영향일 미치지 않도록 하기 위해, 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(500)는 연료전지 모드에서 양방향컨버터(300)와 배터리(200)를 연료전지 시스템의 전압 계통에서 배제시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 구체적으로 제어부(500)는 연료전지(100)와 양방향컨버터(300) 사이의 연결을 단절시키기위해 연료전지(100)와 양방향컨버터(300) 사이의 릴레이(400)가 개방되도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 절연문제가 있는 양방향컨버터(300)를 사용하지 않고 연료전지(100) 만으로 차량을 운행할 수 있다.
제어부(500)는 차량이 연료전지 모드로 진입하면, 절연저항값이 제1 저항값(R1) 이상으로 회복되는지를 판단할 수 있다. 양방향컨버터(300)를 사용하지 않는 연료전지 모드에서도 절연저항값이 제1 저항값(R1) 이상으로 회복되지 않으면, 양방향컨버터(300)가 아닌 다른 구성의 절연 문제이므로, 이 경우 제어부(500)는 연료전지 시스템이 셧다운 되도록 제어할 수 있다.
제어부(500)는 차량이 연료전지모드로 진입하도록 제어할 경우, 차량 내부의 표시장치를 통하여 알림이 제공되도록 제어 신호를 제공할 수 있다(S1820).
예를 들면, 제어부(500)는 차량의 절연 문제가 발생하였음을 알리는 영상, 소리 또는 진동 등을 운전자에게 제공하기 위해, 차량의 출력장치(미도시)에 제어 신호를 제공할 수 있다. 차량의 출력장치는 영상을 출력하는 디스플레이부, 음향을 출력하는 음향출력부, 햅틱 등의 진동을 출력하는 햅틱출력부를 포함할 수 있다. 차량의 출력장치는 제어부(500) 또는 차량에 구비된 별도의 제어부에 의해 제어될 수 있고, 제어부(500)는 차량의 출력장치로 직접 제어신호를 보내거나 차량의 출력장치를 제어하는 별도의 제어부로 제어신호를 제공할 수 있다.
제어부(500)는 설정된 전력 범위 내에서 양방향컨버터(300)가 동작하며 배터리(200)가 충전 또는 방전하도록 제어할 수 있다(S1400). 즉, 제어부(500)는 절연저항을 최소절연저항값(Rm) 보다 높게 유지하기 위해 설정된 전력 범위 내에서 양방향컨버터(300)를 제어하며, 연료전지 시스템이 연료전지(100)와 배터리(200)를 이용하는 하이브리드 모드로 정상 작동하도록 제어할 수 있다.
제어부(500)는 설정된 전력범위에 내에서 상기 양방향컨버터(300)가 동작하며 상기 배터리(200)가 충방전하는 중에 차량의 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 이하가 된 경우, 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 재설정할 수 있다(S1500).
보다 구체적으로는, 제어부(500)는 설정된 전력범위에 내에서 상기 양방향컨버터(300)가 동작하며 상기 배터리(200)가 충방전하는 동안 차량의 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 이하가 되는지를 판단할 수 있다(S1510).
제어부(500)는 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 이하가 된 경우, 양방향컨버터(300)에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태인지를 판단할 수 있다(S1520).
S1200 ~ S1300 단계에서 양방향컨버터(300)의 절연 이상으로 판단하여 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 제한한 경우에도, 그 밖에 요인에 의하여 절연저항값이 감소될 수 있다. 이러한 경우에는 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 재설정하는 것이 의미가 없으므로, 연료전지 주행모드로 진입하는 등의 제어를 하는 것이 바람직하다.
양방향컨버터(300)에 기 설정된 값 이상의 전력이 인가되지 않은 상태에서 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 이하로 떨어진 경우는 양방향컨버터(300)의 절연 이상이 아닌 그 밖에 요인에 의한 것으로 볼 수 있다.
이 경우, 제어부(500)는 차량이 일단 연료전지 모드로 진입하도록 제어하여, 양방향컨버터(300)와 배터리(200)의 절연 이상으로인해 절연저항값이 떨어지는 것을 배제할 수 있다(S1810). 다만, 차량이 연료전지 모드로 진입한 이후에도 차량의 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 미만으로 측정될 시, 제어부(500)는 연료전지 시스템이 셧다운되게 제어할 수 있다.
한편, 제어부(500)는 설정된 전력범위에 내에서 상기 양방향컨버터(300)가 동작하며 상기 배터리(200)가 충방전하는 중에 상기 양방향컨버터(300)에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태에서 차량의 절연저항값이 최소절연저항값(Rm) 이하가 된 경우, 상기 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 범위를 재설정할 수 있다(S1530).
제어부(500)는 양방향컨버터(300)에 인가된 전력값을 상기 양방향컨버터(300)에 인가되는 전력의 상한값으로 설정할 수 있다.
본 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 구비하는 친환경 차량은, 수소를 포함하는 연료를 공급받아 기동하는 연료전지(100), 충방전이 가능한 배터리(200), 양방향컨버터(300), 연료전지 시스템 내부의 구성 간의 연결을 단속하는 릴레이(400), 제어부(500), 연료전지 스택의 전압을 모니터링하는 스택 전압 모니터부(600), 배터리의 전압을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(700), 동력원에 의해 회전하는 바퀴(미도시); 연료전지(100) 또는 배터리(200) 중 적어도 어느 하나로부터 전원을 제공받아 구동하며 바퀴를 회전시키는 구동모터(미도시), 차량의 진행 방향을 조절하기 위한 조향 입력 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
차량의 바퀴, 구동모터, 조향 입력 장치 등에 관하여는 이전의 특허들에 이미 상세하게 개시된 바, 여기서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연료전지(100), 배터리(200), 양방향컨버터(300), 릴레이(400), 제어부(500), 스택 전압 모니터부(600), 배터리 관리 시스템(700)에 관하여는 앞서 상세하게 설명한 연료전지 시스템의 구성 및 제어방법이 채용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
100: 연료전지
200: 배터리
300: 양방향컨버터
400: 릴레이
500: 제어부
600: 스택 전압 모니터부
700: 배터리 관리 시스템

Claims (18)

  1. 연료전지;
    상기 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 외부에 전원을 공급하며 방전하는 배터리;
    상기 연료전지와 상기 배터리를 연결하는 HDC(high-voltage DC-DC converter); 및
    차량의 절연저항값이 기 설정된 최소절연저항값 이상이 되게하기 위해, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하고,
    설정된 전력 범위 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충방전하도록 제어하는 제어부;를 포함하며
    상기 제어부는,
    절연저항값이 기 설정된 제1 저항값 이하이고, 상기 HDC의 절연저항 이상이 아닌 것으로 판단되는 경우, 상기 연료전지가 차량의 구동장치에 전원을 공급하는 연료전지모드로 진입하도록 제어하는, 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    절연저항값이 기 설정된 제1 저항값 이하인 경우, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는, 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 HDC에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태에서 절연저항값이 기 설정된 제1 저항값 이하인 경우, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는, 연료전지 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하고,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하고,
    상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들을 획득할 때의 상기 배터리의 충전(또는 방전)속도는, 상기 배터리가 상기 연료전지로부터 전원을 공급받아 충전하거나 외부에 전원을 공급하며 방전하는 정상작동 시의 충전(또는 방전)속도 보다 느리게 설정되는, 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    절연저항값이 제1 저항값인 시점부터 제2 저항값 이하가 되는 시점, 또는 절연저항값이 제1 저항값인 시점부터 상기 HDC에 인가될 수 있는 최대전력이 인가된 시점까지, 상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하고,
    상기 제2 저항값은 상기 제1 저항값 보다는 낮고 최소절연저항값 보다는 높게 기 설정된 값인, 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하고,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초할 때, 상기 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값보다 큰 경우,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는, 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하고,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 상기 전력값과 절연저항값에 관한 식을 계산하고,
    상기 식과 최소절연저항값에 기초하여, 상기 HDC에 인가되는 전력의 최대값을 설정하는, 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전력값과 절연저항값에 관한 식은,
    상기 HDC에 인가되는 전력값이 커짐에 따라 절연저항값이 감소하는 일차함수인, 연료전지 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전되는 구간과 방전되는 구간 각각에 대하여, 획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여 상기 전력값과 절연저항값에 관한 식을 계산하고,
    상기 배터리가 충전되는 구간에서의 상기 HDC에 인가되는 전력의 최대값과 상기 배터리가 방전되는 구간에서 상기 HDC에 인가되는 전력의 최대값을 각각 개별적으로 설정하는, 연료전지 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 식에 최소절연저항값을 대입하여 계산된 전력값 보다 기 설정된 비율만큼 높은 값을 상기 HDC에 인가되는 전력의 최대값으로 설정하는, 연료전지 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    설정된 전력범위에 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충방전하는 중에 차량의 절연저항값이 최소절연저항값 이하가 된 경우,
    절연저항값이 최소절연저항값이 된 때의 상기 HDC에 인가된 전력값이 상기 HDC에 인가되는 전력의 최대값이 되도록, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 재설정하는, 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는,
    설정된 전력범위에 내에서 상기 HDC가 동작하며 상기 배터리가 충방전하는 중에 상기 HDC에 기 설정된값 이상의 전력이 인가된 상태에서 차량의 절연저항값이 최소절연저항값 이하가 된 경우,
    상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 재설정하는, 연료전지 시스템.
  13. 삭제
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하고,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초할 때, 상기 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값보다 작은 경우, 상기 HDC의 절연저항 이상이 아닌 것으로 판단하는, 연료전지 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    설정된 전력범위에 따라 상기 HDC가 동작하는 중에 상기 HDC에 기 설정된값 미만의 전력이 인가된 상태에서 차량의 절연저항값이 최소절연저항값 이하가 된 경우, 상기 HDC의 절연저항 이상이 아닌 것으로 판단하는, 연료전지 시스템.
  16. HDC에 인가되는 전력범위를 설정하는 단계; 및
    설정된 전력범위에 따라 상기 HDC가 동작하며 배터리가 충전 또는 방전하는 단계;를 포함하고,
    설정된 상기 전력범위 내에서 상기 HDC가 동작하는 동안 연료전지차량의 절연저항값은 기 설정된 최소절연저항값 이상이 되며,
    상기 배터리가 충전 또는 방전되며 상기 HDC에 인가되는 전력값이 변화하는 동안, 상기 HDC에 인가된 전력값 및 상기 HDC에 인가된 전력값에 대응되는 절연저항값에 관한 데이터들을 획득하는 단계를 더 포함하고,
    상기 HDC에 인가되는 전력범위를 설정하는 단계는,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초할 때, 상기 전력값의 변화에 대한 상기 절연저항값의 변화율의 크기가 기 설정된 값보다 큰 경우,
    획득한 상기 전력값 및 절연저항값에 관한 데이터들에 기초하여, 상기 HDC에 인가되는 전력의 범위를 설정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법.
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