KR20030018924A - 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 연료 전지 차량의 배터리가 낮은 충전 상태에 있을 때 운전자가 페달 입력으로 요구하는 모터의 부하 량이 배터리의 충전 상태 및 연료 전지 시스템의 전력 공급량보다 클 경우 모터의 부하 량을 제한하도록 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 모터를 사용하여 하이브리드 연료 전지 차량의 동력을 발생시키는 장치에 있어서, 외부로부터 공급되는 모터 구동 토크 신호에 대응하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부와; 가속/감속 신호, 차속 신호, 및 배터리 잔존 용량 신호에 대응하여 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하고 모터 구동 토크 신호를 상기 모터 제어부로 공급하는 차량 제어부와; 상기 차량 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 요구 신호에 대응하여 메탄올 개질 요구 신호 및 연료 전지 출력 값 세팅 신호를 출력하는 연료 전지 제어부와; 상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 메탄올 개질 요구 신호에 대응하여 메탄올을 개질하는 개질기 및 메탄올 탱크와; 상기 개질기 및 메탄올 탱크로부터 공급되는 개질된 메탄올 및 상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 값 세팅 신호에 대응하여 전력을 발생시켜서 상기 모터 제어부로 공급하는 연료 전지 시스템과; 상기 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 받아 충전하고 상기 모터 제어부로 공급하며, 배터리 잔존 용량 상태 신호를 출력하는 배터리와; 상기 배터리로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 상태 신호를 받아 배터리 잔존 용량을 계산하여 상기 차량 제어부로 공급하는 배터리 잔존 용량 계산부를 포함하여 구성한다.

Description

하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법{MOTOR LOAD CONTROLLING DEVICE OF HYBRID FUEL CELL VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 연료 전지 차량에 관한 것으로서, 특히 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 하이브리드 연료 전지 차량은 모터와 배터리로 구성되는 기존의 순수 전기 차량과는 달리 연료 전지 시스템이 부가된다. 연료 전지 시스템은 수소와 공기로부터 전기 동력을 생성하여 배터리를 충전시키고 모터에 전력을 공급한다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치는 모터 제어부(102), 차량 제어부(104), 연료 전지 제어부(106), 메탄올 탱크(Methanol Tank)(108), 연료 전지 시스템(110), 배터리(112), 배터리 잔존 용량 계산부(114), 인버터(Inverter)(116), 및 모터(118)로 구성된다.
모터 제어부(102)는 차량 제어부(104)로 모터의 소모 전력 신호를 공급하고 인버터(116)의 구동을 제어한다.
모터 제어부(102)는 운전자의 가속/감속 페달 조작에 의한 신호에 대응하여 모터의 소모 전력을 결정한다.
차량 제어부(104)는 모터 제어부(102)로부터 공급되는 모터의 소모 전력 신호 및 배터리 잔존 용량 계산부(114)로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 신호에 대응하여 연료 전지 제어부(106)로 연료 전지 출력 요구 신호를 공급한다.
연료 전지 제어부(106)는 차량 제어부(104)로부터 공급되는 연료 전지 출력 요구 신호에 대응하여 메탄올 탱크(108)로 메탄올 개질 요구 신호를 공급하고 연료 전지 시스템(110)으로 연료 전지 출력 값 세팅 신호를 공급한다.
메탄올 탱크(108)는 연료 전지 제어부(106)로부터 공급되는 메탄올 개질 요구 신호에 대응하여 메탄올을 개질하여 연료 전지 시스템(110)으로 공급한다.
연료 전지 시스템(110)은 메탄올 탱크(108)로부터 공급되는 개질된 메탄올 및 연료 전지 제어부(106)로부터 공급되는 연료 전지 출력 값 세팅 신호에 대응되는 전력을 출력하여 배터리(112) 및 인버터(116)로 공급한다.
배터리(112)는 연료 전지 시스템(110)으로부터 공급되는 전력을 받아 충전하고 배터리 잔존 용량 상태 신호를 배터리 잔존 용량 계산부(114)로 공급한다.
배터리 잔존 용량 계산부(114)는 배터리(112)로부터 배터리 잔존 용량 상태 신호를 공급받아 배터리 잔존 용량을 계산하여 차량 제어부(104)로 공급한다.
인버터(116)는 연료 전지 시스템(110)으로부터 전력을 공급받아 모터(118)를 구동시켜 차량의 운전 동력을 발생시킨다.
이와 같은 종래의 기술에 있어서, 배터리(112)의 충전 상태가 허용하는 하한 치에 가까이 있을 때 모터 제어부(102)로 공급되는 운전자의 페달 입력에 의한 모터의 소모 파워 요구 량이 크면 연료 전지 시스템(110)의 전력 공급량이 모터(118)의 소모 파워를 감당하지 못한다.
따라서, 배터리(112)의 전력을 소모할 수밖에 없는데 이때 배터리(112)는 허용 한계 치 이하의 충전 상태가 되어 결국, 회생 불능 상태로 되거나 수명이 급속도로 짧아지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 하이브리드 연료 전지 차량의 배터리가 낮은 충전 상태에 있을 때 운전자가 페달 입력으로 요구하는 모터의 부하 량이 배터리의 충전 상태 및 연료 전지 시스템의 전력 공급량보다 클 경우 모터의 부하 량을 제한하도록 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 모터를 사용하여 하이브리드 연료 전지 차량의 동력을 발생시키는 장치에 있어서, 외부로부터 공급되는 모터 구동 토크 신호에 대응하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부와; 가속/감속신호, 차속 신호, 및 배터리 잔존 용량 신호에 대응하여 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하고 모터 구동 토크 신호를 상기 모터 제어부로 공급하는 차량 제어부와; 상기 차량 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 요구 신호에 대응하여 메탄올 개질 요구 신호 및 연료 전지 출력 값 세팅 신호를 출력하는 연료 전지 제어부와; 상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 메탄올 개질 요구 신호에 대응하여 메탄올을 개질하는 개질기 및 메탄올 탱크와; 상기 개질기 및 메탄올 탱크로부터 공급되는 개질된 메탄올 및 상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 값 세팅 신호에 대응하여 전력을 발생시켜서 상기 모터 제어부로 공급하는 연료 전지 시스템과; 상기 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 받아 충전하고 상기 모터 제어부로 공급하며, 배터리 잔존 용량 상태 신호를 출력하는 배터리와; 상기 배터리로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 상태 신호를 받아 배터리 잔존 용량을 계산하여 상기 차량 제어부로 공급하는 배터리 잔존 용량 계산부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 모터를 사용하여 동력을 발생시키는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어방법에 있어서, 상기 모터의 구동상태를 검출하는 단계와; 상기 모터의 구동상태에서 상기 차량의 가속/감속 페달 조작에 따른 가속/감속 신호의 입력을 검출하는 단계와; 상기 차량의 차속 신호 입력을 검출하는 단계와; 상기 입력된 가속/감속 신호와 차속 신호를 통해 상기 차량의 발생 요구 토크 및 소요 모터 부하를 연산하는 단계와; 상기 차량의 배터리 잔존 용량 신호의 입력을 검출하는 단계와; 상기 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리 잔존 용량의 크기를 비교하는 단계와; 상기 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리 잔존 용량과의 차이에 따라 연료 전지 시스템으로 출력되는 연료 전지 출력 요구 신호를 다르게 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 구성을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 구성을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어과정을 도시한 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 모터 제어부(222), 차량 제어부(224), 연료 전지 제어부(226), 개질기 및 메탄올 탱크(228), 연료 전지 시스템(230), 배터리(232), 배터리 잔존 용량 계산부(234), 및 모터(236)로 구성된다.
모터 제어부(222)는 차량 제어부(224)로부터 모터 구동 토크 신호를 공급받아 내장된 인버터를 동작시켜 모터(236)가 구동하도록 하여 차량의 운전 동력을 발생시킨다.
차량 제어부(224)는 운전자의 가속/감속 페달 조작에 의한 가속/감속 신호,기 설정된 차속 센서로부터 공급되는 차속 신호, 및 배터리 잔존 용량 계산부(234)로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 신호에 대응하여 연료 전지 제어부(226)로 연료 전지 출력 요구 신호를 공급하고 모터 제어부(222)로 모터 구동 토크 신호를 공급한다.
즉, 차량 제어부(224)는 운전자의 가속/감속 페달 조작에 따른 신호 및 차속 센서로부터 차량 속도를 입력받아 발생 요구 토크 및 소요 모터 부하를 산출한다.
이어서, 현재의 배터리(232) 충전 상태와 연료 전지 시스템(230)의 동력 공급량을 감안하여 배터리(232)의 허용 충전 상태 한도 내에서 모터(236)가 소요 모터 부하를 소모하도록 모터(236)에 가속/감속 페달 조작에 의한 가속/감속 신호를 변경하여 적용한다.
연료 전지 제어부(226)는 차량 제어부(224)로부터 공급되는 연료 전지 출력 요구 신호에 대응하여 개질기 및 메탄올 탱크(228)로 메탄올 개질 요구 신호를 공급하고 연료 전지 시스템(230)으로 연료 전지 출력 값 세팅 신호를 공급한다.
개질기 및 메탄올 탱크(228)는 연료 전지 제어부(226)로부터 공급되는 메탄올 개질 요구 신호에 대응하여 메탄올을 개질해서 연료 전지 시스템(230)으로 공급한다.
연료 전지 시스템(230)은 개질기 및 메탄올 탱크(228)로부터 공급되는 개질된 메탄올 및 연료 전지 제어부(226)로부터 공급되는 연료 전지 출력 값 세팅 신호에 대응하여 전력을 발생하여 배터리(232) 및 모터 제어부(222)로 공급한다.
배터리(232)는 연료 전지 시스템(230)으로부터 공급되는 전력을 받아 충전하고 모터 제어부(222)로 공급하며, 배터리 잔존 용량 상태 신호를 배터리 잔존 용량 계산부(234)로 공급한다.
배터리 잔존 용량 계산부(234)는 배터리(232)로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 상태 신호를 받아 배터리 잔존 용량을 계산하여 차량 제어부(224)로 공급한다.
도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어과정을 설명한다.
먼저, 차량 제어부(224)는 도 3의 (302)단계에서 모터(236)를 사용하여 동력을 발생시키는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터(236)가 구동되는 상태이면, (304)단계로 진행한다.
(304)단계에서 차량 제어부(224)는 차량의 가속/감속 페달 조작에 따른 가속/감속 신호의 입력을 검출한다.
이어서, 차량 제어부(224)는 (306)단계로 진행하여 차량의 차속 신호 입력을 검출한다.
차량 제어부(224)는 (308)단계에서 입력된 가속/감속 신호와 차속 신호를 통해 차량의 발생 요구 토크 및 소요 모터 부하를 연산한다.
그리고, 차량 제어부(224)는 (310)단계로 진행하여 배터리 잔존 용량 계산부(234)를 통해 차량의 배터리 잔존 용량 신호의 입력을 검출한다.
전술한 (310)단계에서 배터리 잔존 용량 신호가 입력되는 상태이면, 차량 제어부(224)는 (312)단계로 진행하여 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리잔존 용량의 크기를 비교한다.
차량 제어부(224)는 (312)단계에서 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리 잔존 용량과의 차이에 따라 연료 전지 제어부(226)를 통해 연료 전지 시스템(230)으로 출력되는 연료 전지 출력 요구 신호를 다르게 제어한다.
예를 들어, 차량 제어부(224)는 전술한 (312)단계에서 입력된 배터리 잔존 용량의 크기가 미리 설정된 배터리 잔존 용량보다 작으면 입력된 배터리 잔존 용량에 대응되는 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하도록 연료 전지 제어부(226)의 동작을 제어한다.
이와는 반대로, 차량 제어부(224)는 전술한 (312)단계에서 입력된 배터리 잔존 용량의 크기가 미리 설정된 배터리 잔존 용량보다 크면 입력된 가속/감속 신호 및 차속 신호에 대응되는 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하도록 연료 전지 제어부(226)의 동작을 제어한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 타입의 모터 부하 제어방법은 배터리 잔존 용량이 미리 설정된 배터리 잔존 용량 보다 작으면, 차량의 가속/감속 페달의 작동에 관계없이 계측된 배터리 잔존 용량에 반응하여 연료 전지 시스템(230)의 출력을 제어한다.
이때, 배터리 잔존 용량은 차량이 주행함에 대응하여 변동한다.
예를 들어, 배터리 잔존 용량이 70~90%이면 연료 전지 시스템(230)의 출력은 3KW로 제어하고, 60~70%이면 5KW로 제어하며, 60% 이하이면 10KW로 제어한다.
결국, 연료 전지 시스템(230)은 30~33%의 효율을 가지고 동력을 생성할 수있으며 배터리(232)를 효과적으로 충전할 수 있다.
연료 전지 시스템(230)의 출력은 배터리 잔존 용량의 넓은 범위에서 대응되어 결과적으로 출력의 변동이 작으므로 연료 전지 시스템(230)의 열적 피로를 방지할 수 있다.
또한, 모터(236)가 연속적으로 동작하고 있을 때, 연료 전지 시스템(230)은 배터리(232)가 만 충전 상태를 유지하도록 연속적으로 충전한다.
수동적인 입력으로 정해진 시간의 충전일 때의 연료 전지 시스템(230)의 출력은 상기 잔존 용량이 90%인 것으로 선택되어 충전한다.
아울러, 배터리(232)의 잔존 용량이 낮은 상태에 있을 때 모터(236)가 운전자의 요구 신호대로 출력을 발생시키면 배터리(232)는 배터리(232)가 허용하는 잔존 용량 이하로 될 수 있기 때문에, 배터리(232)의 파손 또는 내구 수명 단축이 될 수 있다.
이를 방지할 수 있도록 차량 제어부(224)는 운전자의 가속/감속 페달 신호를 입력받아 배터리(232)가 저 충전 상태이면 운전자의 요구 신호를 제한하여 모터 (236)에 전달한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치 및 방법은 배터리가 낮은 충전 상태에 있을 때 운전자가 페달 입력으로 요구하는 모터의 부하 량이 배터리의 충전 상태 및 연료 전지 시스템의 전력 공급량보다 클 경우 차량 제어부가 모터의 부하 량을 제한하여 배터리의 파손 및 수명저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 모터를 사용하여 하이브리드 연료 전지 차량의 동력을 발생시키는 장치에 있어서,
    외부로부터 공급되는 모터 구동 토크 신호에 대응하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부와;
    가속/감속 신호, 차속 신호, 및 배터리 잔존 용량 신호에 대응하여 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하고 모터 구동 토크 신호를 상기 모터 제어부로 공급하는 차량 제어부와;
    상기 차량 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 요구 신호에 대응하여 메탄올 개질 요구 신호 및 연료 전지 출력 값 세팅 신호를 출력하는 연료 전지 제어부와;
    상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 메탄올 개질 요구 신호에 대응하여 메탄올을 개질하는 개질기 및 메탄올 탱크와;
    상기 개질기 및 메탄올 탱크로부터 공급되는 개질된 메탄올 및 상기 연료 전지 제어부로부터 공급되는 연료 전지 출력 값 세팅 신호에 대응하여 전력을 발생시켜서 상기 모터 제어부로 공급하는 연료 전지 시스템과;
    상기 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 받아 충전하고 상기 모터 제어부로 공급하며, 배터리 잔존 용량 상태 신호를 출력하는 배터리와;
    상기 배터리로부터 공급되는 배터리 잔존 용량 상태 신호를 받아 배터리 잔존 용량을 계산하여 상기 차량 제어부로 공급하는 배터리 잔존 용량 계산부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어장치.
  2. 모터를 사용하여 동력을 발생시키는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어방법에 있어서,
    상기 모터의 구동상태를 검출하는 단계와;
    상기 모터의 구동상태에서 상기 차량의 가속/감속 페달 조작에 따른 가속/감속 신호의 입력을 검출하는 단계와;
    상기 차량의 차속 신호 입력을 검출하는 단계와;
    상기 입력된 가속/감속 신호와 차속 신호를 통해 상기 차량의 발생 요구 토크 및 소요 모터 부하를 연산하는 단계와;
    상기 차량의 배터리 잔존 용량 신호의 입력을 검출하는 단계와;
    상기 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리 잔존 용량의 크기를 비교하는 단계와;
    상기 입력된 배터리 잔존 용량과 미리 설정된 배터리 잔존 용량과의 차이에 따라 연료 전지 시스템으로 출력되는 연료 전지 출력 요구 신호를 다르게 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비교 단계에서 입력된 배터리 잔존 용량의 크기가 미리 설정된 배터리 잔존 용량보다 작으면 입력된 배터리 잔존 용량에 대응되는 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 비교 단계에서 입력된 배터리 잔존 용량의 크기가 미리 설정된 배터리 잔존 용량보다 크면 입력된 가속/감속 신호 및 차속 신호에 대응되는 연료 전지 출력 요구 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 연료 전지 차량의 모터 부하 제어방법.
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