KR20090062332A - 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지 슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 시동 오프시 연료전지의 안정적인 셧다운으로 내구성을 증대시키고, 비상모드에서 차량을 구동시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 키 오프 신호가 입력된 후 연료전지 단독 모드인지를 판단하는 단계; 상기 연료전지 단독 모드인 경우에는 연료전지 릴레이를 오프시키기 전에 연료전지 셧다운시 요구되는 고전압 출력을 위해 전력변환기 부스트로 메인버스단의 전압을 승압시키는 단계; 및 상기 연료전지 릴레이를 오프시킨 후, 연료전지 단독모드에서는 전력변환기 부스트를 통해 승압된 메인버스단의 전압을 이용하거나, 연료전지 단독 모드가 아닌 하이브리드 모드에서는 수퍼캡 전압을 이용하여 연료전지를 셧다운시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법을 제공한다.
연료전지, 수퍼캡, 초기충전장치, 릴레이

Description

연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법{Control method of shut down and emergency mode for fuel cell-super capacitor hybrid electric vehicle}
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지 슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 시동 오프시 연료전지의 안정적인 셧다운으로 내구성을 증대시키고, 비상모드에서 차량을 구동시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법에 관한 것이다.
종래의 연료전지-배터리 하이브리드 전기차량에서는 고전압 DC-DC컨버터가 연료전지와 배터리 사이에 위치하여 연료전지와 배터리의 전압차이를 완충시키며, 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워제어를 수행하므로, 연료전지와 배터리 전압을 매칭시키기 위한 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
고전압 DC-DC컨버터를 사용하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 전기차량에서도 고전압 DC-DC컨버터를 이용해 액티브(Active)한 방식을 통해 수퍼캡 초기충전 및 주행 중 충방전을 수행하므로, 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
반면, 고전압 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 전기차량에서는 연료전지와 수퍼캡 전압을 매칭시키기 위한 별도의 수퍼캡 초기충전장치 및 이에 상응하는 시동제어개발이 필수적이다.
수퍼캡 초기충전장치로는 기존의 하나의 프리차지(Precharge) 저항과 프리차지 릴레이(Precharge Relay)를 사용하는 타입 또는 인덕터와 고전력 스위치용 반도체(Insulated Gate bipolar Transistor; 이하, IGBT라 함)를 사용하는 컨버터 타입 등이 적용 가능한 장치로 언급될 수 있다.
이와 관련된 종래기술로서, 미국특허등록번호 US06815100에는 차량 시동시 수퍼캡을 통해 연료전지 보기류 구동 및 모터 전압을 채운 후 연료전지와 전압이 떨어진 수퍼캡을 바로 연결하기 전에 DCDC 초퍼를 사용하여 전류 제한함으로써, 연료전지의 과도한 전압 하강을 막을 수 있도록 한 연료전지차량의 시동제어장치가 개시되어 있다.
특허공개 제2006-0003543호에는 보조배터리를 이용하여 연료전지를 시동시킨 후 수퍼캡 초기충전장치의 멀티 저항을 통해 연료전지 파워를 수퍼캡에 충전하는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 및 그 시동제어방법이 개시되어 있다.
그런데, 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지 슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 그 시동 뿐만 아니라 시동 오프시에도 적절한 제어방법이 필요하다. 즉, 하이브리드 차량의 특성상 시동 오프시에도 스택 열화(carbon corrosion, 수소 crossover) 방지, 고전압 안전, 냉시동을 위한 물제거 등의 과정이 필요하다.
또한, 차량 점검을 위해서는 고전압을 제거해야 하므로 수퍼캡에 존재하는 고전압을 제거하는 과정이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 셧다운(Shut Down;SD)이 완료될 때까지 슈퍼캡 및 저전압 배터리를 선택적으로 사용함으로써, 연료전지의 안정적인 SD으로 내구성을 증대시킬 수 있고, 연료전지 이상시 연료전지에 의해 시동을 걸지않고 수퍼캡으로 차량 구동을 진행하며, 차량 점검시 고전압 히터용 저항을 통해 수퍼캡에 존재하는 고전압을 안전하게 제거할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법에 있어서,
키 오프 신호가 입력된 후 연료전지 단독 모드인지를 판단하는 단계; 상기 연료전지 단독 모드인 경우에는 연료전지 릴레이를 오프시키기 전에 연료전지 셧다운시 요구되는 고전압 출력을 위해 전력변환기 부스트로 메인버스단의 전압을 승압시키는 단계; 및 상기 연료전지 릴레이를 오프시킨 후, 연료전지 단독모드에서는 전력변환기 부스트를 통해 승압된 메인버스단의 전압을 이용하거나, 연료전지 단독 모드가 아닌 하이브리드 모드에서는 수퍼캡 전압을 이용하여 연료전지를 셧다운시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 연료전지 하이브리드 차량의 전기차 모터링 시퀀스 제어방법에 있어서,
연료전지 이상시 차량 초기 점검을 위한 전기차 모터링 시 연료전지 시동을 걸지 않고 전력변환기 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 수퍼캡으로 맞추는 단계; 상기 수퍼캡 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및 전력변환기 및 MCU 앞단 릴레이를 온시켜 전기차 모터링을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 연료전지 하이브리드 차량의 수퍼캡 방전 시퀀스 제어방법에 있어서,
차량 점검이나 안전을 위해 수퍼캡 방전 모드로 진입하면 전력변환기 부스트를 통해 수퍼캡 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및 전력변환기를 오프시킨 후, 고전압 히터용 저항을 작동시켜 수퍼캡의 에너지를 방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 의하면, 연료전지 셧다운이 완료될 때까지 슈퍼캡 및 저전압 배터리를 선택적으로 사용함으로써, 연료전지의 안정적인 셧다운으로 내구성을 증대시킬 수 있고, 연료전지 이상시 연료전지에 의해 시동을 걸지않고 수퍼캡으로 차량 구동을 진행하며, 차량 점검시 고전압 히터용 저항을 통해 수퍼캡에 존재하는 고전압을 안 전하게 제거할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이고, 도 2는 도 1의 수퍼캡 초기충전장치(Precharge unit)의 회로구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷은 연료전지스택(10), 보조동력원, 저전압 전력변환기(LDC;12), 12V 보조 배터리(13)를 구비한다. 이때, 보조동력원은 수퍼 커패시터(이하,"수퍼캡")(11) 또는 고전압 배터리를 사용할 수 있다.
연료전지스택(10)을 시동시키기 위해 고전압 보기류(14)(BOP;공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프등)이 작동되어야 하고, 연료전지스택(10)에서 발생하는 전압과 고전압 보기류(14)의 전압레벨은 250 ~ 430V로 동일하다.
또한, 12V 보조배터리(13) 전원을 사용하는 부품들이 차량 운행 중 계속 파워를 소모하기 때문에 이를 충전해 주기 위한 저전압 전력변환기(12)가 필요하다.
상기 저전압 전력변환기(12)는 양방향으로 전환이 가능한 것으로, 예를 들어 400V의 파워라인에서 400V의 전압을 12V로 다운시켜 12V 보조배터리를 운행중 충전하고, 초기 시동시 12V 전원을 이용해 400V로 승압시켜 연료전지 스택(10)을 시동시키는 역할을 한다.
모터(15) 및 인버터는 연료전지스택(10)에 직접 연결되어 있으며, 파워 어시 스트 및 회생제동을 위해 슈퍼캡(11)이 초기충전장치(16)를 통해 연결되어 있다.
메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(17,18)가 설치 되어 있으며, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 블로킹다이오드(Blocking Diode)가 설치되어 있다.
상기 초기충전장치(16)는 벅 타입 컨버터(BUCK TYPE CONVERTOR)로서, 연료전지스택(10)과 수퍼캡(11) 사이에서 메인릴레이(19)와 별도로 전기적인 회로를 구성하며, IGBT(20)의 듀티비 조절을 통해 급격한 전류의 흐름을 막아 메인릴레이(19)의 고착현상을 방지하며, 수퍼캡(11)을 충전한다.
연료전지스택(10)과 수퍼캡(11)의 양단 전압이 비슷해지면 IGBT(20) 작동을 멈추고 메인릴레이(19)를 온시켜 저항요소를 제거하여 수퍼캡(11)에 전원을 공급한다. 21은 슈퍼캡 전압 차단(cut-off)용 릴레이이며, 내부 커패시터를 보호하는 역할을 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 및 비상모드의 제어방법을 설명하기 위한 파워넷 구성도이다.
도 3a에서 하이브리드(HEV)모드에서 시동오프시 수퍼캡(11) 출력을 통해 연료전지 보기류(14)를 작동시킨 후 셧다운을 진행한다.
도 3b에서 수퍼캡(11) 측 폴트(Fault)로 인해 연료전지 단독 모드에서 시동오프시 전력변환기(LDC) 부스트를 통해 연료전지 보기류(14)를 작동시킨 후 셧다운을 진행한다.
도 3c에서 연료전지 이상시 수퍼캡(11)을 통해 모터링한다.
도 3d에서 수퍼캡에 존재하는 고전압을 고전압 히터용 저항(24)을 통해 방전시킨다.
도 4는 도 1의 정상 셧다운 시퀀스를 나타내는 순서도이다.
시동 오프(키 오프)신호가 전달되면, 연료전지 단독모드인지 여부를 판단하고, 연료전지 단독모드인 경우에는 전력변환기 부스트를 통해 연료전지 릴레이(18)를 오프시킨다.
연료전지를 SD(Shut down)하기 위해서는 VLD(23) 작동(스택에 저항 연결을 통해 공기극의 산소를 제거하여 차량을 운행하지 않을 경우에 연료전지 내부의 화학반응을 방지), 냉시동을 위한 스택(10) 내부 및 BOP 물 제거 과정 등의 준비 과정이 필요하며, 이때 고전압 출력이 어느정도 필요하다.
HEV 모드에서는 슈퍼캡(11)이 이 출력을 담당하면 되지만, 연료전지 단독 모드일 경우에는 연료전지 릴레이(18)를 끊기 전에 저전압 부스트를 통해 이 출력을 감당하게 할 필요가 있다.
상기와 같이 VLD(23) 작동 및 냉시동을 위한 물제거에 의해 연료전지를 SD 완료하면, 전력변환기(12)를 오프시키고 초기충전장치(16)의 메인릴레이(19) 및 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21)를 오프시킨다.
다음은 전기차 모터링(Electric Vehicle motoring) 시퀀스를 설명한다.
도 5는 도 1의 전기차 모터링 시퀀스를 나타내는 순서도이다.
EV 모터링은 연료전지이상시 차량 초기 점검을 위해 필요한 모드이다. 연료전지를 시동시키지 않고 초기충전장치(16)의 메인릴레이(19) 및 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21)를 온시키고 수퍼캡(11)으로 차량 구동을 진행하는 과정이다.
이때, 초기충전장치 메인 릴레이(19)를 연결하기 전 버스단 전압(VLDC_REF)을 전력변환기 부스트를 통해서 수퍼캡 전압(VCAP)으로 맞추어 주는 과정이 필요하고, 메인 릴레이(19)를 온시킨 후에는 전력변환기(12)를 오프시킨다.
다음은 수퍼캡 방전 시퀀스를 설명한다.
도 6은 도 1의 수퍼캡 방전 시퀀스를 나타내는 순서도이다.
수퍼캡 방전 모드는 차량 점검이나 안전을 위해 연료전지를 시동시키지 않고 초기충전장치(16)의 메인릴레이(19) 및 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21)를 온시키고 슈퍼캡 전압(VCAP)을 PTC 히터(저항)를 통해 방전시키는 모드이다.
이때, 초기충전장치(16) 메인릴레이(19)를 연결하기 전 버스단 전압(VLDC_REF)을 전력변환기 부스트를 통해서 수퍼캡 전압(VCAP)으로 맞추어 주는 과정이 필요하고, 메인 릴레이(19)를 온시킨 후에는 전력변환기(12)를 오프시킨다.
상기 수퍼캡 전압(VCAP)이 0에 가깝게 되면, 초기충전장치(16)의 메인릴레이(19) 및 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21)를 오프시킨다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이고,
도 2는 도 1의 수퍼캡 초기충전장치(Precharge unit)의 회로구성도이고,
도 3a 및 도 3d는 도 1의 시동 시퀀스를 설명하기 위한 파워넷 구성도이고,
도 4는 도 1의 정상 셧다운 시퀀스를 나타내는 순서도이고,
도 5는 도 1의 전기차 모터링 시퀀스를 나타내는 순서도이고,
도 6은 도 1의 수퍼캡 방전 시퀀스를 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지스택 11 : 수퍼캡
12 : 저전압 전력변환기 13 : 보조배터리
14 : 고전압 보기류 15 : 모터
16 : 초기충전장치 17 : MCU 릴레이
18 : 연료전지 릴레이 19 : 메인릴레이
20 : IGBT 21 : 수퍼캡 전압차단용 릴레이
22 : MCU 23 : VLD
24 : 고전압 히터용 저항

Claims (6)

  1. 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법에 있어서,
    키 오프 신호가 입력된 후 연료전지 단독 모드인지를 판단하는 단계;
    상기 연료전지 단독 모드인 경우에는 연료전지 릴레이를 오프시키기 전에 연료전지 셧다운시 요구되는 고전압 출력을 위해 전력변환기 부스트로 메인버스단의 전압을 승압시키는 단계; 및
    상기 연료전지 단독모드가 아닌 경우에는 연료전지 릴레이를 오프시킨 후, 연료전지를 셧다운시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지를 셧다운시키는 단계는 연료전지 단독모드에서는 전력변환기 부스트를 통해 승압된 메인버스단의 전압을 이용하여 연료전지를 셧다운시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지를 셧다운시키는 단계는 연료전지 단독 모드가 아닌 하이브리 드 모드에서는 보조동력원 전압을 이용하여 연료전지를 셧다운시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시동오프 제어방법.
  4. 연료전지 하이브리드 차량의 전기차 모터링 시퀀스 제어방법에 있어서,
    연료전지 이상시 차량 초기 점검을 위한 전기차 모터링 시 연료전지 시동을 걸지 않고 전력변환기 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 보조동력원으로 맞추는 단계;
    상기 보조동력원 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및
    전력변환기 및 MCU 앞단 릴레이를 온시켜 전기차 모터링을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 전기차 모터링 시퀀스 제어방법.
  5. 연료전지 하이브리드 차량의 보조동력원 방전 시퀀스 제어방법에 있어서,
    차량 점검이나 안전을 위해 보조동력원 방전 모드로 진입하면 전력변환기 부스트를 통해 보조동력원 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및
    전력변환기를 오프시킨 후, 전기부하를 작동시켜 보조동력원의 에너지를 방 전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 보조동력원 방전 시퀀스 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전기부하는 고전압 히터용 저항인 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 보조동력원 방전 시퀀스 제어방법.
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