KR20100137660A - 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지와 수퍼캡이 직결되는 하이브리드 차량의 가속시 수퍼캡의 초기 방전을 방지하는 동시에 고속/고출력 구간에서 수퍼캡이 출력 파워를 어시스트할 수 있도록 한 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치에 있어서, 상기 연료전지와 수퍼캡간의 충방전 라인상에 장착되는 릴레이와; 상기 수퍼캡의 출력단과 상기 연료전지 버스단간에 설치되어 파워 어시스트가 필요할 때만 수퍼캡 에너지를 연료전지 버스단으로 출력하는 단방향 강압 컨버터와; 상기 릴레이 및 단방향 강압 컨버터의 동작을 제어하는 제어수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법을 제공한다.
연료전지, 수퍼캡, 릴레이, 직결, 하이브리드, 단방향 강압 컨버터, 파워 어시스트, 동력 분배

Description

연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법{Power transmission device and method for fuel cell-super capacitor hybrid vehicle}
본 발명은 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지와 수퍼캡이 직결되는 하이브리드 차량의 가속시 수퍼캡의 초기 방전을 방지하는 동시에 고속/고출력 구간에서 수퍼캡이 출력 파워를 어시스트할 수 있도록 한 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템 구성을 보면, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
상기 공기(산소)공급 시스템의 동작을 간략히 설명하면, 첨부한 도 15에 도시된 바와 같이 공기 블로워(202)를 통해 외기로부터 공급된 건조 상태의 산소가 가습기를 통해 가습되어 스택(100)의 공기극(Cathode)에 공급되고, 반응을 마친 습윤 상태의 산소는 스택(100)의 출구단을 통해 가습기(204)에서 가습을 위한 수단으로 사용된다.
상기 수소공급 시스템의 동작을 간략히 살펴보면, 첨부한 도 15에서 보는 바와 같이 2개의 수소공급라인을 통해 수소가 스택(100)의 연료극(anode)로 공급되는데, 첫번째 수소공급라인은 저압 레귤레이터(302: LPR)를 통해 연료극으로 공급되는 라인이며, 스택(100)의 연료극 출구단 수소는 수소 재순환 블로워(304)를 통해 일부가 재순환된다.
두번째 수소공급라인은 고압의 수소를 밸브 제어를 통해 직접 연료극으로 공급하는 라인이며, 이젝터(306: ejector)를 통해 일부 수소가 재순환된다.
이러한 공기 및 수소 공급에 있어서, 스택의 연료극내 수소가 공기극으로 넘어가는 수소 크로스오버(Cross-Over)양을 낮추기 위해서는 저출력 구간에서는 연료극 압력을 낮추고, 반대로 스택의 출력을 높이기 위해서 고출력 구간에서는 연료극 압력을 높여야 되는 점을 감안하여, 저압력 요구시 저압 레귤레이터(LPR)를 단독 사용하고, 고압력 요구시나 퍼징시에는 고압의 수소를 밸브 제어를 통해 공급한다.
이와 같은 구성 및 작동 원리를 갖는 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차 량의 경우, 모터에 대한 보조 동력원으로 일종의 축전수단인 수퍼캡을 함께 사용하게 된다.
대개, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서는 일종의 전력변환기인 고전압 DC-DC컨버터가 연료전지와 수퍼캡 사이에 위치하여 연료전지와 수퍼캡의 전압차이를 완충시키면서 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워제어를 수행하고 있다.
예를 들어, 미국특허 6484075에는 바퀴회전수, 브레이크 작동 유무, 배터리 SOC, 전기 부하등을 통해 아이들(IDLE) 상태를 결정하고, 연료전지의 반응 가스 차단으로 전원 공급을 차단하며, 설정된 SOC값 이하로 떨어지는 경우 연료전지에 의한 전원 공급을 재개하는 등 아이들 구간에서의 연료전지 발전 정지 제어 방법을 위하여 연료전지단에 전력변환장치(DC-DC 초퍼)가 장착되어 있다.
또한, 미국특허 6920948에는 연료전지-배터리 하이브리드 시스템으로써 배터리단에 전력변환장치를 장착하고 연료전지 출력과 배터리 출력 비율 조정하고, 배터리 출력을 제어하는 방법이 개시되어 있다.
이렇게 종래의 연료전지-수퍼캡(배터리) 하이브리드 시스템은 연료전지와 배터리 사이에 배열되되, 연료전지단 또는 배터리단에 전력변환장치가 별도로 장착되어 연료전지와 배터리간의 출력 비율을 조정하면서 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워제어를 수행하고 있다.
반면, DC-DC 컨버터, DC-DC 초퍼 등과 같은 전력변환장치를 사용하지 않는 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템이 있으며, 이 시스템은 전력변환장치가 없는 직결 구조 특성상 수퍼캡에 의한 파워 어시스트 및 회생제동에 의한 수퍼캡 충전이 자동으로 구현되어 제어 신뢰성이 높은 장점이 있고, 또한 회생제동이 크고, 수퍼캡 자체효율이 높아서 연비가 우수한 장점이 있다.
그러나, 고출력을 요구하는 가속시 슈퍼캡이 자동 방전되면서 파워 어시스트가 이루어지되, 가속 초기에 모두 이루어짐에 따라 슈퍼캡이 빨리 방전되고 고속 및 고출력 구간에서는(예를 들어, 추월 가속 및 고속 구간에서 가속) 더 이상 슈퍼캡이 파워 어시스트를 할 수 없는 문제점이 있으며, 이것이 연료전지-수퍼캡 직결형 구조의 한계라 하겠다.
즉, 첨부한 도 14의 풀가속시 전류 곡선에서 보는 바와 같이, 기존 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에서는 풀가속시 연료전지의 전압이 하강하면서 슈퍼캡이 초기에 자기 방전되어 출력을 보조하고, 이로 인해 연료전지 출력은 점차 완만해지나 실제로 많은 출력이 필요한 고출력구간에서는 더 이상 슈퍼캡 에너지가 부족하여 출력을 보조할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에서 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템의 장점을 그대로 유지하면서 아이들 구간 및 회생제동 구간에서의 연료전지 파워 스탑 제어가 이루어지도록 하고, 특히 수퍼캡에 의한 파워 어시 스트 구간을 별도로 제어하여 가속 성능을 지속적으로 확보할 수 있도록 가속시 수퍼캡의 초기 방전을 방지하는 동시에 고속/고출력 구간에서 수퍼캡에 의한 출력 파워 어시스트가 집중적으로 이루어지도록 한 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 동력분배장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치에 있어서, 상기 연료전지와 수퍼캡간의 충방전 라인상에 장착되는 릴레이와; 상기 수퍼캡의 출력단과 상기 연료전지 버스단간에 설치되어 파워 어시스트가 필요할 때만 수퍼캡 에너지를 연료전지 버스단으로 출력하는 단방향 강압 컨버터와; 상기 릴레이 및 단방향 강압 컨버터의 동작을 제어하는 제어수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치를 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 제어수단은 브레이크 온/오프 신호와, 가속페달 신호와, 버스단 전압(Vb) 및 슈퍼캡 전압(Vsc)을 수신하여 상기 릴레이의 온/오프 작동 명령 및 컨버터 제어기의 출력 명령을 내리는 전력분배제어기와; 상기 전력분배 제어기의 출력 명령에 따라 단방향 강압 컨버터의 듀티비(d)를 조절하는 컨버터 제어기; 로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단방향 강압 컨버터는 슈퍼캡 전압이 높고 연료전지 전압이 낮은 조건에서 운전되는 강압형 컨버터로서, 수퍼캡 파워 어시스트에 필요한 출력 만큼 의 용량을 가지는 것으로 채택되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법에 있어서, 연료전지와 수퍼캡간의 릴레이 온에 의하여 연료전지와 수퍼캡이 서로 직결된 상태로 주행하는 정상 하이브리드 모드와, 상기 릴레이 오프에 의거 연료전지만으로 출력이 이루어지는 연료전지 단독 모드와, 고출력 요구시 상기 릴레이 오프 상태를 유지하면서 단방향 강압 컨버터를 통해 수퍼캡의 에너지가 집중 출력되도록 한 수퍼캡 파워 어시스트 모드와, 연료전지의 저출력 구간에서 연료전지 발전을 정지하고 수퍼캡만으로 출력이 이루어지는 연료전지 발전 정지 모드를 통하여, 연료전지와 수퍼캡의 동력 분배가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 단독 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지와 수퍼캡이 릴레이에 의하여 직결된 상태에서, 연료전지 출력이 일정 수준 이상이면서 슈퍼캡의 자기 방전이 이루어진다고 판단되면, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 오프시켜 수퍼캡 에너지의 방전 차단이 이루어지도록 한 것임을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 연료전지 단독 모드에서 수퍼캡 파워 어시스트 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지 단독 모드중 연료전지 전압이 하강하여 단방향 강압 컨버터의 작동 시점에 도달하거나 고출력을 요구하는 경우, 단방향 강압 컨버터를 요구 출력을 추종하는 듀티비(d)로 조절하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이때, 상기 단방향 강압 컨버터는 요구 출력을 만족하기 위해 연료전지 전압차(버스단 전압)과 수퍼캡 전압을 이용하여 듀티 제어를 수행하는 벅 타입 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지 전압과 슈퍼캡 전압이 같아지면, 단방향 강압 컨버터의 파워 어시스트 전류제어를 정지시키는 동시에 연료전지와 수퍼캡을 릴레이 온에 의하여 다시 직결시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 연료전지 단독 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 동력 천이 과정은 수퍼캡으로 회생제동 에너지를 회수해야 할 경우, 연료전지와 수퍼캡을 릴레이 온에 의하여 다시 직결시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 슈퍼캡 출력 어시스트 모드에서 차량 요구출력이 감소할 경우 정상 하이브리드 모드로 다시 천이되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 연료전지 발전 정지 모드는 연료전지 스택의 공기극에 대한 공기 공급을 중단하거나, 연료극에 대한 수소 공급을 중단하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 연료전지 발전 정지 모드 상태에서 차량 출력이 증가한다고 판단되거나, 슈퍼캡 전압이 연료전지 발전 재개 시점까지 떨어진 것으로 판단되면, 연료전지 발전을 재개하여 정상 하이브리드 모드로 재진입되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지와 수퍼캡이 릴레이에 의하여 직결된 정상 하이브리드 모드가 수행되다가, 슈퍼캡의 방전량이 어느정도 이상되면 릴레이를 오프시켜 연료전지 단독모드로 진행하여 슈퍼캡의 초기 방전을 방지하고, 고속/고출력 구간에서 수퍼캡의 방전을 단방향 강압 컨버터를 통해 실시하여 슈퍼캡 파워 어시스트가 집중적으로 이루어지도록 함으로써, 연료전지 수퍼캡 직결형 시스템의 장점을 유지하면서도 추월 등과 같은 가속/고속시의 동력 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 파워 어시스트 구간을 제외하고, 수퍼캡과 연료전지는 릴레이에 의하여 상시 직결되어 있으므로, 기존의 DC-DC 컨버터와 같은 전력변환장치를 사용하지 않아 파워 손실이 없다는 장점이 있고, 슈퍼캡의 고출력 특성으로 인해 회생제동에 따른 에너지도 수퍼캡으로 많이 회수시킬 수 있다.
또한, 저출력 구간에서는 일종의 아이들 스탑과 같이 연료전지 발전을 정지시킴으로써, 저효율구간 회피 운전을 수행하여 연비 상승을 도모할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치(파워넷)를 나타내는 구성도이다.
본 발명의 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 시스템은 가속시 수퍼캡(20)의 초기 방전을 방지하고, 고속/고출력 구간에서는 수퍼캡(20)에 의한 출력 파워 어시스트가 집중적으로 이루어지도록 슈퍼캡단에 고출력구간에만 일부 사용하기 위한 단방향 강압 컨버터(30: 연료전지단 전압 < 슈퍼캡 전압)를 장착하고, 연료전지(10)와 수퍼캡(20)을 릴레이(40)를 통해 직결시킨 점에 특징이 있으며, 또한 상기 단방향 강압 컨버터(30)의 출력 제어를 위한 제어수단으로서 전력분배 제어기(50) 및 컨버터 제어기(60)가 포함된다.
상기 릴레이(40)는 연료전지(10) 즉, 연료전지 버스단과 수퍼캡(20)간의 충방전라인상에 설치되어, 연료전지(10)와 수퍼캡(20)을 직결시키거나, 단락시키는 역할을 하게 된다.
상기 단방향 강압 컨버터(30)의 용량은 수퍼캡의 출력 어시스트 전략에 따라 정해지며, 필요한 출력만큼의 용량을 가지는 것만으로도 채택 가능하다.
상기 전력분배제어기(50)는 브레이크 작동 유무를 알려주는 브레이킹 온/오프 신호, 버스단 전압(Vb), 슈퍼캡 전압(Vsc)을 수신하여 릴레이(40) 작동 및 컨버터 제어기(60)의 출력 명령(Pref)을 출력한다.
상기 컨버터 제어기(60)는 전력분배 제어기(50)의 출력 명령에 따라 강압 컨버터(30)의 듀티비(d)를 조절하여 요구 출력명령을 추종하도록 단방향 강압 컨버터(30)를 제어하게 된다.
이러한 구성을 기반으로, 본 발명의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차 량의 동력 분배 제어는 크게 연료전지와 수퍼캡이 릴레이에 의하여 직결되는 정상 하이브리드 모드와, 릴레이 차단에 의거 연료전지만으로 모터가 구동되는 연료전지 단독 모드와, 고출력 요구시 단방향 강압 컨버터를 이용하여 수퍼캡에 의한 출력 파워 어시스트가 이루어지는 수퍼캡 파워 어시스트 모드로 구분되어 진행된다.
특히, 첨부한 도 2에 도시된 풀가속시 전류곡선에서 알 수 있듯이, 상기 수퍼캡 파워 어시스트 모드 진입전에 슈퍼캡의 초기 방전을 막기 위해 연료전지와 슈퍼캡을 연결하는 릴레이를 차단하여 연료전지로만 출력이 이루어지도록 한 후, 실제 많은 출력이 필요한 고출력구간에서 상기 단방향 강압형 컨버터를 사용하여 수퍼캡에 의한 출력 파워 어시스트가 이루어도록 함으로써, 모터에서 필요한 출력 크기 및 지속 시간을 증대시키게 된다.
보다 상세하게는, 첨부한 도 3에 도시된 풀가속시 전압곡선에서 보듯이, 풀가속시와 같은 고출력 구간에 진입하면 최초에는 연료전지와 수퍼캡이 릴레이에 의하여 직결된 상태를 유지하여 연료전지 전압과 슈퍼캡 전압이 동일하게 움직이다가(도 3의 T1 구간), 슈퍼캡의 방전량이 어느정도 이상되면 릴레이를 차단(OFF)하여 연료전지로만 모터의 구동이 이루어지도록 함으로써, 슈퍼캡 전압은 계속 높은 상태를 유지하는 동시에 연료전지(메인버스단)전압은 계속 하강하게 된다(도 3의 T2 구간).
연이어, 하강하는 연료전지 전압이 어느정도 이상되면, 이때부터 단방향 강압형 컨버터의 출력 제어를 실시하여 수퍼캡 파워 어시스트 제어가 수행된다(도 3의 T3 구간).
이어서, 이미 낮아진 연료전지 전압 즉, 메인버스단 전압과 슈퍼캡 전압이 같아지면, 상기 릴레이를 온(ON)시켜 연료전지와 수퍼캡을 다시 직결시키게 된다(도 3의 T4 구간).
이때, 상기 단방향 강압 컨버터는 그 입력단 전압(슈퍼캡 전압)이 높고 출력단 전압(연료전지 전압)이 낮은 조건에서 운전되는 강압형 컨버터이며, 입력단 전압(수퍼캡 전압)과 출력단 전압(연료전지 전압)이 같아지면 더 이상 작동하지 않아 필요한 출력만큼의 용량만 가지도록 설계된 것으로 채택된다.
여기서, 본 발명의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배 제어는 크게 정상 하이브리드 모드와, 연료전지 단독모드와, 수퍼캡 파워 어시스트 모드로 구분되어 진행된다.
먼저, 상기의 각 모드 진행시 이루어지는 연료전지 및 수퍼캡의 제어 동작을 연료전지의 전압 전류 곡선을 보여주는 첨부한 도 4를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
도 4에서, A시점은 연료전지 발전을 정지하는 아이들 스탑 시점이고, B시점은 연료전지 발전을 재개하는 시점이다.
A시점에서 B시점간의 구간은 저출력구간이며 연료전지 시스템의 저효율구간이므로 연료전지의 발전(도 17을 참조로 위에서 설명된 전기 생성을 위한 작동)을 정지하여 슈퍼캡만이 차량 구동에너지를 담당하는 아이들 스탑제어를 위한 제어변 수이고, 더불어 연료전지 발전을 정지하여 연료전지로부터 슈퍼캡에 대한 자동충전을 방지하는 동시에 수퍼캡에 회생제동에너지를 최대한 많이 확보해주기 위한 변수이기도 하다.
연료전지는 전류가 증가할수록 전압이 하강하고 출력은 증대되는 파워 소스이며, 연료전지와 수퍼캡간의 릴레이 차단 시점(C)과, 단방향 강압 컨버터의 작동 시점(D)등을 연료전지 전압으로 정할 수 있고, 또한 연료전지 전압 뿐만 아니라, 연료전지 출력, 모터 출력, 연료전지 전류 등으로 C시점 및 D시점을 선정할 수 있다.
도 4에서 나타낸 C시점 즉, C제어변수는 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 차단(OFF 1)하는 시점이면서 슈퍼캡 에너지를 언제까지 어느정도 수준으로 저장해 놓을지에 해당하는 변수이고, 상기 D시점 즉, D제어변수는 슈퍼캡의 파워 어시스트(출력보조)가 시작되어야 하는 시점이면서 슈퍼캡 에너지가 실제로 필요한 파워 어시스트 시점에 해당된다.
또한, 도 4에서 C'시점은 실제 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이 차단 시점으로서, 슈퍼캡 자가 방전 시점이 언제인지에 따라 C가 D지점 사이 구간에 존재할 수 있고, 회생제동이나 출력감소로 릴레이를 재연결한 후, 다시 가속이 이루어질때 릴레이를 차단(OFF 2)하는 시점이다.
여기서, 본 발명의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배 방법을 정상 하이브리드 모드와, 연료전지 단독모드와, 수퍼캡 파워 어시스트 모드별로 구분하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 5의 주행모드 블럭도에서 보는 바와 같이, 상기 정상 하이브리드 모드는 연료전지와 슈퍼캡이 직결된 상태에서 이루지는 주행 모드이고, 상기 연료전지 단독모드는 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이가 차단되어 연료전지로만 구동되는 주행모드이며, 수퍼캡 파워 어시스트 모드는 단방향 강압 컨버터의 출력제어를 통해 슈퍼캡 출력을 보조하는 주행모드로서 슈퍼캡 출력을 보조하는 만큼 모터 출력제한치를 상향 조정하여 가속성능 향상을 도모할 수 있는 주행 모드이며, 하기와 같은각 주행모드로의 천이 과정(P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7)을 통해 연료전지와 수퍼캡에 대한 동력분배 제어가 이루어진다.
정상 하이브리드 모드에서 연료전지 단목 모드로의 천이 과정(P1)
첨부한 도 6은 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 단독 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도이다.
연료전지와 수퍼캡이 릴레이 온에 의하여 서로 직결된 상태로 주행이 이루어지다가, 연료전지 출력이 일정 수준 이상이면서 슈퍼캡의 자기 방전이 이루어진다고 판단되면, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 차단함으로써, 수퍼캡 에너지가 방전되는 것을 방지함과 더불어 수퍼캡 에너지를 고출력 요구시 필요한 에너지로 미리 확보해 둔다.
즉, 전력분배제어기(50)에서 버스단 전압(Vb) 및 슈퍼캡 전압(Vsc)을 수신하여, 연료전지(10)와 수퍼캡(20)간의 릴레이 차단 시점(C)까지 연료전지 전압(VFC)이 하강하거나, 슈퍼캡(20)의 자기 방전이 이루어진다고 판단되면, 상기 릴레이(40)를 오프시키게 되고, 그에따라 수퍼캡 에너지가 방전되는 것이 차단됨과 함께 연료전지로만 모터(70) 구동이 이루어지는 연료전지 모드로 진입하게 된다.
연료전지 단독 모드에서 수퍼캡 파워 어시스트 모드로의 천이 과정(P2)
첨부한 도 7은 연료전지 모드에서 수퍼캡 파워 어시스트 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도이다.
연료전지 단독 모드로 주행이 이루어지다가 연료전지 출력이 고출력이라고 판단되는 순간, 단방향 강압형 컨버터를 통해 슈퍼캡 파워 어시스트 제어를 수행하게 된다.
즉, 전력분배제어기(50)에서 연료전지 전압이 하강하여 단방향 강압 컨버터의 작동 시점(D)에 도달하거나, 가속페달을 지속적 또는 급작스럽게 밟는 등 고속/고출력 요구 신호를 수신하면, 컨버터 제어기(60)의 출력 명령(Pref)을 출력하고, 이어서 컨버터 제어기(60)는 전력분배 제어기(50)의 출력 명령에 따라 강압 컨버터(30)의 듀티비(d)를 조절하여 요구 출력명령을 추종하도록 단방향 강압 컨버터(30)를 제어하게 되며, 이에 단방향 강압형 컨버터(30)를 통해 슈퍼캡 에너지가 파워 어시스트를 위해 인버터(80)를 거쳐 모터(70)로 제공된다.
이때, 수퍼캡이 보조하는 출력의 크기는 요구 가속성능 또는 모터 특성 등에 따라 임의로 정할 수 있으며, 상기 단방향 강압 컨버터는 정해지는 출력요구를 만족하기 위해 양단 전압차(버스단 전압과 수퍼캡 전압)를 이용하여 듀티제어를 수행 하는 벅 타입(Buck Type)제어를 수행한다.
이와 같이, 수퍼캡 파워 어시스트 모드 진입전에 슈퍼캡의 초기 방전을 막기 위해 연료전지와 슈퍼캡을 연결하는 릴레이를 차단하여 연료전지로만 출력이 이루어지도록 한 후, 실제 많은 출력이 필요한 고출력구간에서 상기 단방향 강압형 컨버터를 사용하여 수퍼캡에 의한 출력 파워 어시스트가 이루어도록 함으로써, 모터에서 필요한 출력 크기 및 지속 시간을 증대시킬 수 있다.
수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정(P3)
첨부한 도 8은 수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도이다.
상기와 같이 수퍼캡 파워 어시스트 제어가 수행되다가, 전력분배제어기(50)에서 버스단 전압(Vb) 및 슈퍼캡 전압(Vsc)을 수신하여, 양단 전압 즉, 연료전지 전압(VFC)인 버스단 전압(Vb)과 슈퍼캡 전압(Vsc)이 같아진 것으로 판단하면, 단방향 강압 컨버터의 파워 어시스트 전류제어를 수행하지 않고, 릴레이를 온시켜 연료전지와 수퍼캡이 다시 직결된 상태가 되도록 함으로써, 정상 하이브리드 모드로 재진입하게 된다.
이때는 슈퍼캡도 파워 어시스트 제어에 의하여 에너지를 다 소모한 상태이므로, 더 이상 파워 어시스트를 수행할 수 없고, 모터링 제한치는 연료전지 최대 출력만으로 제한된다.
한편, 상기한 P1 내지 P3 천이 과정은 고출력이 필요할 경우 필요한 제어이지만, 슈퍼캡의 파워 어시스트 전에 운전자 요구량(브레이크 페달 조작량 및 시간, 가속페달을 떼는 순간 등)에 의한 회생제동이나 출력감소가 이루어질 경우, 릴레이 오프에 의하여 연료전지와 수퍼캡, 즉 버스단과 수퍼캡이 직결되지 않으므로 수퍼캡에서 회생제동에너지를 회수할 수 없고, 결국 슈퍼캡에 에너지를 충전시킬 수 없다.
따라서, 첨부한 도 9의 순서도를 참조로 설명되는 아래의 P4 및 P5의 천이과정과 같이, 회생제동시나 출력감소시에는 수퍼캡단의 릴레이 즉, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 온시켜서 연료전지와 수퍼캡이 직결되는 정상 하이브리드 모드로 진입되도록 한다.
연료전지 단독 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정(P4)
연료전지 단독모드 또는 슈퍼캡 출력 어시스트 모드로 주행할 때, 속도 감소를 위해 운전자가 브레이크를 작동할 경우, 즉 회생제동 에너지를 회수해야 할 경우 수퍼캡단의 릴레이 즉, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 온시켜서 연료전지와 수퍼캡이 직결되는 정상 하이브리드 모드로 진입되도록 함으로써, 회생제동 에너지가 수퍼캡으로 바로 회수되어 충전된다.
이렇게, 회생제동시에는 슈퍼캡으로 에너지 회수가 우선이므로 연료전지와 수퍼캡, 즉 버스단과 수퍼캡을 바로 직결하여 수퍼캡에 회생제동에 따른 에너지 충 전이 이루어지도록 한다.
수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정(P5)
연료전지 단독모드 또는 슈퍼캡 출력 어시스트 모드에서 차량 요구출력이 감소할 경우(예를 들어, 가속페달을 떼는 순간)에는 수퍼캡단의 릴레이 즉, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 온시키지 않고, 출력이 감소하기 때문에 버스단 전압(Vb)이 어느정도 상승한 후, 버스단 전압(Vb)와 슈퍼캡측 전압이 같아지면 릴레이를 온시켜서, 연료전지와 수퍼캡이 직결되는 정상 하이브리드 모드로 진입되도록 한다.
이렇게 요구 출력이 감소하는 경우와 같이 회생제동이 아닌 경우에는 연료전지 전압과 슈퍼캡 전압이 같아질 때 릴레이를 온시켜 연료전지와 수퍼캡을 직결함으로써, 이때부터 연료전지로부터 슈퍼캡에 대한 충전이 이루어지도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법에 있어서, 연료전지의 저출력 구간에는 연료전지 발전을 정지하여 저효율구간 회피 운전을 수행하여 연비 상승을 도모할 수 있다.
특히, 본 발명의 동력 분배 방법에서 연료전지 발전 정지 모드가 필요한 이유는 슈퍼캡 파워 어시스트를 위해 슈퍼캡의 전압을 고전압 상태로 유지하는 구간이 많고, 회생제동에 따른 에너지 회수만으로도 수퍼캡의 전압을 고전압 상태로 유지할 수 있으므로, 연료전지에 의한 슈퍼캡 충전을 막기 위해서도 아래의 천이과 정(P6)과 같은 저출력구간에서의 연료전지 발전 정지 제어 모드가 필요하다.
정상 하이브리드 모드에서 연료전지 발전 정지 모드로의 천이 과정(P6)
첨부한 도 10은 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 발전 정지 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도이다.
저효율구간 회피 운전을 수행하여 연비 상승을 도모하고자, 연료전지 출력이 저출력 구간이라고 판단되고 연료전지가 비정상상태에 있지 않다고 판단되면, 일종의 아이들 스탑과 같이 연료전지 발전 정지 모드로 진입하고, 주행을 위한 모터는 수퍼캡으로부터 공급되는 전력을 사용하여 구동되도록 한다.
이러한 연료전지 발전 정지는 첨부한 도 15를 참조로 설명된 연료전지 동작 원리에서 알 수 있듯이, 스택의 공기극(cathode)에 대한 공기 공급을 중단하여 스택의 전기 생성 작동을 멈추게 함으로써, 자동적으로 이루어질 수 있다.
이때, 다른 연료전지 보기류 냉각펌프/팬 작동도 멈추게 되고, 스택의 열화가 문제되지 않는다면 수소 공급도 멈출 수 있다.
연료전지 발전 정지 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정(P7)
첨부한 도 11은 연료전지 발전 정지 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도이다.
연료전지 발전 정지 모드 상태에서 차량 출력(Pmot)이 증가한다고 판단되거나, 위의 P6 천이과정에서 모터 구동을 위해 방전된 슈퍼캡 전압(Vsc)이 연료전지 발전 재개 시점(B)에 도달할 정도로 어느 정도 하강하면, 스택의 공기극에 대한 공기 공급을 다시 실시하는 등 연료전지 발전을 재개하여 정상 하이브리드 모드로 재진입되도록 하고, 연료전지의 전기 생성을 위한 발전이 재개되는 도중 연료전지 상태가 정상으로 회복하지 않는다면 공기 공급 명령을 증가하여 조기 회복하도록 하여, 기타 보기류 작동이 정상적으로 재개되도록 한다.
상기와 같은 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배 과정을 첨부한 도 12를 참조로 다시 한 번 정리하여 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 12는 본 발명의 다양한 주행모드에 따른 수퍼캡과 연료전지의 전압 변화 곡선을 나타낸다.
연료전지와 수퍼캡이 릴레이 온에 따라 직결된 상태에서 차량 주행이 이루어진 후, C지점에서 릴레이 오프하여 연료전지 단독 모드 진입하게 되고, 연료전지 전압이 어느 정도 하강하는 동시에 고출력이 요구됨에 따라 D지점에서 슈퍼캡 파워 어시스트 모드로 진입하게 되며, 이후 슈퍼캡과 연료전지 전압이 같아지면 다시 릴레이를 온시켜 연료전지와 수퍼캡을 직결시킨다.
또한, 출력이 감소하여 연료전지 저출력구간인 A지점에 도달한 것으로 판단되면 연료전지 발전 정지모드로 진입하고, 다시 출력이 증가하여 B시점을 지나면 연료전지 발전을 재개하여 정상 하이브리드 모드로 진입한다.
또한, 연료전지 단독모드에서 회생제동이 이루어지면 릴레이를 바로 직결하고, 출력이 감소할 경우에는 연료전지와 수퍼캡 전압이 같아지면 직결한다.
또한, 출력이 감소하는 도중 다시 가속을 하게 되면 릴레이가 차단되는 시점은 C' 시점에서 이루어지는 바, 이때에는 슈퍼캡 에너지가 충분히 충전되지 않은 상태에서 다시 가속이 이루어지므로 파워 어시스트하는 수퍼캡 에너지는 작을 수 밖에 없다.
상술한 바와 같은 본 발명의 주행 모드 즉, 정상 하이브리드 모드, 연료전지 단독모드, 수퍼캡 파워 어시스트 모드 등을 첨부한 도 13에 도시된 연료전지 출력 효율 곡선을 통해 다시 한 번 설명하면, 저출력구간에는 연료전지 발전 정지 모드, 고출력구간에는 슈퍼캡 파워 어시스트 모드, 그 이외 구간에는 출력 증가시에는 슈퍼캡을 차단하여 연료전지 단독 모드로 운행되고, 출력 감소시나 회생제동시에는 슈퍼캡을 충전하여 파워 어시스트를 위한 에너지를 확보하는데 사용하는 모드로 구분될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치(파워넷)를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법 적용시, 풀가속에 따른 연료전지와 수퍼캡과 인버터의 전류 변화를 나타낸 전류 곡선,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법 적용시, 풀가속에 따른 연료전지와 수퍼캡의 전압 변화를 나타낸 전압 곡선,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법 적용시, 풀가속에 따른 연료전지의 전압/전류 변화를 나타낸 전압/전류 곡선,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 각 주행모드 및 각 주행 모드로의 천이 과정을 설명하는 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 단독 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 연료전지 모드에서 수퍼캡 파워 어시스트 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정 을 설명하는 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 회생제동시나 출력감소시 정상 하이브리드 모드로 재진입하는 천이 과정을 설명하는 순서도,
도 10은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 발전 정지 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도,
도 11은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 연료전지 발전 정지 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 천이 과정을 설명하는 순서도,
도 12는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 다양한 주행모드에 따른 수퍼캡과 연료전지의 전압 변화 곡선,
도 13은 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력 분배에 있어서, 다양한 주행모드에 따른 연료전지 출력 효율 곡선,
도 14의 기존 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에서 풀가속에 따른 연료전지와 수퍼캡과 인버터의 전류 변화를 나타낸 전류 곡선,
도 15는 연료전지 시스템의 동작 원리를 설명하는 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 20 : 수퍼캡
30 : 단방향 강압 컨버터 40 : 릴레이
50 : 전력분배 제어기 60 : 컨버터 제어기
70 : 모터 80 : 인버터

Claims (13)

  1. 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치에 있어서,
    상기 연료전지와 수퍼캡간의 충방전 라인상에 장착되는 릴레이와;
    상기 수퍼캡의 출력단과 상기 연료전지 버스단간에 설치되어 파워 어시스트가 필요할 때만 수퍼캡 에너지를 연료전지 버스단으로 출력하는 단방향 강압 컨버터와;
    상기 릴레이 및 단방향 강압 컨버터의 동작을 제어하는 제어수단;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어수단은:
    브레이크 온/오프 신호와, 가속페달 신호와, 버스단 전압(Vb) 및 슈퍼캡 전압(Vsc)을 수신하여 상기 릴레이의 온/오프 작동 명령 및 컨버터 제어기의 출력 명령을 내리는 전력분배제어기와;
    상기 전력분배 제어기의 출력 명령에 따라 단방향 강압 컨버터의 듀티비(d)를 조절하는 컨버터 제어기;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단방향 강압 컨버터는 슈퍼캡 전압이 높고 연료전지 전압이 낮은 조건에서 운전되는 강압형 컨버터로서, 수퍼캡 파워 어시스트에 필요한 출력 만큼의 용량을 가지는 것으로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배장치.
  4. 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법에 있어서,
    연료전지와 수퍼캡간의 릴레이 온에 의하여 연료전지와 수퍼캡이 서로 직결된 상태로 주행하는 정상 하이브리드 모드와,
    상기 릴레이 오프에 의거 연료전지만으로 출력이 이루어지는 연료전지 단독 모드와, 고출력 요구시 상기 릴레이 오프 상태를 유지하면서 단방향 강압 컨버터를 통해 수퍼캡의 에너지가 집중 출력되도록 한 수퍼캡 파워 어시스트 모드를 포함하는 주행모드를 통하여,
    연료전지와 수퍼캡의 동력 분배가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 주행모드에는 연료전지의 저출력 구간에서 연료전지 발전을 정지하고 수퍼캡만으로 출력이 이루어지는 연료전지 발전 정지 모드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 정상 하이브리드 모드에서 연료전지 단독 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지와 수퍼캡이 릴레이에 의하여 직결된 상태에서, 연료전지 출력이 일정 수준 이상이면서 슈퍼캡의 자기 방전이 이루어진다고 판단되면, 연료전지와 슈퍼캡간의 릴레이를 바로 오프시켜 수퍼캡 에너지의 방전 차단이 이루어지도록 한 것임을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 단독 모드에서 수퍼캡 파워 어시스트 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지 단독 모드중 연료전지 전압이 하강하여 단방향 강압 컨버터의 작동 시점에 도달하거나 고출력을 요구하는 경우, 단방향 강압 컨버터를 요구 출력을 추종하는 듀티비로 조절하여 이루어짐을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단방향 강압 컨버터는 요구 출력을 만족하기 위해 연료전지 전압차(버스단 전압)과 수퍼캡 전압을 이용하여 듀티 제어를 수행하는 벅 타입 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 수퍼캡 파워 어시스트 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 동력 천이 과정은 연료전지 전압과 슈퍼캡 전압이 같아지면, 단방향 강압 컨버터의 파워 어시스트 전류제어를 정지시키는 동시에 연료전지와 수퍼캡을 릴레이 온에 의하여 다시 직결시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 단독 모드에서 정상 하이브리드 모드로의 동력 천이 과정은 수퍼캡으로 회생제동 에너지를 회수해야 할 경우, 연료전지와 수퍼캡을 릴레이 온 에 의하여 다시 직결시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 슈퍼캡 출력 어시스트 모드에서 차량 요구출력이 감소할 경우 정상 하이브리드 모드로 다시 천이되는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지 발전 정지 모드는 연료전지 스택의 공기극에 대한 공기 공급을 중단하거나, 연료극에 대한 수소 공급을 중단하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연료전지 발전 정지 모드 상태에서 차량 출력이 증가한다고 판단되거나, 슈퍼캡 전압이 연료전지 발전 재개 시점까지 떨어진 것으로 판단되면, 연료전지 발전을 재개하여 정상 하이브리드 모드로 재진입되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 차량의 동력분배방법.
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