KR20130011502A - 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속된 내리막길에서 회생 제동시 배터리가 만충된 경우 브레이크 오일의 과열을 방지하여 제동 안정성을 확보하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 차량의 연속적인 내리막길 주행 중 고전압 배터리가 만충전되어 그의 충전이 불가능한 경우, 연료전지에 공기 공급이 중단되면 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인에 부하들을 작동시켜 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법을 제공한다.

Description

연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법 {Control method for ensured braking of fuel cell vehicle when regenerative braking}
본 발명은 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속된 내리막길에서 회생 제동시 배터리가 만충된 경우 브레이크 오일의 과열을 방지하여 제동 안정성을 확보하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. 상기 연료전지를 사용하여 동력을 얻는 연료전지 차량은 공해물질이 발생하지 않는 친환경 차량으로서, 기존의 내연기관을 대체할 수 있는 차량으로 관심의 대상이 되고 있다.
한편, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 연료전지 차량의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 회생 제동시 전기모터(2)에서 발전된 전기에너지가 MCU(3, 모터 컨트롤 유닛) 측으로 공급되어 고전압 퓨즈/릴레이 박스(4)를 거쳐서 양방향 고전압 변압기(5), 고전압 연료전지 라디에이터 팬(7)(이하, 라디에이터 팬이라 축약함), 고전압 연료전지 냉각수 냉각펌프(8)(이하, 냉각수 냉각펌프로 축약함), 고전압 연료전지 공기공급기(9)(이하, 공기공급기로 축약함)에 고전압으로 공급된다.
상기의 회생 제동시 고전압 배터리(6)에는 전기모터(2)에서 발전된 고전압 전기에너지가 양방향 고전압 변압기(5)에서 변압되어 충전되고, 발전원인 연료전지(1)는 다이오드에 의하여 제동시 발전된 고전압이 전달되지 않게 된다.
그리고, COD(Cathode Oxygen Depleted) 히터(10)는 고전압 퓨즈/릴레이 박스(4)의 릴레이에 의하여 작동되며, 셧다운(SHUT DOWN) 시에만 작동하여 무부하 상태의 연료전지(1)의 전압을 낮추는 역할을 한다.
또한, 연료전지 차량은 상기 고전압 배터리(6)가 충전완료되면(혹은 만충전되면) MCU(3)에 발전기능정지를 명령하여 추가적인 발전을 방지한다.
이와 같이 연료전지 차량은 제동시 전기모터(2)의 발전으로 생성된 전기에너지를 고전압 배터리(6)에 충전하여 연비를 향상시킬 수 있다.
그러나, 기존 연료전지 차량의 경우, 산악지대와 같이 연속적인 내리막길(혹은 연속 하강구간) 주행 중의 제동시 차량의 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 과정이 멈추면, 그 순간부터 차량의 위치에너지만큼의 열에너지가 브레이크 패드에 발생하게 된다.
다시 말해, 내리막길을 주행하는 연료전지 차량은 회생 제동시 전기모터를 이용하여 차량의 위치에 따른 위치에너지를 운동에너지로 변환하고, 이 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 해당 부하를 구동하고 고전압 배터리를 충전하게 되는데, 상기 고전압 배터리가 충전완료되어 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 발전작동이 중지됨에 따라 그 위치에너지가 브레이크 패드의 열에너지로 변환되며, 이는 곧 브레이크 오일의 과열로 이어져 제동 불능 상태에 도달하게 된다.
즉, 기존 연료전지 차량은 변속기가 구비되어 있지 않기 때문에 엔진을 주동력원으로 사용하는 차량과 달리 엔진브레이크의 사용이 불가능하여, 고전압 배터리의 충전용량을 초과하는 위치에너지가 열에너지로 변환되어 브레이크 오일의 과열을 유발하게 된다.
또한, 종래 연료전지 차량은 회생 제동시 연료전지의 출력 저하로 인해 냉각수 온도가 하강되어 그 온도를 적정하게 유지하지 못함으로 연료전지 시스템의 온도가 불안정하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연료전지 차량의 연속적인 내리막길 주행 중 배터리의 만충전시 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인의 부하들을 작동시켜 브레이크 오일의 과열을 방지하고 냉각수 온도를 적정하게 유지하여서, 제동성능을 확보하고 연료전지 시스템의 온도 안정화를 유도하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 차량의 연속적인 내리막길 주행 중 고전압 배터리가 만충전되어 그의 충전이 불가능한 경우, 연료전지에 공기 공급이 중단되면 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인에 부하들을 작동시켜 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모하기 위한 냉각수 유동 라인에 부하들은 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬이며, 이 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬을 전기모터의 생성 전기량에 따라 제어하여 초기 제동시보다 상기 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬에 의한 전기모터의 부하가 증가되게 작동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 전압이 일정 기준 전압보다 낮아지면 COD 히터를 작동시키고, 이에 의해 상승된 연료전지 냉각수의 온도를 낮추기 위하여 전기모터의 생성 전기량에 따라 3방향 밸브의 개도량을 조절하여 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬을 작동시킴으로써 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 추가로 소모하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 COD 히터에 의한 연료전지 냉각수의 과열시, COD 히터 릴레이를 오프(OFF)하여 COD 히터의 작동을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공기공급기는 연료전지의 건조를 방지하기 위하여 작동 중단 상태를 유지시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제어 방법에 의하면, 브레이크 오일의 과열 방지를 통해 제동성능을 확보함으로 전기모터와 감속기를 이용하여 산악지대와 같이 연속적인 내리막길에서 안정적인 제동이 가능하고, 제동시 연료전지의 출력 저하로 인한 냉각수 온도 저하를 방지하여 냉각수 온도를 지속적으로 유지하여 제동구간에서의 연료전지 시스템의 온도 안정화를 유도할 수 있다.
도 1은 종래 연료전지 차량의 회생 제동시 전류 흐름을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 로직을 나타낸 도면
도 3은 연료전지 시스템에서 냉각수 유동 궤적을 개략적으로 나타낸 도면
보통 연료전지 차량은 하강 경사로에서 회생 제동시 전기모터를 발전기로 이용하여 생성한 전기에너지를 고전압 배터리에 충전하여 연비를 향상시키는데, 상기 고전압 배터리는 제동 초기에 만충전되므로, 본 발명은 연속적인 내리막길에서 회생 제동시 고전압 배터리의 충전용량을 초과하는 조건, 즉 충전이 불가능한 조건에서 전기모터에 의해 생성한 전기에너지를 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인에 부하들을 이용하여 소모함으로써, 고전압 배터리의 충전용량을 초과하는 차량의 위치에너지에 의한 브레이크 오일의 과열을 방지하고 연료전지 냉각수의 온도를 일정 범위로 유지시킨다.
따라서, 본 발명에서는 산악지대와 같이 연속적인 내리막길에서의 회생 제동시 내리막길 초기에는 고전압 배터리를 충전시키고, 내리막길 하강구간 중후기에는 냉각수 유동 라인의 중전압 및 고전압의 부하들을 작동시켜 생성한 전기에너지를 소모하여, 회생 제동시 브레이크 패드로 변환되어 전달되는 열에너지를 최소화함으로써 차량의 제동성능을 유지하도록 한다.
이하, 도 2를 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
연속적인 내리막길에서의 회생 제동시 본 발명에 따른 제어 과정은, 크게 고전압 배터리가 충전가능한 미충전 상태와 충전 불가능한 만충전 상태로 구분할 수 있고, 특히 고전압 배터리가 충전 불가능한 만충전 상태는 연료전지의 아이들 스탑이 진행 중인 경우와 아이들 스탑이 진행 완료된 경우로 구분할 수 있으며, 그 분류 조건에 따라 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 상기 고전압 배터리에 충전하거나 또는 고전압의 부하를 작동시켜 소모한다.
차량의 연속적인 내리막길 주행이 시작되면, 먼저 고전압 배터리의 충전이 가능한 초기 제동시에는, 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 양방향 고전압 변압기의 변압 작동을 통해 변압시켜서 고전압 배터리에 충전시킨다.
이때, 연료전지는 연료전지의 전압을 소모하는 주된 부하인 전기모터가 부하로서 동작하지 않음으로 인해 전압 상승된 상태이고, 연료전지로 요구되는 출력(혹은 요구출력이라 축약함)이 감소되므로 연료공급장치인 공기공급기의 출력을 감소시키며, 또한 연료전지의 출력 발생이 미비하거나 없으므로 연료전지가 발열되지 않고 연료전지 냉각수가 거의 승온되지 않아서 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬의 출력이 저하된다.
상기와 같이 내리막길 주행 중 초기 제동시 생성된 고전압의 전기에너지가 충전된 고전압 배터리는 만충전 상태가 되어 더 이상 충전 불가능한 상태가 되며, 연료전지는 전기모터를 구동시키지 않음으로 연료전지로 요구되는 요구출력이 지속적으로 낮은 상태임에 의해 전기 생산을 중단하는 아이들 스탑 상태가 된다.
앞서 말한 바와 같이, 고전압 배터리가 충전 불가능한 만충전 상태는 연료전지의 아이들 스탑이 진행 중인 경우와 아이들 스탑이 진행 완료된 경우로 분류하여 제어할 수 있다.
연료전지는 메인 부하인 전기모터를 구동하지 않음으로 연료전지로 요구되는 출력전압이 지속적으로 낮음에 따라 전기 생산을 중단하는 아이들 스탑을 진행하게 되고, 이에 따라 연료전지로의 공기 공급을 중단하기 위하여 공기공급기의 작동을 중지시켜 그 출력을 '0'으로 제어한다.
연료전지의 아이들 스탑을 진행하기 위하여 공기공급기의 공기 공급이 중단되면, 전기모터의 발전으로 생성된 고전압의 전기에너지를 소모하기 위하여, 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인의 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬을 작동시키는데, 이때 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬의 출력을 초기 제동시보다 증가시키기 위하여 3방향 밸브를 100% 완전 개방한 상태에서 작동시키고, 이에 의해 전기모터를 통해 생성한 전기에너지의 소모량(냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬에 의한 소모량)을 초기 제동시에 비해 증가시킨다.
이에 따라 고전압 배터리의 충전이 불가능한 상태임에도 불구하고 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모시켜 브레이크 오일의 과열을 방지할 수 있게 된다.
물론, 전기모터의 발전으로 생성된 고전압의 전기에너지를 소모함에 있어, 연료전지 냉각수의 적정 온도 조건 이내의 범위에서, 전기모터의 생성 전기량에 따라 3방향 밸브의 개도량, 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬의 출력을 개별적으로 제어하여 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬에 의한 전기모터의 부하를 초기 제동시(고전압 배터리의 충전이 가능한 상태임)보다 증가시켜 작동시킴으로써 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지에 맞춰 소모시키는 것도 가능하다.
그리고 이때, 상기 고전압 배터리는 만충전 상태이므로 양방향 고전압 변압기는 변압 작동이 중단되고, 공기공급기는 연료전지의 건조를 방지하기 위하여 작동 중단 상태를 유지시킨다.
상기와 같이 연료전지의 아이들 스탑이 진행됨에 따라 연료전지에 연료인 공기가 더 이상 공급되지 않게 되므로 연료전지는 시간이 지남에 따라 전압이 서서히 떨어지게 되며 일정 기준 전압 이하가 되기 전까지 이 상태를 유지하게 된다.
연료전지의 전압이 일정전압 이하로 하강되어 연료전지의 아이들 스탑이 진행 완료된 경우, 연료전지는 전기를 생산하지 않으므로 공기공급기의 출력은 계속해서 '0'으로 유지된다.
그리고, 연료전지의 아이들 스탑이 진행 중인 경우에 이어서 전기모터의 발전으로 생성된 고전압의 전기에너지를 추가로 소모하기 위하여, 전기모터와 COD 히터 사이에 구비되어 있는 고전압 퓨즈/릴레이 박스의 COD 히터 릴레이를 온(ON) 하여 COD 히터를 동작시켜서 연료전지 냉각수를 가열하고, 이에 의해 승온된 연료전지 냉각수를 냉각하기 위하여 3방향 밸브를 100% 완전 개방한 상태에서 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬을 작동시킴으로써 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모시킨다.
도 3을 참조하여 설명하면, COD 히터(10)는 연료전지(1)의 전기를 이용하여 연료전지(1)에서 배출되는 냉각수를 가열하는 히터로서 가열한 냉각수를 공조히터(13)로 보내고, 상기 공조히터(13)는 공기공급기(공조히터용 공기공급기임)에서 공급되는 공기를 상기 COD 히터(10)에서 공급되는 가열된 냉각수의 열기를 이용하여 가열하게 된다. 상기 공조히터(13)에서 공기를 가열한 후 이온 제거기(14)를 통과하여 순환된 냉각수는 냉각수 냉각펌프(11)를 통해 라디에이터 팬(7)으로 공급되고, 라디에이터 팬(7)에 의해 상승된 온도를 낮추게 된다.
이때, 상기 냉각수 냉각펌프(11)와 라디에이터 팬(7)은 COD 히터(10)에 의해 상승된 연료전지 냉각수의 온도를 낮추기 위하여 그 출력이 상승 제어되고, 그의 효과적인 출력 상승을 위해 3방향 밸브(12)를 100% 완전 개방한 상태에서 작동되어 전기모터에 의해 발전된 전기에너지를 소모하게 된다. 참고로, 상기 COD 히터(10)에서 배출된 냉각수는 열교환 없이 공조히터(13)를 통과하여 순환되거나 또는 바로 라디에이터 팬(7)으로 공급되어 냉각됨이 가능하다.
다시 말해, 상기 COD 히터(10)를 작동시킴에 따라 상승된 연료전지의 냉각수 온도를 낮추기 위해 3방향 밸브(12)를 100% 완전 개방한 상태에서 냉각수 냉각펌프(11)와 라디에이터 팬(7)을 작동시켜 냉각수 냉각펌프(11) 및 라디에이터 팬(7)의 출력을 증가시키고, 이에 의해 전기모터를 통해 생성된 전기에너지를 소모하여 브레이크 패드에서의 열에너지 생성 및 브레이크 오일로의 열에너지 전달을 최소화 또는 방지하게 된다.
물론, 연료전지 냉각수의 적정 온도 조건 이내의 범위에서 3방향 밸브(12)의 개도량(열림량), 냉각수 냉각펌프(11)의 출력, 라디에이터 팬(7)의 출력을 조정할 수 있어 전기모터의 생성 전기량에 따라서 냉각수 냉각펌프(11) 및 라디에이터 팬(7)의 출력 조정이 가능하다.
따라서, 상기 COD 히터(10)를 작동시킴에 따라 상승된 연료전지의 냉각수 온도를 낮추기 위하여, 전기모터의 생성 전기량에 따라 3방향 밸브의 개도량을 조절하여 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬을 작동시킴으로써 전기모터의 발전 전기를 소모하고 냉각수의 온도를 적정하게 유지할 수 있다.
그리고, 이때 상기 고전압 배터리는 만충전 상태이므로 양방향 고전압 변압기는 변압 작동이 중단되고, 공기공급기는 연료전지의 건조를 방지하기 위하여 작동 중단 상태를 유지시킨다.
그리고, 3방향 밸브(12)의 최대 개방, 냉각수 냉각펌프(11)의 최대 출력, 라디에이터 팬(7)의 최대 출력에도 불구하고 상기 COD 히터에 의해 연료전지 냉각수가 과열되면, 고전압 퓨즈/릴레이 박스의 COD 히터 릴레이를 오프(OFF)하여 COD 히터의 작동을 중단한다.
본 발명은 이와 같은 제어 과정을 통해 고전압 배터리의 충전용량을 초과하는 차량의 위치에너지(혹은 전기모터의 운동에너지)를 연료전지의 냉각수 유동 라인에 부하들을 통해 지속적으로 소모함으로써, 브레이크 오일의 과열을 방지하여 산악지대와 같은 연속적인 내리막길에서도 차량의 제동 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 제어 과정에서 연료전지 냉각수 온도를 일정 수준으로 유지하게 되므로, 제동시 연료전지의 출력 저하로 인한 냉각수 온도 저하를 방지하고, 내리막길 주행을 완료한 후에도 연료전지 냉각수 온도가 일정 수준으로 유지되어 바로 연료전지의 발전 작동이 가능하게 된다.
내리막길 주행을 완료한 연료전지 차량은 차량의 주행자세를 감지할 수 있는 수단(예컨대 G센서 등과 같은 차량 주행자세 감지수단)를 통해 내리막길을 빠져나감을 감지 확인한 후, 연료전지의 아이들 스탑을 오프(OFF)하고 연료전지의 발전 작동을 재개한다.
이를 위하여, COD 히터 릴레이를 오프(OFF)한 상태에서 냉각수 냉각펌프, 라디에이터 팬, 3방향 밸브 및 양방향 고전압 변압기를 연료전지의 발전 작동을 위한 정상 조건에서 동작 재개시키고, 또한 공기공급기도 공기 공급을 위한 동작을 재개시켜 연료전지의 출력을 발생시킬 수 있도록 한다.
참고로, 연료전지 차량의 내리막길 진입 및 주행 또한 G센서와 같은 차량 주행자세 감지수단을 통해 감지/확인할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제어 과정은 연료전지 차량의 전자제어유닛에 의해 제어 및 수행되며, 기존 시스템의 변경 없이 제어 로직만을 변경한 용이 적용이 가능하다.
1 : 연료전지
7 : 라디에이터 팬
10 : COD 히터
11 : 냉각수 냉각펌프
12 : 3방향 밸브

Claims (5)

  1. 차량의 연속적인 내리막길 주행 중 고전압 배터리가 만충전되어 그의 충전이 불가능한 경우, 연료전지에 공기 공급이 중단되면 연료전지 시스템의 냉각수 유동 라인에 부하들을 작동시켜 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 소모하기 위한 냉각수 유동 라인에 부하들은 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬이며, 이 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬을 전기모터의 생성 전기량에 따라 제어하여 초기 제동시보다 상기 냉각수 냉각펌프와 라디에이터 팬에 의한 전기모터의 부하가 증가되게 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지의 전압이 일정 기준 전압보다 낮아지면 COD 히터를 작동시키고, 이에 의해 상승된 연료전지 냉각수의 온도를 낮추기 위하여 전기모터의 생성 전기량에 따라 3방향 밸브의 개도량을 조절하여 냉각수 냉각펌프 및 라디에이터 팬을 작동시킴으로써 전기모터의 발전으로 생성된 전기에너지를 추가로 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 COD 히터에 의한 연료전지 냉각수의 과열시, COD 히터 릴레이를 오프(OFF)하여 COD 히터의 작동을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법.
  5. 청구항 1 또는 3에 있어서,
    상기 공기공급기는 연료전지의 건조를 방지하기 위하여 작동 중단 상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 회생 제동시 제동성능 확보를 위한 제어 방법.
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