KR20140115446A - 연료전지 차량의 전력 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 전력 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 방법은, 상기 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계, 상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인지 비교하는 단계, 상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교하는 단계 및 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted) 및 상기 예측 동력(PPredicted)의 비교 결과에 따라 상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 차량의 전력 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING POWER OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 전력 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량·의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 배터리 충방전 금지구간 및 배터리 충방전 허용구간으로 미리 설정하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
차량에 대한 연비 향상의 요구와 배출가스 규제 강화에 따라 친환경 차량에 대한 요구가 증가하고 있다.
일반적으로, 연료전지에서는 수소탱크로부터 공급되는 수소와 외부 공기로부터 공급되는 산소의 산화·환원 반응을 통하여 전기에너지를 발생시킨다.
연료전지를 이용한 연료전지 차량은 기존의 석유 자원을 사용하지 않고도 차량 운행이 가능하여 친환경 차량으로 주목 받고 있다.
연료전지 차량은 연비 향상을 위해 순간의 주행 상황을 기준으로 배터리의 충방전을 제어하고 있다.
그러나, 현재의 연료전지 차량은 배터리의 충전상태(SOC; State of Charge) 및 주행 경로를 반영하여 최적의 전력 제어를 제공하지 못하는 문제가 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 배터리 충방전 금지구간 및 배터리 충방전 허용구간으로 미리 설정함으로써 효율적인 전력 제어를 제공하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 충방전 제어 방법은, 상기 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계, 상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인지 비교하는 단계, 상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교하는 단계 및 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted) 및 상기 예측 동력(PPredicted)의 비교 결과에 따라 상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계를 포함한다.
상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계는, 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 밖인 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 설정된 배터리 충방전 허용범위는, 아래 식(3)에 의해서 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, SOCmin은 최소 배터리 충전상태, SOCmax은 최대 배터리 충전상태, SOCcurrent은 현재의 배터리 충전상태(SOCcurrent)이다.
상기 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교하는 단계는, 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인 경우에 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계는, 상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 큰 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정하는 단계 및 상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 작은 경우에는 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계는, 상기 연료전지 차량의 현재 위치 및 입력 받은 목적지를 기초로 예상 주행 경로를 탐색하는 단계 및 상기 탐색한 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 시스템은, 상기 연료전지 차량의 주행 경로에 대한 정보를 제공하는 내비게이션 시스템, 배터리, 공기 공급기로부터 공급되는 산소와 수소탱크로부터 공급되는 수소의 산화환원 반응을 일으켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지, 인버터로부터 인가되는 전류에 의해 구동되는 모터, 상기 내비게이션 시스템을 통하여 입력되는 정보를 기초로 상기 배터리, 상기 연료전지 및 상기 모터를 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 전력 분배 제어기를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 배터리 충방전 금지구간 및 배터리 충방전 허용구간으로 미리 설정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 충방전 금지구간 및 상기 배터리 충방전 허용구간을 미리 설정함으로써 배터리의 사용 효율을 향상시킬 수 있으며, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 배터리의 사용 효율이 향상됨으로써 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 허용구간을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 금지구간을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 시스템은, 배터리(10), 산소와 수소의 산화환원 반응을 일으켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지(20), 상기 연료전지에 산소를 공급하는 공기 공급기(30), 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소탱크(40), 상기 연료전지에서 생성된 물을 배출하는 배출구(50), 직류를 교류로 변환하는 인버터(60), 상기 인버터로부터 인가되는 전류에 의해 구동되는 모터(70), 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 배터리 충방전 금지구간 및 배터리 충방전 허용구간으로 미리 설정하고 상기 배터리(10), 상기 연료전지(20) 및 상기 모터(70)를 제어하는 전력 분배 제어기(Power Control Unit; PCU)(100) 및 내비게이션 시스템(200)을 포함한다.
상기 내비게이션 시스템(200)은 사용자의 입력을 수신하는 입력부(210), 다수 개의 인공위성으로부터 GPS위치 정보를 수신하는 GPS 수신부(220), 도로 정보, 건물 정보 등을 포함하는 저장공간인 지리 정보 데이터베이스(230) 및 내비게이션 제어기(240)를 포함한다.
상기 내비게이션 제어기(240)는 상기 입력부(210), 상기 GPS 수신부(220) 및 상기 지리 정보 데이터베이스(230)로부터 입력 받은 정보를 기초로 연료전지 차량의 주행 경로에 대한 정보를 생성해서 상기 전력 분배 제어기(100)로 제공한다.
상기 전력 분배 제어기(100)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 상기 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로서, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전력 분배 제어기(100)는, 상기 내비게이션 제어기(240)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 전력 제어 방법에 대한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 사용자로부터 목적지를 입력 받는다(S100).
이후, 연료전지 차량의 현재 위치를 파악하여 상기 입력 받은 목적지를 기초로 예상 주행 경로를 탐색한다(S110).
상기 탐색한 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정한다(S120).
상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)을 연산한다(S130).
상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)은 배터리 내부 저항 모델(등가 회로 모델)을 기반으로 아래 식(1)에 의해서 연산된다. 여기서, Epotential(mgΔh), Q0, Voc, SOCset은 순차적으로 위치에너지, 상기 배터리(10)의 용량, 상기 배터리(10)의 개회로 전압, 설정된 배터리 충전상태를 나타낸다.
Figure pat00002
배터리 충전상태(SOC)는 아래 식(2)에 의해서 상기 배터리(10)의 효율 및 내구성을 고려하여 배터리 충방전 가능 범위 내에 있도록 설정되어 있다.
Figure pat00003
따라서, 아래 식(3)에 의해서, 현재의 배터리 충전상태(SOCcurrent)를 기준으로 배터리 충방전 허용범위를 설정할 수 있다.
Figure pat00004
상기 S130 단계를 마치면 배터리 충방전 금지구간(La)을 설정할 수 있는지 판단해야 한다. 이는 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인지 비교함으로써 수행된다(S140).
상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 밖인 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정한다(S150).
상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 배터리 충방전 허용범위 내인 경우에는 배터리 충방전 허용구간(Lb)인지 다시 판단한다.
상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 동력(PPredicted)을 연산한다(S160).
상기 예측 동력(PPredicted)은 아래 식(4)에 의해서 연산된다. 여기서, FClimb, vAvg, m, g, θ은 순차적으로 등판 저항을 극복하는데 필요한 힘, 평균속도, 차량의 질량, 중력가속도, 도로의 구배도를 나타낸다.
Figure pat00005
상기 S160 단계를 마치면 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)을 미리 설정할 수 있는지 판단해야 한다. 이는 상기 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교함으로써 수행된다(S170).
상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 큰 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정한다(S150).
상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 작은 경우에는 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정한다(S180).
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 충방전 제어 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 허용구간을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, a1구간 및 b1구간은 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 배터리 충방전 허용범위 내이고(S140), 상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 작은 경우에 해당하여(S170) 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정한다(S180).
따라서, 오르막 주행(a2구간)에 앞서 a1구간에서 미리 배터리를 충전할 수 있다. 마찬가지로, 내리막 주행(b2구간)에 앞서 b1구간에서 미리 배터리를 방전할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 금지구간을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, a3구간 및 b3구간은 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 배터리 충방전 허용범위 내이지만(S140), 상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 큰 경우에 해당하여(S170) 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정한다(S150).
예를 들어, 가파른 오르막 구간인 상기 a3구간을 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정하면, 상기 배터리(10)에 큰 방전 전류를 요구하게 되어 상기 배터리(10)의 효율 및 수명이 감소되는 문제가 있다.
또한, 가파른 내리막 구간인 상기 b3구간을 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정하면, 제동 횟수 증가로 인해 상기 배터리(10)의 추가적인 충전을 못하는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 상기 a3구간 및 b3구간은 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정하여 연료전지 차량의 효율적인 충방전 제어가 이루어지도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 8구간으로 분할하여 설정한다.
오르막이 계속되는 c2구간 및 내리막이 계속되는 c8구간의 경우에는 상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 배터리 충방전 허용범위 밖인 경우에 해당한다. 따라서, c2구간 및 c8구간을 진입하기에 앞서 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)을 설정하여 상기 배터리(10)를 충방전 시켜야 한다.
가파른 내리막 구간인 c4구간 및 가파른 오르막 구간인 c6구간의 경우에는 상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 큰 경우에 해당하여 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정된다.
따라서, c1구간을 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)로 설정하여 c2구간에서 방전될 만큼 상기 배터리(10)를 충전시킬 수 있다. 마찬가지로, c3구간, c5구간 및 c7구간을 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)로 설정하여 c8구간에서 충전될 만큼 상기 배터리(10)를 방전시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 배터리 20: 연료전지
30: 공기 공급기 40: 수소탱크
50: 배출구 60: 인버터
70: 모터 100: 전력 분배 제어기(PCU)
200: 내비게이션 시스템 210: 입력부
220: GPS 수신부 230: 지리 정보 데이터베이스
240: 내비게이션 제어기

Claims (7)

  1. 연료전지 차량의 전력 제어 방법으로서,
    상기 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계;
    상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인지 비교하는 단계;
    상기 분할된 복수개의 구간별로 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교하는 단계; 및
    상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted) 및 상기 예측 동력(PPredicted)의 비교 결과에 따라 상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계는,
    상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 밖인 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 설정된 배터리 충방전 허용범위는, 아래 식(3)에 의해서 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
    Figure pat00006

    여기서, SOCmin은 최소 배터리 충전상태, SOCmax은 최대 배터리 충전상태, SOCcurrent은 현재의 배터리 충전상태(SOCcurrent)이다.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 예측 동력(PPredicted)을 설정된 최대 허용 동력(Pmax)과 비교하는 단계는,
    상기 예측 배터리 충전상태 변화량(ΔSOCPredicted)이 상기 설정된 배터리 충방전 허용범위 내인 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분할된 복수개의 구간을 배터리 충방전 금지구간(La) 및 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 미리 설정하는 단계는,
    상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 큰 경우에는 상기 배터리 충방전 금지구간(La)으로 설정하는 단계; 및
    상기 예측 동력(PPredicted)이 상기 설정된 최대 허용 동력(Pmax)보다 작은 경우에는 상기 배터리 충방전 허용구간(Lb)으로 설정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 차량의 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계는,
    상기 연료전지 차량의 현재 위치 및 입력 받은 목적지를 기초로 예상 주행 경로를 탐색하는 단계; 및
    상기 탐색한 예상 주행 경로를 구배에 따라 복수개의 구간으로 분할하여 설정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 제어 방법.
  7. 연료전지 차량의 전력 제어 시스템으로서,
    상기 연료전지 차량의 주행 경로에 대한 정보를 제공하는 내비게이션 시스템;
    배터리;
    공기 공급기로부터 공급되는 산소와 수소탱크로부터 공급되는 수소의 산화환원 반응을 일으켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지;
    인버터로부터 인가되는 전류에 의해 구동되는 모터;
    상기 내비게이션 시스템을 통하여 입력되는 정보를 기초로 상기 배터리, 상기 연료전지 및 상기 모터를 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 전력 분배 제어기를 포함하되,
    상기 설정된 프로그램은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 제어 시스템.
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