KR100527501B1 - 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치및 방법 - Google Patents

연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기 차량 구동을 위해서 탑재되어 있는 모터와 모터 제어기를 이용해서 메인 배터리 방전시 상기 보조 배터리의 전원으로 상기 메인 배터리를 충전하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리와 보조 배터리를 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치에 있어서, 연료 전지와 배터리(메인 배터리와 보조 배터리) 사이의 전압 차이를 보상하기 위하여 전기적으로 회로 연결되는 직류 변환 장치(DC/DC 컨버터)와; 상기 연료 전지와 직렬로 연결되는 모터 구동용 인버터와; 상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량 시스템 전체의 상태를 파악하고 각 모듈에 동작 지령을 내리는 최상위 제어기인 전력 분배 제어부(PCU)와; 상기 보조 배터리와 모터 및 모터 제어기와의 사이에서 스위칭 연결을 통해 전기적인 회로를 형성하여 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로(Power Flow Path)를 형성시키는 전력 연결부를 포함하여 구성한다.

Description

연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법{BATTERY CHARGING CONTROL DEVICE OF FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 연료 전지 하이브리드 전기 차량에서 연료 전지 초기 구동을 위해 필요한 파워는 연료 전지 하이브리드 차량의 144V 배터리를 이용해서 공급된다.
그러나, 메인 배터리(하이 파워 배터리)가 방전되었을 경우 일반 차량의 12V 배터리를 통한 메인 배터리의 충전은 불가능하고 12V를 144V로 만들어서 충전시킬 수 있는 전력 변환 장치가 필요하게 된다.
이런 기능은 일반적으로 300V로부터 12V 배터리를 충전시키는 직류 변환 장치를 양방향이 가능하도록 제작하여 구현되어진다.
이렇게 전달된 에너지는 300V에서 다시 양방향 직류 변환 장치를 거쳐서 144V로 만들어져 배터리를 충전하게 된다.
위와 같은 방법을 사용할 때 종래 기술은 메인 배터리의 방전시에만 사용되는 전력 흐름을 제어하기 위해서 가격이나 패키지 측면에서 불리한 양방향 직류 변환 장치를 단방향 직류 변환 장치 대신 개발해야하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 연료 전지 하이브리드 전기 차량 구동을 위해서 탑재되어 있는 모터와 모터 제어기를 이용해서 메인 배터리 방전시 상기 보조 배터리의 전원으로 상기 메인 배터리를 충전하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리와 보조 배터리를 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치에 있어서, 연료 전지와 배터리(메인 배터리와 보조 배터리) 사이의 전압 차이를 보상하기 위하여 전기적으로 회로 연결되는 직류 변환 장치(DC/DC 컨버터)와; 상기 연료 전지와 직렬로 연결되는 모터 구동용 인버터와; 상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량 시스템 전체의 상태를 파악하고 각 모듈에 동작 지령을 내리는 최상위 제어기인 전력 분배 제어부(PCU)와; 상기 보조 배터리와 모터 및 모터 제어기와의 사이에서 스위칭 연결을 통해 전기적인 회로를 형성하여 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로(Power Flow Path)를 형성시키는 전력 연결부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리와 보조 배터리를 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어방법에 있어서, 메인 배터리/보조 배터리의 방전상태를 검출하는 단계와; 메인 배터리 방전시 보조 배터리를 충전하는 단계와; 보조 배터리가 충전된 상태이면, 스위치 연결을 통해 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로를 형성하는 단계와; 모터 제어기의 인버터를 승압형 직류 변환 장치로 동작시키고, 양방향 직류 변환 장치를 통해 메인 배터리를 충전하는 단계와; 메인 배터리의 충전이 완료되면, 스위치를 오프(Off)하고, 연료 전지를 기동하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 메인 배터리(144V 배터리) 충전을 위한 전력 흐름 경로를 도시한 도면이며, 도 3은 직류 변환 장치의 승압 경로를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
향후 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 시판할 경우, 차량을 오랫동안 방치해 두거나 메인 배터리의 수명이 다해서 배터리가 방전되는 경우가 발생할 것이므로 이를 해결하기 위해서 상대적으로 다수인 일반 가솔린 차량의 12V 보조 배터리를 이용해서 충전할 수 있는 방법을 필수적으로 마련해야 한다.
배터리 방전 대책으로 종래에는 주로 12V 충전용 직류 변환 장치를 양방향으로 개발하거나, 별도의 메인 배터리 충전기를 개발하고 있다.
본 발명의 실시예는 연료 전지 하이브리드 전기 차량 구동을 위해서 탑재되어 있는 모터와 제어기를 이용해서 메인 배터리 방전시 일반 차량의 12V 배터리 전원을 이용해서 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시동을 위한 메인 배터리를 충전하는 방법에 대한 것이다.
즉, 본 발명의 실시예는 차량 구동을 위해 탑재된 모터와 제어기를 이용해서 메인 배터리 충전이 가능하므로 별도의 추가적인 장치없이 메인 배터리를 충전할 수 있는 방법이므로 재료비 절감이 예상되며, 부피 또한 기존의 연료 전지 하이브리드 전기 차량 수준을 유지할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예는 연료 전지 하이브리드 전기 차량에서 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리(144V 배터리)와 보조 배터리(12V 배터리)를 병렬로 연결하여 시스템을 구성한다.
이때 연료 전지와 배터리(메인 배터리와 보조 배터리) 사이의 전압 차이를 보상하기 위하여 직류 변환 장치(DC/DC 컨버터)를 사용한다.
즉, 연료 전지와 모터 구동용 인버터가 직렬로 연결되어 있고 그와 병렬로 직류 변환 장치(양방향 직류 변환 장치와 단방향 직류 변환 장치)와 배터리(메인 배터리와 보조 배터리)가 연결되어 있다.
양방향 직류 변환장치에서 보면 1차측에는 메인 배터리가, 2차측에는 연료 전지와 인버터가 연결되어 있다.
또한, 단방향 직류 변환장치에서 보면 1차측에는 보조 배터리가, 2차측에는 연료 전지와 인버터가 연결되어 있다.
또한 시스템 전체의 상태를 파악하고 각 모듈에 동작 지령을 내리는 최상위 제어기인 전력 분배 제어부(PCU ; Power Control Unit)는 각각의 모듈 상태를 체크한 후 각 모듈 제어기를 제어한다.
그리고, 보조 배터리와 모터 및 모터 제어기(MCU ; Motor Control Unit)와의 사이에서 스위칭 연결을 통해 전기적인 회로를 형성하여 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로(Power Flow Path)를 형성시키는 전력 연결부(스위치)를 포함하여 구성한다.
도 2와 도 3을 참조하여 상기와 같은 구성에서 메인 배터리 충전을 위한 에너지 공급 경로는 다음과 같다.
보조 배터리는 점프/스타트 방법으로 외부에서 충전한다.
스위치 연결을 통한 전력 흐름 경로(Power Flow Path)를 형성한다.
모터 제어기의 인버터를 승압형 직류 변환 장치로 동작시킨다.(모터 인덕턴스 이용)
양방향 직류 변환 장치를 통한 메인 배터리를 충전한다.
메인 배터리 충전 후 연료 전지 기동 경로는 다음과 같다.
기동 에너지는 메인 배터리로부터 전달된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예는 일반적인 승압형 직류 변환 장치 제어방법을 적용한다.(승압 : 12V→240V)
240V는 연료 전지의 최소 전압이므로, 일반 운전 조건과 동일한 전압으로 선정한다.
양방향 직류 변환 장치는 240V까지 운전되도록 설계되어 있다.
승압된 직류 링크(DC-link) 전압은 양방향 직류 변환 장치를 통해서 메인 배터리를 충전한다.(240V→144V)
12V의 보조 배터리로부터 144V의 메인 배터리를 충전시키는 기술에 있어서 모터 제어기의 인버터를 이용하는 것이 본 발명의 실시예에 따른 제안의 요지이다.
본 발명의 실시예는 모터와 모터 제어기를 이용하여 보조 배터리로부터 메인 배터리를 충전할 수 있는 전력 제어 흐름을 만드는 기술로서 스위치만 추가하여 전력 제어를 할 수 있다.
물론 300V로부터 12V의 보조 배터리를 충전하는 기능의 직류 변환 장치는 단방향 직류 변환 장치를 채택한다.
메인 배터리 방전시 모터의 중성점과 한상을 보조 배터리 단자에 연결하고 모터 제어기로 스위칭하여 부스트 컨버터(Boost Converter)처럼 모터 제어기를 동작시켜서 300V 전압을 만들어내고 이러한 300V 전압으로부터 양방향 직류 변환 장치를 통해서 메인 배터리를 충전시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 기술의 핵심은 인버터 파워부와 모터의 인덕턴스를 이용한 승압형 직류 변환 장치 구성에 있다.
승압형 직류 변환 장치는 기존에 개발된 바 있지만, 연료 전지 하이브리드 전기 차량에서 모터와 모터 제어기를 이용해서 비상시 배터리 충전을 위한 시스템 구성으로 이용하는 것은 새롭게 제안된 시스템 구성안이며, 기존 차량 운전을 위해 탑재되어 있는 모터 및 모터 제어기에 멀티 펑션(Multi-Function)을 구성한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 메인 배터리/보조 배터리의 방전상태를 검출한다(S410).
이어서, 메인 배터리 방전시 보조 배터리를 충전한다(S412).
보조 배터리의 충전은 점프/스타트 방법으로 외부에서 충전한다.
보조 배터리가 충전된 상태이면, 스위치 연결을 통해 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로를 형성한다(S414).
이와 같은 상태에서 모터 제어기의 인버터를 승압형 직류 변환 장치로 동작시킨다.
그러면, 양방향 직류 변환 장치를 통해 메인 배터리는 충전된다(S418).
메인 배터리의 충전이 완료되면, 스위치를 오프(Off)하고, 연료 전지를 기동한다(S420~S424).
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치 및 방법은 배터리 방전 대책을 위한 12V용 양방향 직류 변환 장치를 삭제할 수 있으며, 양방향 직류 변환 장치 대신 단방향 개발을 통한 개발비 및 재료비 절감을 할 수 있고, 양방향에 비해서 부피나 무게 측면에서 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 메인 배터리 충전을 위한 전력 흐름 경로를 도시한 도면.
도 3은 직류 변환 장치의 승압 경로를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어방법을 도시한 흐름도.

Claims (3)

  1. 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리와 보조 배터리를 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치에 있어서,
    연료 전지와 배터리(메인 배터리와 보조 배터리) 사이의 전압 차이를 보상하기 위하여 전기적으로 회로 연결되는 직류 변환 장치(DC/DC 컨버터)와;
    상기 연료 전지와 직렬로 연결되는 모터 구동용 인버터와;
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량 시스템 전체의 상태를 파악하고 각 모듈에 동작 지령을 내리는 최상위 제어기인 전력 분배 제어부(PCU)와;
    상기 보조 배터리와 모터 및 모터 제어기와의 사이에서 스위칭 연결을 통해 전기적인 회로를 형성하여 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로(Power Flow Path)를 형성시키는 전력 연결부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직류 변한 장치는
    1차측에 메인 배터리가 전기적으로 연결되며, 2차측에 연료 전지와 인버터가 전기적으로 연결되는 양방향 직류 변환장치와;
    1차측에 보조 배터리가 전기적으로 연결되며, 2차측에 연료 전지와 인버터가 전기적으로 연결되는 단방향 직류 변환장치를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어장치.
  3. 연료 전지의 출력을 보상하기 위하여 메인 배터리와 보조 배터리를 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어방법에 있어서,
    메인 배터리/보조 배터리의 방전상태를 검출하는 단계와;
    메인 배터리 방전시 보조 배터리를 충전하는 단계와;
    보조 배터리가 충전된 상태이면, 스위치 연결을 통해 보조 배터리와 메인 배터리의 전력 흐름 경로를 형성하는 단계와;
    모터 제어기의 인버터를 승압형 직류 변환장치로 동작시키고, 양방향 직류 변환장치를 통해 메인 배터리를 충전하는 단계와;
    메인 배터리의 충전이 완료되면, 스위치를 오프(Off)하고, 연료 전지를 기동하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 배터리 충전 제어방법.
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