KR100623750B1

KR100623750B1 - 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법

Info

Publication number: KR100623750B1
Application number: KR1020040052450A
Authority: KR
Inventors: 전순일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2006-09-19
Also published as: KR20060003543A

Abstract

개시된 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법은, (a) 보조배터리를 이용해 연료전지 시스템을 기동시키는 단계와; (b) 상기 연료전지 시스템 기동을 캔(CAN)으로 확인한 후, 인버터측 (+)단자에 위치한 제1컨택터(C1)를 연결시키는 단계와; (c) 상기 제1컨택터(C1) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 연료전지측 (-)단자에 위치한 제2컨택터(C2)를 연결시키는 단계와; (d)상기 제2컨택터(C2) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제1프리차지 릴레이를 이용해 제1프리차지 저항(R1)을 선택하는 단계와; (e) 상기 제1프리차지 저항(R1)이 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 신호를 대시보드에 표시하여 운전자가 주행을 시작할 수 있음을 알리는 단계와; (f) 상기 제1프리차지 저항(R1)을 이용한 초기 충전을 시작한지 수 초 후, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제2프리차지 릴레이를 이용하여 제2프리차지 저항(R2)을 연결하는 단계와; (g) 상기 제1프리차지 저항(R1)과 상기 제2프리차지 저항(R2)이 동시에 병렬로 연결됨과 동시에 자동적으로 상기 수퍼캡 초기 충전이 가속화되는 단계와; (h) 주행 중 상기 수퍼캡 초기 충전을 지속하다가 연료전지와 상기 수퍼캡의 전압차가 없을 경우, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 메인 컨택터를 결합시킨 뒤, 제1,2프리차지 릴레이를 단절시키면서 초기 충전을 완료하는 단계;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 파워를 통한 수퍼캡 초기충전 시, 충전 과도상태에 의한 연료전지 공기 결핍을 최소하여, 연료전지 수명을 향상시킬 수 있고, 수퍼캡 초기 충전 상태에 따른 가변적인 프리차지 저항을 이용하므로 에너지 소모를 최소화하면서 수퍼캡 초기충전을 빠르게 완료할 수 있으며, 연료전지 파워를 이용해 수퍼캡 초기충전 및 주행을 동시에 수행할 수 있도록 시동제어를 구성함에 따라, 운전자의 운전 편의성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

연료전지, 수퍼캡, 프리차지 릴레이

Description

연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법{FUEL CELL-SUPERCAP HYBRID AND METHOD OF CONTROLLING A STARTING FOR THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드의 구성을 개략적으로 나타내 보인 회로 구성도.

도 2는 도 1의 슈퍼캡 초기 충전장치의 구성을 보다 상세하게 나타내 보인 상세 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 연료전지

20. 인버터

33. 슈퍼캡 초기 충전장치

40. 슈퍼캡

본 발명은 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법에 관한 것으로 서, 보다 상세하게는 연료전지 수명을 향상시키고, 에너지 소모를 최소화하면서 수퍼캡 초기충전을 빠르게 완료하며, 운전자의 운전 편의성을 향상시키기 위한 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법에 관한 것이다.

종래의 연료전지-배터리 하이브리드에서는 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 하이브리드에서도 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 하이브리드에서는 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.

그런데, 상기 고전압 DC-DC컨버터를 사용하는 연료전지-배터리 또는 연료전지-수퍼캡 하이브리드는, 평균 효율이 약 90%인 DC-DC컨버터가 시동시뿐만 아니라 주행 중 충방전 시에도 항시 사용되므로 시스템 전체 효율이 높지 않다는 단점이 있다.

그리고 고전압 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 연료전지-수퍼캡 하이브리드에서는 시스템 전체 효율이 높다는 장점이 있지만, 수퍼캡 초기 충전장치의 종류 및 제어기법, 이에 병행하는 시동제어전략에 의해서 수퍼캡 초기 충전시간, 연료전지 스택 수명, 에너지 소모량, 시스템 안정성(연료전지와 수퍼캡 결합시의 전기 충격(electrical shock)) 및 운전자 승차감등에 영향을 미친다.

그리고 예컨대, 하나의 프리차지 저항을 사용하는 수퍼캡 초기 충전장치를 사용하는 경우, 프리차지 저항이 클 경우, 연료전지 공기 결핍(Air starvation)을 방지하면서 수퍼캡을 초기 충전할 수 있다는 장점이 있지만, 수퍼캡 초기 충전시간이 길어져서 저항을 통해 소모되는 에너지가 증가한다는 단점이 있다. 즉, 시스템의 효율이 감소한다.

반대로, 프리차지 저항이 작을 경우, 수퍼캡 초기충전 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 연료전지 공기 결핍이 발생할 가능성이 높다는 단점이 있다. 즉, 연료전지 수명에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 충전 과도상태에 의한 연료전지 공기 결핍을 최소하여 연료전지 수명을 향상시키고, 수퍼캡 초기충전 상태에 따른 가변적인 프리차지 저항을 이용하여 에너지 소모를 최소화하면서 수퍼캡 초기충전을 빠르게 완료하며, 연료전지 파워를 이용해 수퍼캡 초기충전 및 주행을 동시에 수행할 수 있도록 한 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지-슈퍼캡 하이브리드는, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드에 있어서, 상기 연료전지와 인버터 사이에 설치된 제1,2컨택터(C1,C2)와; 상기 제1,2컨택터 및 상기 슈퍼캡과 연결되며 설치된 슈퍼캡 초기 충전장치(C3);를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법은, (a) 보조배터리를 이용해 연료전지 시스템을 기동시키는 단계와; (b) 상기 연료전지 시스템 기동을 캔(CAN)으로 확인한 후, 인버터측 (+)단자에 위치한 제1컨택터(C1)를 연결시키는 단계와; (c) 상기 제1컨택터(C1) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 연료전지측 (-)단자에 위치한 제2컨택터(C2)를 연결시키는 단계와; (d)상기 제2컨택터(C2) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제1프리차지 릴레이를 이용해 제1프리차지 저항(R1)을 선택하는 단계와; (e) 상기 제1프리차지 저항(R1)이 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 신호를 대시보드에 표시하여 운전자가 주행을 시작할 수 있음을 알리는 단계와; (f) 상기 제1프리차지 저항(R1)을 이용한 초기 충전을 시작한지 수 초 후, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제2프리차지 릴레이를 이용하여 제2프리차지 저항(R2)을 연결하는 단계와; (g) 상기 제1프리차지 저항(R1)과 상기 제2프리차지 저항(R2)이 동시에 병렬로 연결됨과 동시에 자동적으로 상기 수퍼캡 초기 충전이 가속화되는 단계와; (h) 주행 중 상기 수퍼캡 초기 충전을 지속하다가 연료전지와 상기 수퍼캡의 전압차가 없을 경우, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 메인 컨택터를 결합시킨 뒤, 제1,2프리차지 릴레이를 단절시키면서 초기 충전을 완료하는 단계;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드의 구성을 개략적으로 나타낸 회로 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드는, 연료전지(10)와 수퍼캡(40) 사이에 별도의 DC-DC컨버터를 사용하지 않고, 수퍼캡 충방전제어가 연료전지(10) 또는 인버터(20)의 전압 변화(Fluctuation)에 의해서 자동으로 구현되는 방식을 사용하는 타입이다.

이와 같은 연료전지-수퍼캡 하이브리드에서는, 차량 시동시에 연료전지(10)와 수퍼캡(40)의 전압을 일치시키기 위한 수퍼캡 초기충전 전략 및 이에 상응하는 시동제어 전략 개발이 필수적이다.

따라서 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드는, 상기 연료전지(10)와 인버터(20) 사이에 설치된 제1,2컨택터(C1,C2)(31,32)와, 이 제1,2컨택터(31,32) 및 슈퍼캡(40)과 연결되며 설치된 슈퍼캡 초기 충전장치(C3)(33)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 슈퍼캡 초기 충전장치(C3)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 병렬로 연결된 두 개의 제1,2프리차지 저항(R1, R2)(33a,33b)과, 상기 제1,2프리차지 저항(R1,R2)(33a,33b)을 시동 상황에 따라 연결하기 위한 제1,2프리차지 릴레이(33d,33e)와, 상기 제1,2프리차지 저항(R1,R2)(33a,33b)과 제1,2프리차지 릴레이(33d,33e)와 연결되어 주행 중 상기 수퍼캡 초기 충전을 지속하다가 연료전지(10)와 수퍼캡의 전압차가 없을 경우, 결합되도록 구비된 메인 컨택터(33c)로 이루어진다.

또한 상기 제1,2컨택터(C1,C2)(31,32) 및 슈퍼캡 초기 충전장치(C3)(33)는 단일 모듈로 패키징되며, 이렇게 단일 모듈로 패키징되어 PDU(Power Disconnect Unit)로 이용된다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드의 시동 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3에는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법은, 우선, 보조배터리를 이용해 연료전지 시스템을 기동시킨다.(단계 110)

이어서, 연료전지 시스템 기동을 캔(Car Area Network; 이하, CAN이라 함)으로 확인한 후, 인버터(20)측 (+)단자에 위치한 제1컨택터(C1)(31)를 연결시킨다.(단계 120)

그리고 상기 제1컨택터(C1)(31) 연결을 CAN으로 확인한 후, 연료전지(10)측 (-)단자에 위치한 제2컨택터(C2)(32)를 연결시킨다.(단계 130)

또한 상기 제2컨택터(C2)(32) 연결을 CAN으로 확인한 후, 수퍼캡측 (+)단자에 배치된 수퍼캡 초기 충전장치(C3)(33)의 제1프리차지 릴레이(33d)를 이용하여 제1프리차지 저항(R1)(33a)을 선택한다.

상기 제1프리차지 저항(R1)(2~100Ω)(33a)은 제2프리차지 저항(R2)(0.5~5Ω)(33b)에 비해 저항값이 크며, 연료전지(10) 파워(power)를 이용 해 수퍼캡(40)을 초기 충전할 때, 이들의 전압차이에 의한 전기 충격을 방지한다.

그리고 연료전지(10)의 파워가 수퍼캡(40) 충전을 위해 순간적으로 과도해서 사용되는 현상(이 경우, 연료전지 스택에 공기 결핍이 발생 가능하며 이는 곧, 연료전지 스택 수명에 악영향을 미침)을 막을 수 있도록 피크(Peak) 소모 파워에 초점을 맞춰 설계한다.

이어서, 상기 제1프리차지 저항(R1)(33a)이 연결됨을 CAN으로 확인한 후, 예컨데 시스템 준비(system ready)라는 신호를 대시보드 표시하여, 운전자가 주행을 시작할 수 있음을 알린다.(단계 150)

이에 따라 운전자가 주행을 시작함에 따라 상기 단계 140에서 전술한 방법을 통해, 제1프리차지 저항(R1)(33a)을 통한 전력손실을 감수하며, 연료전지(10) 파워를 이용해 수퍼캡(40) 초기 충전을 시작함과 동시에 인버터(20)에 주행을 위한 파워를 공급한다.

본 발명에서는, 수퍼캡(40) 초기 충전이 완료될 때까지 기다렸다가 운전자가 주행을 시작할 수 있도록 허용하는 방법이 아닌(이럴 경우, 시동시간이 길게는 약 3분 이상 걸릴 수 있으며, 이는 운전 편의성에 악영항을 미침), 제1프리차지 저항(R1)(33a)을 이용해 초기충전을 하면서 주행을 동시에 수행 가능하므로, 운전자의 편의성을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 상기 제1프리차지 저항(R1)(33a)을 이용한 초기충전을 시작한지 수 초 후(약 10초미만), 수퍼캡 초기 충전장치(C3)(33)의 제2프리차지 릴레이(33e)를 이용하여 제2프리차지 저항(R2)(33b)을 연결한다.(단계 160)

이때, 제1프리차지 릴레이(33d)는 계속 연결되어 있는 상태이며, 총 프리차지 저항은 1/(1/R1+1/R2)로, 저항값이 작은 제2프리차지 저항(R2)(33b)에 가까운 값으로 설정된다.

세 위치(R1, R2, Off)를 선택 가능한 하나의 프리차지 릴레이를 사용하는 대신, 제1,2프리차지 릴레이(33d,33e) 각각 사용하는 이유는, 제1프리차지 저항(R1)(33a)에서 제2프리차지 저항(R2)(33b)으로 변경시, 순간적으로 제1프리차지 저항(R1)(33a)이 단절되는 상황(Off 상황)이 발생한다.

이런 상황에서 제2프리차지 저항(R2)(33b)을 결합시, 상기 140단계에서 전술한 전기 충격 및 연료전지 스택의 공기 결핍이 발생 가능하기 때문이다.

상기 제2프리차지 저항(R2)(33b)의 목적은, 제1프리차지 저항(R1)(33a)을 통해 연료전지(10)와 수퍼캡(40)의 전압차를 어느 정도 줄여준 상황에서, 저항값이 작은 저항을 사용함으로써 초기충전 시간을 가속화시키기 위함이다. 따라서 제2프리차지 저항(R2)(33b)은 평균(Mean) 파워에 초점을 맞춰 설계한다.

또한 상기 제1프리차지 저항(R1)(33a)과 제2프리차지 저항(R2)(33b)이 동시에 병렬로 연결됨과 동시에 자동적으로(주행상황에 따라) 수퍼캡(40) 초기 충전이 가속화된다(총 초기충전 시간을 1분 이내로 단축가능).(단계 170)

특히, 이 단계에서 제1프리차지 저항(R1)(33a)과 제2프리차지 저항(R2)(33b)에서 소모되는 에너지에 의한 발열량이 적지 않으므로(연료전지(10)와 수퍼캡(40)의 전압 및 파워 사양에 의존), 공랭식 또는 수랭식 냉각 루프의 구성이 요구된다.

그리고 주행 중 수퍼캡(40) 초기 충전을 지속하다가 연료전지(10)와 수퍼캡(40)의 전압차가 거의 없을 경우(2V 미만), 수퍼캡 초기 충전장치(c3)(33)의 메인 컨택터(33c)를 결합시킨 뒤, 제1,2프리차지 릴레이(33d,33e)를 단절시키면서 초기충전을 완료한다.(단계 180)

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 및 그 시동 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

연료전지 파워를 통한 수퍼캡 초기충전 시, 충전 과도상태에 의한 연료전지 공기 결핍을 최소하여, 연료전지 수명을 향상시킬 수 있다.

그리고 수퍼캡 초기 충전 상태에 따른 가변적인 프리차지 저항을 이용하므로 에너지 소모를 최소화하면서 수퍼캡 초기충전을 빠르게 완료할 수 있다.

또한 연료전지 파워를 이용해 수퍼캡 초기충전 및 주행을 동시에 수행할 수 있도록 시동제어를 구성함에 따라, 운전자의 운전 편의성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

연료전지-슈퍼캡 하이브리드에 있어서,

상기 연료전지와 인버터 사이에 설치된 제1,2컨택터(C1,C2)와;

상기 제1,2컨택터 및 상기 슈퍼캡과 연결되며 설치된 슈퍼캡 초기 충전장치(C3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드.
제1항에 있어서,

상기 슈퍼캡 초기 충전장치(C3)는,

병렬 연결된 두 개의 제1,2프리차지 저항(R1, R2)과;

상기 제1,2프리차지 저항(R1,R2)을 시동 상황에 따라 연결하기 위한 제1,2프리차지 릴레이와;

상기 제1,2프리차지 저항(R1,R2)과 상기 제1,2프리차지 릴레이와 연결되어 주행 중 상기 수퍼캡 초기 충전을 지속하다가 연료전지와 상기 수퍼캡의 전압차가 없을 경우, 결합되도록 구비된 메인 컨택터;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드.
제1항에 있어서,

상기 제1,2컨택터(C1,C2) 및 상기 슈퍼캡 초기 충전장치(C3)는 단일 모듈로 패키징된 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드.
(a) 보조배터리를 이용해 연료전지 시스템을 기동시키는 단계와;

(b) 상기 연료전지 시스템 기동을 캔(CAN)으로 확인한 후, 인버터측 (+)단자에 위치한 제1컨택터(C1)를 연결시키는 단계와;

(c) 상기 제1컨택터(C1) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 연료전지측 (-)단자에 위치한 제2컨택터(C2)를 연결시키는 단계와;

(d)상기 제2컨택터(C2) 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제1프리차지 릴레이를 이용해 제1프리차지 저항(R1)을 선택하는 단계와;

(e) 상기 제1프리차지 저항(R1)이 연결을 상기 캔으로 확인한 후, 신호를 대시보드에 표시하여 운전자가 주행을 시작할 수 있음을 알리는 단계와;

(f) 상기 제1프리차지 저항(R1)을 이용한 초기 충전을 시작한지 수 초 후, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 제2프리차지 릴레이를 이용하여 제2프리차지 저항(R2)을 연결하는 단계와;

(g) 상기 제1프리차지 저항(R1)과 상기 제2프리차지 저항(R2)이 동시에 병렬로 연결됨과 동시에 자동적으로 상기 수퍼캡 초기 충전이 가속화되는 단계와;

(h) 주행 중 상기 수퍼캡 초기 충전을 지속하다가 연료전지와 상기 수퍼캡의 전압차가 없을 경우, 상기 수퍼캡 초기 충전장치(C3)의 메인 컨택터를 결합시킨 뒤, 제1,2프리차지 릴레이를 단절시키면서 초기 충전을 완료하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 제1프리차지 저항(R1)은 상기 제2프리차지 저항(R2)에 비해 저항값이 크게 한 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 단계 (f)에서, 상기 제1프리차지 릴레이는 계속 연결되어 있는 상태이며, 총 프리차지 저항은 1/(1/R1+1/R2)로, 상기 제2프리차지 저항(R2)에 가까운 값으로 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시동 제어방법.