KR100858191B1 - 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터제어 장치 - Google Patents

연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치는 초기 시동에 필요한 전력 및 슈퍼 커패시터의 충전에 이용되는 전력을 생산하는 연료 전지 스택; 다수개의 단셀로 구성되어 일정 레벨의 전력을 모터 컨트롤 유닛에 제공하는 슈퍼 커패시터; 상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받아 모터를 시동하여 모터링을 수행하도록 하는 모터 컨트롤 유닛; 초기 시동을 제어하는 파워 컨트롤 유닛; 초기 시동시 상기 연료 전지 스택에서 생성되는 전원을 상기 모터 컨트롤 유닛에 전달하고, 시동 이후, 상기 연료 전지 스택을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 전원 배분 장치; 및 상기 슈퍼 커패시터 단셀을 일정 개수별로 통합하고, 통합된 슈퍼 커패시터 단셀부들을 모니터링하고 자기방전을 제어하는 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
슈퍼 커패시터, 제어 장치, 제어 모듈

Description

연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치{Supercapacitor controller of fuel cell-super cap bus system}
도 1은 종래의 샐밸런싱 회로 및 전압 모니터링 회로를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 시스템을 도시하는 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터 제어 장치를 상세히 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
110 : 연료 전지 스택 120 : 슈퍼 커패시터
130 : 보조 배터리 140 : LDC
150 : 정션 박스 HV 160 : 모터 컨트롤 유닛
180 : 전원 배분 장치 190 : 브레이킹 레지스터
200 : 쵸퍼 300 : 제어 장치
본 제안은 슈퍼 커패시터 제어장치에 관한 것으로, 특히 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 효율적인 기동 및 운행을 위한 슈퍼 커패시터 제어 장치에 관한 것이다.
연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 보조에너지원으로 사용되는 슈퍼 커패시터 시스템은 슈퍼 커패시터 단셀을 직렬로 여러개 연결한 구조이다. 이러한 슈퍼 커패시터 시스템은 고전압을 사용하기 때문에, 부가적인 회로를 구성하여 각 셀간의 전압편차를 최소화 하고, 과전압이 발생한 셀의 전압을 낮추어 전체적인 셀간의 안정된 동특성을 만족시키야 한다.
슈퍼 커패시터은 수 초 이내의 짧은 충방전 시간에 큰 펄스 출력을 요구하며 높은 전압과 주파수 영역에서 사용되는 축전기가 가져야 할 특성영역을 만족시키게 된다. 특히, 슈퍼 커패시터은 단위 셀의 전압이 1~3V의 범위에서 제한되는 문제점이 있다. 이러한 문제는 실제의 응용시스템에서 수십 볼트(Volt) 이상을 요구하는 축전시스템 전압을 유지하기 위하여 전압평형회로(voltage equalization circuit) 등과 같은 별도의 보완기능을 추가해야 함을 의미한다.
예를 들어, 전압이 3V~10F인 단위 팩(pack) 10개를 직렬로 연결해서 30V-1F인 축전시스템을 구성한다고 할 때 10개의 단위 팩들의 내부저항이 동일해야 한다.
그러나, 수 밀리 오홈(miliOhm) 범위의 내부저항을 가진 단위 팩들이 실제적으로 10% 정도의 내부저항 오차를 가진다면 어떤 단위 팩은 충전전압이 3.3V가 되고 어떤 단위 팩은 2.7V가 되는 전압불균형 문제가 발생한다. 실제적으로 이는 축전시스템의 내부저항의 증가와 충방전시에 축전시스템의 과열발생과 충방전 효율의 감소 원인이 되므로 각각의 팩에 대한 과충전 방지 및 등전압 유지를 위한 별도의 제어회로를 구성하고 더 많은 수의 단위 팩을 여분으로 한 축전시스템을 구성하고 있다.
도 1은 종래 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량에 적용되는 셀밸런싱 회로 및 전압을 모니터링하는 CVM(Cell voltage monitoring)을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 차량은 슈퍼 커패시터(10)의 각 단셀에 연결된 셀밸런싱 회로(11)와 각각의 셀밸런싱 회로(11)와 연결된 아날로그 먹스(12), 증폭기(13), 중앙처리유닛 회로(14), 외부 인터페이스(15) 및 파워 공급기(16)을 포함하여 구성된다.
상술한 종래 샐밸런싱 회로(11) 및 회로부터 출력되는 전압을 모니터링 하기 위한 구성들은 슈퍼 커패시터 단셀의 과충전 방지 및 등전압 유지를 위하여 각 슈퍼 커패시터 셀마다 병렬로 연결되어 있으며, 슈퍼 커패시터 시스템의 진단을 위한 CVM(Cell Voltage Monitoring)이 적용되어 있다.
이러한 종래의 구조에서, 셀밸런싱 회로(11) 및 시스템 진단을 위한 CVM이 각각의 슈퍼 커패시터 단셀마다 연결되게 됨으로, 슈퍼 커패시터의 밸런싱을 위한 회로의 부피가 너무 크게 되며, 그에 따라, 제조 단가가 상승하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 슈퍼 커패시터 단셀마다 병렬 연결되어 있던 슈퍼 커패시터 셀 밸런싱 회로와 슈퍼 커패시터 셀 모니터링 시스템을 하나의 제어기로 통합하여 슈퍼 커패시터 시스템의 부피를 줄여 연료전지차량의 상품성을 높였으며, 연료전지차량 양산 시의 슈퍼 커패시터 시스템의 가격을 낮출 수 있는 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치는 초기 시동에 필요한 전력 및 슈퍼 커패시터의 충전에 이용되는 전력을 생산하는 연료 전지 스택; 다수개의 단셀로 구성되어 일정 레벨의 전력을 모터 컨트롤 유닛에 제공하는 슈퍼 커패시터; 상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받아 모터를 시동하여 모터링을 수행하도록 하는 모터 컨트롤 유닛; 초기 시동을 제어하는 파워 컨트롤 유닛; 초기 시동시 상기 연료 전지 스택에서 생성되는 전원을 상기 모터 컨트롤 유닛에 전달하고, 시동 이후, 상기 연료 전지 스택을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 전원 배분 장치; 및 상기 슈퍼 커패시터 단셀을 일정 개수별로 통합하고, 통합된 슈퍼 커패시터 단셀부들을 모니터링하고 자기방전을 제어하는 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 장치는 다수개의 슈퍼 커패시터 단셀을 부분적으로 그룹화 하고, 각 그룹으로 나뉘어진 상기 슈퍼 커패시터 단셀부와 각각 연결되는 모듈컨트롤러 모듈; 상기 제어 모듈컨트롤러들과 연결되어 상기 제어 모듈컨트롤러들로부터 출력되는 전압들을 통합하는 아날로그 먹스; 상기 아날로그 먹스의 출력을 증폭하는 증폭기; 상기 슈퍼 커패시터와 상기 각 구성들과의 연결을 위한 외부 인터페이스; 상기 외부 인터페이스를 통하여 연결된 상기 각 구성들에 상기 증폭기의 출력을 분배 하는 중앙처리유닛 회로; 및 전력을 상기 제어장치에 전달하는 파워 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 제어 모듈컨트롤러는 접속된 상기 슈퍼 커패시터 단셀부들의 출력 전압을 일정하게 유지함과 아울러, 출력되는 전압을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 이하 첨부한 도면들을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터가 적용될 수 있는 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 버스 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 버스 시스템의 파워넷 구성은 연료 전지 스택(110), 슈퍼 커패시터(120), 브레이킹 레지스터(190), LDC(140), 보조 배터리(130), 정션 박스 HV(150), 모터 컨트롤 유닛(MCU)(160), 전원 배분 장치(PDU : Power Distribution Unit)(180) 및 슈퍼 커패시터(120)를 제어하는 제어 장치(300)를 포함하여 구성된다.
연료전지 스택(110)은 모터 컨트롤 유닛(160)이 모터링을 실시할 수 있도록 전력을 공급하며, 초기 시동 후에는 슈퍼 커패시터(120)를 충전시키는 역할을 수행한다.
슈퍼 커패시터(120)는 900V 레벨의 하이브리드 파워소스를 모터 컨트롤 유닛(160)에 제공한다. 이 슈퍼 커패시터(120)는 연료전지 스택(110)에 의하여 충전 된다.
브레이킹 레지스터(190)는 보조 브레이크 수단을 위한 것으로, 쵸퍼(chopper)(200) 상태에 따라 슈퍼 커패시터(120)의 충전이 이루어진다.
LDC(140)는 보조 배터리(130)를 전원으로 이용하는 부품들이 차량 운행 중 계속 파워를 소모하기 때문에, 이를 충전하기 위해 보조 배터리(130)의 전력 공급을 제어하게 된다. 보조 배터리(130)가 14V 및 28V 용으로 구분되는 경우, 차량은 LDC14(Low Voltage DCDC 14) 및 LDC28(Low Voltage DCDC 28)을 구비할 수 있으며, LDC14의 기능은 350V 고전압을 14V 레벨로 낮추어 14V 보조 배터리에 공급한다. 또한, LDC28은 양방향으로 전환이 가능한 것으로 900V 레벨의 파워라인에서 900V의 전압을 28V로 다운시켜 28V 보조 배터리를 운행 중 충전하고 초기 시동시 28V 전원을 이용해 900V로 승압시켜 연료전지 스택(110)을 시동시키는 역할을 담당한다. 다시 말하며, LDC(140)는 해당 전압레벨을 가지는 보조 배터리(130)를 충전하는 역할을 수행한다. 본 발명에서는 14V와 28V 전원용 보조 배터리 및 그에 해당하는 LDC14 및 LDC28을 설명하고 있으나, 본 발명이 전압레벨에 한정되는 것은 아니다. 즉, 보조 배터리(130)가 다른 전압레벨 용으로 채택되는 경우, LDC(140)도 그에 해당하는 스펙으로 대체될 수 있다.
보조 배터리(130)는 LDC(140)에 의하여 충전되며, 충전된 전원을 초기 시동시 연료전지 스택(110)에 전달하여 연료 전지 스택(110)을 구동한다.
정션 박스 HV(150)는 전원 배분 장치(180)와 LDC(140) 사이에 배치되어, 보조 배터리(130)에 전달되는 전원을 제어하고, 보조 배터리(130)에 저장된 전원을 주변 시스템에 전달하도록 제어하는 역할을 수행한다.
모터 컨트롤 유닛(160)은 연료 전지 스택(110)으로부터 전원을 공급받아 모터를 시동하여 모터링을 수행하도록 하는 유닛이며, 초기 시동 이후, 연료 전지 스택(110) 및 슈퍼 커패시터(120)로부터 전원을 공급받게 된다.
전원 배분 장치(180)는 초기 시동시 연료 전지 스택(110)에서 생성되는 전원을 모터 컨트롤 유닛(160)에 전달하고, 시동 이후, 연료 전지 스택(110)을 이용하여 슈퍼 커패시터(120)를 충전하기 위한 다수개의 릴레이로 구성된다.
제어 장치(300)는 상기 슈퍼 커패시터(120)에 연결되어 상기 슈퍼 커패시터(120)로부터 출력되는 전압을 일정하게 유지함과 아울러 모니터링을 실시하고, 상기 슈퍼 커패시터(120)와 상기 각 외부 장치들 간에 접속될 수 있는 인터페이스를 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터(120)를 제어하는 제어 장치(300)의 구성을 상세히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터(120)를 제어하는 제어 장치(300)는 다수개의 슈퍼 커패시터 단셀(120a)을 부분적으로 그룹화 하고, 각 그룹으로 나뉘어진 슈퍼 커패시터 단셀부(120b)와 각각 연결되는 다수의 제어 모듈(310), 상기 제어 모듈(310)들과 연결되는 아날로그 먹스(320), 상기 아날로그 먹스(320)와 연결되는 증폭기(330), 중앙처리유닛 회로(340), 외부 인터페이스(350) 및 파워 공급기(360)를 포함하여 구성된다.
각 제어 모듈(310)은 접속된 슈퍼 커패시터 단셀부(120b)들의 출력 전압을 일정하게 유지함과 아울러, 출력되는 전압을 모니터링하는 기능을 수행한다.
아날로그 먹스(320)는 상기 제어 모듈(310)로부터 출력되는 전압들을 통합한다.
증폭기(330)는 상기 아날로그 먹스(320)가 출력한 전압을 증폭하여 중앙처리유닛 회로(340)에 전달하며, 중앙처리유닛 회로(340)는 상기 아날로그 먹스(320)의 출력을 아날로그-디지털 컨버팅을 실시함과 아울러 상기 제어 장치(300)에 상기 외부 인터페이스(350)를 통하여 연결된 다수개의 외부 장치들에 상기 전압들을 분배하는 역할을 수행한다.
파워 공급기(360)는 상기 연료 전지 스택(110)에서 생성된 전력을 상기 슈퍼 커패시터(120)에 전달하는 역할을 수행한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터 제어 장치는 상기 슈퍼 커패시터 단셀(120a)들을 부분적으로 통합하여 관리함으로써, 각 슈퍼 커패시터 단셀마다 연결되던 셀밸런싱 회로의 개수를 대폭적으로 줄였으며, 그에 따른 생산 단가를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 슈퍼 커패시터 제어 장치는 상기 셀밸런싱 회로의 제거로 인하여 슈퍼 커패시터 및 주변 장치의 부피 감소가 가능하기 때문에 공간활용성이 개선되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치는 셀 밸런싱 회로와 슈퍼 커패시터 셀 모 니터링 시스템을 하나의 제어기로 통합하여 슈퍼 커패시터 시스템의 부피를 줄여 연료전지차량의 상품성을 높였으며, 연료전지차량 양산 시의 슈퍼 커패시터 시스템의 가격을 낮출 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (3)

  1. 초기 시동에 필요한 전력 및 슈퍼 커패시터의 충전에 이용되는 전력을 생산하는 연료 전지 스택;
    다수개의 단셀로 구성되어 일정 레벨의 전력을 모터 컨트롤 유닛에 제공하는 슈퍼 커패시터;
    상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받아 모터를 시동하여 모터링을 수행하도록 하는 모터 컨트롤 유닛;
    초기 시동시 상기 연료 전지 스택에서 생성되는 전원을 상기 모터 컨트롤 유닛에 전달하고, 시동 이후, 상기 연료 전지 스택을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 전원 배분 장치; 및
    상기 슈퍼 커패시터 단셀을 일정 개수별로 통합하고, 통합된 슈퍼 커패시터 단셀부들을 모니터링하고 자기방전을 제어하는 제어 장치;를 포함하여 구성되며,
    상기 제어 장치는,
    다수개의 슈퍼 커패시터 단셀을 부분적으로 그룹화 하고, 각 그룹으로 나뉘어진 상기 슈퍼 커패시터 단셀부와 각각 연결되는 다수의 제어 모듈; 상기 제어 모듈들과 연결되어 상기 제어 모듈들로부터 출력되는 전압들을 통합하는 아날로그 먹스; 상기 아날로그 먹스의 출력을 증폭하는 증폭기; 상기 슈퍼 커패시터와 다수개의 외부 장치들과의 연결을 위한 외부 인터페이스; 상기 외부 인터페이스를 통하여 연결된 상기 각 외부 장치들에 상기 증폭기의 출력을 분배하는 중앙처리유닛 회로; 및 전력을 상기 제어장치에 전달하는 파워 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 제어 모듈은
    다수의 상기 슈퍼 커패시터 단셀로 이루어진 상기 슈퍼 커패시터 단셀부들의 출력 전압을 일정하게 유지함과 아울러, 출력되는 전압을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 차량의 슈퍼 커패시터 제어 장치.
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