KR100957363B1 - 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기실내히팅 장치와 이의 제어방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기실내히팅 장치와 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초퍼, 브레이크 저항을 이용한 연료전지 프리히팅을 통해 사계절 내내 연료전지 최적 운전온도 조건에 빨리 도달하여 출력성능을 향상시키고, 특히 동절기 실내히팅을 통한 차량의 상품성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지와 수퍼캡 사이에 설치된 메인 브레이크 저항과, 상기 연료전지 및 수퍼캡의 전류가 메인 브레이크 저항으로 인가시켜주는 초퍼를 포함하고, 시동 후 하이브리드 운전조건이 되면 상기 초퍼를 온시켜 연료전지 및 수퍼캡의 전류를 메인 브레이크 저항에 인가하여 메인 브레이크 저항의 전력 소모에 의한 저항체 발열로 연료전지를 프리히팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법을 제공한다.
연료전지, 프리히팅, 실내히팅, 브레이크 저항, 초퍼

Description

연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법{Appartus for fuel cell preheating and winter time room heating of fuel cell hybrid bus and control method of it}
본 발명은 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초퍼, 브레이크 저항을 이용한 연료전지 프리히팅을 통해 사계절 내내 연료전지 최적 운전온도 조건에 빨리 도달하여 출력성능을 향상시키고, 특히 동절기 실내히팅을 통한 차량의 상품성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법에 관한 것이다.
종래의 연료전지-배터리 하이브리드 전기차량에서는 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 하이브리드 전기차량에서도 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 하이브리드 전기차량에서는 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.
한편, 종래 기술과 관련된 특허로서, 특허출원 제2005-0120734에는 당사에서 개발한 12V, 24V 두개의 보조배터리가 장착된 연료전지 수퍼캡 하이브리드 버스의 파워업(Key On) 시퀀스 제어방법이 개시되어 있다.
그 외에도, 파워다운(Key Off) 시퀀스 제어(특허출원 제2006-0126628호), 회생제동 제어(특허출원 제2006-0112956호), 안전한 유지보수를 위한 수퍼캡 방전 제어(특허출원 제2006-0126641호), 수퍼캡 초기충전 장치 및 제어(특허출원 제2005-0119357호)등이 이미 출원되었으며, 이들은 주로 연료전지 수퍼캡 하이브리드 버스의 파워넷을 근간으로 제안되었다.
유사 종래기술로서, 특허출원 제2006-0126011호에는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 전기자동차용 멀티기능 저항장치 및 그 제어방법이 개시되어 있다. 상기 발명 은 기존 파워넷의 단점을 보완하고자 개선된 멀티기능 저항장치의 구성, 레이아웃 및 6가지 제어전략을 제시한 바 있다.
그러나, 이 가운데 연료전지시스템 프리히팅, 동절기 실내히팅 제어의 경우에 다음과 같은 단점이 있다.
1) 연료전지시스템 프리히팅 제어 : 차량 시동 완료전 프리히팅 제어방법은 시동시작 -> 초기 수퍼캡 파워 소모(1차 프리히팅) -> 연료전지 시동 -> 2차 프리히팅 -> 프리차지 완료 -> 잔여시동 절차 완료 등으로 구성되어, 제어로직 및 시스템이 복잡하고, 프리히팅을 포함한 시동시간이 너무 길어지며, 소프트웨어가 복잡해 지는 단점이 있다.
2) 동절기 실내히팅 제어 : 냉각루프에 서머스탯과 같은 밸브 2개를 추가로 장착하는 것은 실질적인 구성이 어렵고 비용증가를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 연료전지 버스 차량 시스템을 이용하여 소프트웨어적인 제어전략을 통해 리웍(rework)에 필요한 추가적인 비용부담 및 구성의 복잡성을 피하면서 프리히팅 기능으로 사계절 내내 연료전지를 최적운전 온도로 신속하게 도달하게 하고, 특히 동절기 실내 히팅을 통한 차량의 상품성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치에 있어서,
연료전지와 수퍼캡 사이에 설치된 메인 브레이크 저항과, 상기 연료전지 및 수퍼캡의 전류가 메인 브레이크 저항으로 인가시켜주는 초퍼를 포함하고, 시동 후 하이브리드 운전조건이 되면 상기 초퍼를 온시켜 연료전지 및 수퍼캡의 전류를 메인 브레이크 저항에 인가하여 메인 브레이크 저항의 전력 소모에 의한 저항체 발열로 연료전지를 프리히팅하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 연료전지의 파워출력에 의해 가열된 연료전지측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 연료전지 냉각수 라인; 라디에이터 및 냉각팬에서 냉각된 차량측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 차량측 냉각수 라인; 상기 연료전지 냉각수 라인과 차량측 냉각수 라인의 일부를 공유하여 각각의 냉각수를 서로 열교환시켜주는 열교환기; 및 상기 차량측 냉각수 라인의 출력단에 설치된 보조 브레이크 저항을 포함하고, 상기 차량측 냉각수는 연료전지의 냉각수와 열교환되어 가열된 후, 발열체로 작동하는 상기 보조 브레이크 저항에 의해 더욱 가열되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 차량측 냉각수라인의 출력단은 차량의 실내히터용 라디에이터 및 히터팬과 연결되어 동절기 실내 히팅에 필요한 열원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치의 제어방법에 있어서,
시동완료 후 하이브리드 모드로 진입하는 단계; 상기 하이브리드 모드에 진입한 상태에서 아이들 상태인지를 판단하는 단계; 상기 아이들 상태인 경우에는 모터링에 필요한 전류제한을 고려하지 않고 연료전지 시스템의 상태를 점검하여 시스템 제한운전 상태인지를 판단하는 단계; 메인 브레이크 저항 및 연료전지의 온도가 최대값 이하인지를 판단하는 단계; 및 상기 메인 브레이크 저항 및 연료전지의 온도가 정상인 경우에는 프리히팅을 위해 초퍼를 온시키는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 초퍼에 의해 메인 브레이크 저항이 연료전지 및 수퍼캡의 파워를 소모하여 연료전지를 프리히팅하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 하이브리드 모드 진입 후, 시스템 제한운전 상태 인지를 판단하기 전에 모터링 상태인 것으로 판단된 경우에는 연료전지 및 수퍼캡에서 사용가능한 전체 전류값에서 메인 브레이크 저항을 통해 소모되는 전류값을 뺀 값으로 모터링 전류를 제한하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치와 이의 제어방법에 의하면, 시동과 동시에 계절에 관계없이 자동적으로 연료전지를 프리히팅을 할 수 있고, 동절기에는 부가적으로 실내 온도를 높이기 위한 열을 빨리 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존 제안된 연료전지 버스 차량 시스템을 그대로 이용하여 소프트웨어적인 제어전략을 통해 리웍에 필요한 추가적인 비용 부담 및 구성의 복잡성을 피하면서 프리히팅 기능으로 신속하게 연료전지 최적운전 온도로 도달하게 하고, 동절기 실내 히팅을 통한 차량 상품성을 향상시키도록 한 점에 주안점이 있다.
도 1은 기 제안된 연료전지 버스의 파워넷 구성도이다. 이 파워넷을 통해 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 하이브리드 운전모드 및 연료전지 운전모드를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 초퍼(12) 및 메인 브레이크 저항(13)을 이용한 프리 히팅 운전모드를 나타낸다.
정상시동 조건에서 하이브리드 운전조건이 되면 수퍼캡(10)과 연료전지(11)의 파워를 모두 사용할 수 있으며, 이때 연료전지(11)와 수퍼캡(10) 사이에 연결된 초퍼(12)를 온시키면 메인 브레이크 저항(13)이 부하로 작용하면서 아이들링 상태에서도 연료전지(11)의 파워를 사용할 수 있게 된다.
이때 출력되는 파워에 비례하여 연료전지(11)의 온도가 상승하게 된다. 이와 동시에 연료전지(11)와 수퍼캡(10)에서 동시에 전달되는 파워를 메인 브레이크 저항(13)이 소모하기 때문에 저항체에 의한 발열 또한 시간에 비례해서 계속 증가하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 냉각수 라인을 나타낸다.
파워출력에 따른 가열된 연료전지(11)의 냉각수는 제3 및 제4워터펌프(19,20)를 통해 열교환기(21) 쪽으로 순환이 되며, 상대적으로 차가운 차량측 냉각수는 제1 및 제2워터펌프(17,18)에 의해 라디에이터와 냉각팬(22)을 통해 열교환기(21) 쪽으로 순환되면서, 연료전지(11)의 냉각수가 차량측 냉각수와 열교환을 통해 냉각되게 된다.
여기서 차량측 냉각수가 열교환기(21)로 들어가서 나가는 출력단에는 제1 및 제2보조 브레이크 저항(14,15)이 설치되어 있는데, 상기와 같은 프리히팅 조건에서는 제1 및 제2보조 브레이크 저항(14,15) 자체가 또한 발열체로 작동하기 때문에, 차량측 냉각수의 온도는 일반 주행모드 일때 보다 빨리 올라간다.
상기와 같이 빠르게 데워지는 냉각수쪽에는 차량실내로 연결되는 실내 히터 용 라디에이터와 히터팬(16)이 있어서 동절기 히팅에 필요한 열원을 공급받을 수 있게된다.
따라서, 정상 시동시 하이브리드 운전조건에서 연료전지(11)의 자체발열 -> 메인 브레이크 저항(13) 발열 -> 차량측 냉각수 온도 상승 증대 -> 차량측 냉각수 온도 상승에 따라 연료전지(11) 운전온도 상승이 더욱 빠르게 진행되어 최적의 연료전지(11) 상태를 만들수 있고 실내로 공급할수 있는 가열수 또한 얻을 수 있어 동절기 실내히팅이 빠른시간내에 가능하게 되는 것이다.
본 발명의 장점은 계절에 관계없이 정상 시동이 완료되면, 이와 동시에 초퍼(12), 메인 브레이크 저항(13)을 이용한 프리히팅을 수행함으로써 초기 최적 운전조건에 맞추어 주행하며, 겨울철에는 부가적으로 히터열을 발생시킬 수 있다는 것이다.
또한 이 기능은 연료전지(11) 운전온도 상승측면에서 아이들링 상태뿐만 아니라 주행을 시작하면 모터부하에 대해 더 가파른 온도상승을 얻을 수 있기 때문에 매우 효율적인 프리히팅 기능이라 볼 수 있다. 즉, 브레이크 저항 부하 + 모터부하 -> 연료전지(11) 발열속도가 증대된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프리히팅 제어방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 기 제안된 연료전지 수퍼캡 하이브리드 버스의 파워업(Key On) 시퀀스 제어(특허출원 제2005-0120734호)에 따라 버스 시동을 완료한다.
이때, 차량측 냉각수 라인에 있는 제1 및 제2워터펌프는 연료전지(11)의 보 호를 위해서 연료전지(11) 최소 운전온도부터 최고 운전온도까지 0~100%로 가변적으로 제어를 한다.
상기 시동을 정상적으로 완료한 후, 다음과 같이 프리히팅을 수행한다.
1) 시동과 동시에 하이브리드 모드인지를 판단 한다. 하이브리드 모드가 아닌 경우에는 적용된 버스 시스템에서 프리히팅을 중단한다.
2) 아이들 상태인지 판단한다. 아이들 상태이면 모터링에 필요한 전류는 고려하지 않는다. 아이들 상태가 아니면 모터링에 필요한 전류를 프리히팅시 고려하여야 한다. 즉, 연료전지(11)와 수퍼캡(10)에서 사용가능한 전체 전류값에서 메인 브레이크 저항(13)을 통해 소모되는 전류를 제외한 전류값으로 모터링의 전류를 제한한다.
3) 다음 단계로 연료전지 시스템의 상태를 점검한다. 시스템이 제한 운전 상태이면 초퍼(12)를 작동시키지 않고 계속해서 차량상태를 반복해서 체크한다. 정상이면 메인 브레이크 저항(13)을 점검한다.
4) 메인 브레이크 저항(13)의 온도를 체크하여 정상인지 판단한다. 저항의 온도가 설정된 최대값을 넘어가면 안전을 위해 초퍼(12)를 동작시키지 않는다.
5) 다음 단계로 연료전지(11)의 온도를 체크한다. 운전온도가 설정한 최대 온도값의 범위를 벗어나지 않았는지 확인하고, 정상이면 최종적으로 프리히팅을 위해 초퍼(12)를 스위치 온시킨다.
상기 초퍼(12) 동작과 함께 연료전지 시스템 및 메인 브레이크 저항(13)의 온도에 문제가 없으면 최대 연료전지(11) 온도에 도달하기 위해 연료전지(11)와 수 퍼캡(10) 파워가 메인 브레이크 저항(13)을 통해 소모된다.
주행 중이라면 프리히팅에 의한 전류소모로 가속력은 떨어지지만, 스택 온도가 더욱 가파르게 상승하기 때문에 연료전지(11)의 성능을 단시간에 극대화시킬 수 있게 된다.
실내히팅은 시동이 걸린 이후 히터 팬을 동작시켜서 데워진 냉각수 열을 실내로 순환시킬수 있게 된다.
이와 같이 현재 연료전지 수퍼캡 하이브리드 버스의 프리히팅 제어방법을 통해 시동과 동시에 계절에 관계없이 자동적으로 연료전지(11)를 프리히팅을 할 수 있다. 특히, 동절기에는 부가적으로 실내 히팅 열을 빨리 얻을 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 연료전지 수퍼캡 하이브리드 버스의 파워넷 구성도이다.
도 2는 하이브리드 운전모드를 나타내는 파워넷 구성도이다.
도 3은 연료전지 운전모드를 나타내는 파워넷 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일시예에 따른 프리히팅시 파워넷의 전류흐름을 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 냉각라인을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프리히팅 제어방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수퍼캡 11 : 연료전지
12 : 초퍼 13 : 메인 브레이크 저항
14 : 제1보조 브레이크 저항 15 : 제2보조 브레이크 저항
16 : 히터팬 17 : 제1워터펌프
18 : 제2워터펌프 19 : 제3워터펌프
20 : 제4워터펌프 21 : 열교환기
22 : 냉각팬

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 장치에 있어서,
    연료전지와 수퍼캡 사이에 설치된 메인 브레이크 저항과, 상기 연료전지 및 수퍼캡의 전류가 메인 브레이크 저항으로 인가시켜주는 초퍼를 포함하고, 시동 후 하이브리드 운전조건이 되면 상기 초퍼를 온시켜 연료전지 및 수퍼캡의 전류를 메인 브레이크 저항에 인가하여 메인 브레이크 저항의 전력 소모에 의한 저항체 발열로 연료전지를 프리히팅하며,
    연료전지의 파워출력에 의해 가열된 연료전지측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 연료전지 냉각수 라인;
    라디에이터 및 냉각팬에서 냉각된 차량측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 차량측 냉각수 라인;
    상기 연료전지 냉각수 라인과 차량측 냉각수 라인의 일부를 공유하여 각각의 냉각수를 서로 열교환시켜주는 열교환기; 및
    상기 차량측 냉각수 라인의 출력단에 설치된 보조 브레이크 저항을 포함하고, 상기 차량측 냉각수는 연료전지의 냉각수와 열교환되어 가열된 후, 발열체로 작동하는 상기 보조 브레이크 저항에 의해 더욱 가열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 장치.
  3. 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치에 있어서,
    연료전지와 수퍼캡 사이에 설치된 메인 브레이크 저항과, 상기 연료전지 및 수퍼캡의 전류가 메인 브레이크 저항으로 인가시켜주는 초퍼를 포함하고, 시동 후 하이브리드 운전조건이 되면 상기 초퍼를 온시켜 연료전지 및 수퍼캡의 전류를 메인 브레이크 저항에 인가하여 메인 브레이크 저항의 전력 소모에 의한 저항체 발열로 연료전지를 프리히팅하며,
    연료전지의 파워출력에 의해 가열된 연료전지측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 연료전지 냉각수 라인;
    라디에이터 및 냉각팬에서 냉각된 차량측 냉각수가 워터펌프를 통해 유입되는 차량측 냉각수 라인;
    상기 연료전지 냉각수 라인과 차량측 냉각수 라인의 일부를 공유하여 각각의 냉각수를 서로 열교환시켜주는 열교환기; 및
    상기 차량측 냉각수 라인의 출력단에 설치된 보조 브레이크 저항을 포함하고, 상기 차량측 냉각수는 연료전지의 냉각수와 열교환되어 가열된 후, 발열체로 작동하는 상기 보조 브레이크 저항에 의해 더욱 가열되고,
    상기 차량측 냉각수라인의 출력단은 차량의 실내히터용 라디에이터 및 히터팬과 연결되어 동절기 실내 히팅에 필요한 열원을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 및 동절기 실내히팅 장치.
  4. 청구항 2의 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 장치의 제어방법에 있어서,
    시동완료 후 하이브리드 모드로 진입하는 단계;
    상기 하이브리드 모드에 진입한 상태에서 아이들 상태인지를 판단하는 단계;
    상기 아이들 상태인 경우에는 모터링에 필요한 전류제한을 고려하지 않고 연료전지 시스템의 상태를 점검하여 시스템 제한운전 상태인지를 판단하는 단계;
    메인 브레이크 저항 및 연료전지의 온도가 최대값 이하인지를 판단하는 단계; 및
    상기 메인 브레이크 저항 및 연료전지의 온도가 정상인 경우에는 프리히팅을 위해 초퍼를 온시키는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 초퍼에 의해 메인 브레이크 저항이 연료전지 및 수퍼캡의 파워를 소모하여 연료전지를 프리히팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 장치의 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하이브리드 모드 진입 후, 시스템 제한운전 상태인지를 판단하기 전에 모터링 상태인 것으로 판단된 경우에는 연료전지 및 수퍼캡에서 사용가능한 전체 전류값에서 메인 브레이크 저항을 통해 소모되는 전류값을 뺀 값으로 모터링 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 버스의 연료전지 프리히팅 장치의 제어방법.
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