KR101047406B1 - 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단을 탑재한 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 메인 버스단에 설치된 기존의 제1블로킹 다이오드와는 별개로 연료전지의 출력단 쪽(상기 제1블로킹 다이오드의 전단 쪽) 메인 버스단에 별도의 제2블로킹 다이오드를 추가 설치하고, 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들의 위치를 상기 제1블로킹 다이오드의 후단에서 제1블로킹 다이오드의 전단으로 변경하며, 회생제동시에 상기 고전압 부품들의 구동을 적절히 제어하여 연료전지 전압을 축전수단 전압보다 낮게 유지함으로써, 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지, 축전수단, 슈퍼캡, 슈퍼캐패시터, 배터리, 하이브리드, 파워넷, 블로킹 다이오드

Description

연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법{Power net system of fuel cell hybrid vehicle and control method of the same}
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 회생제동시에 연료전지 전압을 축전수단 전압보다 낮게 유지하여 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량은 물론 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡)를 탑재한 시스템이다. 현재 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량이 연구되고 있는데, 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량은 연비 우수(회생제동 大, 슈퍼캡 자체 효율 高, 전력변환기 無), 연료전지 내구 증대, 제어신뢰성 우수(자동 파워어시스트, 자동 회생제동 기능) 등의 장점을 가진다.
상기와 같이 연료전지와 슈퍼캡이 직결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 슈퍼캡을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 슈퍼캡에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도로서, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성은, 주동력원으로 사용되는 연료전지(10), 보조동력원으로 사용되는 슈퍼캡(20), 구동모터(41)를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지(10)와 슈퍼캡(20)의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함하는 것임)(40)를 포함한다.
이러한 파워넷 구성에서, 수소탱크로부터 수소를 공급받고 공기블로워로부터 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지(10)를 주동력원으로 사용한다. 또한 구동모터(41) 및 MCU(40)는 연료전지(10)에 메인 버스단(30)을 통해 직접 연결되어 있으며, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 슈퍼캡(20)이 메인 버스단(30)에 연결되어 있다.
그리고, 상기 메인 버스단(30)에는 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 LDC(저전압 DCDC 컨버터, Low Voltage DCDC Converter, LV DCDC)(50)와 보기류 부품 구동을 위한 보조 배터리(예, 12V 보조 배터리)(51)가 연결되어 있으며, 이와 더불어 연료전지(10)를 구동하기 위한 보기류 부품(Fuel Cell BOP, 예를 들면, 공기블로워, 물펌프, 라디에이터 팬, 수소 재순환 블로워 등)(11~14)들이 고전압 정션박스(HV Junction Box)(15)를 통해 메인 버스단(30)에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 한다.
아울러, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 블로킹 다이오드(Reverse Blocking Diode)(31)가 메인 버스단(30)에 설치되며, 연료전지(10)의 작동 정지시에 전압 형성을 막기 위한 부하장치가 연료전지에 연결되어 있다. 상기 부하장치로는 연료전지의 부하 소모를 담당하는 히터저항(COD)(16)을 고전압 정션박스(17)를 통해 연료전지(10)의 출력단에 연결하여 구성할 수 있는데, 상기 히터저항의 주요 역할은 시동 초기시 연료전지의 전력을 소모하면서 스택 냉각수를 급속 가열하는 역할도 담당한다(시동 초기시에만 잠깐 사용).
상기와 같은 도 1의 파워넷 구성에서는 연료전지(10)와 슈퍼캡(20)이 병렬로 연결되어 있는데, 시동 초기에는 LDC(50)를 통해 보조 배터리(51)의 전력을 고전압으로 승압한 뒤 고전압 정션박스(15)를 통해 각 고전압 단품(11~14)에 공급함으로써 연료전지를 구동시키게 된다. 이후 연료전지의 시동이 완료되면 LDC는 12V 충전모드로 변화되고, 또한 슈퍼캡은 충전을 시작하여 충전이 완료되면 방전 전력으로 차량을 구동(모터 구동)하게 된다.
한편, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 슈퍼캡을 구비한 하이브리드 차량의 주행모드는 크게 연료전지만을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 연료전지 및 슈퍼캡을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 하이브리드 모드(HEV Mode)와, 슈퍼캡에 대한 충전이 이루어지는 회생제동 모드로 구분된다.
하지만 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량은 연료전지에 의해 슈퍼캡이 자동 충전되는 문제가 있어 회생제동에 제약이 있다. 차량의 제동시에는 구동모터에서 생성된 많은 회생제동 에너지가 슈퍼캡에 제공되어 저장되는데, 연료전지 또한 부하가 없어지므로 전압이 상승하게 되고, 이러한 연료전지의 전압 상승은 슈퍼캡에 에너지를 채워주는 요인이 된다.
슈퍼캡은 기본적으로 저장되어 있는 전기에너지의 양이 적을수록 구동모터에 의해 제공되는 더 많은 회생제동 에너지를 충전하여 저장할 수 있으며, 따라서 슈퍼캡이 보다 많은 회생제동 에너지를 저장하기 위해서는 회생제동시만큼은 연료전지에 의해 충전되는 전기에너지의 양을 줄여주어야 하고, 그래야만 차량의 연비 저하를 막을 수 있게 된다.
연료전지가 슈퍼캡에 에너지를 공급해주는 만큼 연료전지의 전기에너지가 슈퍼캡에 충전될 경우, 슈퍼캡은 그만큼의 회생제동 에너지를 저장하지 못하기 때문에 연비가 떨어지는 주된 요인이 되는 것이다.
상기와 같이 회생제동시에는 연료전지가 슈퍼캡에 전기에너지를 충전시켜서는 안되며, 이때의 연료전지의 전압은 슈퍼캡의 전압보다 낮아야 한다. 그러나 차량 제동시 슈퍼캡이 채워짐에 따라 연료전지의 전압은 점차 상승하여 OCV(Open Circuit Voltage) 레벨까지 증가하며, 이때 연료전지의 각 셀 당 일정 전압(예, 0.85V) 이상 상승하는 횟수가 늘어나면서 연료전지의 내구 성능은 크게 감소하게 된다. 연료전지의 내구 성능을 고려한다면 어느 순간에도 연료전지의 전압은 각 셀 당 규정된 일정 전압(예, 0.85V) 이하로 유지되어야 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 회생제동시에 연료전지 전압을 축전수단(예, 슈퍼캡) 전압보다 낮게 유지하여 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한 본 발명은 회생제동시에 연료전지의 전압 상승을 막아 연료전지 각 셀 당 전압을 일정 수준 이하로 유지함으로써, 연료전지의 내구 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들을 메인 버스단에 설치된 제1블로킹 다이오드의 전단에 연결 배치하여, 회생제동시 상기 고전압 부품들이 구동될 경우 연료전지의 전력을 소모함으로써 연료전지 전압이 축전수단 전압보다 낮게 유지될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 연료전지의 출력단 쪽 메인 버스단에 제2블로킹 다이오드를 추가 설치하여, 상기 고전압 부품들을 상기 제2블로킹 다이오드와 제1블로킹 다이오드 사이의 메인 버스단 위치에 연결 배치한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고전압 부품은 보조 배터리가 연결된 LDC, 라디에이터 팬, 및 수소 재순환 불로워를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고전압 부품은 연료전지에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고전압 부품은 연료전지의 냉각수 순환을 위한 물펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, LDC를 포함한 연료전지 구동용 고전압 부품들이 제1블로킹 다이오드와 그 전단에 추가 설치된 제2블로킹 다이오드 사이의 메인 버스단에 연결 배치된 연료전지 하이브리드 차량이 회생제동 모드로 진입하는 단계와;
회생제동 모드 진입시 연료전지 시스템 제어기가 상기 고전압 부품들을 구동시켜 고전압 부품들로 하여금 연료전지의 전력을 소모토록 함으로써 연료전지 전압이 축전수단 전압보다 낮게 유지되는 단계;
를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 제어방법을 제공한다.
여기서, 본 발명의 파워넷 시스템 제어방법은, 상기 연료전지 하이브리드 차량이 아이들 스탑 모드로 진입하는 단계와;
연료전지 시스템 제어기가 공기공급장치의 구동을 중지시키고, 상기 LDC가 보조 배터리로부터 공급되는 전압을 부스팅하여 상기 메인 버스단에 공급하되, 상 기 메인 버스단의 부스팅 전압을 축전수단 전압보다 낮게 유지하는 단계와;
아이들 스탑 해제시 연료전지 시스템 제어기가 부스팅 전압과 축전수단 전압으로 공기공급장치를 포함한 연료전지 구동용 고전압 부품들을 구동시켜 연료전지의 발전을 재개하는 단계;
를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 차량용 파워넷 시스템과 그 제어방법에 의하면, 메인 버스단에 설치된 기존의 제1블로킹 다이오드와는 별개로 연료전지의 출력단 쪽(상기 제1블로킹 다이오드의 전단 쪽) 메인 버스단에 별도의 제2블로킹 다이오드를 추가 설치하고, 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들의 위치를 상기 제1블로킹 다이오드의 후단에서 제1블로킹 다이오드의 전단으로 변경하며, 회생제동시에 상기 고전압 부품들의 구동을 적절히 제어하여 연료전지 전압을 축전수단 전압보다 낮게 유지함으로써, 연료전지가 축전수단을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있다.
특히, 회생제동시에 연료전지의 전압 상승을 막아 연료전지 각 셀 당 전압을 일정 수준 이하로 유지함으로써, 연료전지의 내구 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에서 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 예를 들어 기술하나, 슈퍼캡이 또 다른 보조동력원인 고전압 배터리로 대체(연료전지-배터리 하이브리드 차량)될 수 있음은 당업자 수준에서 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 슈퍼캡 및 배터리는 공히 충/방전이 가능한 축전수단으로서, 이들이 연료전지 하이브리드 차량의 보조동력원으로 사용되고 있음은 주지의 사실이다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도로서, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성은, 주동력원으로 사용되는 연료전지(110), 보조동력원으로 사용되는 슈퍼캡(120), 구동모터(141)를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지(110)와 슈퍼캡(120)의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함하는 것임)(140)를 포함한다.
또한 구동모터(141) 및 MCU(140)는 메인 버스단(130)을 통해 연료전지(110)에 연결되고, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 슈퍼캡(120)이 메인 버스단(130)에 연결되어, 연료전지(110)와 슈퍼캡(120)이 구동모터(141) 및 MCU(140)에 대해 병렬로 연결된 구조가 된다.
본 발명에서는 종래의 파워넷 구성과 2가지 부분에서 차이가 있으며, 우선 연료전지(110)의 출력단에 하나의 파워(Power) 다이오드(132)가 추가된다. 이하, 본 명세서에서는 연료전지(110)로 역전류가 흐르지 않도록 메인 버스단(130)에 설치되는 기존의 블로킹 다이오드(131)를 제1블로킹 다이오드로 칭하며, 연료전지(110)의 출력단 쪽으로 메인 버스단(130)에 추가 설치되는 상기 파워 다이오드(132)를 제2블로킹 다이오드라 칭하기로 한다.
또한 연료전지 구동을 위한 고전압 부품(114~117,150)들의 위치를 기존의 메인 버스단 위치에서(도 1 참조) 상기 제1블로킹 다이오드(131) 전단의 메인 버스단 위치로 변경하여 배치하는 바(도 2 참조), 상기 고전압 부품(114~117,150)들이 기존의 제1블로킹 다이오드(131) 후단 위치에서 제1블로킹 다이오드(131) 전단 위치로 이동되어 메인 버스단(130)에 연결된다.
이러한 배치 구조에서 고전압 부품(114~117,150)들이 제2블로킹 다이오드(132)와 제1블로킹 다이오드(131) 사이의 메인 버스단에 연결되는 구조가 되는데, 상기와 같은 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들로는 라디에이터 팬(115), 수소 재순환 블로워(116), LDC(150) 등이 될 수 있다.
물론, 라디에이터 팬(115) 및 수소 재순환 블로워(116) 등 고전압 단품들이 고전압 정션박스(HV Junction Box)(117)를 통해 메인 버스단(130)에 연결되며, LDC(150)에는 저전압 전장품에 전력을 공급하기 위한 보조 배터리(예, 12V 보조 배터리)(151)가 연결된다.
상기와 같이 제1블로킹 다이오드(131) 전단으로 위치가 이동되는 고전압 부품들로는 라디에이터 팬(115), 수소 재순환 블로워(116) 외에 연료전지(110)에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치인 공기블로워(111)와, 연료전지(110)의 냉각수 순환을 위한 물펌프(112) 등도 포함될 수 있으나, 바람직하게는 아이들 스탑/해제시 연료전지(110)의 신속한 재시동이 이루어질 수 있도록 공기블로워(111)는 기존의 메인 버스단 위치에 배치할 수 있다.
도 2의 예는 공기블로워(111)와 더불어 물펌프(112)를 고전압 정션박스(113)를 통해 기존의 메인 버스단 위치에 남겨둔 예이며, 이들을 제외한 나머지 고전압 부품(114~117,150)들은 메인 버스단(130)에 설치된 두 개의 다이오드(131,132) 사이에 배치한다.
상기와 같은 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동은 LDC를 통해 기존의 파워넷 시스템에서와 동일한 방법으로 시동 가능하며, 회생제동시에는 회생제동 에너지가 제1블로킹 다이오드(131)에 의해 연료전지(110) 쪽으로 흘러들어가는 것을 막아주는 것에 의해 충분한 양의 회생제동 에너지를 슈퍼캡(120)에 저장할 수 있게 된다.
또한 회생제동시에는 연료전지(110)의 전기에너지를 고전압 부품(114~117)들로 하여금 소모하도록 하여 연료전지의 전압을 일정 전압 이하로 낮출 수 있게 되는데, 이와 같이 고전압 부품들의 구동 제어를 통해 연료전지의 전압이 슈퍼캡의 전압보다 낮은 상태가 되도록 할 수 있는 바, 연료전지의 전압이 슈퍼캡의 전압보다 높음으로 인해 연료전지(110)의 전기에너지가 슈퍼캡(120)으로 제공되는 것을 막을 수 있고, 결국 슈퍼캡(120)에 저장되는 회생제동 에너지의 양이 저감되는 것을 막을 수 있게 된다.
아이들 스탑 제어시 연료전지(110)의 발전을 정지시킨 경우에도 도 2의 A 영 역에는 전력이 공급되어야 한다. 이때, LDC(150)가 보조 배터리(151)의 전력을 부스팅(Boosting)하여 공급할 수 있으며, 제2블로킹 다이오드(132)에 의해 부스팅된 전압이 연료전지(110) 쪽으로는 들어갈 수 없다. 물론, 부스팅된 전압이 슈퍼캡 전압보다 항상 낮게 유지되도록 하여야 한다.
상기와 같은 아이들 스탑 상황이 종료된 후 연료전지의 기동 방법은 종래의 시동때와 동일한 과정에 의해 진행된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 기존 구조 대비 다이오드가 하나 더 추가되는 것 외에는 하드웨어 추가가 없으며(원가 상승 요인 최소화), 회생제동 에너지의 회수를 극대화가 가능함은 물론, 아이들 스탑 기능(연료전지 발전 오프)의 구현이 가능해진다.
이하, 첨부한 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 종래와 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동 순서를 설명하면 다음과 같다. 이하 설명되는 파워넷 시스템의 제어는 그 주체가 연료전지 시스템 제어기와 그 하위 제어기, 예컨대 각 구동 단품별 제어기(예를 들면, LDC의 경우 LDC 제어기)가 될 수 있다.
우선, 도 3a는 종래의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동 순서를 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동 순서를 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 4a는 종래의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시 전압 거동을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시 전압 거동을 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 4a에 대해 설명하면, 종래의 연료전지 시동시에는, LDC(50)가 보 조 배터리(예, 12V 보조 배터리)(51)의 저전압 전력을 고전압 전력으로 부스팅하여 고전압 정션박스(15)에 공급하며(예, 320V 전원 공급), 이때 시동을 위한 전력이 고전압 정션박스(15)를 통해 공기블로워(11)를 포함한 연료전지 구동용 고전압 단품(12~14)들에 공급되면서 시동이 개시된다(①).
이 상태에서 수소밸브가 오픈되어 수소가 연료전지 스택에 공급되고, 공기 공급의 제어는 공기블로워(11)의 RPM 제어를 통해 구현된다(②). 상기와 같이 연료전지(10)가 시동된 후 LDC(50)는 벅(Buck) 모드로 전환(12V 충전)되고(③), 슈퍼캡(20)은 연료전지(10)의 전기에너지에 의해 초기 충전된다(④).
또한 슈퍼캡(20)의 충전이 완료되면 차량 구동 준비가 완료되는 바, 이어 MCU(40)가 모터(41)를 구동시켜 시동을 완료하게 된다(⑤).
도 4a는 도 3a의 파워넷 구조에서 상기한 ①, ②, ③, ④, ⑤ 과정의 경우에 영역 (1), (2), (3)에서의 전압 상태를 보여주고 있다.
반면, 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지 시동은 파워넷 구조 및 구성의 배치가 종래의 파워넷 시스템과 비교해 달라졌어도 그 과정은 차이가 없다. 즉, 도 3b의 구조에서 LDC(150)가 보조 배터리(예, 12V 보조 배터리)(151)의 저전압 전력을 고전압 전력으로 부스팅하여 고전압 정션박스(113,117)에 공급하며(예, 320V 전원 공급), 이때 시동을 위한 전력이 고전압 정션박스(113,117)를 통해 공기블로워를 포함한 연료전지 구동용 고전압 단품(111,114~116)들에 공급되면서 시동이 개시된다(①).
이 상태에서 수소밸브가 오픈되어 수소가 연료전지 스택에 공급되고, 공기 공급의 제어는 공기블로워(111)의 RPM 제어를 통해 구현된다(②). 상기와 같이 연료전지(110)가 시동된 후 LDC(150)는 벅(Buck) 모드로 전환(12V 충전)되고(③), 슈퍼캡(120)은 연료전지(110)의 전기에너지에 의해 초기 충전된다(④).
또한 슈퍼캡(120)의 충전이 완료되면 차량 구동 준비가 완료되는 바, 이어 MCU(140)가 모터(141)를 구동시켜 시동을 완료하게 된다(⑤).
도 4b는 도 3b의 파워넷 구조에서 상기한 ①, ②, ③, ④, ⑤ 과정의 경우에 영역 (1), (2), (3)에서의 전압 상태를 보여주고 있다.
다음으로, 첨부한 도 5a 및 도 5b, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 종래와 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 5a는 종래의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하기 위한 도면이고, 도 5b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 6a는 종래의 파워넷 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면이고, 도 6b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면이다.
본 발명의 설명에서 영역 (1), 영역 (2), 영역 (3)은 두 블로킹 다이오드(131,132)를 경계로 하여 구분되는 영역으로서, 영역 (1)의 전압은 연료전지 전압이 되고, 영역 (2)의 전압은 두 블로킹 다이오드(131,132) 사이의 메인 버스단 전압이 되며, 영역 (3)의 전압은 제2블로킹 다이오드(132) 후단에서 MCU(140)로 이어지는 메인 버스단 전압(슈퍼캡 전압)이 된다.
도 5a의 구조에서 브레이크의 구동으로 모터(41)에서 MCU(40)를 거쳐 회생제 동 에너지가 영역 (3)에 공급되고, 동시에 전기 부하가 사라진 연료전지의 전압은 OCV 레벨로 회복하려 한다. 이때, MCU(40)를 통해 영역 (3)으로 공급되는 전기에너지, 즉 회생제동 에너지는 전압이 가장 낮은 슈퍼캡(20)을 충전하게 된다. 동시에 OCV로 전압이 상승하려는 연료전지(10) 역시 영역 (3)을 통해 슈퍼캡(120)을 충전하게 되는데, 이것이 종래의 파워넷 시스템에서의 단점이 된다. 즉, 제동 중이므로 연료인 수소를 사용할 필요가 없음에도 불구하고 연료전지(110)에서는 슈퍼캡(120)의 충전을 위해 쓸데없이 수소가 소모된다. 또한 연료전지(110)가 슈퍼캡(120)을 충전하고 있기 때문에 슈퍼캡(120)이 빨리 충전되어, 그만큼 MCU(140)를 통해 공급되는 회생제동 에너지가 슈퍼캡(120)에 충전될 수 없게 된다.
회생제동시에 영역 (1), (2)의 전압은 영역 (3)의 전압보다 낮아야만 모터(41)에서 나오는 최대한의 회생제동 에너지를 슈퍼캡(20)에 저장할 수 있으며, 연료전지(10)의 불필요한 슈퍼캡 충전에 의해 수소가 낭비되는 것을 억제할 수 있게 된다. 그러나 종래의 파워넷 구조에서는 회생제동시 연료전지(10)가 슈퍼캡(20)을 불필요하게 충전하는 것을 막을 수 없다.
도 6a를 참조하면, 영역 (1), 영역 (2), 영역 (3)의 전압이 거의 차이가 나지 않으나 '영역 (1)≥ 영역 (2) > 영역 (3)'의 순으로 전압이 유지된다.
반면, 본 발명의 파워넷 구조에 대해 설명하면, 회생제동 모드로 진입하여 모터(141)에서 MCU(140)를 거쳐 회생제동 에너지가 영역 (3)에 공급되는데, 이때 영역 (1), 영역 (2), 영역 (3)의 경계에 위치된 두 다이오드(131,132)에 의해 고전압 정션박스(113)를 통해 공기블로워(111)에 공급되는 일부를 제외하고는 회생제동 시 생성된 모든 전기에너지가 슈퍼캡(120)으로 전달된다.
종래의 구조에서는 모터(141)의 부하가 사라지므로 연료전지의 전압이 회복되면서 높아진 전압 때문에 연료전지(110)의 전기에너지가 슈퍼캡(120)으로 전달되었으나, 본 발명에서는 연료전지 시스템 제어기가 영역 A의 고전압 부품(114~116)들을 적절히 구동 제어하여, 영역 (2)의 전압이 영역 (3)의 전압보다 낮게 유지되도록 한다.
이와 같이 본 발명의 파워넷 구조에서는 LDC를 포함한 고전압 부품(114~116,150)들의 위치를 두 다이오드(131,132) 사이의 메인 버스단(130)으로 이동 배치하여, 필요에 따라 고전압 부품(114~116)들의 구동을 적절히 제어할 경우, 영역 (2)의 전압을 영역 (3)의 전압보다 낮출 수 있게 된다. 영역 (2)의 전압을 영역 (3)의 전압보다 낮게 유지함으로써 연료전지(110)가 슈퍼캡(120)을 불필요하게 충전하는 것을 막을 수 있다. 영역 A의 고전압 부품들은 원래 차량 구동을 위해 동작하여야 하는 부품들이므로, 영역 (2)의 전압을 영역 (3)의 전압보다 낮게 유지하기 위하여 영역 A의 고전압 부품들을 구동 제어하더라도 특별히 연료전지의 전력을 더 소모하는 것은 아니다.
더불어 본 발명의 파워넷 구조에서, 회생제동시 영역 A의 고전압 부품들을 적절히 구동하게 되면, 영역 (1)의 전압, 즉 연료전지의 전압을 회생제동을 하는 상황에서도 항상 일정 전압(예, 0.85V) 이하로 제어할 수 있기 때문에, 결국 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있게 된다. 많은 연구를 통해 연료전지의 단위 셀 전압이 일정 전압 이상으로 지속될 경우 연료전지의 내구에 많은 악영 향을 준다는 것이 밝혀져 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 파워넷 구조에서는 회생제동시 영역 (2)의 전압을 영역 (3)의 전압보다 낮게 제어할 수 있는 바, 연료전지의 전압에 의해 슈퍼캡이 불필요하게 충전되는 것을 막을 수 있으며, 이에 충분한 회생제동 에너지가 슈퍼캡에 전달되어 충전될 수 있고, 결국에는 연비 향상이 가능해지는 효과가 있게 된다.
도 6b를 참조하면, 영역 (1)과 영역 (2)의 전압은 거의 같은 움직임을 보이고 있으나 회생제동시에는 영역 (3)의 전압이 영역 (1) 및 영역 (2)의 전압과 큰 격차를 보이고 있다. 이러한 전압 상태에 따라 제동시에 연료전지가 슈퍼캡을 충전하지 않게 된다.
다음으로, 첨부한 도 7a 및 도 7b, 도 8a 및 도 8b를 참조하여 종래와 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 7a는 종래의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시를 설명하기 위한 도면이고, 도 7b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시를 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 8a는 종래의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시 전압 거동을 나타낸 도면이고, 도 8b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시 전압 거동을 나타낸 도면이다.
연료전지 차량이 횡단보도에서 신호대기로 잠시 정차하게 되는 경우 등에서 보기류 부품 등의 구동에 사용되는 에너지는, 굳이 연료전지를 구동시켜 사용하기 보다는, 대부분 전력을 많이 사용하는 부품들을 정지시키고 슈퍼캡에 저장된 에너 지를 사용하는 것이 연비 향상에 도움을 준다. 이에 차량의 연료전지 발전을 정지시키는 것을 아이들 스탑이라 부른다.
상기와 같이 아이들 스탑 조건일 때 연료전지(10)의 구동을 중단시키는데, 이는 공기블로워(11)의 구동을 중단시킴으로써 가능하다. 또한 연료전지(10)의 구동이 중단되므로 물펌프(12), 라디에이터 팬(13), 수소 재순환 블로워(14) 등 나머지 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들의 구동 정지가 가능하다.
도 8a를 참조하면, 아이들 스탑 적용 순간에는 공기블로워(11), 물펌프(12), 라디에이터 팬(13), 수소 재순환 블로워(14) 등 부품들의 구동이 중단되어 순간적으로 영역 (1), (2), (3)의 전압이 상승하나, 이후 공기블로워(11)의 구동 중단으로 영역 (1), (2)의 전압은 지속적으로 떨어진다. 따라서, 영역 (A)의 부품 구동은 영역 (3)의 전압, 즉 슈퍼캡(20)에 저장된 에너지가 담당하게 된다.
이후 어느 정도 시간이 지나거나 운전자가 가속페달을 밟게 되면 아이들 스탑은 종료되고, 이어 연료전지 시스템 제어기가 공기블로워(11), 물펌프(12), 라디에이터 팬(13), 수소 재순환 블로워(14) 등 부품들을 다시 구동시켜 연료전지(10)의 발전을 재개하게 된다. 이렇게 연료전지(10)의 발전이 재개되면 영역 (1), 영역 (2)의 전압은 상승하게 되며, 슈퍼캡의 전압에 도달하여 다시 하이브리드 모드로 진입하게 된다.
반면, 본 발명의 파워넷 구조에서는 연료전지 차량이 아이들 스탑 조건에 진입하게 되면 전력을 많이 소모하는 부품인 공기블로워(111)와 물펌프(112)의 구동을 중단시킨다. 이렇게 되면 영역 (1)의 전압, 즉 연료전지의 전압은 점차 감소 하게 되고, 이때 영역 (2)의 전압은 LDC(150)를 이용하여 제어가 이루어진다. 즉, LDC(150)를 이용하여 보조 배터리(예, 12V 보조 배터리)(151)의 전압을 부스팅하여 영역 (3)의 전압, 즉 슈퍼캡 전압보다 낮은 상태로 유지시키는 것이다. 이때, 비록 연료전지(110)가 발전을 하지 않는 상태에서도 언제든지 라디에이터 팬(115)과 수소 재순환 블로워(116)를 구동시켜 냉각과 수소 재순환을 할 수 있다는 장점이 있다.
아이들 스탑 적용 순간에는 공기블로워(111), 물펌프(112), 라디에이터 팬(115), 수소 재순환 블로워(116)의 구동이 중단되어 순간적으로 연료전지(110)가 OCV를 회복하려 한다. 이때, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 영역 (1), (2), (3)의 전압이 상승하나 공그블로워의 구동 중단으로 영역 (1)의 전압은 지속적으로 떨어지고, 영역 (2)의 전압은 LDC(150)의 부스팅 구동으로 인해 일정 수준까지만 떨어진다(12V 보조 배터리 에너지를 부스팅하여 영역 (2)에 전압 공급).
이후 어느 정도 시간이 지나거나 운전자가 가속페달을 밟게 되면 아이들 스탑은 종료되고, 이어 연료전지 시스템 제어기가 공기블로워(111), 물펌프(112), 라디에이터 팬(115), 수소 재순환 블로워(116) 등 부품들을 부스팅 전압에 의해 다시 구동시켜 연료전지(110)의 발전을 재개하게 된다. 이렇게 연료전지(110)의 발전이 재개되면 연료전지의 전압, 즉 영역 (1)의 전압은 다시 상승하게 되고, 영역 (2)의 전압은 다시 LDC(150)의 벅(Buck) 모드 구동으로 보조 배터리(151)를 충전(영역 (2)의 전압을 이용하여 12V 보조 배터리를 충전)하게 되어 통상의 하이브리드 모드로 진입하게 된다.
이러한 본 발명에 따른 아이들 스탑에서의 제어 방법은 종래기술과 비교할 때 아이들 스탑시 슈퍼캡의 전력을 거의 사용하지 않는다는 장점을 가진다. 필요한 전원은 보조 배터리(151)가 대부분 담당하며, 슈퍼캡(120)에 저장된 전력은 이후 운전자의 가속 의사가 있을 때에 차량의 추진을 위해 MCU(140)에 제공하거나, 연료전지(110)의 재기동을 위한 공기블로워(111)의 구동을 위해 사용된다. 이와 같이 본 발명을 적용하게 되면 종래기술 대비 보다 먼 거리를 연료전지의 재기동 없이 움직일 수 있게 되어 그 만큼 효율 측면에서 유리하다 할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 메인 버스단(130)에 설치된 기존의 제1블로킹 다이오드(131)와는 별개로 연료전지(110)의 출력단 쪽(상기 제1블로킹 다이오드의 전단 쪽) 메인 버스단에 별도의 제2블로킹 다이오드(132)를 추가 설치하고, 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들의 위치를 상기 제1블로킹 다이오드(131)의 후단에서 제1블로킹 다이오드의 전단으로 변경하며, 회생제동시에 상기 고전압 부품(114~116)들의 구동을 적절히 제어하여 영역 (1)의 연료전지 전압 및 영역 (2)의 메인 버스단 전압을 영역 (3)의 슈퍼캡 전압보다 낮게 유지함으로써, 연료전지(110)가 슈퍼캡(120)을 불필요하게 충전시키는 것을 막을 수 있고, 이를 통해 에너지 회수량 증대 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도,
도 3a는 각각 종래의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시를 설명하기 위한 도면,
도 3b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시를 설명하기 위한 도면,
도 4a는 종래의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 4b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 연료전지의 시동시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 5a는 종래의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하기 위한 도면,
도 5b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시를 설명하기 위한 도면,
도 6a는 종래의 파워넷 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 6b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 회생제동시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 7a는 종래의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시를 설명하기 위한 도면,
도 7b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시를 설명하기 위한 도면,
도 8a는 종래의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시 전압 거동을 나타낸 도면,
도 8b는 본 발명의 파워넷 시스템에서 아이들 스탑시 전압 거동을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 연료전지 111 : 공기블로워
112 : 물펌프 114 : 히터저항
115 : 라디에이터 팬 116 : 수소 재순환 블로워
120 : 슈퍼캡 131 : 제1블로킹 다이오드
132 : 제2블로킹 다이오드 140 : MCU
141 : 구동모터 150 : LDC

Claims (7)

  1. 주동력원인 연료전지(110)와 보조동력원인 축전수단(120)을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지 구동을 위한 고전압 부품들을 메인 버스단(130)에 설치된 제1블로킹 다이오드(131)의 전단에 연결 배치하여, 회생제동시 상기 고전압 부품들이 구동될 경우 연료전지(110)의 전력을 소모함으로써 연료전지 전압이 축전수단 전압보다 낮게 유지될 수 있도록 구성하며,
    상기 연료전지(110)의 출력단 쪽 메인 버스단(130)에 제2블로킹 다이오드(132)를 추가 설치하여, 상기 고전압 부품들을 상기 제2블로킹 다이오드(132)와 제1블로킹 다이오드(131) 사이의 메인 버스단 위치에 연결 배치한 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 부품은 보조 배터리(151)가 연결된 LDC(150), 라디에이터 팬(115), 및 수소 재순환 블로워(116)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고전압 부품은 연료전지(110)에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치(111)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 고전압 부품은 연료전지(110)의 냉각수 순환을 위한 물펌프(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템.
  6. LDC를 포함한 연료전지 구동용 고전압 부품들이 제1블로킹 다이오드와 그 전단에 추가 설치된 제2블로킹 다이오드 사이의 메인 버스단 위치에 연결 배치된 연료전지 하이브리드 차량이 회생제동 모드로 진입하는 단계와;
    회생제동 모드 진입시 연료전지 시스템 제어기가 상기 고전압 부품들을 구동시켜 고전압 부품들로 하여금 연료전지의 전력을 소모토록 함으로써 연료전지 전압이 축전수단 전압보다 낮게 유지되는 단계;
    를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지 하이브리드 차량이 아이들 스탑 모드로 진입하는 단계와;
    연료전지 시스템 제어기가 공기공급장치의 구동을 중지시키고, 상기 LDC가 보조 배터리로부터 공급되는 전압을 부스팅하여 상기 메인 버스단에 공급하되, 상기 메인 버스단의 부스팅 전압을 축전수단 전압보다 낮게 유지하는 단계와;
    아이들 스탑 해제시 연료전지 시스템 제어기가 부스팅 전압과 축전수단 전압으로 공기공급장치를 포함한 연료전지 구동용 고전압 부품들을 구동시켜 연료전지의 발전을 재개하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워넷 시스템 제어방법.
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