KR101209749B1 - 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법에 관한 것으로 크루즈 컨트롤로 운행시 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하고, 차속 유지를 위한 추가동력의 가감은 배터리의 충전 또는 방전을 통해 이루어지며, 구동모터 필요 출력의 변화량이 일정량 이상이거나 자동차의 안전 운행을 위한 제어 진입시 또는 출력공급 시스템의 이상으로 인한 비상 운전 진입시에는 정출력운전을 해제하고 재설정을 하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법을 제공하여,
크루즈 운행시 연료전지 시스템의 출력값을 정출력값으로 하여 연료소비율을 개선하고, 운전장치 구동 변화를 최소화함으로써 소음 및 운전성을 향상시키고, 연료전지의 출력을 정출력값으로 함으로써 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법{CRUISE CONTROL CONTROLLING METHOD OF FUEL CELL HYBRID VEHICLE}
본 발명은 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에 의한 출력을 일정한 값으로 고정한 채 배터리에 의한 출력을 가변시킴으로써 연료소비율을 개선하고 소음 및 안전성을 향상시키는 크루즈 컨트롤 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 하이브리드 자동차는 순수 연료전지 자동차가 가지고 있는 단점인 연료전지의 효율적 운전 구간이 차량에 이용하기에 적합하지 않고, 응답성이 늦은 관계로 연료 전지의 효율을 높여 차량 전체의 효율을 높이기 위한 방안으로 개발되었다.
즉, 주동력원으로써 연료 전지를 사용하고 보조 동력원으로 배터리를 추가함으로써 연료 전지와 배터리의 동력을 적절히 조합하여 연료 전지를 효율이 높은 점에서 동작하도록 할 수 있고, 차량 제동시 에너지의 일부를 흡수하여 배터리에 저장함으로써 에너지를 재사용할 수 있으며, 가속시에는 배터리의 에너지를 보조 동력으로 이용함으로써 가속 성능(응답성)을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
이러한, 연료전지 하이브리드 자동차의 시스템 구성은 통상적으로 배터리를 충전할 수 있고 직접 구동 모터로 에너지를 전달할 수 있는 연료전지 시스템과, 연료전지 시스템 또는 배터리에서 공급되는 전원으로 동력을 발생하는 구동 모터와, 에너지를 축적할 수 있는 배터리와, 직류 변환 장치, 차량에 장착되는 전체 제어기에 대한 감독과 동력 분배 역할을 담당하는 동력 분배 제어 장치로 구성되어 있다.
일반적인 크루즈 컨트롤 기능은 운전자의 편의를 향상시키는 반면, 차속 제어를 위한 잦은 동력의 사용 때문에 연료소비율을 하락시킨다. 상기와 같이 연료소비율을 하락시키는 원인은 미세한 속도 조절을 위해 모터동력을 더 많이 사용하기 때문이다. 따라서, 연료전지 차량의 연비를 희생하지 않으면서, 편의성을 증대시키는 연료전지 차량용 크루즈 컨트롤이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연료전지의 출력을 정출력값으로 하고 배터리 출력을 가변시키는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 연료전지와 배터리에 의해 운행되는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법에 있어서, 크루즈 컨트롤로 운행시 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하고, 차속 유지를 위한 추가동력의 가감은 배터리의 충전 또는 방전을 통해 이루어지며, 구동모터 필요 출력의 변화량이 일정량 이상이거나 자동차의 안전 운행을 위한 제어 진입시 또는 출력공급 시스템의 이상으로 인한 비상 운전 진입시에는 정출력운전을 해제하고 재설정을 하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 실시예의 정출력값은 세팅한 차속을 기준으로 한 맵으로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예는 연료전지의 출력을 정출력값으로 고정하면서 연료전지의 공기공급 과급량을 축소하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예는 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하면서 연료전지 수소 배출부 구동을 축소하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예의 배터리는 운전자의 요구나 노면부하 증가로 구동모터의 필요출력이 일정량 이상으로 필요할 때는 방전하고 구동모터의 필요출력이 일정량 이하로 감소되는 경우에는 충전하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 크루즈 운행시 연료전지 시스템의 출력값을 정출력값으로 하여 연료소비율을 개선하고, 운전장치 구동 변화를 최소화함으로써 소음 및 운전성을 향상시키고, 연료전지의 출력을 정출력값으로 함으로써 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 연료전지의 정출력값을 산정하기 위한 크루즈 세팅차속에 따른 정출력값의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 전류와 연료전지의 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 연료전지와 배터리의 하이브리드 출력 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예의 노면부하에 따른 연료전지 출력과 배터리 출력을 나타낸 그래프이다.
도 5는 일반적인 연료전지 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다.
이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 실시예는 연료전지와 배터리에 의해 운행되는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법으로서 크루즈 컨트롤로 운행시 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하고, 차속을 일정하게 유지하기 위한 추가동력의 가감은 배터리의 충전 또는 방전을 통해 이루어지도록 한다.
상기 크루즈 컨트롤 제어시 구동모터의 필요 출력의 변화량이 일정량 이상이어서 보조 전원 가용량의 일정 부분 이상이거나 자동차의 안전 운행을 위한 제어진입시 또는 연료전지 시스템이나 배터리 시스템과 같은 출력공급 시스템의 이상으로 인한 비상 운전 진입시에는 정출력운전을 해제하고 재설정을 한다.
상기 정출력값은 도 1에 도시된 바와 같이, 세팅한 차속을 기준으로 한 맵으로부터 구해지는데, 운전자가 주행 중 크루즈 운행으로 세팅을 하면 차속을 유지하기 위한 모터 제어를 하는 로직과 병행하여, 연료전지에서 내야 할 정출력값을 계산하여 하이브리드 제어를 하도록 한다.
이 때, 장등판로 운행 등 종래의 출력맵과 운전 환경에 차이가 있는 경우에는 현재의 연료전지 출력과 차량 부하 예측기 등을 통해 수정할 수 있다.
상기의 연료전지의 정출력값에 의한 운행은 도 3에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(20)를 이용하여 연료전지의 운전 전압을 고정함으로써 가능한데, 상기 DC-DC 컨버터(20)는 연료전지 스택(10)과 배터리(30)를 연결하여 배터리(30)를 충전 또는 방전이 가능하도록 하는 장치이다. 이 때, 연료전지의 운전 전압은 도 3에 도시된 그래프에 의해 구하여진다.
또한, 크루즈 운행으로 연료전지 정출력 운행 동안 도로 구배의 변화 또는 운전자의 가속 페달 입력으로 인하여 일정 수준 이내의 차량 요구 출력이 변경될 경우에는 세팅된 차속을 유지하기 위한 추가 동력을 하이브리드 제어를 통하여 보조 전원에서 충방전을 통해 맞출 수 있도록 되어 있다.
즉, 도 4는 본 발명에 따른 실시예의 연료전지와 하이브리드 동력의 배분을 나타낸 그래프인데, 도 4의 a는 시간에 따른 노면 구배를 나타낸 것으로서 크루즈 운행시의 차량부하를 나타낸 것이고, 도 4의 b는 종래의 크루즈 운행시의 동력 배분을 나타낸 것이고, 도 4의 c는 본 발명에 따른 실시예의 동력의 배분을 나타낸 그래프이다.
도 4의 b에서는 연료전지 출력과 배터리 출력 모두 가변되는데 이에 의해 연료소비율이 좋지 않음을 알 수 있고, 도 4의 c에서는 연료전지 출력을 고정된 정출력값으로 하면서 배터리의 출력을 노면의 구배에 따라 가변시켜 연료소비율이 개선되는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 배터리는 운전자의 요구나 노면부하 증가로 구동모터의 필요출력이 일정량 이상으로 필요할 때는 방전하고, 구동모터의 필요출력이 일정량 이하로 감소되는 경우에는 충전하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 연료전지의 출력을 정출력값으로 고정하면서 연료전지 구동부인 산소 공급부(200)와 수소 공급부(100)의 과급량을 축소하거나 연료전지의 수소 배출부 구동을 축소한다.
도 5는 일반적인 연료전지 시스템의 구성도인데, 공기블로워(210)를 통해 공급된 건조공기는 가습기(220)를 통해 가습된 뒤 연료전지 스택의 캐소드(230)(Cathode)에 공급되며, 캐소드(230)의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기(220)에 전해져 공기블로워(210)에 의해 캐소드(230)로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용된다.
상기 수소공급부(100)는 수소공급 밸브(110)를 통해 유입된 수소가 저압 레귤레이터(120)(LPR)를 통해 연료전지 스택의 애노드(160)(Anode)로 수소를 공급하며, 수소 재순환블로워(130)를 통해 애노드(160) 출구단의 수소 중 일부가 재순환되도록 한다.
또한, 애노드(160)에 남아있는 잔존 수소가 전기 발생 없이 전해질막(300)을 직접 통과하여 캐소드(230)의 산소와 반응하는 현상을 수소 크로스오버(Crossover)라 하며, 이러한 수소 크로스오버 양을 줄이기 위해서 저출력 구간에서는 애노드(160) 압력을 낮추고 스택 출력을 높이는 고출력 구간에서는 압력을 높여야 한다.
이는 저압력 요구시에는 저압 레귤레이터(120)를 단독으로 사용한다. 애노드 압력(수소압)이 커질수록 수소 크로스오버 양은 증가하며, 수소 크로스오버는 연비 및 연료전지 내구에 좋지 않은 영향을 미치므로 적절한 애노드 압력을 유지하는 것이 필요하다. 수소 퍼지밸브(150)는 애노드(160)단의 불순물 및 응축된 애노드 워터(170)를 배출하여 스택 성능을 확보하기 위한 용도이며, 애노드 출구단은 워터 트랩(180)과 연결되어 응축된 물을 저장 후 양이 일정수준에 도달하면 밸브를 통해 배출한다.
상기의 연료전지 시스템의 구성에서 단순히 연료전지 스택의 출력을 정출력으로 운전함으로써 연비 향상을 얻기는 어렵고, 정출력 운전과 함께 종래의 가변출력 운전을 대비해 선정되어 있는 각종 운전장치의 동작모드 또한 변경함으로써 효율을 개선할 수 있다. 공기블로워(210)의 경우 가변출력 운전시 연료전지의 가변출력을 위해 연료전지 요구전류값에 연동하여 바르게 반응할 수 있는 제어게인으로 운전하고 있으나, 정출력 운전시에는 이 게인을 낮추어 정속운전으로 효율을 개선한다.
또한, 공기 및 수소의 과급량(SR)은 가변출력에 원활하게 반응할 수 있도록 충분하게 과급하도록 공기는 2, 수소는 1.5로 설정되어 있으나 정출력 운전시에는 과급량을 낮추어 공기는 1.5~1.8, 수소는 1.1~1.5로 하여 공기블로워(210)와 수소재순환블로워(130)의 소모 전류를 축소할 수 있다.
그리고, 수소극의 수소 및 불순물 농도를 관리하기 위한 퍼지밸브(150)의 구동 또한 정출력 운행모드로 변경하여 배출 주기를 연장하여 배출수소에 의한 연비 하락을 방지할 수 있도록 한다.
10: 연료전지 스택 20: DC-DC컨버터
30: 배터리 40: 인버터
50: 모터 100: 수소공급부
110: 수소공급 밸브 120: 저압 레귤레이터
130: 수소 재순환블로워 140: 체크밸브
150: 퍼지밸브 160: 애노드
170: 애노드 워터 180: 워터 트랩
200: 산소공급부 210: 공기블로워
220: 가습기 230: 캐소드
300: MEA

Claims (6)

  1. 연료전지와 배터리에 의해 운행되는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법에 있어서,
    크루즈 컨트롤로 운행시 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하고,
    차속 유지를 위한 추가동력의 가감은 배터리의 충전 또는 방전을 통해 이루어지며,
    상기 연료전지의 출력을 정출력값으로 고정하면서 연료전지의 공기공급 과급량을 축소하고,
    구동모터 필요 출력의 변화량이 일정량 이상이거나 자동차의 안전 운행을 위한 제어 진입시 또는 출력공급 시스템의 이상으로 인한 비상 운전 진입시에는 상기 크루즈 컨트롤에 의해 세팅된 차속을 유지하도록 상기 연료전지의 정출력 운전을 해제하고 재설정을 하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정출력값은 세팅한 차속을 기준으로 한 맵으로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 출력을 정출력값으로 고정하면서 연료전지 수소 배출부 구동을 축소하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 운전자의 요구나 노면부하 증가로 구동모터의 필요출력이 일정량 이상으로 필요할 때는 방전하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 구동모터의 필요출력이 일정량 이하로 감소되는 경우에는 충전하는 연료전지 하이브리드 자동차의 크루즈 컨트롤 제어 방법.
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