KR101234663B1 - 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류제어 방법에 관한 것으로 연료전지와, 상기 연료전지와 연결되어 전력이 입출력되는 DC-DC컨버터와, 상기 DC-DC컨버터와 연결되어 보조동력원으로 사용되며 충전 또는 방전을 수행하는 고전압 배터리와, 상기 연료전지에 연결되어 열을 발생시키는 저항을 포함하는 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류를 제어하는 방법에 있어서, 상기 연료전지에서 스택 전압을 생성하여 상기 저항과 연결하는 단계; 상기 DC-DC컨버터의 고전압측에 전압 명령치를 입력하는 단계; 상기 전압 명령치에 따라 고전압 배터리에서 충전 또는 방전을 하는 단계; 상기 충전 또는 방전이 완료되면 시동을 완료하는 단계;를 포함하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법을 제공하여,
연료전지에서 생성된 물이 얼지 않도록 하는 양의 전류만을 공급하도록 하여 냉시동시의 연료전지 시동 안정성을 확보하고, 냉시동 중 생성수 재냉각 발생 후 부하 인가시 연료전지 스택의 열화를 방지함으로써 냉시동시 수소 소모량을 저감시키는 효과가 있다.

Description

하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법{CURRENT CONTROLLING METHOD OF HYBRID VEHICLE IN COLD START}

본 발명은 연료전지 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류를 제어하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 DC-DC컨버터의 고전압측에 전압 명령치를 명령하여 고전압 배터리를 선택적으로 충전 또는 방전시킴으로써 외기 온도가 저온인 경우에 시동의 안정성을 확보하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에서 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.

연료전지는 일방적으로 전력을 출력하기만 하는 특성이 있어, 차량 구동모터의 제동시 발생되는 회생전력을 흡수하지 못하므로, 에너지의 효율적 이용이 불가능하다.

상기한 연료전지의 출력특성에 의한 제약을 극복하기 위하여 연료전지의 출력특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용(하이브리드화)하고 있는데, 이 때의 보조동력원으로 고전압 배터리를 사용하는 경우가 많다.

그러나, 연료전지 차량이 영하의 온도에서 보관된 후 시동시에 연료전지 내부에 잔존해있던 수분의 냉각으로 인해 상온 시동시에 비하여 전압 생성이 불량한데, 이는 연료전지가 냉각되면 내부에 잔존해 있던 수분의 냉각으로 인해 연료가스들이 생성된 얼음에 가로막혀 반응부에 도달하지 못하기 때문이다.

도 1은 종래의 냉시동시의 연료전지의 구성도인데, 종래에는 생성된 얼음을 녹여주기 위해 연료전지에 강제로 전기적 저항(40,50)을 연결하여, 저항(40,50)에서의 발열과, 연료전지 스택(10) 내부의 발열을 이용하여 수분을 녹이는 기술을 이용하였다. 전기적 저항(40,50)을 강제로 연결시에는 연료전지 스택(10)에서 전류가 발생하고, 이 때 다시 생성수가 생기게 되는데, 극저온시에는 이 생성수가 다시 얼어버리는 현상이 발생하여, 채널 및 가스 확산부를 다시 동결시키는 결과를 가져와 더 이상 연료전지로부터 전기를 생산할 수 없게 되는 경우가 발생되거나 연료전지의 전압이 일정 기준 이하로 하강하여 시동이 불가능하게 된다.

따라서, 연료전지의 안정적인 시동을 위하여 승온시 연료전지의 전류를 제어하여 시스템 운전 불가 기준 이상의 전압을 안정적으로 유지해 주는 것이 필요하다. 강제로 연결하는 전기적 저항(40,50)값은 고정값으로 정해져 있으므로 연료전지의 상태에 따라 전류를 제어하는 일이 불가능하였으며, 연료전지 스택(10)의 냉각 상태에 따라서는 시동이 불가능한 상태까지 전압이 하강하는 경우가 빈번한 문제가 있었다.

즉, 연료전지는 태생적으로 전기를 발생시키는 부산물로 물이 생성되는데, 이 물은 가습기를 통해 스택(10)으로 들어오는 공기를 가습 시켜 MEA의 함수율을 높임으로써 연료전지의 성능을 향상 시키는 순기능을 가지고 있으나, 생성수에 의해 가스 채널을 막는다거나, 물이 생기는 반응부의 반응 면적을 막아 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 역기능도 한다.

이와 같이 연료전지 운전에 있어서 물은 순기능과 역기능을 동시에 가지고 있다. 연료전지 내에서 물은 생기기도 하고 배출되기도 하고 순환되기도 하면서 연료전지에 영향을 미친다. 이에 따라 연료전지 안에는 언제나 수분이 존재하게 되는데, 온도가 영하로 떨어지는 겨울철에는 연료전지 정지 후 방치시 물이 얼게 된다.

온도 또는 시간에 따라 그 정도가 다를 수 있으나 연료전지 스택(10) 내부의 수분 냉각 빙결은 연료전지 시동시에 큰 장애가 된다. 따라서 연료전지 내의 수분이 얼었다고 판단되는 경우 이 얼음을 녹이고 빠른 시간 안에 연료전지의 가능 반응 면적을 확보하여 전기를 생산할 수 있는 영역을 확보 하여야 한다.

이런 경우를 방지하기 위해서는 냉시동시에 연료전지의 상태에 따라 출력 가능한 전류만 뽑아내야 하는데, 내부 상태(연료전지 가용 반응면적)에 따라 뽑을 수 있는 전류가 달라진다. 달라지는 전류을 맞추어 주기 위해서는 전류를 제어 할 수 있는 기술이 필요하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고전압 배터리와 DC-DC컨버터를 이용하여 얼음을 녹이는데 필요한 양만큼의 전류를 생산할 수 있도록 하여 냉시동시에도 시동을 안정적으로 할 수 있는 연료전지 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 연료전지와, 상기 연료전지와 연결되어 전력이 입출력되는 DC-DC컨버터와, 상기 DC-DC컨버터와 연결되어 보조동력원으로 사용되며 충전 또는 방전을 수행하는 고전압 배터리와, 상기 연료전지에 연결되어 열을 발생시키는 저항을 포함하는 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류를 제어하는 방법에 있어서, 상기 연료전지에서 스택 전압을 생성하여 상기 저항과 연결하는 단계; 상기 DC-DC컨버터의 고전압측에 전압 명령치를 입력하는 단계; 상기 전압 명령치에 따라 고전압 배터리에서 충전 또는 방전을 하는 단계; 상기 충전 또는 방전이 완료되면 시동을 완료하는 단계; 를 포함하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 실시예의 고전압 배터리의 충전과 방전은 연료전지 스택 전체 전압 및 최소 셀전압의 설정값에 따라 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 방전은 현재의 메인버스 전압보다 높은 값을 DC-DC컨버터의 전압 명령치로 명령한 경우에 이루어지고, 충전은 현재의 메인버스 전압보다 낮은 값을 DC-DC컨버터의 전압 명령치로 명령한 경우에 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 전압 명령치는 연료전지 스택의 가용 반응 면적에 따라 달리하고, 상기 가용 반응 면적은 이전 셧다운시 잔존 수분량, 연료전지가 보관된 온도, 연료전지가 보관된 시간에 따라 달리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 시동 완료는 기설정된 냉각수 출구온도와 공기 출구온도에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전지에서 생성된 물이 얼지 않도록 하는 양의 전류만을 공급하도록 하여 냉시동시의 연료전지 시동 안정성을 확보하고, 냉시동 중 생성수 재냉각 발생 후 부하 인가시 연료전지 스택의 열화를 방지함으로써 냉시동시 수소 소모량을 저감시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 냉시동시 전류를 제어하는 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반응 면적에 따른 출력 가능 전류의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 냉시동시의 전류제어 흐름도이다.

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.

또한, 본 발명과 종래 기술에 사용되는 장치 등이 동일한 경우에는 동일한 도면 부호를 사용하기로 한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 연료전지 하이브리드 운전을 위해 장착된 고전압 배터리(30)와 상기 고전압 배터리(30)의 충,방전을 위해 필요한 DC-DC컨버터(20)를 활용한다. 이 때, 상기 DC-DC컨버터(20)는 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 고전압원인 고전압 배터리(30)에서 저전압원인 연료전지 스택(10)으로 동력을 전달하는 기능(Buck Operation)과 저전압원인 연료전지 스택(10)에서 고전압원인 고전압 배터리(30)로 동력을 전달하는 기능(Boost Operation)을 수행한다.

본 발명에 따른 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 주동력원으로 사용되는 연료전지(10)와, 상기 연료전지와 연결되어 전력이 입출력되도록 하여 상기 연료전지와 고전압 배터리(30)의 서로 다른 출력전압의 균형을 매칭시켜주고, 연료전지의 잉여전압 및 회생제동 에너지를 고전압 배터리(30)의 충전전압으로 제공하는 DC-DC컨버터(20)와, 상기 DC-DC컨버터(20)와 연결되어 보조동력원으로 사용되어 충전 또는 방전되는 고전압 배터리(30)와, 상기 연료전지에 연결하여 열을 발생시키는 저항(40,50)을 포함하는 연료전지 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류를 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 실시예에서는 연료전지 하이브리드 자동차의 안정적인 냉시동을 위하여 먼저, 냉시동 조건인지를 판단한다.(S110)

외기 온도가 높아 냉시동 조건이 아닌 경우에는 일반적인 방법으로 시동을 하면 된다.

만약 냉시동 조건이라면 연료전지 지원부(BOP, Balance Of Plant)가 동작하는지를 판단한다.(S120) 연료전지 지원부가 작동하지 않는다면 셧다운(shut down)시킨다.

그러나, BOP가 동작하면 연료전지에 스택 전압을 생성시킨다.(S130) 상기 연료전지에서 스택 전압을 생성하여 상기 저항(40,50)과 연결하여 열을 발생시킨다.(S140) 상기 전기적 저항(40,50)은 저항(40,50)값이 변하지 않고 고정되어 있는 일종의 히터이다.

상기 스택 전압 생성 후 저항(40,50)을 연결하면 연료전지 스택(10)의 상태에 따라 전류가 흐르게 된다. 상기 전류의 크기가 연료전지 스택(10)에서 반응 가능한 면적에서 반응하여 생성하는 전류보다 작으면 연료전지 스택(10)은 전압 성능을 고르게 유지하면서 정상적인 승온 프로세스를 진행하게 된다. 이 때, 냉각수 승온 기여 영역은 도 1에 도시된 바와 같이 저항(40,50)과 연료전지 스택(10)을 포함한 영역이고, DC-DC컨버터(20)와 고전압 배터리(30)은 포함되지 않는다.

그러나, 반응 가능 면적에서 반응하여 생성되는 전류에 비해 필요한 전류의 크기가 크면 특정부의 스택 성능이 하강하여 역전압까지 형성될 수 있어 연료전지 스택(10)의 내구성에 큰 영향을 미치게 되고, 열이 발생하더라도 다시 얼거나 또는 발생열이 부족한 경우에는 추가적으로 더욱 많은 전류가 필요하게 된다.

상기와 같이 더욱 많은 전류가 필요한 경우 또는 충분한 전류가 공급된 경우에는 고전압 배터리(30)를 방전 또는 충전을 한다. 이를 위하여 상기 DC-DC컨버터(20)의 고전압측에 전압 명령치를 입력하는데, 상기 전압 명령치는 스택 전압 형성 후에 승온을 위해 저항을 연결하여 스택의 전체 전압 및 개별 셀 전압의 상태에 따라 생성한다.

상기 전압 명령치가 현재의 메인버스 전압보다 높은 값인 경우에는 현재의 전압보다 높은 값을 생성하기 위해 DC-DC컨버터(20)는 고전압 배터리(30) 방전 모드로 동작하여 메인버스에 전류를 공급하게 된다.

상기와는 반대로 현재의 메인버스 전압보다 낮은 전압 명령치를 명령하면 메인버스에서 전류를 흡수하는 고전압 배터리(30) 충전 모드로 작동하게 된다.

이 때, 상기 전압 명령치는 연료전지 스택(10)의 가용 반응 면적에 따라 달라지게 되고, 상기 가용 반응 면적은 이전 셧다운시 잔존 수분량, 연료전지가 보관된 온도, 연료전지가 보관된 시간 등에 따라 달라진다. 도 2는 본 발명에 따른 실시예의 확보해야 하는 반응 면적과 출력 가능 전류의 관계를 나타낸 그래프인데, 이에 따르면 확보해야 하는 반응 면적이 커질수록 출력가능한 전류가 비례하면서 증가하게 된다. 이 때, 연료전지 스택(10) 내에 수분이 많을 수록, 외기 온도가 낮을 수록, 낮은 온도에서 오래 보관될수록 반응 가능 면적은 줄어든다.

이 때 냉각수 출구온도가 설정온도(c)보다 크고, 공기의 출구온도가 설정온도(d)보다 큰 경우에는 냉시동 조건이 해제되어 시동을 완료한다.

그러나, 충분한 연료를 얻지 못하여 더욱 많은 전류를 필요로 하는 경우에는 연료전지 스택 전압(V_stack)이 설정치(a)보다 작거나 연료전지 스택 내의 셀의 최소 전압(V-min)이 설정치(b)보다 작은지를 판단한다.(S160)

본 발명에 따른 실시예에서는 연료전지 스택(10)의 전체 전압 및 개별 셀 전압의 상태에 따라 DC-DC컨버터(20)의 고전압측의 전압 명령치를 생성하는데, 연료전지 스택 전압 및 개별 셀전압의 최소치가 기준값 이하로 떨어져서 연료전지 스택(10)을 보호해야 할 때는 DC-DC컨버터(20)의 전압 명령치를 현재 전압보다 높은 값을 명령한다.

만약, 연료전지 스택 전압이 설정치(a)보다 작거나 연료전지 스택(10) 내의 셀의 최소 전압이 설정치(b)보다 작은 경우에는 더 많은 전류가 필요하므로 DC-DC컨버터(20)의 고전압측에 현재의 메인버스 전압보다 더 높은 전압치를 명령한다.(S170) 이에 의하여 DC-DC컨버터(20)는 높은 전압을 만들어 주기 위해 고전압 배터리(30) 방전 모드로 동작하고 명령치에 맞는 전압을 만들기 위해 전류를 메인버스에 공급한다. 즉, 고전압 배터리(30)에서 방전이 일어나면서 연료전지 스택(10)에 전류를 공급하게 된다.

이에 반하여, 연료전지 스택(10) 전압이 설정치(a)보다 크고 연료전지 스택(10) 내의 셀의 최소 전압이 설정치(b)보다 큰 경우에는 DC-DC컨버터(20)의 고전압측에 현재의 메인버스 전압보다 더 작은 전압치를 명령한다.(S180) 이에 의하여 고전압 배터리(30)에서 충전이 일어나면서 연료전지 스택(10)으로부터 공급된 전류를 충전하게 된다.

상기에서 연료전지에 저항(40,50)만을 연결하였을 때의 전류를 A, DC-DC컨버터(20)에 의한 방전 모드 동작시 공급할 수 있는 전류를 B 라고 하면, 방전 모드 동작시에 연료전지 스택(10)에서 공급해야 하는 전류는 C = A-B가 되어 연료전지 스택(10)에서 감당하여야 하는 전류가 줄어들게 된다.

상기와 같이 연료전지 스택(10)에서 감당하는 전류가 줄어들게 되면 연료전지 스택(10)의 전압이 상승하고 저항(40,50)에 흐르는 전류가 A 이상의 값이 되어 냉시동에 충분한 전력이 공급되게 된다. 이 후 연료전지 스택(10)의 전류를 줄어들게 한 다음 연료전지 스택(10)의 전압이 안정적으로 거동하면 다시 DC-DC컨버터(20)의 전압 명령치를 낮추어 충전 모드로 동작하게 하고, 연료전지 스택(10)의 전류 부하를 증가시킨다.

여기서 전압 명령치의 상승 또는 하락 정도는 연료전지 스택(10)의 상태에 따라 달리 할 수 있다. 상기와 같이 연료전지 스택(10)의 전압 상태를 기반으로 DC-DC컨버터(20)의 충,방전 제어를 통해 연료전지 스택(10)의 안정적인 전류 제어를 하면서, 연료전지 하이브리드 자동차의 냉시동성을 향상시킬 수 있다.

10: 연료전지 스택 20: DC-DC 컨버터
30: 고전압 배터리 40,50: 저항
70,80,90: 스위치 100: 냉각수 승온 기여 영역

Claims (7)

1. 연료전지와, 상기 연료전지와 연결되어 전력이 입출력되는 DC-DC컨버터와, 상기 DC-DC컨버터와 연결되어 보조동력원으로 사용되며 충전 또는 방전을 수행하는 고전압 배터리와, 상기 연료전지에 연결되어 열을 발생시키는 저항을 포함하는 하이브리드 자동차의 냉시동시 전류를 제어하는 방법에 있어서,
   상기 연료전지에서 스택 전압을 생성하여 상기 저항과 연결하는 단계;
   상기 DC-DC컨버터의 고전압측에 전압 명령치를 입력하는 단계;
   상기 전압 명령치에 따라 고전압 배터리에서 충전 또는 방전을 하는 단계;
   상기 충전 또는 방전이 완료되면 시동을 완료하는 단계;
   를 포함하고,
   냉각수의 출구온도가 설정온도(c) 이하이거나 공기의 출구온도가 설정온도(d) 이하인 경우에, 상기 연료전지의 스택 전압이 설정치(a)보다 작거나 상기 연료전지 스택 내의 셀의 최소 전압이 설정치(b)보다 작으면 상기 고전압 배터리를 방전하여 상기 연료전지의 스택에 전류를 공급하고, 상기 연료전지의 스택 전압이 설정치(a)보다 크고 상기 연료전지 스택 내의 셀의 최소 전압이 설정치(b)보다 크면 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 전압 명령치는 연료전지 스택의 가용 반응 면적에 따라 달리하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 가용 반응 면적은 이전 셧다운시 잔존 수분량, 연료전지가 보관된 온도, 연료전지가 보관된 시간에 따라 달리하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 시동 완료는 기설정된 냉각수 출구온도와 공기 출구온도에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법.
   

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