KR101282688B1

KR101282688B1 - 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법

Info

Publication number: KR101282688B1
Application number: KR1020110100667A
Authority: KR
Inventors: 이규일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-07-05
Also published as: KR20130036531A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 경제운전토크 내에서 운전자 요구토크에 따른 필요 스택 출력을 산출한 후, 이를 기반으로 공기블로워의 구동속도를 제어할 수 있도록 한 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량의 주행을 위한 구동 모터의 효율을 반영한 파워맵을 통하여 구동모터의 토크제한을 실시하는 동시에 여기서 계산된 모터 명령토크를 이용하여 공기블로워의 모터 속도를 제어함으로써, 연비가 좋은 영역에서 차량이 경제운전될 수 있도록 한 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 차량의 경제운전 제어 방법{Economic driving method for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 경제운전토크 내에서 운전자 요구토크에 따른 필요 스택 출력을 산출한 후, 이를 기반으로 공기블로워의 구동속도를 제어할 수 있도록 한 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량에는 주행을 위한 동력원으로서 연료전지 셀을 수십 개에서 수백 개 이상 적층시켜 전기를 생성하는 연료전지 스택(이하, 스택이라 칭함)이 탑재되고, 그 밖에 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등이 탑재된다.

상기 연료공급 시스템은 수소탱크로부터의 압축수소를 레귤레이터에서 감압하여 스택의 연료극(수소극)으로 공급하는 역할을 하고, 상기 공기공급 시스템은 공기블로워의 작동에 의하여 흡입된 외부공기를 가습기를 거쳐 스택의 공기극으로 공급하는 역할을 한다.

따라서, 스택의 연료극에 연료(수소)가 공급되는 동시에 산화극에 산화제(산소)가 공급됨에 따라, 연료극(anode)에서 촉매반응을 통하여 수소 이온을 분리하고, 이를 전해질막을 통하여 공기극인 산화극(cathode)으로 전달하면, 산화극에서는 연료극으로부터 이동해 온 수소이온과 전자, 그리고 산소가 참여하는 전기화학적 반응이 일어나며, 이 반응중의 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.

첨부한 도 2에 도시된 연료전지 차량의 파워트레인 모식도에서 보는 바와 같이, 연료전지 스택(10)에서 생성된 전기에너지의 일부는 인버터(11)를 통하여 주행용 구동모터(12)의 전력원으로 직접 사용되거나, 나머지는 직류변환기(13)를 통하여 고전압배터리(14)에 충전된다.

물론, 가속페달, 제동페달, 기어위치 등이 연료전지 제어기(15)로 입력되면, 연료전지 제어기(15)에서 주행용 구동모터(12)를 제어하기 위한 모터제어기(16)에 제어 명령을 내리고, 모터제어기(16)에 의하여 주행용 구동모터(12)의 속도 및 토크가 제어된다.

이와 같은 연료전지 차량의 경우, 주행을 위한 구동모터 뿐만 아니라, 스택에 전기 생성을 위해 공기를 공급하는 공기블로워의 모터 특성상 고RPM 영역으로 갈수로 소비전력이 커지는 단점이 있고, 이에 구동모터의 구동토크와 함께 공기블로워에 포함된 모터의 구동토크도 연비향상을 위하여 고려해야 할 중요한 요소라 하겠다.
본 발명의 차량 경제운전 및 연비향상과 관련하여 그 배경이 되는 기술은 등록특허 10-1114381호, 공개특허 10-2010-0061146호 및 등록특허 10-0974761호에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량의 주행을 위한 구동 모터의 효율을 반영한 파워맵을 통하여 구동모터의 토크제한을 실시하는 동시에 여기서 계산된 모터 명령토크를 이용하여 공기블로워의 모터 속도를 제어함으로써, 연비가 좋은 영역에서 차량이 경제운전될 수 있도록 한 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 운전자 요구토크 및 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크를 계산하는 단계와; 연료전지 제어기에서 주행용 구동모터의 경제운전 최대토크 및 모터명령 토크값을 계산하는 단계와; 상기 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크와 경제운전 최대토크를 비교하여, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 크면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 경제운전 최대토크로 제어하고, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 작으면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크로 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 경제운전 최대토크 및 모터명령 토크값을 계산하는 단계는: 구동모터의 속도 및 토크를 기반으로 미리 실험을 통하여 구축되어 연료전지 제어기에 저장된 경제운전제한 파워맵으로부터 현재 구동모터 속도에서의 경제운전 최대파워를 추출하는 과정과, 경제운전 최대파워를 현재 구동모터 속도에서의 모터최대파워로 나누어서 경제운전 최대토크를 산출하는 과정과, 산출된 경제운전 최대토크에 구동모터의 시스템 효율을 곱하여 모터명령 토크값을 구하는 과정; 으로 진행되는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 상기 모터명령 토크값에 따라 연료전지 요구전류를 계산하여, 연료전지 요구전류에 따라 공기블로워의 모터 속도를 가변 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지와 주행용 구동모터의 고효율 운전구간에서 구동하도록 구동토크를 제어하여 경제운전을 수행할 수 있고, 특히 운전자 요구토크에 의한 공기블로워의 속도제어가 아닌, 경제운전 제한토크를 통한 공기블로워의 속도제어가 이루어지도록 함으로써, 연료전지 차량의 연비 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 나타내는 순서도,
도 2는 연료전지 차량의 파워트레인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 위한 경제운전 파워맵 구축예를 설명하는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 차량의 주행을 위한 구동모터와 연료전지의 고효율 구간 운전 및 공기블로워 최적제어를 통하여 경제운전 제어를 수행할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명은 연료전지에서 생성된 전기를 이용하여 구동되는 주행용 구동모터의 고효율 파워구간을 이용하여, 경제운전 파워맵을 만들고, 이를 통해 경제운전 최대토크를 계산하여, 운전자 요구토크 또는 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크를 경제운전토크보다 낮은 수준으로 유도하여 고효율 운전이 이루어지도록 한 점에 특징이 있다.

특히, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크 또는 경제운전토크를 기반으로 연료전지 요구전류를 계산하여 공기블로워의 모터 속도를 가변 제어함으로써, 공기블로워의 파워낭비를 최소한으로 줄일 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위한 본 발명의 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법을 첨부한 도 1을 참조로 순서대로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 운전자가 가속페달을 밟는 신호와, 현재 모터속도가 연료전지 제어기에 입력되고, 연료전지 제어기에 구동모터 제어를 위한 전압이 입력되는 것이 감지되면(S101), 운전자가 가속 페달을 밟음에 따라 운전자 요구토크 및 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 계산된다(S102).

상기 운전자 요구토크는 운전자에 의한 가속 페달 밟음량(가속 페달 위치 센서에 의하여 감지되는 값)과 주행용 모터속도를 기반으로 미리 실험을 통하여 만들어져 연료전지 제어기에 저장된 구동토크맵으로부터 얻어진다.

상기 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크는 연료전지 차량의 배터리 충전상태(SOC)가 낮은 수준이거나, 연료전지 스택의 온도가 기준치보다 높은 상태로 상승된 상태 등과 같이 파워제한이 걸리는 조건에서의 토크를 의미한다.

즉, 운전자가 가속페달을 밟으면서 원하는 가속 수준이 현재 속도 대비 50% 이상이라면, 연료전지 차량의 배터리 충전상태(SOC)가 기준치보다 낮은 수준이거나, 연료전지 스택의 온도가 기준치보다 높게 상승되는 상태에서는 주행용 구동모터에 파워제한이 걸리는 조건이 되므로, 운전자가 원하는 50% 가속 수준을 충족시키지 못하고, 예를 들어 40% 가속 수준을 만들어줄 수 있는 토크를 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크라 한다.

다음으로, 연료전지 제어기에서 주행용 구동모터의 경제운전 최대토크 및 모터명령 토크값을 계산한다(S103).

이를 위해, 먼저 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 구동모터의 속도 및 토크를 기반으로 미리 실험을 통하여 구축되어 연료전지 제어기에 저장된 경제운전제한 파워맵으로부터 현재 구동모터 속도에서의 경제운전 최대파워를 추출하고, 연이어 경제운전 최대파워를 현재 구동모터 속도에서의 모터최대파워로 나누어서 경제운전 최대토크를 산출하며, 산출된 경제운전 최대토크에 구동모터의 시스템 효율을 곱하여 모터명령 토크값을 구하게 된다.

이어서, 연료전지 제어기에서 상기와 같이 얻어진 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크와 경제운전 최대토크를 비교하고(S104), 비교 결과 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 크면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 경제운전 최대토크로 제어하도록 모터제어기에 명령을 내리게 된다(S105).

반면, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크와 경제운전 최대토크를 비교한 결과, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 작으면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크로 제어하게 된다(S106).

이렇게 경제운전최대토크를 계산하여 운전자요구토크에 따른 주행용 구동모터 토크 제어를 경제운전 최대토크 또는 경제운전 최대토크보다 낮은 수준인 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크로 제어함으로써, 주행용 구동모터에 대한 고효율 운전을 유도하여 연비 향상을 도모할 수 있다.

한편, 상기와 같이 모터명령 토크값이 경제운전 최대토크 또는 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크 등으로 가변되는 점을 감안하여, 스택에 공기중 산소를 흡입하여 공급하는 공기블로워의 모터 속도를 가변 제어함으로써, 공기블로워의 모터에서 소비되는 배터리 파워 낭비를 최소화시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 모터명령 토크값에 따라 연료전지 요구전류 즉, 연료전지 스택에서 생성되어야 할 출력 전기에너지를 아래와 같이 계산한다(S107).

* 연료전지 요구전류 = 모터 파워맵(모터속도,모터명령토크값)/입력전압×모터 시스템 효율

이렇게 계산된 연료전지 요구전류에 따라, 공기블로워에서 흡입하는 필요공기량을 충족시키기 위하여 공기블로워의 모터 속도를 가변 제어하게 되고(S108), 결국 공기블로워의 모터 속도를 상기한 모터명령 토크값에 따라 가변 제어함으로써, 공기블로워의 모터에서 소비되는 배터리 파워 낭비를 최소화시킬 수 있다.

10 : 연료전지 스택
11 : 인버터
12 : 주행용 구동모터
13 : 직류변환기
14 : 고전압배터리
15 : 연료전지 제어기
16 : 모터제어기

Claims

운전자 요구토크 및 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크를 계산하는 단계와;
연료전지 제어기에서 주행용 구동모터의 경제운전 최대토크 및 모터명령 토크값을 계산하는 단계와;
상기 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크와 경제운전 최대토크를 비교하여, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 크면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 경제운전 최대토크로 제어하고, 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크가 경제운전 최대토크보다 작으면, 구동모터에 대한 모터명령 토크값을 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크로 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 운전자 요구토크는 운전자에 의한 가속 페달 밟음량(가속 페달 위치 센서에 의하여 감지되는 값)과 주행용 모터속도를 기반으로 미리 실험을 통하여 만들어져 연료전지 제어기에 저장된 구동토크맵으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 파워제한이 걸리는 시점의 운전자 요구토크는 연료전지 차량의 배터리 충전상태(SOC)가 기준치보다 낮은 수준이거나, 연료전지 스택의 온도가 기준치보다 높은 상태로 상승된 상태와 같이 파워제한이 걸리는 조건에서의 토크 인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 경제운전 최대토크 및 모터명령 토크값을 계산하는 단계는:
구동모터의 속도 및 토크를 기반으로 미리 실험을 통하여 구축되어 연료전지 제어기에 저장된 경제운전제한 파워맵으로부터 현재 구동모터 속도에서의 경제운전 최대파워를 추출하는 과정과, 경제운전 최대파워를 현재 구동모터 속도에서의 모터최대파워로 나누어서 경제운전 최대토크를 산출하는 과정과, 산출된 경제운전 최대토크에 구동모터의 시스템 효율을 곱하여 모터명령 토크값을 구하는 과정; 으로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 모터명령 토크값에 따라 연료전지 요구전류를 계산하여, 연료전지 요구전류에 따라 공기블로워의 모터 속도를 가변 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 경제운전 제어 방법.