KR101448757B1 - 연료전지자동차의 비상시동장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 모터를 구동원으로 갖는 연료전지 자동차의 비상시동장치에 있어서, 모터에 전원을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워, 상기 공기블로워에 전원을 공급하는 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리의 출력을 상승하여 상기 공기블로워에 전달하는 직류변환기, 그리고 상기 고전압 배터리의 출력을 상기 공기블로워에 전달하거나 차단하는 제1 스위치를 포함하며, 상기 고전압 배터리에 의한 구동 중 상기 직류변환기에 고장이 발생하면, 상기 고전압 배터리의 전압을 직접 상기 공기블로워에 전달하여 상기 연료 전지를 구동하는 연료전지 자동차의 비상시동장치를 제공한다. 따라서, 시동 또는 연료전지 정지 중 dc/dc컨버터가 고장 발생 시의 비상로직으로 고전압배터리의 전압을 이용하여 시동성 및 연료전지 정지 중 재시동성을 개선할 수 있다.

Description

연료전지자동차의 비상시동장치{The emergency start device of the fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 자동차에 대한 것으로, 보다 상세하게는 고전압 배터리를 포함하는 연료전지차량에서 dc/dc컨버터의 고장 시 비상 시동할 수 있는 장치에 대한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 연료전지 시스템이 탑재된 차량에서 연료전지만을 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하모두를 연료전지가 담당하게 되므로, 특히 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서는 성능 저하가 크게 발생하는 문제점이 있게 된다.
또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량의 성능이 저하되는 상황이 존재할 수 있다(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서 연료전지에 무리가감).
또한 연료전지는 단방향 출력 특성을 가지므로 별도의 축전수단이 없는 경우 차량의 제동시 구동모터에서 유입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키게 된다.
따라서, 상기의 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량은 물론 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 구동모터 등 부하 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 보조동력원으로 축전수단, 예컨대 충/방전이 가능한 고전압 배터리 또는 수퍼캐패시터(수퍼캡)를 탑재한 시스템이다.
이중 연료전지-배터리 하이브리드 차량에는 주동력원으로 사용되는 연료전지와 보조동력원으로 사용되는 고전압배터리가 병렬로 연결되고, 이러한 고전압 배터리(메인 배터리)와 더불어 차량의 저전압 구동 부품을 구동시키기 위한 저전압 배터리(예, 12V 보조배터리)가 탑재되므로, 두 종류의 배터리, 즉 고전압 배터리와 저전압 배터리가 함께 탑재된다.
한편, 연료전지의 시동 시에 반응가스인 수소와 더불어 공기를 연료전지에 공급해야 하는데, 연료전지가 정상 운전 상태에 도달하기 전까지는, 연료전지의 출력으로 공기블로워 등과 같은 고전압 구동 부품을 구동시킬 수 없으므로, 수소공급밸브(시동/정지용)를 열어 수소탱크로부터 연료인 수소를 연료전지에 공급하는 상태에서, 고전압 배터리의 전력으로 공기공급장치, 예컨대 공기블로워를 구동시켜 산화제로 사용되는 산소를 포함한 공기를 연료전지에 공급해주어야 한다.
실시예는 연료 전지와 배터리 사이에 dc/dc컨버터를 사용하는 연료전지차량의시동 또는 주행 중 연료전지가 정지한 상태에서 dc/dc컨버터가 고장난 경우에도 차량의 정지 없이 주행을 계속할 수 있는 비상제어로직을 제공한다.
실시예는 모터를 구동원으로 갖는 연료전지 자동차의 비상시동장치에 있어서, 모터에 전원을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워, 상기 공기블로워에 전원을 공급하는 고전압 배터리, 상기 고전압 배터리의 출력을 상승하여 상기 공기블로워에 전달하는 직류변환기, 그리고 상기 고전압 배터리의 출력을 상기 공기블로워에 전달하거나 차단하는 제1 스위치를 포함하며, 상기 고전압 배터리에 의한 구동 중 상기 직류변환기에 고장이 발생하면, 상기 고전압 배터리의 전압을 직접 상기 공기블로워에 전달하여 상기 연료 전지를 구동하는 연료전지 자동차의 비상시동장치를 제공한다.
상기 직류변환기는 제1 노드와 접지 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터, 그리고 상기 제1 노드와 접지 사이에 형성되는 충전 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치는 턴온되어 상기 고전압 배터리의 출력을 상기 제1 및 제2 트랜지스터 사이의 제2 노드에 전달할 수 있다.
상기 연료전지 자동차의 비상시동장치는 상기 제1 스위치 및 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 온오프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 고전압 배터리로 구동하는 EV 모드에서 상기 직류 변환기의 고장을 주기적으로 감지할 수 있다.
상기 제어부는 상기 EV 모드에서 상기 직류변환기 고장 시 상기 제1 스위치와 상기 제1 트랜지스터를 턴온하여 비상시동모드로 전환할 수 있다.
상기 공기블로워는 상기 비상시동모드에서 상기 고전압 배터리 전압만으로 턴온될 수 있다.
상기 직류변환기는 상기 제1 및 제2 트랜지스터가 교대로 턴온하여 상기 충전 커패시터에 전하를 충전할 수 있다.
상기 직류변환기는 상기 고전압 배터리의 출력을 필터링하는 필터부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지는 역류를 방지하는 다이오드를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 시동 또는 연료전지 정지 중 dc/dc컨버터가 고장 발생 시의 비상로직으로 고전압배터리의 전압을 이용하여 시동성 및 연료전지 정지 중 재시동성을 개선할 수 있다.
기존 파워넷을 가진 시스템에서 dc/dc컨버터가 고장 발생 시 시동이 불가하였으며 주행 시 연료 전지 정지 중 연료전지의 전압이 0V인 상태에서는 재시동이 불가하였으나 실시예에 따르면 연료전지/모드로 진입하여 운전자가 주행을 가능하게 하여 연료전지차량의 고장안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 비상시동장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 비상시동장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 3은 정상시동일 때의 각 구성요소의 전압을 도시한 것이다.
도 4는 dc/dc컨버터의 고장 시 비상 시동 상태에서의 각 구성요소의 전압을 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 비상시동장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(10) 자동차의 비상시동장치는, 연료전지(10), 고전압 배터리(20), 고전압 배터리(20)의 출력을 변환하는 dc/dc컨버터(30), 상기 고전압 배터리(20)의 출력을 단속하는 제1 스위치(S1), 연료전지(10)에 공기를 공급하는 공기블로워(40), 상기 연료 전지(10)의 출력을 받아 모터(55)를 가동하는 모터제어부(50), 상기 모터제어부(50)의 제어에 의해 구동하는 모터(55) 및 제어부(60)를 포함한다.
상세하게, 상기 연료전지(10)는 제1 다이오드(D1)에 의해 제1 노드(n1)와 연결되어 상기 모터제어부(50)에 전압을 공급한다.
상기 공기블로워(40)는 연료전지(10)의 시동 시에 반응가스인 수소와 더불어 공기를 연료전지(10)에 공급한다.
상기 공기블로워(40)는 제1 노드(n1)와 연결되어 전압을 받아 구동된다.
상기 고전압 배터리(20)는 연료전지(10)가 정상 운전 상태에 도달하기 전까지는, 연료전지(10)의 출력으로 공기블로워(40) 등과 같은 고전압 구동 부품을 구동시킬 수 없다. 따라서 수소공급밸브(시동/정지용)를 열어 수소탱크로부터 연료인 수소를 연료전지(10)에 공급하는 상태에서, 고전압 배터리(20)의 전력으로 공기블로워(40)를 구동시켜 산화제로 사용되는 산소를 포함한 공기를 연료전지(10)에 공급해준다.
이러한 고전압 배터리(20)는 제1 스위치(S1)에 의해 dc/dc컨버터(30)와 연결되어 있다.
dc/dc컨버터(30)는 BHDC(bidirection high voltage dc/dc converter)로서, 도 1과 같은 구성을 가진다.
즉, 고전압 배터리(20)와 제1 스위치(S1)에 의해 연결되는 제1 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)가 LC 필터를 형성하고, 제1 인덕터(L1)와 제2 노드(n2)에서 연결되는 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)는 제1 노드(n1)와 접지 사이에 직렬연결되어 있으며, 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2) 사이의 단자가 제2 노드(n2)가 된다.
제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)와 병렬로 제1 노드(n1)에 제2 커패시터(C2)가 형성되어 있으며, 소정 기간동안 제1 및 제2 트랜지스터(Q2)가 번갈아 턴온되어 상기 제2 커패시터(C2)에 전하가 충전되어 변환된 고전압이 생성되어 공기블로워(40)에 제공된다.
이러한 비상시동장치는 고전압 배터리(20)가 DC/DC컨버터(30)와 직접 연결되지 않고, 고전압 배터리(20)의 연결을 단속하는 제1 스위치(S1)에 의해 비상 모드에서 접속이 진행된다.
도 1의 제어부(60)는 DC/DC컨버터(30)의 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2) 및 제1 스위치(S1)를 온오프를 제어하여 저장되어 있는 비상시동모드로직에 따라 동작한다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 비상시동모드의 로직을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(10) 자동차의 비상시동장치의 동작을 나타내는 순서도이고, 도 3은 정상시동일 때의 각 구성요소의 전압을 도시한 것이며, 도 4는 dc/dc컨버터(30)의 고장 시 비상 시동 상태에서의 각 구성요소의 전압을 도시한 것이다.
먼저, 일반적인 시동 모드를 설명한다.
도 2와 같이 사용자가 차량의 키를 턴온하면, 차량의 시동 모드가 시작된다.
차량의 제어부(60)에서 시스템이 정상으로 운용되는지 체크 후(S100), 제어부(60)는 고전압 배터리(20)에 연결되는 제1 스위치(S1)를 턴온한다(S110).
제1 스위치(S1)가 턴온되면, 필터에 의해 노이즈 제거된 배터리 전압이 제2 노드(n2)에 전달된다.
제어부(60)는 DC/DC컨버터(30)가 정상운용되는지 체크한다(S120).
DC/DC컨버터(30)가 정상적으로 운용되면, 제어부(60)는 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)를 교대로 온오프하여 도 3과 같이 제2커패시터(C2)에 전하를 충전한다(S130).
따라서, 제2커패시터(C2)의 전압이 400V까지 충전되면, EV모드로서, 고전압 배터리(20)에 의해 공기블로워(40)가 턴온되어 동작을 시작한다.
공기블로워(40)가 동작을 시작하여 연료전지(10)에 공기를 공급하면 연료전지(10)가 스타트업을 진행한다(S150).
제어부(60)는 연료전지(10)의 동작을 감지하면(S160) 하이브리드 모드(HEV MODE)로 전환된다(S170).
즉, 시동 시, 연료전지(10)가 동작하기 전까지 고전압 배터리(20)에 의해 운용되고, 연료전지(10)가 스타트업하여 동작을 시작하면 고전압 배터리(20) 및 연료전지(10)가 모두 구동하는 하이브리드 모드로 운용된다.
한편, 하이브리드 모드에서 연료전지(10)의 동작을 정지하고 고전압 배터리(20)만으로 주행이 진행되면(S180), 제어부(60)는 주기적으로 DC/DC컨버터(30)의 동작을 체크한다(S190).
이때, DC/DC 컨버터(30)가 정상 동작하지 않는 경우, 제어부(60)는 비상시동모드로 전환한다.
즉, 고전압 배터리(20)의 제1 스위치(S1)를 턴온하고, 제1 트랜지스터(Q1)를 턴온하여 고전압 배터리(20)의 전압을 제1 노드(n1)로 전달한다.
이때, 상기 공기블로워(40)가 고전압 배터리(20)의 전압만으로 턴온되어 동작을 시작한다.
공기블로워(40)가 동작을 시작하여 연료전지(10)에 공기를 공급하면 연료전지(10)가 스타트업을 진행한다(S200).
제어부(60)는 연료전지(10)의 동작을 감지하면(S210) 제1 스위치(S1)를 턴오프하여 고전압 배터리(20)의 연결을 차단하고(S220), 연료전지(10)의 구동으로 모터에 전원을 공급하는 FC 모드로 전환한다(S230).
이와 같이 연료전지(10)가 턴오프되어 있는 EV 모드에서 DC/DC컨버터(30) 고장 시에 고전압 배터리(20)의 전압만으로 다시 연료전지(10)를 스타트업하여 FC 모드로 전환하여 DC/DC 컨버터(30)의 고장이 발생하더라도 시동의 꺼짐 없이 주행을 계속할 수 있다.
한편, 이때, DC/DC 컨버터(30)가 정상 동작하는 경우, 제어부(60)는 제1 및 제2 트랜지스터(Q1, Q2)를 교대로 온오프하여 제2커패시터(C2)에 전하를 충전한다(S240).
따라서, 제2커패시터(C2)의 전압이 400V까지 충전되면, EV모드로서, 고전압 배터리(20)에 의해 공기블로워(40)가 턴온되어 동작을 시작한다.
공기블로워(40)가 동작을 시작하여 연료전지(10)에 공기를 공급하면 연료전지(10)가 스타트업을 진행한다(S250).
제어부(60)는 연료전지(10)의 동작을 감지하면(S260) 하이브리드 모드로 전환된다(S270).
즉, 시동 시, 연료전지(10)가 동작하기 전까지 고전압 배터리(20)에 의해 운용되고, 연료전지(10)가 스타트업하여 동작을 시작하면 고전압 배터리(20) 및 연료전지(10)가 모두 구동하는 하이브리드 모드로 운용된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
연료전지 10 고전압배터리 20
DC/DC 컨버터 30 공기블로워 40
모터제어부 50 모터 55
제어부 60

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 모터를 구동원으로 갖는 연료전지 자동차의 비상시동장치에 있어서,
    모터에 전원을 공급하는 연료전지,
    상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워,
    상기 공기블로워에 전원을 공급하는 고전압 배터리,
    제1 노드와 접지 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터, 그리고 상기 제1 노드와 접지 사이에 형성되는 충전 커패시터를 포함하여 구성되어, 상기 고전압 배터리의 출력을 상승하여 상기 공기블로워에 전달하는 직류변환기,
    상기 고전압 배터리의 출력단자와, 상기 제1 및 제2 트랜지스터 사이의 제2 노드와의 사이에 연결되어, 상기 고전압 배터리의 출력을 상기 공기블로워에 전달하거나 차단하는 제1 스위치, 그리고
    상기 제1 스위치 및 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 온오프를 제어하여 상기 연료전지를 구동하되, 상기 고전압 배터리에 의한 구동 중 상기 직류변환기에 고장이 발생하면, 상기 제1 스위치를 턴온하고 제1 트랜지스터를 턴온하여 상기 고전압 배터리의 전압을 직접 상기 공기블로워에 전달하여 상기 연료 전지를 구동하는 제어부
    를 포함하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고전압 배터리로 구동하는 EV 모드에서 상기 직류 변환기의 고장을 주기적으로 감지하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 EV 모드에서 상기 직류변환기 고장 시 상기 제1 스위치와 상기 제1 트랜지스터를 턴온하여 비상시동모드로 전환하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공기블로워는 상기 비상시동모드에서 상기 고전압 배터리 전압만으로 턴온되는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 직류변환기는 상기 제1 및 제2 트랜지스터가 교대로 턴온하여 상기 충전 커패시터에 전하를 충전하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 직류변환기는
    상기 고전압 배터리의 출력을 필터링하는 필터부를 더 포함하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지는 역류를 방지하는 다이오드를 더 포함하는 연료전지 자동차의 비상시동장치.
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