KR101459900B1 - 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법 - Google Patents

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권상욱
전순일
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현대자동차주식회사
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Abstract

운전자 요구토크가 제1토크보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량보다 큰 경우 연료전지 스탑(STOP)모드에 돌입하고, 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작은 경우 연료전지 스타트(START)모드에 돌입하며, 제2토크는 제1토크보다 큰 값이고 제2충전량은 제1충전량보다 작은 값이며, 차량의 운전조건에 따라 제2충전량 및 제1충전량 중 적어도 하나 이상 또는 제1토크 및 제2토크 중 적어도 하나 이상을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING STOP AND START FOR FUELCELL CAR}
본 발명은 주행중 연료전지 스탑 및 스타트를 함에 있어서, 연료전지 내구성(스택 DryOut 방지, OCV 유지시간 축소)을 고려하여 연료전지 스탑 영역을 확대하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 차량의 경우 수소와 산소를 이용하여 발전함으로써 전력을 생산하고, 이를 통하여 모터를 구동하거나 배터리를 충전하며, 모터의 발전기능을 이용하여 회생제동 등을 구현하는 것도 가능하다.
이러한 연료전지의 경우에는 연비향상을 위해 차량 아이들 상태에서 연료전지 발전을 정지하는 아이들 스탑 기술이 소개되고 있다. 연료전지의 발전 정지/재개 판단 방법, 발전 정지/재개 상세 구현 방법 등에 관하여는 다양한 기술이 제안되어 있다.
본 발명에서는 기존의 기술과 차별화하여 주행중 연료전지 스탑 및 스타트 함에 있어서 연료전지 내구성(스택 DryOut 방지, OCV(open circuit voltage) 유지 시간 축소)을 고려하여 연료전지 스탑 영역을 확대하는 방법에 관한 것이다.
더불어 스탑 후 재가속시에는 연료전지에 필요한 전압이 형성되기까지 소정의 시간이 요구되는바, 그러한 재가속시의 가속성능을 향상시키기 위해 연료전지 리스타트 방법을 새로이 탑재할 필요가 있고, 빈번한 연료전지 스탑 및 스타트를 막기 위한 방법이 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0005768 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 주행중 연료전지 스탑 및 스타트 함에 있어서 연료전지 내구성(스택 DryOut 방지, OCV(open circuit voltage) 유지 시간 축소)을 고려하여 연료전지 스탑 영역을 확대하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법은, 운전자 요구토크가 제1토크보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량보다 큰 경우 연료전지 스탑(STOP)모드에 돌입하고, 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작은 경우 연료전지 스타트(START)모드에 돌입하며, 제2토크는 제1토크보다 큰 값이고 제2충전량은 제1충전량보다 작은 값이며, 차량의 운전조건에 따라 제2충전량 및 제1충전량 중 적어도 하나 이상 또는 제1토크 및 제2토크 중 적어도 하나 이상을 가변시킬 수 있다.
연료전지차량의 회생제동시에는 제1충전량 값을 감소시킴으로써 일반주행인 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있다.
연료전지차량이 내리막 주행인 경우에는 제1토크 값을 증가시킴으로써 내리막이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있다.
연료전지차량이 일정시간 이상 아이들(IDLE) 주행인 경우에는 제1토크 값을 증가시킴으로써 아이들이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있다.
연료전지차량의 차속이 증가할수록 제2토크 값이 감소되도록 함으로써 차속이 증가할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있다.
연료전지차량의 배터리 가용출력이 감소할수록 제2토크 값이 감소되도록 함으로써 배터리의 가용출력이 감소할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있다.
상기 연료전지 스타트(START)모드는, 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작거나 또는 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우 돌입할 수 있다.
상기 연료전지 스타트(START)모드에 돌입한 경우에는 일정 유지시간이 경과된 후, 연료전지 스탑(STOP)모드에의 돌입을 판단할 수 있다.
스탑모드 돌입후 스탑 완료전에는, 운전자 요구토크가 제3토크보다 커지거나 배터리 충전량이 제3충전량보다 작아지는 경우 스탑모드를 중도 해제하며, 제3토크는 제1토크와 제2토크의 사이에서 미리 정해진 값이고, 제3충전량은 제1충전량과 제2충전량의 사이에서 미리 정해진 값일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법에 따르면, 주행중 연료전지 스탑 및 스타트 함에 있어서 연료전지 내구성(스택 DryOut 방지, OCV(open circuit voltage) 유지 시간 축소)을 고려하여 연료전지 스탑 영역을 확대할 수 있다.
더불어, 스탑 후 재가속시에는 연료전지에 필요한 전압이 형성되기까지 소정의 시간이 요구되는바, 그러한 재가속시의 가속성능을 향상시킬 수 있고, 빈번한 연료전지 스탑 및 스타트를 막을 수 있어 내구가 보장된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법을 위한 시스템 구성도.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 제1토크, 제1충전량 및 제2토크, 제2충전량의 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 제2토크와 차속의 관계를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 순서도를 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법을 위한 시스템 구성도이고, 도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 제1토크, 제1충전량 및 제2토크, 제2충전량의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 제2토크와 차속의 관계를 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법을 위한 시스템 구성도로서, 본 발명을 위한 연료전지시스템은 크게 연료전지, 배터리, 모터로 구성될 수 있다. 도 1은 본 발명이 적용된 전체 시스템 파워넷으로서, 연료전지(100)와 고전압 배터리(200) 하이브리드 시스템이며, 고전압 배터리(200)단에 고전압 배터리(200)의 출력제어가 가능한 양방향 전력변환장치(220)가 있다. 모터(300)/인버터(320)를 제외한 고전압 전자부하(400)와 저전압 배터리(540), 저전압 전자 부하(500), 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 전력변환장치(520)가 있다. 연료전지(100) 단에는 역전류가 흐르지 않도록 다이오드(D)가 있으며 연료전지(100)를 메인 버스단에 연결하기 위한 릴레이(S)가 있다. 릴레이(S)는 차량 운행중 뿐만 아니라 본 발명의 스타트/스탑 중에도 상시 연결되어 있으며 키오프 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
한편, 이러한 시스템을 이용한 도 2의 본 발명의 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법은, 운전자 요구토크가 제1토크(S2)보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량(S1)보다 큰 경우 연료전지 스탑(STOP)모드에 돌입하고, 운전자 요구토크가 제2토크(R1)보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량(R2)보다 작은 경우 연료전지 스타트(START)모드에 돌입하며, 제2토크(R1)는 제1토크(S2)보다 큰 값이고 제2충전량(R2)은 제1충전량(S1)보다 작은 값일 수 있다.
또한, 차량의 운전조건에 따라 상기 제2충전량(R2) 및 제1충전량(S1) 중 적어도 하나 이상 또는 상기 제1토크(S2) 및 제2토크(R1) 중 적어도 하나 이상을 가변시킬 수 있다.
즉, 연료전지는 필요 없는 경우 가동을 중지하는 스탑모드를 수행함으로써 연비를 향상시키고 내구성을 증대시킬 수 있다. 그리고 필요시에는 다시 스타트모드에 돌입함으로써 리스타트를 수행하도록 하는 것이다.
구체적으로, 연료전지의 스탑/스타트를 수행하기 위해서는 운전자의 요구토크와 고전압 배터리의 충전량을 통해 스탑모드 혹은 스타트모드가 필요한지 여부를 판단한다. 운전자의 요구토크는 가속의지를 반영하는바, 이는 엑셀페달의 개도 등을 통하여 판단할 수 있다.
요구토크가 매우 낮고 동시에 배터리의 충전량도 충분하다면, 연료전지를 가동해야 할 이유가 없기 때문에 스탑모드에 돌입한다. 그리고 그러한 스탑 중 운전자의 요구토크가 높아지면 가속의지가 있는 것으로 보아 스타트모드를 수행한다.
또한, 배터리의 충전량이 낮아지는 경우에도 요구토크가 적더라도 연료전지를 가동하여 배터리를 충전할 필요가 있기에 스타트모드에 돌입한다.
다만, 이러한 스타트/스탑 모드의 빈번한 전환시에는 오히려 연료전지의 내구성이 약화되고 요구되는 출력에 빠르게 대응할 수 없기에 일정 구간의 히스테리시스구간(HYS)을 두어 연료전지의 내구성과 요구성능을 맞출 수 있도록 하는 것이다.
구체적으로, 도 2를 살펴보면, 운전자 요구토크가 제1토크(S2)보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량(S1)보다 큰 경우에는 스탑모드에 돌입하도록 한다.
그리고 운전자 요구토크가 제2토크(R1)보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량(R2)보다 작은 경우에는 연료전지 스타트(START)모드에 돌입한다.
동시에, 제2토크(R1)는 제1토크(S2)보다 큰 값이고 제2충전량(R2)은 제1충전량(S1)보다 작은 값으로 데이터 맵핑을 통해 설정함으로써, 스탑에 진입한 경우에도 바로 다시 스타트에 진입하는 것이 아니라 일정 구간을 지난 후 스타트에 돌입하도록 함으로써 내구성을 지킬 수 있는 것이다.
한편, 연료전지차량의 회생제동시에는 제1충전량(S1) 값을 감소시킴으로써 일반주행인 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있다. 이 경우는 도 3에 도시된 경우로써, 연료전지 스탑 진입 기준에 대한 상세 도면이다. 회생제동 구간에서는 고전압 배터리로 충전을 수행하고 있는 상황이므로, 스탑 진입 기준 SOC인 제1충전량(S1)을 좀 더 낮게 설정(S1')함으로써 회생제동이 아닌 일반 주행인 경우보다 쉽게 스탑모드에 진입할 수 있도록 하는 것이다.
그리고, 연료전지차량이 내리막 주행인 경우에는 제1토크(S2) 값을 증가시킴으로써 내리막이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있으며, 또는 연료전지차량이 일정시간 이상 아이들(IDLE) 주행인 경우에는 제1토크(S2) 값을 증가시킴으로써 아이들이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있다.
도 4는 이러한 경우를 나타낸 도면으로써, 장기간 아이들 운전시에는 아이들 공기 유량 공급으로 스택이 건조화(DryOut)되는 것을 막기 위해 요구토크 기준인 제1토크(S2) 값을 높게 설정(S2')하여 연료전지 스탑에 잘 진입하도록 한다. 내리막 강판시에도 가속보다는 관성 주행상황 또는 브레이킹 상황이 지속될 가능성이 높기 때문에 연료전지 스탑이 용이하도록 스탑 진입 기준인 제1토크(S2) 값을 상향한다.
이는 연비와 스택 내구 측면에서 연료전지 스탑 영역 확대를 위한 목적이다. 또한 스탑 진입 판단에 있어 진입 기준과 진입 해제인 스타크 기준을 별도로 두어 빈번한 모드 천이를 막고자 하는 것이다.
한편, 연료전지차량의 차속이 증가할수록 제2토크(R1) 값이 감소되도록 함으로써 차속이 증가할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있다. 그리고, 연료전지차량의 배터리 가용출력이 감소할수록 제2토크(R1) 값이 감소되도록 함으로써 배터리의 가용출력이 감소할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있다.
도 5는 이러한 관계를 나타낸 그래프로서, 연료전지 스타트 기준 중 제2토크(R1) 값에 대한 상세 설명이다. 차속과 보조동력원인 고전압 배터리의 가용출력에 따른 맵핑을 통해 스타트 기준인 제2토크(R1)를 가변하게 된다. 차속이 높을 경우에는 배터리 온도 등의 이유로 배터리의 가용 출력이 떨어질 경우에 작은 운전자 요구토크에도 스타트를 할 수 있도록 하여 가속 출력 저하를 미연에 방지하고자 하는 장치이다.
즉, 가로축은 차속이고 세로축은 스타트에 돌입하는 기준인 제2토크(R1)인데, 차속이 높아질수록 제2토크(R1)는 낮아지도록 관계를 가짐으로써 고속 영역에서 재가속시 빠르게 연료전지를 가동하여 운전자의 가속의지에 부합하도록 하는 것이다.
한편, 이러한 도시된 그래프는 고전압 배터리의 가용출력이 감소할수록 하향되도록 시프팅(A에서 B로)되는데, 이는 배터리 가용출력이 감소할수록 제2토크(R1) 값이 감소되도록 함으로써 배터리의 가용출력이 감소할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 연료전지 스타트(START)모드는, 운전자 요구토크가 제2토크(R1)보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량(R2)보다 작거나 또는 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우에도 돌입할 수 있다.
즉, 운전자 요구토크가 제2토크(R1)보다 큰 경우 스타트에 돌입한다. 그리고 배터리 충전량이 제2충전량(R2)보다 작은 경우에도 스타트에 돌입한다.
또한, 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우에도 스타트에 돌입하는 것이다.
차속이 고속의 상황인 경우 운전자의 재가속 의지가 발현되는 경우에는 빠르게 그 의지에 부합하도록 연료전지의 전압을 끌어올려야 하는바, 만약 차속이 고속인 경우에 있어 연료전지의 전압이 낮은 경우라면 그 전압을 일정수준으로 미리 끌어올려 재가속에 대비할 수 있도록 스타트 진입 조전으로 설정해두는 것이다.
또한, 상기 연료전지 스타트(START)모드에 돌입한 경우에는 일정 유지시간이 경과된 후, 연료전지 스탑(STOP)모드에의 돌입을 판단할 수 있다. 이를 통하여 빈번하게 스탑과 스타트를 반복하는 상황을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법의 순서도로서, 먼저 정상발전 중 요구토크가 제1토크보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량보다 큰 경우 스탑 프로세스에 돌입한다. 그리고, 스탑 후 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작거나 또는 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우 리스타트에 돌입하는 것이다. 스타트(START)모드에 돌입한 경우에는 일정 유지시간이 경과된 후, 연료전지 스탑(STOP)모드에의 돌입을 판단하도록 하는 것이다.
한편, 스탑모드 돌입후 스탑 완료전에는, 운전자 요구토크가 제3토크보다 커지거나 배터리 충전량이 제3충전량보다 작아지는 경우 스탑모드를 중도 해제하며, 제3토크는 제1토크와 제2토크의 사이에서 미리 정해진 값이고, 제3충전량은 제1충전량과 제2충전량의 사이에서 미리 정해진 값이 되도록 할 수도 있다. 즉, 이와 같은 실시예에 따르면, 연료전지는 정상발전 중 요구토크가 제1토크보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량보다 큰 경우 스탑 프로세스에 돌입하는데, 스탑 프로세스의 진행 중 운전자 요구토크가 제3토크보다 커지거나 배터리 충전량이 제3충전량보다 작아지는 경우 스탑모드를 중도 해제하는 것이며, 만약 스탑 완료 후 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작거나 또는 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우 리스타트에 돌입하도록 함으로써, 3 단계로 스탑/스탑해제/리스타트를 제어할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법에 따르면, 주행중 연료전지 스탑 및 스타트 함에 있어서 연료전지 내구성(스택 DryOut 방지, OCV(open circuit voltage) 유지 시간 축소)을 고려하여 연료전지 스탑 영역을 확대할 수 있다.
더불어, 스탑 후 재가속시에는 연료전지에 필요한 전압이 형성되기까지 소정의 시간이 요구되는바, 그러한 재가속시의 가속성능을 향상시킬 수 있고, 빈번한 연료전지 스탑 및 스타트를 막을 수 있어 내구가 보장된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 연료전지 200 : 배터리
300 : 모터

Claims (9)

  1. 운전자 요구토크가 제1토크보다 작고 배터리 충전량(SOC)이 제1충전량보다 큰 경우 연료전지 스탑(STOP)모드에 돌입하고, 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작은 경우 연료전지 스타트(START)모드에 돌입하며, 제2토크는 제1토크보다 큰 값이고 제2충전량은 제1충전량보다 작은 값이며, 차량의 운전조건에 따라 제2충전량 및 제1충전량 중 적어도 하나 이상 또는 제1토크 및 제2토크 중 적어도 하나 이상을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지차량의 회생제동시에는 제1충전량 값을 감소시킴으로써 일반주행인 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지차량이 내리막 주행인 경우에는 제1토크 값을 증가시킴으로써 내리막이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료전지차량이 일정시간 이상 아이들(IDLE) 주행인 경우에는 제1토크 값을 증가시킴으로써 아이들이 아닌 경우보다 좀 더 빨리 연료전지 스탑모드에 돌입할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연료전지차량의 차속이 증가할수록 제2토크 값이 감소되도록 함으로써 차속이 증가할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지차량의 배터리 가용출력이 감소할수록 제2토크 값이 감소되도록 함으로써 배터리의 가용출력이 감소할수록 좀 더 빨리 연료전지 스타트모드에 돌입할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스타트(START)모드는, 운전자 요구토크가 제2토크보다 크거나 또는 배터리 충전량이 제2충전량보다 작거나 또는 차속이 일정속도 이상이고 연료전지 양단간 전압이 일정전압 이하인 경우 돌입하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스타트(START)모드에 돌입한 경우에는 일정 유지시간이 경과된 후, 연료전지 스탑(STOP)모드에의 돌입을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    스탑모드 돌입후 스탑 완료전에는, 운전자 요구토크가 제3토크보다 커지거나 배터리 충전량이 제3충전량보다 작아지는 경우 스탑모드를 중도 해제하며, 제3토크는 제1토크와 제2토크의 사이에서 미리 정해진 값이고, 제3충전량은 제1충전량과 제2충전량의 사이에서 미리 정해진 값인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 스타트 스탑 제어방법.
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