KR101575475B1 - 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계; 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계; 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함하는 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING AIR INTAKE OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 출력상승시 안정적인 출력공급을 위해 선제적으로 공기유량을 확보할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지자동차의 상용화를 위해서는 내연기관자동차의 엔진에 해당하는 연료전지의 안정적인 출력성능 및 내구성 확보가 가장 중요하다. 연료전지의 안정적인 출력상승을 위해서는 목표출력에 해당하는 공기유량을 안정적으로 공급해야 한다.
블로워를 이용한 공기공급은 태생적으로 공급속도가 느리기 때문에 유량확보 없이 출력상승시 느린 공기공급속도로 인해 연료전지 내구저하 및 출력성능 감소가 발생한다. 따라서 선제적인 유량확보가 필수적이다. 또한 선제적인 공기공급 시 과다한 공급으로 인해 연료전지 Dry-out으로 내구성 저하가 발생할 수 있기 때문에 과급은 방지해야 한다.
따라서 선제적 공기유량확보를 통해 연료전지출력의 안정적인 상승을 달성하고, 차량 가속성능을 확보한다. 또한, 공기공급 최적화를 통한 연료전지 공기부족 및 과급방지를 통해 내구성 향상을 도모한다.
배터리를 추가로 장착한 연료전지 하이브리드 차량에서는, 종래 로직의 경우 모터요구전류값에서 현재시점의 배터리가 어시스트 전류량을 빼서 연료전지전류값 예측하여 공기를 공급하였다. 모터요구전류값은 모터토크커맨드값을 바탕으로 모터출력맵을 통해 계산된다.
따라서 모터의 제품편차 등으로 인해 모터요구맵이 부정확할 경우, 공기과급 또는 부족이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 유도모터에서 더욱 심각해질 수 있다. 유도모터의 경우 로터의 온도에 따라 출력이 변하기 때문에 정확한 모터맵을 얻기 힘들다.
기타 스택요구파워량을 기반으로 하는 기술의 경우 블로워의 느린 공기공급속도를 고려하지 않기 때문에 차량 가속성능을 만족하지 못할 수 있다.
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 10-2007-0106334 A
본 발명은 연료전지 출력상승시 안정적인 출력공급을 위해 선제적으로 공기유량을 확보할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법은, 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계; 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계; 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함한다.
추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 따라 증감될 수 있다.
추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속을 입력으로 하고 게인값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출할 수 있다.
추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 비례할 수 있다.
추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출할 수 있다.
모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이일 수 있다.
모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이를 모터전류요구값으로 나누어 정규화할 수 있다.
추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출하고, 게인값은 차량의 차속에 따라 증감할 수 있다.
추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 비례할 수 있다.
모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이를 모터전류요구값으로 나누어 정규화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 연료전지 차량의 급기제어방법은, 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계; 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하고 차속에 따른 반영값을 더하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계; 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함한다.
추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속을 입력으로 하고 반영값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출할 수 있다.
추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속에 비례할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 급기제어방법은 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값과 모터전류요구값을 산출하고, 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출한 후, 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하여 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이를 위한 연료전지 차량의 급기제어시스템은, 차량 액셀페달; 차량 구동용 모터; 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워; 및 액셀페달의 답입정도에 따라 연료전지의 기본급기값과 모터전류요구값을 산출하고, 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출한 후, 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하여 최종급기값으로 공기블로워를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 출력상승시 안정적인 출력공급을 위해 선제적으로 공기유량을 확보할 수 있게 된다.
즉, 공기공급 최적화를 통하여 연료전지 공기부족 및 과급을 방지하고 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 연료전지의 선제적 공기유량확보를 통하여 연료전지출력 상승속도가 향상되고, 따라서 차량 가속성능의 유지가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어시스템의 구성도.
도 3 내지 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법에 따른 효과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어시스템의 구성도이며, 도 3 내지 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법에 따른 효과를 나타낸 그래프이다.
도 1과 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 급기제어방법은, 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계(S100,S120); 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계(S140); 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계(S200,S300); 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계(S400); 및 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계(S500);를 포함한다.
구체적으로, 연료전지의 경우 연료전지 출력에 해당하는 전류에 관한 연료전지전류요구값으로 공기블로워를 제어하도록 할 수 있다. 따라서, 이하에서 설명하는 공기블로워의 급기값은 연료전지전류요구량과 동일한 개념으로 사용될 수 있다.
먼저, 차량에서는 운전자의 가속요구를 수신한다. 대표적인 가속요구는 바로 액샐페달의 개도를 살피는 것이다.
따라서, 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계(S100,S120)를 수행한다. 종래의 경우 이 기본급기값은 운전자요구에 따라 산출되는 모터전류요구값에서 고전압배터리(500)에서 가용한 값을 제외하고 나머지를 연료전지전류요구값으로 하여 그에 따라 공기블로워를 제어하였다. 그러나 이러한 개념만으로는 선제적인 공기공급이 어려워 시간차에 따른 가속감 저하의 문제가 발생되었던 것이다. 연료전지의 기본급기값은 바로 이러한 과정을 거쳐 기본적으로 연료전지에서 발생시켜야 하는 출력을 바탕으로 정해진다.
또한, 추가적으로 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계(S140)를 수행한다. 그리고 그 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계를 수행한다. 즉, 기본급기값은 고전압배터리를 제외한 연료전지에서 필요한 출력에 기반한 값이고, 모터전류요구값은 차량 전체에서 필요한 출력에 기반한 값인 차이가 있다.
그리고, 그 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계(S300)를 수행하고, 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계(S400)를 수행한다.
마지막으로, 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계(S500)를 수행하도록 함으로써, 기존에는 연료전지에서 필요한 출력만큼을 살피어 공기블로워를 제어하였기에 블로워의 목표 rpm까지 시간이 소요되고 연료전지에서의 반응이 지연되었으나, 본 발명의 경우 연료전지에서 필요한 출력만큼을 기본적으로 살피되, 모터에서 필요한 출력만큼을 고려하여 보상함으로써 실질적으로 빠른 연료전지의 응답성을 볼 수 있도록 한 것이다.
도 3은 액셀페달을 천친히 밟는 경우를 나타내고, 도 5는 빠르게 밟는 경우를 나타낸다. 그리고, 도 4는 도 3의 페달링에 대한 결과이며 도 6은 도 5의 페달링에 대한 결과를 나타낸다.
도 3 및 5와 같이 액셀페달을 천천히 밟는 경우와 급격히 밟는 경우, 도 4 및 6과 같이 모터요구전류(McuCurReq)의 시간변화율은 엑셀페달의 밟는 정도에 비례한다. 이때 연료전지 출력상승 속도는 모터요구전류의 시간변화율에 비례하여 증가해야 하며, 이때 안정적인 유량 확보를 위해서는 연료전지전류명령값(기본급기값)에 더해지는 추가량(추가급기값)을 모터요구전류의 시간변화율에 비례하여 결정해야 한다.
이를 위해 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출한다. 그리고, 추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 따라 증감될 수 있다. 또한, 추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속을 입력으로 하고 게인값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출할 수 있다. 그리고 추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 비례할 수 있다.
중/고속 이상의 주행 중 가속시 또는 빠른 가속시(도 5)에는 저속일 때 또는 느린 가속시(도 3)와 동일한 가속성능을 확보하기 위해서 모터파워의 상승속도가 더 빨라야 한다(dt2<dt1). 이를 위해서 연료전지 출력의 급상승이 요구되며, 연료전지 공기요구량의 급상승을 통한 다량의 유량 확보가 필요하다. 따라서 차량속도에 따라 전류명령값(기본급기값)에 더해지는 추가량(추가급기값)을 차량속도에 비례하여 증가시켜야 한다. 비례 게인값은 차속에 따른 데이터맵을 통해 구현한다.
그리고, 추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출할 수 있다. 또한, 모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이일 수 있다. 그리고, 모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이를 모터전류요구값으로 나누어 정규화할 수 있다. 최종적으로, 추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출하고, 게인값은 차량의 차속에 따라 증감할 수 있다.
연료전지 출력이 상승하면서 모터요구전류에 실제 모터출력이 근접할수록 연료전지 공기의 과급을 방지하여 드라이아웃을 차단하기 위하여, 전류명령값(기본급기값)에 더해지는 추가량(추가급기값)을 감소시켜야 한다. 이를 위하여 모터요구전류 오차값을 정규화(Normalize)시킨 값에 비례하여 전류추가량(추가급기값)을 감소시킨다.
따라서, 가속시에는 공기공급이 다소 과잉으로 시작되고, 모터가 요구하는 출력에 근접할수록 필요한 공기만을 공급하도록 하며, 최종적으로는 과잉되지 않도록 함으로써, 초기 가속시의 가속감을 향상시킴과 동시에 속도 도달시에는 연료전지의 드라이아웃을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 연료전지 차량의 급기제어방법은, 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계; 운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계; 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하고 차속에 따른 반영값을 더하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계; 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함한다.
이 경우에는 모터전류요구값의 시간변화율에 미리 정해진 게인값을 곱하고, 추가적으로 차속에 따른 반영값을 더하여 추가급기값을 산출하는 차이가 있다. 즉, 차속에 의한 반영을 변수로서의 게인값을 곱하여 반영하는 것이 아니라, 별도로 반영값으로 정의하여 더함으로써 반영하는 것도 가능하기 때문이다.
따라서, 여기서의 추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속을 입력으로 하고 반영값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출할 수 있다. 그리고, 추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속에 비례할 수 있다.
즉, 본 발명의 연료전지 차량의 급기제어방법은 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값과 모터전류요구값을 산출하고, 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출한 후, 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하여 최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 도 2는 본 발명의 연료전지 차량의 급기제어시스템으로서, 제어방법의 구현을 위한 연료전지 차량의 급기제어시스템은, 차량 액셀페달(200); 차량 구동용 모터(300); 연료전지(100)에 공기를 공급하는 공기블로워(400); 및 액셀페달의 답입정도에 따라 연료전지의 기본급기값과 모터전류요구값을 산출하고, 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출한 후, 기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하여 최종급기값으로 공기블로워를 제어하는 제어부(600);를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 차량의 급기제어방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 출력상승시 안정적인 출력공급을 위해 선제적으로 공기유량을 확보할 수 있게 된다.
즉, 공기공급 최적화를 통하여 연료전지 공기부족 및 과급을 방지하고 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 연료전지의 선제적 공기유량확보를 통하여 연료전지출력 상승속도가 향상되고, 따라서 차량 가속성능의 유지가 가능해진다.
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.
S120 : 기본산출단계 S140 : 모터산출단계
S300 : 추가산출단계 S400 : 최종산출단계
S500 : 제어단계

Claims (15)

  1. 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계;
    운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계;
    모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계;
    모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계;
    기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및
    최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함하고,
    추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 따라 증감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속을 입력으로 하고 게인값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이를 모터전류요구값으로 나누어 정규화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    추가산출단계에서는 모터전류요구값의 시간변화율에 게인값과 모터전류의 오차값을 곱하여 추가급기값을 산출하고, 게인값은 차량의 차속에 따라 증감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    추가산출단계에서의 게인값은 차량의 차속에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    모터전류의 오차값은 모터전류요구값과 현재 모터전류값의 차이를 모터전류요구값으로 나누어 정규화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  11. 운전자 요구에 따라 연료전지의 기본급기값을 산출하는 기본산출단계;
    운전자 요구에 따른 모터전류요구값을 산출하는 모터산출단계;
    모터전류요구값의 시간변화율을 산출하는 변화율산출단계;
    모터전류요구값의 시간변화율에 게인값을 곱하고 차속에 따른 반영값을 더하여 추가급기값을 산출하는 추가산출단계;
    기본급기값과 추가급기값을 더하여 최종급기값을 산출하는 최종산출단계; 및
    최종급기값으로 연료전지 급기시스템의 공기블로워를 제어하는 제어단계;를 포함하고,
    추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속을 입력으로 하고 반영값을 출력으로 하는 데이터맵을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    추가산출단계에서의 반영값은 차량의 차속에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 급기제어방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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