KR101592377B1 - 연료 전지 차량의 시동 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 차량의 시동 장치 및 방법에 관한 것으로, 모터에 구동 전압을 공급하는 연료 전지 스택, 공기 블로워에 시동 전압을 공급하는 저전압 배터리, 및 구동 전압 및 시동 전압 중 적어도 어느 하나를 승압하여 모터 및 공기 블로워에 선택적으로 전달하는 고전압 직류 변환부를 포함한다.

Description

연료 전지 차량의 시동 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR STARTUP OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료 전지 차량의 시동 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지는 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성되는 단위 셀들이 연속적으로 배치되어 구성된다. 단위 셀의 애노드 전극에 수소를 공급하고, 캐소드 전극에 산소를 공급함으로써 이온화된 물질의 화학적 반응을 통해 전기를 생성한다. 이러한 연료 전지는 화석 연료의 연소 반응을 거치지 않으므로 유해 물질을 배출시키지 않고, 발전 효율이 높아 차량의 동력원으로 적용되고 있다.
연료 전지가 적용되는 차량의 전원부는 1차 전원으로 연료 전지 스택을 사용하고, 2차 전원으로 충방전이 가능한 수퍼 캐패시터나 고전압 배터리를 사용한다. 이러한 구성을 갖는 차량은 시동 시 반응 가스인 수소와 함께 공기를 연료 전지에 공급해야 한다.
그런데, 연료 전지가 정상 운전 상태에 도달하기 전까지는 연료 전지의 출력으로 공기 블로워 등과 같은 고 전압 구동 부품을 구동시킬 수 없으므로, 연료 전지에 수소를 공급하는 상태에서 2차 전원의 전력을 이용하여 공기 블로워를 구동시켜 산소를 포함한 공기를 연료 전지에 공급한다. 그리고, 차량의 주행 중에 감속에 의해 모터나 인버터 등의 파워 모듈에서 리젠(regeneration) 에너지가 생성되면. 리젠 에너지를 이용하여 2차 전원을 충전시킨다.
그런데, 연료 전지 및 고전압 배터리의 비용이 매우 높기 때문에, 이들을 모두 이용하는 연료 전지 차량의 비용은 상승할 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 실시 예는 고전압 배터리를 이용할 필요 없이 차량 내부를 구동하기 위한 저전압 배터리만으로 차량의 시동을 시작할 수 있는 시동 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 연료 전지 스택에 수소가 공급되는 상태에서 공기 블로워를 통해 산소를 공급 받아 모터를 구동하는 연료 전지 차량의 시동 장치는 상기 모터에 구동 전압을 공급하는 상기 연료 전지 스택; 상기 공기 블로워에 시동 전압을 공급하는 저전압 배터리; 및 상기 구동 전압 및 상기 시동 전압 중 적어도 어느 하나를 승압하여 상기 모터 및 상기 공기 블로워에 선택적으로 전달하는 고전압 직류 변환부를 포함한다.
여기서, 상기 구동 전압을 상기 고전압 직류 변환부에 전달하는 제1 스위치; 및 상기 시동 전압을 상기 고전압 직류 변환부에 전달하는 제2 스위치를 더 포함한다. 그리고, 상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 상기 제1 스위치를 턴 온시키는 제1 제어 신호를 생성하고, 상기 구동 전압이 상기 미리 설정된 전압 값 미만인 경우 상기 제2 스위치를 턴 온시키는 제2 제어 신호를 생성하는 제어부를 더 포함한다.
그리고, 상기 제어부는 상기 시동 전압에 대한 상기 고전압 직류 변환부의 승압 비율을 제어한다. 또한, 상기 저전압 배터리는 적어도 50V이하의 전압 레벨을 갖는다.
또한, 상기 고전압 직류 변환부로부터 상기 승압된 구동 전압을 전달받아 교류 전압으로 변환하여 상기 모터에 전달하는 인버터를 더 포함한다. 그리고, 상기 모터의 회생 제동에 의해 생성된 리젠 전압을 상기 인버터를 통해 전달받아 전장 부하를 구동하기 위한 전압 레벨로 변환시키는 저전압 컨버터를 더 포함한다. 여기서, 상기 저전압 배터리는 상기 리젠 전압에 의해 충전된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수소가 공급되는 상태에서 공기 블로워를 통해 산소를 공급 받아 모터를 구동하는 구동 전압을 제공하는 연료 전지 스택, 상기 공기 블로워에 시동 전압을 제공하는 저전압 배터리, 및 상기 구동 전압 및 상기 시동 전압 중 적어도 어느 하나를 승압하는 고전압 직류 변환부를 포함하는 연료 전지 차량의 시동 방법은 시동 모드로 진입시 상기 고전압 직류 변환부에 상기 시동 전압을 전달하여 상기 시동 전압을 승압하는 단계; 상기 승압된 시동 전압으로 상기 공기 블로워를 구동하는 단계; 상기 연료 전지 스택이 시동되어 상기 구동 전압을 생성하는 단계; 상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 상기 고전압 직류 변환부에 상기 시동 전압의 공급을 차단시키는 단계; 및 상기 구동 전압을 상기 모터에 공급하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 시동 전압을 전달하는 단계는 상기 연료 전지 스택과 상기 고전압 직류 변환부 사이의 연결을 차단시키는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 미만인 경우 상기 승압된 시동 전압의 전압 레벨이 미리 설정된 레벨보다 높은지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 승압된 시동 전압의 레벨이 상기 미리 설정된 레벨보다 높은 경우 상기 고전압 직류 변환부에 상기 시동 전압을 공급하는 공급 시간을 일정 시간 증가시키는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 승압된 시동 전압의 레벨이 상기 미리 설정된 레벨보다 낮은 경우 상기 고전압 직류 변환부의 승압 비율을 일정 크기 증가시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 고전압 배터리를 이용할 필요 없이 차량 내부를 구동하기 위한 저전압 배터리만으로 차량의 시동을 시작할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지 차량의 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 시동 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 시동 방법을 도시한 순서도.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 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.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 시동 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 시동 장치(1)는 연료 전지 스택(10), 저전압 배터리(20), 제1 및 제2 다이오드(D1, D2), 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2), 고전압 직류 변환부(30), 공기 블로워(40), 보기류 부품(50), 인버터(60), 모터(70), 저전압 직류 변환부(80), 전장 부하(90) 및 제어부(100)를 포함한다.
연료 전지 스택(10)은 연료 전지 차량의 동력원으로 모터(70)를 구동하는 구동 전압을 공급한다. 저전압 배터리(20)는 연료 전지 차량의 시동을 위한 시동 전압을 공급한다. 저전압 배터리(20)는 약 50V 이하의 전압을 공급할 수 있다. 또한, 저전압 배터리(20)는 저전압 직류 변환부(80)로부터 리젠 전압을 전달받아 충전될 수 있다. 저전압 배터리(20)는 충전된 리젠 전압을 전장 부하(90)에 공급할 수 있다.
제1 및 제2 다이오드(D1, D2)는 연료 전지 스택(10) 및 저전압 배터리(20)로 역전류가 흐르는 것을 방지한다. 제1 스위치(SW1)는 제1 제어 신호(SW1)에 따라 턴 온되어 연료 전지 스택(10)과 고전압 직류 변환부(30)를 전기적으로 연결시킨다. 제2 스위치(SW2)는 제2 제어 신호(SW2)에 따라 턴 온되어 저전압 배터리(20)와 고전압 직류 변환부(30)를 전기적으로 연결시킨다.
고전압 직류 변환부(30)는 연료 전지 스택(10) 및 저전압 배터리(20) 중 적어도 어느 하나로부터 구동 전압 및 시동 전압을 전달받아 일정 크기의 직류 전압으로 변환시켜 출력한다. 예컨대, 고전압 직류 변환부(30)는 시동 모드시 저전압 배터리(20)의 시동 전압을 일정 비율로 승압하여 출력할 수 있다. 이를 위해, 고전압 직류 변환부(30)는 부스트 컨버터(미도시)를 포함할 수 있다. 예컨대, 부스트 컨버터는 50V의 시동 전압을 100~800V로 승압시킬 수 있다.
또한, 고전압 직류 변환부(30)는 주행 모드시 모터(70)의 회전 속도에 따라 연료 전지 스택(10)의 구동 전압을 강압 또는 승압시킬 수 있다. 이를 위해, 고전압 직류 변환부(30)는 벅-부스트 컨버터(미도시)를 포함할 수 있다.
고전압 직류 변환부(30)는 공기 블로워(40), 보기류 부품(50) 및 인버터(60)와 전기적으로 연결되어 구동 전압 및 시동 전압을 선택적으로 공급한다.
공기 블로워(40)는 고전압 직류 변환부(30)로부터 시동 전압을 전달받고, 시동 전압에 의해 구동되어 연료 전지 스택(10)에 산소를 포함한 공기를 공급한다. 보기류 부품(Fuel Cell BOP)(50)은 연료 전지 스택(10)의 시동에 필요한 부품들을 포함한다. 예컨대, 보기류 부품(50)은 물펌프, 라디에이터 팬, 수소 재순환 블로워 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 설명 상의 편의를 위해 공기 블로워(40)와 보기류 부품(50)을 구분하여 설명하나, 보기류 부품(50)에 공기 블로워(40)가 포함될 수 있다. 보기류 부품(50)도 시동 전압에 의해 구동되어 연료 전지 스택(10)을 시동시킬 수 있다.
인버터(60)는 고전압 직류 변환부(30)로부터 구동 전압을 전달받아 모터(70)의 구동에 필요한 전압을 제공한다. 이를 위해, 인버터(60)는 구동 전압을 일정 크기의 3상 교류 전압으로 변환하여 모터(70)에 공급한다.
모터(70)는 인버터(60)로부터 구동 전압을 전달 받아 연료 전지 차량을 구동한다. 모터(70)는 회생 제동을 통해 생성된 리젠 전압을 저전압 배터리(20) 및 전장 부하(90)에 공급한다.
저전압 직류 변환부(80)는 모터(70)로부터 생성된 리젠 전압을 인버터(60)를 통해 전달 받아 일정 크기의 직류 전압으로 변환한다. 저전압 직류 변환부(80)는 리젠 전압을 전장 부하(90)의 구동에 필요한 전압 크기로 승압시킬 수 있다. 저전압 직류 변환부(80)는 리젠 전압을 저전압 배터리(20) 및 전장 부하(90)에 전달한다.
전장 부하(90)는 도시하지 않은 전동식 조향 기기(MDPS: Motor Driven Power Steering), 라디에이터 팬, 헤드라이트 등 차량의 구동에 필요한 부품들을 포함한다. 전장 부하(90)는 저전압 배터리(20) 또는 저전압 직류 변환부(80)로부터 일정 크기의 전압을 전달받아 구동된다.
제어부(100)는 연료 전지 스택(10)으로부터 출력되는 구동 전압의 크기에 따라 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2) 각각의 온/오프를 제어하는 제1 및 제2 제어 신호(CONT1, CONT2)를 생성한다. 제어부(100)는 구동 전압의 크기가 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 제1 제어 신호(CONT1)를 활성화시켜 출력하고, 구동 전압의 크기가 미리 설정된 전압 값 이하인 경우 제2 제어 신호(CONT2)를 활성화시켜 출력한다. 여기서, 미리 설정된 전압 값은 모터(70)를 구동시키기 위한 최소 전압 값일 수 있다.
또한, 제어부(100)는 고전압 직류 변환부(30)의 시동 전압에 대한 승압 비율을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(100)는 연료 전지 스택(10)에 공급되는 산소의 공급량이 기준 량 이하인 경우 시동 전압의 승압 비율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 차량의 시동 방법을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 차량에 시동 키(key)가 삽입되어 시동 모드로 진입한다(단계 S1). 이때, 제어부(100)는 제1 스위치(SW1)를 오프 상태로 유지시키고, 제2 스위치(SW2)를 온 상태로 전환한다. 그러면, 저전압 배터리(20)로부터 시동 전압이 고전압 직류 변환부(30)로 전달된다.
그 다음, 고전압 직류 변환부(30)는 시동 전압을 일정 크기로 승압하여 공기 블로워(40)에 전달한다(단계 S2). 예컨대, 고전압 직류 변환부(30)는 12V의 시동 전압을 100V로 승압시킬 수 있다.
그러면, 공기 블로워(40)는 시동 전압에 의해 구동되어 연료 전지 스택(10)에 산소를 포함한 공기를 공급한다(단계 S3). 이때, 보기류 부품(50)도 함께 구동되어 연료 전지 스택(10)에 수소 공급 및 기타 시동에 필요한 동작이 수행될 수 있다.
그러면, 연료 전지 스택(10)이 시동되어 구동 전압의 크기가 상승한다(단계 S4). 그 다음, 제어부(100)는 연료 전지 스택(10)으로부터 생성된 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인지 여부를 판단한다(단계 S5).
판단 결과, 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 제어부(100)는 제1 스위치(SW1)를 턴 온 상태로 전환시키고, 제2 스위치(SW2)를 턴 오프 상태로 전환시킨다. 그러면, 구동 전압이 고전압 직류 변환부(30)에 전달된다.
고전압 직류 변환부(30)는 구동 전압을 일정 크기로 승압 또는 강압하여 인버터(60)에 전달한다. 구동 전압은 인버터(60)를 통해 모터(70)의 구동에 필요한 크기의 구동 전압으로 변환되어 모터(70)에 전달된다. 모터(70)는 구동 전압에 의해 차량을 구동한다(단계 S6).
반면, 단계 S5에서 판단 결과, 구동 전압이 미리 설정된 값 미만인 경우 제어부(100)는 고전압 직류 변환부(30)로부터 승압된 시동 전압의 전압 레벨이 부족한지 여부를 판단한다(단계 S7). 이를 위해, 제어부(100)는 승압된 시동 전압의 전압 레벨이 미리 설정된 전압 레벨보다 높은지 여부를 판단할 수 있다.
판단 결과, 승압 레벨이 낮은 경우 제어부(100)는 고전압 직류 변환부(30)의 승압 비율을 증가시켜 시동 전압의 승압 레벨을 높인다(단계 S8). 그러면, 시동 전압이 단계 S2에서의 레벨보다 더 승압되어 공기 블로워(40)에 공급된다.
반면, 단계 S7에서 승압 레벨이 낮은 것이 아니라 연료 전지 스택(10)에 산소 공급이 부족한 경우 제어부(100)는 제2 스위치(SW2)의 턴 온 상태를 일정 시간 동안 유지시킨다(단계 S9). 그러면, 연료 전지 스택(10)에 산소가 충분히 공급될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예는 모터(70)의 동력원을 연료 전지 스택(10)만으로 구현하고, 100V 이상의 고전압 배터리 대신에 전장 부하(90)를 구동하는 50V 이하의 저전압 배터리(20)를 이용하여 연료 전지 스택(10)을 시동시킴으로써 연료 전지 차량의 비용을 저감시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 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.
10: 연료 전지 스택
20: 저전압 배터리
30: 고전압 직류 변환부
40: 공기 블로워
50: 보기류 부품
60: 인버터
70: 모터
80: 저전압 직류 변환부
90: 전장 부하
100: 제어부

Claims (12)

  1. 연료 전지 스택에 수소가 공급되는 상태에서 공기 블로워를 통해 산소를 공급 받아 모터를 구동하는 연료 전지 차량의 시동 장치에 있어서,
    구동 전압을 생성하는 상기 연료 전지 스택;
    시동 전압을 생성하는 저전압 배터리;
    상기 공기 블로워 및 인버터에 전기적으로 연결되어 있고, 시동 모드시 상기 저전압 배터리에 전기적으로 연결되어 상기 시동 전압을 승압하여 상기 공기 블로워에 전달하고, 주행 모드시 상기 연료 전지 스택에 전기적으로 연결되어 상기 구동 전압을 상기 모터의 회전 속도에 따라 강압 또는 승압하는 고전압 직류 변환부;
    상기 고전압 직류 변환부로부터 출력되는 상기 구동 전압을 변환하여 상기 모터에 공급하는 인버터;
    상기 구동 전압을 상기 고전압 직류 변환부에 전달하는 제1 스위치;
    상기 시동 전압을 상기 고전압 직류 변환부에 전달하는 제2 스위치; 및
    상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 상기 제1 스위치를 턴 온시키는 제1 제어 신호를 생성하고, 상기 구동 전압이 상기 미리 설정된 전압 값 미만인 경우 상기 제2 스위치를 턴 온시키는 제2 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 시동 전압에 대한 상기 고전압 직류 변환부의 승압 비율을 제어하는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 저전압 배터리는 적어도 50V이하의 전압 레벨을 갖는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 고전압 직류 변환부로부터 상기 승압된 구동 전압을 전달받아 교류 전압으로 변환하여 상기 모터에 전달하는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 모터의 회생 제동에 의해 생성된 리젠 전압을 상기 인버터를 통해 전달받아 전장 부하를 구동하기 위한 전압 레벨로 변환시키는 저전압 컨버터를 더 포함하는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 저전압 배터리는 저전압 직류 변환부를 통해 전달되는 전압에 의해 충전되는 연료 전지 차량의 시동 장치.
  9. 연료 전지 차량의 시동 방법에 있어서,
    시동 모드로 진입시 저전압 배터리와 고전압 직류 변환부가 연결되어, 상기 저전압 배터리로부터 공급되는 시동 전압을 승압하는 단계;
    상기 고전압 직류 변환부에 전기적으로 연결된 공기 블로워에 상기 승압된 시동 전압을 전달하여 상기 공기 블로워를 구동하는 단계;
    연료 전지 스택이 시동되어 구동 전압을 생성하는 단계;
    상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 이상인 경우 상기 고전압 직류 변환부에 상기 시동 전압의 공급을 차단시키는 단계; 및
    상기 구동 전압을 모터에 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 시동 전압을 전달하는 단계는,
    상기 연료 전지 스택과 상기 고전압 직류 변환부 사이의 연결을 차단시키는 단계를 포함하는 연료 전지 차량의 시동 방법.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 구동 전압이 미리 설정된 전압 값 미만인 경우 상기 승압된 시동 전압의 전압 레벨이 미리 설정된 레벨보다 높은지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 승압된 시동 전압의 레벨이 상기 미리 설정된 레벨보다 높은 경우 상기 고전압 직류 변환부에 상기 시동 전압을 공급하는 공급 시간을 일정 시간 증가시키는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 차량의 시동 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 승압된 시동 전압의 레벨이 상기 미리 설정된 레벨보다 낮은 경우 상기 고전압 직류 변환부의 승압 비율을 일정 크기 증가시키는 단계를 더 포함하는 연료 전지 차량의 시동 방법.
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