KR101611037B1 - 연료전지 차량의 주행 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 고장이 발생된 상황에서 연료전지 스택의 작동을 중지시키고 고전압배터리에 남은 배터리 잔량으로만 차량이 구동되도록 하여 연료전지 스택의 손상에 따른 사고를 방지한다.
이와 더불어, 연료전지 시스템을 중지시킨 후 고전압배터리에 충전되었던 남은 배터리 잔량만으로 차량을 구동하되 정차 상황에서는 불필요한 시스템의 동작을 정지시켜줌으로써 배터리의 잔량이 불필요하게 소모되는 것을 방지한다.
이로 인해, 고전압배터리에 충전된 남은 배터리 잔량에 따른 주행 거리와 주행 시간을 더욱 확보할 수 있는 연료전지 차량의 주행 방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 주행 방법 {DRIVING METHOD FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지차량에 있어, 연료전지 스택을 포함한 연료전지 시스템의 고장 발생시 고전압배터리에 남은 한정된 배터리 잔량으로 주행 거리와 주행 시간을 더욱 증대시키기 위한 연료전지 차량의 주행 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화 현상 등으로 친환경 차량에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 가운데 연료전지 차량은 배출되는 물질이 물밖에 없으므로 대체 교통수단으로 주목받고 있다.
이러한 연료전지 차량은 도 1에서 볼 수 있듯이, 전기를 생산하는 연료전지 스택에서 전기에너지를 생성하며, 공기 공급 시스템(10), 수소 공급 시스템(20), 냉각 시스템(30)으로 분리되어 연료전지스택에서 전기생성에 필요한 조건을 만족하도록 한다.
공기 공급 시스템(10)으로는, 연료전지 스택(S)에 연료와 공기를 가습하여 공급하는 가습기(12)와, 습기에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기 블로워(14)가 구비된다. 아울러, 공기 블로워(14)는 외부 공기의 이물질을 제거하기 위한 필터(16)가 마련되고, 공기를 압축하여 가습기에 제공하기 위한 공기압축기가 구비된다.
수소 공급 시스템(20)으로는, 수소공급탱크(22), 수소 공급량을 조절하는 수소공급밸브(24), 연료전지 내에 공급된 수소 중 일부를 재순환 시키는 수소재순환장치(26) 등이 마련된다.
냉각 시스템(30)으로는, 라디에이터팬(32)이 구비되어 냉각수의 방열을 위한 라디에이터(34)와, 냉각수의 공급량을 조절하는 써모스탯(36) 등이 마련된다.
부가적으로, 연료전지 부하장치(40)가 마련되어 전기 충전시 과도한 전압상승을 막도록 한다.
위와 같은 연료전지 차량은 연료전지 시스템의 이상이 발생되면, 고전압배터리 내에 충전된 배터리 잔량만을 활용하여 주행하게 되는데, 배터리의 용량이 제한적이기 때문에 주행시간 및 주행거리에 한계가 있다.
그러나, 종래의 연료전지 차량의 경우 고전압배터리의 구동시 LDC(Low Voltage DC-DC Converter) 및 BHDC(High Voltage DC-DC Converter)를 포함한 전장부품의 냉각을 위해, 전장 냉각수 펌프가 상시구동되어 불필요한 SOC(Stage Of Charge)가 소진되는 문제가 발생되었다.
따라서, 연료전지 차량의 이상 발생시 SOC의 소모를 줄일 수 있는 페일 세이프(Fail Safe)가 필요하였다.
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 10-2004-0045743 A (2004.06.02)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 시스템의 고장이 발생된 상황에서 주행시 고전압배터리에 남은 한정된 배터리 잔량의 불필요한 소모를 줄일 수 있는 연료전지 차량의 주행 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 주행 방법은 연료전지 시스템의 이상 여부를 판단하는 고장판단단계; 연료전지 시스템의 이상 발생시 연료전지 시스템의 작동을 정지시키고, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량이 구동되도록 하는 안전주행단계; 상기 안전주행단계 이후 차량의 주행상태를 체크하여, 주행상태가 정차 상태인 경우 고전압배터리 시스템의 작동을 정지시키는 일시중지단계;를 수행하고, 차량의 주행상태가 발진 상태로 확인된 경우 고전압배터리 시스템을 재작동시켜 차량 발진이 수행되도록 하는 재주행단계;를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 안전주행단계는 고전압배터리 시스템에서 배터리의 잔량을 체크하고, 배터리 잔량이 설정값 이상인 것으로 판단되면 고전압배터리에 충전된 전기에너지로 차량이 구동되도록 할 수 있다.
상기 일시중지단계에서는 보조 배터리로 구동되는 전장 부품 중 고전압배터리 시스템의 냉각을 위한 냉각 장치의 작동이 정지되도록 할 수 있다.
상기 일시중지단계는 주행 상태가 정차되되 변속단이 중립단 또는 주차단으로 전환되는 경우 고전압배터리 시스템의 작동이 정지되도록 할 수 있다.
상기 재주행단계는 변속단이 주행단으로 전환되면 고전압배터리 시스템의 작동이 즉시 수행되도록 할 수 있다.
상기 재주행단계는 고전압배터리 시스템에서 배터리 잔량이 기저장된 한계값에 도달하는 경우 연료전지 시스템과 고전압배터리 시스템의 작동을 모두 중지시켜 차량 셧다운이 수행되도록 할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 주행 방법은 연료전지 시스템의 고장이 발생된 상황에서 연료전지 스택의 작동을 중지시키고 고전압배터리에 남은 배터리 잔량으로만 차량이 구동되도록 하여 연료전지 스택의 손상에 따른 사고를 방지한다.
이와 더불어, 연료전지 시스템을 중지시킨 후 고전압배터리에 충전되었던 남은 배터리 잔량만으로 차량을 구동하되 정차 상황에서는 불필요한 시스템의 동작을 정지시켜줌으로써 배터리의 잔량이 불필요하게 소모되는 것을 방지한다.
이로 인해, 고전압배터리에 충전된 남은 배터리 잔량에 따른 주행 거리와 주행 시간을 더욱 확보할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 주행 방법의 순서도.
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 주행 방법의 설명을 돕기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 차량의 주행 방법에 대하여 살펴본다.
본 발명은 연료전지 차량의 주행에 있어, 연료소모량을 줄여 주행 거리 및 주행시간이 더욱 확보되도록 하는 것이다.
일반적으로 연료전지 차량은 연료전지 스택과 연료전지 스택에 공기공급을 위한 공기 공급 시스템과 수소 공급을 위한 수소 공급 시스템을 포함하여 수소와 산소의 혼합을 통해 전기에너지를 생산하는 연료전지 시스템이 구비된다.
또한, 연료전지 스택에서 발생된 전기에너지를 저장하거나 저장된 전기 에너지를 전기 모터 및 각종 전장부품에 전달하는 고전압배터리 시스템이 구비되며, 고전압 배터리 시스템에는 BHDC(Bi-directional High voltage DC-DC converter), LDC(Low voltage DC-DC converter), MCU(Motor Controll Unit) 등이 마련된다.
이러한 고전압배터리 시스템에는 고전압의 전기에너지를 이용하는바, 고온의 열이 발생되며, 고열에 의해 전장 부품이 손상되는 것을 방지하기 위해, 냉각 시스템이 구비된다. 특히, 냉각 시스템 중 냉각수의 순환을 위해 전장냉각 펌프가 구비되며, 전장냉각 펌프는 12V의 보조 배터리로부터 전기에너지를 공급받아 구동된다.
본 발명에서는 연료전지 시스템의 이상 발생시 고전압배터리 시스템 및 냉각 시스템의 작동을 주행상황에 따라 제어해줌으로써 에너지 손실을 최소화하여 주행 거리 및 주행 시간이 확보되도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 주행 방법의 순서도이고, 도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 주행 방법의 설명을 돕기 위한 도면이다.
본 발명의 연료전지 차량의 주행 방법은 연료전지 시스템의 이상 여부를 판단하는 고장판단단계(S100); 연료전지 시스템의 이상 발생시 연료전지 시스템의 작동을 정지시키고, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량이 구동되도록 하는 안전주행단계(S200); 차량의 주행상태를 체크하고, 주행상태가 정차 상태인 것으로 확인되면 고전압배터리 시스템의 작동을 일시적으로 정지시키는 일시중지단계(S300); 및 주행상태가 발진 상태로 전환되면 고전압배터리 시스템을 재작동시켜 차량 발진이 수행되도록 하는 재주행단계(S400);를 포함한다.
본 발명에서는 상기 고장판단단계(S100)를 통해 연료전지 시스템의 이상 여부를 판단하며, 연료전지 시스템의 이상 여부는 연료전지의 교류 임피던스를 측정하는 방법이 있으며, 전해질막의 습윤 상태 추정 등 다양한 방법이 이용될 수 있다.
이처럼, 고장판단단계(S100)를 통해 연료전지 시스템의 이상 여부를 판단하고, 연료전지 시스템의 이상이 발생된 것으로 판단되면, 연료전지 시스템의 작동을 정지시키고, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량이 구동되도록 하는 안전주행단계(S200)를 수행한다.
즉, 이상이 발생된 연료전지 시스템을 지속적으로 구동할 경우 다른 부품의 손상이 발생되거나 폭발의 위험성이 초래되는바, 연료전지 시스템의 작동을 정지시키고, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량이 구동되도록 하는 것이다.
여기서, 고전압배터리 시스템의 배터리의 잔량을 체크하고, 배터리 잔량이 충분한 것으로 판단되면 고전압배터리에 충전된 전기에너지로 차량이 구동되도록 하고, 배터리 잔량이 부족한 것으로 판단되면 차량을 셧다운하여 고전압배터리 시스템의 손상을 방지할 수 있다. 배터리 잔량을 체크시 배터리 잔량이 설정값 이상인지 또는 이하인지를 판단하여 전기에너지를 이용한 차량이 구동되로고 하거나, 차량이 셧다운되도록 할 수 있다. 여기서, 설정값은 일례로 배터리잔량 35%로 설정될 수 있다.
위와 같이, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량 구동시 고전압배터리에는 충전된 배터리 잔량은 한정적인바, 주행 거리와 주행 시간이 결정된다. 이렇게, 한정된 배터리 잔량만으로 차량 구동시에는 차량이 안전 지역으로 이동하거나, 주변 정비업체까지 이동할 수 있도록 주행 거리와 주행 시간의 확보가 중요시된다.
본 발명에서는 한정된 배터리 잔량에 따른 주행 거리와 주행 시간의 확보를 위해 일시중지단계(S300)와 재주행단계(S400)를 반복적으로 수행되도록 한다.
구체적으로, 차량의 주행상태를 체크하고, 주행상태가 정차 상태인 것으로 확인되면 고전압배터리 시스템의 작동을 일시적으로 정지시키는 일시중지단계(S300)를 수행하고, 주행상태가 발진 상태로 전환되면 고전압배터리 시스템을 재작동시켜 차량 발진이 수행되도록 하는 재주행단계(S400);를 수행하는 것이다.
즉, 차량이 정차하는 경우 고전압배터리 시스템의 BHDC, LDC, MCU 등의 전장부품의 구동을 모두 중지시켜 고전압배터리에 남아있는 전기에너지가 소모되지 않도록 하는 것이다.
여기서, 고전압배터리 시스템의 작동을 정지시키되 12V 보조 배터리의 전원으로 구동되는 각종 전장 부품은 작동이 유지되도록 하여 중요 제어기는 정상구동되도록 한다. 단, 상기 일시중지단계(S300)에서는 보조 배터리로 구동되는 전장 부품 중 고전압배터리 시스템의 냉각을 위한 냉각 장치의 작동이 일시적으로 정지되도록 할 수 있다.
즉, 일시중지단계(S300)에서는 차량이 정차된 상황에서 고전압배터리 시스템의 작동을 모두 중지시켜 불필요한 전기에너지의 손실이 없도록 한다. 이렇게, 고전압배터리 시스템의 작동이 모두 중지되면 고전압배터리 시스템의 구동시 발생되었던 열이 발생되지 않는바, 냉각 장치의 작동도 일시적으로 정지시켜 에너지 손실을 최소화하는 것이다. 이로 인해, 고전압시스템에 남은 배터리 잔량으로 확보할 수 있는 주행 거리 및 주행 시간이 더욱 증가된다.
한편, 상기 일시중지단계(S300)는 주행 상태가 정차되되 변속단이 중립단 또는 주차단으로 전환되는 경우 고전압배터리 시스템의 작동이 정지되도록 할 수 있다.
물론, 차량의 정차 상황은 브레이크 페달을 밟음으로써 차량이 정지되도록 할 수 있다. 하지만, 브레이크 페달을 밟아 차량의 정차가 이루어지는 경우 통상적으로 바로 재주행이 시작되는데, 이러한 상황에서 고전압배터리 시스템을 반복적으로 정지시키고, 다시 구동시키면 고전압배터리 시스템에 부하가 발생되거나 제어 충돌에 의해 추가적인 오류가 발생될 수 있다.
따라서, 차량의 주행상태가 정차된 후 주행속도가 0이 되어 주행 정지가 이루어지는 중립단 또는 주차단으로의 변속단 전환시 고전압배터리 시스템의 작동이 정지되도록 함이 바람직하다.
추가적으로, 속도센서를 이용하여 차량의 주행속도를 측정하고, 주행속도가 0이 되면 고전압배터리 시스템의 작동을 정지되도록 할 수 있다.
한편, 상기 재주행단계(S400)는 변속단이 주행단으로 전환되면 고전압배터리 시스템의 작동이 즉시 수행되도록 할 수 있다.
즉, 변속단이 주행단으로 전환되면 가속페달을 밟지 않더라도 고전압배터리 시스템이 즉각적으로 작동되도록 함으로써 운전자가 가속페달을 조작하면 차량 발진이 바로 수행되도록 하는 것이다.
이렇게, 차량이 정차된 상태에서 차량 발진시 운전자가 차량 가속을 요구하는 즉시 차량 발진이 수행되도록 하여 주행에 따른 이질감이 발생되지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기 재주행단계(S400)는 고전압배터리 시스템에서 배터리 잔량이 기저장된 한계값에 도달하는 경우 연료전지 시스템과 고전압배터리 시스템의 작동을 모두 중지시켜 차량 셧다운이 수행되도록 할 수 있다.
즉, 일시중지단계(S300)와 재주행단계(S400)를 통해 주행 거리와 주행 시간을 최대한 확보하여 차량 주행이 이루어지더라도 고전압배터리에 저장된 전기에너지가 지속적으로 소모된다.
이렇게, 소모되는 배터리 잔량이 기저장된 한계값에 도달하면 더 이상 고전압배터리 시스템의 구동이 위험한 것으로 판단하여 고전압배터리의 시스템 구동을 완전이 중지함으로써 고전압배터리의 2차 손상 및 사고를 방지한다.
위에서 설명된 본 발명의 연료전지 차량의 주행 방법은 연료전지 시스템의 고장발생뿐만 아니라 평상시에도 일시중지단계(S300)와 재주행단계(S400)의 수행을 통해 전기에너지의 소모를 저감하여 주행효율이 향상되도록 할 수 있다.
다만, 연료전지 시스템의 고장이 발생되는 경우에는 특히 주행거리 및 주행 시간의 확보가 중요한바, 연료전지 시스템의 고장 발생시 일시중지단계(S300)와 재주행단계(S400)의 수행을 통해 주행거리 및 주행 시간의 최대 확보가 이루어지도록 함이 바람직하다.
본 발명의 연료전지 차량의 주행 방법은 연료전지 시스템의 고장이 발생된 상황에서 연료전지 스택의 작동을 중지시키고 고전압배터리에 남은 배터리 잔량으로만 차량이 구동되도록 하여 연료전지 스택의 손상에 따른 사고를 방지한다.
이와 더불어, 연료전지 시스템을 중지시킨 후 고전압배터리에 충전되었던 남은 배터리 잔량만으로 차량을 구동하되 정차 상황에서는 불필요한 시스템의 동작을 정지시켜줌으로써 배터리의 잔량이 불필요하게 소모되는 것을 방지한다.
이로 인해, 고전압배터리에 충전된 남은 배터리 잔량에 따른 주행 거리와 주행 시간을 더욱 확보할 수 있다.
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.
S100:고장판단단계
S200:안전주행단계
S300:일시중지단계
S400:재주행단계

Claims (6)

  1. 연료전지 시스템의 이상 여부를 판단하는 고장판단단계;
    연료전지 시스템의 이상 발생시 연료전지 시스템의 작동을 정지시키고, 고전압배터리 시스템만을 이용하여 차량이 구동되도록 하는 안전주행단계;
    상기 안전주행단계 이후 차량의 주행상태를 체크하여, 주행상태가 정차 상태인 경우 고전압배터리 시스템의 작동을 정지시키는 일시중지단계;를 수행하고, 차량의 주행상태가 발진 상태로 확인된 경우 고전압배터리 시스템을 재작동시켜 차량 발진이 수행되도록 하는 재주행단계;를 수행하며,
    상기 일시중지단계에서는 보조 배터리로 구동되는 전장 부품 중 고전압배터리 시스템의 냉각을 위한 냉각 장치의 작동이 정지되도록 함으로써 에너지 손실을 최소화하여 고전압배터리 시스템으로 주행할 수 있는 거리 및 시간을 확보하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 주행 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안전주행단계는 고전압배터리 시스템에서 배터리의 잔량을 체크하고, 배터리 잔량이 설정값 이상인 것으로 판단되면 고전압배터리에 충전된 전기에너지로 차량이 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 주행 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 일시중지단계는 주행 상태가 정차되되 변속단이 중립단 또는 주차단으로 전환되는 경우 고전압배터리 시스템의 작동이 정지되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 주행 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 재주행단계는 변속단이 주행단으로 전환되면 고전압배터리 시스템의 작동이 즉시 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 주행 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 재주행단계는 고전압배터리 시스템에서 배터리 잔량이 기저장된 한계값에 도달하는 경우 연료전지 시스템과 고전압배터리 시스템의 작동을 모두 중지시켜 차량 셧다운이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 주행 방법.
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