KR101620222B1 - 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법 - Google Patents

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이규일
정재원
윤성곤
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법은 연료전지의 전류-전압성능을 측정하는 단계; 연료전지의 전류-전압성능에 기반하여 열화상태를 판단하는 단계; 및 판단하는 단계 수행 후, 상기 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 충전시점, 배터리 어시스트량, 배터리 충전량 및 배터리 어시스트시점을 가변제어하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법 {Method for power distribution of fuelcell hybrid vehicle}
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 열화상태에 따라 배터리 보상로직을 제어함으로써 운전자가 원하는 가속성능을 실현하기 위한 전력분배 방법에 관한 것이다.
연료전지차량은 연료전지의 파워를 이용하여 모터를 구동하며, 초기 제작된 연료전지는 높은 전류-전압성능으로 운전자가 원하는 가속성능을 얻을 수 있다.
그러나, 시간이 경과함에 따라 외부환경 및 운전조건 등으로 인하여 연료전지의 열화가 발생하는데 열화율이 증가함에 따라 전류-전압성능이 낮아져서 기존의 동일한 전압에서 낮은 전류가 발생하여 낮은 출력이 발생하게 된다.
동일한 전압에서 낮은 전류가 발생하므로 기존과 동일한 전력분배로직이 적용될 경우, 연료전지의 열화율이 증가함에 따라 운전자는 동일한 가속성능을 얻을 수 없으며, 연료전지의 열화도에 따라 주행감이 달라지는 문제점이 발생하였다.
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 10-2012-0014301 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지차량에서 연료전지의 열화상태에 따라 연료전지 전력보상을 수행함으로써 연료전지에 열화가 진행되더라도 운전자가 원하는 동일한 가속성능 구현가능한 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법은 연료전지의 전류-전압성능을 측정하는 단계; 상기 연료전지의 전류-전압성능에 기반하여 열화상태를 판단하는 단계; 및 상기 판단하는 단계 수행 후, 상기 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 충전시점, 배터리 어시스트량, 배터리 충전량 및 배터리 어시스트시점을 가변제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지의 열화상태는, 상기 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준성능 이상이면 양호단계로 판단되고, 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준특성 미만이고 제2 기준성능 이상이면 보통단계로 판단되며, 연료전지 전류-전압성능이 제2 기준성능 미만이면 열화단계로 판단될 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 연료전지의 전류가 일정시간동안 기설정된 전류범위 내에 포함된 경우, 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 목표 SOC와 방전가능영역을 가변함으로써 배터리 충전시점을 가변제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 토크 게인 및 배터리 어시스트 게인을 가변함으로써 배터리 어시스트량을 가변제어할 수 있다.
상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 SOC 레귤레이션 게인을 가변함으로써 배터리 충전량을 가변제어할 수 있다.
상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 진입전압을 가변함으로써 배터리 어시스트 시점을 가변제어할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법에 따르면, 연료전지에 열화가 발생하더라도 운전자가 원하는 가속성능의 구현이 가능하기 때문에 차량의 상품성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전류-전압성능별 열화상태를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열화상태별 목표 SOC 및 방전허용영역을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열화상태별 배터리 어시스트 진입전압을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전류-전압성능별 열화상태를 도시한 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열화상태별 목표 SOC 및 방전허용영역을 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 열화상태별 배터리 어시스트 진입전압을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법은 연료전지의 전류-전압성능을 측정하는 단계(S100); 상기 연료전지의 전류-전압성능에 기반하여 열화상태를 판단하는 단계(S120); 및 상기 판단하는 단계(S120) 수행 후, 상기 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 충전시점, 배터리 어시스트량, 배터리 충전량 및 배터리 어시스트시점을 가변제어하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
초기 제작된 연료전지는 높은 전류-전압성능으로 운전자가 원하는 가속성능을 구현할 수 있다. 하지만, 연료전지의 열화가 진행될수록 전류-전압성능이 낮아져 동일한 전압을 입력하더라도 낮은 전류가 출력되는 현상이 발생하였다. 즉, 연료전지의 열화상태에 따라 연료전지의 출력이 감소하는 현상이 발생하는바, 본 발명은 연료전지의 열화상태에 기반하여 연료전지와 배터리의 전력분배를 제어함으로써 운전자가 원하는 동일한 가속성능을 구현하도록 구성된다.
특히, 일반적으로 연료전지 하이브리드 차량은 연료전지의 출력으로 모터를 구동하는데, 운전자가 원하는 가속성능이 연료전지의 출력만으로 부족한 경우에 연료전지와 배터리로 동시에 모터를 구동시키는 파워어시스트모드를 수행한다. 본 발명은 연료전지의 열화상태에 기반하여 파워어시스트모드 진입시점, 어시스트량, 배터리 충전시점, 충전량을 가변제어함으로써 운전자가 원하는 구동파워를 구현할 수 있다.
구체적으로, 연료전지의 열화상태는 상기 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준성능 이상이면 양호단계로 판단되고, 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준성능 미만이고 제2 기준성능 이상이면 보통단계로 판단되며, 연료전지 전류-전압성능이 제2 기준성능 미만이면 열화단계로 판단될 수 있다.
여기서, 제1 기준성능은 제2 기준성능보다 전류-전압성능이 더 높게 설정된다. 도 2와 같이, 연료전지의 열화상태는 연료전지의 전류-전압성능 변화에 기반하여 판단될 수 있는데, 연료전지의 전류-전압성능이 제1 기준성능의 곡선보다 높게 형성되는 경우에는 연료전지의 전압 대비 전류특성이 양호한 것으로 판단되고, 제2 기준성능의 곡선보다 낮게 형성되는 경우에는 연료전지의 전압 대비 전류특성이 낮아 연료전지에 열화가 발생한 것으로 판단될 수 있다. 제1 기준성능과 제2 기준성능의 곡선 사이에 연료전지의 전류-전압성능이 형성된 경우에는 연료전지의 전압 대비 전류특성이 보통단계라고 판단된다.
이와 같이 연료전지를 세 가지 열화상태로 구분하고 이에 따라 연료전지와 배터리의 전력분배량 및 전력분배시점을 가변설정함으로써 연료전지 열화가 발생하더라도 운전자가 원하는 구동출력을 동일하게 구현할 수 있다.
특히, 판단하는 단계(S120)는, 연료전지의 전류가 일정시간동안 기설정된 전류범위 내에 포함된 경우에 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 연료전지의 열화상태 판단을 배터리의 어시스트가 없는 연료전지 저출력에서는 판단하지 않고, 배터리의 어시스트가 시작되는 구간을 시작점으로 하여 기설정된 전류범위에서만 열화판단을 수행하기 위한 것이다. 또한, 일정시간이 경과한 경우에만 열화단계를 확정함으로써 연료전지의 열화상태를 정확하게 판단할 수 있다(S110).
만약, 연료전지의 전류가 일정시간동안 기설정된 전류 범위내에 포함되지 않은 경우에는 다시 연료전지의 전류-전압 성능을 측정하는 단계(S100)를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 가변제어하는 단계(S130)는, 연료전지의 열화상태에 따라 목표 SOC와 방전가능영역을 가변함으로써 배터리 충전시점을 가변제어하는 것을 특징으로 할 수 있다(S131).
목표 SOC는 배터리가 추종하고자 하는 배터리의 SOC값으로, 배터리의 SOC가 목표 SOC이상이면 방전을 유도하고, 배터리의 SOC가 목표 SOC미만이면 충전을 유도하여 배터리 SOC가 목표SOC를 추종할 수 있다. 예를 들어 연료전지의 열화상태가 양호단계일 경우보다 보통단계일 경우의 목표 SOC를 높게 설정하고, 열화상태가 보통단계일 경우보다 열화단계일 경우의 목표 SOC를 높게 설정함으로써 배터리의 충전을 빠른 시점에 시작할 수 있다.
또한, 방전가능영역은 배터리의 방전이 가능한 영역으로써 도 3에 도시된 바와 같이 연료전지의 열화상태가 양호단계일 경우보다 보통단계일 경우에 방전가능영역의 기준하한치를 크게 설정하고, 열화상태가 보통단계일 경우보다 열화단계일 경우에 방전가능영역의 기준하한치를 크게 설정할 수 있다. 즉, 연료전지가 열화되었다고 판단되면 배터리의 방전가능영역의 기준하한치를 높게 설정하여 빠른 시점에 배터리의 충전이 수행될 수 있다.
또한, 가변제어하는 단계(S130)는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 토크 게인 및 배터리 어시스트 게인을 가변함으로써 배터리 어시스트량을 가변제어할 수 있다(S133). 배터리 어시스트 토크 게인은 운전자의 요구토크에 비례하는 게인으로 값이 커지면 배터리 어시스트량이 증가한다. 또한, 배터리 어시스트 게인은 배터리 어시스트량에 대한 게인으로 값이 커지면 배터리 어시스트량이 증가한다.
예를 들어, 연료전지의 열화상태가 양호단계일 경우보다 보통단계일 경우의 배터리 어시스트 토크 게인과 배터리 어시스트 게인 값을 크게 설정하고, 열화상태가 보통단계일 경우보다 열화단계일 경우의 배터리 어시스트 토크 게인과 배터리 어시스트 게인 값을 크게 설정할 수 있다. 즉, 연료전지가 열화되었다고 판단되면 배터리의 어시스트량을 크게 설정할 수 있다.
또한, 가변제어하는 단계(S130)는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 SOC 레귤레이션 게인을 가변함으로써 배터리 충전량을 가변제어할 수 있다(S135). 배터리 SOC 레귤레이션 게인은 목표 SOC를 추정하기 위한 고전압배터리 충전게인으로 값이 커지면 배터리의 충전량이 늘어난다.
예를 들어, 연료전지의 열화상태가 양호단계일 경우보다 보통단계일 경우에 배터리 SOC 레귤레이션 게인을 크게 설정하고, 열화상태가 보통단계일 경우보다 열화단계일 경우에 배터리 SOC 레귤레이션 게인을 크게 설정할 수 있다. 즉, 연료전지가 열화되었다고 판단되면 배터리의 충전량을 크게 설정함으로써 배터리의 충전을 빠르게 수행하여 충전효율을 높일 수 있다.
또한, 가변제어하는 단계(S130)는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 진입전압을 가변함으로써 배터리 어시스트 시점을 가변제어할 수 있다(S137). 배터리 어시스트 진입전압은 연료전지와 배터리가 동시에 모터를 구동시키는 파워어시스트모드에 진입하기 위한 조건 중 하나로써 연료전지전압이 일정전압 이하로 형성되면 파워어시스트모드를 수행하게 되는데 이때의 일정전압을 배터리 어시스트 진입전압으로 설정할 수 있다.
구체적으로, 연료전지의 열화상태가 양호단계일 경우보다 보통단계일 경우에 배터리 어시스트 진입전압이 낮게 설정되고, 열화상태가 보통단계일 경우보다 열화단계일 경우에 배터리 어시스트 진입전압이 낮게 설정될 수 있다. 도 4와 같이 배터리 어시스트 진입전압은 양호단계일 경우에 제1 진입전압, 보통단계일 경우에 제2 진입전압, 열화단계일 경우에는 제3 진입전압으로 설정됨으로써, 연료전지의 열화상태가 심각한 경우이면 배터리의 어시스트 시점을 보다 빠르게 설정하여 연료전지 하이브리드 차량의 구동파워를 유지할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법에 따르면, 연료전지에 열화가 발생하더라도 운전자가 원하는 가속성능의 구현이 가능하기 때문에 차량의 상품성을 향상시킬 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: 연료전지의 전류-전압 성능 측정 단계
S110: 연료전지 전류가 일정시간동안 기설정된 전류 범위 내에 포함하는지 판단하는 단계
S120: 연료전지의 열화상태 판단단계
S130: 열화상태에 따라 배터리 충전시점, 배터리 어시스트량, 배터리 충전량 및 배터리 어시스트시점을 가변제어하는 단계

Claims (7)

  1. 연료전지의 전류-전압성능을 측정하는 단계;
    상기 연료전지의 전류-전압성능에 기반하여 열화상태를 판단하는 단계; 및
    상기 판단하는 단계 수행 후, 상기 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 충전시점, 배터리 어시스트량, 배터리 충전량 및 배터리 어시스트시점을 가변제어하는 단계를 포함하며,
    상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 토크 게인 및 배터리 어시스트 게인을 가변함으로써 배터리 어시스트량을 가변제어하는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지의 열화상태는, 상기 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준성능 이상이면 양호단계로 판단되고, 연료전지 전류-전압성능이 제1 기준특성 미만이고 제2 기준성능 이상이면 보통단계로 판단되며, 연료전지 전류-전압성능이 제2 기준성능 미만이면 열화단계로 판단되는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는, 연료전지의 전류가 일정시간동안 기설정된 전류범위 내에 포함된 경우, 수행되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 목표 SOC와 방전가능영역을 가변함으로써 배터리 충전시점을 가변제어하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 SOC 레귤레이션 게인을 가변함으로써 배터리 충전량을 가변제어하는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변제어하는 단계는, 연료전지의 열화상태에 따라 배터리 어시스트 진입전압을 가변함으로써 배터리 어시스트 시점을 가변제어하는,
    연료전지 하이브리드 차량의 전력분배 방법.
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