KR101673795B1 - 연료전지 차량의 전압 동기화 방법 - Google Patents

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Abstract

운전 가능한 전압의 최대/최소 범위 내에서 의도한 제어 정밀도와 성능 향상을 할 수 있도록 시동 완료와 관계없이 주요 고전압 부품의 전압을 실시간으로 동기화 제어할 수 있는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법이 개시된다. 상기 연료전지 차량의 전압 동기화 방법은, 연료전지 차량이 시동되면, 연료전지 차량 내 고전압 부품들을 각각 제어하는 복수의 보조 제어부에서 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 상기 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정하고, 주제어부의 디폴트 전압 동기화 명령에 따라 선 보정된 전압을 추가 보정하는 디폴트 전압 동기화 단계; 및 상기 디폴트 전압 동기화 단계가 완료되면, 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압과 연료전지 스택의 출력 전압을 기반으로 상기 고전압 부품의 전압을 보정하기 위한 목표 옵셋값을 상기 보조 제어부로 전송하고, 상기 보조 제어부가 상기 목표 옵셋값을 기반으로 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압을 보정하는 실시간 전압 동기화 단계를 포함한다.

Description

연료전지 차량의 전압 동기화 방법{METHOD FOR SYNCHRONIZING VOLTAGE OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 전압 동기화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운전 가능한 전압의 최대/최소 범위 내에서 의도한 제어 정밀도와 성능 향상을 할 수 있도록 시동 완료와 관계없이 주요 고전압 부품의 전압을 실시간으로 동기화 제어할 수 있는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량은 공급 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시켜 운전되는 자동차이다. 연료전지 차량에는 연료로부터 고전압의 전기를 발생시키는 연료전지 스택 외에 고전압 버스단에 출력 제어를 하는 여러 가지 부품들이 병렬로 연결되어 있다. 예를 들어, 대표적인 고전압 부품들의 측정장치 또는 /제어기로는, 스택 전압 모니터 장치(SVM), 모터 제어기(MCU), 전력 변환 제어기(DCDC), 블로워 펌프 제어기(BPCU), 고전압 배터리 시스템(BMS) 등이 있다.
차량 제어는 주로 차량 가속 시 모터링과 감속 시 회생제동을 통한 에너지 회수 관점에서 각 고전압 부품들의 유기적인 협조제어에 의해 수행된다. 여기서 모터링과 회생제동 출력 제어는 고전압 버스단의 최대-최소 허용 전압 범위 내에서 전력 변환 제어기의 고전압 버스단 전압제어를 통해 이루어진다. 차량 운전 중 각각의 고전압 제어기들은 허용 가능한 최대 또는 최소 전압값 도달 시 부품 보호를 위해 출력 디레이팅(제한운전)을 하게 된다. 따라서 전술한 모든 고전압 부품들 각각이 측정한 전압 값은 서로 오차가 없어야 목표로 하는 제어 정확도와 성능을 얻을 수 있게 된다.
예를 들면, 연료전지 제어기(FCU)가 회생제동 에너지 회수를 위한 전압 명령을 전력 변환 제어기에 전송 시, 전력 변환 제어기는 그 명령 값에 따라 전압 제어를 하여, 고전압 배터리로 에너지를 저장할 수 있게 한다. 그러나 그 제어 전압이 모터 제어기가 측정한 전압과 차이가 있어, 모터 제어기가 측정한 전압이 높을 경우, 전압 상한 제한 조건에 의해 회생제동 토크를 줄이게 되어 의도한 양만큼의 에너지를 회수하지 못하는 문제가 발생한다.
또한, 차량이 등판 경사로에서 정지 후 출발 시 등판 밀림 상황이 되면, 모터가 역회전하면서 작은 회생제동이 발생한다. 이 때, 모터 제어기 전압이 전력 변환 제어기 전압보다 특정 옵셋 값 이상 크다면 회생제동에 의해 MCU 전압이 상승하며, 회생제동을 할 수 없는 최대 전압 값에 도달하게 되는 경우 회생제동 디레이팅이 들어가게 된다. 모터 제어기가 디레이팅 되면 전압은 떨어지며, 다시 회생제동 된 후 전압 상승 및 이에 의한 디레이팅이 반복되면서 차량에 심한 떨림이 발생한다. 이러한 현상 역시 연료전지 제어기가 전력 변환 제어기에 전송하는 전압 명령에 따라 전력 변환 제어기, 모터 제어기 등 각각의 전압이 서로 다르기 때문에 발생한다.
또한 냉시동에서 스택 자체 발열량 증대를 위해 스택 저효율 발전을 할 경우는, 최소 허용 전압 범위 내에서 고전압 버스단 전압을 제어하게 된다. 이 때도 각 부품들의 전압 오차가 적어야 최소 하한치 전압 조건 범위 내에서 디레이팅이 발생하지 않도록 정확한 제어를 수행하여야 냉시동 시간을 단축할 수 있다.
이와 같이 고전압 버스단의 최대, 최소 허용 전압 범위 내에서 연료전지 제어기의 전압제어 값 명령에 따라 전력 변환 제어기가 버스단 전압 제어를 수행하는데, 모터 제어기, 전력 변환 제어기, 블로워 펌프 제어기, 고전압 배터리 시스템 등 각 부품들 서로 간 측정 전압에 오차가 있으면, 회생제동 중일 때는 최대 전압에 먼저 도달하는 부품 때문에 디레이팅이 발생하고, 모터링 또는 냉시동 저전압 발전시에는 최소 전압에 먼저 도달하는 부품 때문에 디레이팅이 발생하여 연료전지 제어기가 목표하는 제어성능을 얻을 수 없다.
따라서 이상적으로 연료전지 차량에 있는 모든 고전압 부품의 전압이 모두 동일해야 전압 편차에 의한 기능 이상이나 제어 성능 감소가 발생하지 않는다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1481355 B1 JP 2009-153344 A
이에 본 발명은 운전 가능한 전압의 최대/최소 범위 내에서 의도한 제어 정밀도와 성능 향상을 할 수 있도록 시동 완료와 관계없이 주요 고전압 부품의 전압을 실시간으로 동기화 제어할 수 있는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연료전지 차량이 시동되면, 연료전지 차량 내 고전압 부품들을 각각 제어하는 복수의 보조 제어부에서 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 상기 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정하고, 주제어부의 디폴트 전압 동기화 명령에 따라 선 보정된 전압을 추가 보정하는 디폴트 전압 동기화 단계; 및
상기 디폴트 전압 동기화 단계가 완료되면, 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압과 연료전지 스택의 출력 전압을 기반으로 상기 고전압 부품의 전압을 보정하기 위한 목표 옵셋값을 상기 보조 제어부로 전송하고, 상기 보조 제어부가 상기 목표 옵셋값을 기반으로 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압을 보정하는 실시간 전압 동기화 단계;
를 포함하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 상기 복수의 보조 제어부가 연료전지의 시동과 관계없이 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 상기 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 상기 복수의 보조 제어부가 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 상기 복수의 보조 제어부가 상기 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 선 보정한 결과가, 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위 내인 경우 상기 주제어부로부터 디폴트 전압 동기화 명령을 대기하고, 상기 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위를 벗어나는 경우 상기 주제어부로 동기화 완료 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 상기 보조 제어부가 상기 주제어부로부터 상기 디폴트 전압 동기화 명령을 수신하면, 상기 보조 제어부가 상기 사전 저장된 옵셋값 전체만큼 전압을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 연료전지 시동이 완료된 후 상기 주제어부가 상기 스택 전압 측정 장치의 정상 여부를 판단하고, 상기 스택 전압 측정 장치가 정상인 경우 상기 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압과 연료전지 스택의 출력 전압의 차이에 따라 평균 옵셋값을 연산하고 상기 평균 옵셋값을 기준으로 목표 옵셋값을 선정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위 이내인 경우, 상기 주제어부는 전압 동기화를 종료할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 주제어부는 연료전지 차량의 운전 상태를 판단하여 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 가능한 값인지 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 주제어부는 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 가능한 값인 경우 상기 목표 옵셋값에 대응되는 실시간 보상 옵셋값과 상기 실시간 보상 옵셋값의 보정을 지시하는 제1 실시간 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 주제어부는 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 불가능한 값인 경우 사전 설정된 최소 보상 옵셋값에 대응되는 실시간 보상 옵셋값과 상기 실시간 보상 옵셋값의 보상을 지시하는 제2 실시간 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 보조 제어부가 상기 실시간 보상 옵셋값을 수신한 경우 상기 실시간 보상 옵셋값을 기준으로 전압 보정량을 연산하고, 사전 설정된 최대 보상 가능 옵셋 범위 내에서 전압 보정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 실시간 동기화 단계는, 상기 보조 제어부가 상기 사전 설정된 최대 보상 가능 옵셋 범위 내에서 전압 보정을 수행한 후 추가 보정이 가능한 것으로 판단되면, 보정된 전압을 상기 주제어부로 전송하고 추가적인 실시간 전압 동기화 명령을 대기할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 상기 보조 제어부가 상기 주제어부로부터 전압 동기화 종료 명령을 수신하면, 총 보정된 옵셋값을 저장하는 옵셋값 저장 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 차량의 동기화 제어 방법에 따르면, 차량 시동부터 종료 시까지 운전 상태와 관계 없이 실시간 연속 전압 동기화 가능하며, 연료전지 차량의 회생제동 성능 및 연비를 향상시키는 우수한 효과가 있다.
또한, 상기 연료전지 차량의 동기화 제어 방법에 따르면, 모터 제어부 전압 기준 출력 디레이팅 진입/해제 반복에 의한 차량 떨림을 방지하여 승차감을 개선할 수 있고, 연료전지 스택 최대 출력 범위에서 모터링 최대 출력 유지가 가능하며, 연료전지 스택 저전압 저효율 발전을 이용한 냉시동 시간 단축 향상을 통해 연료전지 수명 향상 및 차량 성능 개선의 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법 및 시스템이 적용되는 연료전지 차량의 고전압 파워넷 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 구현하는 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법에서 주제어부의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법에서 보조 제어부의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법이 적용되는 연료전지 차량의 고전압 파워넷 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법 및 시스템이 적용되는 연료전지 차량의 고전압 파워넷(10)은 연료전지 스택(11), 모터 제어부(MCU)(13), 전력 변환 제어부(15), 고전압 배터리(17) 및 블로워 펌프 제어부(BPCU)/보기류(19)를 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(11)의 출력 전압은 스택 전압 모니터 장치(SVM)(11)에 의해 센싱될 수 있다. 모터 제어부(13)는 입력 전압을 센싱하는 전압 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 전력 변환 제어기(15)는 고전압 직류 변환기 내에 마련된 제어 수단으로서 연료전지 스택(11)에 연결되는 단자의 전압 및 고전압 배터리(17)에 연결되는 단자의 전압을 센싱할 수 있다. 고전압 배터리(17)는 배터리 관리 장치(171)을 포함할 수 있다. 블로워 펌프 제어부(BPCU)(19)는 블로워/펌프에 인가된 전압을 센싱하며, 기타 보기류(19) 역시 기타 보기류(19)에 걸리는 전압을 센싱하는 전압 센서를 구비할 수 있다.
이때, 연료전지 스택(11)의 출력 전압(Vref)과 모터 제어부(13)에서 센싱되는 전압(Vm) 및 전력 변환 제어기부(15)의 연료 전지 스택(11) 측 단자의 전압(Vd)은 이상적으로 모든 고전압 라인이 연결된 노드의 전압인 Vc와 같아야 한다. 그러나, 실제로 연료 전지 스택(11) 내부의 스택 전압 모니터 장치(SVM), 모터 제어부(13)의 전압 센서, 전력 변환 제어기(15) 등 마다 약간의 전압 센싱 오차가 있어 모든 전압이 동일하게 센싱되지는 않는다.
센싱된 전압들을 특정 시점, 레벨에서 동기화하여, 각 제어기들 상호간에 동일 전압이 센싱되도록 자동으로 보정하여, 연료 전지 차량의 운행 중에 각 제어기 단품들의 제어 정밀도 향상이 필요하다. 본 발명의 일 실시형태에서는 센싱 전압들 중에서 상대적으로 전압 센싱 정밀도가 가장 높은 스택 전압 모니터 장치 (111)에서 센싱된 전압의 크기를 기준으로 다른 제어기들에서 센싱되는 전압을 동기화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 구현하는 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 구현하는 시스템은 주제어부인 연료전지 제어부(30)와, 고전압 부품들을 각각 제어하는 보조 제어부인 모터 제어부(MCU)(13) 및 전력 변환 제어부(15) 및 스택 전압을 모니터링하고 측정하는 스택 전압 모니터 장치(111)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 주제어부인 연료전지 제어부(30)는 동기화 명령을 보조 제어부(13, 15)로 전송하고, 보조 제어부(13, 15)로부터 동기화 완료 통보를 수신하며, 전압 동기화에 필요한 연산을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 보조 제어부인 모터 제어부(MCU)(13) 및 전력 변환 제어부(15)는 각각이 제어하는 모터와 전력 변환부의 전압을 동기화하기 위한 제어를 수행할 수 있다.
스택 전압 모니터링 장치(111)는 전압 동기화에 기준이 되는 연료전지 스택 전압을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법은, 크게 디폴트 전압 동기화 단계(S101)와, 디폴트 전압 동기화 단계(S101)가 완료(S103)된 이후 수행되는 실시간 전압 동기화 단계(S105, S107, S109)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법은 동기화 목표에 도달되면(S111) 동기화를 종료할 수 있다.
디폴트 전압 동기화 단계(S101)는, 연료전지 차량이 시동되는 경우 연료전지 차량 내 고전압 부품들을 각각 제어하는 복수의 보조 제어부(예를 들어, 모터 제어부(13)와 전력 변환 제어부(15))에서 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정하고, 주제어부(30)의 디폴트 전압 동기화 명령에 따라 선 보정된 전압을 추가 보정하는 단계일 수 있다.
실시간 전압 동기화 단계(S105, S107, S109)는, 디폴트 전압 동기화 단계(S101)가 완료된 후, 주제어부(30)가 디폴트 전압 동기화 단계(S101)에서 보정된 전압과 연료전지 스택 전압 모니터링 장치(111)에서 검출된 연료전지 스택의 출력 전압을 기반으로 상기 고전압 부품의 전압을 보정하기 위한 목표 옵셋값을 상기 보조 제어부(13, 15)로 전송하고, 보조 제어부(13, 15)가 목표 옵셋값을 기반으로 디폴트 전압 동기화 단계(S101)에서 보정된 전압을 추가 보정하는 단계일 수 있다.
실시간 전압 동기화 단계(S105, S107, S109)에서, 주제어부(30)는 디폴트 전압 동기화 단계(S101)에서 보정된 전압과 연료전지 스택 전압 모니터링 장치(111)에서 검출된 연료전지 스택의 출력 전압을 기반으로 상기 고전압 부품의 전압을 보정하기 위한 목표 옵셋값을 산출하고 차량의 운전 상태가 목표 옵셋값으로 한번에 보정할 수 있는지의 여부에 따라 실시간 전압 동기화의 조건을 판단하는 과정을 포함할 수 있다(S105).
이 과정(S105)에서 목표 옵셋값으로 한번에 보정할 수 있는 것으로 판단된 경우 제1 실시간 전압 동기화 제어를 수행하여(S107) 한번에 목표 옵셋값에 따른 보정이 이루어지게 하고, 목표 옵셋값으로 한번에 보정할 수 없는 것으로 판단된 경우 제2 실시간 전압 동기화 제어를 수행하여(S108) 일정 단위로 전압을 분할하여 점진적으로 목표 옵셋값에 따른 보정이 이루어지게 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법에서 주제어부의 제어 과정을 도시한 흐름도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법에서 보조 제어부의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
이하에서는, 주제어부(30)와 보조 제어부(13, 15)에서 각각 이루어지는 제어 과정에 대한 설명을 통해 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 디폴트 전압 동기화 단계에서 이루어지는 각 제어부의 제어에 대해 설명한다.
도 4를 참조하면, 주제어부(30)에서 이루어지는 디폴트 전압 동기화 단계의 제어는 단계(S201) 내지 단계(S207)로 이루어질 수 있다. 연료전지 차량의 시동이 시작되면 차량 상태는 EV 모드로 주행이 가능하며, 연료전지 운전은 별도로 진행을 시작하게 된다. 이 때, 연료전지 시동 완료와 관계 없이 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 동기화 방법이 개시될 수 있다. 연료전지 시동 완료와 관계 없이 이루어지는 과정들은 후술하는 보조 제어부(13, 15)에 의해 수행될 수 있다.
주제어부(30)는 연료전지 시동 완료 시 연료전지 스택 모니터 장치(111)을 통해 연료전지 스택 전압을 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 전압 정밀도가 높은 연료전지 스택 모니터 장치(111)의 검출 전압을 기준 전압으로 사용하므로, 주제어부(30)는 연료전지 스택 모니터 장치(111)의 고장 여부를 판단할 수 있다(S203).
이어, 주제어부(30)는 연료전지 스택 모니터 장치(111)의 검출 전압이 정상인 것으로 판단한 경우, 디폴트 전압 동기화 명령을 보조 제어부(13, 15)로 전송할 수 있다(S205). 이에 의해, 보조 제어부(13, 15)는 디폴트 전압 동기화를 수행하게 된다. 주제어부(30)에서 디폴트 전압 동기화 명령을 수신한 보조 제어부(13, 15)의 제어 과정은 도 5에서 H로 지시된 부분이다.
이어, 주제어부(30)는 보조 제어부(13, 15)로부터 디폴트 전압 동기화 완료 통보를 수신하여 디폴트 전압 동기화가 완료되었음을 판단할 수 있다(S207).
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 디폴트 전압 동기화 단계에서, 연료전지 차량 시동을 시작하면, 차량 시동 완료와 관계 없이 보조 제어부(13, 15)가 시스템 체크를 하여 정상인지 판단하고 정상인 경우 내부의 메모리에 기저장되어 있는 전압 옵셋값을 읽어 들인다(S301). 이 전압 옵셋값은 그 이전의 전압 동기화 단계에서 저장된 전압 옵셋값일 수 있다.
이어, 보조 제어부(13, 15)는 주제어부(30)로부터 디폴트 전압 동기화 명령을 수신하는 것과는 관계 없이 동작 초기부터 읽어 들인 기 저장된 옵셋 값을 기준으로 전압 보정을 수행할 수 있다(S303). 디폴트 전압 동기화 명령을 수신과 관계없이 이루어지는 초기 보정(S303)에서는 기저장된 과거의 옵셋값을 기반으로 동기화를 위한 전압 보정이 이루어지는 것이기 때문에 부품의 전압 센서 열화 등으로 더 큰 오차를 유발할 수 있다. 따라서, 이러한 점을 감안하여, 초기 보정(S303)에서는 안전을 위해 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨(예를 들어 사전 저장된 옵셋값의 50%)로 전압을 보정할 수 있다. 이와 같이 초기 보정을 수행하는 이유는 시동 초기부터 전압 옵셋값의 크기를 최소화 하여 제어를 신속하게 하고 제어 성능을 향상시키기 위해서이다.
이어, 보조 제어부(13, 15)는 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 선 보정한 결과와 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위를 비교한다(S307). 이 때, 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 선 보정한 결과가 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위 내인 경우, 보조 제어부(13, 15)는 주제어부(30)로부터 디폴트 전압 동기화 명령을 수신하면(S307) 기 저장된 옵셋값 전체를 보상하도록 전압을 보정하고(S309) 주제어부(30)로 디폴트 동기화 완료를 통보한다(S311).
만약, 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 선 보정한 결과가 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위를 벗어난 경우, 보조 제어부(13, 15)는 디폴트 동기화 단계를 즉시 완료하고 디폴트 동기화 완료를 주제어부(30)로 통보한다(S313). 이 후 수행되는 실시간 동기화 단계에서 실시간 측정한 기준 전압에 따라 설정된 옵셋값 기준으로 후속 동기화가 이루어질 수 있으므로 옵셋 최대 허용 범위를 벗어난 경우에도 충분히 옵셋 보상이 가능하다.
보조 제어부(13, 15)가 디폴트 전압 동기화 완료 통보를 주제어부(30)로 전송할 때(S311, S313), 디폴트 전압 동기화에 의한 고전압 부품 각각의 전압 정보를 함께 전송할 수 있다.
다음으로, 실시간 전압 동기화 단계에서 이루어지는 주제어부(30) 및 보조 제어부(13, 15)의 제어 과정을 설명한다.
주제어부(30)가 보조 제어부(13, 15)로부터 디폴트 전압 동기화 완료 통보를 수신하면(S207) 고전압 부품들의 전압 옵셋 크기를 분석한다(S209). 전술한 바와 같이, 보조 제어부(13, 15)는 디폴트 전압 동기화 완료 통보와 함께 각각이 제어하는 고전압 부품들의 전압을 주제어부(30)로 전송할 수 있다. 주제어부(30)는 보조 제어부(13, 15)에서 전송받은 고전압 부품의 전압과 연료전지 스택 모니터 장치(111)에서 입력받은 연료전지 스택 전압(즉, 기준 전압(Vref))과 차이를 분석하여 평균 옵셋값을 계산한다(S211).
이어, 주제어부(30)는 평균 옵셋값을 기준으로 보조 제어부(13, 15) 각각의 실시간 전압 동기화를 통해 보상하여야 하는 목표 옵셋값을 선정한다(S211). 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위를 벗어 나면(예를 들어, 목표 옵셋값의 절대값이 1V 보다 크면) 주제어부(30)는 추가적인 실시간 동기화가 필요한 것으로 판단하고, 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위 이내인 경우에는 옵셋값이 충분히 작아 측정 오차 범위 내로 옵셋값이 좁혀진 것이므로 추가적인 실시간 동기화가 필요 없는 것으로 판단하여 실시간 전압 동기화를 즉시 종료할 수 있다(S223).
목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위를 벗어난 경우, 주제어부(30)는 실시간 동기화 제어 명령을 송신하기 이전에 차량 운전 상태를 판단하여, 제1 실시간 동기화를 실시할 것인지 제2 실시간 동기화를 실시할 것인지를 판단할 수 있다(S215). 이 과정에서(S215) 주제어부(30)는 차량 운전 상태가 목표 옵셋값 전체를 보상 가능한 운전 상태이면 목표 옵셋값을 보상하도록 전압 보정이 이루어지는 제1 실시간 동기화를 실시하기 위한 명령과 목표 옵셋값을 보조 제어부(13, 15)로 전송할 수 있다(S219). 반면, 차량 운전 상태가 목표 옵셋값 전체를 보상 불가능한 운전 상태인 것으로 판단한 경우(S215), 사전 설정된 최소 보상 옵셋값(예를 들어, ±1V)과 이 최소 보상 옵셋값을 보상하기 위한 제2 실시간 전압 동기화 명령을 보조 제어부(13, 15)로 전송할 수 있다.
이어, 주제어부(30)는 보조 제어부(13, 15)로부터 실시간 전압 동기화를 실행을 통해 옵셋값 보정이 이루어진 결과 전압을 제공받아 실시간 전압 동기화 단계의 완료 여부를 판단하고(S221), 실시간 전압 동기화 종료로 판단하면 실시간 전압 동기화 종료 명령을 보조 제어부(13, 15)로 전송할 수 있다(S223). 주제어부(30)가 실시간 동기화가 완료되지 않은 것으로 판단하면 전술한 과정들(S209, S211, S213, S215, S217, S219)를 다시 수행할 수 있다.
한편, 실시간 전압 동기화 단계에서 보조 제어부(13, 15)는 주제어부(30)로부터 실시간 동기화 명령을 수신하고 그 내용이 동기화 실행을 지속하도록 하는 명령인지 판단한다(S317).
주제어부(30)로부터 실시간 전압 동기화 명령이 수신되었을 때, 그 명령이 동기화 실행 지속이면, 보조 제어부(30)는 주제어부(30)가 전송한 옵셋값(전술한 목표 옵셋값 또는 최소 보상 옵셋값)을 기준으로 추가적인 전압 보정량을 계산하여 동기화 실행할 수 있다(S321). 이 과정에서, 보조 제어부(13, 15)는 최대 가능 옵셋 범위 내에서 전압 보정을 실행할 수 있다.
이러한, 보조 제어부(13, 15)에 의한 실시간 전압 동기화 과정에서는, 주제어부(30)가 제1 실시간 동기화 명령 또는 제2 실시간 동기화 명령에 따라 결정된 옵셋값을 전송하므로, 보조 제어부(13, 15)가 수신된 옵셋값을 기준으로 전압 보상을 수행하기만 하면 된다.
이어, 보조 제어부(13, 15)는 동기화 이후에도 옵셋 보상 결과가 허용 범위 내에서 추가 보정이 가능한 범위인 경우(S326), 추가적인 실시간 동기화 수행을 위한 명령 수신을 대기한다(S315). 반면, 보조 제어부(13, 15)는 동기화 이후에도 옵셋 보상 결과가 허용 범위 내에서 추가 보정이 가능한 범위가 아닌 경우(S326), 실시간 전압 동기화 완료를 주제어부(30)로 통보할 수 있다(S323)
이어, 주제어부(30)에서 전송 받은 실시간 동기화 명령이 동기화를 계속하기 위한 명령이면 전술한 것과 같은 과정들(S319, S321, S326, S315)를 반복할 수 있다. 주제어부(30)에서 전송 받은 실시간 동기화 명령이 동기화 종료이면, 실시간 전압 동기화를 완료를 주제어부(30)로 통보하고(S323), 전압 동기화 제어에서 보정된 전체 옵셋 값을 메모리 등에 저장한다. 저장된 옵셋 값은 다음 시동 시 디폴트 전압 동기화에 활용될 수 있다.
연료전지 차량은 운전 중 최대/최소 전압 영역 제한 범위에서 운전이 되고 있다. 차량 감속 시 회생제동 할 때 전압이 상승하기 때문에 고전압 부품이 전압 오차가 있다면 최대 전압 영역 근처에서는 회생 제동 극대화 부족이나 등판상황 시 모터 제어부의 상한 전압 디레이팅에 의한 운전감 저하가 발생한다. 또한 차량 가속 시 모터링 최대 출력으로 전압이 하강하기 때문에 최저 전압 영역 근처에서는 모터 제어부의 하한 전압 디레이팅이 발생하여 스택 성능이 양호함에도 출력 감소가 발생한다. 그리고, 냉시동에서 스택 저전압 저효율 발전을 할 경우, 저전압 제어 성능이 좋아야 발열량을 최대로 얻을 수 있지만, 제어 전압 오차가 발생하면, 냉시동 시간 단축 효과가 줄어드는 문제점도 있다. 이 최대/최소 전압 영역을 제외한 중간 운전 영역에서 전력 변환 제어부의 전압 제어 오차가 크다면, 전력 분배 정밀제어 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 것과 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전압 동기화 방법을 적용하는 경우, 차량 시동부터 종료 시까지 운전 상태와 관계 없이 실시간 연속 전압 동기화 가능하며, 연료전지 차량의 회생제동 성능 및 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 모터 제어부 전압 기준 출력 디레이팅 진입/해제 반복에 의한 차량 떨림을 방지할 수 있고, 연료전지 스택 최대 출력 범위에서 모터링 최대 출력 유지 가능하며, 연료전지 스택 저전압 저효율 발전을 이용한 냉시동 시간 단축 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 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.
10: 고전압 파워넷 11: 연료전지 스택
111: 연료전지 스택 모니터 장치 13: 모터 제어부(MCU)\
15: 전력 변환 제어부(DCDC) 19: 블로워 펌프 제어부
30: 연료전지 제어부(주제어부)

Claims (14)

  1. 연료전지 차량이 시동되면, 연료전지 차량 내 고전압 부품들을 각각 제어하는 복수의 보조 제어부에서 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 상기 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정하고, 주제어부의 디폴트 전압 동기화 명령에 따라 선 보정된 전압을 추가 보정하는 디폴트 전압 동기화 단계; 및
    상기 디폴트 전압 동기화 단계가 완료되면, 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압과 연료전지 스택의 출력 전압을 기반으로 상기 고전압 부품의 전압을 보정하기 위한 목표 옵셋값을 상기 보조 제어부로 전송하고, 상기 보조 제어부가 상기 목표 옵셋값을 기반으로 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압을 보정하는 실시간 전압 동기화 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는,
    상기 복수의 보조 제어부가 연료전지의 시동과 관계없이 사전 저장한 옵셋 값을 기반으로 상기 고전압 부품들 각각의 전압을 선 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는,
    상기 복수의 보조 제어부가 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디폴트 전압 동기화 단계는, 상기 복수의 보조 제어부가 상기 사전 저장된 옵셋값을 기준으로 사전 설정된 레벨만큼 전압을 선 보정한 결과가, 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위 내인 경우 상기 주제어부로부터 디폴트 전압 동기화 명령을 대기하고, 상기 사전 설정된 옵셋 최대 허용 범위를 벗어나는 경우 상기 주제어부로 동기화 완료 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는,
    상기 보조 제어부가 상기 주제어부로부터 상기 디폴트 전압 동기화 명령을 수신하면, 상기 보조 제어부가 상기 사전 저장된 옵셋값 전체만큼 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 디폴트 전압 동기화 단계는,
    연료전지 시동이 완료된 후 상기 주제어부가 상기 스택 전압 측정 장치의 정상 여부를 판단하고, 상기 스택 전압 측정 장치가 정상인 경우 상기 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 주제어부가 상기 디폴트 전압 동기화 단계에서 보정된 전압과 연료전지 스택의 출력 전압의 차이에 따라 평균 옵셋값을 연산하고 상기 평균 옵셋값을 기준으로 목표 옵셋값을 선정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위 이내인 경우, 상기 주제어부는 전압 동기화를 종료하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 목표 옵셋값이 사전 설정된 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 주제어부는 연료전지 차량의 운전 상태를 판단하여 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 가능한 값인지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 주제어부는 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 가능한 값인 경우 상기 목표 옵셋값에 대응되는 실시간 보상 옵셋값과 상기 실시간 보상 옵셋값의 보정을 지시하는 제1 실시간 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 주제어부는 상기 목표 옵셋값 크기가 일시에 보정 불가능한 값인 경우 사전 설정된 최소 보상 옵셋값에 대응되는 실시간 보상 옵셋값과 상기 실시간 보상 옵셋값의 보상을 지시하는 제2 실시간 전압 동기화 명령을 상기 보조 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 보조 제어부가 상기 실시간 보상 옵셋값을 수신한 경우 상기 실시간 보상 옵셋값을 기준으로 전압 보정량을 연산하고, 사전 설정된 최대 보상 가능 옵셋 범위 내에서 전압 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량의 전압 동기화 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 실시간 동기화 단계는,
    상기 보조 제어부가 상기 사전 설정된 최대 보상 가능 옵셋 범위 내에서 전압 보정을 수행한 후 추가 보정이 가능한 것으로 판단되면, 보정된 전압을 상기 주제어부로 전송하고 추가적인 실시간 전압 동기화 명령을 대기하는 것을 특징으로 하는 차량의 전압 동기화 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 보조 제어부가 상기 주제어부로부터 전압 동기화 종료 명령을 수신하면, 총 보정된 옵셋값을 저장하는 옵셋값 저장 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전압 동기화 방법.
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