KR101684028B1 - 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 차량의 파워넷 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템은 일단이 연료전지 스택의 출력단에 연결된 다이오드, 연료전지 스택의 출력단과 다이오드 사이에서 분기되어 연결된 연료전지 부하장치, 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치 사이에서 상기 출력단과 연료전지 부하장치를 연결 및 분리시키는 제1 릴레이 및 일단이 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 제1 릴레이와 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법{CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 전압 제거 및 회생 제동 에너지를 소모할 수 있는 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
연료전지 스택의 전압을 낮춰 제거하기 위한 연료전지 부하장치는 연료전지 차량의 시동 정지 중 그리고 정지 이후에 연료전지 스택 내부의 산소를 제거하기 위해 연료전지 스택과 상시 연결된다. 연료전지 스택에 유입된 산소는 연료전지 부하장치를 통해 전류가 소모되면서 애노드의 잔존 수소와 함께 제거된다. 애노드에 수소가 부족한 경우에 산소 소모가 불가하므로 이를 막기 위해 주기적으로 애노드에 수소를 공급하는 Wakeup 기술이 이용된다.(대한민국 공개특허 제10-2010-0060478호)
즉, 연료전지 시스템의 경우, 내연기관 차량과 달리 시동 오프 이후 연료전지 스택 내부의 잔존 공기를 제거하여 연료전지 스택의 전압을 낮추는 별도의 후처리 과정이 필요하다. 이는 연료전지 스택의 열화를 막고, 고전압에 대한 위험에 노출되는 것을 방지하기 위함이다. 애노드에 산소가 존재한 상태에서 전압이 형성되면 캐소드 측의 카본 부식 열화가 발생되므로 연료전지 스택 내부의 산소를 제거하고, 추가적인 산소 유입을 방지하며, 유입이 되더라도 유입된 산소를 제거하는 과정이 필요한 것이다.
연료전지 차량의 충돌시 혹은 연료전지 시스템의 고장 발생시에도 강제적으로 연료전지 부하장치를 이용하여 연료전지 스택의 전압을 낮추는 것이 필요하다. 고전압에 대한 위험에 노출될 수 있는 문제점 때문이다.
본 발명은 연료전지 스택의 전압 제거 및 회생 제동 에너지를 소모할 수 있는 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템은 일단이 연료전지 스택의 출력단에 연결된 다이오드; 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 다이오드 사이에서 분기되어 연결된 연료전지 부하장치; 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치 사이에서 상기 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결 및 분리시키는 제1 릴레이; 및 일단이 상기 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 릴레이와 상기 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이를 포함할 수 있다.
상기 다이오드의 타단과 상기 제2 릴레이의 일단을 연결하는 노드에 연결된 인버터를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택과 상기 인버터 사이의 메인 버스단에 연결되어 메인 버스단의 전압을 조정하는 컨버터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 릴레이가 온(on) 되어, 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치가 연결되면, 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 연료전지 부하장치에 의해 감소될 수 있다.
상기 제2 릴레이가 온(on) 되어, 상기 인버터와 상기 부하장치가 연결되면, 상기 인버터에 연결된 모터의 회생제동에 의한 에너지가 상기 연료전지 부하장치에서 소모될 수 있다.
상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이는 동시에 온(on)되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법은 제1항의 연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법에 있어서,
고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인 경우, 상기 연료전지 차량의 충돌시 상기 제1 릴레이를 온(on) 시키며 동시에 상기 고전압 배터리에 연결된 컨버터의 출력단 전압이 상기 연료전지 스택의 출력단 전압보다 낮도록 상기 컨버터의 출력단 전압을 조정하는 전압제거단계를 포함할 수 있다.
상기 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이를 온(on)시켜 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결시키는 전압제거단계를 포함할 수 있다.
상기 전압제거단계에서 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압 미만으로 감소한 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이는 오프(off)시키며, 상기 제2 릴레이를 온(on) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이는 오프(off)시키며, 상기 제2 릴레이를 온(on) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계는 상기 고전압 배터리가 고장인지 여부, 상기 컨버터가 고장인지 여부, 상기 고전압 배터리의 SOC가 안전 한계치를 초과하였는지 여부, 또는 고전압 배터리에 인접한 충돌 센서에서 충돌이 감지되었는지 여부 중 적어도 하나를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법은, 엔진 브레이크를 이용하여 제동함에 의해 회생 제동시 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 제1 릴레이는 오프(off) 시키고, 상기 제2 릴레이는 온(on) 시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 회생 제동에 의한 회생 제동 에너지의 최대값은 상기 연료전지 부하장치의 소모 출력일 수 있다.
상기 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계는 상기 고전압 배터리가 고장인지 여부, 상기 컨버터가 고장인지 여부 또는 상기 고전압 배터리의 SOC가 안전 한계치를 초과하였는지 여부 중 적어도 하나를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법에 있어서, 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하는 연료전지 시스템이 고장인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단 전압보다 고전압 배터리에 연결된 컨버터의 출력단 전압이 더 높도록 상기 컨버터를 제어하여, 상기 고전압 배터리에 연결된 고전압 부품들을 고전압 배터리에 의해서만 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템이 고장인 경우, 상기 연료전지 스택의 애노드 수소 압력이 기설정된 기준 압력보다 높은지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 애노드 수소 압력이 기설정된 기준 압력보다 높은 경우 상기 컨버터의 출력단 전압을 일정 전압으로 고정시키는 단계를 포함하며, 상기 일정 전압은 메인 버스단에 연결된 고전압 부품이 동작가능한 최소 전압 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 시스템에 고장 발생시 메인 버스단의 전압을 조정하여 연료전지 스택의 출력을 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지 시스템에 고장 발생시, 애노드 측 수소 압력에 따라 애노드측 잔존 수소에 의해 생성된 출력이 고전압 배터리에 충전되도록 할 수 있다.
또한, 연료전지 차량 충돌시, 연료전지 스택의 전압과 메인 버스단의 잔존 전압을 낮춰 고전압에 노출될 수 있는 위험을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 회생 제동시에도 회생 제동 에너지가 고전압 배터리를 충전하는데에 이용될 뿐만 아니라, 연료전지 부하장치를 이용하여 소모될 수 있도록 하여 제동감을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 순서도에 도시된 각 단계들의 수행 주체 및 제1 릴레이 및 제2 릴레이들의 동작 주체, 컨버터의 출력 전압 제어의 주체는 연료전지 제어기(FCU) 또는 연료전지 제어기(FCU)와 통신하는 연료전지 시스템 내부의 각 컴포넌트들에 대한 복수의 제어기들일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 파워넷 시스템(100)은, 메인버스단(5)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지 스택(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(85), 메인 버스단(5) 상에 마련되며 일단이 연료전지 스택(10)의 출력단에 연결된 다이오드(20), 고전압 배터리(85)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(85)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter, 이하 컨버터)(80), 연료전지 스택(10)와 고전압 배터리(85)의 출력측인 메인버스단(5)에 연결된 인버터(30), 인버터(30)에 연결된 구동모터(40), 인버터(30) 및 구동모터(40)를 제외한 차량 내 고전압 보기류(90), 연료전지 스택(10)의 출력단과 다이오드(20) 사이에서 분기되어 연결된 연료전지 부하장치(60), 연료전지 스택(10)의 출력단과 연료전지 부하장치(60) 사이에 마련되며 연료전지 스택(10)의 출력단과 연료전지 부하장치(60)를 연결 및 분리시키는 제1 릴레이(50) 및 일단이 다이오드(20)의 타단에 연결되고, 타단이 제1 릴레이(50)와 연료전지 부하장치(60) 사이에 연결된 제2 릴레이(70)를 포함할 수 있다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(85)가 메인버스단(5)을 통해 인버터(30)/구동모터(40) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리(85)에 연결된 컨버터(80)가 연료전지(10)의 출력측인 메인버스단(5)에 접속되어, 컨버터(80)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(85)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지 스택(10)의 출력단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(20)가 설치된다. 다이오드(20)의 일단은 연료전지 스택(10)의 출력단에 연결되며, 다이오드(20)의 타단은 제2 릴레이(70)의 일단, 인버터(30), 고전압 보기류(90) 및 컨버터(80)와 하나의 노드(2)를 통하여 연결된다. 연료전지 스택(10)과 연료전지 부하장치(60)는 제1 릴레이(50)를 통해 연결될 수 있고, 모터(40)에 연결된 인버터(30)와는 제2 릴레이(70)를 통해 연결될 수 있다.
컨버터(80)는 메인 버스단(5)에 연결되며, 고전압 배터리(85)의 출력 전압 크기를 변환하여 메인 버스단(5)에 연결된 컨버터(80) 출력단 전압 크기를 조정할 수 있다.
제1 릴레이(50)가 온(on) 되어, 연료전지 스택(10)의 출력단과 연료전지 부하장치(60)가 연결되면, 연료전지 스택(10)의 전압이 연료전지 부하장치(60)에 의해 감소 및 제거될 수 있다.
또한, 제2 릴레이가 온(on) 되어, 인버터(30)와 부하장치(60)가 연결되면, 인버터(30)에 연결된 모터(40)의 회생제동에 의한 에너지가 연료전지 부하장치(60)에서 소모될 수 있다. 여기서, 제1 릴레이(50)와 제2 릴레이(70)는 동시에 온(on) 상태가 되지는 않는다. 고전압 부품은 고전압 보기류(90)와 모터(40) 등 고전압에 의해 구동되는 부품을 말한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 파워넷 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1에 도시된 연료전지 차량의 파워넷 시스템을 제어하는 방법을 도시하고 있다. 도면들을 참조하면, 도 2의 경우, 연료전지 차량의 정상 운전 도중(S201), 연료전지 시스템에서 고장이 발생되었는지를 판단한 후(S203), 고장 발생시, 연료전지 스택(10)의 애노드의 수소압력이 기설정된 기준 압력보다 낮은지 혹은 높은지 여부를 판단한다(S205). 여기서 연료전지 시스템의 고장이 발생하였다는 것은, 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하는 연료전지 시스템의 적어도 일부의 컴포넌트가 정상동작하지 않는 상태를 말한다.
연료전지 스택(10)의 발전 정지 프로세스는 먼저 연료전지 스택(10)으로의 산소 공급을 중단시키고, 연료전지 스택(10)의 전압을 제거한 이후에, 연료전지 스택(10)으로의 수소 공급을 중지하는 프로세스로 구성될 수 있다. 이때, 연료전지 스택(10)의 전압 제거는 연료전지 부하장치(60)를 이용할 수 있다. 다만, 연료전지 스택(10) 내부의 수소가 부족한 경우라면 크로스 오버를 통하여 연료전지 스택(10)의 전압이 하강될 수 있다. 그러나, 수소가 부족한 상황에서 연료전지 스택(10)의 출력이 발생하게 되면, 연료전지 스택(10)이 열화될 수 있으므로 이때에는 연료전지 스택(10)의 출력단으로부터 전류가 출력되는 것을 방지하기 위하여 컨버터(80)를 통해 메인 버스단(5)의 전압을 상향시킨다(S207).
즉, 연료전지 스택(10)의 애노드측 수소압력이 기설정된 기준 압력보다 낮다고 판단되면, 연료전지 스택(10)의 출력단 전압보다 컨버터(80)의 출력단 전압이 더 높도록 전압 제어하여, 연료전지 스택(10)에서 전류가 출력되는 것을 막는다. 기설정된 기준 압력은 애노드 측 수소의 부족을 방지하기 위한 최소 수소공급압력일 수 있다.
그러나, 애노드 측 수소압력이 기설정된 기준 압력보다 높은 경우라면, 연료전지 스택(10) 내부에서 산소와 수소가 반응하여 생성되는 출력이 고전압 배터리(85)로 충전되도록 한다. 즉, 애노드 수소 압력이 기설정된 기준 압력보다 높은 경우, 컨버터(80)의 출력단 전압을 일정 전압(V1)으로 고정시킬 수 있다. 컨버터(80)의 출력단 전압을 일정 전압(V1)으로 고정시키면, 연료전지 스택(10)의 출력단 전압이 일정 전압(V1)까지 감소되기 전까지는 연료전지 스택(10)의 출력이 고전압 배터리(85)에 충전될 수 있다. 일정 전압(V1)은 컨버터(80)의 구동 효율, 고전압 보기류(90)의 구동 효율을 인자로 하여 기설정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 연료전지 차량의 정상 운전 도중(S301), 연료전지 차량의 충돌이 발생한 경우(S303), 먼저 구동 모터(40)의 출력을 0으로 제어하며, 연료전지 스택(10)으로의 수소와 산소의 공급을 차단시킬 수 있다(S305),
차단 이후, 고전압 배터리(85)가 충전 가능 상태에 있는지 여부를 판단한다.(S307) 고전압 배터리(85)가 충전 가능 상태에 있는지 여부는 고전압 배터리(85)가 고장 상태인지 여부, 컨버터(80)가 고장 상태인지 여부, 고전압 배터리(85)의 충전 상태(SOC; State Of Charge)가 안전 한계치를 초과하였는지 여부(즉, 고전압 배터리(85)의 SOC가 과다 상황인지 여부), 또는 고전압 배터리에 인접한 충돌 센서에서 충돌이 감지되었는지 여부 중 적어도 하나에 기하여 판단될 수 있다.
고전압 배터리(85)가 충전 가능 상태에 있다고 판단되면, 고전압 배터리(220)를 충전하면서, 동시에 제1 릴레이(50)를 온(on)시켜 연료전지 부하장치(60)를 통해서도 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하여, 연료전지 스택(10)의 전압을 하강시킨다(S309). 즉, 고전압 배터리(85)가 충전 가능한 상태인 경우, 고전압 배터리(85)에 연결된 컨버터(80)의 출력단 전압이 연료전지 스택(10)의 출력단 전압보다 낮도록 컨버터(80)를 제어할 수 있다. 즉, 연료전지 차량의 충돌시 상기 제1 릴레이를 온(on) 시키며 동시에 고전압 배터리(85)에 연결된 컨버터(80)의 출력단 전압이 연료전지 스택(10)의 출력단 전압보다 낮도록 컨버터(80)의 출력단 전압을 조정할 수 있다. 이를 통해 연료전지의 전압 제거 속도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
고전압 배터리(85)가 충전 불가능 상태에 있다면, 메인 버스단(5)의 전압을 조정하고, 제1 릴레이(50)를 온(on) 시켜, 연료전지 부하장치(60)에 의해서만 연료전지 스택(10)의 전압이 제거되도록 한다.(S311) 즉, 고전압 배터리(85)가 충전 불가능한 상태인 경우, 연료전지 스택(10)의 출력단 전압보다 고전압 배터리(85)에 연결된 컨버터(80)의 출력단 전압이 더 높도록 컨버터(80)를 제어할 수 있다. 고전압 배터리(85)와 연료전지 스택(10)를 연결하는 고전압 배터리 릴레이(미도시)를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 제1 릴레이(50)를 온(on)시켜 연료전지 스택(10)의 출력단과 연료전지 부하장치(60)를 연결시킬 수 있다. 또는 고전압 배터리(85)와 연료전지 스택(10)을 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이는 오프(off)시키며, 상기 제2 릴레이를 온(on) 시킬 수 있다.
연료전지 스택(10)의 전압 제거 단계의 수행에 따라 연료전지 스택(10)의 전압이 소정 전압(V2)보다 낮아지게 되는지 여부를 판단하여(S313), 연료전지 스택(10)의 전압이 소정 전압(V2) 보다 낮아지게 되면, 고전압 배터리(85)와 메인 버스단(5) 간의 연결을 고전압 배터리 릴레이(미도시)를 이용하여 차단한다. 즉, 고전압 배터리(85)로부터 더이상 전압이 인가되지 않도록, 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)하여 고전압 배터리(85)로의 입력과 출력을 차단하는 것이다(S315). 제1 릴레이(50)는 오프(off)시키고, 이후 제2 릴레이(70)가 온(on) 상태가 되도록 하여, 메인 버스단(5)에 남아있는 전압이 연료전지 부하장치(60)에 의해 제거되도록 할 수 있다.
제2 릴레이(70)가 온(on) 된 이후, 메인 버스단(5)에 남아있는 전압이 소정 전압(V3) 미만인지 여부를 판단하여, 메인 버스단(5)의 잔존 전압이 소정 전압(V3) 미만으로 감소한 경우, 제1 릴레이(50) 및 제2 릴레이(70)를 모두 오프(off) 시킬 수 있다.
여기서, V2 및 V3는 동일한 값일 수 있으며, 안전성이 확보되는 최고 전압값일 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)의 전압이 V2 미만인 경우, 그리고 메인 버스단(5)의 전압이 V3 미만인 경우라면, 연료전지 스택(10)과 메인 버스단(5)의 전압 크기가 미소하여 안전성이 보장된다고 판단할 수 있다. 이상적으로 V2와 V3는 0일 수 있다.
도 4를 참조하면, S401 내지 S407 단계는 S301 내지 S307 단계와 동일하며, 고전압 배터리(85)의 충전이 가능한 경우, 연료전지 스택(10)의 출력이 고전압 배터리(85)의 충전에 이용되도록 하면서, 제1 릴레이(50)를 온(on)시켜 연료전지 부하장치(60)를 통해서도 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하여, 연료전지 스택(10)의 전압을 하강시킨다(S409). 즉, 고전압 배터리(85)가 충전 가능한 상태인 경우, 고전압 배터리(85)에 연결된 컨버터(80)의 출력단 전압이 연료전지 스택(10)의 출력단 전압보다 낮도록 컨버터(80)를 제어하면서, 제1 릴레이(50)를 온(on) 시킴으로써 연료전지 스택(10)의 출력단과 연료전지 부하장치(60)가 연결되도록 할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 전압 하강 제어에 따라 연료전지 스택(10)의 전압이 소정 전압(V2)보다 낮아지게 되는지 여부를 판단하여(S411), 연료전지 스택(10)의 전압이 소정 전압(V2) 보다 낮아지게 되면, 고전압 배터리(85)와 메인 버스단(5) 간의 연결을 차단한다. 즉, 고전압 배터리(85)로부터 더이상 전압이 인가되지 않도록, 고전압 배터리(85)로의 입력과 출력을 차단하는 것이다(S413). 이후의 단계는 도 3에 설명한 구성과 동일하므로 설명은 생략한다.
도 5는 연료전지 차량의 정상 운전 중(S501), 구동 모터(40)의 회생 제동으로 제동력이 발생하는 상황에서의 파워넷 시스템(100)을 제어하는 방법에 관한 것이다. L단(엔진 브레이크 기능으로, 연료전지 차량에서는 구동 모터 회생 제동으로 제동력이 발생되는 구간)에 있는 경우(S503), 모터(40)로부터의 회생 제동 에너지를 증대 유지시키며(S505), 고전압 배터리(85)의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단한다(S507). 즉, L단은 운전자의 브레이크 페달 조작없이도 제동감을 유지하기 위하여 브레이크 유압 대신에 모터의 회생제동 출력을 증대하는 운전 모드에 있는 경우를 말한다. 고전압 배터리(85)의 충전이 불가능한 경우, 제1 릴레이(50)는 오프(off) 시키고, 제2 릴레이(70)는 온(on) 시켜, 인버터(30)가 연료전지 부하장치(60)에 연결되도록 한다. 이를 통하여, 연료전지 부하장치(60)에서 회생 제동 에너지가 소모되도록 한다. 회생 제동 에너지가 부하장치(60)로 공급되는 최대치는 부하장치(60)의 출력에 의존한다.
따라서, 고전압 배터리(85)로의 충전이 불가능하더라도, 부하장치(60)를 통해 모터(40)의 회생 제동 에너지를 소모하여, 회생 제동량 확보를 할 수 있게 되어 제동감을 유지시킬 수 있는 효과를 갖는다.
고전압 배터리(85)의 충전이 가능한 경우, 제1 릴레이(50)와 제2 릴레이(70)는 모두 오프(off)시켜, 모터(40)로부터의 회생 제동 에너지가 고전압 배터리(85)의 충전에 이용될 수 있도록 한다. 고전압 배터리의 한계 용량에 따라 회생 제동 에너지의 최대치가 결정될 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 다이오드
30 : 인버터 40 : 모터
50 : 제1 릴레이 60 : 연료전지 부하장치
70 : 제2 릴레이 80 : 컨버터
85 : 고전압 배터리 90 : 고전압 보기류

Claims (16)

  1. 일단이 연료전지 스택의 출력단에 연결된 다이오드;
    상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 다이오드 사이에서 분기되어 연결된 연료전지 부하장치;
    상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치 사이에서 상기 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결 및 분리시키며, 연료전지 차량 충돌시에는 상기 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결시키는 제1 릴레이;
    일단이 상기 다이오드의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 릴레이와 상기 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이;
    상기 다이오드의 타단과 상기 제2 릴레이의 일단을 연결하는 노드에 연결된 인버터;
    상기 연료전지 스택과 상기 인버터 사이의 메인 버스단에 연결되어 메인 버스단의 전압을 조정하며 연료전지 차량 충돌시에는 출력전압을 상기 연료전지 스택의 출력단 전압보다 낮아지도록 출력전압을 조정하는 컨버터; 및
    상기 컨버터와 연결되는 고전압 배터리;를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 릴레이가 온(on) 되어, 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치가 연결되면, 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 연료전지 부하장치에 의해 감소되는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 릴레이가 온(on) 되어, 상기 인버터와 상기 부하장치가 연결되면, 상기 인버터에 연결된 모터의 회생제동에 의한 에너지가 상기 연료전지 부하장치에서 소모되는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이는 동시에 온(on)되지 않는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템.
  7. 연료전지 차량의 충돌시 연료전지 스택 출력단과 연료전지 부하장치간에 마련된 제1 릴레이를 온(on) 시켜, 상기 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결시키는 동시에 연료전지 스택 출력단과 고전압 배터리간에 마련된 컨버터의 출력단 전압을 상기 연료전지 스택의 출력단 전압보다 낮도록 상기 컨버터의 출력단 전압을 조정하는 연료전지 전압제거단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지 차량의 충돌시 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이를 온(on)시켜 상기 연료전지 스택의 출력단과 상기 연료전지 부하장치를 연결시키는 연료전지 전압제거단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 전압제거단계에서 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압 미만으로 감소한 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이는 오프(off)시키며, 일단은 연료전지 스택 출력단에 연결된 다이오드에 연결되고 타단은 상기 제1 릴레이와 상기 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이를 온(on) 시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지 차량의 충돌시 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 고전압 배터리와 연료전지를 연결하는 고전압 배터리 릴레이를 오프(off)시켜 고전압 배터리와 연료전지의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제1 릴레이는 오프(off)시키며, 일단은 연료전지 스택 출력단에 연결된 다이오드에 연결되고 타단은 상기 제1 릴레이와 상기 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이를 온(on) 시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서,
    상기 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인지 여부는, 상기 고전압 배터리가 고장인지 여부, 상기 컨버터가 고장인지 여부, 상기 고전압 배터리의 SOC가 안전 한계치를 초과하였는지 여부, 또는 고전압 배터리에 인접한 충돌 센서에서 충돌이 감지되었는지 여부 중 적어도 하나를 판단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    회생 제동시 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 고전압 배터리가 충전 불가능한 상태인 경우, 상기 제1 릴레이는 오프(off) 시키고, 일단은 연료전지 스택 출력단에 연결된 다이오드에 연결되고 타단은 상기 제1 릴레이와 상기 연료전지 부하장치 사이에 연결된 제2 릴레이는 온(on) 시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회생 제동에 의한 회생 제동 에너지의 최대값은 상기 연료전지 부하장치의 소모 출력인,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 고전압 배터리가 충전 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계는 상기 고전압 배터리가 고장인지 여부, 상기 컨버터가 고장인지 여부 또는 상기 고전압 배터리의 SOC가 안전 한계치를 초과하였는지 여부 중 적어도 하나를 판단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  15. 제7항에 있어서,
    연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하는 연료전지 시스템이 고장인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단 전압보다 고전압 배터리에 연결된 컨버터의 출력단 전압이 더 높도록 상기 컨버터를 제어하여, 상기 고전압 배터리에 연결된 고전압 부품들을 고전압 배터리에 의해서만 구동시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템이 고장인 경우, 상기 연료전지 스택의 애노드 수소 압력이 기설정된 기준 압력보다 높은지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 애노드 수소 압력이 기설정된 기준 압력보다 높은 경우 상기 컨버터의 출력단 전압을 일정 전압으로 고정시키는 단계를 포함하며,
    상기 일정 전압은 메인 버스단에 연결된 고전압 부품이 동작가능한 최소 전압 이상인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 차량의 파워넷 시스템의 동작 방법.
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