KR101864897B1

KR101864897B1 - 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법

Info

Publication number: KR101864897B1
Application number: KR1020110121557A
Authority: KR
Inventors: 주행식
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2018-06-05
Also published as: CN103129407B; CN103129407A; KR20130055889A

Abstract

본 발명은 차량의 출력증가가 미리 예측되는 도로조건에 맞춰 가속페달의 조작에 따른 블로어 구동으로 연료전지스택에서 요구되는 전력을 생성해 배터리에 미리 저장한 후, 상기 차량의 출력증가도로 진입시 가속페달을 조작하더라도 블로어의 회전수 증가에 따른 연료전지스택의 추가적인 전기 생성 없이 상기 배터리의 충전된 전력만을 이용하여 차량출력을 높여주는 무부하가속단계를 이용함으로써, 연료전지차량이 출력증가를 필요로 하는 도로에 진입된 경우라도 출력증강을 위한 가속페달의 급격한 조작이 방지되어 블로어의 급격한 회전수 상승에 따른 내구성 악화를 방지하고, 그에 따른 연료전지스택의 급격한 출력증가도 방지되는 특징을 갖는다.

Description

연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법{No Load Driving Output Increasing Operation Method Fuel Cell Vehicle}

본 발명은 연료전지차량에 관한 것으로, 특히 GPS정보를 이용해 미리 파악된 도로 경사에 맞춰 예측되는 모터 출력용 배터리의 예측전력을 미리 충전해 줄 수 있는 무부하 출력증강 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지차량은 연료전지 스택 내 수소 반응을 위해 공기가 반드시 공급되어야 하고, 또한 수소 반응시 필요한 공기량이 조절되어야 만 한다.

통상, 공기를 흡입해 공급하도록 모터 구동되는 블로어가 사용되며, 도 2는 종래에 따라 출력증강 요구시 블로어를 구동함으로써 늘어난 공기공급량으로 스택의 발전량을 올려주는 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 연료전지스택(1)은 수소 공급부(3)를 통해 수소를 공급받고 동시에 블로어(2)를 통해 공기를 공급받음으로써 배부 화학반응으로 전기를 생산하고, 생산된 전기는 배터리(4)로 충전된 후 동력을 위한 전력으로 사용된다.

통상, 차량의 출력이 증가되려면 모터의 출력이 높아져야 하고, 모터의 출력증대는 배터리(4)에서 공급되는 전력증가를 가져오게 된다.

그러므로, 차량의 출력증가는 배터리(4)를 충전하기 위한 연료전지스택(1)의 발전용량의 증가를 필요로 함으로써, 연료전지스택(1)에는 수소와 함께 공기의 공급량이 늘어 날 수밖에 없다.

도 3은 종래에 따른 연료전지차량의 출력증강로직을 나타낸다.

S200은 경사로와 같은 언덕길을 올라감으로써 연료전지차량에서 출력증강이 요구되는 조건이며, S210은 이러한 조건에서 출력증강을 위한 실제적인 조작이 수행되도록 운전자가 가속페달을 밟아주는 과정이다.

가속페달을 밟아주면, S220의 블로어(2)의 속도증가와 S230의 연료전지스택(1)의 산소유입량 증가 및 S240의 연료전지스택(1)의 전기발생량 증가와 같은 과정을 순차적으로 수행함으로써, 결국 S250과 같이 경사로조건에서 요구하는 출력증가에 부응할 수 있다.

국내특허공개 10-2009-0093281(2009.09.02)은 연료전지 차량의 제어 방법에 관한 것이며, 이는 도 1내지 도 4 참조.

상기와 같이 연료전지 차량의 출력증강은 가속페달의 스트로크 증가에 반응하여 연료전지스택(1)의 산소유입량이 증가되도록 블로어(2)의 회전수가 증가되는 방식일 수밖에 없다.

이는, 블로어(2)의 회전수 증가를 위해 연료전지차량에서 채택된 방식에 따른 것이지만, 이로 인해 블로어(2)는 내구성 약화가 촉진될 수밖에 없다.

일례로, 가속페달의 스트로크증가에 따라 블로어(2)는 최대 40,000 RPM 까지 회전수를 올려야 하고, 이러한 블로어(2)의 빈번한 회전수 상승은 결국 블로어 성능에 무리를 줘 기계적 부품들의 내구성을 약화시키게 된다.

특히, 출력증강을 자주 필요로 하는 도로를 주행하면서 운전자의 급가속과 같은 좋지 않은 운전습관은 블로어(2)의 무리는 물론 연료전지스택(1)등에도 좋지 않은 영향을 줄 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 GPS정보를 이용해 미리 파악된 도로 경사에 맞춰 예측되는 모터 출력용 배터리의 예측전력을 미리 충전해줌으로써, 출력증강을 위한 가속페달의 급격한 조작이 방지되어 블로어의 급격한 회전수 상승에 따른 내구성 악화를 방지함은 물론 연료전지스택에서도 급격한 출력증가가 없는 무부하가속을 수행할 수 있는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법은 차량의 출력증가가 미리 예측되는 도로조건에 맞춰 가속페달의 조작에 따른 블로어 구동으로 연료전지스택에서 요구되는 전력을 생성해 배터리에 미리 저장한 후,

상기 차량의 출력증가가 필요한 도로 진입시 상기 가속페달을 조작하더라도 상기 블로어의 추가적인 회전수 증가가 없고 동시에 상기 연료전지스택의 추가적인 전기 생성 없이 상기 배터리의 충전된 전력만을 이용하여 차량출력을 높여주는 무부하가속로직;

이 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 무부하가속로직이 수행되지 않으면, 상기 가속페달의 스트로크 증가에 반응하여 상기 연료전지스택의 산소유입량이 증가되도록 상기 블로어의 회전수를 증가됨으로써 상기 연료전지스택의 전기 발생이 증가되는 부하가속로직이 수행된다.

상기 무부하가속로직은 GPS 정보가 제대로 수신되는 상태인지를 체크하는 필요정보수신단계;

상기 GPS 정보 수신 상태에 문제가 없으면, 목적지에 대해 산출된 운전경로에서 차량의 출력증강이 필요한 구간이 있는지를 체크한 후, 체크된 출력증강 필요구간에서 필요로 하는 모터 구동전력을 산출하는 예측전력판단단계;

상기 산출된 모터 구동전력이 배터리의 현 전력을 통해 공급될 수 있는지를 판단하는 배터리전력산출단계;

상기 배터리의 충전을 위한 예측전력이 필요하면, 가속페달의 스트로크를 증가시켜 상기 블로어의 공기공급량이 증가된 상기 연료전지스택에서 상기 예측전력을 생성하여 상기 배터리에 공급하는 배터리잉여충전단계;

상기 배터리잉여충전이 완료된 후, 상기 가속페달의 스트로크 증가여부를 지속적으로 모티터링 하여 상기 무부하가속로직을 수행할 준비를 하는 대기모드진입단계;

상기 대기모드중 상기 가속페달의 스트로크가 증가되면, 상기 가속페달의 스트로크 증가에 따른 속도증가를 위해 상기 모터에서 요구되는 전력 값을 산출 하는 무부하 가속준비단계;

상기 무부하 가속 준비중 상기 모터의 요구전력값이 산출되면, 상기 배터리의 전력을 상기 모터로 공급해 차량 출력을 높여 주는 무부하 가속실행단계;

를 포함해 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 필요정보수신단계의 GPS 정보는 네비게이션이나 또는 상기 블로어를 구동 제어하는 블로어 마이컴을 통해 체크된다.

상기 블로어 마이컴에는 도로 맵 정보가 탑재된다.

상기 예측전력판단단계에서 산출되는 상기 모터 구동전력은 파악된 운전경로와 운전지형을 기반으로 한다.

상기 배터리잉여충전단계에서는 상기 연료전지스택에서 생성되어진 잉여전기는 차속증가를 위한 상기 모터의 소모전력으로 전환되지 않고 상기 배터리로 모두 충전된다.

상기 대기모드에서는 상기 무부하가속로직을 수행하기 위한 제어신호가 없는 상태이면 상기 부하가속로직으로 전환된다.

상기 필요정보수신단계중 상기 GPS 정보 수신 상태에 문제가 있거나, 또는 상기 예측전력판단단계중 출력증강 필요구간이 없거나, 또는 상기 배터리전력산출단계중 상기 배터리의 충전이 필요 없으면, 상기 부하가속로직으로 전환된다.

이러한 본 발명은 GPS정보로 미리 파악된 출력증강요구 도로 조건에 맞춰 배터리의 예측 전력을 미리 보충함으로써 경사도로 진입시에도 가속페달의 급격한 조작이 방지되고, 특히 연료전지스택에서도 급격한 출력증가가 없는 무부하가속을 수행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 출력증강요구 도로 조건에서 미리 보충된 배터리의 예측 전력을 사용하여 출력을 증가함으로써 고출력을 요구하는 운전조건에 신속히 대응할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 출력증강요구 도로 조건에서도 가속페달의 급격한 조작이 없어 그에 따른 블로어의 급격한 회전수 상승과 연료전지스택의 급격한 출력증가도 없어짐으로써, 연료전지스택의 내구성 악화 특히 블로어의 내구성 악화가 방지되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따라 무 부하 가속을 도로조건에 맞춰 수행할 수 있는 연료전지차량의 운영로직이고, 도 2는 종래에 따라 출력증강 요구시 블로어를 구동함으로써 늘어난 공기공급량으로 스택의 발전량을 올려주는 연료전지차량의 구성이며, 도 3은 종래에 따른 연료전지차량의 출력증강로직이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따라 무부하가속을 도로조건에 맞춰 수행할 수 있는 연료전지차량의 운영로직을 나타낸다.

도시된 바와 같이 무부하가속을 위한 운영로직이 실행되면, S10과 같이 네비게이션 No Error를 실행함으로써 GPS 정보가 제대로 수신되는 상태인지를 체크한다.

이 경우, 상기 GPS 정보의 수신 상태가 네비게이션을 통해 체크됨을 예로 들었지만, 실차 적용시에선 공기를 연료전지스택으로 공급하는 블로어를 구동 제어하는 블로어 마이컴이 이용될 수 있다.

상기와 같이 블로어 마이컴이 이용됨으로써 네비게이션에 대한 의존성이 없어지는 편리함이 있지만, 이 경우엔 블로어 마이컴에 도로 맵 정보가 탑재됨을 전제로 한다.

상기 S10의 체크결과, GPS 정보 수신상태에 문제가 있으면 즉시 S140으로 넘어가 기존 로직에 따른 제어를 수행한다.

여기서, 상기 기존 로직에 따른 제어수행은 부하가속로직으로서, 이는 가속페달의 스트로크 증가에 반응하여 연료전지스택(1)의 산소유입량이 증가되도록 블로어(2)의 회전수가 증가됨으로써, 연료전지차량의 출력이 증강되는 방식을 의미한다.

반면, 상기 S10의 체크결과, GPS 정보 수신상태에 문제가 없으면 S20으로 넘어가 목적지에 대한 운전경로를 산출하고, 산출된 운전경로에 대해 S30과 같이 출력증강이 필요한 구간이 있는지를 체크한 후, 만약 출력증강이 필요하지 않으면 즉시 S140으로 넘어가 기존 로직에 따른 부하가속로직을 수행한다.

여기서, 상기 운전경로 산출은 네비게이션을 이용하거나 또는 도로 맵 정보가 탑재된 블로어 마이컴을 이용한다.

상기 S30의 체크결과, 출력증강 필요구간이 있으면 S40과 같이 모터 구동을 위한 필요전력을 산출하고, S50에서 산출된 필요전력이 배터리를 통해 충분히 공급될 수 있는지 여부를 진단한 후 만약 배터리 전력이 충분하면 즉시 S140으로 넘어가 기존 로직에 따른 제어를 수행한다.

여기서, 상기 모터 구동을 위한 필요전력 산출은 파악된 운전경로와 운전지형을 기반으로 하며, 배터리전력 체크는 BMS(Battery Management System)이나 기타 차량제어 컨트롤러를 통해 수행된다.

상기 S50의 판단결과, 배터리전력의 충전이 필요하면 S60과 같이 블로어를 통한 공기공급량 증가를 통해 연료전지스택의 출력을 증강함으로써 배터리에서 요구되는 예측전력을 공급하여 준다.

여기서, 블로어는 가속페달의 스트로크 증가에 따라 회전수를 상승시켜줌으로써 연료전지스택으로 들어가는 공기공급량을 증가하지만, 이 경우 가속페달의 조작시점이 바로 출력증강을 필요로 하지 않는 상태이므로 가속페달은 급격하거나 과도한 스트로크 증가 없이 조작된다.

이로 인해, 가속페달을 조작해 출력을 증강하더라도 블로어는 그 회전수가 최대 40,000 RPM 까지 올라가지 않게 되고, 이는 블로어는 과도한 회전수상승에 따른 기계적 부품들의 내구성 약화가 방지된다.

통상, 블로어는 PWM 신호로 회전속도를 제어하며, 이는 블로어 마이컴을 통해 구현된다.

이러한 출력 증강시 연료전지스택의 전기 발생과 그에 따른 전기의 배터리충전과정은 작동은 통상적인 연료전지스택의 출력 증강시와 동일하게 이루어진다.

하지만, 상기와 같이 연료전지스택의 출력증강에 따른 잉여전기는 차속증가를 위한 모터소모전력으로 전환되지 않고 배터리로 모두 충전되며, 본 실시예에서 이는 통상 BMS나 차량제어를 위한 컨트롤러의 로직을 통해 간단히 구현된다.

이어, 상기 S60의 수행 후, S70과 같이 예측 전력을 더 충전한 배터리의 전력충전상태가 충분한지 여부기 지속적으로 체크된다.

상기 S70의 체크결과, 배터리의 전력충전상태가 충분하지 않으면 S60의 과정을 지속하고, 반면 배터리의 전력충전상태가 충분하면 S71로 넘어가 대기모드로 진입한다.

여기서, 상기 대기모드는 배터리의 전력충전상태가 충분한 상태인 시점에서 가속페달의 스트로크가 증가되기 전까지를 의미하며, 이는 가속페달의 스트로크가 증가됨은 산출된 운전경로에서 출력증강이 필요한 구간에 차량이 진입되기 위해 운전자의 가속페달 조작이 개시됨에 기반 된다.

또한, 상기 대기모드는 무부하가속로직을 수행하기 위한 제어신호가 없는 상태에서는 기존의 제어로직인 부하가속로직이 수행되며, 이러한 부하가속로직의 수행에 따른 배터리전력 부족분은 BMS나 차량제어용 컨트롤러를 통해 지속적으로 체크됨으로써 무부하가속로직을 통해 보충되어진다.

이후, S80과 같이 가속페달 조작으로 인한 가속페달의 스트로크 증가를 검출하면, S90에서는 가속페달의 스트로크 증가에 따른 속도증가를 위해 모터에서 요구되는 전력 값을 산출 하여 준다.

이어, S90의 요구전력 값이 산출되면, S100에서 배터리를 통해 모터에 전류를 공급하여 S110과 같이 모터의 출력을 높여 경사로 진입을 이한 차량 출력을 높여 준다.

S110은 무부하가속 상태인데, 이는 비록 가속페달을 밟아 스트로크가 증가하였더라도 블로어의 구동이 없고 동시에 연료전지스택의 출력증가도 전혀 필요 없음에 기인된다.

이후, S120과 같이 가속페달의 스트로크가 감소됨을 감지하면, S130에서 산출된 운전경로에 따른 출력증강이 필요한 구간이 지속되는지 여부를 다시 한번 판단한 후, S130의 판단결과 출력증강구간이 종료되었으면 무부하가속 로직을 중단하고 즉시 S140으로 넘어가 기존 로직에 따른 제어로 전환하여 준다.

여기서, 상기 기존 로직에 따른 제어수행은 전술된 바와 같이 부하가속로직을 의미한다.

상기와 같이 본 실시예는 차량의 출력증가가 미리 예측되는 도로조건에 맞춰 가속페달의 조작에 따른 블로어 구동으로 연료전지스택에서 요구되는 전력을 생성해 배터리에 미리 저장한 후, 상기 차량의 출력증가도로 진입시 가속페달을 조작하더라도 블로어의 회전수 증가에 따른 연료전지스택의 추가적인 전기 생성 없이 상기 배터리의 충전된 전력만을 이용하여 차량출력을 높여주는 무부하가속단계를 이용함으로써, 연료전지차량이 출력증가를 필요로 하는 도로에 진입된 경우라도 출력증강을 위한 가속페달의 급격한 조작이 방지되어 블로어의 급격한 회전수 상승에 따른 내구성 악화를 방지하고, 그에 따른 연료전지스택의 급격한 출력증가도 방지될 수 있다.

이와 더불어 본 실시예에서는 출력증강요구 도로 진입시 미리 보충된 배터리의 예측 전력을 사용하여 출력을 증가함으로써 고출력을 요구하는 운전조건에 신속히 대응할 수 있게 된다.

1 : 연료전지스택 2 : 블로어
3 : 수소공급부 4 : 배터리

Claims

차량의 출력증가가 미리 예측되는 도로조건에 맞춰 가속페달의 조작에 따른 블로어 구동으로 연료전지스택에서 요구되는 전력을 생성해 배터리에 미리 저장한 후,
상기 차량의 출력증가가 필요한 도로 진입시 상기 가속페달을 조작하더라도 상기 블로어의 추가적인 회전수 증가가 없고 동시에 상기 연료전지스택의 추가적인 전기 생성 없이 상기 배터리의 충전된 전력만을 이용하여 차량출력을 높여주는 무부하가속로직;
이 포함되어 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 1에 있어서, 상기 무부하가속로직이 수행되지 않으면, 상기 가속페달의 스트로크 증가에 반응하여 상기 연료전지스택의 산소유입량이 증가되도록 상기 블로어의 회전수를 증가됨으로써 상기 연료전지스택의 전기 발생이 증가되는 부하가속로직이 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 무부하가속로직은 GPS 정보가 제대로 수신되는 상태인지를 체크하는 필요정보수신단계;
상기 GPS 정보 수신 상태에 문제가 없으면, 목적지에 대해 산출된 운전경로에서 차량의 출력증강이 필요한 구간이 있는지를 체크한 후, 체크된 출력증강 필요구간에서 필요로 하는 모터 구동전력을 산출하는 예측전력판단단계;
상기 산출된 모터 구동전력이 배터리의 현 전력을 통해 공급될 수 있는지를 판단하는 배터리전력산출단계;
상기 배터리의 충전을 위한 예측전력이 필요하면, 가속페달의 스트로크를 증가시켜 상기 블로어의 공기공급량이 증가된 상기 연료전지스택에서 상기 예측전력을 생성하여 상기 배터리에 공급하는 배터리잉여충전단계;
상기 배터리잉여충전이 완료된 후, 상기 가속페달의 스트로크 증가여부를 지속적으로 모티터링 하여 상기 무부하가속로직을 수행할 준비를 하는 대기모드진입단계;
상기 대기모드중 상기 가속페달의 스트로크가 증가되면, 상기 가속페달의 스트로크 증가에 따른 속도증가를 위해 상기 모터에서 요구되는 전력 값을 산출 하는 무부하 가속준비단계;
상기 무부하 가속준비중 상기 모터의 요구전력값이 산출되면, 상기 배터리의 전력을 상기 모터로 공급해 차량 출력을 높여 주는 무부하 가속실행단계;
를 포함해 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 3에 있어서, 상기 필요정보수신단계의 GPS 정보는 네비게이션이 또는 상기 블로어를 구동제어하는 블로어 마이컴을 통해 체크되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 4에 있어서, 상기 블로어 마이컴에는 도로 맵 정보가 탑재된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 3에 있어서, 상기 예측전력판단단계에서 산출되는 상기 모터 구동전력은 파악된 운전경로와 운전지형을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 3에 있어서, 상기 배터리잉여충전단계에서는 상기 연료전지스택에서 생성되어진 잉여전기는 차속증가를 위한 상기 모터의 소모 전력으로 전환되지 않고 상기 배터리로 모두 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 3에 있어서, 상기 대기모드에서는 상기 무부하가속로직을 수행하기 위한 제어신호가 없는 상태이면 상기 부하가속로직으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.
청구항 3에 있어서, 상기 필요정보수신단계중 상기 GPS 정보 수신상태에 문제가 있거나, 또는 상기 예측전력판단단계중 출력증강 필요구간이 없거나, 또는 상기 배터리전력산출단계중 상기 배터리의 충전이 필요 없으면, 상기 부하가속로직으로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 무부하 출력증강 운영방법.