KR101947888B1 - 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

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Abstract

최소셀전압비율에 도달할 경우, 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계; 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계; 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계; 및 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING SUPPLY ENERGY OF FUELCELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지의 셀 전압 하강시 전류제한을 통해 연료전지를 보호함에 있어서 차량의 이상 거동을 방지하고, 셀 전합 하강을 미리 예측함으로써 연료전지 내구성을 강화하고 고전압배터리의 효율적인 운영을 도모할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다.
연료전지스택(STACK)은 수백개의 단위 셀로 구성이 되어 있으며, 차량에서는 이 셀들을 2~4개씩 묶어 다시 수백개의 채널별로 평균 셀전압을 센싱하고 있다. 이러한 장치를 스택 전압 측정장치(SVM: Stack Voltage Monitor)라고 하며, 연료전지 스택 개별 셀의 성능을 모니터링하는 아주 중요한 역할을 한다.
만약 특정 채널(셀 4개를 묶은 채널)의 셀전압이 정상치 대비 낮은 경우(셀빠짐 발생), 실제 한 개의 셀은 스택 열화 또는 플러딩으로 가스 공급이 제대로 되지 않아 전압이 강하된 경우일 가능성이 크다. 이런 경우 전류를 계속 뽑을 경우 역전압이 발생하여 해당 셀은 더 큰 Damage로 열화가 가속화 된다. 이를 방지하기위해 연료전지 제어기(FCU, Fuel cell Control Unit)는 전류제한으로 2차적인 Damage가 발생하지 않도록 제어하고 있다.
그러나 셀빠짐 속도가 빨라서 FCU의 전류제한으로 셀빠짐을 막지 못하는 경우가 많다. 그리고 이 경우 셀빠짐 발생과 최대전류제한 시점이 반대가 되어 셀빠짐이 발생하고 전류제한이 이루어지지 않다가, 셀빠짐이 발생되지 않으나 전류제한이 이루어지고, 이러한 상황이 반복되며 울컥거림 등의 차량 이상 거동으로 나타날 수 있다.
따라서 셀빠짐의 징후를 사전에 감지하여 미리 전류제한을 적정시점에 들어가고, 그에 따라 적절한 전류제한을 수행하여 차량의 이상거동을 방지하는 제어방법이 필요하였던 것이다.
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 10-1351349 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 셀 전압 하강시 전류제한을 통해 연료전지를 보호함에 있어서 차량의 이상 거동을 방지하고, 셀 전합 하강을 미리 예측함으로써 연료전지 내구성을 강화하고 고전압배터리의 효율적인 운영을 도모할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법은, 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우, 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계; 셀전압비율을 모니터링하는 단계; 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계; 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계; 및 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계;를 포함한다.
최소셀전압비율은 연료전지에서 출력이 발생할 경우 역전압이 발생되지 않을 정도의 최소값일 수 있다.
위험셀전압비율은 최소셀전압비율보다 큰 값일 수 있다.
연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달하고 최소셀전압의 하강 변화율이 평균셀전압의 하강 변화율보다 큰 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정할 수 있다.
차량의 키오프 또는 시동오프시 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 직렬로 연결되도록 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지만으로 시스템 요구출력을 출력하도록 하고, 제1고전압배터리와 제2고전압배터리의 출력단 전압이 연료전지의 출력단 전압의 수준에 도달하도록 부스팅한 후 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 병렬로 메인버스단에 연결할 수 있다.
제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계 이후에는, 시스템 요구출력이 기준값 이하로 감소될 경우 제2고전압배터리의 보충전류 출력을 중지할 수 있다.
연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계에서는 시스템 요구출력이 기준값 이상인 상태에서 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장할 수 있다.
제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계에서는 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 사전제한전류를 제한유지전류로 하고, 연료전지 출력전류가 제한유지전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력할 수 있다.
본 발명의 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법을 수행하기 위한 시스템은, 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 각각 제1컨버터와 제2컨버터를 통해 메인버스단에 병렬로 연결되도록 하는 분할모드 또는 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 직렬로 연결되고 제2컨버터를 통해 메인버스단에 병렬로 연결되도록 하는 통합모드를 구현하는 스위치; 연료전지 셀 각각의 전압을 도출하는 전압센서; 최소셀전압비율, 위험셀전압비율, 출력제한전류, 사전제한전류를 저장하는 메모리; 및 스위치와 연료전지의 구동을 제어하며, 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우 메모리의 사전제한전류를 해당 시점의 연료전지 출력전류로 갱신하고, 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하며 스위치를 통해 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 분할모드로 전환하고, 연료전지의 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하도록 제2컨버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.
제1고전압배터리와 제1컨버터는 제1회로로 연결되고 제2고전압배터리와 제2컨버터는 제2회로로 연결되며 제1회로와 제2회로는 제1스위치 및 제2스위치를 통해 상호 분리되거나 연결될 수 있다.
제1고전압배터리와 제2고전압배터리 사이에는 제1스위치가 마련되어 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 서로 분리되거나 직렬로 연결될 수 있다.
고전압배터리들과 컨버터들 사이 지점에서 제1회로와 제2회로 사이에는 제2스위치가 마련되어 제1회로와 제2회로가 서로 분리되거나 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지의 셀 전압 하강시 전류제한을 통해 연료전지를 보호함에 있어서 차량의 이상 거동을 방지하고, 셀 전합 하강을 미리 예측함으로써 연료전지 내구성을 강화하고 고전압배터리의 효율적인 운영을 도모할 수 있게 된다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 에너지 공급 제어시스템을 나타낸 도면.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법의 순서도.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 에너지 공급 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법의 순서도이다.
도 3 및 4를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법은, 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우, 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계(S430); 셀전압비율을 모니터링하는 단계; 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계(S230); 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계(S270); 및 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계(S320);를 포함한다.
본 발명에서는 고전압배터리의 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 구비된 경우를 예로 설명하고 있으나, 고전압배터리가 3개 이상 마련된 경우에도 복수의 고전압배터리 중 하나를 제1고전압배터리로 하고 나머지 중 다른 하나를 제2고전압배터리로 하는 경우 역시 실시예로써 포함된다. 즉, 본 발명에서는 차량에 마련되는 고전압배터리가 최소 2개 이상이면 되는 것이며, 그 갯수에 있어서는 한정되지 않는 것이다.
먼저 차량의 시동을 걸 경우 미리 메모리에 저장된 초기값들을 로딩한다(S100). 초기값에는 최소셀전압비율, 위험셀전압비율, 출력제한전류, 사전제한전류 등이 포함된다.
연료전지는 역전압 등으로 인한 셀의 손상을 방지하기 위해 출력제한전류의 이하에서만 전류를 출력하도록 제어된다. 그리고 본 발명에서는 이와는 별도로 사전제한전류값을 두어 셀빠짐을 미리 예측하고, 실제로 셀이 급격한 전압강하를 겪기 전에 미리 사전제한전류에 따라 연료전지의 출력을 제한하는 것이다. 따라서 차량에는 출력제한전류와 사전제한전류 두가지의 제한값을 가지고 있는 것이며 그 중 더 낮은 값으로 연료전지의 출력을 제한한다.
그리고 셀전압비율(RV)라 함은 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 값을 의미하며, 따라서 셀전압비율이 작아질수록 전압이 최소인 셀의 전압이 매우 낮다는 것을 의미하는바, 셀빠짐의 확률이 높다고 볼 수 있다. 따라서, 셀전압비율이 사전에 미리 정의된 최소셀전압비율에 도달할 경우, 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계를 수행한다. 즉, 도 4와 같이 액셀레이터 개도가 기준값 c 이상인 경우(예를 들어, 10% 이상)인 경우(S410)에는 차량이 어느 정도 발진을 하는 상황이라 볼 수 있고, 그와 같이 연료전지에서 출력을 내는 경우에 있어서 셀전압비율이 미리 지정된 최소셀전압비율(b)까지 낮아지는 경우(S420)에는 현재 연료전지에서 발생시키고 있는 전류값으로 사전제한전류를 갱신하는 것이다(S430).
그리고 만약 셀전압비율이 정상적이라면 사전제한전류를 다시 조금씩 증대시켜 원상태로 복귀시키는 것이다(S440). 이 과정에서는 시간을 두고 지켜보며 천천히 갱신하도록 함으로써 급격한 제어의 변화를 방지한다(S450).
여기서 최소셀전압비율은 연료전지에서 출력이 발생할 경우 역전압이 발생되지 않을 정도의 최소값일 수 있다. 일반적으로 셀전압비율이 0.74 이하가 되는 경우 역전압의 발생확률이 높기 때문에 최소셀전압비율은 0.75 정도로 메모리에 세팅하는 것이 가능하다. RV=0.74의 경우에는 스택 출력을 뽑을 때 역전압이 생기지 않는 RV(스택전압비율)의 최소값이다. 스택 셀전압 평균이 0.90V인 경우 만약 RV가 0.74이면 스택 최소셀 전압은=0.66V가 된다. 만약 스택 최소셀(0.66v)이 셀 4개를 묶은 채널이라면 최악의 경우 3개 셀은 0.90V, 나머지 1개 셀은 0.06V이므로 역전압이 생기기 직전이다. 따라서 RV가 0.74이면, 역전압을 방지하기 위해 더 이상 전류를 뽑지 않으며 RV가 0.74 이하면, 이미 역전압이 발생되었을 가능성이 있으므로 현재 전류를 줄여야 한다.
그 후에는 셀전압비율을 모니터링하는 단계를 수행한다. 그리고 만약 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우(S210)에는 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계(S230)를 수행한다. 여기서, 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달하고(S210) 최소셀전압의 하강 변화율이 평균셀전압의 하강 변화율보다 큰 경우(S220) 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정할 수 있다(S230).
위험셀전압비율은 최소셀전압비율보다 큰 값으로서, 최소셀전압비율이 0.75인 경우 위험셀전압비율은 0.8 정도일 수 있다. 따라서 연료전지의 셀전압비율이 위험셀전압비율까지 떨어진 경우에는 당장 역전압이 발생되지는 않지만 향후 그러할 개연성이 높은 경우라 할 수 있으며, 더욱이 최소셀전압의 하강 변화율이 평균셀전압의 하강 변화율보다 큰 경우에는 그 특정 셀의 경우 빠르게 전압이 하강하는 경우로써 향후 셀빠짐이 발생될 우려가 매우 높은 상황이라고 볼 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 사전적으로 먼저 전류를 제한하고 그 출력전류 제한의 기준이 바로 사전제한전류값인 것이다. 따라서, 미리 연료전지 셀의 악화상황을 파악하고 예방차원에서 마치 셀빠짐이 발생된 것과 같은 전류의 제한을 수행함으로써 연료전지가 더 이상 악화되지 않고 서서히 회복되는 시간을 확보할 수 있게 되는 것이다.
다만, 이러한 경우 갑자기 연료전지의 출력전류를 낮추게 되는데, 전류제한을 하는 제어는 동시적으로 일어나지만 연료전지의 출력을 제한하는 보기류 등의 경우 즉각적인 반응을 기대하기는 어렵기 때문에 일정시간 차량 구동의 울컥거림 등 이상 거동이 나타날 수 있게 된다. 즉, 연료전지의 출력전류를 100 수준에서 50 수준으로 낮출 경우 그에 따라 공기공급량을 줄이게 되는데, 유체의 특성상 어느 정도의 히스테리시스가 있을 수밖에 없고, 그에 따라 출력전류는 50 수준의 근방에서 떨리게 된 후 수렴하는바, 그 과정에서 울컥거림이 나타날 수 있는 것이다. 그리고 출력전류를 강하하는 과정에서 해당 셀의 전압이 급속도로 컨디션이 낮아지는 경우에도 울컥거림이 나타날 수 있게 된다.
따라서, 이러한 전류의 제한으로 인한 파워의 공백에 따른 울컥거림 등의 차량 이상 거동을 방지하기 위해 순간적으로 파워를 보충해줄 수 있는 수단이 필요하다. 도 1 및 2는 이러한 파워를 보충하기 위한 스위칭의 과정을 나타내는데, 이 과정을 위해 차량의 고전압배터리를 회로적으로 분할하여 두 개의 배터리로 구성하고, 이를 함께 통합하거나 분할토록 함으로써 대처가 가능해진다.
즉, 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계(S270)를 수행한다. 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우에는 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 분할하고, 그 중 제1고전압배터리는 연료전지와 함께 종래의 하이브리드 모드를 구현하고, 제2고전압배터리는 단지 대기상태에 있게 하는 것이다. 그리고 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류에 도달하거나 또는 출력제한전류의 일정범위 이내에 들어온 경우(S310) 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계(S320)를 수행토록 함으로서 울컥거림이 발생할 수 있는 순간 파워를 보충함으로써 운전성을 확보하는 역할을 수행하는 것이다.
종래와 같이 고전압배터리를 한 개로만 운영할 경우에는 고전압배터리의 충전량을 충분히 가져가지 못하고 하이브리드 구동의 특성상 지속적으로 전류의 충방전이 일어나는 것이다. 따라서, 배터리를 둘로 나누고, 하나는 종래와 같이 연료전지를 서포트하며, 나머지 하나는 충전하며 대기하고 있다가 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 순간적으로 전류를 출력하여 부족한 파워를 보충하고 구동력이 떨어지는 현상을 방지하는 것이다.
이에 따라 연료전지를 효과적으로 보호하고 열화를 방지하면서도 차량 전체의 출력은 급격히 떨어지지 않도록 함으로써 내구성과 운전성 모두를 만족시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 사전제한전류는 연료전지의 셀전압비율의 변동에 따라 변할 수 있는 값이므로, 만약 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우에는, 사전제한전류를 제한유지전류로 하여 더 이상 변동되지 않는 값으로 고정한 후(S312), 연료전지 출력전류가 고정된 값인 제한유지전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하도록 할 수 있다. 즉, 보충전류를 출력하는 동안에는 사전제한전류가 변동되더라도 출력을 일정하게 유지하여 차량의 운전성을 해치지 않도록 할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에서는 차량의 키오프 또는 시동오프시 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 직렬로 연결되도록 하는 단계(S360)를 더 포함할 수 있다. 즉, 고전압배터리를 분할하여 사용하더라도 시동 오프시에는 다시 이를 통합하여 둠으로서 다음 시동에 대비하고, 평상시에는 고전압배터리가 종래와 같이 하나로 통합된 상황에서 연료전지를 서포트할 수 있도록 한다.
그리고, 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계(S270)에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지만으로 시스템 요구출력을 출력하도록 하고(S240), 제1고전압배터리와 제2고전압배터리의 출력단 전압이 연료전지의 출력단 전압의 수준에 도달하도록 부스팅한 후(S250) 그 전압의 차이가 10V 미만으로 떨어진 경우에 있어 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 병렬로 메인버스단에 연결할 수 있다(S260). 이러한 과정을 통해 배터리의 분할과정에서 과전압에 따른 쇼트 등을 방지하고 회로를 보호할 수 있게 된다.
아울러, 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계 이후에는, 시스템 요구출력이 기준값 이하로 감소될 경우 제2고전압배터리의 보충전류 출력을 중지할 수 있다(S340). 즉, 액셀레이터 개도가 기준값 c 이하인 경우(예를 들어, 10% 이하)인 경우(S330)에는 요구출력이 낮은 경우이며 이와 같은 경우에는 출력전류 자체가 낮아 제한될 염려가 없으므로 울컥거림 등의 이상 거동 현상이 발생할 개연성도 적다. 따라서 이러한 경우에는 다시 고전압배터리를 통합함으로서 회생제동 등을 충분히 수행할 수 있도록 하고 연비를 향상시키는 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템을 나타낸 도면으로써, 스위치는 제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200)가 각각 제1컨버터(120)와 제2컨버터(220)를 통해 메인버스단(600)에 병렬로 연결되도록 하는 분할모드 또는 제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200)가 직렬로 연결되고 제2컨버터(220)를 통해 메인버스단(600)에 병렬로 연결되도록 하는 통합모드를 구현할 수 있도록 한다.
제1고전압배터리(100)와 제1컨버터(120)는 제1회로(140)로 연결되고 제2고전압배터리(200)와 제2컨버터(220)는 제2회로(240)로 연결되며 제1회로(140)와 제2회로(240)는 제1스위치(160) 및 제2스위치(260)를 통해 상호 분리되거나 연결될 수 있다. 본 발명에서는 고전압배터리의 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 구비된 경우를 예로 설명하고 있으나, 고전압배터리가 3개 이상 마련된 경우에도 복수의 고전압배터리 중 하나를 제1고전압배터리로 하고 나머지 중 다른 하나를 제2고전압배터리로 하는 경우 역시 실시예로 포함된다.
제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200) 사이에는 제1스위치(160)가 마련되어 제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200)가 서로 분리되거나 직렬로 연결될 수 있다.
고전압배터리들과 컨버터들 사이 지점에서 제1회로(140)와 제2회로(240) 사이에는 제2스위치(260)가 마련되어 제1회로(140)와 제2회로(260)가 서로 분리되거나 직렬로 연결될 수 있다.
도 1은 통합모드의 경우로서, 제1스위치(160)와 제2스위치(260)의 동작에 의해 제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200)는 서로 직렬로 연결되어 하나의 배터리를 구성하고, 이들이 제2컨버터(220)를 통해 메인버스단(600)에 병렬로 연결되는 것이다.
그리고 도 2는 분할모드의 경우로서, 제1스위치(160)와 제2스위치(260)의 동작에 의해 제1고전압배터리(100)와 제2고전압배터리(200)는 분리된 각각의 배터리로 되는 것이고 이들은 또 각각 제1컨버터(120)와 제2컨버터(220)를 통해 메인버스단(600)에 병렬로 연결되는 것이다. 이 경우 제1고전압배터리(100)는 연료전지(300)와 함께 모터(400)의 하이브리드 구동을 담당하고, 제2고전압배터리(200)는 필요시 보충전류를 출력하는 역할을 담당할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명의 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템에는 연료전지 셀 각각의 전압을 도출하는 전압센서(201)가 마련되어 셀전압비율을 실시간으로 산출한다. 그리고 메모리에는 최소셀전압비율, 위험셀전압비율, 출력제한전류, 사전제한전류가 저장되고 이들은 제어과정에서 갱신될 수 있도록 하며 다음 시동시 활용토록 한다.
제어부(500)는 이러한 스위치와 연료전지의 구동을 제어하며, 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우 메모리의 사전제한전류를 해당 시점의 연료전지 출력전류로 갱신하고, 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하며 스위치를 통해 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 분할모드로 전환하고, 연료전지의 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하도록 제2컨버터를 제어하는 것이다.
본 발명의 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지의 셀 전압 하강시 전류제한을 통해 연료전지를 보호함에 있어서 차량의 이상 거동을 방지하고, 셀 전합 하강을 미리 예측함으로써 연료전지 내구성을 강화하고 고전압배터리의 효율적인 운영을 도모할 수 있게 된다.
본 발명의 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.
100 : 제1고전압배터리 200 : 제2고전압배터리
300 : 연료전지 500 : 제어부

Claims (13)

  1. 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우, 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계;
    셀전압비율을 모니터링하는 단계;
    셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계;
    셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계; 및
    연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계;를 포함하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    최소셀전압비율은 연료전지에서 출력이 발생할 경우 역전압이 발생되지 않을 정도의 최소값인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    위험셀전압비율은 최소셀전압비율보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 단계에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달하고 최소셀전압의 하강 변화율이 평균셀전압의 하강 변화율보다 큰 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    차량의 키오프 또는 시동오프시 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 직렬로 연결되도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 병렬로 메인버스단에 연결되도록 하는 단계에서는 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지만으로 시스템 요구출력을 출력하도록 하고, 제1고전압배터리와 제2고전압배터리의 출력단 전압이 연료전지의 출력단 전압의 수준에 도달하도록 부스팅한 후 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 병렬로 메인버스단에 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계 이후에는,
    시스템 요구출력이 기준값 이하로 감소될 경우 제2고전압배터리의 보충전류 출력을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 단계에서는 시스템 요구출력이 기준값 이상인 상태에서 최소셀전압을 평균셀전압으로 나눈 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우 해당 시점의 연료전지 출력전류를 사전제한전류로 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 단계에서는 연료전지 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 사전제한전류를 제한유지전류로 하고, 연료전지 출력전류가 제한유지전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법.
  10. 청구항 1의 연료전지차량의 에너지 공급 제어방법을 수행하기 위한 시스템으로써,
    제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 각각 제1컨버터와 제2컨버터를 통해 메인버스단에 병렬로 연결되도록 하는 분할모드 또는 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 직렬로 연결되고 제2컨버터를 통해 메인버스단에 병렬로 연결되도록 하는 통합모드를 구현하는 스위치;
    연료전지 셀 각각의 전압을 도출하는 전압센서;
    최소셀전압비율, 위험셀전압비율, 출력제한전류, 사전제한전류를 저장하는 메모리; 및
    스위치와 연료전지의 구동을 제어하며, 셀전압비율이 최소셀전압비율에 도달할 경우 메모리의 사전제한전류를 해당 시점의 연료전지 출력전류로 갱신하고, 셀전압비율이 위험셀전압비율에 도달할 경우 연료전지의 출력제한전류를 사전제한전류로 설정하며 스위치를 통해 제1고전압배터리와 제2고전압배터리를 분할모드로 전환하고, 연료전지의 출력전류가 사전제한전류로 설정된 출력제한전류의 일정범위 이내에 도달한 경우 연료전지 출력전류가 사전제한전류에 모자란 만큼 제2고전압배터리로부터 보충전류를 출력하도록 제2컨버터를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제1고전압배터리와 제1컨버터는 제1회로로 연결되고 제2고전압배터리와 제2컨버터는 제2회로로 연결되며 제1회로와 제2회로는 제1스위치 및 제2스위치를 통해 상호 분리되거나 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1고전압배터리와 제2고전압배터리 사이에는 제1스위치가 마련되어 제1고전압배터리와 제2고전압배터리가 서로 분리되거나 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    고전압배터리들과 컨버터들 사이 지점에서 제1회로와 제2회로 사이에는 제2스위치가 마련되어 제1회로와 제2회로가 서로 분리되거나 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 에너지 공급 제어시스템.
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