KR102507227B1 - 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지와 배터리 및 상기 연료전지와 상기 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 시스템이 개시된다. 상기 연료전지 차량의 전력 분배 시스템은, 상기 배터리에서 제공가능한 전력인 배터리 허용 전력을 연산하는 배터리 관리부; 상기 구동 모터에서 요구되는 전력인 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력을 도출하고, 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 전력분배 제어부; 및 상기 연료전지가 상기 전력분배 제어부에서 연산된 상기 연료전지의 요구출력을 출력하도록 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 압축기를 구동하는 연료전지 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR POWER DISTRIBUTION OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 구동을 위해 요구되는 차량 요구 전력 또는 연료전지 차량의 구동 모터에 요구되는 모터 요구 전력을 배터리와 연료전지 사이에 적절하게 분배하여 충당하게 함으로써 연료전지 차량의 동적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차, 전기 자동차 및 연료전지 자동차(또는 수소 자동차) 등과 같은 친환경 차량은 전기 에너지를 이용하여 회전하는 모터에 의해 구동되는 차량을 의미한다. 특히, 이들 중 연료전지 자동차는, 구동 모터에 제공되는 전기 에너지를 생성하는 연료전지와 전기 에너지를 저장하는 배터리를 구비하고, 구동 모터에 제공되는 전기 에너지를 연료전지와 배터리로부터 제공받는다.
이 때, 구동 모터에 제공되는 전기 에너지는 연료전지와 배터리 각각으로부터 제공되는 전기 에너지의 합으로 결정되며, 각각에서 제공되는 전기 에너지의 양을 적절하게 분배함으로써 연료전지 차량의 효율을 극대화할 수 있게 된다.
통상적으로, 구동 모터의 급가속 등의 경우와 같이 차량이 요구하는 차량 요구전력이 높은 경우 연료전지와 배터리가 동시에 전력을 공급해주고, 차량 요구전력이 낮은 경우에는 연료전지 전력으로만 운전되거나, 연료전지 운전을 정지시키고 배터리로만 전력을 공급하는 모드를 선택적으로 운영하고 있다.
여기서, 배터리의 경우에는 전기 에너지가 저장되어 있는 전력공급 장치이므로 빠른 시간 안에 구동모터에서 필요로 하는 전력 공급이 가능하지만, 연료전지의 경우에는 전력 생성을 위해 필요한 수소와 공기의 공급이 이루어지고 공기(산소)와 수소 간의 화학반응이 발생하여야 전기 에너지를 생성할 수 있으므로, 즉각적인 차량 요구전력을 출력하는데 어려움이 있다. 특히, 연료전지로 공급되는 공기의 경우 별도의 압축기(컴프레서)와 같은 공기 공급 장치를 통해서 공급을 해주어야 하기 때문에 목표로 하는 공기 공급유량에 상응하는 공기 공급을 하기 위해서는 일정 시간의 응답시간 지연이 존재할 수 밖에 없다.
통상의 연료전지 자동차의 경우, 차량 요구전력이 낮은 상태(차량 정차 상태 또는 저속 주행 상태)에서 운전자가 급가속을 요구하는 경우, 우선적으로 고전압 배터리에서 구동 모터에 필요한 전력을 공급하고, 고전압 배터리 공급 가능 전력을 초과하는 요구전력은 연료전지로부터 공급을 해주는 방식으로 운영되고 있다. 전술한 것과 같이 연료전지가 충분한 전력을 생성할 수 있는 공급 유량만큼 공기를 공급하기 위해서는 공기 압축기를 통해 공기 공급을 빠른 시간 안에 공급해 주어야 하는데, 공기 압축기 등의 하드웨어 특성상 구동 모터가 필요로 하는 요구 전력 상승 속도를 충분히 만족시킬 정도의 공기 유량 공급이 이루어질 수 없는 한계 상황이 발생할 수 있다.
차량을 실제 운전하는 운전자의 입장에서, 액셀러레이터 페달을 깊숙이 밟아 급가속을 요청하였으나, 실제 차량에서는 압축기에 의한 공기 공급과정에서 시간 지연이 발생하므로 가속에 대한 불만감을 가질 수도 있다.
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 10-2015-0066080 A
이에 본 발명은, 공기 압축기의 작동에 따른 연료전지의 출력 지연을 보상하고 그에 따라 연료전지 차량의 동적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연료전지와 배터리 및 상기 연료전지와 상기 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 시스템으로서,
상기 배터리에서 제공가능한 전력인 배터리 허용 전력을 연산하는 배터리 관리부;
상기 구동 모터에서 요구되는 전력인 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력을 도출하고, 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 전력분배 제어부; 및
상기 연료전지가 상기 전력분배 제어부에서 연산된 상기 연료전지의 요구출력을 출력하도록 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 압축기를 구동하는 연료전지 제어부;
를 포함하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태인 경우 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력분배 제어부는, 시간이 경과할수록 점점 증가하는 스케일링 인자를 상기 배터리 허용 전력에 승산하여 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아니고 사전 설정된 기준 회전속도보다 낮은 저속 운전상태인 경우, 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아니고 사전 설정된 기준 회전속도보다 낮은 저속 운전상태인 경우, 상기 구동 모터 요구 전력과 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 차감한 값과 상기 구동모터 요구 전력 중 더 큰 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연료전지 또는 상기 배터리로부터 전원전력을 제공받는 보기류에서 소모되는 전력을 연산하는 보기류 소모전력 계산부를 더 포함하며, 상기 전력분배 제어부는, 상기 구동모터 요구 전력과 상기 보기류에서 소모되는 전력을 합산하여 상기 차량 요구 전력을 연산할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
연료전지와 배터리 및 상기 연료전지와 상기 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 방법으로서,
차량 속도 및 차량의 액셀러레이터 개도에 기반하여 구동 모터에서 요구되는 전력인 구동모터 요구전력을 도출하는 단계;
상기 배터리에서 제공 가능한 전력인 배터리 허용 전력을 입력 받는 단계;
상기 연료전지에 공기를 제공하는 공기 압축기의 운전 상태를 확인하는 단계; 및
상기 공기 압축기의 운전 상태에 기반하여, 상기 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 단계;
를 포함하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확인하는 단계는, 상기 공기 압축기가 정지 상태인지 판단하고, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아닌 경우 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인지 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 정지 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 정지 상태인 경우, 상기 결정하는 단계는, 시간이 경과할수록 점점 증가하는 스케일링 인자를 상기 배터리 허용 전력에 승산하여 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 구동 모터 요구 전력과 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 차감한 값과 상기 구동모터 요구 전력 중 더 큰 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 결정하는 단계 이후에, 상기 연료전지의 요구출력을 기반으로 연료전지로 수소와 공기를 공급하여 연료전지를 구동하는 단계; 상기 구동하는 단계 이후 연료전지에서 출력가능한 전력인 연료전지 허용 전력을 도출하는 단계; 및 상기 배터리 허용 전력 및 상기 연료전지 허용 전력을 기반으로 상기 구동 모터로 제공할 수 있는 구동모터 허용 전력을 도출하고, 상기 구동모터 허용 전력에 기반하여 상기 구동 모터의 최종 구동 토크를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에 따르면, 연료전지 요구 전력을 적절하게 조정하여 연료전지에 공기를 공급하는 공기 압축기의 작동 시점을 앞당김으로써, 배터리 공급 전력보다 구동모터 요구 전력이 초과하는 시점에 시간 지연 없이 연료전지에서 적절하게 전력이 공급되게 할 수 있다. 이에 따라, 운전자가 요구하는 토크에 해당하는 구동 모터 토크를 추력할 수 있으므로, 동력 성능 저하 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법이 적용되는 연료전지 차량의 파워넷 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 종래의 연료전지 차량의 전력 분배 방법에 따른 응답 지연을 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법에서 적용되는 스케일링 인자의 예를 설명하는 그래프이다.
도 6및 도 7은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에서 적용되는 여러 전력 분배 기법에 의한 응답 지연 제거를 설명하는 그래프이다.
도 8과 도 9는 종래의 전력 분배 기법과 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 분배 방법을 각각 적용하였을 때 구동 모터의 구동 토크 지령의 차이를 설명하는 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법이 적용되는 연료전지 차량의 파워넷 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법이 적용되는 연료전지 차량의 파워넷 시스템은, 연료전지(11)와, 연료전지(11)의 전력 출력단에 연결된 고전압 버스(13)와, 고전압 버스(13)에 직류 변환기(15)를 개재하여 연결된 배터리(14)와, 고전압 버스(13)의 전압을 변환하여 구동모터(16)로 제공하는 모터 컨트롤 유닛(17)과, 고전압 버스(13)으로부터 전력을 제공받아 동작하며 압축 공기를 연료전지(11)로 제공하는 공기 압축기(12) 및 고전압 버스단의 전력을 받아 동작하는 고전압 보기류(18) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 파워넷 시스템에서, 구동 모터(16), 공기 압축기(12) 및 보기류(18)는 고전압 버스(13)로부터 전력을 제공받아 소모하는 요소이고, 연료전지(11)와 배터리(14)는 고전압 버스(13)로 전력을 공급하는 요소이다.
배터리(14)에서 공급되는 전력은 직류 변환기(15)의 전압/전류 제어를 통해 제어될 수 있다. 배터리(14)의 경우에는 에너지 저장 장치로서 차량에서 요구전력이 필요할 때 즉시 전력 공급이 가능하다.
그러나, 연료전지(11)는 차량에서 요구하는 전력에 해당하는 전력을 정상적으로 공급하기 위해서는 전력 공급량에 해당하는 수소와 공기 공급이 연료전지 내로 이루어져야 한다. 수소 공급의 경우에는 압력제어를 통해 비교적 빠른 시간안에 원하는 압력으로 제어를 수행할 수 있지만, 공기 공급의 경우에는 공기 압축기(12)의 작동을 통해 원하는 공기 유량만큼 공기 공급을 해야 하기 때문에 일정 시간 응답 지연이 일어날 수 밖에 없다.
본 발명의 여러 실시형태는, 공기 압축기(12)가 정지된 상태이거나 매우 낮은 회전 속도(최소 회전 속도)로 구동 중인 경우, 전술한 것과 같은 응답 지연이 발생하지 않도록 사전이 연료전지(11)에서 출력되는 전력을 확보하게 하는 전력 분배 기법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템은, 연료전지 및 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 시스템으로서, 배터리(14)에서 제공가능한 전력인 배터리 허용 전력을 연산하는 배터리 관리부(110)와, 구동 모터(16)에서 요구되는 전력인 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력을 도출하고, 차량 요구 전력에서 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 전력분배 제어부(100) 및 연료전지(11)가 전력분배 제어부(100)에서 연산된 연료전지의 요구출력을 출력하도록 연료전지에 공기를 공급하는 공기 압축기를 구동하는 연료전지 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
이상과 같이 구성되는 시스템에서, 배터리 관리부(110)는 통상 친환경 차량에 포함된 배터리들의 상태들을 총괄하여 관리하는 BMS(Battery Management System)으로 알려진 요소로서 구동 모터나 고전압 보기류에 제공할 수 있는 전기 에너지를 저장하는 배터리(14)의 관리와 관련된 다양한 정보를 입력 받고 연산할 수 있다. 배터리 관리부(110)에서는 연료전지 차량의 구동이 개시되거나 연료전지 차량의 구동 중 구동 모터(16)의 토크 증대가 필요한 경우 배터리(14)에서 제공할 수 있는 전력인 배터리 허용 전력을 전력분배 제어부(100)로 전송할 수 있다.
또한, 연료전지 제어부(130)는 연료전지 시스템을 전반적으로 제어하는 요소로서, 연료전지에 공급되는 연료인 산소의 공급량과 산화제로 공급되는 공기의 공급량을 제어하여 연료전지의 출력전력을 제어하고, 그 외 연료전지 운용을 위한 다양한 변수들을 관리하는 요소이다. 본 발명에서는 전력분배 제어부(100)가 연산한 연료전지 요구전력을 입력 받고 이 연료전지 요구전력을 지령치로 하여 그에 대응되는 전력을 출력할 수 있도록 연료전지로 공급되는 수소와 산소량을 제어할 수 있다.
전력분배 제어부(100)는 구동 모터를 구동하기 위해 요구되는 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력을 도출하고, 차량 요구 전력에서 배터리 허용 전력을 차감하는 형태의 연산을 통해 연료전지 요구 전력을 도출하거나, 구동모터 요구전력 자체를 연료전지 요구 전력으로 도출할 수 있다.
전력분배 제어부(100)의 상세한 동작 및 작용 효과는, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태는, 연료전지(11) 또는 배터리(14)로부터 전원전력을 제공받는 보기류(18)에서 소모되는 전력을 연산하는 보기류 소모전력 계산부(120)를 더 포함할 수 있으며, 전력분배 제어부(100)는, 구동모터 요구 전력과 보기류에서 소모되는 전력을 합산하여 차량 요구 전력을 연산할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법은, 차량 속도 및 차량의 액셀러레이터 개도에 기반하여 구동 모터(16)에서 요구되는 전력인 구동모터 요구전력을 도출하는 단계(S11)와, 배터리(14)에서 제공 가능한 전력인 배터리 허용 전력을 입력 받는 단계(S12)와, 연료전지(11)에 공기를 제공하는 공기 압축기(12)의 운전 상태를 확인하는 단계(S14, S16)와, 공기 압축기(12)의 운전 상태에 기반하여, 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력에서 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 단계(S15, S17)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법은, 연료전지 차량의 운전자가 차량의 구동을 위해 액셀러레이터를 밟고, 그에 대응되는 액셀러레이터의 개도와 현재 차량 속도에 기반하여 구동모터의 요구 토크를 연산하고 요구 토크에 대응되는 구동모터의 요구 전력을 도출하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다. 단계(S11)에서 전력분배 제어부(100)는 현재 차량의 속도에 대한 정보와 운전자에 의한 액셀러레이터의 개도를 입력 받아 그에 대응되는 구동 모터의 토크요구를 도출하고(통상적인, 연산식에 의한 연산 또는 데이터 맵 사용), 그에 대응되는 구동 모터(16)의 요구 전력을 도출한다.
이어, 전력분배 제어부(100)는 배터리 관리부(110)로부터 배터리에 제공 가능한 전력인 배터리 허용 전력을 입력 받는다(S12). 단계(S12)에서 전력분배 제어부(100)는 보기류 소모전력 계산부(120)에서 보기류 소모 전력도 함께 입력 받고, 구동모터 요구 전력과 보기류에서 소모되는 전력을 합산하여 차량 요구 전력을 도출할 수 있다.
이어, 전력분배 제어부(100)는 단순히 차량 요구전력에서 배터리 허용 전력을 차감하여 연료전지 요구 전력을 우선적으로 연산해 둘 수 있다(S13). 단순히 차량 요구전력에서 배터리 허용 전력을 차감한 값을 이용하여 연료전지 요구 전력을 연산하여 적용하는 기법은 종래에 적용되는 기법이다.
도 4는 종래의 연료전지 차량의 전력 분배 방법에 따른 응답 지연을 설명하는 그래프이다.
단순히 차량 요구전력에서 배터리 허용 전력을 차감하여 연산된 연료전지 요구 전력을 적용하는 경우, 도 4에 도시된 것과 같이, 모터 전력 요구량(또는 차량 전력 요구량)이 점차 증가하는 동안 배터리 허용 전력이 적용되다가 모터 전력 요구량이 배터리 허용 전력보다 큰 상태로 전환된 경우에 연료전지(FC)의 전력 요구량이 발생한다. 전술한 바와 같이, 연료전지는 공기 압축기의 가동 등을 위한 시간이 요구되므로 즉시 공기가 연료전지로 공급되어 요구 전력을 출력 가능한 상태가 될 수 없으므로, 일정시간 지연되어 연료전지가 제공할 수 있는 전력인 연료전지 허용 전력이 생성된다.
본 발명의 여러 실시형태는 이러한 시간 지연을 방지하기 위해 크게 두가지 기법을 적용할 수 있다.
그 중 하나는, 전력분배 제어부(100)가 공기 압축기(12)가 정지된 것으로 판단한 경우(S14), 배터리 허용전력에 스케일링 인자(α)를 적용하여 연료전지 요구 전력을 연산하는 방식(S15)이다. 즉, 단계(S13)에서 적용되는 연산 시 배터리 허용전력 자체를 차량 요구전력에서 차감하지 않고 배터리 허용전력에 스케일링 인자(α)를 적용하여 연료전지 요구 전력을 연산할 수 있다(S15).
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 방법에서 적용되는 스케일링 인자의 예를 설명하는 그래프이다.
단계(S15)에서 적용되는 스케일링 인자(α)는 도 5에 도시된 것과 같이, 1 이하의 값을 가지며 최초 적용되는 시점부터 시간이 경과할수록 점점 증가하는 형태로 배터리 허용전력을 축소 스케일링 할 수 있다. 이러한 스케일링 인자(α)가 적용되면 실제 배터리 허용전력은 변화하지 않고 연료전지 요구 전력을 연산하는데 사용되는 배터리 허용전력의 크기가 감소하게 되어 연료전지 요구 전력을 증가시키게 된다.
도 6은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에서 적용되는 여러 전력 분배 기법에 의한 응답 지연 제거를 설명하는 그래프로서 특히 단계(S15)의 제어에 의한 응답 지연 제거를 설명한다.
도 5와 도 6을 참조하면, 제어가 시작되는 시점에(T1) 전력분배 제어부(100)가 실제 배터리 허용전력을 적용하여 계산된 것보다 큰 연료전지 요구 전력을 연료전지 제어부(130)하게 되므로 연료전지 제어부(130) 이 연료전지 요구 전력에 해당하는 전력을 생산하도록 공기 압축기(12)를 가동시키게 된다. 이에 따라, 공기 압축기(12)는 미리 가동되며, 스케일 인자(α)가 1이 되는 시점(T2)에서 실제 배터리 허용전력이 적용되어 연료전지 요구 전력이 연산된 경우에는 이미 공기 압축기(12)를 가동하고 있는 상태로 연료전지가 요구 전력에 대응되는 전력을 생산하는데 걸리는 시간 지연을 제거할 수 있다.
공기 압축기 가동으로 의한 연료전지 출력 시간 지연을 제거하기 위한 본 발명의 또 다른 기법은, 제어 초기에 차량 요구 전력에서 배터리 허용 전력을 감산하지 않고 구동모터 요구 전력을 그대로 연료전지 요구 전력으로 적용하는 기법이다.
도 7은 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법에서 적용되는 여러 전력 분배 기법에 의한 응답 지연 제거를 설명하는 그래프로서 단계(S17)에 해당하는 제어기법을 설명한다.
도 7을 참조하면, 이 기법은 확인하는 단계(S16)에서 공기 압축기(12)가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인 것으로 확인된 경우, 구동 모터 요구 전력과 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 차감한 값(즉, 단계(S13)에서 연산된 값)과 상기 구동모터 요구 전력 중 더 큰 값을 연료전지의 요구출력으로 결정하는 기법이다.
이러한 기법에 의하면, 전력분배 제어부(100)에 의해 실제 배터리 허용 전력과 상관 없이 구동모터 요구 전력을 배터리에 의해 전혀 부담시키지 않고 그대로 연료전지 요구 전력으로 제공할 수 있으므로, 연료전지 제어부(100)는 구동 모터를 구동하기 위한 전력을 생산하도록 제어될 수 있다. 즉, 실제로는 배터리의 허용 전류에 의해 구동모터 요구전력이 제공되고 있는 상태에서 연산에 의해 연료전지 제어부(130)는 구동모터의 요구 전력에 해당하는 전력을 출력하도록 미리 공기 압축기(12)를 가동시킬 수 있다. 즉, 구동모터의 요구전력이 발생한 시점에서 연료전지 제어부(130)는 공기 압축기(12)를 구동하고 일정시간 지연되어 연료전지의 출력이 발생하더라도 지연이 이루어지는 구간에서는 배터리 허용전력에 의해 구동모터 요구전력이 충족되며, 배터리 허용전력이 한계에 이른 시점부터는 이미 가동 중인 공기 압축기(12)에 의해 생성되는 연료전지 허용 전력으로 구동모터 요구전력을 제공할 수 있게 된다.
이와 같이, 전력분배 제어부(100)는 적절하게 연료전지 요구전력을 가공하여 연료전지 제어부(130)에 요청하고(S18), 연료전지 제어부(130)는 연료전지 요구전력에 대응되는 전력을 출력하도록 연료전지 시스템을 제어하고, 실제 연료전지에 의해 출력될 수 있는 연료전지 허용전력을 전력분배 제어부(100)에 전달하고(S19), 전력분배 제어부(100)는 배터리 허용전력과 연료전지 허용전력을 기반으로 최종적인 구동 모터의 토크를 결정하고 이를 출력하기 위한 전력이 제공되게 할 수 있다(S20).
도 9과 도 10은 종래의 전력 분배 기법과 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 분배 방법을 각각 적용하였을 때 구동 모터의 구동 토크 지령의 차이를 설명하는 그래프이다.
종래에는 연료전지의 출력이 지연되므로, 연료전지의 출력이 지연되는 구간에서 연료전지 제어부(130)가 전력분배 제어부(100)로 제공하는 연료전지 허용전력이 감소하게 된다. 따라서, 도 9에 도시한 것과 같이, 전력분배 제어부(100)가 배터리 허용전력과 연료전지 허용전력을 감안하여 생성하는 구동모터의 토크 지령이 연료전지의 출력이 지연되는 구간에서 감소(도 9의 A 영역)하는 문제가 발생한다.
그러나, 본 발명의 여러 실시형태에 따르면, 연료전지 허용 전력이 감소하는 구간을 제거할 수 있으므로 도 10에 도시된 것과 같이 구동모터의 토크 지령이 감소하는 구간이 발생하지 않고 일정한 코트 지령을 생성할 수 있어 운전자가 요구하는 토크에 해당하는 구동 모터 토크를 추력할 수 있으므로, 동력 성능 저하 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 연료전지 12: 공기 압축기
13: 고전압 버스 14: 배터리
15: 직류 변환기 16: 구동모터
17: 모터 컨트롤 유닛 18: 보기류
100: 전력분배 제어부 110: 배터리 관리부
120: 보기류 소모전력 계산부 130: 연료전지 제어부

Claims (13)

  1. 연료전지와 배터리 및 상기 연료전지와 상기 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 시스템으로서,
    상기 배터리에서 제공가능한 전력인 배터리 허용 전력을 연산하는 배터리 관리부;
    상기 구동 모터에서 요구되는 전력인 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력을 도출하고, 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 전력분배 제어부; 및
    상기 연료전지가 상기 전력분배 제어부에서 연산된 상기 연료전지의 요구출력을 출력하도록 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 압축기를 구동하는 연료전지 제어부;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태인 경우 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전력분배 제어부는, 시간이 경과할수록 점점 증가하는 스케일링 인자를 상기 배터리 허용 전력에 승산하여 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아니고 사전 설정된 기준 회전속도보다 낮은 저속 운전상태인 경우, 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력분배 제어부는, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아니고 사전 설정된 기준 회전속도보다 낮은 저속 운전상태인 경우, 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 차감한 값과 상기 구동모터 요구 전력 중 더 큰 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 또는 상기 배터리로부터 전원전력을 제공받는 보기류에서 소모되는 전력을 연산하는 보기류 소모전력 계산부를 더 포함하며,
    상기 전력분배 제어부는, 상기 구동모터 요구 전력과 상기 보기류에서 소모되는 전력을 합산하여 상기 차량 요구 전력을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 시스템.
  7. 연료전지와 배터리 및 상기 연료전지와 상기 배터리로부터 각각 전력을 제공받아 동작하는 구동 모터를 구비한 연료전지 차량의 전력 분배 방법으로서,
    차량 속도 및 차량의 액셀러레이터 개도에 기반하여 구동 모터에서 요구되는 전력인 구동모터 요구전력을 도출하는 단계;
    상기 배터리에서 제공 가능한 전력인 배터리 허용 전력을 입력 받는 단계;
    상기 연료전지에 공기를 제공하는 공기 압축기의 운전 상태를 확인하는 단계; 및
    상기 공기 압축기의 운전 상태에 기반하여, 상기 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값 또는 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 확인하는 단계는, 상기 공기 압축기가 정지 상태인지 판단하고, 상기 공기 압축기가 정지 상태가 아닌 경우 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 정지 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 구동모터 요구 전력을 포함하는 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하여 차감한 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 정지 상태인 경우, 상기 결정하는 단계는, 시간이 경과할수록 점점 증가하는 스케일링 인자를 상기 배터리 허용 전력에 승산하여 상기 배터리 허용 전력을 축소 스케일링하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 구동모터 요구 전력에 대응되는 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 확인하는 단계에서 상기 공기 압축기가 사전 설정된 기준 회전속도 보다 낮은 저속 운전 상태인 것으로 확인된 경우, 상기 결정하는 단계는, 상기 차량 요구 전력에서 상기 배터리 허용 전력을 차감한 값과 상기 구동모터 요구 전력 중 더 큰 값을 상기 연료전지의 요구출력으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 결정하는 단계 이후에, 상기 연료전지의 요구출력을 기반으로 연료전지로 수소와 공기를 공급하여 연료전지를 구동하는 단계;
    상기 구동하는 단계 이후 연료전지에서 출력가능한 전력인 연료전지 허용 전력을 도출하는 단계; 및
    상기 배터리 허용 전력 및 상기 연료전지 허용 전력을 기반으로 상기 구동 모터로 제공할 수 있는 구동모터 허용 전력을 도출하고, 상기 구동모터 허용 전력에 기반하여 상기 구동 모터의 최종 구동 토크를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전력 분배 방법.
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