KR102551676B1 - 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법 - Google Patents

연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법 Download PDF

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Abstract

연료전지; 연료전지와 메인버스단을 통하여 연결된 고전압배터리; 고전압배터리의 충방전을 제어하는 충방전부; 메인버스단에서 분기되어 차량 외부의 부하와 연결되어 연료전지 또는 고전압배터리의 전력을 차량 외부의 부하에 공급하는 전력공급라인; 및 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 충방전부를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법{EXTERNAL POWER SUPPLY SYSTEM AND SUPPLY METHOD OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법에 관한 것으로, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리의 충전량(SOC)을 함께 고려하는 전력 분배 제어에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자 제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
특히, 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에서는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.
이러한 연료전지가 차량에 탑재된 연료전지 차량은 연료전지의 발전 전력을 이용하여 모터를 구동시켜 동력을 얻는다. 다만, 이러한 연료전지 차량은 차량 외부에 위치한 부하에 연결되어 외부의 부하에 전력을 공급하는 전력 공급 시스템으로 활용할 수 있다. 즉, 연료전지 차량은 이동 가능한 발전기로서 외부의 부하에 전력을 공급할 수 있다.
다만, 연료전지 차량이 이러한 이동식 발전기로 작동할 때, 각 상황에 맞는 전력분배 제어 또는 연료전지 아이들 스탑(FC IDLE STOP) 제어를 통하여 차량의 외부에 전력을 공급하는 기술이 요구되었다.
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.
JP 5360183 B JP 5572655 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 충방전부를 제어하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템은 연료전지; 연료전지와 메인버스단을 통하여 연결된 고전압배터리; 고전압배터리의 충방전을 제어하는 충방전부; 메인버스단에서 분기되어 차량 외부의 부하와 연결되어 연료전지 또는 고전압배터리의 전력을 차량 외부의 부하에 공급하는 전력공급라인; 및 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 충방전부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
충방전부는 연료전지와 고전압배터리 사이의 메인버스단에 위치된 직류변환기일 수 있다.
전력공급라인은 연료전지와 충방전부 사이에 병렬로 연결됨으로써 연료전지 또는 고전압배터리로부터 차량 외부의 부하로 전력을 공급할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 클수록 연료전지에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 제어할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 작을수록 고전압배터리에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 제어할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 저전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제1 SOC 이상이면 연료전지의 가동을 정지하고 고전압배터리로만 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
제어부는 충방전부가 고전압배터리의 출력전압 부스팅을 억제한 상태로 고전압배터리로 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 저전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제2 SOC 미만이면 연료전지로 고전압배터리를 충전하면서 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 중전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제3 SOC 이상이면 고전압배터리의 충방전을 억제하도록 충방전부를 제어할 수 있다.
제어부는 고전압배터리의 충전량이 제3 SOC보다 큰 기설정된 제4 SOC 이상이면 연료전지의 가동을 정지하고 고전압배터리로만 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 고전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 미만이면 고전압배터리의 충방전을 억제하도록 충방전부를 제어할 수 있다.
고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 이상이면 고전압배터리로 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 충방전부를 제어하되, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 기설정된 전력값 미만이면 연료전지의 가동을 정지할 수 있다.
제어부는 고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 보다 작은 제6 SOC 미만이면 연료전지로 고전압배터리를 충전하면서 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 외부 전력 공급방법은 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 도출하는 단계; 고전압배터리의 충전량을 파악하는 단계; 및 도출한 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 파악한 고전압배터리의 충전량을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계;를 포함한다.
연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계에서는, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 클수록 연료전지에서 공급하는 전력의 비율이 증대되고, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 작을수록 고전압배터리에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어할 수 있다.
연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계 이후에, 연료전지의 상태를 판단하는 단계; 및 판단한 연료전지의 상태에 따라 연료전지의 가동을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지의 상태를 판단하는 단계에서 연료전지의 상태가 드라이(Dry) 상태로 판단한 경우, 연료전지의 가동을 제어하는 단계에서는, 연료전지의 가동을 정지시키고 고전압배터리의 출력전압 부스팅을 억제하도록 직류변환기를 제어할 수 있다.
연료전지의 상태를 판단하는 단계에서 연료전지의 상태가 플러딩(Flooding) 상태로 판단한 경우, 연료전지의 가동을 제어하는 단계에서는, 연료전지의 요구전류에 기설정된 회복제어전류를 가산하여 연료전지로의 공기 공급을 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법에 따르면, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기에 따라 최적의 전력분배를 제어하고, 이에 따라 연비가 개선되는 효과를 갖는다.
또한, 외부의 부하에 전력 공급시에도 연료전지의 상태를 실시간으로 판단하여 연료전지가 최적의 상태를 유지하면서 운전하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 외부 전력 공급방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 3 내지 5는 도 2의 순서도를 구체적으로 도시한 것이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 외부 전력 공급시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 외부 전력 공급시스템은 연료전지(10); 연료전지(10)와 메인버스단을 통하여 연결된 고전압배터리(30); 고전압배터리(30)의 충방전을 제어하는 충방전부(20); 메인버스단에서 분기되어 차량 외부의 부하(40)와 연결되어 연료전지(10) 또는 고전압배터리(30)의 전력을 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력공급라인; 및 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리(30)의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지(10)의 가동 및 충방전부(20)를 제어하는 제어부(50);를 포함한다.
연료전지(10)는 수소와 산소가 각각 공급되고, 내부에서 수소와 산소가 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 생산하는 연료전지(10) 스택(Stack)일 수 있다.
연료전지(10)는 메인버스단을 통하여 고전압배터리(30)와 연결될 수 있다. 메인버스단에는 추가로 차량을 구동하는 모터 및 기타 보기류 장치들이 연결될 수 있다.
고전압배터리(30)는 메인버스단을 통하여 연료전지(10)의 발전 전력을 충전하거나, 충전된 전력을 방전하면서 메인버스단으로 전력을 공급할 수 있다. 충방전부(20)는 고전압배터리(30)의 충방전을 제어할 수 있다.
고전압배터리(30)에는 추가로 BMS(60)(Battery Management System)이 마련되어, 연료전지(10)의 충전량(SOC: State Of Charge)을 모니터링하거나, 이를 제어하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다.
제어부(50)는 연료전지(10) 차량 제어기(FCU: Fuel cell Control Unit)에 포함되거나, 별도로 형성된 제어기일 수 있다. 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리(30)의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지(10)의 가동 및 충방전부(20)를 제어할 수 있다.
연료전지(10)는 연료전지(10) 차량의 시동이 켜진 경우에 가동되는 것이 일반적이나, 고전압배터리(30)의 충전량이 충분하고 연료전지(10)의 요구전류가 적은 경우에는 가동을 중지할 수 있다. 이러한 차량의 시동이 종료되지 않은 상태에서 연료전지(10)의 가동 정지 상태를 아이들 스탑(FC Idle Stop) 모드라고 한다. 해당 모드를 통하여 연료전지(10)가 일정 크기 이상의 전류를 발전하도록 제어함에 따라 연비가 향상되는 효과를 갖는다.
연료전지(10)의 아이들 스탑 모드에서는 수소는 재순환라인을 통하여 계속해서 공급하지만, 공기공급라인은 차단하도록 제어하여, 공기압축기 또는 공기블로워를 정지시키도록 제어하고, 공기공급라인의 공기차단밸브를 통하여 연료전지(10)로 공기를 차단하도록 제어할 수 있다.
차량 외부의 부하(40)는 차량의 외부로 전력을 공급하는 부하(40)로, 연료전지(10) 차량이 이동식 발전기로서 작동하는 상태로, 연료전지(10) 또는 고전압배터리(30)로부터 전력을 공급받는 부하(40)이다. 해당 부하(40)는 별도로 인버터 등의 전력변환기가 포함될 수 있다. 메인버스단에서 분기되어 연결되는 차량 외부의 부하(40)에는 별도의 센서 등을 통하여 차량 외부의 부하(40)에 연결되었는지 여부를 판단할 수 있다.
이에 따라, 차량 외부의 부하(40)에 연결되었는지를 판단하고, 차량 외부의 부하(40)에 연결된 것으로 판단된 경우, 외부 전력 공급 모드로 제어할 수 있다.
충방전부(20)는 연료전지(10)와 고전압배터리(30) 사이의 메인버스단에 위치된 직류변환기(20)일 수 있다. 직류변환기(20)는 DC/DC컨버터로 직류전력의 전압을 가변하는 장치일 수 있다.
전력공급라인은 연료전지(10)와 충방전부(20) 사이에 병렬로 연결됨으로써 연료전지(10) 또는 고전압배터리(30)로부터 차량 외부의 부하(40)로 전력을 공급할 수 있다. 즉, 전력공급라인이 연료전지(10)와 충방전부(20) 사이의 메인버스단에 연결되어 연료전지(10)로부터 전력을 공급받거나, 충방전부(20)에 의해 고전압배터리(30)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 외부 전력 공급방법의 순서도를 도시한 것이고, 도 3 내지 5는 도 2의 순서도를 구체적으로 도시한 것이다.
도 2 내지 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 외부전력 공급방법은 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 도출하는 단계(S100); 고전압배터리(30)의 충전량을 파악하는 단계(S200); 및 도출한 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기 및 파악한 고전압배터리(30)의 충전량을 함께 고려하여 연료전지(10)의 가동 및 직류변환기(20)를 제어하는 단계(S400, S500, S600);를 포함한다.
연료전지(10)의 가동 및 직류변환기(20)를 제어하는 단계(S400, S500, S600)에서는, 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분할 수 있다. 여기서 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기는 실제로 부하(40)에 공급하는 전력에 보기류 등에서 소모하는 기타 전력의 크기를 합한 값일 수 있다. 즉, 외부의 부하(40)에 전력을 공급하는 모드에서 외부의 부하(40)를 비롯하여 메인버스단에 연결되어 소모하는 모든 전력의 크기를 합한 값을 의미할 수 있다.
여기서는 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 3개의 제어모드 (저전력모드, 중전력모드 및 고전력모드)로 구분하였지만, 3개 이상 또는 2개의 제어모드로 구분할 수도 있을 것이다(S300). 예를 들어, A[kW] 및 B[kW]를 각각 기준으로 저전력모드, 중전력모드 및 고전력모드 등의 3개 제어모드로 구분할 수 있다(S310, S320).
차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 도출하는 단계(S100)에서, 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기는 기설정된 시간(예를 들어, 60초) 동안 부하(40)에 공급하는 전력량을 평균으로 계산할 수 있다. 여기서 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기는 차량의 주행에 따른 소비 전력에 대비하여 실시간으로 급격하게 변하지는 않는 것으로 가정할 수 있다. 따라서, 기설정된 시간 동안 부하(40)에 공급하는 전력량을 기설정된 단위시간(예를 들어, 10초)마다 업데이트하면서 평균값을 계산하여 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 산출할 수 있다.
고전압배터리(30)의 충전량을 파악하는 단계(S200)에서는, 고전압배터리의 상태에 따라 고전압배터리에서 방전 가능한 전력량과 최대 충전 가능한 전력량 사이의 비율(%)로 파악할 수 있다. 고전압배터리의 상태는 온도 등 외부 환경의 영향을 받을 수도 있다.
전체적으로, 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기가 클수록 연료전지(10)에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 제어할 수 있다. 즉, 고전력모드로 갈수록 연료전지(10)가 가동되는 비율이 증대되어 연료전지(10)의 공급 전력 비율이 증대될 수 있다.
반대로, 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기가 작을수록 고전압배터리(30)에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 연료전지(10)의 가동 및 직류변환기(20)를 제어할 수 있다. 즉, 저전력모드로 갈수록 연료전지(10)의 가동을 정지하는 비율을 높이고 고전압배터리(30)의 충전 및 방전을 통하여 고전압배터리(30)에서 공급하는 전력의 비율이 증대될 수 있다.
더 구체적인 복수의 모드에서의 외부 전력 공급을 제어하는 방법은 아래와 같다.
도 3을 더 참조하면, 복수의 모드 중 저전력모드(S400)에서는 고전압배터리(30)의 충전량이 기설정된 제1 SOC 이상이면 연료전지(10)의 가동을 정지하고 고전압배터리(30)로만 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S420).
즉, 고전압배터리(30)의 충전량이 충분하다고 판단되는 제1 SOC 이상에서는 연료전지(10)의 가동을 정지하고(S420), 고전압배터리(30)로만 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급할 수 있다. 제1 SOC는 고전압배터리(30)를 더 이상 충전할 필요가 없는 상태로 설정될 수 있다(S410).
여기서, 충방전부(20)가 고전압배터리(30)의 출력전압 부스팅을 억제한 상태로 고전압배터리(30)로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S430). 연료전지(10)의 출력전압 구간은 약 250~400[V]이고, 고전압배터리(30)의 출력전압 구간은 약 180-240[V] 이다. 충방전부(20)는 고전압배터리(30)의 충전 및 방전을 제어하기도 하지만 연료전지(10)와 고전압배터리(30) 사이의 전압 부스팅의 역할도 수행한다.
다만, 연료전지(10)의 가동을 정지하고 고전압배터리(30)로만 부하(40)에 전력을 공급하는 경우에는 충방전부(20)가 고전압배터리(30)의 출력전압 부스팅을 억제하여 상대적으로 낮은 고전압배터리(30)의 출력전압으로 고전압배터리(30)를 방전시킬 수 있다. 즉, 고전압배터리(30)의 출력전압 또는 매우 작은 부스팅 전압(예를 들어, 10[V])만을 부스팅하여 부하(40)에 공급할 수 있다(S430).
부하(40)에는 별도의 인버터 등이 장착되기 때문에 상대적으로 낮은 전압으로 공급하더라도 문제가 없고, 충방전부(20)가 부스팅을 최소화함에 따라 부스팅에 따라 전력변환효율이 감소하는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 복수의 모드 중 저전력모드에서는 고전압배터리(30)의 충전량이 기설정된 제2 SOC 미만이면 연료전지(10)로 고전압배터리(30)를 충전하면서 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S450). 제2 SOC는 고전압배터리(30)를 더 이상 방전하지 않고 충전해야 하는 정도로 설정된 값으로 설정될 수 있다(S440).
고전압배터리(30)를 충전하는 제어는 충방전부(20)의 충전 파워가 Target 파워가 되도록 제어하는 것으로, 구체적으로 Target 파워와 실제 충방전부(20)의 충전 파워 사이의 오차(Error)와 기설정된 충전 게인 (Power Gain)을 이용하여 충방전부(20)의 충전 파워가 Target 파워가 되도록 제어할 수 있다. 충전 게인 (Power Gain)은 실제 차량을 이용한 실험을 통하여 계산된 파라미터로 기설정될 수 있다.
여기서, 충방전부(20)의 충전 파워의 목표값인 Target 파워는 기설정된 최소값 이상으로 설정될 수 있다. 충방전부(20)는 매우 작은 전력 범위에서 충방전하는 경우, 충방전 효율이 매우 낮은 문제가 있다. 따라서, 충방전부(20)가 고전압배터리(30)의 충전 또는 방전을 하는 경우에는 기설정된 최소값(예를 들어, 5kW) 이상으로 설정되어 충방전에 의해 전력이 낭비되는 현상을 방지할 수 있다.
즉, 저전력모드에서는 연료전지(10)의 가동을 최대한 정지시키고, 고전압배터리(30)의 충전 및 방전을 최대화하여 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어하는 것이다.
도 4를 더 참조하면, 복수의 모드 중 중전력모드(S500)에서는 고전압배터리(30)의 충전량이 기설정된 제3 SOC 이상이면 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S520). 제3 SOC는 고전압배터리(30)의 충전량이 적절한 상태에 해당하도록 설정될 수 있다(S510).
여기서, 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S520). 상기 설명한 것과 같이, 충방전부(20)는 매우 작은 전력 범위에서 충방전하는 경우 충방전 효율이 매우 낮으므로, 충방전이 불필요한 경우에는 충방전부(20)의 동작을 정지하거나 충방전 파워를 0으로 제어하여 충방전부(20)에서 소모하는 전력을 최소화할 수 있다.
복수의 모드 중 중전력모드(S500)에서는 고전압배터리(30)의 충전량이 기설정된 제3 SOC 미만이면 연료전지(10)로 고전압배터리(30)를 충전하면서 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S570).
고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어하더라도, 충방전부(20) 내부의 전압 또는 전력을 센싱하는 센서 등에 센싱 옵셋(Sensing Offset) 등이 존재할 수 있다. 또한, 추가로 외부의 부하(40) 또는 차량 내부의 전력 공급 등에 실시간으로 오차가 발생할 수도 있다. 따라서, 충방전을 억제하도록 제어하더라도 약간의 충전 또는 방전이 발생하여 고전압배터리(30)의 충전량은 가변될 수 있는 것이다.
제어부(50)는 고전압배터리(30)의 충전량이 제3 SOC보다 큰 기설정된 제4 SOC 이상이면 연료전지(10)의 가동을 정지하고 고전압배터리(30)로만 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S540). 제4 SOC는 고전압배터리(30)의 충전량이 충분한 상태로 방전을 통하여 고전압배터리(30)의 충전량을 소모하는 것이 적절한 상태에 해당하는 것으로, 제1 SOC와 동일하게 설정될 수 있다(S530).
연료전지(10)의 가동을 정지하고 연료전지(10) 정지 모드 (FC IDLE STOP)로 제어할 수 있다. 특히, 연료전지(10) 정지 모드에서는 연료전지(10)에 공급하는 수소는 계속해서 재순환시키되, 연료전지(10)에 공급하는 공기의 공급을 차단하고 공기블로워 등의 공기공급장치의 구동을 정지시킬 수 있다.
여기서도, 충방전부(20)가 고전압배터리(30)의 출력전압 부스팅을 억제한 상태로 고전압배터리(30)로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S550). 고전압배터리(30)를 방전하는 제어는 고전압배터리(30)의 충전량이 기설정된 제3 SOC 미만이 될 때까지 지속할 수 있다(S560).
즉, 중전력모드(S500)에서는 고전압배터리(30)의 충전량을 충분한 상태로 유지시킨 상태로, 연료전지(10) 및 고전압배터리(30)를 모두 이용하여 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어하는 것이다.
도 5를 더 참조하면, 복수의 모드 중 고전력모드(S600)에서는 고전압배터리(30)의 충전량이 제5 SOC 미만이면 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S690). 제5 SOC는 고전압배터리(30)의 충전량이 충분한 상태로 방전할 필요가 있는 상태일 수 있다(S610). 예를 들어, 제5 SOC는 제1 SOC 또는 제4 SOC와 동일하게 설정될 수 있다. 고전압배터리(30)의 충전량이 제5 SOC 미만이면 고전압배터리(30)의 충전량이 적절한 정도로 판단하여 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하고 연료전지(10)만으로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급할 수 있다(S690).
만약, 고전압배터리(30)의 충전량이 제5 SOC 이상이면 고전압배터리(30)로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 충방전부(20)를 제어하되(S640, S650), 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기가 기설정된 전력값 미만이면(S620) 연료전지(10)의 가동을 정지할 수 있다(S630).
즉, 고전압배터리(30)의 충전량이 제5 SOC 이상이면 고전압배터리(30)를 방전시켜야 하는 상태로 판단하여, 고전압배터리(30)를 방전시키면서 고전압배터리(30)로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S630, S640).
충방전부(20)가 고전압배터리(30)를 충전 또는 방전시키는 경우, 상기 설명한 것과 같이 기설정된 최소값(예를 들어, 5kW) 이상을 충전 또는 방전시키는 것이 바람직하다. 따라서, 여기서도 고전압배터리(30)를 방전시키는 경우 기설정된 최소값(예를 들어, 5kW) 이상을 충전 또는 방전시키는 것이 적절하다.
따라서, 고전압배터리(30)에서 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 기설정된 최소값(예를 들어, 5kW) 으로 가정하면, 연료전지(10)의 발전 효율을 감안할 때 연료전지(10) 및 고전압배터리(30)에서 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기는 기설정된 전력값(C [kW]) 이상이 되는 것이 바람직하다(S620). 기설정된 전력값(C [kW])은 연료전지(10)의 발전 효율 및 충방전부(20)의 효율이 급격하게 낮아지는 구간이 회피되도록 기설정될 수 있다.
즉, 연료전지(10)의 발전 효율은 매우 낮은 전력을 발전하는 구간에서 매우 낮으므로, 매우 낮은 전력의 발전이 필요한 경우에는 연료전지(10)의 가동을 정지하고, FC Stop 모드로 진입하는 것이다(S630). 여기서도 충방전부(20)의 부스팅을 억제할 수 있다(S640).
고전압배터리(30)로 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 충방전부(20)를 제어하는 중 고전압배터리(30)의 충전량이 다시 적절한 수준(예를 들어, 제3 SOC)으로 낮아지면(S660), 다시 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S690). 만약, 연료전지(10)의 가동을 정지한 상태라면, 다시 연료전지(10)를 가동시키고 연료전지(10)에서 출력된 전력을 차량 외부의 부하(40)에 공급할 수 있다.
제어부(50)는 고전압배터리(30)의 충전량이 제5 SOC 보다 작은 제6 SOC 미만이면 연료전지(10)로 고전압배터리(30)를 충전하면서 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있다(S680). 제6 SOC는 고전압배터리(30)의 충전량이 매우 낮은 수준으로 고전압배터리(30)를 충전해야 하는 정도이며, 제2 SOC와 동일한 값으로 설정될 수 있다(S670).
고전압배터리(30)의 충전량이 매우 낮은 수준을 회피한 적절한 수준으로 충전되면(제7 SOC), 다시 고전압배터리(30)의 충방전을 억제하도록 충방전부(20)를 제어할 수 있다(S671).
즉, 고전력모드에서는 고전압배터리(30)의 충방전을 최소화하고, 연료전지(10)의 발전 전력을 최대한 이용하여 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하도록 제어할 수 있는 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 연료전지(10)의 가동 및 직류변환기(20)를 제어하는 단계 이후에, 연료전지(10)의 상태를 판단하는 단계(S700, S800); 및 판단한 연료전지(10)의 상태에 따라 연료전지(10)의 가동을 제어하는 단계(S900);를 더 포함할 수 있다.
연료전지(10)의 상태를 판단하는 단계(S700, S800)에서는, 연료전지(10)의 상태가 정상인지, 드라이(Dry) 상태인지(S810) 또는 플러딩(Flooding) 상태인지(S820)를 판단하는 것으로, I-V 곡선을 이용하거나, 연료전지(10) 스택의 임피던스를 측정하는 등 종래 기술을 이용하여 연료전지(10)의 상태를 판단할 수 있다.
연료전지(10)의 상태를 판단하는 단계(S700, S800)에서는, 연료전지(10)의 상태가 정상으로 판단한 경우, 연료전지(10)의 가동을 제어하는 단계(S900)에서는, 연료전지(10)를 정상적으로 제어할 수 있다(S930).
연료전지(10)의 상태를 판단하는 단계(S700, S800)에서 연료전지(10)의 상태가 드라이(Dry) 상태로 판단한 경우(S810), 연료전지(10)의 가동을 제어하는 단계(S900)에서는, 연료전지(10)의 가동을 정지시키고 고전압배터리(30)의 출력전압 부스팅을 억제하도록 직류변환기(20)를 제어할 수 있다(S910).
즉, 연료전지(10)의 상태가 드라이 상태로 판단하면, 연료전지(10)에 공급하는 공기를 중단하는 것이 드라이 회복에 필요하다. 따라서, 고전압배터리(30)의 충전량이 아주 낮은 수준(예를 들어, 제2 SOC 또는 제6 SOC) 이상이라면 연료전지(10)를 정지함으로써 연료전지(10)의 드라이 상태를 회복하도록 제어할 수 있다.
이때, 고전압배터리(30)로만 차량 외부의 부하(40)에 전력을 공급하므로, 고전압배터리(30)의 출력전압 부스팅을 억제하도록 직류변환기(20)를 제어할 수 있다.
연료전지(10)의 상태를 판단하는 단계(S700, S800)에서 연료전지(10)의 상태가 플러딩(Flooding) 상태로 판단한 경우(S820), 연료전지(10)의 가동을 제어하는 단계(S900)에서는, 연료전지(10)의 요구전류에 기설정된 회복제어전류를 가산하여 연료전지(10)로의 공기 공급을 제어할 수 있다(S920).
연료전지(10)로의 공기 공급은 공기블로워 또는 공기압축기 등을 이용한다. 연료전지(10)의 공기 공급 제어는 공기블로워 또는 공기압축기의 RPM 제어를 이용하고, 공기블로워 또는 공기압축기의 RPM은 연료전지(10)의 요구전류에 따라 기설정된 맵에 따른다.
다만, 연료전지(10)의 상태가 플러딩 상태인 경우, 연료전지(10)에는 요구전류의 발전에 필요한 공기보다 더 추가적으로 공기가 공급되어야 연료전지(10)의 플러딩을 해소할 수 있다. 따라서, 연료전지(10)의 요구전류에 기설정된 회복제어전류를 가산하여 공기블로워 또는 공기압축기의 RPM을 상승 제어시킴으로써 연료전지(10)로의 공기 공급을 증가시킬 수 있다.
회복제어전류는 차량 외부의 부하(40)에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 구분된 복수의 모드 또는 연료전지(10)의 요구전류에 따라 크기 및 주기가 실험에 의한 값으로 기설정될 수 있다. 또한, 연료전지(10)의 요구전류에 기설정된 회복제어전류를 가산하는 제어의 지속시간도 실험에 의한 값으로 기설정될 수 있다.
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.
10 : 연료전지 20 : 직류변환기
30 : 고전압배터리 40 : 차량 외부의 부하
50 : 제어부 60 : BMS

Claims (18)

  1. 연료전지;
    연료전지와 메인버스단을 통하여 연결된 고전압배터리;
    고전압배터리의 충방전을 제어하는 충방전부;
    메인버스단에서 분기되어 차량 외부의 부하와 연결되어 연료전지 또는 고전압배터리의 전력을 차량 외부의 부하에 공급하는 전력공급라인; 및
    차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 고전압배터리의 충전량(SOC)을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 충방전부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    전력공급라인은 연료전지와 충방전부 사이에 병렬로 연결됨으로써 연료전지 또는 고전압배터리로부터 차량 외부의 부하로 전력을 공급하고,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 클수록 연료전지에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 제어하며,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 작을수록 고전압배터리에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    충방전부는 연료전지와 고전압배터리 사이의 메인버스단에 위치된 직류변환기인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 저전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제1 SOC 이상이면 연료전지의 가동을 정지하고 고전압배터리로만 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제어부는 충방전부가 고전압배터리의 출력전압 부스팅을 억제한 상태로 고전압배터리로 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 저전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제2 SOC 미만이면 연료전지로 고전압배터리를 충전하면서 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 중전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 기설정된 제3 SOC 이상이면 고전압배터리의 충방전을 억제하도록 충방전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 고전압배터리의 충전량이 제3 SOC보다 큰 기설정된 제4 SOC 이상이면 연료전지의 가동을 정지하고 고전압배터리로만 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 복수의 모드 중 고전력모드에서는 고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 미만이면 고전압배터리의 충방전을 억제하도록 충방전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 이상이면 고전압배터리로 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 충방전부를 제어하되, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 기설정된 전력값 미만이면 연료전지의 가동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    제어부는 고전압배터리의 충전량이 제5 SOC 보다 작은 제6 SOC 미만이면 연료전지로 고전압배터리를 충전하면서 차량 외부의 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템.
  14. 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 도출하는 단계;
    고전압배터리의 충전량을 파악하는 단계; 및
    도출한 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기 및 파악한 고전압배터리의 충전량을 함께 고려하여 연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계;를 포함하며,
    연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계에서는, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기를 기준으로 복수의 제어모드로 구분하고, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 클수록 연료전지에서 공급하는 전력의 비율이 증대되고, 차량 외부의 부하에 공급하는 전력의 크기가 작을수록 고전압배터리에서 공급하는 전력의 비율이 증대되도록 연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부전력 공급방법.
  15. 삭제
  16. 청구항 14에 있어서,
    연료전지의 가동 및 직류변환기를 제어하는 단계 이후에, 연료전지의 상태를 판단하는 단계; 및
    판단한 연료전지의 상태에 따라 연료전지의 가동을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부전력 공급방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    연료전지의 상태를 판단하는 단계에서 연료전지의 상태가 드라이(Dry) 상태로 판단한 경우, 연료전지의 가동을 제어하는 단계에서는, 연료전지의 가동을 정지시키고 고전압배터리의 출력전압 부스팅을 억제하도록 직류변환기를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부전력 공급방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    연료전지의 상태를 판단하는 단계에서 연료전지의 상태가 플러딩(Flooding) 상태로 판단한 경우, 연료전지의 가동을 제어하는 단계에서는, 연료전지의 요구전류에 기설정된 회복제어전류를 가산하여 연료전지로의 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 외부전력 공급방법.
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