KR20040001776A - 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템및 제어방법 - Google Patents

연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템은
주동력원으로 사용되는 연료전지;
보조동력원으로 사용되는 배터리;
상기 배터리에 연결되어 전력이 입출력되도록 하는 양방향 DC/DC 컨버터;
상기 연료전지와 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 전기적으로 연결되는 인버터;
상기 인버터에 연결되어 전기에너지를 차량을 구동하는 회전운동에너지로 변환하는 모터; 및
차량 요구동력을 추정하고, 상기 추정된 차량 요구동력과 연료전지 및 배터리의 상태에 기초하여 연료전지, 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터, 및 인버터 사이의 동력전달을 제어하는 제어부
를 포함하되,
상기 제어부는
상기 연료전지의 에너지만이 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 연료전지 모드;
상기 연료전지와 상기 배터리의 에너지가 동시에 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 배터리 방전 모드;
상기 연료전지에서 출력되는 에너지의 일부는 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하고, 다른 일부는 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 배터리를 충전하도록 하는 배터리 충전 모드; 및
상기 인버터와 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 회생 제동 에너지로 배터리를 충전하는 리제너레이션 모드
중 어느 하나를 택일적으로 수행하도록 프로그램되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템 및 제어방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING POWER CONVERSION OF FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종의 동력원인 연료전지와 배터리의 특성과 차량 요구동력을 고려하여 두 종류의 에너지원의 출력을 효율적으로 분배하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에서 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.
연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가받고 있다. 이와 같은 이유로, 에너지 절약과 환경 공해 문제, 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위한 자동차의 대체 동력원으로 연료전지를 적용하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다.
그러나, 연료전지만을 차량을 구동하기 위한 동력원으로 사용하는 경우 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.
연료전지는 특정 범위의 출력밀도(Power Density, W/㎠)에서 최적효율을 유지할 수 있어, 순수 연료전지 차량의 경우 연료전지의 고효율 영역에서 벗어나는 경우가 빈번하여 효율이 저하되게 된다.
또한, 연료전지 차량을 구동하는 전기모터는 고속 운전영역에서 저속 운전영역보다 높은 직류전압을 요구하는데 반해, 연료전지는 출력이 증가하면 출력전압이 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있으므로 고속 운전영역에서 전기모터가 요구하는 충분한 직류전압을 공급하지 못하여 모터의 가속성능이 저하되는 현상이 발생하게 된다.
나아가, 기본적으로 연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 공급하게 되므로 차량이 급격한 동력을 요구하는 경우 순시적으로 충분한 동력을 공급하는 것이 불가능하다.
그리고, 연료전지는 일방적으로 전력을 출력하기만 하는 특성을 지니고 있어, 차량 구동모터의 제동시 발생되는 회생전력을 흡수하지 못하므로, 에너지의 효율적 이용이 불가능하다.
상기한 연료전지의 출력특성에 의한 제약을 극복하기 위하여 연료전지의 출력특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용(하이브리드화)하고 있다.
도1에는 보조동력원으로 배터리를 사용하는 연료전지 하이브리드 전기자동차에 사용되는 동력시스템을 도시하고 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 연료전지 하이브리드 전기자동차는 주동력원으로 사용되는 연료전지(10), 보조동력원으로 사용되는 배터리(20), 상기 연료전지(10)와 상기 배터리(20) 사이에 병렬로 연결되어 모터에 안정적인 전압이 공급되도록 하며, 배터리와 연료전지의 서로 다른 출력전압의 균형을 매칭시켜 주고, 연료전지의 잉여전압 및 회생제동 에너지를 배터리의 충전전압으로 제공하는 역할을 하는 양방향 DC/DC 컨버터(30), 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 출력단 및 저전압원인 연료전지(10)의 출력단에 연결되어 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통한 IGBT 스위칭으로 모터(50)의 거동을 제어하는 인버터(40)를 포함한다.
상기의 구성에서 DC/DC 컨버터(30)는 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 내부의 트랜지스터(T1,T2)가 스위칭 되어 다이오드(D1,D2)를 통한 전류 패스의 형성으로 고전압원인 배터리(20)에서 저전압원인 연료전지(10)로 동력을 전달하는 기능(Buck Operation) 과 저전압원인 연료전지(10)에서 고전압원인 배터리 (20)로 동력을 전달하는 기능(Boost Operation)을 수행한다.
상기와 같이 주 에너지원인 연료전지와 보조 에너지원을 동시에 사용하는 연료전지 하이브리드 전기자동차에 있어서는 두 개의 에너지원 간의 유기적이고 효율적인 동력분배 전략이 필수적이나, 기존의 연료전지 하이브리드 전기자동차에서는 이종의 에너지원간의 적절한 동력분배가 이루어지지 아니하여 전력의 효율적 이용 및 차량의 구동에 필요한 에너지를 안정적으로 공급할 수 없는 문제가 있다. 또한, 전기자동차의 장점인 회생 제동 에너지를 회수하는데 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 이종의 에너지원인 연료전지와 배터리의 에너지를 효율적으로 사용하여 전력효율의 극대화 및 차량의 구동에 필요한 안정적인 에너지 공급을 동시에 도모할 수 있는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 종래기술에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력시스템을 보여주는 회로도이다.
도2는 본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템을 보여주는 구성도이다.
도3 내지 도6은 본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어시스템에 의한 동력분배상태를 간략히 보여주는 도면이다.
도7 내지 도9는 본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법을 보여주는 순서도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템은,
주동력원으로 사용되는 연료전지;
보조동력원으로 사용되는 배터리;
상기 배터리에 연결되어 전력이 입출력되도록 하는 양방향 DC/DC 컨버터;
상기 연료전지와 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 전기적으로 연결되는 인버터;
상기 인버터에 연결되어 전기에너지를 차량을 구동하는 회전운동에너지로 변환하는 모터; 및
차량 요구동력을 추정하고, 상기 추정된 차량 요구동력과 연료전지 및 배터리의 상태에 기초하여 연료전지, 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터, 및 인버터 사이의 동력전달을 제어하는 제어부
를 포함하되,
상기 제어부는 현재 차량 요구동력과 배터리 충전상태에 기초하여
상기 연료전지의 에너지만이 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 연료전지 모드;
상기 연료전지와 상기 배터리의 에너지가 동시에 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 배터리 방전 모드;
상기 연료전지에서 출력되는 에너지의 일부는 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하고, 다른 일부는 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 배터리를 충전하도록 하는 배터리 충전 모드; 및
상기 인버터와 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 회생 제동 에너지로 배터리를 충전하는 리제너레이션 모드
중 어느 하나를 택일적으로 수행하도록 프로그램되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하이고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 상한치 이상인 경우에 수행되는 것이 바람직하고,
상기 차량 요구동력은 현재 모터에서 사용되는 동력, 가속 페달의 답입량, 및 브레이크 페달의 답입량에 기초하여 추정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 방전 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력보다 크고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 하한치 이상인 경우에 수행되는 것이 바람직하고, 상기 배터리 충전 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하이고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 상한치보다 작은 경우에 수행되는 것이 바람직하며, 상기 리제너레이션 모드는 상기 차량 요구동력이 0보다 작은 경우에 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법은 주에너지원으로 사용되는 연료전지, 보조에너지원인 배터리, 상기 연료전지 및 배터리에 전기적으로 연결되는 양방향 DC/DC 컨버터, 및 상기 연료전지, 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터 사이의 동력 전달을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템을 이용하며,
연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법은
현재 상태에서 차량 요구동력을 추정하는 단계;
상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하인지를 판단하는 판단단계;
상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하인 것으로 판단되는 경우에, 연료전지 요구 출력량을 0으로 설정하는 설정단계; 및
현재의 배터리 충전상태를 기초로 하여 상기 배터리가 충전되도록 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 배터리 충전단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량 요구동력은 현재 모터에서 사용되고 있는 모터 동력량과, 가속페달의 답입량과, 브레이크 페달의 답입량을 기초로 추정되는 것이 바람직하다.
상기 배터리 충전단계는
상기 배터리가 과충전 상태인지를 판단하는 단계;
상기 배터리가 과충전 상태가 아닌 것으로 판단되면, 배터리 충전 요구량을 연산하는 단계; 및
모터의 회생전력 최대값을 상기 배터리 충전 요구량으로 설정하는 단계;
상기 연산된 배터리 충전 요구량 만큼 상기 배터리가 충전되도록 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 충전단계는
상기 배터리가 과충전 상태라고 판단되면, 모터의 회생 기능을 오프하는 단계; 및
상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 0으로 설정하는 단계
를 더 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하가 아닌 것으로 판단되면, 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하인지를 판단하는 단계;
상기 차량 요구동력이 상기 설정된 동력 이하인 것으로 판단되면, 배터리 충전이 필요한지를 판단하는 단계; 및
배터리 충전 요구량을 연산하여, 연산된 충전 요구량에 따라 배터리가 충전되도록 제어하는 배터리 충전단계
를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배터리 충전단계는
현재의 배터리 충전상태를 기초로 배터리 충전 요구량을 연산하는 단계;
상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 큰 것으로 판단되는 경우, 상기 연산된 충전 요구량 만큼 배터리가 충전되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
를 포함하는 것이 바람직하며,
상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 크지 아니한 것으로 판단되는 경우, 상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차에 해당하는 에너지가 상기 배터리에 저장되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배터리의 충전이 필요하지 아니한 것으로 판단되면, 상기 배터리에 충전이 되지 아니하도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터 출력전류를 0으로 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 제어방법은
상기 차량 요구동력이 상기 설정된 동력 이하가 아닌 것으로 판단되면, 상기 배터리가 방전가능한 상태인지를 판단하는 단계;
상기 배터리가 방전가능한 상태인 것으로 판단되면, 배터리 방전 가능량을 연산하는 단계; 및
상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 큰지를 판단하는 단계; 및
상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 큰 것으로 판단되면, 상기 연산된 배터리 방전 가능량에 해당하는 에너지가 상기 배터리로부터 방출되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 크지 아니한 것으로 판단되면, 상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차에 해당하는 에너지가 상기 배터리로부터 방출되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 배터리가 방전가능한 상태가 아닌 것으로 판단되면, 상기 배터리로부터 에너지의 출입이 없도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 0으로 설정하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 전기자동차의동력분배 시스템 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2에 도시된 바와 같이, 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템은 주동력원으로 사용되는 연료전지(10), 보조동력원으로 사용되는 배터리(20), 상기 연료전지와 상기 배터리 사이에 병렬로 연결되어 모터에 안정적인 전압이 공급되도록 하며, 배터리와 연료전지의 서로 다른 출력전압의 균형을 매칭시켜 주고, 연료전지의 잉여전압 및 회생제동 에너지를 배터리의 충전전압으로 제공하는 역할을 하는 양방향 DC/DC 컨버터(30), 상기 연료전지와 상기 DC/DC 컨버터에 전기적으로 연결되어 전력을 공급받아 이를 교류전원으로 변환하는 인버터(40), 상기 인버터의 교류전원의 전기에너지를 회전운동에너지로 변환하는 모터(50), 및 상기 모터의 회전력을 전달받아 이를 휠(70)로 전달하는 감속기(60)를 포함한다.
상기와 같은 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력시스템을 제어하기 위한 제어시스템은 연료전지의 동작상태와 연료전지의 출력을 제어하는 FCC (Fuel-Cell Controller, 100), 배터리 동작상태 감시 및 배터리 충전상태를 관리하는 BMS (Battery Management System, 200), 양방향 DC/DC 컨버터의 출력 전압, 전류, 및 전력을 제어하는 DC/DC 컨버터 제어기(300), 차량 구동 모터에 인가되는 토오크를 제어하는 MCU(Motor Control Unit, 400), 및 연료전지 하이브리드 전기자동차의 최상위 제어기인 PCU(Power Control Unit, 500)을 포함한다.
상기 FCC(100), BMS(200), DC/DC 컨버터 제어기(300), MCU(400), 및 PCU(500)는 CAN(Controller-Area Network) 통신에 의해 상호 통신을 수행하는 것이 바람직하다. CAN 통신은 차량의 제어에 많이 사용되는 직렬 통신의 일종이며, 이에대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
FCC(100)는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 주동력원인 연료전지(10)의 전력이 모터(50)로 공급되는 것을 제어하며, BMS(200)는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 보조동력원인 배터리(20)의 전력이 모터(50)로 공급되는 것과 모터(50)로부터 입력되는 회생 제동에너지를 배터리(20)로 흡수하는 것을 제어한다.
DC/DC 컨버터 제어기(300)는 DC/DC 컨버터(30)가 이종의 에너지원인 연료전지(10)와 배터리(20) 간의 에너지 버퍼 역할을 수행하도록 제어하며, 배터리 충전량과 방전량을 조절하는 역할을 한다.
MCU(400)는 차량 구동모터에 전달되는 동력을 제어하며, 차량 제동시 회생 제동에너지가 배터리(20)로 전달되도록 하는 역할을 한다.
PCU(500)는 차량이 요구하는 동력을 연료전지(10)와 배터리(20) 상태를 고려하여 시스템의 동력 효율을 최대화시킬 수 있도록 연료전지와 배터리 출력량을 분배하는 역할을 한다.
상기와 같은 PCU(500)는 차량 요구동력량 추정, 배터리 충전 및 방전 요구량 추정, 연료전지 출력요구량 추정을 통해서 양방향 DC/DC 출력 지령을 출력하여 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어를 수행하게 된다.
PCU(500)는 현재 차량 구동용 모터(50)에서 사용되고 있는 동력량 정보와, 운전자의 의지인 가속 페달과 브레이크 페달의 출력값 변화량과 차속 변화량을 이용하여 추정되는 가감 동력량 정보를 합산하여 차량 요구동력량을 결정한다.
또한, PCU(500)는 배터리의 현재 충전상태(SOC) 제어기를 이용하여 배터리충전 요구량 및 방전 가능량을 판정한다.
그리고, 연료전지 최적 효율 운전영역의 출력량과 앞서 연산된 차량 요구동력량을 비교하여 배터리 방전 필요량 또는 충전 가능량을 연산한다.
PCU(500)는 상기와 같은 과정을 통해서 배터리가 방전 또는 충전이 되도록 제어하는데, 배터리를 방전하는 경우에는 앞서 연산된 배터리의 방전 가능량과 배터리 방전 필요량을 비교하여 그 중 작은 값을 양방향 DC/DC 컨버터의 출력지령을 선정하며, 배터리를 충전하는 경우에는 앞서 연산된 배터리 충전 요구량과 배터리 충전 가능량을 비교하여 그 중 작은 값을 양방향 DC/DC의 출력 지령으로 선정하게 된다.
상기한 바와 같이, 차량 요구동력량과 연료전지 및 배터리의 상태에 기초하여 동력분배 모드가 결정되는데, 본 발명의 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배시스템은 연료전지 모드(Fuel Cell Only Mode), 배터리 방전 모드, 배터리 충전 모드, 리제너레이션 모드(Regeneration Mode)로 동력분배 모드를 구분한다.
도3은 동력분배 모드가 연료전지 모드인 경우의 에너지 흐름을 도시하고 있는데, 도면에 도시된 바와 같이 연료전지 모드에서는 연료전지(10)의 에너지가 인버터(40)를 거쳐 모터(50)로 전달되게 된다.
연료전지 모드는 차량 요구동력이 연료전지(10)의 최적 운전영역 내에 존재하고, 또한 배터리(20)의 충전상태가 양호한 경우에 선택되는 모드이다.
즉, 차량 요구동력(Preq)이 연료전지 최적동력(PFC.opt)보다 작거나 같고, 배터리의 현재 충전상태(SOC)가 설정된 상한치 이상인 경우에 선택되는 모드이다.
상기 상한치는 배터리가 충전가능한 최대값을 의미하며, 상기 BMS의 전기신호를 이용하여 PCU(500)에서 이를 결정한다.
배터리(20)의 충전상태가 양호하고 차량 요구동력이 연료전지(10)의 최적 효율 운전영역 이내에 존재하므로 배터리(20)의 충전이나 방전은 시스템의 동력 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있으므로, 배터리의 충전이나 방전 없이 차량 요구동력을 연료전지(10)가 모두 담당하게 하는 것이다.
도4는 배터리 방전 모드를 도시하고 있는데, 배터리 방전 모드에서는 연료전지(10)의 에너지와 함께 배터리(20)의 에너지가 인버터(40)를 통해서 모터(50)로 전달되게 된다.
배터리 방전 모드는 차량 요구동력이 연료전지 최적 운전영역을 벗어나고, 또한 배터리의 충전상태가 양호가 경우이다.
즉, 차량 요구동력(Preq)이 연료전지 최적동력(PFC.opt)보다 크고, 배터리의 현재 충전상태(SOC;State Of Charge)가 설정된 하한치 이상인 경우이다.
상기 하한치는 배터리가 방전 가능한 최소값을 의미하며, 상기 BMS의 전기 신호를 이용하여 PCU(500)에서 결정하게 된다.
차량 요구동력이 연료전지 최적 운전영역을 벗어나고 배터리의 충전상태가 양호하므로, 최적 운전영역을 벗어나는 초과 동력량에 해당하는 동력을 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 배터리(20)로부터 공급되도록 하는 것이다. 따라서, 연료전지는 최적 운전영역에서 가동되며, 차량은 필요한 동력을 얻을 수 있게 된다.
도5는 배터리 충전 모드를 도시하고 있는데, 배터리 충전 모드에서는 연료전지에서 방출되는 에너지의 일부가 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 배터리로 공급되어 배터리(20)를 충전시키게 된다.
배터리 충전 모드는 차량 요구동력이 존재하고, 배터리 충전이 필요한 경우이다.
즉, 차량 요구동력(Preq)이 0보다 크고 연료전지 최적동력(PFC.opt) 이하이고 배터리의 현재 충전상태(SOC)가 상기 설정된 상한치 이하인 경우이거나, 차량 요구동력(Preq)이 연료전지 최적동력(PFC.opt)보다 크고 배터리의 현재 충전상태(SOC)가 설정된 하한치 보다 작은 경우이다. .
차량 요구동력이 연료전지 최적 운전영역 이내에 존재하고, 배터리가 충전을 요구하는 상태이므로 연료전지 최적 운전영역을 유지하면서 차량 요구동력을 공급하고 여분의 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 배터리(20)로 공급하여 배터리를 충전하는 것이다.
도6은 리제너레이션 모드를 도시하고 있는데, 리제너레이션 모드에서는 차량 제동 중 제동 에너지가 동력원으로 회생되게 된다.
리제너레이션 모드는 차량 요구동력은 존재하지 않는 경우이다. 즉, 차량 요구동력(Preq)이 0 이하인 경우이다.
차량 구동원으로 사용되는 모터(50)는 제동시 발생하는 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 동력원으로 회생할 수 있다. 이러한 회생 에너지를 양방항 DC/DC 컨버터(30)를 통하여 배터리를 충전하는 것이고, 배터리에 충전된 에너지는 이후 배터리 방전 요구시 차량 동력원으로 재생할 수 있게 된다.
이하에서, 도7 내지 도9를 참고하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법을 설명하기로 한다.
먼저, PCU(500)는 현재 차량 구동용 모터(50)에서 사용되고 있는 동력량 정보와, 운전자의 의지인 가속 페달과 브레이크 페달의 출력값 변화량과 차속 변화량을 이용하여 추정되는 가감 동력량 정보를 합산하여 차량 요구동력(Preq)을 추정한다(S710). 주행중 운전자가 가속페달을 밟는 것은 차량을 가속하려는 의지를 표현하는 것이므로 현재 모터에서 사용되고 있는 동력보다 더 많은 동력이 요구되는 것이므로, 가속페달의 답입량에 비례하여 요구동력을 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 주행중 운전자가 브레이크 페달을 밟는 것은 감속 또는 정지를 하려는 의지를 표현하는 것이므로 현재 모터에서 사용되고 있는 동력보다 더 작은 동력이 요구되는 것이므로, 요구동력을 감소시키는 것이 바람직하다.
추정된 차량 요구동력(Preq)이 0 이하인지를 판단(S715)하여, 차량 요구동력(Preq)이 0 이하인 것으로 판단되면, PCU(500)는 동력분배 모드를 리제너레이션 모드로 결정한다(S720). 즉, 현재 차량이 요구하는 동력이 없어 연료전지(10)나 배터리(20)에서 에너지를 출력시킬 필요가 없다고 판단하는 것이다.
PCU(500)는 연료전지 요구 출력량을 0으로 설정(S725)한 후에, 배터리(20)가과충전 상태인지를 판단한다(S730).
배터리 과충전 상태라 함은 현재 배터리의 충전도가 설정된 상한치 이상인 것을 의미한다. 따라서, 이러한 경우에는 더 이상 배터리(20)를 충전할 필요가 없음을 의미한다.
S730 단계에서 배터리가 과충전 상태인 것으로 판단되면, PCU(500)는 배터리 충전 가능량을 0으로 설정하고, 모터의 회생 기능을 오프(off)하며, 양방향 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 0으로 설정한다(S735).
한편, S730 단계에서, 배터리(20)가 과충전 상태가 아니라고 판단되면, PCU(500)는 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)을 연산(S740)하고, 모터의 회생전력의 최대값을 상기 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)으로 설정한다(S745).
그리고 나서, PCU(500)는 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 출력 전류 지령값을 "- Pbat.chg/출력전압"으로 설정한다(S750). 즉, 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)에 해당하는 에너지가 배터리에 충전되도록 양방향 DC/DC 컨버터(30)의 출력전류를 설정하는 것이다.
이와 같은 과정으로 회생 제동력을 이용하여 배터리(20)를 충전할 수 있게 된다.
한편, S715 단계에서 차량 요구동력(Preq)이 0 이하가 아닌 것으로 판단되면, 단계ⓐ로 진행하는데 이에 대해서는 도8을 참고로 하여 설명한다.
S715 단계에서 차량 요구동력(Preq)이 0 이하가 아닌 것으로 판단되면, PCU(500)는 차량 요구동력(Preq)이 설정된 값(PFC.opt) 이하인지를 판단한다(S810).
상기 설정된 값(PFC.opt)은 연료전지가 고효율을 유지하는 동력의 상한치이다. 즉, S810 단계는 차량 요구동력(Preq)이 연료전지의 고효율 작동영역에 있는지를 판단하는 과정이다.
S810 단계에서, 차량 요구동력(Preq)이 설정된 값(PFC.opt) 이하인 것으로 판단되면, 배터리 충전이 필요한 상태인지를 판단한다(S815).
배터리 충전이 필요한 경우, PCU(500)는 현재의 동력분배 모드를 배터리 충전모드로 결정(S820)하고, 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)을 연산한다(S825).
그리고 나서, PCU(500)는 상기 설정된 값(PFC.opt)과 차량 요구동력(Preq)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)보다 큰지를 판단한다 (S830).
S830 단계에서, 상기 설정된 동력값(PFC.opt)과 차량 요구동력(Preq)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)보다 큰 것으로 판단되면 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류값을 "-Pbat.chg/출력전압"으로 설정하고, 그렇지 아니하면 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류값을 "(Pbat.chg-Preq)/출력전압"으로 설정한다.
상기 설정된 동력값(PFC.opt)과 차량 요구동력(Preq)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)보다 큰 경우에는 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)에 해당하는 에너지를 연료전지로부터 더 출력하더라도 연료전지에서 출력되는 전체 동력이 연료전지 최적 작동영역에 있으므로, 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)만큼 충전되도록 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류값을 설정하는 것이다.
반면, 상기 설정된 동력값(PFC.opt)과 차량 요구동력(Preq)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)보다 작은 경우에는 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)에 해당하는 에너지를 연료전지로부터 더 출력하게 되면 연료전지에서 출력되는 전체 동력이 연료전지 최적 작동영역을 벗어나게 되므로, 연산된 배터리 충전 요구량(Pbat.chg)만큼 충전되도록 하는 것이 아니라 연료전지의 최적 작동영역 내에서 연료전지의 에너지를 이용하여 배터리를 충전하도록 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류값을 설정하는 것이다.
한편, S815 단계에서 배터리 충전이 필요하지 아니한 것으로 판단되면, PCU(500)는 동력분배 모드를 연료전지 모드로 결정하여 양방향 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 0으로 설정한다(S845 및 S850).
그리고, S810 단계에서 차량 요구동력(Preq)이 설정된 동력값(PFC.opt) 이하가 아닌 것으로 판단되면, 단계ⓑ로 진행하는데 이에 대해서는 도9를 참고로 하여 설명하기로 한다.
우선, PCU(500)는 배터리가 방전 가능한 상태인지를 판단한다(S910). 배터리(20)의 충전도가 설정된 하한치 이상이면 배터리가 방전 가능한 상태라고 판단할 수 있다.
배터리가 방전 가능한 상태라고 판단되면, 동력분배 모드를 배터리 방전모드로 설정하여 배터리 방전 가능량(Pbat.dis)을 연산한다(S915 및 S920).
그리고 나서, PCU(500)는 차량 요구동력(Preq)과 설정된 동력값(PFC.opt)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 방전 가능량(Pbat.dis)보다 큰 지를 판단한다(S925).
S925 단계에서, 차량 요구동력(Preq)과 설정된 동력값(PFC.opt)의 차 (difference)가 상기 연산된 배터리 방전 가능량(Pbat.dis)보다 큰 것으로 판단되면, PCU(500)는 양방향 DC/DC 컨버터의 출력 전류값을 "Pbat.dis/출력전압"으로 설정한다 (S930).
즉, 차량 요구동력 중 설정된 동력값을 초과하는 부분은 배터리에서 출력되도록 하는데, 이때 부족 부분 전체가 배터리로부터 출력되도록 하는 것이 아니라 배터리의 방전가능량 만큼 배터리로부터 출력되도록 하여 연료전지 만으로 부족한 동력의 일부를 배터리로부터 충당함과 동시에 배터리가 지나치게 방전되는 것을 방지하는 것이다. 연료전지를 최적 운영범위 내에서 가동하면서 부족한 요구 동력중일부는 배터리에서 출력되도록 하는 것이다.
한편, S925 단계에서, 차량 요구동력과 설정된 동력값(PFC.opt)의 차(difference)가 상기 연산된 배터리 방전 가능량(Pbat.dis) 보다 크지 아니한 것으로 판단되면, PCU(500)는 양방향 DC/DC 컨버터의 출력 전류값을 "(Preq-PFC.opt)/출력전압"으로 설정한다(S935).
연료전지는 최적 작동영역에서 작동하도록 하고, 부족한 동력은 배터리가 충당하도록 하는 것이다.
그리고, S910 단계에서, 배터리가 방전 가능하지 아니한 것으로 판단되면, PCU(500)는 동력분배 모드를 연료전지 모드로 설정하여 양방향 DC/DC 컨버터 출력 전류를 0으로 설정한다(S940).
차량 요구동력(Preq)이 연료전지의 최적 작동영역을 벗어나더라도, 배터리가 방전 가능한 상태가 아니므로 연료전지가 동력을 충당하도록 하는 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 동력분배 시스템 및 방법에 의하면 차량의 운행에 필요한 차량 요구동력을 연료전지의 최적 운용범위 및 배터리 상태를 고려하여 확보할 수 있게 된다.
그 결과, 연료전지 하이브리드 전기자동차의 에너지 분배의 최적화를 도모할 수 있고, 아울러 원하는 차량 성능을 위한 동력도 확보할 수 있게 된다.

Claims (17)

  1. 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템에 있어서,
    주동력원으로 사용되는 연료전지;
    보조동력원으로 사용되는 배터리;
    상기 배터리에 연결되어 전력이 입출력되도록 하는 양방향 DC/DC 컨버터;
    상기 연료전지와 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 전기적으로 연결되는 인버터;
    상기 인버터에 연결되어 전기에너지를 차량을 구동하는 회전운동에너지로 변환하는 모터; 및
    차량 요구동력을 추정하고, 상기 추정된 차량 요구동력과 연료전지 및 배터리의 상태에 기초하여 연료전지, 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터, 및 인버터 사이의 동력전달을 제어하는 제어부
    를 포함하되,
    상기 제어부는 현재 차량의 요구동력과 배터리 충전상태에 기초하여
    상기 연료전지의 에너지만이 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 연료전지 모드;
    상기 연료전지와 상기 배터리의 에너지가 동시에 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하도록 하는 배터리 방전 모드;
    상기 연료전지에서 출력되는 에너지의 일부는 상기 인버터를 통해서 상기 모터를 구동하고, 다른 일부는 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 배터리를 충전하도록 하는 배터리 충전 모드; 및
    상기 인버터와 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 회생 제동 에너지로 배터리를 충전하는 리제너레이션 모드
    중 어느 하나의 모드를 택일적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 연료전지 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하이고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 상한치 이상인 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 차량 요구동력은 현재 모터에서 사용되는 동력, 가속 페달의 답입량, 및 브레이크 페달의 답입량에 기초하여 추정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 배터리 방전 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력보다 크고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 하한치 이상인 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 배터리 충전 모드는 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하이고, 상기 배터리의 충전도가 설정된 상한치보다 작은 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 리제너레이션 모드는 상기 차량 요구동력이 0보다 작은 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 시스템.
  7. 주에너지원으로 사용되는 연료전지, 보조에너지원으로 사용되는 배터리, 상기 연료전지 및 배터리에 전기적으로 연결되는 양방향 DC/DC 컨버터, 및 상기 연료전지, 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터 사이의 동력 전달을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 시스템을 이용하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법에 있어서,
    현재 상태에서 차량 요구동력을 추정하는 단계;
    상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하인지를 판단하는 판단단계;
    상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하인 것으로 판단되는 경우에, 연료전지 요구 출력량을 0으로 설정하는 설정단계; 및
    현재의 배터리 충전상태를 기초로 하여 상기 배터리가 충전되도록 양방향DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 배터리 충전단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 제어방법.
  8. 제7항에서,
    상기 차량 요구동력은 현재 모터에서 사용되고 있는 모터 동력량과, 가속페달의 답입량과, 브레이크 페달의 답입량을 기초로 추정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 제어방법.
  9. 제7항에서,
    상기 배터리 충전단계는
    상기 배터리가 과충전 상태인지를 판단하는 단계;
    상기 배터리가 과충전 상태가 아닌 것으로 판단되면, 배터리 충전 요구량을 연산하는 단계; 및
    모터의 회생전력 최대값을 상기 배터리 충전 요구량으로 설정하는 단계;
    상기 연산된 배터리 충전 요구량 만큼 상기 배터리가 충전되도록 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차 동력분배 제어방법.
  10. 제9항에서,
    상기 배터리 충전단계는
    상기 배터리가 과충전 상태라고 판단되면, 모터의 회생 기능을 오프하는 단계; 및
    상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 0으로 설정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  11. 제7항에서,
    상기 추정된 차량 요구동력이 0 이하가 아닌 것으로 판단되면, 상기 차량 요구동력이 설정된 동력 이하인지를 판단하는 단계;
    상기 차량 요구동력이 상기 설정된 동력 이하인 것으로 판단되면, 배터리 충전이 필요한지를 판단하는 단계; 및
    배터리 충전 요구량을 연산하여, 연산된 충전 요구량에 따라 배터리가 충전되도록 제어하는 배터리 충전단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  12. 제11항에서,
    상기 배터리 충전단계는
    현재의 배터리 충전상태를 기초로 배터리 충전 요구량을 연산하는 단계;
    상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 큰 것으로 판단되는 경우, 상기 연산된 충전 요구량 만큼 배터리가 충전되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  13. 제12항에서,
    상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차가 상기 배터리 충전 요구량 보다 크지 아니한 것으로 판단되는 경우, 상기 설정된 동력과 상기 차량 요구동력의 차에 해당하는 에너지가 상기 배터리에 저장되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  14. 제11항에서,
    상기 배터리의 충전이 필요하지 아니한 것으로 판단되면, 상기 배터리에 충전이 되지 아니하도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터 출력전류를 0으로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배제어방법.
  15. 제11항에서,
    상기 차량 요구동력이 상기 설정된 동력 이하가 아닌 것으로 판단되면, 상기 배터리가 방전가능한 상태인지를 판단하는 단계;
    상기 배터리가 방전가능한 상태인 것으로 판단되면, 배터리 방전 가능량을 연산하는 단계;
    상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 큰 것으로 판단되면, 상기 연산된 배터리 방전 가능량에 해당하는 에너지가 상기 배터리로부터 방출되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  16. 제15항에서,
    상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차가 상기 연산된 배터리 방전 가능량보다 크지 아니한 것으로 판단되면, 상기 차량 요구동력과 상기 설정된 동력의 차에 해당하는 에너지가 상기 배터리로부터 방출되도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
  17. 제15항에서,
    상기 배터리가 방전가능한 상태가 아닌 것으로 판단되면, 상기 배터리로부터 에너지의 출입이 없도록 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 출력전류를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 전기자동차의 동력분배 제어방법.
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