KR20040009370A - 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워제어방법 - Google Patents

연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워제어방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법이 개시된다. 개시된 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법은, (a) 연료 전지의 파워-전압 특성 맵(Map)을 제어기 내에 구현하는 단계와; (b) 직류변환장치를 이용하여 연료 전지의 출력전압을 제어하는 단계와; (c) 연료 전지의 출력전압에 의해서 연료 전지로부터 파워가 출력되는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 일반적인 연료 전지 차량에 비해 전체적인 시스템 효율이 향상될 수 있고, 초기에 배터리 에너지를 사용하므로 일반적인 연료 전지 차량에 비해 더 빠른 시간 내에 차량이 움직일 수 있는 이점이 있다.

Description

연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법{METHOD OF CONTROLLING OUTPUT POWER OF FUEL CELL FOR FUEL CELL HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량 전체의 시스템 효율이 향상되고, 빠른 시간 내에 차량이 움직일 수 있도록 한 위한 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법에 관한 것이다.
도 1에는 연료 전지 하이브리드 전기자동차(FC HEV)의 연료 전지 시스템의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 이는 직렬형 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 일종이며, 배터리를 충전할 수 있을 뿐 아니라, 직접 구동 모터로 에너지를 전달할 수 있는 연료 전지 시스템과 차량에 동력을 공급하는 구동 모터 부분, 그리고 에너지를 축적할 수 있는 배터리 및 직류변환장치 시스템으로 구성되어 있다.
이러한 부분은 각각의 제어기를 가지고 있으며 이러한 제어기들은 통신을 통하여 서로 정보를 주고받는다.
그리고 도 2에는 상기와 같이 구성된 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 전체적인 에너지 흐름을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 에너지원, 즉 연료 전지에서 발생된 파워 PFC는 구동 모터에서 사용하는 파워 Pmot만큼이 제외된 나머지 부분, 즉 (PFC-Pmot) 만큼이 배터리에 충전된다.
이때, 이러한 충전 파워가 0보다 큰 경우와 작은 경우, 그리고 연료 전지 출력파워가 0인 경우, 그리고 배터리 파워가 0인 경우에 따라서 운전 모드는 구분될 수 있다.
즉, 배터리의 파워량에 따라서 운전모드는 배터리 방전모드(Pbat > 0), 충전모드(Pbat < 0), 전기자동차(EV)모드(Pbat = Pmot), 연료 전지(Fuel Cell)(Pbat = 0) 모드로 구분된다.
상기와 같은 에너지 흐름을 갖는 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 현재까지는 일반적인 연료 전지 차량에 비해 전체적인 시스템 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 일반적인 연료 전지 차량에 비해 전체적인 시스템 효율이 향상되도록 한 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 파워 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 2는 일반적인 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 파워 시스템의 에너지 흐름을 나타내 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트.
도 4는 본 발명의 방법이 적용되는 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 회로도.
도 5는 본 발명의 방법이 적용되는 파워제어 블록도.
도 6은 본 발명의 방법이 적용되는 전체적인 파워제어 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11. 연료 전지
12. 직류변환장치
13. 전압 제어기
14. 전류 제어기
15. 모터
16. 동력분배 제어기
17. SOC 제어기
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법은, (a) 연료 전지의 파워-전압 특성 맵(Map)을 제어기 내에 구현하는 단계와; (b) 직류변환장치를 이용하여 연료 전지의 출력전압을 제어하는 단계와; (c) 연료 전지의 출력전압에 의해서 연료 전지로부터 파워가 출력되는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트가 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 본 발명의 방법이 적용되는 시스템의 구성을 나타내 보인 개략적인 회로도와, 파워 제어 블록도가 도시되어 있다.
도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법은, 우선, 연료 전지(11)의 파워-전압 특성 맵(Map)을 제어기 내에 구현한다.(단계 110)
이어서, 직류변환장치(12)를 이용하여 연료 전지(11)의 출력전압을 제어한다.(단계 120)
그리고 연료 전지(11)의 출력전압에 의해서 연료 전지(11)로부터 파워가 출력되도록 한다.(단계 130)
상기 단계 120에서의 출력전압(Vc)은 아래의 식 1로 구한다.
[식 1]
Vc = 1/C ∫Ic dt
상기 Ic = Ibat + IFC - Imot
여기서, Ibat는 배터리 전류, IFC는 연료 전지 전류, Imot는 모터 전류이다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료 전지(11)의 출력지령으로부터 연료 전지(11)의 출력전압 지령을 만든다. 즉, 연료 전지(11) 워-전압 특성 맵을 제어기 내에 구현한다.
이어서, 직류변환장치(12)를 이용하여 연료 전지(11)의 출력전압을 제어한다. 전압지령과 실제전압을 비교하여 전압제어기(13)에서 그 차에 비례하는 전류지령을 만들어낸다.
즉, 배터리의 출력전류 지령이다. 배터리의 출력전류를 제어하기 위해서 전류제어기(14)가 구비되어 있으며, 직류변환장치(12) 내부에 있는 인덕터(L)에 흐르는 전류를 제어함으로 전류제어가 이루어진다.
이렇게 제어된 배터리전류는 모터전류와 연료 전지출력전류와 합쳐져서 커패시터(C)를 충전하게 된다. 정상 상태에서는 이러한 전류의 합이 0이다. 즉, 전압변동이 없음을 의미한다.
하지만, 모터(15)에서 요구하는 부하조건이 변동함에 따라 일정한 전압을 유지하기 위한 직류변환장치(12)의 전류 출력치는 계속해서 변동해야 한다.
또한 제어된 연료 전지출력전압에 의해서 연료 전지(11)로부터 파워가 출력되는 것은 특별한 제어기가 있어서가 아니다.
상기와 같은 출력제어는 연료 전지(11)의 출력특성과 직류변환장치(12)를 이용하여 이루어진다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료전지 출력 파워 제어방법을 도 6에 도시된 바와 같은 전체적인 파워제어 시스템을 나타내 보인 블록도를 이용하여 보충 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 제어 시스템은 크게 연료 전지(11)와 배터리 사이의 동력분배를 결정하는 동력분배 제어기(16)와 배터리의 SOC를 유지하는 SOC 제어기(17)를 상위제어기로 갖고 있으며, 이러한 상위 제어기로부터 연료 전지의 출력파워 지령과 일치하는 파워를 출력하기 위해서 전술한 바와 같은 파워제어 방법을 사용한다.
그리고 상기 동력분배 제어기(16)와 SOC 제어기(17)로부터 연료 전지에서 출력해야 할 파워가 결정되면 연료 전지의 출력특성(파워-전압 관계)을 이용하여 연료 전지의 출력전압지령을 만들어낸다. 이러한 전압제어는 직류변환장치(12)를 이용하여 행해진다.
이렇게 전압제어가 이루어지면 연료 전지 특성에 의해서 지령된 파워지령과 일치하는 파워가 연료 전지로부터 출력된다. 이러한 방식으로 연료 전지의 출력파워가 제어되며 배터리측의 파워는 연료 전지에서 출력되는 파워와 모터(15)가 요구하는 파워의 차에 의해서 결정된다.
한편, 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 에너지원으로서의 연료 전지와 에너지 버퍼 역할을 하는 배터리와 파워를 제어하기 위한 양방향 직류변환장치로 이루어져 있으며, 이러한 연료 전지의 출력과 배터리의 출력을 적절히 분배하여 운전자가 요구하는 파워를 적절하게 공급하는 방법이 필요하다.
또한 동력분배 전략에 따라서 연료 전지의 출력지령이 만들어지면 이에 일치하는 연료 전지의 출력을 만들기 위한 제어방법이 필요하다.
따라서 본 발명은, 상기한 바와 같은 출력을 제어하는 방법이며, 출력제어는 연료 전지(11)의 출력 특성과 직류변환장치(12)를 이용한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
일반적인 연료 전지 차량에 비해 전체적인 시스템 효율이 향상될 수 있다.
그리고 초기에 배터리 에너지를 사용하므로 일반적인 연료 전지 차량에 비해 더 빠른 시간 내에 차량이 움직일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

  1. (a) 연료 전지의 파워-전압 특성 맵(Map)을 제어기 내에 구현하는 단계와;
    (b) 직류변환장치를 이용하여 연료 전지의 출력전압을 제어하는 단계와;
    (c) 연료 전지의 출력전압에 의해서 연료 전지로부터 파워가 출력되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 출력전압(Vc)은 아래의 식으로 구하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 연료 전지 출력 파워 제어방법.
    Vc = 1/C ∫Ic dt
    상기 Ic = Ibat + IFC - Imot
    여기서, Ibat는 배터리 전류,
    IFC는 연료 전지 전류,
    Imot는 모터 전류.
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