KR20040045743A - 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법 - Google Patents

연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지의 출력 특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용하여 연료 전지와 다른 에너지원간의 유기적이고 효율적인 동력 분배를 구현함으로써 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시스템 효율을 극대화할 수 있는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법에 관한 것으로, 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)를 결정하는 단계와; 상기 결정된 차량 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)에 따라 설정된 동력 분배 모드를 결정하는 단계와; 상기 결정된 동력 분배 모드에 따른 직류 변환부 출력 전압을 결정하는 단계와; 상기 결정된 직류 변환부 출력 전압을 지령하여 해당되는 동력 분배 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법{POWER CONTROL METHOD OF FUEL CELL HYBRID ELECTRICAL VEHICLE}
본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기 차량에 관한 것으로서, 특히 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로, 연료 전지 하이브리드 전기 차량은 기존의 연료 전지 차량에서 연료 전지의 효율적 운전 구간이 차량에 이용하기에는 적합하지 않고, 응답성이 늦은 관계로 연료 전지의 효율을 높여 차량 전체의 효율을 높이기 위한 방안으로 제시되었다.
연료 전지 하이브리드 전기 차량은 주 동력원으로써 연료 전지를 사용하고 보조 동력원으로 배터리를 추가함으로써 연료 전지와 배터리의 동력을 적절히 조합하여 연료 전지를 효율이 높은 점에서 동작하도록 할 수 있다.
그리고, 차량 제동 시 에너지의 일부를 흡수하여 배터리에 저장함으로써 에너지를 재사용 할 수 있고, 가속 시 배터리의 에너지를 보조 동력으로 이용함으로써 가속 성능(응답성)을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량은 모터의 제동시 발생되는 회생 전력을 흡수하지 못하게 되어 에너지의 효율적 이용이 곤란한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 출력 특성을 보상해 줄 수 있는 다른 에너지원을 보조적으로 적용하여 연료 전지와 다른 에너지원간의 유기적이고 효율적인 동력 분배를 구현함으로써 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시스템 효율을 극대화할 수 있는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시스템 구성을 도시한 도면.
도 2는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 연료 전지 특성 곡선을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어 알고리즘을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어 모드에 따른 동력 전달 흐름을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법을 도시한 흐름도.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법에 있어서, 상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)를 결정하는 단계와; 상기 결정된 차량 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)에 따라 설정된 동력 분배 모드를 결정하는 단계와; 상기 결정된 동력 분배 모드에 따른 직류 변환부 출력 전압을 결정하는 단계와; 상기 결정된 직류 변환부 출력 전압을 지령하여 해당되는 동력 분배 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시스템 구성을 도시한 도면이다.
도 1에서 연료 전지(101)는 연료 전지 차량의 주 동력원이고, 제2 파워 라인 연결부(102)(PDU2 ; Power Disconnect Unit 2)는 연료 전지(101)의 동력 연결을 결정하는 부분이고, 제3 파워 라인 연결부(103)(PDU3)는 모터 제어부(104)(MCU ; Motor Control Unit)와 다른 동력원간의 동력을 연결하는 부분이고, 모터 제어부(104)(MCU)는 차량 구동용 모터(105)를 제어하는 부분이다.
직류 변환부(106)는 연료 전지(101)의 출력 전압을 제어하고, 배터리(108)의 충전 및 방전 제어를 담당하는 부분이다.
제1 파워 라인 연결부(107)(PDU1)는 배터리(108)의 동력을 연결하는 부분이고, 배터리(108)는 차량의 보조 동력원으로 필요 시 모터(105)로 방전하여 동력을 전달하거나, 회생 전력을 충전하는 역할을 담당한다.
동력 분배 제어부(100)(PCU)는 각종 제어기들 중에서 최상위 제어 역할을 담당하는 제어기로써 모터(105)의 요구 동력과 배터리 충전상태(SOC ; State Of Charge)에 따라 차량의 운전 모드를 판정한다.
또한, 이종의 동력원인 연료 전지(101)와 배터리(108)의 동력 분배 역할을 담당하여 필요시 모터(105)의 동력 제한을 가하며, 연료 전지 하이브리드 전기 차량 전체의 상태를 감독하여 각 상태에 따라 각각의 제어기를 온/오프(ON/OFF)시켜주는 기능을 담당한다.
동력 분배 제어부(100)(PCU)와 각각의 제어기들은 캔(CAN) 통신을 통하여 서로 정보를 주고받는다.
그러나, 상기와 같은 일반적인 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 시스템 구성은 연료 전지(101)의 효율 운전 영역에 대한 고려가 부족하다.
직류 변환부(106)를 전류제어 모드로 동작시킨다는 가정 때문에 연료 전지(101)만으로 동작해도 되는 영역에서의 고려가 불충분하기 때문이다.
도 2를 참조하면, 연료 전지(101) 특성 곡선에 도시된 바와 같이 연료 전지(101)는 특정 구간에서만 최적 효율을 유지할 수 있다.
따라서, 순수 연료 전지 차량의 경우 연료 전지 고효율 운전 영역을 벗어나 동작이 빈번히 발생하게 되고, 효율이 저하된다.
연료 전지 차량 구동용으로 사용되는 모터(105)는 고속 운전 영역에서 저속 운전 영역보다 높은 직류(DC) 전압을 요구한다.
연료 전지(101)는 출력이 증가하면 출력 전압이 급격하게 감소하는 특성을 가지고 있으므로 고속 운전 영역에서 모터(105)가 요구하는 충분한 직류(DC) 전압을 공급하지 못하여 모터(105)의 가속 성능이 저하되는 현상이 발생하게 된다.
기본적으로 연료 전지(101)는 수소와 산소의 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 공급하게 되므로 차량이 급격한 동력을 요구하는 경우(차량의 가속시) 순간적으로 충분한 동력을 공급하는 것이 불가능하다.
연료 전지(101)는 일방적으로 전력을 출력하기만 하는 특성을 지니고 있다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어 알고리즘 및 동력 분배 제어 모드에 따른 동력 전달 흐름을 설명한다.
본 발명의 실시예는 동력 분배 모드를 기존의 4개가 아닌 총 5가지 방식으로 나누어 각 상태에 따라 연료 전지를 최적 효율 영역에서 동작하도록 하여 연료 전지 효율이 극히 나쁜 지역에서는 배터리로만 동작하도록 하였고, 나머지 부분에서는 최대한 연료 전지는 최적 동작영역에서 동작할 수 있도록 하여, 차량 전체 동력 흐름을 효과적으로 제어할 수 있도록 하였다.
또한, 초기 작동시 전기 차량 모드(EV Mode)의 추가로 응답 특성이 빠른 배터리로 동작하기 때문에 초기 가속 성능을 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예는 전압 제어 방식으로 직류 변환부를 제어하기 때문에 기존 전류 제어 방식에서의 시스템 불안정성을 해소할 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어 모드를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 동력 분배 모드는 하이브리드 모드(HEV Mode ; Hybrid Electric Vehicle Mode), 전기 차량 모드(EV Mode ; Electric Vehicle Mode), 연료 전지 모드(FC Mode ; Fuel Cell Mode), 회생 모드(Regeneration Mode), 배터리 충전 모드를 포함하여 이루어진다.
하이브리드 모드(HEV Mode ; Hybrid Electric Vehicle Mode)는 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 연료 전지와 배터리로 운행하는 모드이다.
전기 차량 모드(EV Mode ; Electric Vehicle Mode)는 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 배터리만으로 운행하는 모드이다.
따라서, 전기 차량 모드(EV Mode)는 배터리 방전 모드라 말할 수 있으며, 전기 차량 모드(EV Mode)에서는 차량 요구 동력이 연료 전지 최적 운전을 초과하고 배터리의 충전 상태가 양호하므로, 배터리 충전 초과량에 해당되는 동력을 양방향 직류 변환부를 이용하여 배터리로부터 공급되도록 한다.
따라서, 연료 전지는 최적 효율 운전 영역을 유지한다.
연료 전지 모드(FC Mode ; Fuel Cell Mode)는 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 연료 전지만으로 운행하는 모드이다.
연료 전지 모드(Fuel Cell Mode)에서는 차량 요구 동력이 연료 전지 최적 효율 운전 영역이내에 존재하므로 배터리의 방전없이 연료 전지만으로 작동시켜 연료 전지의 이용 효율을 높일 수 있다.
그리고, 만약 배터리의 충전상태가 양호하지 않을때도 연료 전지 모드로 동작시켜 배터리를 보호한다.
따라서, 배터리의 충전 및 방전은 없고 차량 요구 동력은 연료 전지만이 담당하게 된다.
회생 모드(Regeneration Mode)는 연료 전지 하이브리드 전기 차량 제동시의 에너지를 흡수하여 배터리 충전에 이용하는 모드이다.
회생 모드에서 연료 전지 하이브리드 전기 차량 구동용으로 사용되는 모터는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 제동시 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 동력원으로 회생할 수 있다.
이러한 회생 에너지를 양방향 직류 변환부를 이용하여 배터리로 충전, 배터리 방전 요구시 연료 전지 하이브리드 전기 차량 동력으로 재생할 수 있도록 한다.
배터리 충전 모드는 배터리 충전상태(SOC)가 설정된 상태보다 낮으면 연료 전지 출력을 직류 변환부를 통하여 배터리로 충전하면서 운전하는 모드이다.
배터리 충전 모드에서는 차량 요구 동력이 연료 전지 최적 효율 운전 영역이내에 존재하고 배터리가 충전을 요구하는 상태이므로 연료 전지 최적 효율 운전 영역을 유지하면서 차량 요구 동력을 공급한 여분의 동력을 양방향 직류 변환부를 이용하여 배터리를 충전한다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법을 설명한다.
도 5의 흐름도는 직류 변환부를 전압 제어할 때의 처리 방법을 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법은 동력 분배 제어부(PCU)를 통하여 구현되게 된다.
따라서, 동력 분배 제어부(PCU)는 연료 전지 하이브리드 전기 차량 시스템에서의 동력 흐름과 동력원의 상태를 가장 정확하게 파악하고 있어야 한다.
특히, 연료 전지 특성과 최적 운전 영역의 선정, 배터리 최적 충전 영역 선정이 적정하게 이루어져야 한다.
그리고, 차량 요구 동력을 정확하게 예측하여 연료 전지와 배터리 출력량을 분배한다.
동력 분배 제어부(PCU)는 (S510)에서 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)를 입력받는다.
이어서, 동력 분배 제어부(PCU)는 (S512)으로 진행하여 차량 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)에 따라 설정된 동력 분배 모드를 결정한다.
그리고, 결정된 동력 분배 모드에 따른 직류 변환부 출력 전압을 결정하고, 결정된 직류 변환부 출력 전압을 지령하여 해당되는 동력 분배 제어동작을 수행한다(S514~S516).
차량 요구 동력 추정은 현재 차량 구동용 모터 제어 장치가 사용하고 있는동력량 정보를 입수한다.
그리고, 운전자의 의지인 엑셀 페달과 브레이크 페달 출력값 변화량과 차속 변화량을 이용하여 가감되어야 하는 동력량을 추정 이두 가지 동력량을 합산하여 차량 요구 동력을 결정한다.
배터리 충방전 요구량을 추정하여 배터리 충전 상태(SOC)를 제어기를 이용하여 배터리의 충전 요구량 또는 방전 가능량을 판정한다.
연료 전지(Feul Cell)의 최적 효율 운전 영역의 출력량과 앞서 연산된 차량 요구 동력을 비교한다.
배터리 방전 필요량 또는 충전 가능량을 연산하여 양방향 직류 변환부로 출력 지령을 발생한다.
예를 들어, 배터리 방전 시에는 배터리의 방전 가능량과 배터리 방전 필요량을 비교하고, 그 중 작은 값을 양방향 직류 변환부의 출력 지령으로 결정한다.
이와는 달리, 배터리 충전 시에는 배터리 충전 요구량과 배터리 충전 가능량을 비교하고, 그 중 작은 값을 양방향 직류 변환부의 출력 지령으로 결정한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법은 연료 전지는 항상 최적 동작영역에서 동작할 수 있도록 하여 효율을 증대시키며, 초기 가속 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전압 제어 방식의 직류/직류 제어를 통해 시스템 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법에 있어서,
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)를 결정하는 단계와;
    상기 결정된 차량 요구 동력(Pmot)과 배터리 충전상태(SOC)에 따라 설정된 동력 분배 모드를 결정하는 단계와;
    상기 결정된 동력 분배 모드에 따른 직류 변환부 출력 전압을 결정하는 단계와;
    상기 결정된 직류 변환부 출력 전압을 지령하여 해당되는 동력 분배 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결정된 차량 요구 동력은 차량 구동용 모터 제어 장치가 사용하고 있는 동력량 정보와 운전자의 의지인 엑셀 페달과 브레이크 페달 출력값 변화량과 차속 변화량을 이용하여 가감되어야 하는 동력량을 추정 이두 가지 동력량을 합산하여 결정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 결정된 배터리 충전 상태(SOC)는 배터리 충방전 요구량을 추정하여 배터리의 충전 요구량 또는 방전 가능량을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
  4. 제3항에 있어서, 배터리 방전 시에는 배터리의 방전 가능량과 배터리 방전 필요량을 비교하고, 그 중 작은 값을 양방향 직류 변환부의 출력 지령으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
  5. 제3항에 있어서, 배터리 충전 시에는 배터리 충전 요구량과 배터리 충전 가능량을 비교하고, 그 중 작은 값을 양방향 직류 변환부의 출력 지령으로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 설정된 동력 분배 모드는
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 연료 전지와 배터리로 운행하는 하이브리드 모드(HEV Mode)와;
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 배터리만으로 운행하는 전기 차량 모드(EV Mode)와;
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량을 연료 전지만으로 운행하는 연료 전지 모드(FC Mode)와;
    상기 연료 전지 하이브리드 전기 차량 제동시의 에너지를 흡수하여 배터리 충전에 이용하는 회생 모드(Regeneration Mode)와;
    배터리 충전상태(SOC)가 설정된 상태보다 낮으면 연료 전지 출력을 직류 변환부를 통하여 배터리로 충전하면서 운전하는 배터리 충전 모드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 하이브리드 전기 차량의 동력 분배 제어방법.
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