KR20050024904A - 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법 - Google Patents

Abstract

연료전지 전기자동차에 있어서 초기 시동시 DC/DC 컨버터는 보조 배터리에 공급하는 충전전압을 보조 배터리가 갖고 있는 전압 보다 약간 높은 전압(△V)으로 출력하고, DC/DC 컨버터의 출력 전류와 전장부하로 사용되는 전류로부터 보조 배터리의 실질적인 충전 전류를 계산한 다음 일정시간 간격으로 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 단계적으로 조정하여 보조 배터리의 충전효율을 높이도록 하는 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법에 관한 것으로,

초기 시동시 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하기 전에 보조 배터리의 전압값을 판독하여 기억하는 제1과정과, 연료전지의 활성화에 따라 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하게 되면 DC/DC 컨버터의 출력전류와 차량 전장부하에 공급되는 부하전류를 검출하고, 이로부터 보조 배터리에 공급되는 충전전류를 산출하는 제2과정과, 충전 초기에 DC/DC 컨버터는 출력전압을 상기 제1과정에서 판독된 보조 배터리의 전압값 보다 설정된 값(△V)만큼 높게 출력하는 제3과정과, 시간의 경과에 따라 설정된 시간 간격으로 DC/DC컨버터의 출력전압을 설정된 값(△/)만큼 단계적으로 높여 출력하는 제4과정 및, 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 단계적으로 높여 출력하는 과정에서 출력전압이 최종 목표 출력 전압값에 도달하게 되면 최종 목표 출력 전압값을 유지하는 제5과정을 포함한다.

Description

연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법{SUB BATTERY CHARGE METHOD OF FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료전지 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 초기 시동시 DC/DC 컨버터는 보조 배터리에 공급하는 충전전압을 보조 배터리가 갖고 있는 전압 보다 약간 높은 전압(△V)으로 출력하고, DC/DC 컨버터의 출력 전류와 전장부하로 사용되는 전류로부터 보조 배터리의 실질적인 충전 전류를 계산한 다음 일정시간 간격으로 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 단계적으로 조정하여 보조 배터리의 충전효율을 높이도록 하는 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법에 관한 것이다.

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 있으며 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위한 자동차의 동력원으로 적용되고 있다.

연료전지를 동력원으로 적용하는 전기자동차는 첨부된 도 3 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 초기 시동시 보조 배터리(1)는 차량에 장착되는 각종 전장 부하(2)에 필요한 전원을 공급하고, 동시에 동력 제어 유닛인 PCU(Power Control Unit ; 4)를 통해 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System ; 7)에 필요한 전원을 공급하며, 제1DC/DC 컨버터(3)를 통해 전압을 조정하여 연료전지(6)의 화학작용을 활성화시키기 위한 산소를 공급하는 블로워(5) 및 연료전지(6)의 활성화를 촉진시키기 위한 연료전지(6)내의 히터에 전원을 공급하는 "A"와 같은 전원 흐름이 발생된다.

상기와 같은 동작에 의해 연료전지(6)가 활성화되어 전기를 생성하게 되면 "B"와 같은 경로의 전원 흐름이 형성되어 연료전지(6)에서 생성되는 전기는 모터(12)의 구동 속도 및 토크를 제어하는 MCU(Motor Control Unit ; 10)에 필요 전원으로 공급되며, BMS(7)와 제3DC/DC 컨버터(9) 및 주 배터리(8)로의 전원 흐름이 유지된다.

이후, MCU(10)에 공급되는 전기가 모터(12)의 안정된 구동이 유지되는 전압으로 공급되면 "C"와 같은 경로의 전원 흐름이 형성되어 MCU(10)의 제어에 의해 모터(12)의 구동 속도 및 토크가 제어되어 연료전지 전기자동차의 주행이 수행되며 연료전지(6)에서 공급되는 전기는 제2DC/DC컨버터(11)에 의해 전압이 조정되어 보조 배터리(1)에 충전 전원으로 공급되며, 제1DC/DC 컨버터(3)에 의해 전압이 조정되어 블로워(5)의 구동 전원으로 공급된다.

이때, 보조 배터리(1)와 제1DC/DC 컨버터(3)간의 전원 패스는 차단되어, 보조 배터리(1)는 차량에 장착되는 각종 전장 부하에 대한 전원만을 공급한다.

상기와 같이 연료전지 전기자동차에 장착되는 보조 배터리(1)는 연료전지(6)에서 출력되는 전압에 의해 모터(12)의 구동되기 전까지 충전 동작이 수행되지 않고 지속적인 방전만을 하게 되며, MCU(10)가 기동되고 제2DC/DC 컨버터(11)가 동작되면서 보조 배터리(1)의 충전이 수행된다.

이와 같이, MCU(10)의 기동에 따라 보조 배터리(1)에 전압을 충전하는 동작과 차량의 각 전장부하(2)에 필요 전원을 공급하는 회로를 간단하게 표현하면 도 5와 같이 구성되며, 이를 등가회로로 표시하면 도 6과 같이 된다.

즉, 연료전지 전기자동차에서 시동시 보조 배터리는 차량에 장착되는 각 전장부하 뿐만 아니라 블로워를 동작시키기 위한 제1DC/DC컨버터의 입력으로도 사용되기 때문에 소비되는 전력이 매우 큰 상태를 갖게 된다.

따라서, 시스템의 이상이나 기타의 이유로 초기 시동이 몇 번 실패하게 되면 보조 배터리의 SOC(State Of Charge) 상태는 매우 낮아지게 되며, 이 경우 도 6에 도시된 등가회로에서 알 수 있는 바와 같이 보조 배터리 내부의 저항 성분(R)이 커지게 된다.

이와 같이 보조 배터리의 SOC가 낮아진 상태에서 DC/DC 컨버터가 턴 온 되는 경우 14.4V의 충전 전압이 순간적으로 보조 배터리에 공급되나, 보조 배터리의 내부 저항 성분의 증가로 인하여 매우 낮은 전압만이 충전되어 보조 배터리가 정상적인 전압을 갖지 못하게 되어 효율성이 떨어지는 문제점이 발생한다.

또한, DC/DC 컨버터를 통해 순간적으로 큰 전류가 낮은 SOC 상태를 유지하고 있는 보조 배터리로 공급됨에 따라 보조 배터리의 수명을 단축시키는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료전지 전기자동차의 초기 시동시 DC/DC 컨버터는 보조 배터리에 공급하는 충전 전압을 보조 배터리가 현재 유지하고 있는 전압 보다 약간 높은 전압(△V)으로 출력하고, DC/DC 컨버터의 출력 전류와 전장부하로 사용되는 전류로부터 보조 배터리에 공급되는 실질적인 충전 전류를 계산한 다음 시간의 경과에 따라 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 단계적으로 높게 조정하여 보조 배터리의 충전효율을 높이고, 만충전이 이루어지도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 연료전지 전기자동차에 있어서, 초기 시동시 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하기 전에 보조 배터리의 전압값을 판독하여 기억하는 제1과정과; 연료전지의 활성화에 따라 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하게 되면 DC/DC 컨버터의 출력전류와 차량 전장부하에 공급되는 부하전류를 검출하고, 이로부터 보조 배터리에 공급되는 충전전류를 산출하는 제2과정과; 충전 초기에 DC/DC 컨버터는 출력전압을 상기 제1과정에서 판독된 보조 배터리의 전압값 보다 설정된 값(△V)만큼 높게 출력하는 제3과정과; 시간의 경과에 따라 설정된 시간 간격으로 DC/DC컨버터의 출력전압을 설정된 값(△/)만큼 단계적으로 높여 출력하는 제4과정 및; 상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 단계적으로 높여 출력하는 과정에서 출력전압이 최종 목표 출력 전압값에 도달하게 되면 최종 목표 출력 전압값을 유지하는 제5과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전기자동차에서 보조 배터리 충전에 대한 등가 회로도이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 초기 시동시 도시되지 않은 MCU의 기동에 따라 DC/DC컨버터(A)는 보조 배터리(B)에 충전 전류를 공급하며, 보조 배터리(B)는 차량의 전장부하(C)에 필요한 동작 전원을 공급한다.

상기한 등가회로로 구성되는 연료전지 전기자동차의 전원 공급 시스템에서 보조 배터리의 충전을 제어하는 동작은 다음과 같다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 연료전지 전기자동차의 초기 시동시 DC/DC 컨버터(A)의 스위칭을 제어하는 MCU는 DC/DC컨버터(A)가 충전 전압을 출력하기 이전에 보조 배터리(B)의 전압(V_batt)을 판독하여 일시 저장한다.

이후, 연료전지가 활성화되어 DC/DC 컨버터(A)가 충전 전압을 출력하게 되면 MCU는 DC/DC컨버터(A)의 출력전류(i1)와 차량 전장부하(C)에 공급되는 부하전류(i2)를 판독한 다음 이로부터 보조 배터리(B)에 공급되는 충전전류(i3)를 산출한다(S201).

여기서, 보조 배터리(B)에 공급되는 충전전류(i3)는 i3 = i1 - i2의 연산으로 산출된다.

상기와 같이 보조 배터리(B)의 충전 초기 전압(V_batt)과 DC/DC컨버터(A)의 출력전류(i1), 차량 전장부하(C)에 공급되는 부하전류(i2) 및 보조 배터리(B)에 공급되는 충전전류(i3)가 판독 및 산출되면 이 값을 일시 저장한다(S202).

이후, MCU는 충전 초기(T_charge = 0)에 DC/DC 컨버터(A)의 출력전압(V_out)을 보조 배터리(B)의 초기 전압(V_batt) 보다 설정된 값(△V) 만큼 높게 출력하여 보조 배터리(B)의 충전을 수행한다(S203).

즉, Vout = Old_V_batt + △V 이다.

상기와 같이 보조 배터리(B)의 충전을 수행하는 상태에서 DC/DC컨버터(A)의 출력전압(V_out)이 DC/DC 컨버터(A)의 최종 출력 목표값(V_{batt_final})을 초과하는지를 판단한다(S204).

이때, 출력전압(V_out)이 최종 출력 목표값(V_{batt_final})을 초과하지 않는 상태이면 보조 배터리(B)에 공급되는 현재의 충전전류(i3 = i1 - i2)를 검출하여(S205) 보조 배터리(B)에 공급되는 현재의 충전전류(i3)가 전류 증가량(△/)이 가산된 이전 충전전류(Old_i3)을 초과하는지를 판단한다(S206).

즉, i3 〉Old_i3 + △/ 인지를 판단한다.

상기의 판단에서 현재의 충전전류(i3)가 전류 증가량(△/)이 가산된 이전 충전전류(Old_i3)를 초과하는 것으로 판단되면 상기 S201의 과정으로 리턴하여 시간의 경과에 따라 DC/DC 컨버터(A)의 출력 전압을 설정된 값(△V) 만큼 높여 최종 목표 출력값에 도달되도록 하는 과정을 반복한다.

그러나, 현재의 충전전류(i3)가 전류 증가량(△/)이 가산된 이전 충전전류(Old_i3)를 초과하는 것으로 판단되면 충전 진행 시간(T_change)이 설정된 충전 제한 시간(T_cmax)을 초과하였는지를 판단한다(S207).

상기 S207의 판단에서 충전 진행시간(T_change)이 설정된 충전 제한 시간(T_cmax)을 초과한 것으로 판단되면 보조 배터리(B)의 충전 전류가 원하는 수준에 이르지 못하더라도 일정시간이 경과하게 되면, DC/DC컨버터(A)의 출력전압(Vout)의 다음 단계로 높이기 위하여 상기 S201의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 충전 진행시간(T_change)이 설정된 충전 제한 시간(T_cmax)을 초과하지 않은 상태이면 상기 S205의 과정으로 리턴하여 전술한 충전 과정을 반복한다.

상기한 과정의 반복에 따라 S204의 판단에서 검출되는 DC/DC컨버터(A)의 출력전압(V_out)이 DC/DC 컨버터(A)의 최종 출력 목표값(V_{batt_final})을 초과하는 것으로 판단되면 DC/DC컨버터(A)의 출력전압(V_out)을 최종 출력 목표값(V_{batt_final})으로 고정하여 출력한다(S208).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전기 전기자동차에서 초기 시동시 DC/DC컨버터의 불필요한 출력을 줄임으로써 보조 배터리의 충전효율을 높이고, 보조 배터리가 낮은 SOC를 유지하는 상태에서 낮은 충전 전류의 공급에 의해 전류 쇼크가 방지되어 보조 배터리의 안정성이 유지된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전기자동차에서 보조 배터리 충전에 대한 등가 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 전기자동차에서 보조 배터리 충전 수행에 대한 일 실시예의 흐름도.

도 3 및 도 4는 연료전지 전기자동차의 초기 기동시 전압 공급 관계를 도시한 도면.

도 5는 종래의 연료전지 전기자동차에서 보조 배터리와 DC/DC 컨버터 및 차량 전장부하의 연결을 보인 구성도.

도 6은 도 5의 연결 구성에 대한 등가 회로도.

Claims (3)

1. 연료전지 전기자동차에 있어서,

   초기 시동시 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하기 전에 보조 배터리의 전압값을 판독하여 기억하는 제1과정과;

   연료전지의 활성화에 따라 DC/DC 컨버터가 전압을 출력하게 되면 DC/DC 컨버터의 출력전류와 차량 전장부하에 공급되는 부하전류를 검출하고, 이로부터 보조 배터리에 공급되는 충전전류를 산출하는 제2과정과;

   충전 초기에 DC/DC 컨버터는 출력전압을 상기 제1과정에서 판독된 보조 배터리의 전압값 보다 설정된 값(△V)만큼 높게 출력하는 제3과정과;

   시간의 경과에 따라 설정된 시간 간격으로 DC/DC컨버터의 출력전압을 설정된 값(△/)만큼 단계적으로 높여 출력하는 제4과정 및;

   상기 DC/DC 컨버터의 출력전압을 단계적으로 높여 출력하는 과정에서 출력전압이 최종 목표 출력 전압값에 도달하게 되면 최종 목표 출력 전압값을 유지하는 제5과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 DC/DC컨버터는 보조 배터리의 충전 전류가 상승하는 경우 출력전압을 설정된 값(△/)만큼 단계적으로 높여 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 DC/DC 컨버터가 출력 전압을 단계적으로 높여 출력하는 과정에서 전장부하 전류의 증가에 의해 충전전류가 원하는 수준에 도달하지 못하는 경우 설정된 일정시간이 경과하게 되면 DC/DC컨버터의 출력 전압을 다음 단계로 높여 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 보조 배터리 충전방법.