KR20070106334A

KR20070106334A - 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법

Info

Publication number: KR20070106334A
Application number: KR1020060039072A
Authority: KR
Inventors: 전순일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2007-11-01

Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 공기공급기의 제어방법에 관한 것이며, 상세하게는 연료전지 전류 명령치를 이용해 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하므로 연료전지시스템의 동적 응답성을 개선시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 연료 전지 스택으로부터 고전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지스택으로 공기를 공급하는 주 공기 공급기와; 보조 배터리로부터 저전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지스택으로 공기를 공급하는 보조 공기 공급기와; 연료 전지시스템의 정상 운전 상태와 초기 기동 상태에 따라 상기 주 공기 공급기와 보조 공기 공급기를 구동하도록 각각의 구동 제어신호를 발생하는 공기 공급 제어부를 포함하여 구성하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법에 있어서: 연료전지 출력전류 명령치(요구량; I_FC_cmd)를 수학식

을 기준으로 산출하는 제 1과정과; 상기 제 1과정을 통해 산출되어진 연료전지 출력전류 명령치를 기준으로 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하는 제 2과정을 포함하여 구성한 것이다.

공기공급기, 연료전지, 배터리, 동적 응답성, 튜닝 게인

Description

연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법 {CONTROL METHOD OF AIR SUPPLIER FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 연료전지-배터리 하이브리드 타입의 전류 흐름 예시도

도 2는 본 발명에 따른 공기공급 제어방법을 적용하기 위한 PCU와 FCU관련 제어신호 흐름도

도 3은 도 2에 도시되어 있는 PCU 내부의 제어신호 흐름도

도 4는 도 2에 도시되어 있는 FCU 내부의 제어신호 흐름도

도 5는 공기공급 명령치 생성을 위한 기준 전류(I_FC_air_control) 생성 방식을 살펴보기 위한 예시도

본 발명은 연료전지시스템의 공기공급기의 제어방법에 관한 것이며, 상세하게는 연료전지 전류 명령치를 이용해 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하므로 연료전지시스템의 동적 응답성을 개선시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으 로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

고분자 전해질 연료전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.

고분자 전해질 연료전지의 연료중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하는 동시에, 촉매반응으로 생성된 전자들은 외부회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성된다.

연료전지 시스템의 운전장치(BOP, Balance of Plant)는 공기공급부와 수소공급부와 물공급부와 연료전지스택 및 제어부와 함께 연료전지 시스템을 구성하는데, 통상적으로 연료전지 시스템에서는 내연기관과 같이 피스톤의 행정운동에 의해 공기를 자연스럽게 흡입하는 기능이 없기 때문에, 공기를 강제로 불어 넣어 주는 장치가 필요하다.

이와 같은 장치를 공기공급기라고 하며, 이러한 공기공급기는 연료전지 운전에 있어서 가장 많은 일을 필요로 하는 장치로서, 연료전지 시스템 최대 출력의 5~20%를 사용한다.

자동차에 사용되는 공기공급기로는 모터로 작동하는 송풍기 또는 공기 압축기 등이 사용되는데, 그 장착성을 고려하여 작게 만드는 것이 필수적이므로 연료전지스택의 출력범위에 따라 최대효율이 달라지게 된다.

한편, 80~90㎾ 급의 고분자 전해질 연료전지스택을 탑재한 자동차의 경우, 시동, 감속 또는 정지 모드에서는 0~5 ㎾의 출력범위이고, 정속주행에서는 10~15㎾ 의 출력범위이며, 출발, 등판, 가속 모드에서는 20~90 ㎾의 출력범위이다.

상술한 공기공급기의 동작을 제어하는 방식으로 대표적인 두개의 방식을 살펴보면, 첫 번째 방식은 연료전지시스템의 공기공급기의 유량제어를 위해 피드백(Feed-back)타입 또는 로드 플로잉(load-following)을 적용하는 기술로, 연료전지 출력단에 위치한 전류센서의 측정치를 이용해, 공기공급기의 속도를 제어하는 기법이다. 이를 위해, 오프라인 상에서 작성된 룩업(Look-up) 테이블이 사용된다. 즉, 룩업 테이블의 입력변수로는 연료전지 출력전류가 사용되고, 출력변수로는 공기공급기의 필요 유량을 구현하기 위한 공기공급기 속도 명령치가 사용된다.

상술한 방식과 다른 두 번째 방식으로는 연료전지시스템의 공기공급기의 유량제어를 위해 일종의 피드포워드(Feed-forward)타입을 적용하는 기술로, 연료전지시스템의 출력파워-출력전류 선도를 기반으로 연료전지 전류 명령치가 계산되고, 이 명령치를 이용해 공기공급기의 속도를 제어하는 기법이다.

그러나 상술한 종래 기술 중 첫 번째 방식은 측정된 연료전지 출력전류를 기반으로 공기공급기의 유량제어를 수행하므로, 공기공급기의 반응속도에 의해 연료전지시스템의 동적 응답성이 제한된다는 문제점을 갖고 있다.

또한 피드백 제어 특성으로 인해, 과도 운전상태에서 공기 부족 또는 과급이 유발되어, 연료전지시스템의 수명 또는 효율에 악영향을 미칠 수 있다는 한계성을 갖는다.

반면에, 상술한 종래 기술 중 두 번째 방식은 연료전지 출력파워-출력전류 선도는 연료전지시스템의 작동온도, 압력, 습도 등의 주행환경에 따라 변화폭이 크므로, 주행 중에 실시간으로 이 선도를 보정해 전류 명령치를 도출하는 방식은 필연적인 보정 에러를 수반한다는 한계성을 갖는다.

따라서 과도 운전상태에서 공기 부족 또는 과급이 유발되어, 연료전지시스템의 수명 또는 효율에 악영향을 미칠 확률이 높다는 문제점을 갖는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 고전압 메인 버스 단의 주요 전류 및 전압 센서 값과 튜닝 게인(K)을 이용해 연료전지 전류 명령치(I_FC_cmd)를 생성하고, 이값을 기반으로 공기공급기의 필요 유량을 미리 준비하는 것과 동시에 하이브리드 동력분배제어를 수행하도록 하여 연료전지시스템의 동적 응답성을 개선시킬 수 있도록 하기 위한 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료 전지 스택으로부터 고전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 주 공기 공급기와; 보조 배터리로부터 저전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 보조 공기 공급기와; 연료 전지 시스템의 정상 운전 상태와 초기 기동 상태에 따라 상기 주 공기 공급기와 보조 공기 공급기를 구동하도록 각각의 구동 제어신호를 발생하는 공기 공급 제어부를 포함하여 구성하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법에 있어서: 현재시간(t1)의 인버터 입력파워 명령치(요구량; P_INV_cmd)를 과거시간(t0)의 고전압 메인 버스 단의 전압(V_BUS)로 제산 하고, 제산되어진 값에서 과거시간(t0)의 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류(I_HV_DCDC)를 감산한 후 해당 연산값에 튜닝 게인(K)을 승산하는 제 1단계와; 상기 제 1단계를 통해 산출되어진 연산값에 과거시간(t0)의 연료전지 출력전류(I_FC)의 값과 과거시간(t0)의 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류(I_HV_DCDC)를 합산하는 제 2단계와; 상기 제 2단계를 통해 합산되어진 연산값에 과거시간의 인버터 입력전류(소모전류; I_INV)를 감산하는 제 3단계로 이루어진 연료전지 출력전류 명령치(요구량; I_FC_cmd)를 산출하는 제 1과정과; 상기 제 1과정을 통해 산출되어진 연료전지 출력전류 명령치를 기준으로 상기 공기 공급 제어부에서 상기 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하는 제 2과정을 포함하여 연료전지시스템의 동적 응답성을 높이도록 구성한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료 전지 스택으로부터 고전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 주 공기 공급기와; 보조 배터리로부터 저전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 보조 공기 공급기와; 연료 전지 시스템의 정상 운전 상태와 초기 기동 상태에 따라 상기 주 공기 공급기와 보조 공기 공급기를 구동하도록 각각의 구동 제어신호를 발생하는 공기 공급 제어부를 포함하여 구성하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법에 있어서: 연료전지 출력전류 명령치(요구량; I_FC_cmd)에 대해 변수 K는 튜닝 게인이고, P_INV_cmd는 인버터 입력파워 명령치(요구량)이며, V_BUS는 고전압 메인 버스 단의 전압이고, I_HV_DCDC는 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류이며, I_FC는 연료전지 출력전류이고, I_INV는 인버터 입력전류(소모전류)이며, t1은 현재시간을 나타내고 t0은 과거 시간(=현재시간-제어신호주기)을 의미하는 수학식

을 기준으로 산출하는 제 1과정과; 상기 제 1과정을 통해 산출되어진 연료전지 출력전류 명령치를 기준으로 상기 공기 공급 제어부에서 상기 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하는 제 2과정을 포함하여 연료전지시스템의 동적 응답성을 높이도록 구성한 것이며, 상기 수학식에서의 변수 K로 대변되는 튜닝 게인의 값을 조정하여 연료전지시스템의 과도 운전상태에서 최적의 공기 공급을 제어하도록 구성한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서 사용되는 변수에 대해 정의하면 아래의 표와 같다.

[표]

본 발명이 적용될 수 있는 시스템의 한 예인 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 전류 흐름도는 첨부한 도 1과 같다.

첨부한 도 1의 구성을 살펴보면, 연료전지 스택(100)과, 인버터(110), 고전압 소모장치 연결부(120), 저전압 DC/DC.컨버터(130)와, 고전압 DC/DC.컨버터(160)와, 저전압 배터리(150), 저전압 소모장치 연결부(140), 및 고전압 배터리(170)로 구성된다.

연료전지 스택(100)과 배터리(150, 170)를 이용하여 임의의 시스템에 전원 공급을 수행하기 위해서 각 전원 소스와 해당 전원을 사용하는 부하 간에 전류의 흐름을 제어하기 위한 구성으로써, 먼저, 메인 버스 단의 전류는 키르히호프 법칙에 따라 아래의 수학식 1과 같이 구성되며, 연료전지 전류 명령치를 생성하는 과정 은 아래와 같다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서 시간 t0에서의 I_FC(연료전지 출력전류)에 대한 관계식으로 정리하면, 아래의 수학식 2와 같이 정리할 수 있다.

[수학식 2]

이때, 시간 t1에서의 연료전지 전류 명령치를 계산하는 경우 아래의 수학식 3으로 정리되는 바와 같은 데, 시간 t0 와 t1의 차이로 인해 에러가 수반되는 문제점이 발생 된다.

[수학식 3]

상기 수학식 3의 문제점을 해소하기 위해 주요 전류 성분인 I_INV_cmd (t1)와 I_HV_DCDC (t0)의 차이를 조정하는 튜닝 게인 K를 이용하는 경우 상기 수학식 3은 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 4]

상기 수학식 4에서 I_INV_cmd (t1)은 P_INV_cmd (t1)와 V_BUS(t0)를 이용해 재 정의하면 수학식 5와 같이 추정할 수 있으며, I_HV_DCDC(t0)와 I_LV_DCDC(t0)는 시간 t0에서의 각 전류 센서를 통해 측정될 수 있다.

[수학식 5]

이때, 별도의 센서를 부착하지 않는 이상 일반적으로 측정 불가능한 I_HV_AUX(t0)는 측정 가능한 다른 신호를 이용해 아래의 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 6]

이때 상술한 수학식 4에 수학식 5와 수학식 6을 대입하여 얻은 연료전지 전류 명령치 관계식은 아래의 수학식 7과 같이 정의할 수 있다.

[수학식 7]

상기 수학식 7을 이용해 전류 명령치를 도출하는 방법의 장점으로는 첫째, 고전압 DC/DC 출력전류 측정치인 I_HV_DCDC(t0)를 추가함으로써, 배터리 방전시의 연료전지 공기공급기의 공급과잉현상 및 배터리 강제 충전시의 공기부족현상을 예방하기 위한 제어를 반영하였다.

둘째, 튜닝 게인 K를 조정함으로써, 측정시간 t0와 제어시간 t1의 차이 및 전류센서 정밀도 차이에 의한 연료전지 공기공급기의 공급과잉/공급부족 현상을 비교적 간단하게 최적 튜닝을 할 수 있다.

셋째, 일반적으로 전류센서가 부착되지 않는 I_HV_AUX(연료전지 최대출력 시 또는 에어컨 및 히터 등 고전압 전장부품 작동 시 I_FC의 20~30%에 해당하는 값으로, 무시할 수 있는 수치 아님)를 측정 가능한 다른 전류 센서값을 이용해 역 추정하여 반영함으로써 연료전지 전류명령치의 정밀도를 높였다.

상기 수학식 7과 같은 연료전지 전류 명령치 관계식을 기반으로 연료전지시스템 공기공급기의 피드포워드(Feed-forward) 제어 전략은 크게, 하이브리드 동력분배제어를 수행하는 부분과 공기공급기의 속도제어를 수행하는 부분으로 분리할 수 있으며, 전자는 PCU(Power Control Unit; 200), 후자는FCU(Fuel cell Control Unit; 600)에서 담당한다.

먼저, 공기공급기의 피드포워드 제어동작에 관련하여, PCU(200) 및 FCU(600)의 제어신호 흐름도는 첨부한 도 2에 도시되어 있는 바와 같으며, 크게 세 단계로 구성된다.

첫째, 차량제어기 VCU( Vehicle Control Unit; 300)에서 운전자 악셀개도, 모터속도, 모터 성능곡선(모터 속도에 대한 최대 토크) 및 모터/인버터 효율 추정치를 기반으로 P_INV_cmd를 계산 한 뒤, 계산된 값을 PCU(200)에 CAN으로 전송한다.

둘째, PCU(200)에서는 P_INV_cmd, 튜닝 게인 K, 고전압 메인 버스 단의 4개의 센서 값(V_BUS, I_HV_DCDC, I_FC, I_INV) 및 상기 수학식 7을 이용해 연료전지 전류 명령치 I_FC_cmd를 생성하고, 생성한 값을 FCU(600)에 CAN으로 전송한다.

셋째, PCU(200)에서는 FCU(600)에서 연료전지 출력전류 사용가능량 I_FC_lim을 전송받고, BMS(Battery Management System; 400)로부터 P_Bat_lim(배터리 파워 제한치)과 SOC(State Of Charge: 배터리 잔존량)를 전송 받아, 인버터 파워 사용 가능량 P_INV_lim을 MCU(Motor Control Unit; 500)에 전송하고, 고전압 DC/DC 컨버터(160)에 전압 명령치인 V_HV_DCDC_cmd를 전송한다.

이때 상기 PCU(200)내부에서의 제어신호 흐름도는 첨부한 도 3과 같다.

즉, FCU(600)에서 전송 받은 I_FC_lim(t1) 및 수학식 7과 유사한 기법을 통해 P_INV_lim(t1)이 도출되며, 도출된 이 값과 P_Bat_lim(t1) 및 SOC(t1)을 통해 V_HV_DCDC_cmd(t1)이 계산된다.

상기 FCU(600) 내부에서의 제어신호 흐름도는 첨부한 도 4와 같이 총 세 단계를 통해 구성된다.

첫째, PCU(200)에서 전송 받은 I_FC_cmd(t1)와 연료전지시스템의 동특성 모델로부터 추출된 I_FC_lim(t1)을 기반으로 이 두 값의 최대치에 해당하는 값에 따라 I_FC_air_control(t1)이 계산된다.

이값은 공기공급 명령치 생성을 위한 기준 전류로 사용되며, 도출되는 방식의 예는 첨부한 도 5와 같다.

둘째, FCU(600) 내부 블록인 공기 흐름 주관부(Air Flow Commander)에서는 I_FC_air_control(t1)와 스택 캐소드단의 산소과급비 명령치인 O2_Stoichiometry_cmd을 기반으로 전류/산소소모 관계식을 통해, 필요 공기유량 Q_air_cmd가 계산된다.

셋째, FCU 내부 블록인 공기 송풍 제어기(Air Blower Controller)에서는 Q_air_cmd와 유량센서를 통해 시간 t0에서 측정된 Q_air(t0)를 기반으로, 공기공급기의 속도제어를 통해 필요 공기유량인 Q_air_cmd를 추종하기 위한 피드백 제어를 수행한다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명은 연료전지 전류 명령치를 이용해 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하므로 연료전지시스템의 동적 응답성을 개선시킬 수 있으며, 이를 통해 차량 가속성능을 향상 가능하고 연료전지를 하이브리드화시키는 경우 배터리 시스템 사양이 필요 이상으로 커지는 것을 막아 비용절감 및 패키징 면에 유리하다는 효과가 있다.

또한, 튜닝 게인 K의 조정을 통해, 연료전지시스템의 과도 운전상태에서 공기 부족 또는 과급 현상을 최소화함으로써 연료전지시스템의 수명 및 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

연료 전지 스택으로부터 고전압 전원을 공급받아 구동되어 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 주 공기 공급기와; 보조 배터리로부터 저전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 보조 공기 공급기와; 연료 전지 시스템의 정상 운전 상태와 초기 기동 상태에 따라 상기 주 공기 공급기와 보조 공기 공급기를 구동하도록 각각의 구동 제어신호를 발생하는 공기 공급 제어부를 포함하여 구성하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법에 있어서:

현재시간(t1)의 인버터 입력파워 명령치(요구량; P_INV_cmd)를 과거시간(t0)의 고전압 메인 버스 단의 전압(V_BUS)로 제산하고, 제산되어진 값에서 과거시간(t0)의 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류(I_HV_DCDC)를 감산한 후 해당 연산값에 튜닝 게인(K)을 승산하는 제 1단계와,

상기 제 1단계를 통해 산출되어진 연산값에 과거시간(t0)의 연료전지 출력전류(I_FC)의 값과 과거시간(t0)의 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류(I_HV_DCDC)를 합산하는 제 2단계와,

상기 제 2단계를 통해 합산되어진 연산값에 과거시간의 인버터 입력전류(소모전류; I_INV)를 감산하는 제 3단계로 이루어진 연료전지 출력전류 명령치(요구량; I_FC_cmd)를 산출하는 제 1과정과;

상기 제 1과정을 통해 산출되어진 연료전지 출력전류 명령치를 기준으로 상기 공기 공급 제어부에서 상기 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하는 제 2과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법.
연료 전지 스택으로부터 고전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 주 공기 공급기와; 보조 배터리로부터 저전압 전원을 공급받아 구동되어 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 보조 공기 공급기와; 연료 전지 시스템의 정상 운전 상태와 초기 기동 상태에 따라 상기 주 공기 공급기와 보조 공기 공급기를 구동하도록 각각의 구동 제어신호를 발생하는 공기 공급 제어부를 포함하여 구성하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법에 있어서:

연료전지 출력전류 명령치(요구량; I_FC_cmd)를 변수 K는 튜닝 게인이고, P_INV_cmd는 인버터 입력파워 명령치(요구량)이며, V_BUS는 고전압 메인 버스 단의 전압이고, I_HV_DCDC는 고전압 DC/DC 컨버터 측의 출력전류이며, I_FC는 연료전지 출력전류이고, I_INV는 인버터 입력전류(소모전류)이며, t1은 현재시간을 나타내고 t0은 과거 시간(=현재시간-제어신호주기)을 의미하는 수학식

을 기준으로 산출하는 제 1과정과;

상기 제 1과정을 통해 산출되어진 연료전지 출력전류 명령치를 기준으로 상기 공기 공급 제어부에서 상기 공기공급기의 유량제어를 미리 수행하는 제 2과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법.
제 2항에 있어서, 상기 수학식에서의 변수 K로 대변되는 튜닝 게인의 값을 조정하여 연료전지시스템의 과도 운전상태에서 최적의 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법.