KR20090042356A - 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 그 시동시 연료전지 보호 및 시동시간 단축, 운전자 편의성을 동시에 도모할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 키 온신호가 입력된 후 저전압 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인지 여부를 판단하는 단계; 상기 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 수퍼캡 전압으로 맞추는 단계; 수퍼캡 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및 LDC를 오프시킨 후 수퍼캡으로 연료전지 보기류를 구동시켜 연료전지 전압을 상승시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시퀀스 제어방법을 제공한다.
연료전지, 수퍼캡, 초기충전장치, 릴레이

Description

연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법{Sequence control method of fuel cell-super capacitor hybrid electric vehicle}
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 전력변환기를 사용하지 않는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 그 시동시 연료전지 보호 및 시동시간 단축, 운전자 편의성을 동시에 도모할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 관한 것이다.
종래의 연료전지-배터리 하이브리드 전기차량에서는 고전압 DC-DC컨버터가 연료전지와 배터리 사이에 위치하여 연료전지와 배터리의 전압차이를 완충시키며, 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워제어를 수행하므로, 연료전지와 배터리 전압을 매칭시키기 위한 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
고전압 DC-DC컨버터를 사용하는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 전기차량에서도 고전압 DC-DC컨버터를 이용해 액티브(Active)한 방식을 통해 수퍼캡 초기충전 및 주행 중 충방전을 수행하므로, 별도의 특화된 시동제어전략을 필요로 하지 않는다.
반면, 고전압 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 전기차량에서는 연료전지와 수퍼캡 전압을 매칭시키기 위한 별도의 수퍼캡 초기충전장치 및 이에 상응하는 시동제어개발이 필수적이다.
수퍼캡 초기충전장치로는 기존의 하나의 프리차지(Precharge) 저항과 프리차지 릴레이(Precharge Relay)를 사용하는 타입 또는 인덕터와 고전력 스위치용 반도체(Insulated Gate bipolar Transistor; 이하, IGBT라 함)를 사용하는 컨버터 타입 등이 적용 가능한 장치로 언급될 수 있다.
이와 관련된 종래기술로서, 미국특허등록번호 US06815100에는 차량 시동시 수퍼캡을 통해 연료전지 보기류 구동 및 모터 전압을 채운 후 연료전지와 전압이 떨어진 수퍼캡을 바로 연결하기 전에 DCDC 초퍼를 사용하여 전류 제한함으로써, 연료전지의 과도한 전압 하강을 막을 수 있도록 한 연료전지차량의 시동제어장치가 개시되어 있다.
특허공개 제2006-0003543호에는 보조배터리를 이용하여 연료전지를 시동시킨 후 수퍼캡 초기충전장치의 멀티 저항을 통해 연료전지 파워를 수퍼캡에 충전하는 연료전지 수퍼캡 하이브리드 및 그 시동제어방법이 개시되어 있다.
그런데, 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지 수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 그 시동과 시동 오프시 연료전지 보호 및 시동시간 단축, 운전자 편의성을 동시에 도모하기 위해서는 적절한 제어 방법이 필요하다.
특히 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 경우, 가용한 시동 에너지가 부족 하므로 냉시동과 같은 악조건에서도 원활한 시동이 가능한 제어방법이 필수적이다.
즉, 연료전지를 시동하기 위해서 저전압 배터리와 슈퍼캡의 충전 에너지를 상황에 맞게 적절하게 사용하는 법, 연료전지 전압 상승후 연료전지 자체 출력으로 보기류를 구동하는 법, 연료전지 시동완료 후 슈퍼캡 초기충전 방법등이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시동시 보조동력원(수퍼캡) 및 저전압 배터리를 선택적으로 사용하고, 연료전지 시동 완료 후 초기충전 장치(Buck Type Converter)를 이용하여 보조동력원 전압을 상승시킴으로써, 다양한 조건에서 차량의 원활한 시동을 할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시퀀스 제어방법에 있어서,
키 온신호가 입력된 후 저전압 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인지 여부를 판단하는 단계; 상기 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 수퍼캡 전압으로 맞추는 단계; 수퍼캡 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및 LDC를 오프시킨 후 수퍼캡으로 연료전지 보기류를 구동시켜 연료전지 전압을 상승시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 수퍼캡으로 연료전지 보기류를 구동시키는 단계는 수퍼캡 전압이 연료전지로부터 보기류 파워를 써도 될 수준의 연료전지 전압과 보기류 구동에 필요한 최소전압 중 큰 값(VLP1) 보다 작거나 같은지를 판단하는 단계; 상기 수퍼캡 전압이 VLP1 보다 작거나 같은 경우에 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 VLP1 로 유지하는 단계; 및 상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 LDC 및 수퍼캡 메인 릴레이를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 보조배터리가 기준전압을 초과하거나 냉시동 조건이 아닌 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 VLP1 으로 맞추는 단계; 상기 보조배터리로 연료전지 보기류를 구동시켜 연료전지 전압을 상승시키는 단계; 및 상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 LDC를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 LDC 및 수퍼캡과의 연결을 해제한 후, 연료전지 자체 출력으로 연료전지 보기류를 구동하여 연료전지 시동을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 시동을 완료한 후 LDC 벅(BUCK)을 통해 보조배터리를 충전시키는 단계; 상기 단계에서 MCU 앞단 릴레이 연결을 통해 차량 구동을 준비하는 단계; 및 상기 단계에서 연료전지 단독 모드로 진입한 후 차량을 구동시키면서 수퍼캡 초기충전을 진행하기 위해 연료전지와 수퍼캡을 연결하는 메인릴레이를 직결하기 전에 IGBT 듀티비 조절을 통해 일정 전류로 제한하여 충전시키는 단계; 상 기 연료전지의 전압과 수퍼캡 전압이 동일한 지를 판단하는 단계; 및 상기 연료전지 전압과 수퍼캡 전압이 동일한 경우에는 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 의하면, 연료전지 시동시 수퍼캡 및 저전압 보조배터리를 선택적으로 사용가능하고, 시동 완료 후 초기충전장치를 이용하여 수퍼캡을 전압상승시킴으로써, 다양한 조건에서 연료전지 수퍼캡 차량의 원활한 시동이 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷은 연료전지스택(10), 보조동력원, 저전압 전력변환기(LDC;12), 12V 보조 배터리(13)를 구비한다. 이때, 상기 보조동력원으로 본 발명의 일실시예에서는 수퍼캡(Super Capacitor)(11)을 사용할 수 있다.
연료전지스택(10)을 시동시키기 위해 고전압 보기류(14)(BOP;공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프등)이 작동되어야 하고, 연료전지스택(10)에서 발생하는 전압과 고전압 보기류(14)의 전압레벨은 예를들어 250 ~ 450V로 동일하다.
또한, 12V 보조배터리(13) 전원을 사용하는 부품들이 차량 운행 중 계속 파워를 소모하기 때문에 이를 충전해 주기 위한 저전압 전력변환기(12)가 필요하다.
상기 저전압 전력변환기(12)는 양방향으로 전환이 가능한 것으로, 예를 들어 400V의 파워라인에서 400V의 전압을 12V로 다운시켜 12V 보조배터리를 운행중 충전하고, 초기 시동시 12V 전원을 이용해 400V로 승압시켜 연료전지 스택(10)을 시동시키는 역할을 한다.
모터(15) 및 인버터는 연료전지스택(10)에 직접 연결되어 있으며, 파워 어시스트 및 회생제동을 위해 수퍼캡(11)이 초기충전장치(16)를 통해 연결되어 있다.
메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(17,18)가 설치 되어 있으며, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 블로킹다이오드(Blocking Diode)가 설치되어 있다.
상기 초기충전장치(16)는 벅 타입 컨버터(BUCK TYPE CONVERTOR)로서, 연료전지스택(10)과 수퍼캡(11) 사이에서 메인릴레이(19)와 별도로 전기적인 회로를 구성하며, IGBT(20)의 듀티비 조절을 통해 급격한 전류의 흐름을 막아 메인릴레이(19)의 고착현상을 방지하며, 수퍼캡(11)을 충전한다.
연료전지스택(10)과 수퍼캡(11)의 양단 전압이 비슷해지면 IGBT(20) 작동을 멈추고 메인릴레이(19)를 온시켜 수퍼캡(11)과 직결한다. 21은 수퍼캡 전압 차단(cut-off)용 릴레이이며, 내부 커패시터를 보호하는 역할을 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시퀀스를 설명하기 위한 파워넷 구성도이다.
도 3a에서 보조배터리(13)와 수퍼캡(11)의 에너지를 이용하여 연료전지 시동에 사용되는 보기류(14)를 작동시킨다.
도 3b에서 연료전지스택(10) 전압이 어느정도 상승하면 연료전지 자체 출력으로 보기류(14)를 구동한다. 이때, 수퍼캡(11)으로 충전을 막기 위해 수퍼캡 연결을 해제하며, 보조배터리(13)를 충전모드로 전환한다.
도 3c에서 연료전지 시동이 완료되면 MCU(22) 앞단의 제1릴레이(17)를 작동하여 차량 구동이 가능하게 된다. 동시에 초기충전장치(16)를 통해 수퍼캡(11) 충전을 시작하고, LDC(12)를 통해 보조배터리(13)를 충전한다.
도 3d에서 초기충전장치(16)를 통해 충전이 완료되면, 수퍼캡 메인릴레이(19)를 작동하여 연료전지스택(10)과 수퍼캡(11)을 직결하고 하이브리드 모드로 운행한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시동시퀀스 제어방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 기본적으로 저전압 전력변환기(12)(LDC) 부스트(BOOST)를 통해 연료전지를 시동하되, 보조배터리(13)가 이상하거나 냉시동과 같은 초기시동 에너지가 많이 필요할 경우에는 수퍼캡으로 시동을 거는 개념이다.
상기 수퍼캡(11) 전압은 상황에 따라 에너지가 급격하게 변하는 파워 소스이므로, 위와 같은 제어가 필요하다.
먼저, 보조배터리(13)가 로우이거나 냉시동 또는 시동시간이 길다고 예측되는 조건인지 여부를 판단하여 보조배터리(13)가 로우이거나 냉시동 또는 시동시간 이 길다고 예측되는 조건인 경우에는 메인버스단의 전압(VLDC_REF)을 LDC 부스트를 통해 수퍼캡(11) 전압으로 맞춘후 초기충전장치(16)의 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21) 및 메인릴레이(19)를 온시킨 다음, LDC(12)를 오프시키고 수퍼캡(11)으로 연료전지 보기류(14)를 구동하여 연료전지 전압(VFC)을 상승시킨다.
VLP1 은 연료전지로부터 보기류 파워를 써도 될 수준의 연료전지 전압(VFC)과 보기류(14) 구동에 필요한 최소전압 중 큰 값이며, 상황에 따라 바뀔 수 있다.
여기서, 수퍼캡 전압(VCAP)이 VLP1 보다 떨어질 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압(VLDC_REF)을 VLP1 로 유지한다. 이때, 연료전지전압(VFC)이 VLP1 보다 큰지를 판단하여 큰 경우에는 LDC(12) 및 수퍼캡 메인릴레이(19)를 오프시킨다.
한편, 보조배터리(13)가 하이이거나 냉시동이 아닌 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단 전압(VLDC_REF)을 VLP1 로 유지하고, 보조배터리(13)로 연료전지 보기류(14)를 구동시켜 연료전지 전압(VFC)을 상승시킨다. 이때, 연료전지 전압(VFC)이 VLP1 보다 큰 경우에는 LDC(12) 를 오프시켜 연료전지로부터 과도한 출력을 방지한다.
상기와 같이 수퍼캡 방전 또는 LDC 부스트를 통해 연료전지전압을 시동하여, 연료전지 전압(VFC)이 VLP1 보다 큰 경우에는 LDC(12)와 수퍼캡(11) 연결을 해제한 다음(수퍼캡 충전 방지), 연료전지스택(10) 자체 출력으로 보기류(14)를 구동하게 한다.
또한, 연료전지가 시동 완료된 후(LP2)에 보조배터리를 LDC 벅(BUCK)을 통해 저전압으로 충전하고, MCU(22) 앞단 릴레이(17)를 온시켜 차량 구동 준비를 하며, 연료전지 단독 모드로 진입한다. 그리고 수퍼캡 전압차단용 릴레이(21)를 온시킨다.
상기 연료전지 단독 모드에서 차량을 구동하면서 수퍼캡(11)으로 초기충전을 진행한다. 즉, 초기충전장치(16)의 메인릴레이(19)를 직결하기 전에 IGBT(20) 듀티비 조절을 통해 일정 전류로 충전한다(전류 제한을 통해 연료전지 보호). 연료전지 전압(VFC)이 수퍼캡 전압(VCAP)과 비슷해지면 충전을 완료한 후 메인릴레이(19)를 연결하여 HEV 모드로 진행한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다. 또한 연료전지를 제외한 보조 동력원은 수퍼캡에 국한되지 않으며 고전압배터리를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 수퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이고,
도 2는 도 1의 수퍼캡 초기충전장치(Precharge unit)의 회로구성도이고,
도 3a 및 도 3d는 도 1의 시동 시퀀스를 설명하기 위한 파워넷 구성도이고,
도 4는 도 1의 시동시퀀스를 나타내는 순서도이고,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지스택 11 : 수퍼캡
12 : 저전압 전력변환기(LDC) 13 : 보조배터리
14 : 고전압 보기류 15 : 모터
16 : 초기충전장치 17 : MCU 릴레이
18 : 연료전지 릴레이 19 : 메인릴레이
20 : IGBT 21 : 수퍼캡 전압차단용 릴레이
22 : MCU 23 : VLD

Claims (5)

  1. 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법에 있어서,
    키 온신호가 입력된 후 저전압 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 보조배터리가 기준전압 이하이거나 냉시동 조건인 경우에는 전력변환기 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 보조동력원 전압으로 맞추는 단계;
    보조동력원 전압차단용 릴레이 및 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계; 및
    전력변환기를 오프시킨 후 보조동력원으로 연료전지 보기류를 구동시켜 연료전지 전압을 상승시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조동력원으로 연료전지 보기류를 구동시키는 단계는 보조동력원 전압이 연료전지로부터 보기류 파워를 써도 될 수준의 연료전지 전압과 보기류 구동에 필요한 최소전압 중 큰 값(VLP1) 보다 작거나 같은지를 판단하는 단계;
    상기 보조동력원 전압이 VLP1 보다 작거나 같은 경우에 전력변환기 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 VLP1 로 유지하는 단계; 및
    상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 전력변환기 및 보조동력원 메인 릴레이를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조배터리가 기준전압을 초과하거나 냉시동 조건이 아닌 경우에는 전력변환기 부스트를 통해 메인버스단의 전압을 VLP1 으로 맞추는 단계;
    상기 보조배터리로 연료전지 보기류를 구동시켜 연료전지 전압을 상승시키는 단계; 및
    상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 전력변환기를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 연료전지 전압이 VLP1 보다 크거나 같은 경우에는 전력변환기 및 보조동 력원과의 연결을 해제한 후, 연료전지 자체 출력으로 연료전지 보기류를 구동하여 연료전지 시동을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 시동을 완료한 후 전력변환기 벅(BUCK)을 통해 보조배터리를 충전시키는 단계; 및
    상기 단계에서 MCU 앞단 릴레이 연결을 통해 차량 구동을 준비하는 단계;
    상기 단계에서 연료전지 단독 모드로 진입한 후 차량을 구동시키면서 보조동력원 초기충전을 진행하기 위해 연료전지와 보조동력원을 연결하는 메인릴레이를 직결하기 전에 IGBT 듀티비 조절을 통해 일정 전류로 제한하여 충전시키는 단계;
    상기 연료전지의 전압과 보조동력원 전압이 동일한 지를 판단하는 단계; 및
    상기 연료전지 전압과 보조동력원 전압이 동일한 경우에는 초기충전장치의 메인릴레이를 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 시퀀스 제어방법.
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