KR20090062700A - 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력변환부를 이용하여 주행모드와 보조에너지의 전압에 따라 연료전지와 보조에너지 하이브리드 전력시스템을 제어함으로써, 가속 성능 및 주행거리를 향상시키고, 보조에너지 전압 및 에너지 이용률을 증가시켜 위급한 순간에서의 응답지연을 방지할 수 있는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해,
연료전지 스택을 포함하여 구성되는 연료전지부;
보조에너지 장치를 포함하여 구성되는 보조에너지부;
인버터와 모터를 포함하여 구성되어 상기 연료전지부와 보조에너지부의 에너지에 의해 구동되는 구동부;
상기 연료전지부와 보조에너지부 사이에 연결되어 젼력을 분배 제어하는 전력변환부;
를 포함하여 구성되며, 상기 보조에너지부의 최대전압은 상기 연료전지부의 최대전압 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템을 제공한다.
연료전지, 슈퍼캡, 하이브리드, 응답지연, 전력분배, 가속, 주행거리

Description

연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법 {Power System Of Fuel Cell-Support Energy Hybrid Vehicle And Control Method Thereof}
본 발명은 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력변환부를 이용하여 주행모드와 보조에너지의 전압에 따라 연료전지와 보조에너지 하이브리드 전력시스템을 제어함으로써, 가속 성능 및 주행거리를 향상시키고, 보조에너지 전압 및 에너지 이용률을 증가시켜 위급한 순간에서의 응답지연을 방지할 수 있는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 자동차 전력시스템에서는 부하의 순간 변화에 대해 큰 폭의 변화는 슈퍼캡이 담당하고 나머지를 연료전지가 담당하여 종래 기술보다 용이하게 연료전지를 제어할 수 있으며, 구조가 단순하여 생산가격을 절감하고 기기의 부피와 무게를 경량화할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 일반적인 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 자동차 전력시스템에서는 초기 시동시 연료전지 전압과 슈퍼캡 전압이 큰 차이가 날 때 상기 두 전압원을 연결하는데 문제가 발생한다. 또한, 자동차 감속시 슈퍼캡 전압은 회생에너지에 의해 충전됨과 동시에 연료전지에 의해서도 불필요하게 충전이 되어, 회생 에너지를 충분히 활용하지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 이러한 점을 해결하기 위한 추가적인 장치가 요구되며, 종래기술에서는 전압과 전류 조절장치(12)를 연료전지(11)와 슈퍼캡(13) 사이에 두어 제어장치에서 연료전지의 전류를 제어할 수 있게 함으로써 상기 초기 충전 문제와 회생 제동 문제를 해결하였다.
그러나, 종래기술에서는 상기 전압과 전류 조절장치(12)로서 초퍼(chopper)를 사용하며, 이는 단순히 초기 기동시에 연료전지(11) 전압과 슈퍼캡(13) 전압을 같게 한 후 상기 초퍼를 100% 작동하여 상기 두 전압원을 직결하여, 회생 제동시에만 슈퍼캡(13) 충전 가능 에너지보다 회생에너지가 큰 경우 연료전지와 슈퍼캡을 단절하는 역할을 수행한다.
따라서 이러한 종래기술은 슈퍼캡의 전압조건과 차량의 주행 조건을 전혀 반영하지 못하여, 효율적인 전력 분배가 이루어지지 않고 느린 동적 출력전력을 갖는다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 직결형 스위치, 컨버터, 컨버터 제어기 및 전력분배 제어기를 포함하는 전력변환부를 이용하여 하이브리드 차량의 전력시스템을 제어함으로써, 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차에서 연료전지의 느린 동적 출력전력 특성을 보완하고 차량의 가속 성능 및 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차의 전력시스템은,
연료전지 스택을 포함하여 구성되는 연료전지부;
보조에너지 장치를 포함하여 구성되는 보조에너지부;
인버터와 모터를 포함하여 구성되어 상기 연료전지부와 보조에너지부의 에너지에 의해 구동되는 구동부;
상기 연료전지부와 보조에너지부 사이에 연결되어 젼력을 분배 제어하는 전력변환부;
를 포함하여 구성되며, 상기 보조에너지부의 최대전압은 상기 연료전지부의 최대전압 이상인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 전력변환부는,
상기 연료전지부와 보조에너지부를 직결하기 위한 직결 스위치;
상기 연료전지부의 출력 제어를 위한 컨버터;
상기 컨버터를 제어하기 위한 컨버터 제어기;
상기 직결 스위치와 컨버터를 제어하기 위한 전력분배 제어기;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨버터는 승강압 컨버터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조에너지 장치는 슈퍼캡인 것을 특징으로 한다.
한편, 직결스위치와 컨버터를 포함하여 구성되는 전력변환부를 갖는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제어방법은,
상기 직결스위치 및 컨버터를 오프하는 A 전력변환부 작동모드,
상기 직결스위치는 오프하고 컨버터는 온하는 B 전력변환부 작동모드,
상기 직결스위치는 온하고 컨버터를 오프하는 C 전력변환부 작동모드,
상기 직결 스위치는 오프하고 컨버터를 소프트스타트 하는 D 전력변환부 작동모드,
중 어느 하나의 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
특히, 주행모드가 회생모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit2 이상인 경우 A 전력변환부 작동모드를,
주행모드가 정지모드 또는 구동모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit1 이상인 경우 B 전력변환부 작동모드를,
그 이외의 경우 C 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
특히, 주행모드가 회생모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 인 경우, 상기 주행모드가 정지모드 또는 구동모드로 변하는 경우 상기 D 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템 및 그 제어방법에 의하면,
첫째, 인버터 입력단의 전압을 정차시나 저속시에 높게 유지하여 가속시의 순간 출력은 보조에너지가 담당하고 연료전지는 평균전력만을 담당함으로써 차량의 가속성능을 향상시킬 수 있고,
둘째, 회생시 보조에너지 전압이 일정값 이상이 되면 전력변환부가 꺼지게 되어 연료전지에 의한 보조에너지 충전을 차단하여 회생에너지를 최대한 활용하므로 차량의 주행 거리를 향상시킬 수 있으며,
셋째, 전력변환부의 컨버터로서 승강압 컨버터를 사용하여 연료전지의 큰 전 압변화에 적합하게 시스템을 작동시킬 수 있고 슈퍼캡 전압을 높게 할 수 있어 슈퍼캡 전압 및 에너지 이용률을 향상시킬 수 있고,
넷째, 상기와 같이 승강압 컨버터를 이용하여 급격한 출력이 요구되는 상황에서 응답 지연을 방지할 수 있으므로, 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템은 연료전지부(20), 전력변환부(30), 보조에너지부(40), 구동부(50)를 포함하여 구성된다.
상기 구동부(50)는 인버터(51) 및 모터(52)를 포함하여 구성된다.
상기 보조에너지부(40)는 커패시터(41), 전압센서(43), 전류센서(42)를 포함하여 구성되며, 더욱 바람직하게는 상기 커패시터(41)로서 대용량 커패시터(슈퍼캡)를 사용하며, 이하 슈퍼캡으로 명명한다.
상기 전력변환부(30)는 직결 스위치(bypass switch)(31), 컨버터(32), 컨버터 제어기(33), 전력분배 제어기(34)를 포함하여 구성된다.
상기 전력변화부(30)의 컨버터(32)는 차량의 주행 평균 전력만큼의 용량으로 설계하고, 상기 주행 평균 전력 이상에서는 상기 직결 스위치(31)를 이용해 상기 연료전지(21)와 슈퍼캡(41)을 직결하여 사용한다.
상기와 같은 구성을 통해 슈퍼캡(41)의 용량을 줄이고 전력변환부(30)의 용 량을 기존의 구조보다 훨씬 작게 설계할 수 있으며, 이를 통해 전력시스템의 무게와 부피를 최소화하고 생산가격을 절감할 수 있다.
또한 상기 전력변환부(30)의 컨버터(32)는 승강압 컨버터를 사용하여 연료전지 전압의 큰 변화에 효율적으로 작동하게 한다.
또한 슈퍼캡(41) 전압을 연료전지(21) 전압 이상으로 높게 사용하여 슈퍼캡 전압 및 에너지 이용률을 향상시킨다.
연료전지(21) 출력 전력은 출력 전압과 관계되어 있으므로, 슈퍼캡(41)과 직결시 연료전지 출력전력은 슈퍼캡 전압에 의해서 결정된다. 따라서 본 발명에 따른 전력시스템의 전력변환부 동작모드는 주행 모드와 슈퍼캡 전압을 기준으로 결정된다.
상기 주행모드는 정지(정차)모드, 구동모드, 회생모드(브레이킹 모드) 세 가지로 구분된다.
상기 슈퍼캡 전압은 최대값인 Vsc _ max 이하, 최소값인 Vsc _ min 이상 값을 가지며, 두 기준값인 Vsc _ limit1과 Vsc _ limit2에 의해 세 개의 전압영역으로 구분된다.
상기에서, Vsc _ limit1은 컨버터 정격 출력에 해당하는 연료전지 전압에 의해서 결정되고, Vsc _ limit2는 회생 에너지를 최대로 받을 수 있는 슈퍼캡 전압 제한치이다.
상기와 같이 세 가지의 주행모드와 세 가지의 슈퍼캡 전압 영역을 기준으로하면 도 4에 도시된 바와 같이 아홉 가지의 조건모드(1~9)가 결정된다.
제1 조건모드 : 주행모드는 정지모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ max이하 Vsc _ limit1 이상.
제2 조건모드 : 주행모드는 회생모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ max이하 Vsc _ limit1 이상.
제3 조건모드 : 주행모드는 구동모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ max이하 Vsc _ limit1 이상.
제4 조건모드 : 주행모드는 정지모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 이상.
제5 조건모드 : 주행모드는 회생모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 이상.
제6 조건모드 : 주행모드는 구동모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 이상.
제7 조건모드 : 주행모드는 정지모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit2 미만 Vsc _ min 이상.
제8 조건모드 : 주행모드는 회생모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit2 미만 Vsc _ min 이상.
제9 조건모드 : 주행모드는 구동모드, 슈퍼캡 전압은 Vsc _ limit2 미만 Vsc _ min 이 상.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전력변환부 동작모드는 네 가지 동작모드로 구분되며, 각 동작모드는 다음과 같다.
A 동작모드 : 직결스위치 오프 및 컨버터 오프
B 동작모드 : 직결스위치 오프 및 컨버터 온
C 동작모드 : 직결스위치 온 및 컨버터 오프
D 동작모드 : 직결스위치 오프 및 컨버터 소프트스타트(softstart)
상기 아홉 가지의 조건모드(1~9)에 따라 상기 네 가지의 전력변환부 동작모드(A 동작모드 ~ D 동작모드)가 적절히 적용되며, 이러한 천이 다이어그램이 도 3에 도시되어 있다.
일 예로, 제1 조건모드에는 전력변환 동작모드로서 B 동작모드가 적용된다.
본 발명에 따른 전력시스템이 켜지면 초기에 연료전지가 기동하고 상기 전력분배 제어기는 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit1 보다 큰지 작은지 여부를 판단하여(0 상태), 작은 경우 구동시스템을 정지 상태로 하고 컨버터를 온(on) 하여 슈퍼캡을 충전하여 Vsc _ limit1 전압보다 크게 만들도록 한다(10 상태). 이후 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit1보다 커지면 1B 상태로 넘어가 시스템 동작 대기 상태가 된다.
제1 조건모드와 제3 조건모드에서는 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit1 보다 크므로, 전력변환부는 B 동작모드로 작동하여 직결스위치는 오프하고 컨버터는 온하여 슈퍼캡 전압을 높게 유지한다.
이때, 구동 전력이 컨버터(32) 용량보다 큰 경우 연료전지(21)는 주행 평균 전력에 해당하는 컨버터(32) 출력만큼을 공급하고 슈퍼캡(41)이 나머지의 구동 전력을 공급한다.
또한, 상기에서 컨버터 출력 명령은 슈퍼캡 전압을 유지하는 수준으로 주행 평균 전력, 컨버터 정격출력을 고려하여 결정한다.
이후 슈퍼캡(41) 전압이 내려가게 되어 Vsc _ limit1 보다 작게 되면, 컨버터(32)를 오프하고 직결스위치가 켜져 C 동작모드로 작동한다(6C).
이후 슈퍼캡(41) 전압이 더 내려가게 되어 Vsc _ limit2 보다 작게 되고 주행모드가 회생모드인 경우(상태 8), 전력변환부가 C 동작모드로 작동하여 직결스위치가 온되며, 연료전지와 회생에너지 모두에 의해 슈퍼캡이 충전된다.
반면 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit2 이상이며 주행모드가 회생모드인 경우(상태 2, 5)에는 전력변환부가 A 동작모드로 작동하여 회생에너지만이 슈퍼캡에 충전된다.
한편, 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 이상이고 회생모드인 경우(상태조건 5)에서 차량이 정지하면(상태조건 4), 연료전지와 슈퍼캡 전압을 비슷한 수준으로 맞추기 위하여 중간모드(6D)를 거친 후 C 동작모드로 작동하여 슈퍼캡을 충전한다(4C).
이때, 상기 중간모드(6D)에서 컨버터의 출력 명령은 연료전지와 슈퍼캡 전압을 같게 유지하기 위한 적절한 수준으로 정한다.
한편, 슈퍼캡 전압이 Vsc _ limit1 보다 커지면 연료전지-슈퍼캡 직결형에 의해 충전하는 전력이 컨버터 출력전력보다 작기 때문에 전력변환부는 B 동작모드로 작동하여 직결스위치는 오프하고 컨버터를 온한다(1B).
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 전력제어시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전력제어시스템의 구성을 나탄낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 상태조건과 전력변환부 작동모드를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 아홉 가지의 상태조건을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 네 가지의 전력변환부의 작동모드를 나타낸 도면,
도 6은 연료전지의 전류 및 전압의 관계곡선과 본 발명에 따른 작동모드를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
20 : 연료전지부 30 : 전력변환부
40 : 보조에너지부 50 : 구동부
60 : 제동 신호 발생부

Claims (7)

  1. 연료전지 스택을 포함하여 구성되는 연료전지부;
    보조에너지 장치를 포함하여 구성되는 보조에너지부;
    인버터와 모터를 포함하여 구성되어 상기 연료전지부와 보조에너지부의 에너지에 의해 구동되는 구동부;
    상기 연료전지부와 보조에너지부 사이에 연결되어 젼력을 분배 제어하는 전력변환부;
    를 포함하여 구성되며, 상기 보조에너지부의 최대전압은 상기 연료전지부의 최대전압 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    상기 연료전지부와 보조에너지부를 직결하기 위한 직결 스위치;
    상기 연료전지부의 출력 제어를 위한 컨버터;
    상기 컨버터를 제어하기 위한 컨버터 제어기;
    상기 직결 스위치와 컨버터를 제어하기 위한 전력분배 제어기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨버터는 승강압 컨버터인 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조에너지 장치는 슈퍼캡인 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템.
  5. 직결스위치와 컨버터를 포함하여 구성되는 전력변환부를 갖는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제어방법은,
    상기 직결스위치 및 컨버터를 오프하는 A 전력변환부 작동모드,
    상기 직결스위치는 오프하고 컨버터는 온하는 B 전력변환부 작동모드,
    상기 직결스위치는 온하고 컨버터를 오프하는 C 전력변환부 작동모드,
    상기 직결 스위치는 오프하고 컨버터를 소프트스타트 하는 D 전력변환부 작동모드,
    중 어느 하나의 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템의 제어방법.
  6. 청구항 6에 있어서,
    주행모드가 회생모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit2 이상인 경우 A 전력변환부 작동모드를,
    주행모드가 정지모드 또는 구동모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit1 이상인 경우 B 전력변환부 작동모드를,
    그 이외의 경우 C 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    주행모드가 회생모드이고, 보조에너지부 전압이 Vsc _ limit1 미만 Vsc _ limit2 인 경우, 상기 주행모드가 정지모드 또는 구동모드로 변하는 경우 상기 D 전력변환부 작동모드를 적용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지-보조에너지 하이브리드 자동차 전력시스템의 제어방법.
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