KR20090093281A - 연료전지 차량의 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 제어 방법

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시동 완료후 토크 조정 팩터에 의한 토크 제한을 통해 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지고, 연료전지와 축전수단이 직결되면 토크 조정 팩터를 정상운행시까지 점차적으로 증가시켜 차량의 급출발을 방지할 수 있도록 한 연료전지 차량의 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 시동 완료후 연료전지 단독 모드로 진입하면, 주행을 위하여 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )가 발생하는 단계와; 상기 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )에 대한 토크 제한이 이루어지는 단계와; 연료전지 단독 모드하에서, 토크 제한 수행과 함께 차량이 서행 운전되면서 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지는 단계와; 상기 연료전지와 축전수단간의 전압차가 발생하지 않으면 연료전지와 축전수단이 메인릴레이에 의하여 직결되어 하이브리드 모드로 진입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법을 제공한다.

Description

연료전지 차량의 제어 방법{Control Method For Fuel Cell Vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시동 완료후 토크 조정 팩터에 의한 토크 제한을 통해 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지고, 연료전지와 축전수단이 직결되면 토크 조정 팩터를 정상운행시까지 점차적으로 증가시켜 차량의 급출발을 방지할 수 있도록 한 연료전지 차량의 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 연료전지-배터리 하이브리드 차량에서는 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 시동제어를 위한 전략을 필요로 하지 않는다.
이에 반해, 고전압 DC-DC컨버터를 사용하지 않는 연료전지-배터리 하이브리드 차량에서는 연료전지와 배터리 전압을 매칭시키기 위한 별도의 배터리 초기충전장치 및 이에 상응하는 시동 제어 전략이 필수적으로 요구된다.
이와 관련된 종래기술로서, 미국특허 US6815100에는 차량 시동시 에너지 축전기(배터리 등)를 통해 연료전지 보기류 구동 및 모터 전압을 채운 후, 연료전지와 전압이 떨어진 에너지 축전기를 바로 연결하기 전에 연료전지 측에 장착된 DC/DC 쵸퍼(Chopper)를 사용하여 전류를 제한함으로써, 연료전지의 과도한 전압 하강을 막을 수 있도록 한 연료전지 차량용 시동제어장치가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 특허 공개번호 제2006-0003543호에는 보조배터리를 이용하여 연료전지를 시동시킨 후, 수퍼캡 초기충전장치의 멀티 저항을 통해 연료전지 파워를 수퍼캡에 충전하고, 수퍼캡 전압이 연료전지 전압과 비슷한 수준이 되면 메인 릴레이에 의하여 연료전지와 수퍼캡이 직결되어 차량이 운행되도록 한 연료전지 수퍼캡 하이브리드 및 그 시동제어방법이 개시되어 있다.
그러나, 위와 같은 종래 시동제어 방식은 축전기 또는 수퍼캡의 충전을 위해 별도의 DC-DC컨버터 또는 멀티 저항을 갖는 초기충전장치를 사용해야 하고, 연료전지 단독모드에서 연료전지와 수퍼캡 직결형 모드인 하이브리드 모드로 전환시 액셀 페달에 의한 토크가 갑자기 증가하여 차량이 급출발되는 등의 단점이 있다.
따라서, 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템에 있어서, 연료전지 보호, 시동시간 단축, 수퍼캡 충전, 주행성 향상 등을 동시에 도모할 수 있는 적절한 시동 시퀀스 제어 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 연료전지 시동 완료후, 연료전지 단독 모드하에서 토크 조정 팩터에 의한 토크 제한 제어를 수행하여, 초기충전장치에 의하여 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지도록 하고, 또한 연료전지와 축전수단이 서로 직결되는 하이브리드 모드 진입시 토크 조정 팩터를 정상운행시까지 점차적으로 증가시켜 차량의 급출발을 방지할 수 있도록 한 연료전지 차량의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 시동 완료후 연료전지 단독 모드로 진입하면, 주행을 위하여 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )가 발생하는 단계와; 상기 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )에 대한 토크 제한이 이루어지는 단계와; 연료전지 단독 모드하에서, 토크 제한 수행과 함께 차량이 서행 운전되면서 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지는 단계와; 상기 연료전지와 축전수단간의 전압차가 일정 범위내로 유사해지면 연료전지와 축전수단이 메인릴레이에 의하여 직결되어 하이브리드 모드로 진입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 축전수단의 충전은 연료전지와 축전수단이 직결되기 전에 연료전지와 축전수단간에 연결된 초기충전장치의 IGBT 듀티비 조절에 의한 전류 제한 제어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 토크 제한 제어는: 상기 액셀페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )가 모터 최대 토크(T MAX )와 액셀페달 깊이값(β Depth : 0~1)을 곱하여 계산되고, 여기에 일정한 값의 토크조정팩터(α)를 더 곱하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 연료전지 단독 모드에서 연료전지와 축전수단이 직결된 하이브리드 모드로 진입하면, 상기 토크조정팩터(α)를 최대 설정값까지 점진적으로 증가시키고, 상기 토크조정팩터(α)가 최대 설정값까지 증가하면 토크 제한없이 정상 운행이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
1) 연료전지 시동 완료와 함께 연료전지 단독 모드 진입시, 토크조정팩터에 의한 토크 제한을 수행하여, 차량이 서행 운전하면서 연료전지로부터 축전수단에 대한 충전이 보다 다이나믹(dynamic)하게 이루어질 수 있다.
2) 연료전지와 축전수단간의 전압이 동등 수준이 된 후, 하이브리드 모드로 진입하게 되면, 토크조정팩터를 점진적으로 증가시켜 차량의 급출발을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 제어 방법으로서, 연료전지 시동 완료후 시퀀스를 설명하는 순서도,
도 2는 연료전지 시동 완료전 시퀀스를 설명하는 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 제어 방법을 위한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 파워넷 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 제어 방법을 적용시킨 실차 주행 데이터.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 12 : 저전압 전력변환기(LDC)
14 : 보조배터리 16 : 축전수단
18 : 연료전지 보기류 20 : 모터
22 : MCU 24 : 연료전지 릴레이
26 : MCU릴레이 28 : 블로킹 다이오드
30 : 초기충전장치 32 : 메인릴레이
34 : IGBT 36 : 전압 차단용 릴레이
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 파워넷 구성 요소 및 그 동작에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 시동 시퀀스 제어 방법이 이루어지는 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 파워넷 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지-축전수단 하이브리드 차량은 연료전지(10), 보조동력원, 저전압 전력변환기(LDC:12), 12V 보조배터리(14)를 차량의 파워공급수단으로 포함하고, 이 파워공급수단과 연결되는 연료전지 보기류(14), 모터(20), 모터 제어용 MCU(22), 연료전지 릴레이(24), MCU 릴레이(26) 등을 포함하여 구성되어 있다.
특히, 상기 보조동력원은 수퍼캡(Super Capacitor), 고전압 배터리 등을 포괄하는 축전수단(16)을 의미하며, 이 축전수단(16)에는 초기충전장치(30)가 연결된다.
상기 저전압 전력변환기(12)는 12V 보조배터리(14) 전원을 사용하는 부품들의 구동을 위해 저전압 출력으로 변환해주고, 이들 부품들이 차량 운행 중 계속 파워를 소모하기 때문에 보조배터리(14)를 충전해주는 장치이다.
상기 고전압 보기류(14)(BOP: 공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프 등)는 연료전지(10)의 시동을 위해 작동되어야 하고, 연료전지(10)에서 발생하는 전압과 고전압 보기류(14)의 전압레벨은 예를들어 250 ~ 450V로 동일하다.
상기 모터(20) 및 인버터는 연료전지(10)에 직접 연결되어 있으며, 또한 파워 어시스트 및 회생제동을 위해 축전수단(16)이 초기충전장치(16)를 통해 연료전지(10)에 연결된다.
또한, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(24,26), 즉 연료전지 릴레이(24) 및 MCU릴레이(26)가 설치되어 있으며, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 블로킹 다이오드(28: Blocking Diode)가 포함되어 있다.
상기 초기충전장치(30)는 벅 타입 컨버터(BUCK TYPE CONVERTOR)로서, 연료전지(10)와 축전수단(16) 사이에서 메인릴레이(32)와 별도로 전기적인 회로로 구성되어, IGBT(34)의 듀티비 조절을 통해 급격한 전류의 흐름을 막아 메인릴레이(32)의 고착현상을 방지하면서 축전수단(16)을 충전시키는 역할을 한다.
이때, 연료전지(10)와 축전수단(16)의 양단 전압이 비슷해지면, IGBT(34) 작동은 멈추고, 메인릴레이(32)가 온되어, 연료전지(10)와 축전수단(16)이 직결되는 상태가 된다.
미설명부호 36은 축전수단 전압 차단(cut-off)용 릴레이이며, 내부 커패시터를 보호하는 역할을 한다.
여기서, 상기한 구성을 포함하는 연료전지-축전수단 하이브리드 차량의 시동시퀀스를 설명하되, 우선 연료전지 시동이 완료되는 시점까지 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 연료전지 시동 완료 시점까지의 시동 시퀀스를 설명하는 순서도이다.
상기 저전압 전력변환기(12)(LDC) 부스트(BOOST)를 통해 연료전지를 시동하되, 보조배터리(14)가 이상하거나 냉시동과 같은 초기시동 에너지가 많이 필요할 경우에는 축전수단(16)으로 시동이 이루어지며, 이러한 시동 제어의 필요성은 축전수단(16) 전압이 상황에 따라 에너지가 급격하게 변하는 파워 소스인 점에 기인한다.
상기 보조배터리(14)가 로우(low)이거나 냉시동 또는 시동시간이 길다고 예측되는 조건인지 여부를 판단하여(S101), 보조배터리(14)가 로우이거나 냉시동 또는 시동시간이 길다고 예측되는 조건인 경우에는 메인버스단의 전압(VLDC_REF)을 LDC 부스트를 통해 축전수단(16) 전압으로 맞춘 후(S102), 초기충전장치(30)의 축전수단 전압차단용 릴레이(36) 및 메인릴레이(32)를 온(on)시키고(S103), 저전압 전력변환기(12)를 오프시켜(S104), 상기 축전수단(16)으로 연료전지 보기류(18)를 구동하여 연료전지 전압(VFC)을 상승시킨다(S105).
여기서, VLP1 은 연료전지(10)로부터 보기류 파워를 써도 될 수준의 연료전지 전압(VFC)과 보기류(18) 구동에 필요한 최소전압 중 큰 값이며, 상황에 따라 바뀔 수 있다.
이에, 상기 축전수단(16)의 전압(VCAP)이 상기 VLP1 보다 떨어질 경우에는 LDC 부스트를 통해 메인버스단의 전압(VLDC_REF)을 VLP1 로 유지하고(S106), 연료전지 전압(VFC)이 VLP1 보다 큰지를 판단하여 큰 경우에는 저전압 전력변환기(LDC)(12) 및 초기충전장치(30)의 메인릴레이(32)를 오프시킨다(S107).
한편, 상기 보조배터리(14)가 하이(high)이거나 냉시동이 아닌 경우, LDC 부스트를 통해 메인버스단 전압(VLDC_REF)을 VLP1 로 유지하고(S108), 상기 보조배터리(14)로 연료전지 보기류(18)를 구동시켜 연료전지 전압(VFC)을 상승시킨다(S109).
이때, 상기 연료전지 전압(VFC)이 VLP1 보다 큰 경우에는 저전압 전력변환기(LDC)(12)를 오프시켜(S110), 연료전지로부터 과도한 출력을 방지하도록 한다.
상기와 같이, 축전수단(16)의 방전 또는 LDC 부스트를 통해 연료전지 전압을 시동하여, 연료전지 전압(VFC)이 VLP1 보다 큰 경우에는 저전압 전력변환기(LDC)(12)와 축전수단(16) 연결을 해제하고, 연료전지(10) 자체 출력으로 보기류(18)를 구동시키게 된다(S112).
또한, 연료전지가 시동 완료된 후(S114), 보조배터리를 LDC 벅(BUCK)을 통해 저전압으로 충전하고, MCU 릴레이(26) 및 축전수단 전압차단용 릴레이(36)를 온시켜 차량 구동 준비를 하여(S116), 연료전지 단독 모드로 진입한다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 시동 시퀀스 제어 방법으로서, 연료전지 시동 완료와 함께 연료전지 단독 모드로 진입된 후의 과정을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 제어 방법으로서, 연료전지 시동 완료후 시퀀스를 설명하는 순서도이고, 도 4는 축전수단에 대한 다이나믹 충전을 위한 주행 실차 데이터로서, 충전중에도 제한된 토크를 허용하여 주행이 가능하게 하고, 하이브리드 모드로 넘어가기전에 토크 증가율을 제한하여 급출발을 막는 일련의 과정을 보여주고 있다.
연료전지 시동 완료와 함께, 축전수단과 연료전지가 연결되어 있지 않은 연료전지 단독 모드로 진입하면(S118), 차량의 주행을 위한 토크가 발생한다.
즉, 운전자가 액셀 페달을 밟았을 때, 그 액셀 페달 깊이값을 기반으로 아래와 같은 수학식1에 의하여 계산된 토크가 발생하여 차량의 주행이 가능한 상태가 된다.
T ACCEL = T MAX × β Depth
T ACCEL : 액셀페달 깊이값을 기반으로 계산된 주행 토크
T MAX : 모터 최대 토크
β Depth : 액셀페달 깊이값(0~1)
이때, 상기 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )에 대한 토크 제한이 이루어진다(S119).
상기 토크 제한은 아래와 같은 수학식2에 의거하여 이루어진다.
T CMD = T ACCEL × α, α=α INIT
T CMD : 제한된 토크
α: 토크 조정 팩터(0~1)
위의 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 상기 액셀페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )에 일정한 값의 토크조정팩터(α)를 곱하는 연산에 의하여 제한된 토크(T CMD )가 산출되며, 토크 제한이 이루어지는 초기에는 토크조정팩터의 초기값(최소값)인 α INIT 를 곱해주어, 토크 제한이 시작되도록 한다.
이렇게 함으로써, 연료전지 단독 모드하에서, 토크 제한 수행과 함께 차량이 서행 운전되고, 동시에 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 시작된다(S120).
즉, 상기 축전수단(16)의 충전은 연료전지(10)와 축전수단(16)이 직결되기 전에 이루어지며, 연료전지(10)와 축전수단(16)간에 연결된 초기충전장치(30)의 IGBT 듀티비 조절에 의한 전류 제한 제어로 이루어진다.
예를 들어, IGBT ON시에는 만큼 축전수단의 충전 전류가 증가하고, IGBT OFF시에는 만큼 축전수단의 슈퍼캡 충전 전류가 감소하는 바, 가령 50A로 충전 전류를 세팅한다면 50A를 유지하기 위해 축전수단 충전 전류 증가분과 감소분을 고려하여 듀티(Duty)비를 조절한다.
이때, 상기 ΔI L_ON 은 IGBT ON시 슈퍼캡 초기충전장치로 흐르는 전류의 증가분을, 상기 ΔI L_OFF 는 IGBT OFF시 슈퍼캡 초기충전장치로 흐르는 전류의 감소분을 나타낸다.
이와 같이, 토크 제한을 수행하여 차량이 서행 운행만 가능하도록 하여, 연료전지로부터 축전수단으로의 충전이 보다 용이하게 이루어지게 된다.
다음으로, 상기 초기충전장치(16)를 통해 축전수단(16)의 충전이 완료되면, 초기충전장치(16)의 메인릴레이(32)를 온시킴으로써, 연료전지(10)과 축전수단(16)이 직결되어 차량은 하이브리드 모드로 진입을 하게 된다(S122).
상기 연료전지(10)와 축전수단(16)간의 전압차가 발생하지 않으면, 다시 말해서 연료전지 전압(VFC)과 축전수단 전압(VCAP)과 비슷해지면 축전수단(16)의 충전을 완료된 것으로 제어부에서 판단하여, 연료전지(10)와 축전수단(16)이 메인릴레이(32)에 의하여 직결되면서 하이브리드 모드로 진입하게 된다.
여기서, 상기 연료전지 단독 모드에서 연료전지와 축전수단이 직결된 하이브리드 모드로 진입하면, 상기 토크조정팩터(α)를 최대 설정값까지 점진적으로 증가시키고(S124), 상기 토크조정팩터(α)가 최대 설정값까지 증가하면 토크 제한없이 정상 운행이 이루어진다(S126).
연료전지와 축전수단이 직결하면, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 토크조정팩터(Factor)를 점진적으로 증가시켜, 그 값이 최대 설정값인 1에 도달하면 토크 제한없이 정상 운행이 시작된다.
이렇게 하이브리드 모드 진입과 함께 상기 토크조정팩터를 최대 설정값까지 점진적으로 천천히 증가시키는 이유는 연료전지 단독모드에서 하이브리드(HEV) 모드로 변환시 토크조정팩터를 갑자기 증가시키면 차량이 급출발하게 되므로, 이를 방지하기 위함에 있다.

Claims (4)

  1. 연료전지 시동 완료후 연료전지 단독 모드로 진입하면, 주행을 위하여 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )가 발생하는 단계와
    상기 액셀 페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )에 대한 토크 제한이 이루어지는 단계와;
    연료전지 단독 모드하에서, 토크 제한 수행과 함께 차량이 서행 운전되면서 연료전지로부터 축전수단으로 충전이 이루어지는 단계와;
    상기 연료전지와 축전수단간의 전압차가 일정 범위내로 유사해지면 연료전지와 축전수단이 메인릴레이에 의하여 직결되어 하이브리드 모드로 진입하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축전수단의 충전은 연료전지와 축전수단이 직결되기 전에 연료전지와 축전수단간에 연결된 초기충전장치의 IGBT 듀티비 조절에 의한 전류 제한 제어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크 제한 제어는:
    상기 액셀페달 깊이값을 기반으로 계산된 토크(T ACCEL )가 모터 최대 토크(T MAX )와 액셀페달 깊이값(β Depth : 0~1)을 곱하여 계산되고, 여기에 일정한 값의 토크조정팩터(α)를 더 곱하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 연료전지 단독 모드에서 연료전지와 축전수단이 직결된 하이브리드 모드로 진입하면, 상기 토크조정팩터(α)를 최대 설정값까지 점진적으로 증가시키고, 상기 토크조정팩터(α)가 최대 설정값까지 증가하면 토크 제한없이 정상 운행이 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 제어 방법.
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