KR20100001390A - 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 회생제동량 증대를 위한 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 연료전지 발전 정지, 연료전지 정전류 운전, 연료전지-축전수단 직결 운전의 3단 운전 모드를 행하는 연료전지 하이브리드 차량에서, 회생제동 여부를 판단한 뒤 판단 결과에 따라 연료전지의 발전 정지를 위한 기준을 변경하여 변경된 기준에 따라 연료전지의 발전 정지가 수행되도록 하되, 회생제동시에는 상대적으로 낮은 기준을 적용하여 축전수단의 전압이 낮더라도 미리 연료전지의 발전 정지가 수행되도록 함으로써, 회생제동량의 증대 및 연비 향상이 가능해지는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지, 하이브리드, 3단 제어, 발전 정지, 정전류 운전, 직결 운전, 전력변환장치, 승강압 컨버터, 직결 스위치, 회생제동

Description

연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법{Method for controlling fuel cell output of fuel cell hybrid vehicle}

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 회생제동량 증대를 위한 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 회생제동시에 에너지 회수량을 극대화하고 이에 연비를 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다. 또한 높은 전압을 요구하는 고속 운전영역에서 출력 전압이 급격하게 감소하는 출력 특성에 의해 구동모터가 요구하는 충분한 전압을 공급하지 못하여 차량의 가속성능을 저하시키는 문제점이 있다. 그리고 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료전지 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하되는 단점이 있다(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 연료전지에 무리가 감). 뿐만 아니라, 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.

상기와 같은 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 이러한 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량뿐만 아니라 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡)를 탑재한 시스템이다. 현재 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지-축전수단 직결형 하이브리드 차량이 연구되고 있는데, 연료전지-축전수단 직결형 하이브리드 차량은 연비 우수(회생제동 大, 축전수단인 슈퍼캡의 자체 효율 高, 전력변환기 無), 연료전지 내구 증대, 제어신뢰성 우수(자동 파워어시스트, 자동 회생제동 기능) 등의 장점을 가진다.

상기와 같이 연료전지와 축전수단이 직결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 축전수단을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 축전수단에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.

축전수단으로 슈퍼캡을 사용한 일 예를 들어 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성을 설명하면, 주동력원으로 사용되는 연료전지, 보조동력원으로 사용되는 슈퍼캡, 연료전지의 출력 측인 메인 버스단과 슈퍼캡 사이에 개재되는 슈퍼캡 초기충전 유닛(Supercap Precharge Unit), 구동모터를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지와 슈퍼캡의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함하는 것임)를 포함한다. 상기 슈퍼캡 초기충전 유닛은 초기 시동시에만 방전된 슈퍼캡 전압을 충전시키는 용도로 사용된다.

이러한 구성에서, 수소탱크로부터 수소를 공급받고 공기블로워(도시하지 않음)로부터 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지를 주동력원으로 사용한다. 구동모터 및 MCU는 연료전지에 메인 버스단을 통해 직접 연결되어 있으며, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 슈퍼캡이 초기충전 유닛을 통해 연결되어 있다.

다음으로, 본 발명의 이해를 돕기 위해 연료전지 시스템의 구성에 대해 간략히 설명하면, 첨부한 도 1은 공기공급부와 수소공급부를 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 공기블로워(28)를 통해 공급된 건조공기는 가습기(29)를 통해 가습된 뒤 연료전지 스택(2)의 캐소드(Cathode)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기(29)에 전해져 공기블로워(28)에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용된다.

수소공급부는 2개의 라인으로 구성되어 있는데, 첫 번째 라인은 저압 레귤레이터(LPR)(23)를 통해 연료전지 스택(2)의 애노드(Anode)로 수소를 공급하며, 수소 재순환 블로워(24)를 통해 애노드 출구단의 수소 중 일부가 재순환된다. 두 번째 라인은 고압의 수소를 밸브(25) 및 이젝터(26)를 통해 직접 애노드로 공급하며, 애노드 출구단의 일부 수소가 재순환되어 이젝터를 통해 공급된다.

또한 애노드에 남아있는 잔존 수소가 전기 발생 없이 전해질막을 직접 통과하여 캐소드의 산소와 반응하는 현상을 수소 크로스오버(Crossover)라 하며, 이러한 수소 크로스오버 양을 줄이기 위해서 저출력 구간에서는 애노드 압력을 낮추고 스택 출력을 높이는 고출력 구간에서는 압력을 높여야 한다. 이는 저압력 요구시에는 저압 레귤레이터(23)를 단독 사용하고, 고압 요구시나 수소 퍼지시에는 고압 수소를 밸브(25)의 제어를 통해 공급하여 해결한다. 애노드 압력(수소압)이 커질수록 수소 크로스오버 양은 증가하며, 수소 크로스오버는 연비 및 연료전지 내구에 좋지 않은 영향을 미치므로 적절한 애노드 압력을 유지하는 것이 필요하다. 수소 퍼지 밸브(27)는 애노드단의 불순물 및 응축된 물을 배출하여 스택 성능을 확보하기 위한 용도이며, 애노드 출구단은 워터 트랩(31)과 연결되어 응축된 물을 저장 후 양이 일정수준에 도달하면 밸브(32)를 통해 배출한다.

한편, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 슈퍼캡(또는 이차 전지인 고전압 배터리)을 포함하는 하이브리드 차량의 주행모드는 연료전지만을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 연료전지 및 슈퍼캡을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 하이브리드 모드(HEV Mode)와, 슈퍼캡에 대한 충전이 이루어지는 회생제동 모드로 구분된다.

하지만 연료전지-슈퍼캡 직결형 하이브리드 차량은 연료전지에 의해 슈퍼캡이 자동 충전되는 문제가 있어 회생제동에 제약이 있다. 이에 저출력 구간 및 회생제동 시점에서 연료전지의 작동을 정지하는 제어를 통해 이 문제를 해결할 수 있으며, 더불어 효율이 낮은 저출력 구간에서의 연료전지 사용을 자제하여 연비의 상승을 도모할 수 있다.

이와 같이 연비 향상을 위해 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료전지-배터리, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]이 중요하게 고려되어야 한다. 차량 운행 도중 연료전지를 아이들 스탑시키는 것은 차량 운행을 모두 마친 뒤 연료전지 시스템을 완전히 셧다운(Shut Down)시키는 것과는 분명한 차이가 있으며, 따라서 연료전지의 아이들 스탑을 위한 제어 과정도 시스템 셧다운 제어 과정과는 분명히 차별화시킬 필요가 있다.

연료전지와 축전수단을 구비한 하이브리드 차량의 연비 향상을 위한 선행기 술로서, 미국특허 공개번호 2003/118876에는 저출력 구간 혹은 슈퍼캡 전압이 일정수준 이상일 경우 연료전지와 슈퍼캡 사이에 연결되어 있는 릴레이 스위치를 오프하여 연료전지 출력을 차단하고 차량 요구 출력이 증가하거나 슈퍼캡 전압이 일정수준 이상이면 릴레이 스위치를 연결하여 연료전지 출력이 이루어지도록 하는 기술이 개시되어 있다. 여기서는 아이들 스탑/해제 구현을 위해 연료전지의 출력을 차단하기 위한 메인 버스단의 릴레이 스위치를 온/오프하며, 이에 별도의 릴레이 차단 제어가 필요하다. 상기 특허에서는 연료전지의 출력 차단, 연결(이를 위해 릴레이 스위치를 온/오프 제어함)하는 것 외에 별도의 제어를 하지 않는다. 또한 회생제동시에는 바로 릴레이 스위치를 차단(Relay Off)한 뒤 일정 전압 이상이 되면 연료전지의 발전이 이루어지는 상태에서 릴레이 스위치(Relay On)를 직결한다. 즉, 회생제동량의 일부를 연료전지 보기류에 소모하여 연료전지의 발전에 사용하며, 이는 메인 버스단의 전압 상승을 막기 위함이다.

그러나 상기한 선행기술과 차별화하여 좀더 간략한 제어 기술을 이용해 회생제동시 에너지 회수를 극대화할 수 있는 방안 및 이를 위한 연료전지의 효율적인 정지 모드 진입 방안이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 회생제동시에 에너지 회수량을 극대화하고 이에 연비를 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지와 축전수단 사이에 연료전지의 정전류 운전을 위한 전력변환장치와, 연료전지와 축전수단 간을 직결/차단하기 위한 직결 스위치를 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 회생제동 여부를 판단하는 단계와; 상기 축전수단의 전기에너지 양을 회생제동 여부에 따라 설정된 각 기준 값과 비교하여 연료전지 발전 정지 모드로의 진입 여부를 판단하는 단계와; 상기 축전수단의 전기에너지 양이 해당 기준 값보다 큰 경우 연료전지의 발전을 정지시키는 단계;를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법을 제공한다.

여기서, 회생제동시 회생제동이 아닌 경우에 비해 축전수단의 전기에너지 양이 낮은 상태에서 연료전지의 발전 정지 모드로 진입되도록 회생제동시의 상기 기준 값이 회생제동이 아닌 경우의 상기 기준 값에 비해 낮게 설정된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 스위치 온 상태의 연료전지-축전수단 직결 운전 모드에서 축전수단의 전기에너지 양이 일정수준 이상이 될 때 연료전지의 정전류 운전 모드로 변환되고,

연료전지의 정전류 운전 상태에서 상기 회생제동 여부를 판단하는 단계, 상기 연료전지 발전 정지 모드로의 진입 여부를 판단하는 단계, 및 상기 연료전지의 발전을 정지시키는 단계가 수행되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법에서는, 연료전지 발전 정지, 연료전지 정전류 운전, 연료전지-축전수단 직결 운전의 3단 운전 모드를 행하는 연료전지 하이브리드 차량에서, 회생제동 여부를 판단한 뒤 판단 결과에 따라 연료전지의 발전 정지를 위한 기준을 변경하여 변경된 기준에 따라 연료전지의 발전 정지가 수행되도록 하되, 회생제동시에는 상대적으로 낮은 기준을 적용하여 축전수단의 전압이 낮더라도 미리 연료전지의 발전 정지가 수행되도록 함으로써, 회생제동량을 증대시킬 수 있다.

특히, 회생제동 여부에 따라 차등화된 발전 정지 기준 값을 적용하여, 회생제동시 보다 낮은 슈퍼캡 전압 상태에서 연료전지 발전을 미리 정지시킴으로써, 회생제동량을 증대시킬 수 있고, 회생제동량의 증대로 연비 향상이 가능해진다. 또한 메인 버스단의 전압 상승을 방지하여 고전압 부품을 보호하는 장점이 있게 된다. 그리고 회생제동시 연료전지의 발전을 빨리 정지시켜 연료전지로부터 슈퍼캡 으로의 자동 충전을 막게 되므로 회생제동량을 극대화할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 회생제동량 증대를 위한 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 회생제동시에 에너지 회수량을 극대화하고 이에 연비를 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것이다.

전술한 바와 같이, 전력변환기를 사용하지 않는 연료전지-축전수단(예, 슈퍼캡) 직결형 하이브리드 시스템은 연비 우수(회생제동 大, 슈퍼캡 자체 효율 高), 연료전지 내구 증대, 제어신뢰성 우수(자동 파워어시스트, 자동 회생제동 기능) 등의 장점을 가지나 연료전지로부터의 축전수단 자동 충전의 문제가 있어 축전수단의 전압 상승으로 인한 회생제동의 제약이 있게 된다. 예컨대, 연료전지에 의해 축전수단인 슈퍼캡의 자동 충전이 이루어지면 슈퍼캡에 충전된 전기에너지의 양이 많아지면서 회동제동에 의한 전기에너지의 충전량은 감소한다. 이는 저출력 구간 및 회생제동 구간에서 연료전지의 작동을 중지시키는 제어를 통해 해결할 수 있으며, 특히 상기와 같이 회생제동시 연료전지의 발전을 정지시키면 회생제동량 증대 및 연비 상승을 도모할 수 있다.

이에 본 발명에서는 보조동력원인 축전수단의 에너지 수준(이하 설명에서 축 전수단의 전기에너지 양에 상응하는 메인 버스단 전압/슈퍼캡 전압임)에 따라 연료전지의 발전을 정지시키되, 회생제동 여부에 따라 연료전지의 발전 정지 조건을 차등화하여, 현재 회생제동을 하고 있다고 판단되면, 축전수단의 에너지 수준이 낮더라도 연료전지의 발전을 미리 정지시켜, 충분한 회생제동 에너지의 회수가 가능하도록 하고, 이에 회생제동량의 극대화 및 연비 향상이 가능하도록 하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

연료전지 하이브리드 차량에서 연비를 증가시키기 위해서는 각 단품들의 효율을 높이는 기술도 필요하지만 최적의 차량 운전 기술 개발 또한 중요하다. 연비 상승을 도모할 수 있는 요인은 크게 연료전지 보기류 및 차량 보기류 구동 감소, 회생제동량 증대 및 수소 이용률 증대 등을 들 수 있으며, 이는 저출력 구간 및 회생제동 구간에서 전원 소스인 연료전지의 발전을 금지하는 방법을 통해 해결할 수 있다. 연료전지 시스템은 저출력 구간에서는 시스템 구동에 필요한 출력에 비해 연료전지 보기류(공기블로워, 수소 재순환 블로워 등)의 출력이 커서 효율이 나쁠 수밖에 없다. 따라서, 저출력 구간 및 회생제동 구간에서 연료전지 발전 및 보기류 사용을 적절히 중단하면 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있으며, 연료전지-축전수단 하이브리드 시스템의 단점인 축전수단 자동 충전을 방지하여 회생제동량 감소를 막을 수 있다.

이하, 본 발명의 설명을 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 예를 들어 기술하나, 슈퍼캡이 또 다른 보조동력원인 고전압 배터리로 대체(연료전지-배터리 하이브리드 차량)될 수 있음은 당업자 수준에서 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 슈퍼캡 및 배터리는 공히 충/방전이 가능한 축전수단으로서, 이들이 연료전지 하이브리드 차량의 보조동력원으로 사용되고 있음은 주지의 사실이다.

이하, 다음의 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상술하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명이 적용되는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 전력 시스템을 도시한 블록도로서, 도시된 바와 같이, 주동력원인 연료전지(스택) 및 연료전지 보기류를 포함하는 연료전지 시스템(110), 연료전지 보기류 등의 시스템 구동 제어를 위한 연료전지 시스템 제어기(111), 전력변환부(120), 보조동력원인 슈퍼캡(131), 및 모터 구동을 위한 인버터(141)가 구비된다. 또한 상기 슈퍼캡(131)에는 전압센서(132) 및 전류센서(133)가 연결되어 구비된다.

상기 전력변환부(120)는 연료전지[도 2에서 연료전지 시스템(110)임]와 슈퍼캡(131) 사이에 설치되어 연료전지(110)로부터 일정 전류가 출력될 수 있도록 연료전지의 정전류 운전을 위한 일종의 부하 역할을 하는 전력변환장치(121), 상기 연료전지(110)와 슈퍼캡(131) 사이에 설치되어 연료전지와 슈퍼캡(131) 간을 선택적으로 직결/차단하는 직결 스위치(125), 상기 전력변환장치(121)의 출력단 전압을 전압센서(124)를 통해 센싱하여 전력변환장치(121)의 구동을 제어하는 컨버터 제어기(122), 연료전지(110)의 운전 모드를 선택 및 제어하는 상위 제어기로서 상기 컨버터 제어기(122)와 직결 스위치(125)의 구동을 제어하는 전력분배 제어기(123)를 포함한다. 본 발명에서 연료전지의 운전 모드 선택 및 제어는 전력분배 제어기(123), 연료전지 시스템 제어기(111), 컨버터 제어기(122) 등 제어기들 간의 협조 제어를 통해 수행된다.

상기 전력변환장치(121)는 승강압 동작을 통해서 운전 중인 연료전지(110)로부터 일정한 전류가 출력되도록 부하 작용을 하는 장치로서, 이는 승강압 컨버터가 될 수 있다. 상기 승강압 컨버터(121)는 컨버터 제어기(122)의 제어하에 출력단 전압을 승강압하는 동작을 하게 되는데, 이러한 승강압 동작을 통해 연료전지 출력 측의 부하량 조정을 수행하며, 필요시 부하량 조정을 통해 연료전지의 출력 전류를 선택된 값으로 고정(연료전지의 정전류 운전)할 수 있게 된다.

주지된 바와 같이, 연료전지 시스템(110)은 스택 출력 측에 걸리는 부하량에 상응하는 전류가 스택으로부터 출력될 수 있도록 연료전지 보기류 등 시스템 구성부가 구동 제어된다. 즉, 출력 측에 걸리는 부하가 전류를 뽑아내는 만큼 연료전지 시스템(110)에서는 그에 상응하는 스택 전류 출력이 이루어지는 시스템 제어가 수행되는 것이다.

이에 따라, 스택 출력 측의 부하량이 상기 승강압 컨버터(121)의 승강압 동작에 의해 특정하게 설정되는 경우 그에 상응하는 스택 전류 출력이 이루어지도록 연료전지 시스템(110)의 구성부가 제어되고, 결국 승강압 컨버터(121)의 구동을 제어하여 부하량을 적절히 조정하면 원하는 운전점으로 스택의 정출력 운전이 가능해진다. 승강압 컨버터(121)이 승강압 동작하여 스택 출력측의 부하량을 원하는 바대로 고정하면 연료전지의 출력 전류 값이 고정되면서 정출력 운전이 가능해지는 것이다.

특히, 연료전지의 출력을 연료전지의 발전 정지(아이들 스탑) 모드, 연료전지의 정전류 운전 모드, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드로 3단 제어하는 시스템에 서, 연료전지(110)의 정전류 모드 운전시에 상기 승강압 컨버터(121)를 사용하여 연료전지 최고 효율점에서 원 포인트 운전, 즉 슈퍼캡의 전압(축전수단의 에너지 양) 변화에 상관없이 연료전지(110)로부터 최고 효율점의 일정 전류 값이 출력되도록 정전류 운전을 하게 된다.

즉, 최고 효율에서 연료전지의 정전류 운전을 하는 것으로서, 예컨대 최고 효율을 나타내는 연료전지 부하(= 연료전지 발전량, 연료전지 출력 전류)가 10A(ampere)라면, 스택으로부터 상기 10A가 출력되도록 승강압 컨버터(부하로 동작함)(121)를 구동하여 스택 출력을 10A로 고정하는 것이다. 물론, 연료전지의 정전류 운전을 위해서 승강압 컨버터(121)의 작동과 동시에 연료전지 보기류는 연료전지 시스템 제어기(111)에 의해 정출력 제어된다.

상기 승강압 컨버터(121)는 연료전지 최고 효율점의 전류 출력을 충족시키는 최소한의 용량으로 설계될 수 있는데, 그 이상에서는 직결 스위치(125)를 이용해 연료전지(110)와 슈퍼캡(131)을 직결하여 사용하므로 기존 컨버터에 비해 작은 용량으로 승강압 컨버터를 설계하여 구비할 수 있다.

그리고 도 2의 전력 시스템 구성에서 직결 스위치(125)는 릴레이 또는 IGBT 소자일 수 있으며, 이 직결 스위치(125)에 의해 연료전지(110)와 슈퍼캡(131)이 선택적으로 직결 또는 차단될 수 있으므로 기존의 연료전지-슈퍼캡 직결 시스템과 비교할 때 연료전지 출력 제어의 자유도가 증가하여 연비 향상 및 연료전지 보호 측면에서 유리한 구조가 된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법을 나타내는 순서도 로서, 차량 감속시 연료전지의 작동 모드 변환 과정을 보여주고 있다. 또한 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 차량 감속시의 모드 변환 과정에서 연료전지의 작동 영역을 나타내는 도면이며, 도 5는 연료전지 작동 영역 결정 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명이 회생제동시 에너지 회수량 극대화를 목적으로 하는 만큼 차량 감속시 직결 운전 모드, 연료전지의 정전류 운전 모드, 연료전지의 발전 정지 모드로 모드 변환 제어가 수행되는 과정의 예를 들어 본 발명에 따른 회생제동의 특징을 설명하기로 한다.

참고로, 도 3 내지 도 5에서 V_SC는 슈퍼캡 전압(=메인 버스단 전압, 슈퍼캡에 충전된 전기에너지의 양을 나타냄)을 나타내고, I_{FC _ CMD}는 정전류 운전 모드에서의 연료전지 정전류 값을 나타내며, V_{FC _STOP}은 연료전지 발전을 정지하는 기준 전압을 나타낸다. 또한 OCV는 연료전지의 무부하 출력 전압(Open Circuit Voltage)을, V_{FC_START}는 연료전지 발전을 재개하는 기준 전압을, V_{FC _STOP_ regen}은 회생제동시 연료전지 발전을 정지시키는 기준 전압을, V_{DC _OFF}는 연료전지-슈퍼캡 직결을 해제하는 기준 전압을, V_{DC _START}는 연료전지-슈퍼캡 직결을 행하는 기준 전압을 각각 나타낸다.

연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드(S31)는 차량이 연료전지(110)와 슈퍼캡(131)의 파워를 동시에 사용하여 주행하는 하이브리드 모드로서, 연료전지(110)와 슈퍼캡(131)의 전기에너지를 이용해 구동모터(142)를 작동시키는 모드이다. 이때, 직결 스위치(125)가 온(On) 상태로 연료전지(110)와 슈퍼캡(131)을 직결하는 데, 차량 요구 부하에 맞추어 연료전지 보기류(공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프)의 구동이 제어되는 운전이 이루어진다(Load Following).

도 3을 참조하면, 먼저 연료전지-슈퍼캡 직결 모드로 운전되다가 차량 감속시 슈퍼캡(131)에 충전된 전기에너지의 양이 일정수준 이상이면(S32), 즉 슈퍼캡 전압(메인 버스단 전압)이 일정수준 이상이면(V_SC > V_{DC _OFF}), 직결 모드가 해제되고 연료전지 정전류 운전을 준비한다. 이때, 전력분배 제어기(123)가 직결 스위치(125)를 오프시켜(S33) 연료전지와 슈퍼캡(131)의 직결상태를 해제하고, 컨버터 제어기(122)의 제어하에 승강압 컨버터(121)(전력변환장치)가 동작되어 연료전지의 정전류 운전을 시작한다(S34). 연료전지 보기류에 대해서도 연료전지 시스템 제어기(111)가 연료전지 정전류 운전 제어에 필요한 정출력 제어를 실시한다(S35).

이러한 연료전지 정전류 모드 운전(S36) 중에 슈퍼캡 전압(메인 버스단 전압)이 일정 전압 이상으로 올라가면 연료전지 발전 정지 모드로 진입한다. 이 과정에서 브레이크 신호를 입력받게 되는 전력분배 제어기(123)가 회생제동 여부를 판단한 뒤(S37), 회생제동이 아닌 상황에서는 슈퍼캡 전압이 연료전지 발전 정지를 판단하기 위한 기준 전압(V_SC > V_{FC _STOP})보다 높을 경우(S39) 정지 모드로 진입하기 위한 제어를 실시한다. 즉, 컨버터 제어기(122)를 통해 승강압 컨버터(121)를 정지시키고(S40), 연료전지 시스템 제어기(111)를 통해 보기류의 구동을 중지하여 연료전지의 발전을 정지시킨다(S41,S42).

반면, 전력분배 제어기(123)가 회생제동이 실시되고 있음을 판단한 경우에는 슈퍼캡 전압이 연료전지 발전 정지를 위한 상기 기준 전압(V_{FC _STOP})보다 낮은 상황이라도 연료전지 발전을 미리 정지시켜 충분한 회생제동에너지의 회수를 가능하게 한다. 즉, 상기 기준 전압(V_{FC _STOP})에 비해 상대적으로 낮게 설정된 회생제동시의 기준 전압(V_{FC _STOP_ regen})과 비교하여(S38), 슈퍼캡 전압이 상기 회생제동시의 기준 전압보다 높다면(V_SC > V_{FC _STOP}) 곧바로 정지 모드로 진입하기 위한 제어를 실시하는 것이다(S40~S42).

연료전지 발전 정지, 연료전지 정전류 운전, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전의 3단 운전 모드를 행하는 연료전지 하이브리드 차량에서, 상기와 같이 회생제동 여부를 판단한 뒤 판단 결과에 따라 연료전지의 발전 정지를 위한 기준을 변경하여 변경된 기준에 따라 연료전지의 발전 정지를 수행하며, 특히 회생제동시에 상대적으로 낮은 기준을 적용하여 슈퍼캡 전압(보조동력원의 전압)이 낮더라도 미리 연료전지 발전 정지 모드로 진입되도록 한다.

즉, 발전 정지 기준을 보다 유리한 기준으로 변경하여 에너지 회수의 제약을 미연에 방지하도록 하는 것이다. 통상의 연료전지 하이브리드 차량에서 회생제동시 슈퍼캡 전압이 낮을수록 회생제동량이 증대되고, 연료전지로부터 슈퍼캡으로의 자동 충전에 의한 전압 상승을 막을 경우 회생제동량이 증대된다. 결국, 본 발명에서는 회생제동 여부에 따라 차등화된 발전 정지 기준 값을 적용하여, 회생제동시 보다 낮은 슈퍼캡 전압 상태에서 연료전지 발전을 미리 정지시킴으로써 회생제동량의 극대화 및 연비 향상이 가능해지는 것이다. 또한 메인 버스단의 전압 상승 방 지로 고전압 부품을 보호하는 장점이 있게 된다.

도 5를 참조하면, 기본적으로 슈퍼캡의 에너지 수준(여기서는 메인 버스단의 전압)에 따라 모드를 결정하되, 본 발명에서 회생제동 여부에 따라 연료전지의 발전 정지 진입 조건을 달리 적용하므로 전체적인 발전 정지 영역이 넓어지게 된다. 특히, 회생제동 모드(Regen Mode)에서 연료전지의 발전을 빨리 정지시켜 연료전지로부터 슈퍼캡으로의 강제 충전을 막아 회생제동 가능한 에너지 버퍼 영역을 충분히 확보하게 된다.

첨부한 도 6은 본 발명의 적용시에 기존 연료전지-슈퍼캡 직결형 시스템보다 연비 향상이 가능함을 보여주는 분석 결과도로서, 전력변환장치에 의한 에너지 손실(DCDClossEnergy)이 존재하나, 연료전지 보기류 소모 에너지(HVBopEnergy)의 감소, 회생제동량(InvertRegenEnergy)의 증가를 고려할 때, 연비 향상의 이점이 분명히 있음을 알 수 있다.

도 1은 연료전지 시스템의 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명이 적용되는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 전력 시스템을 도시한 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법을 나타내는 순서도,

도 4는 본 발명에 따른 차량 감속시의 모드 변환 과정에서 연료전지의 작동 영역을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 작동 영역 결정 알고리즘의 일 예를 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명의 적용시에 기존 연료전지-슈퍼캡 직결형 시스템보다 연비 향상이 가능함을 보여주는 분석 결과도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 연료전지 시스템 111 : 연료전지 시스템 제어기

120 : 전력변환부 121 : 승강압 컨버터(전력변환장치)

122 : 컨버터 제어기 123 : 전력분배 제어기

125 : 직결 스위치 131 : 슈퍼캡(축전수단)

141 : 인버터 142 : 구동모터

Claims (3)

1. 연료전지와 축전수단 사이에 연료전지의 정전류 운전을 위한 전력변환장치와, 상기 연료전지와 축전수단 간을 직결/차단하기 위한 직결 스위치를 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 회생제동 여부를 판단하는 단계와;

   상기 축전수단의 전기에너지 양을 회생제동 여부에 따라 설정된 각 기준 값과 비교하여 연료전지 발전 정지 모드로의 진입 여부를 판단하는 단계와;

   상기 축전수단의 전기에너지 양이 해당 기준 값보다 큰 경우 연료전지의 발전을 정지시키는 단계;

   를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   회생제동시 회생제동이 아닌 경우에 비해 축전수단의 전기에너지 양이 낮은 상태에서 연료전지의 발전 정지 모드로 진입되도록 회생제동시의 상기 기준 값이 회생제동이 아닌 경우의 상기 기준 값에 비해 낮게 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 스위치 온 상태의 연료전지-축전수단 직결 운전 모드에서 축전수단의 전기에너지 양이 일정수준 이상이 될 때 연료전지의 정전류 운전 모드로 변환되고,

   연료전지의 정전류 운전 상태에서 상기 회생제동 여부를 판단하는 단계, 상기 연료전지 발전 정지 모드로의 진입 여부를 판단하는 단계, 및 상기 연료전지의 발전을 정지시키는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법.

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