KR20100005767A - Method for controlling fuel cell output of fuel cell hybrid vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
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 축전수단에 저장된 에너지 수준에 따라 연료전지의 출력을 제어하여 연비 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell output control method for increasing regenerative braking of a fuel cell hybrid vehicle, and more particularly, to a fuel cell including a fuel cell as a main power source and a power storage means (supercap or battery) as an auxiliary power source- Power storage means relates to a fuel cell output control method that can improve the fuel efficiency and system efficiency by controlling the output of the fuel cell according to the energy level stored in the power storage means in a hybrid vehicle.
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. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.
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.As an example of such a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently researched as a power supply for driving a vehicle, has a membrane centered around an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides, a gas diffusion layer (GDL) that distributes the reactants evenly and delivers the generated electrical energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper fastening pressure of the reactor bodies and cooling water, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and cooling water.
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. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode'). Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor. In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.
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.On the other hand, when only the fuel cell is used as a power source of the vehicle, the fuel cell is in charge of all the loads constituting the vehicle, and thus there is a disadvantage in that performance is deteriorated in a low operating area of the fuel cell. In addition, there is a problem in that the acceleration performance of the vehicle is deteriorated due to a failure to supply sufficient voltage required by the driving motor due to an output characteristic in which the output voltage is drastically reduced in a high speed driving region requiring a high voltage. In addition, when a sudden load is applied to the vehicle, the fuel cell output voltage suddenly drops and the vehicle performance is deteriorated due to a failure to supply sufficient power to the driving motor. Overloading the battery). In addition, since the fuel cell has a unidirectional output characteristic, energy input from the driving motor may not be recovered when the vehicle is braked, thereby reducing the efficiency of the vehicle system.
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. A fuel cell hybrid vehicle has been developed as a solution to compensate for the above disadvantages. Such a fuel cell hybrid vehicle is a system equipped with a high voltage battery or a supercapacitor (supercap) as a separate power source for providing power required for driving a motor in addition to a fuel cell as a main power source in a large vehicle such as a bus as well as a small vehicle. to be. Currently, fuel cell-powered means direct hybrid vehicles that do not use power converters are being studied. Fuel cell-powered means direct hybrid vehicles have excellent fuel economy (large regenerative braking, high efficiency of supercap power storage means, power converters). ), Fuel cell durability is increased, and control reliability is excellent (automatic power assist, auto regenerative braking function).
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.As described above, the hybrid vehicle directly connected to the fuel cell and the power storage means continuously outputs a constant power from the fuel cell, and the driving is performed. When the power remains, the power storage means is charged with surplus power, and the power is insufficient when the power is insufficient. An operation mode in which power is supplemented by power storage means has been applied.
축전수단으로 슈퍼캡을 사용한 일 예를 들어 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성을 설명하면, 주동력원으로 사용되는 연료전지, 보조동력원으로 사용되는 슈퍼캡, 연료전지의 출력측인 메인 버스단과 슈퍼캡 사이에 개재되는 슈퍼캡 초기충전 유닛(Supercap Precharge Unit), 구동모터를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지와 슈퍼캡의 출력측에 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.For example, a description of the power net configuration of a fuel cell-supercap hybrid vehicle using a super cap as a power storage means includes a fuel cell used as a main power source, a super cap used as an auxiliary power source, and a main bus stage and a super output side of a fuel cell. Supercap Precharge Unit interposed between the caps, a power module for rotating the drive motor, which is connected to the output of the fuel cell and the supercap, receives DC current from it, and receives 3-phase PWM (Pulse Width Modulation). It includes a motor controller (including an inverter) that generates and controls motor drive and regenerative braking. The supercap initial charging unit is used for charging the discharged supercap voltage only at initial startup.
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. In this configuration, a fuel cell that supplies hydrogen from a hydrogen tank and air from an air blower (not shown) to generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air is used as the main power source. The drive motor and MCU are connected directly to the fuel cell via the main bus stage, and the supercap is connected through the initial charging unit for power assistance (power assist) and regenerative braking.
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.Next, a brief description of the configuration of the fuel cell system in order to help the understanding of the present invention, Figure 1 attached shows an air supply and a hydrogen supply. As shown, the dry air supplied through the air blower 28 is humidified through the
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. The hydrogen supply unit consists of two lines, the first line supplying hydrogen to the anode of the
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. In addition, the phenomenon that the remaining hydrogen remaining in the anode passes directly through the electrolyte membrane and reacts with the oxygen of the cathode without generating electricity is called hydrogen crossover.In order to reduce the amount of hydrogen crossover, the anode pressure is lowered and the stack output is reduced in the low power section. The pressure should be increased in the high power section. This is solved by using the
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.On the other hand, the driving mode of a hybrid vehicle including a fuel cell as a main power source and a supercap (or a high voltage battery as a secondary battery) as a secondary power source includes a fuel cell driving mode (EV mode) for driving a motor using only the fuel cell as a power source; It is divided into a hybrid mode (HEV mode) for driving a motor using a fuel cell and a supercap as a power source, and a regenerative braking mode in which the supercap is charged.
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. However, the fuel cell-supercap direct hybrid vehicle has a problem in that the supercap is automatically charged by the fuel cell, thereby limiting regenerative braking. Therefore, this problem can be solved by controlling the operation of the fuel cell in the low power section and the regenerative braking time point, and the fuel efficiency can be increased by refraining from using the fuel cell in the low power section.
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. As such, the process of stopping and resuming the generation of fuel cells (Fuel Cell Stop / Fuel Cell Restart process), i.e., fuel cell-battery, fuel cell, if necessary during vehicle operation to improve fuel efficiency. In the supercap hybrid vehicle, the idle stop / release control process (fuel cell on / off control process) that temporarily stops the generation of fuel cells should be considered. The idle stop of the fuel cell during vehicle operation is clearly different from the complete shutdown of the fuel cell system after the vehicle has been driven, so the control process for the idle stop of the fuel cell is different from the system shutdown control process. Clearly, you need to differentiate.
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. As a prior art for improving fuel efficiency of a hybrid vehicle having a fuel cell and a power storage means, US Patent Publication No. 2003/118876 discloses a relay connected between a fuel cell and a supercap when a low output section or a supercap voltage is higher than a predetermined level. A technology is disclosed in which a fuel cell output is made by switching off a fuel cell output by shutting off a switch and increasing the required vehicle output or when a supercap voltage is higher than a predetermined level. In this case, in order to implement idle stop / release, the relay switch of the main bus stage for turning off the output of the fuel cell is turned on / off, and a separate relay cutoff control is required. The patent does not perform any control other than to shut off and connect the output of the fuel cell (to control the on / off relay switch for this). In addition, when regenerative braking, the relay switch is immediately turned off and the relay switch is directly connected when the fuel cell is generated when the voltage exceeds a predetermined voltage. That is, part of the regenerative braking amount is consumed in the fuel cell accessory and used for power generation of the fuel cell. This is to prevent the voltage increase of the main bus stage.
또한 미국특허 제6484075호에는 바퀴회전수, 브레이크 작동 유무, SOC(State of Charge), 전기 부하 등을 통해 아이들 상태를 결정하여 연료전지에 의한 전원 공급을 차단하고 전원저장장치가 설정 SOC 값 이하로 떨어지는 경우 전원 공급을 재개하는 기술이 개시되어 있다. 여기서는 아이들 스탑 진입 조건이 매우 제한적이고(차량이 정지하고 부하가 소정치 이하이며 브레이크가 작동상태이고 SOC 값이 소정치 이상일 때), 아이들 스탑을 위해 연료전지 측에 DC/DC 초퍼(Chopper)와 같은 별도 장치가 필요하며, 아이들 스탑 해제시에 전류 제한을 위해서 DC/DC 초퍼를 사용한 뒤 슈퍼캡과 직결한다. 상기 DC/DC 초퍼는 벅(Buck)형 컨버터로서 연료전 지 전류 차단 후 직결시 전류 제한 용도로 제한적으로 사용된다. In addition, U.S. Pat.No.6484075 determines the idle state through the number of wheel revolutions, brake operation, SOC (State of Charge), electrical load, etc. to cut off the power supply by the fuel cell, and the power storage device is below the set SOC value. A technique is disclosed for resuming power supply when dropped. The conditions for entering the idle stop are very limited here (when the vehicle is stopped, the load is below a certain value, the brake is in operation and the SOC value is above a certain value), and a DC / DC chopper and The same separate device is required, using a DC / DC chopper to limit the current when the idle stop is released and connected directly to the supercap. The DC / DC chopper is a buck type converter and is used for current limiting purposes when directly connected after cutting off the fuel cell current.
그러나 상기한 선행기술과 차별화하여 좀더 간략한 제어 기술을 이용해 연료전지를 더욱 효율적으로 제어하면서 연비 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.However, there is a need for a method of improving fuel efficiency and system efficiency while controlling fuel cells more efficiently by using a simpler control technique, which is different from the above-described prior art.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 축전수단에 저장된 에너지 수준에 따라 연료전지의 출력을 효율적으로 제어하여 연비 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and the energy level stored in the power storage means in a fuel cell-power storage means hybrid vehicle having a fuel cell as a main power source and a power storage means (supercap or battery) as a secondary power source. Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell output control method capable of efficiently controlling the output of a fuel cell to improve fuel efficiency and system efficiency.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지와 축전수단 사이에 연료전지의 정전류 운전을 위한 전력변환장치와, 상기 연료전지와 축전수단 간을 직결/차단하기 위한 직결 스위치를 구비하고, In order to achieve the above object, the present invention, in the fuel cell hybrid vehicle having a fuel cell as the main power source and the power storage means as a secondary power source, a power conversion device for the constant current operation of the fuel cell between the fuel cell and the power storage means; Direct connection switch for directly connecting / blocking between the fuel cell and the power storage means,
상기 축전수단의 전기에너지 양에 따라, 연료전지의 발전을 정지시키는 연료전지 발전 정지 모드와, 상기 전력변환장치를 작동시켜 연료전지를 최고 효율점으로 정출력 운전하는 연료전지 정전류 운전 모드와, 상기 직결 스위치로 연료전지와 축전수단 간을 직결한 뒤 차량 요구 부하에 따라 연료전지 출력을 제어하는 연료전지-축전수단 직결 운전 모드 중 선택된 어느 하나의 모드로 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법을 제공한다.A fuel cell power generation stop mode for stopping power generation of the fuel cell according to the amount of electrical energy of the power storage means, a fuel cell constant current operation mode for operating the power conversion device for constant output operation of the fuel cell at the highest efficiency point, and And a direct connection between the fuel cell and the power storage means by a direct switch and controlling the output of the fuel cell in any one mode selected from a fuel cell-power storage means direct operation mode that controls the fuel cell output according to the vehicle demand load. A fuel cell output control method of a fuel cell hybrid vehicle is provided.
바람직한 실시예로, 상기 연료전지 발전 정지 모드에서 상기 축전수단의 전기에너지 양이 연료전지 발전 재개를 위한 기준 값 미만이면서 연료전지 발전 정지 후 경과 시간이 기설정된 최소 유지시간 이상을 만족하면, 직결 스위치의 오프 상태에서 연료전지 정전류 운전 모드로 변환되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, if the amount of electric energy of the power storage means in the fuel cell power generation stop mode is less than the reference value for resuming fuel cell power generation and the elapsed time after the fuel cell power generation stops satisfies a predetermined minimum holding time or more, a direct switch In the off state of the fuel cell is characterized in that the conversion to the constant current operating mode.
또한 상기 연료전지 정전류 운전 모드에서는 상기 전력변환장치가 최고 효율점에 상응하는 부하량의 전압을 연료전지의 출력측에 걸어주도록 동작하는 상태에서 연료전지 보기류가 정출력 제어되어 연료전지의 출력 전류가 일정하게 유지되는 정출력 운전을 한다.Further, in the fuel cell constant current operating mode, the fuel cell accessory is subjected to constant output control while the power converter operates to apply a voltage of a load amount corresponding to the highest efficiency point to the output side of the fuel cell so that the output current of the fuel cell is constant. Constant power operation is maintained.
여기서, 상기 전력변환장치가 승강압 컨버터이고, 컨버터 제어기가 승강압 컨버터의 출력단 전압을 전압센서를 통해 센싱하여 최고 효율점에 상응하는 부하량의 전압을 걸어주도록 상기 승강압 컨버터의 구동을 제어하는 것일 수 있다. Here, the power converter is a step-up converter, the converter controller senses the output terminal voltage of the step-up converter through a voltage sensor to control the driving of the step-up converter to apply a voltage of the load amount corresponding to the highest efficiency point Can be.
그리고 상기 연료전지 정전류 운전 모드에서 상기 축전수단의 전기에너지 양이 연료전지-슈퍼캡 직결을 위한 기준 값 미만인 상태가 되면, 상기 직결 스위치로 연료전지와 축전수단 간을 직결하고 상기 전력변환장치의 작동을 정지시켜 연료전지-축전수단 직결 운전 모드로 변환되는 것을 특징으로 한다.And when the amount of electric energy of the power storage means is less than a reference value for fuel cell-supercap direct connection in the fuel cell constant current operating mode, the direct switch connects directly between the fuel cell and power storage means and operates the power converter. It is characterized by being switched to the fuel cell-power storage means direct operation mode by stopping the.
여기서, 상기 직결 스위치로 연료전지와 축전수단 간을 직결하기 전에 연료전지 스택의 공기 공급을 미리 설정시간 동안 과급한 뒤 직결함이 바람직하다.Here, it is preferable to directly charge the air supply of the fuel cell stack for a preset time before directly connecting the fuel cell and the power storage means with the direct connection switch.
그리고 상기 축전수단의 전기에너지 양으로 메인 버스단의 전압센서에 의해 측정되는 축전수단 전압이 사용될 수 있다.The power storage means voltage measured by the voltage sensor of the main bus terminal may be used as the amount of electrical energy of the power storage means.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법에서는, 기본적으로는 연료전지를 최고 효율점에서 정출력 운전하고, 축전수단의 출력 및 에너지 부족시에는 연료전지와 축전수단을 직결하는 운전을 하며, 정차시나 저출력 구간 등 축전수단의 에너지 수준 상승시에는 연료전지의 발전을 정지하는 제어를 하여, 연료전지가 최고 효율점에서 집중적으로 운전될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 연비 향상 및 시스템 효율 향상이 가능해진다.Accordingly, in the fuel cell output control method according to the present invention, the fuel cell is basically operated at the highest efficiency point, and when the output of the power storage means and energy are insufficient, the fuel cell and the power storage means are operated directly. When the energy level of the power storage means rises, such as a stop or a low output section, the fuel cell is controlled to stop power generation so that the fuel cell can be intensively operated at the highest efficiency point, thereby improving fuel economy and system efficiency. .
특히, 필요할 경우 연료전지와 축전수단을 직결하여 연료전지의 출력을 차량 요구 부하에 맞추는 부하 추종(Load Following) 운전을 하고, 또한 선택된 구간에서 연료전지를 최고 효율점으로 운전하는 정전류 운전을 함으로써, 연료전지 고효율 구간 운전을 증가시켜 연비 향상 및 시스템 효율 향상을 달성할 수 있게 된다. In particular, if necessary, by directly connecting the fuel cell and the power storage means to perform a load following operation in which the output of the fuel cell is matched to the required load of the vehicle, and a constant current operation in which the fuel cell is operated at the highest efficiency point in the selected section. By increasing fuel cell high efficiency section operation, it is possible to achieve fuel efficiency and system efficiency.
또한 연료전지의 출력이 불필요한 구간에서는 연료전지의 발전을 완전히 정지시켜 연비 향상을 극대화할 수 있게 된다. 아울러, OCV 구간을 감소시켜 연료전지의 내구를 증가시킬 수 있으며, 비상시 연료전지 전류 제한 제어가 용이해지는 등 연료전지 보호 측면에서 유리한 장점이 있게 된다. In addition, it is possible to maximize the fuel efficiency improvement by completely stopping the power generation of the fuel cell in the section where the output of the fuel cell is unnecessary. In addition, it is possible to increase the durability of the fuel cell by reducing the OCV interval, it is advantageous in terms of fuel cell protection, such as easy control of the fuel cell current limit in the emergency.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 연비 향상을 위한 연료전지 출력의 효율적인 제어 방법에 관한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수 단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 축전수단에 저장된 에너지 수준에 따라 연료전지의 출력을 효율적으로 제어하여 연비 및 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 출력 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an efficient control method of fuel cell output for improving fuel efficiency of a fuel cell hybrid vehicle, comprising a fuel cell-storage means hybrid having a fuel cell as a main power source and a power storage stage (supercap or battery) as an auxiliary power source. The present invention relates to a fuel cell output control method capable of efficiently controlling fuel output according to energy levels stored in power storage means in a vehicle, thereby improving fuel efficiency and system efficiency.
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.As described above, the fuel cell-storage means (e.g., supercap) direct hybrid system that does not use a power converter has excellent fuel economy (large regenerative braking, high efficiency of the supercap itself), increased fuel cell durability, and excellent control reliability. Automatic power assist, automatic regenerative braking function), but there is a problem of automatic charging of the power storage means from the fuel cell, thereby limiting the regenerative braking due to the voltage increase of the power storage means. For example, when the automatic charging of the supercap, which is the power storage means, is performed by the fuel cell, the amount of electrical energy charged in the supercap increases, and the amount of electrical energy charged by the rotational braking decreases. This can be solved by controlling to stop the operation of the fuel cell in the low power section and the regenerative braking section. In particular, if the generation of the fuel cell is stopped during the regenerative braking as described above, the regenerative braking amount and fuel economy can be increased.
이에 본 발명에서는 보조동력원인 축전수단의 에너지 수준(이하 설명에서 축전수단의 전기에너지 양에 상응하는 메인 버스단 전압/슈퍼캡 전압임)에 따라 연료전지의 출력을 효율적으로 제어하되, 기본적으로는 연료전지를 최고 효율점에서 정출력 운전하고, 축전수단의 출력 및 에너지 부족시에는 연료전지와 축전수단을 직결하는 운전을 하며, 정차시나 저출력 구간 등 축전수단의 에너지 수준 상승시에는 연료전지의 발전을 정지하는 제어를 하여, 연료전지가 최고 효율점에서 집중적으로 운전될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 연비 향상 및 시스템 효율 향상이 가능해 지도록 한 것에 주된 특징이 있는 것이다. Therefore, in the present invention, the output of the fuel cell is efficiently controlled according to the energy level of the power storage means as the auxiliary power source (in the following description, the main bus terminal voltage / supercap voltage corresponding to the amount of electric energy of the power storage means). The fuel cell operates at constant efficiency at the highest efficiency point, and when the output of the power storage means and energy are insufficient, the fuel cell is directly connected to the power storage means. The main feature is that the fuel cell can be intensively operated at the highest efficiency point by controlling to stop, thereby making it possible to improve fuel economy and system efficiency of the fuel cell.
이를 위해 본 발명에서는 연료전지 최고 효율점의 전류 출력을 충족시키는 최소한의 용량으로 설계된 전력 변환기와 연료전지와 슈퍼캡 간을 선택적으로 직결/차단하는 직결 스위치를 구비하여, 연료전지의 발전 정지(아이들 스탑) 모드, 연료전지의 정전류 운전 모드, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드로 3단 제어하게 된다.To this end, the present invention includes a power converter designed with a minimum capacity that satisfies the current output of the fuel cell's highest efficiency point, and a direct switch selectively connecting / stopping the fuel cell and the supercap, thereby stopping power generation of the fuel cell. 3-step control in stop) mode, constant current operation mode of fuel cell, and fuel cell-supercap direct operation mode.
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, 물펌프 등)의 출력이 커서 효율이 나쁠 수밖에 없다. 따라서, 본 발명에서는 효율이 나쁜 저출력 구간의 사용을 피하고 연료전지 시스템의 효율을 향상시키기 위해 연료전지의 출력을 직접 제어하는 방법을 이용한다. 이는 저출력 구간에서 연료전지 시스템의 효율 향상뿐만 아니라 연료전지-축전수단 하이브리드 시스템의 단점인 회생제동시 축전수단 자동 충전을 방지하여 축전수단 전압 상승으로 인한 회생제동량 감소를 막을 수 있게 한다. In order to increase fuel efficiency in fuel cell hybrid vehicles, it is also necessary to increase the efficiency of individual components, but it is also important to develop optimal vehicle driving technology. Factors that can increase fuel economy include the reduction of fuel cell accessory and vehicle accessory drive, the increase of regenerative braking rate and the increase of hydrogen utilization rate. This can be solved through a ban. In the low power section, the fuel cell system has a higher efficiency than the output required for driving the system, which is inferior in efficiency due to the large output of the fuel cell accessory (air blower, hydrogen recirculation blower, water pump, etc.). Therefore, the present invention uses a method of directly controlling the output of the fuel cell in order to avoid the use of a low-power section of low efficiency and to improve the efficiency of the fuel cell system. This not only improves the efficiency of the fuel cell system in the low power section, but also prevents the automatic charging of the power storage means during regenerative braking, which is a disadvantage of the fuel cell-power storage means hybrid system, thereby preventing the reduction of the regenerative braking amount due to the increase in the power storage means voltage.
이하, 본 발명의 설명을 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 예를 들어 기술 하나, 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.Hereinafter, the description of the present invention will be described with an example of a fuel cell-supercap hybrid vehicle, and it can be easily understood by those skilled in the art that the supercap can be replaced by a high voltage battery which is another auxiliary power source (fuel cell-battery hybrid vehicle). Could be. It is well known that supercaps and batteries are both power storage means capable of charging and discharging, and that they are used as auxiliary power sources of fuel cell hybrid vehicles.
이하, 다음의 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상술하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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)이 연결된 메인 버스단에 전압센서(132) 및 전류센서(133)가 구비된다. 2 is a block diagram illustrating a power system of a fuel cell-supercap hybrid vehicle to which the present invention is applied. As shown in FIG. 2, a fuel cell including a fuel cell (stack) and a fuel cell accessory as a main power source is shown. The
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 제어 기(123), 연료전지 시스템 제어기(111), 컨버터 제어기(122) 등 제어기들 간의 협조 제어를 통해 수행된다.The
상기 전력변환장치(121)는 운전 중인 연료전지(110)로부터 일정한 전류가 출력되도록 부하 작용을 하는 장치로서, 연료전지(110)와 슈퍼캡(131) 사이에 위치되도록 메인 버스단에 연결되어 설치된다. The
본 발명에서 상기 전력변환장치(121)는 컨버터 제어기(122)의 제어하에 승강압 동작이 가능한 승강압 컨버터가 될 수 있다. 상기 승강압 컨버터(121)는 컨버터 제어기(122)의 제어하에 출력단 전압을 일정하게 유지하기 위한 동작을 하게 되는데, 이는 연료전지 시스템의 출력측에 작용하는 부하량, 즉 연료전지 시스템에 걸리는 출력측 전압을 일정하게 유지하기 위한 것으로서, 연료전지 시스템에 걸리는 출력측 전압을 일정하게 유지함으로써 연료전지 출력 전류를 선택된 값으로 일정하게 고정(연료전지의 정전류 운전)할 수 있게 된다. In the present invention, the
주지된 바와 같이, 연료전지 시스템(110)은 스택 출력측에 걸리는 부하량에 상응하는 전류가 출력될 수 있도록 연료전지 보기류 등 시스템 구성부가 구동 제어된다. 즉, 부하에 의해 출력측에서 전류를 뽑아내는 만큼 연료전지 시스템(110)에서는 그에 상응하는 전류 출력이 이루어지는 시스템 제어가 수행되는 것이다. As is well known, the
이에 따라, 연료전지 시스템 출력측의 부하량이 상기 승강압 컨버터(121)의 동작에 의해 특정하게 설정 유지되는 경우 그에 상응하는 정전류 출력이 이루어질 수 있도록 연료전지 시스템(110)의 구성부, 즉 연료전지 보기류 등이 정출력 운전되고, 결국 승강압 컨버터(121)의 구동을 제어하여 부하량을 고정하면 연료전지의 출력 전류 값이 원하는 운전점으로 고정되면서 정출력 운전이 가능해진다. Accordingly, when the load on the output side of the fuel cell system is specifically set and maintained by the operation of the step-up
특히, 본 발명에서 연료전지의 정전류 모드 운전시에는 상기 승강압 컨버터(121)를 사용하여 연료전지 최고 효율점에서 원 포인트 운전, 즉 슈퍼캡 전압 변화에 상관없이 연료전지로부터 최고 효율점의 일정 전류 값이 출력되도록 정전류 운전을 하게 된다. In particular, the constant current mode operation of the fuel cell in the present invention using the step-up
즉, 최고 효율에서 연료전지의 정전류 운전을 하는 것으로서, 승강압 컨버터(121)가 연료전지의 출력측에 최고 효율점에 상응하는 부하량의 전압을 걸어주도록 구동 제어되어 연료전지의 출력 전류를 일정하게 유지하게 된다. 예컨대 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같이 최고 효율을 나타내는 연료전지 부하에 상응하는 값이 10A(ampere)라면, 연료전지로부터 상기 10A가 출력되도록 승강압 컨버터(부하로 동작함)(121)를 구동하여 연료전지 출력을 10A로 고정하는 것이다. 연료전지의 정전류 운전을 위해서는 부하량을 고정하는 승강압 컨버터(121)의 작동과 동시에 연료전지의 일정 출력 상태가 유지되도록 연료전지 보기류가 연료전지 시스템 제어기(111)에 의해 정출력 제어된다. That is, as the constant current operation of the fuel cell at the highest efficiency, the step-up
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.The step-up
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 선 택적으로 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. In the power system configuration of FIG. 2, the
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법을 나타내는 순서도로서, 차량 가속시의 예를 들어 연료전지의 작동 모드 변환 과정을 보여주고 있다. 또한 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 차량 가속시의 모드 변환 과정에서 연료전지의 작동 영역을 나타내는 도면이며, 도 6은 연료전지 작동 영역 결정 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a flowchart illustrating a method for controlling a fuel cell output according to the present invention, which illustrates a process of converting an operation mode of a fuel cell during vehicle acceleration. 5 is a diagram illustrating an operation region of a fuel cell during a mode conversion process during vehicle acceleration according to the present invention, and FIG. 6 is a diagram for describing an operation region determination algorithm of a fuel cell.
참고로, 도 4 내지 도 6에서 VSC는 슈퍼캡 전압(=메인 버스단 전압, 슈퍼캡에 충전된 전기에너지의 양을 나타냄)을 나타내고, IFC _ CMD는 정전류 운전 모드에서의 연료전지 정전류 값을 나타내며, VFC _STOP은 연료전지 발전을 정지하는 기준 전압을 나타낸다. 또한 OCV는 연료전지의 무부하 출력 전압(Open Circuit Voltage)을, VFC_START는 연료전지 발전을 재개하는 기준 전압을, VFC _STOP_ regen은 회생제동시 연료전지 발전을 정지시키는 기준 전압을, VDC _OFF는 연료전지-슈퍼캡 직결을 해제하는 기준 전압을, VDC _START는 연료전지-슈퍼캡 직결을 행하는 기준 전압을 각각 나타낸다. 또한 TRegen _min_off는 연료전지 발전 정지 최소 유지시간을 나타내고, TDC _Delay는 연료전지-슈퍼캡 직결 준비 시간을 나타낸다.For reference, in FIGS. 4 to 6, V SC represents a supercap voltage (= main bus terminal voltage, and represents the amount of electric energy charged in the super cap), and I FC _ CMD represents a fuel cell constant current in a constant current operating mode. Value, and V FC _STOP represents a reference voltage for stopping fuel cell generation. Also OCV is the no-load output voltage (Open Circuit Voltage) of the fuel cell, V FC_START is a reference voltage to restart the fuel cell power generation, V FC _STOP_ regen is a reference voltage for stopping the time of regenerative braking fuel cell power generation, V DC _OFF Denotes a reference voltage for releasing the fuel cell-supercap direct connection, and V DC _START denotes a reference voltage for performing the fuel cell-supercap direct connection, respectively. Also Regen _min_off T denotes a fuel cell power generation stop minimum holding time, T DC _Delay the fuel cell shows a super cap directly up time.
본 발명에서는 차량 부하와 슈퍼캡에 충전된 전기에너지의 양(여기서는 메인 버스단 전압이 됨)에 따라 연료전지의 발전 정지 모드, 연료전지의 정전류 운전 모드, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드로 모드 변환 제어가 수행되는 과정의 예를 들어 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어의 특징을 설명하기로 한다. In the present invention, depending on the vehicle load and the amount of electric energy charged in the supercap (here, the main bus terminal voltage), the power generation stop mode of the fuel cell, the constant current operating mode of the fuel cell, the fuel cell-supercap direct operation mode As an example of a process in which the conversion control is performed, a feature of the fuel cell output control according to the present invention will be described.
우선, 연료전지 발전 정지 모드(Fuel Cell Stop Mode)에서는, 전력분배 제어기(123)가 직결 스위치(125)를 오프(Off)시켜 연료전지(110)와 슈퍼캡(131) 간 연결을 차단하고, 컨버터 제어기(122)를 통해 승강압 컨버터(전력변환장치)(121)의 작동을 정지하며, 연료전지 시스템 제어기(111)를 통해 연료전지 보기류의 구동을 중지시켜 연료전지의 발전을 완전히 정지시킨다(S11). First, in the fuel cell stop mode (Fuel Cell Stop Mode), the
상기와 같이 연료전지의 발전이 정지된 상태에서, 이후 전력분배 제어기(123)가 슈퍼캡(131)에 충전된 전기에너지의 양, 즉 메인 버스단의 전압센서(132)에 의해 센싱된 슈퍼캡 전압(Vsc)(도 2의 예를 참조하면 메인 버스단 전압이 됨)을 연료전지 발전 재개를 위한 기설정된 기준 전압(VFC _START)과 비교하여(S12), 슈퍼캡 전압이 상기 기준 전압 미만으로 내려가고(Vsc<VFC _START) 연료전지 발전 정지 후 경과 시간(정지 모드 유지 시간)이 기설정된 발전 정지 최소 유지시간(TRegen _min_off) 이상을 만족한 상태라면, 연료전지 정전류 운전(Constant Current Mode)을 준비한다. 여기서, 정지 모드 유지 시간을 두는 이유는 빈번한 연료전지 온(발전 재개)/오프(발전 정지)를 막기 위함이다. In the state in which power generation of the fuel cell is stopped as described above, the
연료전지의 정전류 운전을 위해서는 연료전지 시스템 제어기(111)가 공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프 등 연료전지 보기류를 구동하기 시작하여 연료 전지 정전류 운전 제어에 필요한 정출력 제어를 실시하며(S13), 전력분배 제어기(123)가 직결 스위치(125)의 오프 상태는 유지한 상태로 컨버터 제어기(122)를 통해 승강압 컨버터(121)를 동작시켜 연료전지의 정전류 운전을 시작한다(S14,S15). For constant current operation of the fuel cell, the fuel
이후, 전력분배 제어기(123)는 연료전지의 정전류 운전 중에 슈퍼캡 전압(Vsc)이 연료전지-슈퍼캡 직결을 행하기 위한 기설정된 기준 전압(VDC _START) 미만으로 떨어짐을 판단하여, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드(Direct Connection Mode)로 진입하기 위한 준비를 행한다.Subsequently, the
즉, 연료전지(110)와 슈퍼캡(131) 양단의 전압차가 있는 상태에서 바로 직결시에는 과도한 전류가 흐를 수 있으므로, 설정시간 동안 미리 연료전지 스택의 공기 공급을 과급하여 전류 흐름을 준비한다(S16,S17). 이어 과급 유지 시간이 설정시간(TDC_Delay)을 경과하면 직결 스위치(125)를 온(On) 시켜 연료전지(110)와 슈퍼캡(131) 간을 직결하고 승강압 컨버터(121)의 작동을 정지시킨다(S18,S19). 공기 과급시에는 연료전지 시스템 제어기(111)를 통해 미리 설정된 양만큼 공기를 과급하도록 공기블로워의 구동을 제어하게 된다.That is, excessive current may flow when directly connected in a state where there is a voltage difference between the
또한 승강압 컨버터(121)의 작동 정지 및 직결 스위치(125)의 온(On) 상태에서 연료전지 시스템 제어기(111)에 의해 차량 요구 부하에 맞추어 연료전지 보기류(공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프)의 구동이 제어되는 운전이 이루어지며(Load Following)(S20), 이로써 연료전지-슈퍼캡 직결 운전 모드로의 진입이 완 료된다(S21).In addition, fuel cell accessory (air blower, hydrogen recirculation blower, water) according to the vehicle demand load by the fuel
이와 같이 하여, 본 발명에서는 축전수단(슈퍼캡)에 저장된 에너지 수준에 따라 연료전지의 발전 정지, 연료전지의 정전류 운전, 연료전지-슈퍼캡 직결 운전의 3단 운전 모드로 제어하며, 이러한 연료전지 출력의 3단 제어를 통해 연료전지 하이브리드 시스템을 효율적으로 운전할 수 있게 된다. In this way, in the present invention, according to the energy level stored in the power storage means (supercap), the control of the fuel cell power generation, the constant current operation of the fuel cell, the fuel cell-supercap direct operation is controlled in three stages of operation mode, such a fuel cell The three-stage control of the output enables efficient operation of the fuel cell hybrid system.
요약컨대, 기본적으로는 전력변환장치(승강압 컨버터)(121)를 사용하여 연료전지(110)를 최고 효율점에서 정전류 운전을 하되, 축전수단 전압이 일정수준 이하이거나 차량의 요구 출력이 일정수준 이상이 되어 축전수단(131)의 출력 및 에너지가 부족할 때에는 전력변환장치(121)를 오프시킨 뒤 직결 스위치(125)를 온(On) 시켜 연료전지(110)와 축전수단(131)을 직결하는 운전을 하며, 정차시나 저출력 구간 등 축전수단 전압이 일정수준 이상으로 상승할 때에는 연료전지의 발전을 정지하는 제어를 하여, 연료전지가 최고 효율점에서 집중적으로 운전될 수 있도록 함으로써, 연료전지의 연비 향상 및 시스템 효율 향상이 가능해지도록 한다.In summary, basically, the power converter (step-up converter) 121 is used to operate the
특히, 본 발명에서는 필요할 경우 연료전지와 축전수단을 직결하여 연료전지의 출력을 차량 요구 부하에 맞추는 부하 추종(Load Following) 운전을 하고, 또한 선택된 구간에서 연료전지를 최고 효율점으로 운전하는 정전류 운전을 함으로써, 연료전지 고효율 구간 운전을 증가시켜 연비 향상 및 시스템 효율 향상을 달성할 수 있게 된다. 또한 연료전지의 출력이 불필요한 구간에서는 연료전지의 발전을 완전히 정지시켜 연비 향상을 극대화할 수 있게 된다. 또한 OCV 구간을 감소시켜 연료전지의 내구를 증가시킬 수 있으며, 비상시 연료전지 전류 제한 제어가 용 이해지는 등 연료전지 보호 측면에서 유리한 장점이 있게 된다. Particularly, in the present invention, if necessary, a constant current operation is performed by directly connecting the fuel cell and the power storage means to perform a load following operation in which the output of the fuel cell is matched to the vehicle demand load, and also driving the fuel cell at the highest efficiency point in the selected section. By doing so, it is possible to increase fuel cell high efficiency section operation to achieve fuel efficiency and system efficiency. In addition, it is possible to maximize the fuel efficiency improvement by completely stopping the power generation of the fuel cell in the section where the output of the fuel cell is unnecessary. In addition, it is possible to increase the durability of the fuel cell by reducing the OCV section, it is advantageous in terms of fuel cell protection, such as ease of control of fuel cell current limit in an emergency.
한편, 본 발명자는 본 발명을 실차에 직접 적용하여 도심 모드(UDDS)로 주행 시험을 실시하였으며, 그 결과는 첨부한 도 7에 나타낸 바와 같다. 도시된 바와 같이, 연료전지를 발전 정지, 정전류 운전, 직결 후 부하 추종 운전의 3모드로 운전하였다. 즉, 부하 추종 운전되는 직결 운전 구간(FCON=1, FCDC=1)에서 슈퍼캡 전압이 설정 수준 이상으로 올라가면(VSC>VDC _OFF) 연료전지가 오프(Off)되는 발전 정지 구간으로 진입하고((FCON=0, FCDC=0, IFC=0), 발전 정지 구간에서 수퍼캡 전압이 설정 수준 이하로 떨어지면(VSC<VFC _START) 연료전지는 다시 온(On)되어 정전류 운전(FCON=1, FCDC=0)을 하게 된다. On the other hand, the present inventors applied the present invention directly to the vehicle and carried out a driving test in the urban mode (UDDS), the results are as shown in Figure 7 attached. As shown, the fuel cell was operated in three modes of power generation stop, constant current operation, and load follow operation after direct connection. That is, when the supercap voltage rises above the set level (V SC > V DC _OFF ) in the direct operation section (FC ON = 1, FC DC = 1) where the load following operation is performed, the fuel cell is turned off. When the fuel cell enters (FC ON = 0, FC DC = 0, I FC = 0), and the supercap voltage falls below the set level in the power generation stop section (V SC <V FC _START ), the fuel cell is turned on again and the constant current Run (FC ON = 1, FC DC = 0).
또한 정전류 운전과 발전 정지를 반복하다가, 정전류 운전 상태에서 슈퍼캡 전압이 설정 수준 이하로 떨어지면(VSC<VDC _START) 직결 스위치가 온(On) 되면서 연료전지가 부하 추종 운전되는 직결 운전 구간(FCON=1, FCDC=1)으로 다시 진입하게 된다.In addition, when the constant current operation and the generation stop are repeated, and the super cap voltage drops below the set level in the constant current operation state (V SC <V DC _ START ), the direct connection switch is turned on and the fuel cell is loaded following operation. FC ON = 1, FC DC = 1).
연료전지의 발전 정지 구간에서는 보기류 정지를 통해 연료전지 전압(VFC)을 OCV로 유지할 수 있었고[이때, 연료전지 전류(IFC)=0], 정전류 구간에서는 승강압 컨버터를 제어하여 연료전지의 정전류 출력이 이루어질 수 있었다. The fuel cell voltage (V FC ) could be maintained at OCV through the stop of the power generation in the stoppage of the fuel cell generation [fuel cell current (I FC ) = 0]. Constant current output could be achieved.
도 7에서 FCON=1은 연료전지의 발전 상태(온 상태)를, FCON=0은 연료전지의 발전 정지 상태(오프 상태)를 나타내며, FCDC=1은 연료전지-슈퍼캡 직결 상태를, FCDC=0은 연료전지-슈퍼캡 직결 해제 상태를 나타낸다. 또한 IINV, IFC, ISC는 각각 인버터, 연료전지, 슈퍼캡 전류를 나타낸다.In FIG. 7, FC ON = 1 represents a power generation state (on state) of the fuel cell, FC ON = 0 represents a power generation stop state (off state) of the fuel cell, and FC DC = 1 represents a fuel cell-supercap direct connection state. , FC DC = 0 indicates the fuel cell-supercap direct disconnection state. In addition, I INV , I FC and I SC represent the inverter, fuel cell and supercap current, respectively.
첨부한 도 8과 도 9는 본 발명의 적용시에 연료전지 시스템 효율 향상과 에너지 사용 분포가 개선됨을 보여주는 분석 결과도로서, (a)는 개선 전 상태를 (b)는 본 발명에 따라 개선된 후 상태를 나타낸다. UDDS 도심 사이클 운행시 에너지 사용 분포를 보여주고 있다. 참조하면, 최고 효율점에서 연료전지 작동점이 집중됨을 알 수 있으며(도 8의 점선 표시 참조), 더욱이 정전류 운전시에 연료전지 보기류도 그에 맞추어 운전을 할 수 있으므로 연료전지 시스템의 효율은 크게 향상될 수 있다. 이러한 본 발명의 효과는 주행 모드에서 차량의 평균 요구 출력이 연료전지 최대 효율점 근방일 경우에 더욱 두드러지며, 도심 모드의 경우가 그러하다. 8 and 9 are analysis results showing that fuel cell system efficiency and energy use distribution are improved when the present invention is applied, (a) is a state before improvement and (b) is improved according to the present invention. It shows the state after. UDDS shows the distribution of energy use in urban cycles. Referring to FIG. 8, it can be seen that the fuel cell operating point is concentrated at the highest efficiency point (see dotted line in FIG. 8). Furthermore, the fuel cell accessory can be operated accordingly during constant current operation, thereby greatly improving the efficiency of the fuel cell system. Can be. This effect of the present invention is more pronounced when the average required output of the vehicle in the driving mode is near the fuel cell maximum efficiency point, and in the urban mode.
본 발명의 적용시에는 전력변환장치에 의한 에너지 손실(DCDClossEnergy)을 감안하더라도 기존 대비 약 7%의 연비 향상이 예측되었으며, 이러한 연비 향상은 연료전지 보기류 소모 에너지(HVBopEnergy)의 감소에 기인한다(도 9의 점선 표시 참조). 도 9에서 'Fuel Cell Net Power'는 연료전지 출력에서 연료전지 보기류에 소요되는 출력을 뺀 출력으로, 연료전지에서 순수하게 차량 부하로 가는 출력을 의미한다. In the application of the present invention, a fuel efficiency improvement of about 7% was predicted even when considering the DCDClossEnergy caused by the power converter, and this fuel efficiency improvement is due to the reduction of fuel cell accessory consumption energy (HVBopEnergy) ( See dashed line in FIG. 9). In FIG. 9, 'Fuel Cell Net Power' is an output obtained by subtracting the power required for the fuel cell accessory from the fuel cell output, and means an output from the fuel cell to the vehicle load.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 도시한 도면,1 is a view showing the configuration of a fuel cell system;
도 2는 본 발명이 적용되는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 전력 시스템을 도시한 블록도,2 is a block diagram showing a power system of a fuel cell-supercap hybrid vehicle to which the present invention is applied;
도 3은 연료전지 시스템의 최고 효율점을 나타낸 도면,3 is a view showing the highest efficiency point of the fuel cell system,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 출력 제어 방법을 나타내는 순서도,4 is a flowchart showing a fuel cell output control method according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 차량 가속시의 모드 변환 과정에서 연료전지의 작동 영역을 나타내는 도면, 5 is a view showing an operating region of a fuel cell in a mode conversion process during vehicle acceleration according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 작동 영역 결정 알고리즘의 일 예를 설명하기 위한 도면, 6 is a view for explaining an example of a fuel cell operating area determination algorithm according to the present invention;
도 7은 본 발명을 실차에 적용한 결과를 나타낸 도면,7 is a view showing the result of applying the present invention to the actual vehicle,
도 8과 도 9는 본 발명의 적용시에 연료전지 시스템 효율 향상과 에너지 사용 분포가 개선됨을 보여주는 분석 결과도.8 and 9 are analysis results showing that the fuel cell system efficiency and energy use distribution is improved when the present invention is applied.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110 : 연료전지 시스템 111 : 연료전지 시스템 제어기110: fuel cell system 111: fuel cell system controller
120 : 전력변환부 121 : 승강압 컨버터(전력변환장치)120: power converter 121: step-up converter (power converter)
122 : 컨버터 제어기 123 : 전력분배 제어기122: converter controller 123: power distribution controller
125 : 직결 스위치 131 : 슈퍼캡(축전수단)125: direct connection switch 131: super cap (power storage means)
141 : 인버터 142 : 구동모터141: inverter 142: drive motor
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