KR20110028161A

KR20110028161A - 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법

Info

Publication number: KR20110028161A
Application number: KR1020090086127A
Authority: KR
Inventors: 전순일; 권상욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-17
Also published as: KR101519666B1

Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것으로서, 종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점을 해결하기 위하여, 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시키고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시키는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지, 수퍼캡, 하이브리드, 직결모드, 충전모드, 방전모드, 모드 전환, 파워 어시스트

Description

연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법{Control method for fuel cell hybrid vehicle}

본 발명은 연료전지 차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주동력원으로 연료전지를, 보조동력원으로 별도의 축전수단을 사용하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에 관한 것이다.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.

이러한 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량에서는 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다. 또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료전지 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하된다(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 연료전지에 무리가 감). 이와 더불어 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.

상기의 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량뿐만 아니라 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 보조동력원으로 축전수단, 예컨대 충/방전이 가능한 고전압 배터리 또는 수퍼캐패시터(수퍼캡)를 탑재한 시스템이다.

첨부한 도 1은 종래기술에 따른 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도로서, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성은, 주동력원으로 사용되는 연료전지(스택)(2), 보조동력원으로 사용되는 수퍼캡(10), 연료전지(2)의 출력 측인 메인버스단(3)과 수퍼캡(10) 사이에 개재되는 수퍼캡 초기충전 유닛(Supercap Precharge Unit)(9), 구동모터(8)를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지(2)와 수퍼캡(10)의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3 상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함)(7)를 포함한다. 수퍼캡 초기충전 유닛(9)은 초기 시동시에만 방전된 수퍼캡 전압을 충전시키는 용도로 사용된다.

이러한 구성에서 주동력원인 연료전지(2)는 수소탱크(1)로부터 수소를 공급받고 공기블로워(도시하지 않음)에 의해 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 구동모터(8) 및 MCU(7)는 연료전지(2)에 메인버스단(3)을 통해 직접 연결되어 있으며, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 수퍼캡(10)이 초기충전 유닛(9)을 통해 연결되어 있다.

또한 메인버스단(3)에는 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 LDC(Low Voltage DCDC Converter, LV DCDC)(11)와 보기류 부품 구동을 위한 저전압 배터리(12V 보조배터리)(12)가 연결되고, 메인버스단(3)을 통해 직접 고전압 전력을 공급받아 작동되는 에어컨(13) 및 히터(냉난방용)(14) 등의 부하가 연결되어 있다.

연료전지(2)를 구동하기 위한 보기류 부품(Fuel Cell BOP, 공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프 등)(16)은 메인버스단(3)에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인버스단(3)에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(4,5)와, 연료전지(2)로 역전류가 흐르지 않도록 하는 블로킹 다이오드(6)가 설치된다. 미설명부호 15는 연료전지 보기류(16)의 드라이버(Driver)를 나타내며, 17은 연료전지(2)의 냉시동을 용이하게 하기 위해 열을 공급해주는 히터를, 18은 연료전지의 전류를 소모하는 부하장치를 나타낸다.

DC/DC 컨버터, DC/DC 초퍼 등과 같은 전력변환장치를 사용하지 않는 종래의 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템은 전력변환장치가 없는 직결 구조의 특성상 수퍼캡에 의한 자동 파워 어시스트 및 회생제동에 의한 수퍼캡 충전이 자동으로 구현(자동 회생제동 기능)되어 제어 신뢰성이 높은 장점이 있고, 연료전지 내구 증대, 연비 우수(회생제동 大, 수퍼캡 자체 효율 高) 등의 장점을 가진다. 특히, 연료전지에서 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 수퍼캡을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 수퍼캡이 보충 출력(출력 보조/파워 어시스트)하는 운전 모드가 적용되고 있다.

그러나, 종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템은 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어, 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점이 있다.

연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템에 관한 선행기술로서, 등록특허 제862467호는 멀티기능 저항장치 및 그 제어방법에 관한 것이며, 저항과 초퍼(chopper)를 이용하여 수퍼캡 초기 충전 제어, 수퍼캡 상한 전압 도달시 회생제동 제어, 시동 및 셧다운시 연료전지 전압 상승 및 하강 제어, 수퍼캡 유지보수시 수퍼캡 방전 제어, 냉시동시 연료전지 시스템의 프리히팅, 실내 히팅 등의 멀티기능을 수행하는 방식이 개시되어 있다.

연료전지-수퍼캡 직결형 구조와는 다르게 전력변환장치를 사용하는 연료전지 하이브리드 시스템의 선행기술의 예를 살펴보면, 미국특허 6484075는 연료전지 하이브리드 시스템(배터리 또는 수퍼캡 사용)의 아이들 스탑 제어에 관한 특허로서, 연료전지 출력단에 전력변환장치(단방향 DC/DC 초퍼)를 장착하였으며, 이 장치를 통해 연료전지의 전력 차단 및 전원 공급 재개 제어를 수행한다. 바퀴 회전수, 브레이크 작동 유무, 배터리 SOC(state of charge), 전기부하 등을 통해 아이들(idle) 상태를 결정한 뒤, 연료전지의 반응가스 차단으로 전원 공급을 차단하고, 설정된 SOC 값 이하로 떨어지는 경우 연료전지에 의한 전원 공급을 재개하는 등 아이들 구간에서의 연료전지 발전 정지 제어를 위해 전력변환장치가 장착되어 있다.

미국특허 US6920948은 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 동력 분배 제어(연료전지 출력과 배터리 출력 비율)관한 특허로서, 배터리 출력단에 양방향 DC/DC 컨버터를 장착하여 배터리의 충방전 제어 또는 연료전지의 파워 제어를 수행하도록 한다. 이 하이브리드 시스템에서는 연료전지와 배터리가 직결되는 운전 모드가 없으며, 배터리의 모든 출력이 DC/DC를 거치는 방식이다.

하지만, 상기의 특허 역시 수퍼캡 에너지를 이용하여 파워 어시스트를 수행함에 있어서 발진 또는 추월 가속시 파워 어시스트량 증대를 위한 방법 및 시동, 주행, 셧다운시 최적의 제어 방법에 대해서 제시하고 있지 못하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 문제점을 해결하고, 수퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시킴은 물론 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 주행 중에 수퍼캡 전압을 연료전지 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전 및 출력 보조가 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 전환하는 단계;를 포함하고, 차량 주행 중 상기 수퍼캡 방전모드에서는 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법을 제공한다.

여기서, 상기 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정된다.

또한 본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 시동을 진행하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 시동 중 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 한다.

또한 본 발명은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 셧다운시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와; 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 셧다운을 진행하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 셧다운 중 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 한다.

이때, 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정된다.

이에 따라, 상기한 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법에서는, 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수 퍼캡의 파워 어시스트량을 증대시킬 수 있고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 주동력원인 연료전지(연료전지 스택)(100)와 함께 보조동력원으로 사용되는 축전수단인 수퍼캡(200)이 병렬로 접속되며, 여기서 수퍼캡(200)은 양방향 DC/DC 컨버터(210)를 매개로 하여 연료전지(100)의 출력 측인 메인버스단(main bus)(101)에 연결된다. 이로써 상기 두 동력원, 즉 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 메인버스단(101)을 통해 시스템 내 각 부하에 대해서 병렬로 접속되는 구조가 된다.

또한 구동모터(302)를 회전시키기 위한 인버터(301)가 메인버스단(101)을 통해 연료전지(100) 및 수퍼캡(200)의 출력 측에 연결되어, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 따라 연료전지(100) 또는 수퍼캡(200)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(302)를 구동시킨다.

상기 DC/DC 컨버터(210)는 수퍼캡(200) 출력단에 위치되어 연료전지(100)에 서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 수퍼캡(200)에 충전되도록 공급하거나, 수퍼캡(200)에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 구동모터(302) 및 연료전지 보기류 등 시스템 내 각 부하에 공급한다. 또한 제동 제어시에는 구동모터(302)에서 발생하는 회생에너지를 DC/DC 컨버팅하여 수퍼캡(200)에 충전되도록 공급한다.

시스템 부하로서 연료전지 구동을 위해 필요한 보기류(Balance Of Plant, BOP), 에어컨, 히터(냉난방용) 등 고전압 전력을 공급받아 작동되는 고전압 구동 부품(220)이 연료전지(100) 또는 수퍼캡(200), 저전압 배터리(400)의 출력에 의해 구동되도록 메인버스단(101)에 연결되어 있다. 연료전지 보기류는 수소공급장치의 수소 재순환 블로워, 공기공급장치의 공기블로워, 냉각수 순환을 위한 물 펌프 등을 포함한다.

그리고, 메인버스단(101)에 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LV DC/DC)(410)가 연결되고, 또한 이를 매개로 저전압 배터리(보조배터리)(400)가 연결되며, 저전압 배터리(400)에는 저전압 구동 부품(420)이 연결된다.

아울러, 연료전지(100)의 출력 측에 서지 전압이 연료전지(100)로 공급되는 것을 차단하기 위한 역전압 방지 다이오드(102)가 설치되고, 상기 역전압 방지 다이오드(102)의 후단에는 부하장치(110)가 설치된다. 상기 부하장치(110)는 연료전지(100)의 출력 측에 설치되는 스택 전류 소모용 부하로서, 연료전지 셧다운시에는 스택의 캐소드 산소 소진 및 전압 제거를 위해 사용되고, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 스위칭되는 릴레이(111)의 동작에 따라 선택적으로 연료전지(100)의 전류를 공급받아 동작된다.

또한 본 발명의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템은, 수퍼캡 충전모드 및 방전모드와 구분되는 연료전지-수퍼캡 직결모드 운전을 위하여, 연료전지(100)와 수퍼캡(200) 사이에 설치되어 연료전지(100)와 수퍼캡(200) 간을 선택적으로 직결/차단하는 직결 릴레이(201)를 포함하며, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 의해 직결 릴레이(201)가 온/오프 구동 제어되면서 연료전지-수퍼캡 직결모드와 다른 운전 모드(수퍼캡 충전모드 및 방전모드) 사이의 전환이 이루어지게 된다.

제어기(500)(연료전지 시스템 제어기, 컨버터 제어기, 전력분배 제어기 등을 포함)는 연료전지 시스템 제어, 양방향 DC/DC 컨버터(210)의 구동 및 출력 제어, 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 제어, 동력 분배 제어 등 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 구동에 따른 제반적인 동작을 제어한다.

본 발명에서 제어기(500)는 기본적으로 시동, 주행, 제동, 셧다운(시동 오프) 전 과정에서 시스템 내 각 구성요소의 구동을 제어하되, 키 신호(시동 및 셧다운 판단), 외기온센서의 신호(빙점 이하의 온도에서 냉시동 및 콜드 셧다운 과정 진행), 브레이크 작동 유무를 알려주는 브레이크 신호(온/오프 신호), 가속페달 신호(가속 판단), 그리고 시스템 내 전압검출신호, 즉 연료전지(100)의 전압(스택 전압)을 검출하기 위한 전압검출기(501), 메인버스단(101)의 전압을 검출하기 위한 전압검출기(502), 및 수퍼캡(200)의 전압을 검출하기 위한 전압검출기(503)의 신호를 기초로 하여 시스템 구동을 제어하게 된다.

한편, 상기와 같이 이루어진 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템이 탑재된 차량에서 본 발명에 따른 운전 제어 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

종래의 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량에서 수퍼캡 사용 구간이 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치에 한정되어 수퍼캡의 에너지를 충분히 활용하지 못하는 단점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡(200) 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터(210)를 이용해 수퍼캡 에너지(전압)를 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 확장하여 사용하도록 함으로써, 수퍼캡(200)의 파워 어시스트량을 증대시키고(저/중출력의 파워 어시스트 시간 증대), 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시키는 점에 주된 특징이 있다.

이러한 본 발명에서, 차량의 시동(냉시동 포함) 및 주행, 제동, 셧다운(콜드 셧다운 포함) 전 과정 동안, 제어기(500)가 직결 스위치(201) 및 양방향 DC-DC 컨버터(210)의 구동을 제어하여, 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결 릴레이(201)에 의해 직결되는 연료전지-수퍼캡 직결모드(직결 릴레이 온), 수퍼캡 충전모드(직결 릴레이 오프), 수퍼캡 방전모드(직결 릴레이 오프)의 3가지 운전 모드로 제어가 수행되며, 이 3가지 운전 모드를 활용한 발진/추월, 회생제동, 일반 시동/일반 셧다운, 냉시동/콜드 셧다운시의 모드 천이 및 수퍼캡 제어가 수행된다.

상기의 운전 모드 중 연료전지-수퍼캡 직결모드는 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결된 모드(직결 릴레이 온)로서, 일반 주행시 실행되고, 연료전지(100)와 직결된 상태에서 수퍼캡(200)의 충방전이 자동으로 수행된다.

수퍼캡 충전모드는 수퍼캡 초기 충전 및 수퍼캡 방전 후 소진된 수퍼캡을 충전할 때 실행되며(저/중출력의 수퍼캡 충전), 수퍼캡 방전모드는 시동/셧다운(냉시 동/콜드 셧다운 포함) 및 발진/추월 가속시 파워 어시스트 증대를 위해 실행된다.

첨부한 도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 각 운전 모드에서 파워 흐름을 나타낸 상태도로서, 도 3a는 연료전지-수퍼캡 직결모드를, 도 3b는 수퍼캡 충전모드를, 도 3c는 수퍼캡 방전모드를 나타낸 것이다. 또한 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 각 운전 모드의 특징을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 연료전지-수퍼캡 직결모드에서는 일반 주행시 연료전지(100), 수퍼캡(200), 메인버스단(101)의 전압상태에 따라 수퍼캡의 충방전이 자동으로 수행되며, 직결 릴레이(201)를 통해 연료전지(100) 및 메인버스단(101)과 수퍼캡(200)이 직결된 상태에서, 충전시 연료전지(100) 또는 구동모터(302)(회생제동시)로부터 메인버스단(101)을 경유하는 수퍼캡(200)으로의 파워 흐름과, 방전시 수퍼캡(200)으로부터 메인버스단(101)을 경유하는 파워 흐름을 보이게 된다.

수퍼캡 충전모드에서는(직결 릴레이 오프) 시동시의 수퍼캡 초기 충전, 그리고 수퍼캡 방전모드 후 소진된 수퍼캡의 충전을 위해 연료전지(100)로부터 메인버스단(101), DC/DC 컨버터(210)를 경유하는 수퍼캡(200)으로의 파워 흐름을 보이게 된다.

수퍼캡 방전모드에서는 파워 어시스트 증대를 위해 수퍼캡(200)으로부터 DC/DC 컨버터(210)를 경유하는 메인버스단(101)으로의 파워 흐름을 보이게 된다.

첨부한 도 5는 발진/추월 가속시 수퍼캡의 파워 어시스트 증대가 이루어지는 운전 모드 제어 상태를 종래와 비교하여 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이, 연료전지-수퍼캡 직결모드에서 연료전지 출력을 수퍼캡 출력이 보조하여 차량 주행이 이루지다가, 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치에 도달하면, 종래에는 수퍼캡 파워 어시스트가 중단되지만, 본 발명에서는 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이내(하한치 초과)인 조건에서 DC/DC 컨버터를 통해 수퍼캡 출력이 이루어지면서 연료전지 출력을 보조하는 수퍼캡 방전모드가 실행된다. 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정되며, 이에 따라 수퍼캡 에너지의 사용 구간이 확장될 수 있게 된다. 이와 같이 종래에는 수퍼캡 에너지(전압)를 연료전지 전압 하한치까지만 사용할 수 있는 것에 비해 본 발명에서는 수퍼캡 에너지를 양방향 DC/DC의 방전모드를 이용하여 수퍼캡 방전모드의 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 사용 가능하며, 이에 따라 수퍼캡의 파워 어시스트량이 증대되어 차량의 발진 및 추월 성능이 향상될 수 있다.

첨부한 도 6은 본 발명에서 냉시동시 수퍼캡의 에너지 보조 증대를 설명하기 위한 운전 모드 제어 상태의 예시도로서, 종래에는 냉시동시(일반 시동도 마찬가지임) 수퍼캡 에너지(전압)를 메인버스단 전압 하한치까지만 사용할 수 있는데 비해, 본 발명에서는 수퍼캡 방전모드의 설정된 수퍼캡 전압 하한치까지 사용 가능하도록 한다. 이때, 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정되고, 이에 따라 수퍼캡 에너지의 사용 구간이 확장되면서 수퍼캡의 에너지 보조가 증대되어, 12V 보조배터리의 사용을 최소화하면서 냉시동 가능 횟수를 증대시킬 수 있다. 또한 수퍼캡 방전모드로 냉시동을 완료한 후에는 수퍼캡 충전모드로 전환되어 수퍼캡 충전을 실시함으로써, 이후 연료전지-수퍼캡 직결모드로 전환되어 차량 주행이 이루어질 수 있게 한다.

수퍼캡 충전을 통해 연료전지 자체 발열 과정을 위한 히트싱크(heat sink) 기능을 수행할 수 있으므로, 기존 히트싱크의 용량을 최소화할 수 있다. 연료전지 자체 발열은 냉시동 완료 후 연료전지 파워링을 통해 스택 내부의 온도를 상승시키기 위한 필수적인 프로세스로서, 도 6에서 A>B인 경우 별도의 히트싱크(A-B 차이 소진을 위한 부하, 예, 저항)가 필요하다. 본 발명에서 수퍼캡 충전모드를 통해 소진된 수퍼캡 에너지를 충전하고, 이러한 수퍼캡 충전은 연료전지 자체 발열을 위한 히트싱크의 작용을 수행하게 된다.

첨부한 도 7과 도 8은 본 발명에 따른 모드 전환이 이루어지는 예를 나타낸 순서도로서, 도 7은 시동 및 주행이 이루어지는 동안 모드 전환의 예를 나타낸 것이고, 도 8은 섯다운시 모드 전환의 예를 나타낸 것이다.

우선, 도 7에서, 제어기(500)가 키 신호로부터 시동 온(Key On)을 검출하면, 전압검출기(503)의 검출신호를 토대로 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압을 초과하는지를 판정하고(S11), 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압을 초과하면, 제어기(500)로부터 인가되는 제어신호에 의해 직결 스위치(201)가 온(On) 되면서 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)로 제어된다(S12).

이때, 수퍼캡(200)의 출력 에너지를 이용하여 공기블로워, 수소 재순환 블로워 등 연료전지 보기류를 포함하여 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜(시동을 위한 보기류에 파워 공급) 연료전지 시동을 완료한다(S13,S14).

반면, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이내에서 수퍼캡(200)의 출력 에너지를 이용하는 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 시동을 완료한다(S15~S18). 즉, 수퍼캡 전압 하한치 이내인(하한치를 초과하는) 조건에서 DC/DC 컨버터(210)의 출력 제어를 통해 수퍼캡(200)에서 출력되는 에너지를 이용하여 연료전지 보기류를 포함한 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜(시동을 위한 보기류에 파워 공급) 시동을 진행하는 것이다.

만약, 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하인 상태라면, 수퍼캡 방전모드를 중지하고(S19) 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 부스트 제어를 통해 저전압 배터리(400)의 전압을 부스팅하여 연료전지 시동(냉시동 포함)에 필요한 시스템 내 각 부하를 구동시켜 시동을 완료한다(S20,S21).

시동이 완료되고 나면, 수퍼캡 충전모드(M2 모드)로 전환하여 수퍼캡 초기 충전이 실시되도록 한 뒤(S22), 수퍼캡 전압이 상승하여 연료전지 전압 대비 일정 수준에 도달했는지를 판정하고(S23), 수퍼캡 전압이 목표치까지 상승하게 되면 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)로 전환하여(직결 스위치 온)(S24) 연료전지(100)와 수퍼캡(200)이 직결된 상태에서 수퍼캡 자동 충방전이 이루어지면서(S25) 차량 주행이 이루어지게 된다.

이러한 수퍼캡 자동 충방전이 이루어지는 동안 수퍼캡 방전시에는 기본적으로 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하여 차량 주행이 이루어지고, 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)에서 수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하가 되면, 직결 릴레이(201)를 오프시킨 뒤 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로의 전환이 이루어진 다(S27).

수퍼캡 방전모드에서는 방전으로 인해 수퍼캡 전압이 낮아져 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지는 DC/DC 컨버터(210)를 통해 수퍼캡 출력이 이루어지도록 하고, 이로써 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하는 차량 주행이 이루어지게 된다(S28).

또한 제어기(500)가 차량 주행 중 브레이크 신호 등을 참조하여 회생제동 조건을 검출하거나, 수퍼캡 전압이 수퍼캡 방전모드의 수퍼캡 전압 하한치 이하임을 판정하게 되면, 수퍼캡 충전모드(M2 모드)로 전환하여(S29~S31) 연료전지(100)에서 생성된 에너지 또는 구동모터(302)에서 생성된 회생에너지로 수퍼캡(200)을 충전하게 된다(S32).

다음으로, 도 8을 참조하여 연료전지 셧다운시(콜드 셧다운 포함) 운전 모드 제어를 설명하면, 제어기(500)가 키 신호 입력으로 시동 오프(Key Off)를 검출하면, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치를 초과하는지를 판정하고(S41), 메인버스단 전압 하한치를 초과하면, 연료전지-수퍼캡 직결모드(직결 릴레이 온)(M1 모드)에서 수퍼캡 에너지를 이용하여 통상의 셧다운을 수행한다(S42~S44).

예컨대, 공기 공급은 중단하되, 수소 공급은 유지하고, 이와 함께 릴레이(111)를 온(On) 하여 연료전지(100)에서 출력되는 전류가 부하장치(110)에서 소모되도록 함으로써, 스택 내부의 산소 소진 및 전압을 제거하게 된다. 이때, 수소 재순환 블로워 등 셧다운 과정에서 필요한 전기에너지는 수퍼캡 에너지를 이용한다.

반면, 시동 오프 검출 후, 수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 직결 릴레이(201)를 오프하여 수퍼캡 방전모드(M3 모드)에서 수퍼캡 에너지를 이용해 통상의 셧다운 과정을 진행한다(S45~S48). 이때, DC/DC 컨버터(200)를 통해 수퍼캡 출력 제어가 이루어지며, 수퍼캡 방전모드에 의한 셧다운은 수퍼캡 전압이 수퍼캡 방전모드의 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 진행된다.

만약, 수퍼캡 전압이 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전모드(M3 모드)는 중지되고(S49), 저전압 DC/DC 컨버터(410)의 부스트 제어를 통해 저전압 배터리(400)의 전압을 부스팅하여 저전압 배터리의 에너지를 셧다운 과정에서 필요한 전기에너지로 사용한다(S50,S51).

이와 같이 본 발명에서는 시동시나 셧다운시 연료전지 전압 하한치 또는 메인버스단 전압 하한치가 아닌 수퍼캡 전압 하한치 이내에서 수퍼캡 에너지를 이용하여 시동 또는 셧다운 과정을 진행하게 됨으로써 12V 저전압 배터리의 사용 횟수를 줄일 수 있다.

특히, 차량 시동 후 발진 및 추월 가속시에 수퍼캡 사용 구간을 수퍼캡 전압 하한치로 확대 적용함으로써 수퍼캡 파워 어시스트량을 증대시킬 수 있고, 차량의 발진 및 추월 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

첨부한 도 9는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 전반적인 운전 모드 전환 상태를 예시한 도면으로서, 시동 후 초기 충전시 수퍼캡 충전모드(M2 모드), 이후 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드), 수퍼캡 전압이 설정된 수퍼캡 전압 하한치에 도달하기 전까지 수퍼캡이 파워 어시스트를 수행하는 수퍼캡 방전모드(M3 모드), 회생제동시의 수퍼캡 충전모드, 회생제동 오프 후 연료전지-수퍼캡 직결모드가 순차적으로 전환되는 예를 보여주고 있다.

또한 연료전지-수퍼캡 직렬모드(M1 모드)에서 셧다운 후 냉시동 과정시 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 전환하여 냉시동을 완료하고, 이후 수퍼캡 충전모드(M2 모드)에서 수퍼캡을 초기 충전(연료전지 자체 발열을 위한 히트싱크 기능 동시 수행)한 뒤, 연료전지-수퍼캡 직결모드(M1 모드)에서 차량 주행이 이루어지다가, 빙점 이하의 온도에서 진행되는 셧다운(콜드 셧다운) 과정시 수퍼캡 방전모드(M3 모드)로 전환되는 예를 보여주고 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.

도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 운전 모드에서 파워 흐름을 나타낸 상태도로서, 도 3a는 연료전지-수퍼캡 직결모드를, 도 3b는 수퍼캡 충전모드를, 도 3c는 수퍼캡 방전모드를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 각 운전 모드의 특징을 나타낸 도면이다.

도 5는 발진/추월 가속시 수퍼캡의 파워 어시스트 증대가 이루어지는 본 발명의 운전 모드 제어 상태를 종래와 비교하여 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에서 냉시동시 수퍼캡의 에너지 보조 증대를 설명하기 위한 운전 모드 제어 상태의 예시도이다.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 모드 전환이 이루어지는 예를 나타낸 순서도로서, 도 7은 시동 및 주행이 이루어지는 동안 모드 전환의 예를 나타낸 것이고, 도 8은 섯다운시 모드 전환의 예를 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 전반적인 운전 모드 전환 상태를 예시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 연료전지 200 : 수퍼캡

210 : 양방향 DC/DC 컨버터 220 : 고전압 구동 부품

301 : 인버터 302 : 구동모터

400 : 저전압 배터리 410 : 저전압 DC/DC 컨버터

Claims

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 주행 중에 수퍼캡 전압을 연료전지 전압 하한치와 비교하는 단계와;

수퍼캡 전압이 연료전지 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 수퍼캡 출력단의 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전 및 출력 보조가 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 전환하는 단계;

를 포함하고,

차량 주행 중 상기 수퍼캡 방전모드에서는 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 출력이 연료전지 출력을 보조하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하가 되거나 회생제동 조건이 검출되면, 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 충전이 이루어지는 수퍼캡 충전모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 수퍼캡 전압 하한치는 연료전지 전압 하한치보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 시동시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와;

수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 시동을 진행하는 단계;

를 더 포함하고,

연료전지 시동 중 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전을 중지하고 저전압 DC/DC 컨버터를 부스트 제어하여 저전압 배터리의 에너지를 이용해 연료전지 시동이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 셧다운시 수퍼캡 전압을 메인버스단 전압 하한치와 비교하는 단계와;

수퍼캡 전압이 메인버스단 전압 하한치 이하이면, 연료전지와 수퍼캡 간의 직결이 해제된 상태에서 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 통한 수퍼캡 방전이 이루어지는 수퍼캡 방전모드로 연료전지 셧다운을 진행하는 단계;

를 더 포함하고,

연료전지 셧다운 중 상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 미리 설정된 수퍼캡 전압 하한치를 초과하는 범위 내에서 수퍼캡 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 수퍼캡 방전모드에서 수퍼캡 전압이 상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치 이하이면, 수퍼캡 방전을 중지하고 저전압 DC/DC 컨버터를 부스트 제어하여 저전압 배터리의 에너지를 이용해 연료전지 셧다운이 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.
청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 설정된 수퍼캡 전압 하한치는 메인버스단 전압 하한치보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 제어 방법.