KR20110058459A - 연료전지차량의 전원관리장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지차량의 시동 오프에 따라 연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 연료전지차량에 구성되는 다양한 부하장치에 안정적인 전원을 공급하고, 보조 전원장치의 충전전류를 안정되게 관리하는 것이다.
본 발명은 연료전지 시스템의 구동이 정지되고, 스택 전압이 보조전원수단의 전압 미만으로 방전되면 보조전원수단이 전장부하에 전원을 공급하는 과정, 보조전원수단의 방전으로 제1기준전압 미만으로 검출되면 블로워를 작동시켜 연료전지 시스템을 재구동시키는 과정, 스택 전압이 제2기준전압 이상으로 생성되면 스택과 보조전원수단의 직접 연결을 차단하는 과정, 프리차징 동작을 실행시켜 기준전류 이하의 저전류로 보조전원수단을 충전시키는 과정, 보조전원수단의 전압과 스택 전압의 차이가 기준값 미만으로 충전이 실행되면 프리차징 동작을 오프하고, 스택과 보조전원수단을 직접 연결시켜 정상 전류로 충전을 실행하는 과정, 보조전원수단의 만충전이 검출되면 블로워를 오프시켜 연료전지 시스템의 구동을 정지시키는 과정을 포함한다.
연료전지 시스템, 수퍼 커패시터, 스택, 구동정지, 프리차징, 재구동
Description
본 발명은 연료전지차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지차량의 시동 오프에 따라 연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 연료전지차량에 구성되는 다양한 부하장치에 안정적인 전원을 공급하고, 보조 전원장치의 충전전류를 안정되게 관리하는 연료전지차량의 전원관리장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로, 환경 문제의 심각성에 따라 최근들어 차량의 동력원으로 적용되고 있다.
연료전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 스택, 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급장치, 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 산소인 공기를 공급하는 공기공급장치, 스택의 반응열을 시스템 외부로 방출시켜 스택의 온도를 최적으로 제어하는 물 공급장치로 구성된다.
연료전지 시스템은 차량이 시동 온을 유지하는 상태에서 연료공급장치에서 애노우드측에 공급되는 수소와 공기공급장치에서 캐소우드에 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전압 및 전류를 생성시켜 전원으로 공급하고, 차량의 시동이 오프되는 경우 전압 및 전류의 생성이 중지된다.
따라서, 연료전지차량에는 차량의 시동이 오프된 상태에서 연료전지 시스템의 발전 동작이 중지되므로, 차량에는 구성되는 다양한 부하요소에 전원을 공급하기 위한 보조 전원공급수단이 적용되고 있다.
상기의 보조 전원공급수단은 크기나 용량이 한정되어 전원공급이 제한적이므로, 연료전지 시스템의 빈번한 재구동을 실행시키게 되는 문제점이 있다.
연료전지 시스템의 재구동이 실행되면 재구동 직후에 스택에서 높은 전류를 생성하므로 빈번한 재구동 동작으로 인하여 스택의 내구성을 저하시키는 문제점이 있다.
그리고, 연료전지 시스템의 재구동 직후 높은 전류가 생성됨에 따라 블로워의 고속 동작을 유발시켜 소음을 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료전지차량의 시동 오프에 따라 연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 수퍼 커패시터에 충전된 전압으로 다양한 부하장치에 안정적인 전원을 공급하고, 연료전지 시스템의 정지시간을 보다 길게 유지시켜 구동 정지에 의한 효과를 극대화시키도록 하는 것이다.
또한, 수퍼 커패시터의 과방전으로 연료전지 시스템의 재구동이 실행되는 경 우 수퍼 커패시터의 충전 관리를 통해 스택에서 생성되는 전류를 낮게 유지시켜 스택의 내구성을 향상시키고, 블로워의 급격한 구동이 발생되지 않도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 연료전지차량의 관리장치는, 수소와 산소의 전기 화학반응으로 전원을 생성하는 스택; 스택의 캐소우드에 공기를 공급하는 블로워; 연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 스택에 충전된 전압이 방전되면 전장부하에 전원을 공급하는 보조전원수단; 상기 보조전원장치의 충전 및 방전에 따라 스위칭되는 스위치수단; 연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 보조전원수단의 전압이 제1기준전압 미만으로 검출되면 블로워를 작동시켜 연료전지 시스템을 재구동시키고, 연료전지 시스템의 재구동으로 스택의 전압이 제2기준전압 보다 높게 출력되면 상기 스위치수단을 오프시켜 스택 전압이 직접 보조전원수단에 충전 전압으로 공급되는 것을 차단하며, 프리차징 기능으로 보조전원수단의 충전전류를 기준값 이하의 저전류(I1)로 제어하는 제어기를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 연료전지차량의 전원관리방법은, 연료전지 시스템의 구동이 정지되고, 스택 전압이 보조전원수단의 전압 미만으로 방전되면 보조전원수단이 전장부하에 전원을 공급하는 과정; 보조전원수단의 방전으로 제1기준전압 미만으로 검출되면 블로워를 작동시켜 연료전지 시스템을 재구동시키는 과정; 스택 전압이 제2기준전압 이상으로 생성되면 스택과 보조전원수단의 직접 연결을 차단하는 과정; 프리차징 동작을 실행시켜 기준전류 이하의 저전류로 보조전원수단을 충전시키는 과정; 보조전원수단의 전압과 스택 전압의 차이가 기준값 미만으로 충전이 실행되면 프리차징 동작을 오프하고, 스택과 보조전원수단을 직접 연결시켜 정상 전류로 충전을 실행하는 과정; 보조전원수단의 만충전이 검출되면 블로워를 오프시켜 연료전지 시스템의 구동을 정지시키는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 시동 오프에 따른 연료전지 시스템의 구동이 정지 시간을 연장시켜 연비 향상을 제공하고, 재구동시에 낮은 전류의 발생을 유도하여 스택의 내구성을 향상시키며 불로워의 급격한 동작을 배제시켜 안정성이 향상되는 효과가 있다.
아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지차량의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지차량은 스택(10)과 다이오드(D), 릴레이(RLY), 수퍼 커패시터(C), 블로워(20), DC/DC컨버터(30), 배터리(40), 인버터(50),모터(60) 및 충전전류제어기(70)를 포함한다.
스택(10)은 애노우드에 공급되는 수소와 캐소우드에 공급되는 산소를 전기 화학 반응시켜 전원을 생성한다.
다이오드(D)는 스택(10)에 순방향으로 접속되어 스택(10)에 서지 전압이 공급되는 것을 차단시킨다.
블로워(20)는 스택(10)의 캐소우드에 공기를 공급하여 환원제인 산소의 추출을 제공한다.
DC/DC컨버터(30)는 저전압 컨버터(LDC)로 스택(10)에서 공급되는 전압을 저전압 DC/DC 컨버팅하여 배터리(40)에 충전 전압으로 공급한다.
배터리(40)는 차량에 구비되는 전장부하에 전원을 공급한다.
인버터(50)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지며, 도시되지 않은 제어수단에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 실행하여 스택(10)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 모터(60)를 구동시킨다.
수퍼 커패시터(C)는 상기 스택(10)의 출력단에 병렬로 연결되어 스택(10)의 출력 전압에 의해 충전되고, 차량의 시동 오프에 따라 연료전지 시스템의 구동이 정지된 경우 스택(10)의 전압과 비교하여 스택(10) 전압이 수퍼 커패시터(C)의 전압 보다 낮아지면 차량에 구성되는 다양한 전장부하에 전원을 공급한다.
또한, 수퍼 커패시터(C)는 부하에서의 전원 소모량과 시간의 경과에 따라 설정된 기준 전압 이하로 방전되어 연료전지 시스템에 재구동되고, 스택(10)의 전압이 수퍼 커패시터(C)의 전압 보다 높에 출력되는 경우 충전된다.
릴레이(RLY)는 수퍼 커패시터(C)에 직렬로 연결되어 수퍼 커패시터(C)의 충전 및 방전에 따라 스위칭된다.
제어기(70)는 시동 오프에 따라 연료전지 시스템의 동작이 정지된 상태에서 전장부하에 전원을 공급하는 수퍼 커패시커(C)의 전압을 연속적으로 검출하여 설정된 제1기준전압(E1-△E) 보다 낮은 전압으로 방전되면 블로워(20)를 작동시켜 스택(10)의 캐소우드에 공기를 공급하여 연료전지 시스템을 재구동시킨다.
상기 제1기준전압(E1-△E)는 연료전지 시스템의 구동 정지시간을 최대로 확장시키기 위하여 설정되는 기준전압으로 블로워(20)를 작동시킬 수 있는 최소 전압으로 설정된다.
또한, 상기 제어기(70)는 연료전지 시스템의 재구동으로 스택(10)의 출력전압이 설정된 제2기준전압 보다 높게 출력됨이 검출되면 스택(10)에서 출력되는 전압이 차량의 전원으로 공급되도록 하며, 릴레이(RLY)를 오프시켜 스택(10)의 출력 전압이 수퍼 커패시터(C)에 충전 전압으로 직접 공급되는 것을 차단한다.
상기 제2기준전압은 수퍼 커패시터(C)의 만충전 전압보다 일정량(△V) 낮은 값으로 설정된다.
그리고, 프리차징(Precharging) 기능을 작동시켜 충전전류를 설정된 기준값 이하의 저전류(I1)로 제어하며, 상기한 충전 동작에 따라 스택(10)의 전압과 수퍼 커패시터(C)의 전압 차이가 설정된 기준전압(ΔV) 이하로 충전이 이루어지면 프리차징 동작을 중지하고 릴레이(RLY)를 온시켜 정상적인 전류의 공급으로 수퍼 커패시터(C)의 충전을 실행시킨다.
상기와 같이 연료전지 시스템의 제구동에 따라 수퍼 커패시터(C)의 만충전이 이루어지면 연료전지 시스템의 구동을 중지한다.
전술한 바와 같은 기능이 포함되는 연료전지차량의 전원관리절차를 설명하면 다음과 같다.
연료전지차량의 구동제어에 대한 동작은 통상적인 동작과 동일하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 본 발명에 따른 전원관리 동작에 대해서만 구체적으로 설명한다.
연료전지차량의 시동이 오프되면 연료전지 시스템의 구동이 정지되고, 그에 따라 스택(10)의 캐소우드에 산소를 공급하는 블로워(20)의 동작이 정지되어 전원의 생성이 정지된다(S101).
따라서, 스택(10)에 충전된 전압은 부하에서의 소모량과 시간의 경과에 따라 감소되어 수퍼 커패시터(C)에 충전된 전압 보다 낮은 전압으로 방전된다.
스택(10)에 충전된 전압이 수퍼 커페시터(C)에 충전된 전압보다 낮아지는 순간이 검출되면 제어기(70)는 릴레이(RLY)를 온 시켜(S102) 수퍼 커패시터(C)에 충전된 전압이 연료전지차량에 구성되는 다양한 부하요소에 전원을 공급하는 에너지원으로 작동시킨다(S103).
수퍼 커패시터(C)가 에너지원으로 작동되며 제어기(70)는 부하에서의 소모량과 시간의 경과에 따라 점차적으로 방전되는 수퍼 커패시터(C)의 전압을 검출하여(S104), 수퍼 커패시터(C)의 잔여 전압이 설정된 기준전압(E1-△E) 보다 낮은 전압으로 방전되었는지 판단한다(S105).
상기 기준전압(E1-△E)는 연료전지 시스템의 구동 정지시간을 최대로 확장시키기 위하여 설정되는 기준전압으로 블로워(20)를 작동시킬 수 있는 최소 전압으로 설정된다.
상기 S105의 판단에서 수퍼 커패시터(C)의 잔여 전압이 설정된 기준전압(E1-△E)을 초과하는 상태이면 수퍼 커패시터(C)가 부하요소의 전원 공급을 지속적으로 유지한다.
그러나, 수퍼 커패시터(C)의 잔여 전압이 설정된 기준전압(E1-△E) 보다 낮은 전압으로 방전되면 제어기(70)를 블로워(20)를 작동시켜 스택(10)의 캐소우드에 공기를 공급하여 연료전지 시스템을 재구동시킨다(S106).
상기와 같이 연료전지 시스템의 재구동에 따라 제어기(70)는 스택(10)에서 출력되는 전압을 검출하여 스택(10)의 출력전압이 설정된 수퍼 커패시터(C)의 만충전 전압보다 일정량(△V) 낮은 전압으로 설정되는 제2기준전압 보다 높게 출력되는지를 판단한다(S108).
상기 S108에서 스택(10)의 출력전압이 제2기준값 보다 낮게 출력되는 상태이면 상기 S107의 과정으로 리턴하고, 스택(10)의 출력전압이 제2기준값 보다 높게 출력되는 스택(10)에서 출력되는 전압이 차량의 전원으로 공급되도록 하며, 릴레이(RLY)를 오프시켜 스택(10)의 출력 전압이 수퍼 커패시터(C)에 충전 전압으로 직접 공급되는 것을 차단한다(S109).
그리고, 프리차징(Precharging) 기능을 작동시켜 충전전류를 설정된 기준값 이하의 저전류(I1)로 제어하여 수퍼 커패시터(C)의 충전을 실행시킨다(S110).
따라서, 연료전지 시스템의 재구동 직후 릴레이(RLY)의 오프에 의해 수퍼 커패시터(C)의 급속 충전이 회피되어 스택(10)의 출력 전류가 낮게 유도되며, 이에 따라 블로워(20)의 급격한 구동이 발생되지 않아 소음을 발생시키지 않게 된다.
상기 S110의 프리차징의 충전 동작에 따라 스택(10)의 전압과 수퍼 커패시터(C)의 전압 차이가 설정된 제3기준전압(ΔV) 미만으로 충전이 진행되었는지를 판단하며(S111), 전압 차이가 제3기준전압(△V)을 초과하고 있는 상태이면 상기 S110의 과정으로 리턴하고, 전압 차이가 제3기준전압(△V) 미만으로 충전되었으면 프리차징 동작을 중지하고 릴레이(RLY)를 온시켜(S112) 정상적인 스택(10)의 출력 전류로 수퍼 커패시터(C)의 충전을 실행시킨다(S113).
상기와 같이 연료전지 시스템의 제구동에 따라 수퍼 커패시터(C)의 만충전이 이루어지면 연료전지 시스템의 구동을 중지한다(S114)(S115).
따라서, 수퍼 커패시터의 방전 전압을 최소화로 유지시켜 연료전지 시스템의 구동정지 시간을 확장시켜 연비 향상을 제공하고, 스택의 출력 전류를 낮게 제어하여 스택의 내구성을 향상시키고, 블로워 급격한 작동이 방지되어 안정성 및 신뢰성이 제공된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 관리절차를 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 20 : 블로워
30 : DC/DC컨버터 40 : 배터리
50 : 인버터 70 : 제어기
C ; 수퍼 커패시터 D : 다이오드
RLY : 릴레이
Claims (8)
- 수소와 산소의 전기 화학반응으로 전원을 생성하는 스택;스택의 캐소우드에 공기를 공급하는 블로워;연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 스택에 충전된 전압이 방전되면 전장부하에 전원을 공급하는 보조전원수단;상기 보조전원장치의 충전 및 방전에 따라 스위칭되는 스위치수단;연료전지 시스템의 구동이 정지된 상태에서 보조전원수단의 전압이 제1기준전압 미만으로 검출되면 블로워를 작동시켜 연료전지 시스템을 재구동시키고, 연료전지 시스템의 재구동으로 스택의 전압이 제2기준전압 보다 높게 출력되면 상기 스위치수단을 오프시켜 스택 전압이 직접 보조전원수단에 충전 전압으로 공급되는 것을 차단하며, 프리차징 기능으로 보조전원수단의 충전전류를 기준값 이하의 저전류(I1)로 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리장치.
- 제1항에 있어서,상기 보조전원수단은 수퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부에 설정되는 제1기준전압은 블로워를 작동시킬 수 있는 최소 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부에 설정되는 제2기준전압은 보조전원수단의 만충전 전압보다 일정량(△V) 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어기는 충전되는 보조전원수단의 전압과 스택 전압의 차이가 기준전압(ΔV)로 검출되면 프리차징 동작을 중지하고 릴레이를 온 시켜 정상적인 전류의 공급으로 보조전원수단을 충전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리장치.
- 연료전지 시스템의 구동이 정지되고, 스택 전압이 보조전원수단의 전압 미만으로 방전되면 보조전원수단이 전장부하에 전원을 공급하는 과정;보조전원수단의 방전으로 제1기준전압 미만으로 검출되면 블로워를 작동시켜 연료전지 시스템을 재구동시키는 과정;스택 전압이 제2기준전압 이상으로 생성되면 스택과 보조전원수단의 직접 연결을 차단하는 과정;프리차징 동작을 실행시켜 기준전류 이하의 저전류로 보조전원수단을 충전시 키는 과정;보조전원수단의 전압과 스택 전압의 차이가 기준값 미만으로 충전이 실행되면 프리차징 동작을 오프하고, 스택과 보조전원수단을 직접 연결시켜 정상 전류로 충전을 실행하는 과정;보조전원수단의 만충전이 검출되면 블로워를 오프시켜 연료전지 시스템의 구동을 정지시키는 과정;을 포함하는 연료전지차량의 전원관리방법.
- 제5항에 있어서,상기 스택과 보조전원수단의 직접 연결을 차단시켜 연료전지 시스템의 재구동 직후 스택의 출력전류를 정상 출력보다 일정량 낮게 유도하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2기준전압은 보조전원수단의 만충전 전압보다 일정량(△V) 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 전원관리방법.
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