KR20150005868A - 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
연료전지스택과 모터 사이에 마련된 수퍼커패시터; 수퍼커패시터에 병렬 연결되며, 컨버터와 브레이킹 레지스터로 구성된 초퍼; 회생제동전류량을 측정하는 제1센서; 브레이킹 레지스터의 전류량을 측정하는 제2센서; 및 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법이 소개된다.
Description
회생제동시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우, 초퍼 내 컨버터를 설치하여 전류 제어를 통해 브레이킹 레지스터에 주입되는 전류를 발생하는 회생제동전류만큼 흐르도록 제어하여 회생제동 에너지만을 소모함으로써 연료전지의 연비를 극대화하기 위한 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지차량의 경우 연료전지스택과 모터 사이에 수퍼커패시터를 두어 회생제동시 수퍼커패시터로 충전을 수행하도록 한다. 그리고 수퍼커패시터 및 연료전지의 회로 보호를 위해 일정한 전압 900V를 상한치로 설정하고, 수퍼커패시터의 전압이 이를 넘을 경우 그 사이에 마련된 초퍼를 연결하여 저항체로 회생 전류를 소모하도록 한다.
한편, 종래 기술은 회생 제동 시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우에 모터로부터 생성된 회생 에너지를 초퍼를 온(On) 시켜 초퍼에 연결된 부하로 소모시킴으로써 수퍼커패시터의 과충전을 제어하였다.
이때 모터에서 회생되는 전류와 부하에서 소모되는 전류의 불일치가 발생한다. 왜냐하면 브레이킹 레지스터의 경우 고정된 값이기 때문에 연결시 고정된 전류가 흐를 수밖에 없고, 이에 따라 가변되는 회생제동 전류와는 순간적으로 불일치되는 경우가 발생하는 것이다. 이에 따라 브레이킹 레지스터에는 순간적으로 과도한 전류가 흐르게 되며, 이는 근본적으로 연료전지의 출력에서 나올 수밖에 없는바, 불일치되는 전류량 만큼 연료전지에서 출력하고 있는 전류의 일부가 부하에서 소모됨을 의미하며, 의도되지 않은 에너지의 소모이므로 차량의 연비 저하의 원인이 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 연료전지차량의 회생제동시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우, 초퍼 내 컨버터를 설치하여 전류 제어를 통해 브레이킹 레지스터에 주입되는 전류를 발생하는 회생제동전류만큼 흐르도록 제어하여 회생제동 에너지만을 소모함으로써 연료전지의 연비를 극대화하기 위한 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템은, 연료전지스택과 모터 사이에 마련된 수퍼커패시터; 수퍼커패시터에 병렬 연결되며, 컨버터와 브레이킹 레지스터로 구성된 초퍼; 회생제동전류량을 측정하는 제1센서; 브레이킹 레지스터의 전류량을 측정하는 제2센서; 및 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어기;를 포함한다.
제어기는 평상시 컨버터의 스위치를 오프하고, 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우 컨버터 스위치의 PWM 제어를 통해 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 할 수 있다.
컨버터는 트랜지스터, 다이오드, LC필터로 구성된 BUCK 컨버터일 수 있다.
모터에는 전류를 제어하는 인버터가 마련되고, 제1센서는 인버터에 직렬연결될 수 있다.
제2센서는 브레이킹 레지스터에 직렬연결될 수 있다.
상기 연료전지차량의 회생제동시스템을 제어하는 방법은, 수퍼커패시터의 전압값을 측정하는 준비단계; 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우, 컨버터의 스위치를 온하고, 제1센서와 제2센서의 전류값을 측정하는 측정단계; 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어단계; 및 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘지 않는 경우 컨버터의 스위치를 오프하는 종료단계;를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지차량의 회생제동시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우, 초퍼 내 컨버터를 설치하여 전류 제어를 통해 브레이킹 레지스터에 주입되는 전류를 발생하는 회생제동전류만큼 흐르도록 제어하여 회생제동 에너지만을 소모함으로써 연료전지의 연비를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템 제어방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템 제어방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템은, 연료전지스택(100)과 모터(200) 사이에 마련된 수퍼커패시터(300); 수퍼커패시터(300)에 병렬 연결되며, 컨버터(410)와 브레이킹 레지스터(440)로 구성된 초퍼(400); 회생제동전류량을 측정하는 제1센서(222); 브레이킹 레지스터(440)의 전류량을 측정하는 제2센서(442); 및 제2센서(442)의 전류값이 제1센서(222)의 전류값을 추종하도록 컨버터(410)를 제어하는 제어기(500);를 포함한다.
즉, 연료전지스택(100)과 모터(200)의 메인 버스단 사이에는 수퍼커패시터(300)가 마련되며 수퍼커패시터(300)는 회생제동시 모터(200)로부터 전류가 충전될 수 있도록 한다.
한편, 이러한 수퍼커패시터(300)의 연결회로 사이에는 초퍼(CHOPPER)가 마련된다. 초퍼(400)는 수퍼커패시터(300)의 충전한계를 넘어설 경우 즉, 수퍼커패시터(300) 양단의 전압이 미리 마련된 상한값(예를들어, 900V)을 넘는 경우 스위칭되어 브레이킹 레지스터(440)로 전류를 흘러보냄으로써 수퍼커패시터(300)를 보호하도록 한다. 그리고 수퍼커패시터(300)가 다시 900V 이하로 떨어질 경우 초퍼(400)가 오프되어 정상적인 충전을 수행하도록 하는 것이다.
하지만, 이 경우 브레이킹 레지스터(440)는 일정한 저항을 구비하고 있기 때문에 걸리는 전압에 따라 일정한 전류가 흐를 수밖에 없고, 반면 회생제동의 경우 인버터(220)의 제어에 따라 요구되는 회생토크로 인해 회생 전류값이 결정되는바, 인버터(220)는 그에 따라 제어되는 것이다. 따라서, 모터(200)에서 발전되는 전류값과 브레이킹 레지스터(440)에 흐르는 전류값이 순간적으로 불일치하는 경우가 발생될 수 있으며, 더욱이 브레이킹 레지스터(440)에 흐르는 전류값이 더 높은 경우에는 연료전지스택(100)단으로부터 전류를 끌어오는 상황이라고 볼 수 있어 불필요한 연비저하 현상이 발생되는 것이다.
본 발명의 경우 이를 근본적으로 개선하기 위한 것으로서, 초퍼(400)는 수퍼커패시터(300)에 병렬 연결되며 컨버터(410)와 브레이킹 레지스터(440)로 구성되도록 한다. 그리고 그 컨버터(410)를 제어기(500)로 제어함으로써 결론적으로 브레이킹 레지스터(440)에 흐르는 전류를 회생전류로 맞추어 연료전지의 불필요한 전류소모를 방지하는 것이다.
이를 위해, 회생제동전류량을 측정하는 제1센서(222)와 브레이킹 레지스터(440)의 전류량을 측정하는 제2센서(442)를 마련하고, 제어기(500)는 제2센서(442)의 전류값이 제1센서(222)의 전류값을 추종하도록 컨버터(410)를 제어하도록 하는 것이다.
한편, 제어기는 평상시에는 컨버터(410)의 스위치(420)를 오프하도록 하고, 회생제동 중 수퍼커패시터(300)의 전압값이 미리 마련된 상한값 900V을 넘는 경우, 컨버터(410) 스위치(420)의 PWM 제어를 통해 제2센서(442)의 전류값이 제1센서(222)의 전류값을 추종하도록 할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이 컨버터(410)는 트랜지스터, 다이오드, LC필터로 구성된 BUCK 컨버터일 수 있다. 즉, BUCK 컨버터에 의해 PWM의 듀티비 제어시 브레이킹 레지스터(440)에 흐르는 전류값을 제어할 수 있고, 이를 통해 브레이킹 레지스터(440)의 전류가 회생제동 전류를 추종하도록 할 경우 연료전지단의 전류가 브레이킹 레지스터(440)에 흐르는 현상을 방지할 수 있는 것이다.
또한, 모터(200)에는 전류를 제어하는 인버터(220)가 마련되고, 제1센서(222)는 인버터(220)에 직렬연결될 수 있다. 그리고 제2센서(442)는 브레이킹 레지스터(440)에 직렬연결될 수 있다. 이에 따라 제1센서(222)는 회생제동전류량을 직접 측정하고, 제2센서(442)는 브레이킹 레지스터(440)의 전류량을 직접 측정하는 것이다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동시스템 제어방법의 순서도로서, 연료전지차량의 회생제동시스템을 제어하는 방법은, 수퍼커패시터의 전압값을 측정하는 준비단계(S100); 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우, 컨버터의 스위치를 온하고, 제1센서와 제2센서의 전류값을 측정하는 측정단계(S200); 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어단계(S300,S400); 및 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘지 않는 경우 컨버터의 스위치를 오프하는 종료단계;를 포함한다.
즉, 수퍼커패시터의 전압값을 측정하여, 이 값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우, 컨버터의 스위치를 온하여 초퍼를 가동하고 수퍼커패시터를 보호하도록 한다.
도한, 동시에 제1센서와 제2센서의 전류값을 측정하고, 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 PWM 제어한다. 그리고, 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값보다 낮은 수준으로 떨어진 경우 다시 컨버터의 스위치를 오프하여 정상적인 회생제동에 의한 충전이 될 수 있도록 하는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 회생제동시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지차량의 회생제동시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우, 초퍼 내 컨버터를 설치하여 전류 제어를 통해 브레이킹 레지스터에 주입되는 전류를 발생하는 회생제동전류만큼 흐르도록 제어하여 회생제동 에너지만을 소모함으로써 연료전지의 연비를 극대화할 수 있다.
종래 기술은 회생 제동 시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우에 모터로부터 생성된 회생 에너지를 초퍼를 온(On) 시켜 초퍼에 연결된 브레이킹 레지스터로 소모시킴으로써 수퍼커패시터의 과충전을 제어하였다.
이때 브레이킹 레지스터의 저항값은 고정된 값이므로 회생 시 메인 버스단의 전압에 따라 부하에서 소모되는 전류는 고정된 값으로 일정하게 흐르게 된다. 모터에서 회생되는 전류는 차량의 상위 제어기에서 모터 제어기에 보내는 회생 토크 지령에 따라 정해지게 되고 이는 모터에서 회생되는 전류와 부하에서 소모되는 전류의 불일치가 발생하게 됨을 의미한다.
*따라서, 불일치되는 전류량 만큼은 연료전지에서 출력하고 있는 전류의 일부가 부하에서 소모됨을 의미하며 이는 의도되지 않은 에너지의 소모이므로 차량의 연비 저하의 원인이 된다. 이에, 연료전지버스 회생 제동시 수퍼커패시터에 저장할 수 있는 충전 전압 제한치를 초과할 경우 초퍼 내 컨버터를 설치하여 전류 제어를 통해 브레이킹 레지스터에 주입되는 전류를 발생하는 회생 제동 전류만큼 흐르도록 제어하여 회생 제동 에너지만을 소모함으로써 연료전지의 연비를 극대화할 수 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 연료전지스택 200 : 모터
300 : 수퍼커패시터 400 : 초퍼
410 : 컨버터 440 : 브레이킹 레지스터
500 : 제어기
300 : 수퍼커패시터 400 : 초퍼
410 : 컨버터 440 : 브레이킹 레지스터
500 : 제어기
Claims (6)
- 연료전지스택과 모터 사이에 마련된 수퍼커패시터;
수퍼커패시터에 병렬 연결되며, 컨버터와 브레이킹 레지스터로 구성된 초퍼;
회생제동전류량을 측정하는 제1센서;
브레이킹 레지스터의 전류량을 측정하는 제2센서; 및
제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지차량의 회생제동시스템. - 청구항 1에 있어서,
제어기는 평상시 컨버터의 스위치를 오프하고, 수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우 컨버터 스위치의 PWM 제어를 통해 제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동시스템. - 청구항 1에 있어서,
컨버터는 트랜지스터, 다이오드, LC필터로 구성된 BUCK 컨버터인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동시스템. - 청구항 1에 있어서,
모터에는 전류를 제어하는 인버터가 마련되고, 제1센서는 인버터에 직렬연결된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동시스템. - 청구항 1에 있어서,
제2센서는 브레이킹 레지스터에 직렬연결된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동시스템. - 청구항 1의 연료전지차량의 회생제동시스템을 제어하는 방법으로서,
수퍼커패시터의 전압값을 측정하는 준비단계;
수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘는 경우, 컨버터의 스위치를 온하고, 제1센서와 제2센서의 전류값을 측정하는 측정단계;
제2센서의 전류값이 제1센서의 전류값을 추종하도록 컨버터를 제어하는 제어단계; 및
수퍼커패시터의 전압값이 미리 마련된 상한값을 넘지 않는 경우 컨버터의 스위치를 오프하는 종료단계;를 포함하는 연료전지차량의 회생제동시스템 제어방법.
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