KR20150116661A - 연료 전지 하이브리드 시스템 - Google Patents

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KR20150116661A
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박정건
최종록
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Abstract

본 발명은 연료 전지 하이브리드 시스템에 관한 기술이다. 본 발명은 차량의 모터에 직류 전력을 공급하는 연료 전지 팩 및 모터 및 연료 전지 팩에 배터리 전압을 공급하는 하이브리드 배터리 팩을 포함하고, 하이브리드 배터리 팩의 내부 온도에 따라 저온 충전 모드로 진입하여 양방향 컨버터를 통해 고전압 및 저전압 배터리 중 어느 하나로부터 다른 하나를 충전시킨다.

Description

연료 전지 하이브리드 시스템{FUEL CELL HYBRID SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 하이브리드 시스템에 관한 기술이다.
연료 전지 스택은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지 스택은 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성되는 단위 셀들이 연속적으로 배치되어 구성된다.
연료 전지 스택의 애노드 전극에 수소를 공급하고, 캐소드 전극에 산소를 공급함으로써 이온화된 물질의 화학적 반응을 통해 전기를 생성한다. 이러한 연료 전지 스택은 화석 연료의 연소 반응을 거치지 않으므로 유해 물질을 배출시키지 않고, 발전 효율이 높아 차량의 동력원으로 적용되고 있다.
한편, 연료전지 시스템은 충분한 연료와 공기를 이용하여 거의 일정한 출력의 전기 에너지를 발생시키므로 부하의 변화에 따라 갑자기 출력을 증가시키기 어렵다. 따라서, 부하에서 순간 고전력이 요구될 때 연료전지 시스템에서는 출력 전력을 증가시키기 어렵기 때문에 신속하게 부하 변동에 대응할 수 없다. 이를 위해, 연료 전지 스택에 배터리가 결합된 연료전지 하이브리드 시스템을 이용하여 부하의 순간 고전력 요구시 배터리의 출력을 부하에 공급하는 방식을 적용하고 있다.
본 발명의 실시 예는 하이브리드 배터리 팩의 내부 온도가 저온일 때 고전압 배터리와 저전압 배터리 간의 충방전에 의해 발생하는 열을 이용하여 하이브리드 배터리팩의 내부 온도를 상승시킬 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템은 차량의 모터에 직류 전력을 공급하는 연료 전지 팩 및 상기 모터 및 상기 연료 전지 팩에 배터리 전압을 공급하는 하이브리드 배터리 팩을 포함하고, 상기 하이브리드 배터리 팩은 고전압 배터리 저전압 배터리 상기 고전압 배터리 및 저전압 배터리 사이에 배치되고, 상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리 간의 전력 변환을 수행하는 양방향 컨버터 및 상기 하이브리드 배터리 팩의 내부 온도에 따라 저온 충전 모드로 진입하고, 상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 배터리 및 저전압 배터리 각각의 SOC 값에 따라 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 어느 하나로부터 다른 하나를 충전시키는 배터리 관리부를 포함한다.
여기서, 상기 배터리 관리부는 상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 높은 SOC 값을 갖는 배터리로 낮은 SOC 값을 갖는 배터리를 충전시킨다. 그리고, 상기 배터리 관리부는 상기 차량의 시동 오프 시 상기 내부 온도가 미리 설정된 기준 내부 온도보다 낮은 경우 상기 저온 충전 모드로 진입하고, 상기 차량의 시동 온 시 상기 저온 충전 모드를 해제한다.
그리고, 상기 기준 내부 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만이다. 또한, 상기 배터리 관리부는 상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 어느 하나가 충전될 때마다 상기 내부 온도와 직전의 내부 온도를 비교하여 충전량을 제어한다. 여기서, 상기 배터리 관리부는 상기 내부 온도가 상기 직전의 내부 온도보다 상승하지 않은 경우 상기 충전량을 증가시킨다.
또한, 상기 배터리 관리부는 상기 내부 온도가 상기 직전의 내부 온도보다 상승한 경우 상기 내부 온도와 미리 설정된 목표 온도를 비교하여 충전 사이클을 제어한다. 여기서, 상기 배터리 관리부는 상기 내부 온도가 상기 목표 온도보다 낮은 경우 상기 충전 사이클을 증가시킨다. 그리고, 상기 목표 온도는 10℃ 이상부터 30℃ 미만이다.
또한, 상기 연료 전지 팩은 상기 차량의 시동 오프 시 상기 차량 외부의 환경 온도가 미리 설정된 기준 환경 온도보다 낮은 경우 저온 환경 모드로 진입하여 상기 고전압 배터리에 상기 직류 전력을 공급한다. 여기서, 상기 기준 환경 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만이다.
그리고, 상기 연료 전지 팩은 상기 저온 환경 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 각각의 상기 SOC 값이 미리 설정된 목표 SOC 값이 될 때까지 상기 직류 전력을 출력한다. 여기서, 상기 목표 SOC 값은 만충전 대비 80% 이상으로 설정된다. 그리고, 상기 배터리 관리부는 상기 저온 환경 모드 시 상기 고전압 배터리로부터 상기 저전압 배터리를 충전시킨다.
그리고, 상기 하이브리드 배터리 팩은 상기 고전압 배터리 및 상기 저전압 배터리를 수납하고, 적어도 하나의 오픈 영역을 포함하는 외부 케이스 및 상기 오픈 영역을 물리적으로 개폐하는 열 방출 수단을 더 포함한다. 그리고, 상기 배터리 관리부는 상기 내부 온도가 상기 차량 외부의 환경 온도보다 낮은 경우 상기 열 방출 수단을 통해 상기 오픈 영역을 닫는 단열 모드로 진입하고, 상기 내부 온도가 상기 환경 온도보다 높은 경우 상기 열 방출 수단을 통해 상기 오픈 영역을 여는 방열 모드로 진입한다.
본 발명의 실시 예는 하이브리드 배터리 팩의 내부 온도가 저온일 때 고전압 배터리와 저전압 배터리 간의 충방전에 의해 발생하는 열을 이용하여 하이브리드 배터리팩의 온도를 상승시킴으로써 전기 히터나 온수 등의 별도의 장치 없이도 배터리의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 배터리 팩(70)의 구조를 간략하게 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템의 구동 방법을 도시한 순서도.
도 4는 온도에 따른 배터리의 용량을 나타낸 그래프.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 배터리 팩(70)의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템(1)은 온도 감지부(10), 차량 상태 감지부(20), 연료 전지 팩(30), DC/DC 컨버터(40), 인버터(50), 모터(60) 및 하이브리드 배터리 팩(70)을 포함한다.
온도 감지부(10)는 차량 외부의 환경 온도 및 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 온도를 감지한다. 온도 감지부(10)는 차량의 외부에 배치되거나, 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부에 배치된 복수의 온도 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 차량 상태 감지부(20)는 차량의 이그니션 키의 조작에 따라 시동의 온/오프 상태를 감지하여 시동 온/오프 정보를 생성한다.
연료 전지 팩(30)은 연료 저장부(미도시) 및 산화제 공급부(미도시)로부터 연료 및 산화제를 공급 받아 직류 전력을 생산한다. 연료 전지팩(30)은모터(60)의 평균 출력에 대응하는 크기의 직류 전력을 생산한다.
여기서, 연료는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 포함할 수 있다. 그리고, 산화제는 산소 가스나 공기를 포함할 수 있다.
연료 전지팩(30)은 다양한 방식에 따라 직류 전력을 생산할 수 있다. 예컨대, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식 또는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식이 채용될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지 방식은 연료를 개질(reforming)하여 수소를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 직류 전력을 생성하는 방식이다. 직접 산화형 연료전지 방식은 단위 셀에서 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 직류 전력을 생성하는 방식이다.
또한, 연료 전지 팩(30)은 차량의 시동 오프 시 환경 온도에 따라 저온 환경모드로 진입하여 DC/DC 컨버터(40)를 통해 하이브리드 배터리 팩(70)에 일정 크기의 직류 전력을 공급한다.
구체적으로, 연료 전지 팩(30)은 차량의 시동 오프 시 환경 온도가 미리 설정된 기준 환경 온도보다 낮은 경우 저온 환경 모드로 진입하고, 저온 환경 모드 시 하이브리드 배터리 팩(70)으로부터 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC(State Of Charge) 값에 대한 정보를 전달받는다. 여기서, 미리 설정된 기준 환경 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만이다.
그리고, 연료 전지 팩(30)은 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값이 목표 SOC 값이 될 때까지 구동되어 직류 전력을 계속 생산한다. 여기서, 목표 SOC 값은 만충전 대비 80% 이상으로 설정될 수 있다.
DC/DC 컨버터(40)는 연료 전지 팩(30)의 직류 전력을 일정 레벨로 변환하여 인버터(50) 및 하이브리드 배터리 팩(70) 중 어느 하나에 전달한다.DC/DC 컨버터(40)는 차량의 주행 모드 시 연료 전지 팩(30)의 직류 전력을 모터(60)의 구동에 필요한 레벨로 변환하여 인버터(50)에 전달하고, 저온 환경 모드 시 연료 전지 팩(30)의 직류 전력을 고전압 배터리(72)의 충전에 필요한 레벨로 변환하여 하이브리드 배터리 팩(70)에 전달한다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 DC/DC 컨버터(40)는 저온 환경 모드 시 연료 전지 팩(30)의 직류 전력을 하이브리드 배터리 팩(70)의 고전압 배터리(72)에 전달하는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않는다.
인버터(50)는 연료 전지 팩(30)으로부터 출력된 직류 전력 및 하이브리드 배터리팩(70)으로부터 출력된 직류 전력 각각을 교류 전력으로 변환하여 모터(60)에 공급한다. 모터(60)는 차량의 동력원으로 이용되며, 인버터(50)를 통해 전달된 교류 전력에 따라 회전한다.
하이브리드 배터리 팩(70)은 연료 전지 팩(30) 및 모터(60)의 구동에 필요한 전원을 공급한다. 하이브리드 배터리 팩(70)은 모터(60)의 고출력 모드 시 일정 크기의 직류 전력을 인버터(50)를 통해 모터(60)에 공급한다. 여기서, 모터(60)의 고출력 모드는 차량이 언덕을 올라가는 등과 같이 모터(60)가 상대적으로 큰 전류를 필요로 할 때 진입하는 모드이다.
본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 배터리 팩(70)은 차량의 시동 오프 시 내부 온도가 미리 설정된 기준 내부 온도보다 낮아지는 경우 저온 충전 모드로 진입하고, 저온 충전 모드 시 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 간의 충방전에 의해 발생하는 열을 이용하여 내부 온도를 미리 설정된 목표 온도만큼 상승시킨다. 여기서, 기준 내부 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만이고, 목표 온도는 상온, 예컨대 10℃ 이상부터 30℃ 미만으로 설정될 수 있다.
즉, 하이브리드 배터리 팩(70)은 저온 충전 모드 시 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 간의 충방전에 따라 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 양극 및 음극 간에 발생하는 화학적 반응열 및 양방향 컨버터(74)의 내부 저항 및 스위칭 손실 등에 의해 발생하는 열을 이용하여 내부 온도를 상승시킨다.
이를 위해, 하이브리드 배터리 팩(70)은 고전압 배터리(72), 양방향 컨버터(74), 저전압 배터리(76) 및 배터리 관리부(78)를 포함한다. 여기서, 고전압 배터리(72)는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하며, 충전하여 사용할 수 있는 이차 배터리이다.
고전압 배터리(72)는 저전압 배터리(76)에 비해 상대적으로 높은 전류 출력 값을 가지는 고출력 배터리이고, 저전압 배터리(76)에 비해 상대적으로 낮은 전기 에너지를 저장한다. 특히, 고전압 배터리(72)는 저온의 환경 하에서 저전압 배터리(36)에 비해 높은 출력 특성을 갖는다. 고전압 배터리(72)는 팩 형태로 형성될 수 있고, 모터(60)의 고출력 모드 시 연료 전지 팩(30)과 함께 모터(60)에 일정 크기의 직류 전압을 공급한다.
양방향 컨버터(74)는 고전압 배터리(72)와 저전압 배터리(76) 사이에 배치되고, 배터리 관리부(78)에 의해 제어되어 고전압 배터리(72)와 저전압 배터리(76) 간의 전력 변환을 수행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 양방향 컨버터(74)는 배터리 관리부(78)에 의해 전력 변환 효율 및 전력 변환 방향이 제어되나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않고, 연료 전지 하이브리드 시스템(1)의 상위 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
저전압 배터리(76)는 양극, 음극 및 세퍼레이터를 포함하는 복수의 단위 셀을 포함하고, 충전하여 사용할 수 있는 이차 배터리이다. 예컨대, 저전압 배터리(76)는 리튬-이온 배터리를 포함할 수 있다. 저전압 배터리(76)는 고전압 배터리(72)에 비해 상대적으로 높은 전기 에너지를 저장하는 고용량 배터리이다.
저전압 배터리(76)는 팩 형태로 형성될 수 있고, 연료 전지 팩(30) 및 모터(60)를 제어하는 제어기(미도시)에 전원을 공급하거나, 전동식 조향 기기(MDPS: Motor Driven Power Steering), 라디에이터 팬, 헤드라이트 등 차량의 구동에 필요한 전장 부하에 전원을 공급할 수 있다.
배터리 관리부(78)는 하이브리드 배터리 팩(70) 전체의 동작을 제어하며, 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 충전 및 방전을 위한 제어를 수행한다. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리부(78)는 차량의 시동 오프 시 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 온도에 따라 저온 충전 모드로 진입하고, 차량의 시동 온 시 저온 충전 모드를 해제한다.
배터리 관리부(78)는 저온 충전 모드 시 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값을 측정하고, 측정된 SOC 값에 따라 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 간의 충전 및 방전을 수행한다.
구체적으로, 배터리 관리부(78)는 저온 충전 모드 시 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 중 SOC 값이 높은 배터리로 SOC 값이 낮은 배터리를 충전한다. 예컨대, 고전압 배터리(72)의 SOC 값이 저전압 배터리(76)에 비해 높은 경우 배터리 관리부(78)는 고전압 배터리(72)에서 저전압 배터리(76)의 방향으로 양방향 컨버터(74)를 제어하여 저전압 배터리(76)를 충전한다.
이와 반대로, 저전압 배터리(76)의 SOC 값이 고전압 배터리(72)에 비해 높은 경우 배터리 관리부(78)는 저전압 배터리(76)에서 고전압 배터리(72)의 방향으로 양방향 컨버터(74)를 제어하여 고전압 배터리(72)를 충전한다.
여기서, 배터리 관리부(78)는 일정 크기의 충전 량만큼 고전압 배터리(72) 또는 저전압 배터리(76)를 충전하고, 고전압 배터리(72) 또는 저전압 배터리(76)가 충전될 때마다 내부 온도를 직전의 내부 온도 및 목표 온도와 비교하여 충전 량 및 충전 사이클을 제어한다.
배터리 관리부(78)는 내부 온도가 직전의 내부 온도보다 상승하지 않은 경우 충전 량을 증가시킬 수 있다. 또한, 배터리 관리부(78)는 내부 온도가 직전의 내부 온도보다 상승하였으나 목표 온도까지 상승하지 않은 경우 충전 사이클을 증가시킬 수 있다. 여기서, 배터리 관리부(78)는 고전압 배터리(72) 또는 저전압 배터리(76)가 충전될 때마다 측정된 내부 온도를 저장하는 메모리(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 관리부(78)는 환경 온도가 기준 환경 온도보다 낮은 경우 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값을 측정하고, 측정된 SOC 값에 대한 정보를 연료 전지 팩(30)에 전달한다. 배터리 관리부(78)는 저온 환경 모드 시 양방향 컨버터(74)를 제어하여 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값이 목표 SOC 값이 될 때까지 연료 전지 팩(30)의 직류 전력으로 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각을 충전한다.
한편, 배터리 관리부(78)는 환경 온도 및 내부 온도에 따라 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 열을 외부로 방출하는 방열 모드 및 내부 열의 외부 방출을 차단하는 단열 모드 중 어느 하나로 진입한다. 배터리 관리부(78)는 내부 온도가 환경 온도보다 높은 경우 방열 모드로 진입하고, 내부 온도가 환경 온도보다 낮은 경우 단열 모드로 진입한다.
이를 위해, 하이브리드 배터리 팩(70)은 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 케이스(701)의 일부 영역에 적어도 하나의 오픈 영역(703)을 포함하고, 복수의 오픈 영역(703)을 물리적으로 개폐하는 열 방출 수단(705)을 포함할 수 있다. 배터리 관리부(78)는 방열 모드 시 열 방출 수단(705)을 상부 방향으로 조작하여 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 열을 외부로 방출시키고, 단열 모드 시 열 방출 수단(705)을 하부 방향으로 조작하여 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 열이 외부로 방출되는 것을 차단시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 하이브리드 시스템의 구동 방법을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 차량이 주행 상태에서 시동 오프 상태로 전환된다(단계 S1). 그러면, 차량 상태 감지부(20)는 차량의 시동 오프 정보를 연료 전지 팩(30)에 전달한다.
그 다음, 연료 전지 팩(30)은 온도 감지부(10)를 통해 감지된 환경 온도에 따라 저온 환경 모드의 진입 여부를 판단한다(단계 S2). 판단 결과, 환경 온도가 기준 환경 온도보다 높은 경우 연료 전지 팩(30)은 구동을 중지한다(단계 S3).
반면, 환경 온도가 기준 환경 온도보다 낮은 경우 연료 전지 팩(30)은 배터리 관리부(78)로부터 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값에 대한 정보를 전달받는다. 이때, 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값이 목표 SOC 값보다 낮은 경우 연료 전지 팩(30)은 저온 환경 모드로 진입하여 구동을 계속한다.
그러면, 연료 전지 팩(30)의 직류 전력은 DC/DC 컨버터(40)를 통해 고전압 배터리(72)에 전달된다. 배터리 관리부(72)는 양방향 컨버터(74)를 통해 고전압 배터리(72)로부터 저전압 배터리(76)를 충전하고, 저전압 배터리(76)의 SOC 값이 목표 SOC 값만큼 상승하면 양방향 컨버터(74)의 동작을 중지시킨다.
이때, 고전압 배터리(72)는 연료 전지 팩(30)으로부터 계속 직류 전력을 공급받고, 고전압 배터리(72)의 SOC 값이 목표 SOC 값만큼 상승하면 연료 전지 팩(30)은 구동을 중지한다. 이에 따라, 하이브리드 배터리 팩(70)이 목표 SOC 값만큼 충전된다(단계 S4).
이 상태에서 배터리 관리부(78)는 온도 감지부(10)를 통해 감지된 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 온도에 따라 저온 충전 모드의 진입 여부를 판단한다(단계 S5).
배터리 관리부(78)는 내부 온도가 기준 내부 온도보다 낮은 경우 저온 충전 모드로 진입하고, 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 각각의 SOC 값(SOC_H, SOC_L)을 측정한다(단계 S6).
그 다음, 배터리 관리부(78)는 고전압 배터리(72)의 SOC 값(SOC_H)이 저전압 배터리(76)의 SOC 값(SOC_L)보다 높은지 여부를 판단한다(단계 S7).
판단 결과, 고전압 배터리(72)의 SOC 값(SOC_H)이 저전압 배터리(76)의 SOC 값(SOC_L)보다 높은 경우 배터리 관리부(78)는 양방향 컨버터(74)를 제어하여 고전압 배터리(72)로부터 저전압 배터리(76)를 충전한다(단계 S8).
반면, 고전압 배터리(72)의 SOC 값(SOC_H)이 저전압 배터리(76)의 SOC 값(SOC_L)보다 낮은 경우 배터리 관리부(78)는 양방향 컨버터(74)를 제어하여 저전압 배터리(76)로부터 고전압 배터리(72)를 충전한다(단계 S9).
이때, 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 간의 충방전에 의해 내부에 열이 발생한다. 그러면, 배터리 관리부(78)는 현재 내부 온도가 직전의 내부 온도보다 상승했는지 여부를 판단한다(단계 S10). 판단 결과, 현재 내부 온도가 직전의 내부 온도보다 상승한 경우 배터리 관리부(78)는 현재 내부 온도가 목표 온도까지 상승했는지 여부를 판단한다(단계 S11).
판단 결과, 현재 내부 온도가 목표 온도까지 상승한 경우 배터리 관리부(78)는 고전압 배터리(72) 및 저전압 배터리(76) 간의 충방전을 종료한다. 반면, 현재 내부 온도가 목표 온도까지 상승하지 않은 경우 배터리 관리부(78)는 단계 S6부터 다시 진행하여 현재 내부 온도가 목표 온도까지 상승할 때까지 충전 사이클을 증가시킨다.
한편, 단계 S10에서 현재 내부 온도가 직전의 내부 온도보다 상승하지 않은 경우 배터리 관리부(78)는 충전 량을 증가시켜 고전압 배터리(72) 또는 저전압 배터리(76)를 충전한다(단계 S12).
그 다음, 배터리 관리부(78)는 차량이 시동 온 상태인지 여부를 판단한다(단계 S13). 판단 결과, 차량이 시동 온 상태로 전환되면, 배터리 관리부(78)는 저온 충전 모드를 해제한다. 반면, 차량이 시동 온 상태로 전환되지 않으면 배터리 관리부(78)는 단계 S6부터 다시 진행한다.
도 4는 온도에 따른 배터리의 용량을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 일반적으로 배터리는 내부 온도가 -10℃ 이하일 때부터 용량이 급격히저하되고, 특히 -20℃ 이하의 극저온일 때 정상 출력 대비 10% 이하의 값을 나타내는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 내부 온도가 -20℃ 이하로 낮아지더라도 하이브리드배터리 팩(70)의 내부 발열을 이용하여 10℃ 이상의 상온으로 유지시키므로, 80% 이상의 용량 특성을 확보할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 배터리 팩(70)은 차량의 시동이 오프되고, 내부 온도가 기준 내부 온도보다 낮아지면 고전압 배터리(72)와 저전압 배터리(76) 간의 충방전에 의해 발생하는 열로 내부 온도를 상온으로 유지시킨다. 따라서, 차량의 시동이 온 상태로 전환될 때 하이브리드 배터리 팩(70)이 정상적으로 구동될 수 있다.
또한, 전기 히터나 온수 등을 이용할 필요 없이 하이브리드 배터리 팩(70)의 내부 온도를 상온으로 유지시키므로 하이브리드 배터리 팩(70)의 단가, 부피 및 무게가 상승하지 않는다.
또한, 방열 및 단열 모드를 이용하여 내부 온도를 유지시키고, 고전압 배터리(72)와 저전압 배터리(76) 간의 충방전량으로 내부 발열량을 조절함으로써 내부 온도가 과열되어 폭발하는 위험을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 온도 감지부
20: 차량 상태 감지부
30: 연료 전지 팩
40: DC/DC 컨버터
50: 인버터
60: 모터
70: 하이브리드 배터리 팩

Claims (16)

  1. 차량의 모터에 직류 전력을 공급하는 연료 전지 팩 및
    상기 모터 및 상기 연료 전지 팩에 배터리 전압을 공급하는 하이브리드 배터리 팩을 포함하고,
    상기 하이브리드 배터리 팩은
    고전압 배터리
    저전압 배터리
    상기 고전압 배터리 및 저전압 배터리 사이에 배치되고, 상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리 간의 전력 변환을 수행하는 양방향 컨버터 및
    상기 하이브리드 배터리 팩의 내부 온도에 따라 저온 충전 모드로 진입하고, 상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 배터리 및 저전압 배터리 각각의 SOC 값에 따라 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 어느 하나로부터 다른 하나를 충전시키는 배터리 관리부
    를 포함하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 높은 SOC 값을 갖는 배터리로 낮은 SOC 값을 갖는 배터리를 충전시키는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 차량의 시동 오프 시 상기 내부 온도가 미리 설정된 기준 내부 온도보다 낮은 경우 상기 저온 충전 모드로 진입하고, 상기 차량의 시동 온 시 상기 저온 충전 모드를 해제하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 기준 내부 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만인 연료 전지 하이브리드 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 저온 충전 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 중 어느 하나가 충전될 때마다 상기 내부 온도와 직전의 내부 온도를 비교하여 충전량을 제어하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 내부 온도가 상기 직전의 내부 온도보다 상승하지 않은 경우 상기 충전량을 증가시키는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 내부 온도가 상기 직전의 내부 온도보다 상승한 경우 상기 내부 온도와 미리 설정된 목표 온도를 비교하여 충전 사이클을 제어하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 내부 온도가 상기 목표 온도보다 낮은 경우 상기 충전 사이클을 증가시키는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 목표 온도는 10℃ 이상부터 30℃ 미만인 연료 전지 하이브리드 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 팩은
    상기 차량의 시동 오프 시 상기 차량 외부의 환경 온도가 미리 설정된 기준 환경 온도보다 낮은 경우 저온 환경 모드로 진입하여 상기 고전압 배터리에 상기 직류 전력을 공급하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 기준 환경 온도는 -10℃ 이상부터 10℃ 미만인 연료 전지 하이브리드 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 연료 전지 팩은
    상기 저온 환경 모드 시 상기 고전압 및 저전압 배터리 각각의 상기 SOC 값이 미리 설정된 목표 SOC 값이 될 때까지 상기 직류 전력을 출력하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 목표 SOC 값은 만충전 대비 80% 이상으로 설정된 연료 전지 하이브리드 시스템.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 저온 환경 모드 시 상기 고전압 배터리로부터 상기 저전압 배터리를 충전시키는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 배터리 팩은
    상기 고전압 배터리 및 상기 저전압 배터리를 수납하고, 적어도 하나의 오픈 영역을 포함하는 외부 케이스 및
    상기 오픈 영역을 물리적으로 개폐하는 열 방출 수단
    을 더 포함하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는
    상기 내부 온도가 상기 차량 외부의 환경 온도보다 낮은 경우 상기 열 방출 수단을 통해 상기 오픈 영역을 닫는 단열 모드로 진입하고, 상기 내부 온도가 상기 환경 온도보다 높은 경우 상기 열 방출 수단을 통해 상기 오픈 영역을 여는 방열 모드로 진입하는 연료 전지 하이브리드 시스템.
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