KR20190042204A - 연료전지의 저유량 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계; 저유량 제어 모드에 진입한 경우, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계; 및 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 저유량 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 저유량 제어방법 및 시스템{LOW FLOW CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 저유량 제어방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 전류 요구량이 적은 경우에 연료전지의 발전을 제어하는 방법 및 시스템에 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, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 전력 발전을 통해 전력을 공급하는 연료전지 스택과 연료전지 스택으로부터 생산한 전력을 충전하거나 모터에 전력을 공급하기 위해 방전할 수 있는 고전압 배터리를 포함한다.
도 1은 종래의 정상 상태에 연료전지의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 차량은 일반적으로 액셀레이터(Accelerator) 등의 입력으로부터 운전자가 요구하는 토크를 계산하고(S110), 모터가 요구하는 파워를 산출한다(S120). 연료전지 요구전류량은 모터의 요구전류로부터 고전압 배터리의 보조전류를 뺀 값으로 산출할 수 있다(S130).
모터가 요구하는 파워는 모터의 요구전류에 메인버스단의 전압을 곱한 값이므로, 모터의 요구전류는 모터의 요구파워를 메인버스단의 전압으로 나누면 산출할 수 있다.
이때, 고전압 배터리의 보조전류는 배터리가 방전하면서 모터의 요구파워를 보조하는 상태를 가정한 상태인 것으로, 만약 고전압 배터리의 충전량(SOC)가 부족하여 충전하는 상태에는 배터리 보조전류가 음수가 되어 모터의 요구전류에 배터리의 충전전류를 더한 값으로 연료전지 요구전류량이 산출될 수도 있다.
산출된 연료전지 요구전류량에 따라 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 산출한다(S140). 이는 산출된 공기 유량만큼 연료전지 스택에 공기가 공급될 수 있도록 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전속도를 제어하도록 명령하는 것으로 할 수 있다.
이로 인하여 연료전지 스택에 공급되는 공기 유량에 따라 연료전지 스택에서 가용할 수 있는 파워가 산출되고(S150), 모터에서 가용할 수 있는 파워는 스택의 가용파워와 배터리의 가용 파워의 합으로 산출된다(S160).
다만, 이러한 제어는 연료전지 스택에서 발전하는 연료전지 요구전류량이 일정 수준 이상인 경우에 적절하게 이루어지는 것으로, 연료전지 요구전류량이 일정 수준 미만인 상태에서는 연료전지 스택이 OCV(Open Circuit Voltage)에 가까운 높은 전압에 노출되어 스택의 내구성이 악화될 수 있고, 적은 양의 공기를 공급하기 위하여 공기블로워를 제어함에 있어서 발전전력 대비 소모동력이 커짐으로써 연비를 악화시키는 영향을 준다. 또한, 운전자가 입력하는 만큼의 토크가 제대로 발현되지 않아 운전성이 저하되는 문제가 있다.
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.
KR 10-2012-0014301 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지에 공급하는 공기가 저유량인 상태에 최적의 제어를 통하여 공기 공급 및 전력분배를 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 저유량 제어방법은 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계; 저유량 제어 모드에 진입한 경우, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계; 및 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어하는 단계;를 포함한다.
저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계는 연료전지의 전류 요구량을 산출하는 단계를 포함하고, 산출된 연료전지의 전류 요구량이 기설정된 전류량 미만 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단할 수 있다.
저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계는 고전압 배터리의 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계를 더 포함하고, 모니터링한 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단할 수 있다.
저유량 제어 모드에 진입한 후, 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량 이하가 되어 저유량 제어 모드가 해제된 경우에는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제2 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 모터의 요구파워를 산출하는 단계를 포함하고, 산출된 모터의 요구파워를 기준으로 복수 개의 단계로 구분할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 연료전지 차량의 속도를 모니터링하는 단계를 포함하고, 모니터링한 차량의 속도를 기준으로 복수 개의 단계로 구분할 수 있다.
연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지에 공급하는 공기 공급량을 제어할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 연료전지 차량의 주행 상태를 기준으로 3개의 단계로 구분하고, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제1 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
고전압 보기류의 소비파워가 기설정된 파워 이상인 경우에는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수에 일정한 값을 더한 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제2 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고, 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제3 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 모터의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
모터의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고, 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 기설정된 주기로 기설정된 시간동안 회복 모드로 진입하였다가 다시 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어할 수 있다.
회복 모드는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 고전압 배터리의 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 제어할 수 있다.
연료전지의 발전량을 제어하는 단계 이후에, 고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계에서 고전압 배터리의 충전량에 따라 고전압 배터리의 충방전 전력을 산출하는데 이용하는 게인(Gain) 값을 가변할 수 있다.
연료전지의 발전량을 제어하는 단계에서 모터의 요구파워가 연료전지 발전파워와 고전압 배터리 제한파워의 합보다 큰 경우, 고전압 배터리 제한파워를 기설정된 값만큼 증가시킬 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 저유량 제어시스템은 연료전지; 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워; 및 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하고, 저유량 제어 모드에 진입한 경우 저유량 제어 단계를 구분하며, 구분된 저유량 제어 단계에 따라 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어하는 제어기;를 포함한다.
본 발명의 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 저유량 제어방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 스택이 OCV에 가까운 높은 전압에 노출되는 것을 방지하여 연료전지 스택의 내구성 향상의 효과를 갖는다.
또한, 기존의 제어방법에 대비하여 저유량의 공기를 공급하는 공기블로워가 소모하는 동력을 저감하여 연료전지 차량의 연비를 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지의 저유량 제어시에도 최적의 전력분배제어를 통하여 운전자의 운전성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 정상 상태에 연료전지의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제1 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제2 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제2 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 순서도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제3 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제3 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 순서도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 회복모드에서 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어시스템의 구성도를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어방법은 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계(S240); 저유량 제어 모드에 진입한 경우, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계(S250); 및 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어하는 단계(S250);를 포함한다.
먼저, 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계(S240)는 연료전지의 전류 요구량을 산출하는 단계(S230)를 포함하고, 산출된 연료전지의 전류 요구량이 기설정된 전류량 미만 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단할 수 있다. 구체적으로, 운전자의 요구 토크를 계산하고(S210), 이에 따라 모터가 요구하는 파워를 계산하며(S220), 모터의 요구파워에 따른 모터의 요구전류에 배터리 보조전류를 감산하여 연료전지의 전류 요구량을 산출한다(S230).
또한, 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계(S240)는 고전압 배터리의 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계를 더 포함하고, 모니터링한 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단할 수 있다.
즉, 저유량 제어 모드는 연료전지, 고전압 배터리 및 그 사이에 마련된 BHDC(양방향 고전압 컨버터)가 모두 정상적으로 구동되는 하이브리드 모드에서 연료전지의 전류 요구량이 적고, 고전압 배터리의 충전량(SOC)가 높은 경우에 연료전지 스택의 발전량을 적게 유지할 필요가 있는 경우에 진입하는 것이다.
예를 들어, 저유량 제어 모드에 진입하는 조건으로 하이브리드 모드 상태에서 연료전지의 전류 요구량이 30[A] 미만이고, 고전압 배터리의 충전량이 45[%] 이상인 경우로 정할 수 있다.
또한, 연료전지의 냉시동 상태는 연료전지의 발전량을 적게 유지해야 하는 경우가 아니므로, 연료전지의 냉시동 조건이 아닐 경우에만 저유량 제어 모드에 진입하도록 할 수 있다.
반대로, 고전압 배터리의 충전량이 45[%] 미만이 되거나, FC Only 모드(연료전지의 발전 전력으로만 구동되는 모드) 등 하이브리드 모드에서 벗어난 경우 또는 연료전지의 전류 요구량이 30[A] 이상인 경우에는 저유량 제어 모드가 해제되는 조건으로 할 수 있다.
저유량 제어 모드에 진입한 후, 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량 이하가 되어 저유량 제어 모드가 해제된 경우에는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제2 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입하도록 할 수 있다. 제2 충전량은 제1 충전량보다 크게 설정할 수 있다.
예를 들어, 저유량 제어 모드에 진입한 후에 고전압 배터리의 충전량이 45[%] 미만이 되어 저유량 제어 모드가 해제된 경우에는 고전압 배터리를 충전하기 위하여 연료전지의 발전량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 고전압 배터리의 충전량이 45[%] 이상이 되어 바로 저유량 제어 모드로 진입하게 되면 저유량 제어 모드의 진입과 해제가 계속해서 반복될 것이므로 45[%]보다 높은 55[%]를 저유량 제어 모드의 진입 조건으로 정할 수 있다. 즉, 일종의 히스테리시스 구간을 두는 것이다.
저유량 제어 단계로 진입한 경우, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계(S250)는 모터의 요구파워를 산출하는 단계를 포함하고, 산출된 모터의 요구파워를 기준으로 복수 개의 단계로 구분하거나, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 연료전지 차량의 속도를 모니터링하는 단계를 포함하고, 모니터링한 차량의 속도를 기준으로 복수 개의 단계로 구분할 수 있다.
모터의 요구파워를 기준으로 저유량 제어 단계를 구분할 수 있다. 예를 들면, 모터의 요구파워에 5[kW], 10[kW] 및 15[kW]를 기준으로 두고 모터의 요구파워가 5[kW] 미만인 경우 제1 단계, 5[kW] 이상 5[kW] 미만인 경우 제2 단계, 10[kW] 이상 15[kW] 미만인 경우 제3 단계로 구분할 수 있다. 모터의 요구파워가 15[kW] 이상인 경우에는 저유량 제어 모드를 해제할 수 있다.
제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계와 저유량 제어 모드 해제 조건 사이에도 히스테리시스 구간을 두어 제2 단계에서 제1 단계로 천이하는 경우에는 모터의 요구파워가 3[kW] 미만인 경우를 조건으로 하고, 제3 단계에서 제2 단계로 천이하는 경우에는 모터의 요구파워가 8[kW] 미만인 경우를 조건으로 하며, 저유량 제어 모드 해제 상태에서 저유량 제어 모드로 재진입시에는 모터의 요구파워가 13[kW] 미만인 경우를 조건으로 할 수 있다.
또한, 다른 실시예로써 연료전지 차량의 차속을 기준으로 저유량 제어 단계를 구분할 수 있다. 예를 들면, 차속에 10[kph], 20[kph] 및 30[kph]를 기준으로 두고 차속이 10[kph] 미만인 경우 제1 단계, 10[kph] 이상 20[kph] 미만인 경우 제2 단계, 20[kph] 이상 30[kph] 미만인 경우 제3 단계로 구분할 수 있다. 차속이 30[kph] 이상인 경우에는 저유량 제어 모드를 해제할 수 있다.
마찬가지로, 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계와 저유량 제어 모드 해제 조건 사이에도 히스테리시스 구간을 두어 제2 단계에서 제1 단계로 천이하는 경우에는 차속이 7[kph] 미만인 경우를 조건으로 하고, 제3 단계에서 제2 단계로 천이하는 경우에는 차속이 17[kph] 미만인 경우를 조건으로 하며, 저유량 제어 모드 해제 상태에서 저유량 제어 모드로 재진입시에는 차속이 27[kph] 미만인 경우를 조건으로 할 수 있다.
따라서, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계(S250)에서 구분한 단계에 따라 저유량 제어방법 및 BHDC 전압 제어를 달리하여 각 단계에서 연비를 유지하면서 주행성을 유지할 수 있도록 제어한다. 여기서 저유량 제어 단계는 저유량의 정도에 따라 3단계로 나누고 저유량의 정도가 클수록 제1 단계에 가까워지도록 정하였고, 단계의 개수를 다양하게 설정하거나 단계의 순서를 반대로 정할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
본 발명에서는 제3 단계에서 제1 단계로 갈수록 연료전지 스택으로 더 적은 공기를 공급하는 저유량 상태인 것으로 설정한다.
연료전지의 발전량을 제어하는 단계(S250)는 연료전지에 공급하는 공기 공급량을 제어하는 것일 수 있다(S270). 또한, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계(S250)는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어하는 것일 수 있다(S270). 여기서 공기블로워로 설명하였으나, 연료전지의 스택에 공기를 공급하는 공기압축기 등의 단위 시간당 회전수를 제어하는 것도 동일하게 적용될 수 있다.
저유량 제어 단계로 진입하지 않는 경우에는 정상적인 제어 상태로 종래와 같이 연료전지 요구 전류량에 따라 연료전지의 발전량을 제어한다(S260). 연료전지에 공급하는 공기 공급량을 산출하고, 이에 따라 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어할 수 있다.
제어되는 공기블로워의 단위 시간당 회전수에 따라 연료전지 스택의 가용파워가 결정되고(S280), 모터의 가용파워는 연료전지의 스택파워와 배터리의 가용파워의 합으로 정해진다(S290).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제1 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제1 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
즉, 가장 저유량으로 제어하는 제1 단계의 경우 고전압 배터리의 충전량에 따라 기설정된 맵에 따른 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다. 고전압 배터리의 충전량이 커질수록 연료전지의 발전량은 적어지므로 공기블로워의 단위 시간당 회전수가 적게 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이 고전압 배터리의 충전량이 45[%]미만인 경우 5500[rpm], 45[%]이상 50[%]미만인 경우 4500[rpm], 50[%]이상 55[%]미만인 경우 3500[rpm], 55[%]이상인 경우 2500[rpm] 등으로 정해진 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
여기서, 고전압 보기류의 소비파워가 기설정된 파워 이상인 경우에는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수에 일정한 값을 더한 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다. 구체적으로, 에어컨(Air Conditioner) 또는 PTC의 동작 등에 따른 고전압 보기류의 소비파워가 기설정된 파워(예를 들면, 200W) 이상이 되는 경우에는 기설정된 맵에 따른 단위 시간당 회전수에 일정한 값(예를 들면, 1500[rpm])을 더한 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다. 또한, 이러한 제어는 고전압 배터리의 충전량이 55[%]이상이 될 때까지로 제한할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제2 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제2 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 순서도를 도시한 것이다.
도 4 내지 5를 참조하면, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제2 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다(S340).
여기서 연료전지의 요구전류는 모터의 요구전류에서 배터리의 보조전류를 뺀 값으로 정의될 수 있다(S300).
연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고(저유량제어1(S320) 및 저유량제어2(S330)), 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택된(S310) 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다(S340).
본 발명의 경우에는 연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수가 2개의 맵으로 기설정되고(저유량제어1(S320) 및 저유량제어2(S330)), 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 2개의 맵 중에서 선택(S310)된 맵의 연료전지의 요구전류에 따른 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다(S340).
구체적으로, 설정된 고전압 배터리의 충전량 크기의 기준은 예를 들어 50[%]일 수 있고, 고전압 배터리의 충전량이 50[%] 이상인 경우에는 저유량제어 1의 맵을 선택하여 연료전지의 요구전류에 따른 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있고, 고전압 배터리의 충전량이 50[%] 미만인 경우에는 저유량제어 2의 맵을 선택하여 연료전지의 요구전류에 따른 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다. 여기서도 히스테리시스 구간을 예를 들어 5[%]로 둘 수 있고, 고전압 배터리의 충전량이 50[%] 미만이어서 저유량제어 2의 맵에 따른 제어를 하는 경우에는 고전압 배터리의 충전량이 55[%]보다 크게 되는 경우에 저유량제어 1의 맵에 따라 제어하게 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제3 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이고, 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 제3 단계로 구분된 경우에 공기블로워를 제어하는 순서도를 도시한 것이다.
도 6 내지 7을 참조하면, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제3 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 모터의 요구전류에 따라(S400) 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다(S440).
모터의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고(저유량제어1(S420) 및 저유량제어2(S430)), 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택(S410)된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다(S440).
이는 제2 단계과 거의 유사한 것이나, 제2 단계는 모터의 요구전류에서 배터리의 보조전류를 뺀 값인 연료전지의 요구전류를 기준으로 하는 것이나, 제3 단계는 모터의 요구전류를 그대로 이용한 것이다(S400). 기설정된 맵 또한 제2 단계와 제3 단계에서 동일한 맵으로 이용될 수 있고, x축의 변수만 다르게 이용될 수 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략한다.
제3 단계의 모터의 요구전류는 제2 단계의 연료전지의 요구전류보다 배터리의 보조전류만큼 더 큰 값이기 때문에 동일한 경우라도 단위 시간당 회전수가 더 크게 공기블로워를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어의 회복모드에서 공기블로워를 제어하는 맵을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 기설정된 주기로 기설정된 시간동안 회복 모드로 진입하였다가 다시 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어할 수 있다.
회복 모드는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 고전압 배터리의 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 제어할 수 있다.
즉, 회복 모드는 저유량 제어 모드에 진입한 후 일정한 시간(T1)이 지나면 Refresh를 위해 기설정된 시간(T2)동안 공기블로워를 고정된 단위 시간당 회전수(RPM)으로 제어하고, 다시 구분된 저유량 제어 단계에 따른 연료전지의 발전량 제어로 복귀할 수 있다. 고정된 단위 시간당 회전수(RPM)는 고전압 배터리의 충전량에 따라 다르게 설정될 수 있고, 회복 모드에서는 구분된 저유량 제어 단계에서보다 큰 단위 시간당 회전수를 갖도록 제어될 수 있다.
예를 들면, 도 8과 같이 고전압 배터리의 충전량이 45[%]미만인 경우 11500[rpm], 45[%]이상 50[%]미만인 경우 10500[rpm], 50[%]이상인 경우 9500[rpm] 등으로 정해진 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어할 수 있다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계 이후에, 고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계;를 더 포함하고, 고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계에서 고전압 배터리의 충전량에 따라 고전압 배터리의 충방전 전력을 산출하는데 이용하는 게인(Gain) 값을 가변할 수 있다.
연료전지의 발전량을 제어함에 따라 연료전지에서 발전하는 전력이 정해지고, 이에 따라 고전압 배터리의 충전 또는 방전 전력을 제어할 수 있다. 이를 위해서는 목표 고전압 배터리의 충전량과 현재 고전압 배터리의 충전량 사이의 차이를 이용하여 고전압 배터리의 충전 또는 방전 전력을 산출할 수 있다. 여기서 그 차이에 얼마나 가중치를 주느냐를 의미하는 게인(Gain)을 가변할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 목표 고전압 배터리의 충전량을 60[%]로 설정할 수 있고 현재 고전압 배터리의 충전량이 이보다 작으면 충전해야 하는 상황이며, 그 사이의 차이에 게인을 곱하여 고전압 배터리의 충전 전력을 산출할 수 있는 것이다.
본 발명의 연료전지의 저유량 제어에 따른 연료전지의 발전량을 제어하는 경우에는 정상 상태보다 연료전지에서 발전하는 전력이 적기 때문에 정상적인 유량 제어에 비하여 고전압 배터리의 충전이 매우 느려지거나 충전되지 않고 방전될 수 있다. 이에 따라, 공기블로워의 단위 시간당 회전수를 제어함과 동시에 고전압 배터리의 충방전 전력을 산출하는데 이용하는 게인을 가변하여 고전압 배터리의 충전 속도를 정상 상태와 유사한 수준으로 끌어올릴 수 있다.
구체적으로, 고전압 배터리의 충방전 전력을 산출하는데 이용하는 게인은 고전압 배터리의 충전량이 목표 충전량보다 작아서 충전하는 경우에만 가변할 수 있고, 이를 다시 도 3 및 8과 같이 고전압 배터리의 충전량이 50[%] 이상일 때, 50[%] 미만 45[%] 이상일 때 및 45[%] 미만일 때로 나누고, 각각의 구간에서 Gain 1, Gain 2 및 Gain 3를 유지하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, Gain 1, 2, 3는 각각 40, 60, 80으로 고전압 배터리의 충전량이 작아질수록 게인이 커지도록 설정할 수 있다.
도 5 및 7을 다시 참조하면, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계(S340, S440)에서 모터의 요구파워가 연료전지 발전파워와 고전압 배터리 제한파워의 합보다 큰 경우, 고전압 배터리 제한파워를 기설정된 값만큼 증가시킬 수 있다(S380, S480).
연료전지의 발전량을 제어함에 따라(S340, S440) 연료전지의 가용파워가 정해질 수 있다(S350, S450). 모터의 가용파워는 연료전지의 가용파워에 배터리 제한파워를 합한 값으로 정해질 수 있다(S360, S460). 이에 따른 모터의 가용파워를 모터의 요구파워와 비교하는 단계(S370, S470)를 거치고, 모터의 요구파워가 모터의 가용파워 이하인 경우에는 모터의 가용파워는 연료전지의 가용파워에 배터리 제한파워를 합한 값 그대로 정해질 수 있다(S390, S490).
그러나 모터의 요구파워가 모터의 가용파워보다 큰 경우(S380, S480)에는 모터의 전류 부족 현상에 따라 모터에서 발생시키는 토크에 오실레이션이 발생하게 되어 연료전지 차량의 주행성 및 운전성이 저하되는 문제가 생긴다.
따라서, 배터리의 제한파워를 기설정된 값만큼 증가시켜 결과적으로 모터의 가용파워를 증가시켜 모터의 요구파워보다 크게 되도록 하는 것으로, 이로써 차량의 주행성 및 운전성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 연료전지의 가용파워는 연료전지의 발전량을 제어하는 단계(S340, S440)에서 제어하는 공기블로워의 단위 시간당 회전수에 따라 연료전지에 공급하는 공기 유량에 의하여 정해진다(S350, S450). 배터리의 제한파워는 BHDC의 Boost 전류제한에 따른 제한파워로, 저유량 제어시 예를 들어 Boost 전류제한이 20[A]로 정해지면 평균 고전압 배터리의 전압이 180[V]가 되어 약 3.6[kW]로 배터리의 제한파워가 정해진다.
즉, 배터리의 제한파워를 증가시킨다는 것은 BHDC의 Boost 전류 제한을 증가시킨다는 의미이며, 2[kW]만큼 증가시키는 경우에는 Boost 전류 제한을 약 11[A]만큼(2[kW]/180[V]=11[A]) 상향시킨다는 의미이고, 5[kW]만큼 증가시키는 경우에는 Boost 전류 제한을 약 28[A]만큼(5[kW]/180[V]=28[A]) 상향시킨다 것을 의미한다.
제2 단계의 경우에는 배터리의 제한파워를 5[kW]만큼 증가시킬 수 있고(S380), 제3 단계의 경우에는 배터리의 제한파워를 2[kW]만큼 증가시킬 수 있다(S480). 이는 주행성을 위해 증가시킬 필요가 있는 파워를 실험적으로 구한 것이다. 제3 단계의 경우 제2 단계의 연료전지의 요구전류보다 큰 값인 모터의 요구전류에 따라 공기블로워의 단위 시간당 회전수를 제어하는 것이기 때문에 일반적으로 연료전지의 가용파워가 제 2단계보다 크게 산출된다. 따라서, 배터리의 제한파워를 더 적게 증가시키더라도 충분히 주행성 저하가 발생하지 않도록 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 저유량 제어시스템은 연료전지(10); 연료전지(10)로 공기를 공급하는 공기공급라인(20)에 마련된 공기블로워(30); 및 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하고, 저유량 제어 모드에 진입한 경우 저유량 제어 단계를 구분하며, 구분된 저유량 제어 단계에 따라 공기블로워(30)의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어하는 제어기(40);를 포함한다.
제어기(40)는 도시하지는 않았지만, 모터(미도시)의 토크 또는 악셀(미도시)의 개도 등으로부터 신호를 입력받을 수 있고, 이에 따라 공기블로워(30)의 단위 시간당 회전수를 제어할 수 있다.
연료전지의 저유량 제어시스템에 관한 설명은 상기 설명한 연료전지의 저유량 제어방법과 중복되기에 중복 설명은 생략한다.
본 발명의 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.
10 : 연료전지 20 : 공기공급라인
30 : 공기블로워 40 : 제어기

Claims (19)

  1. 저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계;
    저유량 제어 모드에 진입한 경우, 저유량 제어 단계를 구분하는 단계; 및
    구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계는 연료전지의 전류 요구량을 산출하는 단계를 포함하고,
    산출된 연료전지의 전류 요구량이 기설정된 전류량 미만 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 단계는 고전압 배터리의 충전량(SOC)을 모니터링하는 단계를 더 포함하고,
    모니터링한 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    저유량 제어 모드에 진입한 후, 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제1 충전량 이하가 되어 저유량 제어 모드가 해제된 경우에는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 제2 충전량보다 큰 경우에 저유량 제어 모드에 진입하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 모터의 요구파워를 산출하는 단계를 포함하고,
    산출된 모터의 요구파워를 기준으로 복수 개의 단계로 구분하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 연료전지 차량의 속도를 모니터링하는 단계를 포함하고,
    모니터링한 차량의 속도를 기준으로 복수 개의 단계로 구분하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지에 공급하는 공기 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계는 연료전지 차량의 주행 상태를 기준으로 3개의 단계로 구분하고,
    연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제1 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    고전압 보기류의 소비파워가 기설정된 파워 이상인 경우에는 고전압 배터리 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수에 일정한 값을 더한 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제2 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고, 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    저유량 제어 단계를 구분하는 단계에서 제3 단계로 구분된 경우, 연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 모터의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    모터의 요구전류에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수는 복수 개 마련되고, 복수 개의 단위 시간당 회전수 중에서 고전압 배터리의 충전량의 크기에 따라 선택된 단위 시간당 회전수로 공기블로워를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전량을 제어하는 단계는 기설정된 주기로 기설정된 시간동안 회복 모드로 진입하였다가 다시 구분된 저유량 제어 단계에 따라 연료전지의 발전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    회복 모드는 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 고전압 배터리의 충전량에 따라 기설정된 단위 시간당 회전수로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전량을 제어하는 단계 이후에, 고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    고전압 배터리의 충방전 전력을 제어하는 단계에서 고전압 배터리의 충전량에 따라 고전압 배터리의 충방전 전력을 산출하는데 이용하는 게인(Gain) 값을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  18. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전량을 제어하는 단계에서 모터의 요구파워가 연료전지 발전파워와 고전압 배터리 제한파워의 합보다 큰 경우, 고전압 배터리 제한파워를 기설정된 값만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 저유량 제어방법.
  19. 연료전지;
    연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 마련된 공기블로워; 및
    저유량 제어 모드의 진입 여부를 판단하고, 저유량 제어 모드에 진입한 경우 저유량 제어 단계를 구분하며, 구분된 저유량 제어 단계에 따라 공기블로워의 단위 시간당 회전수(RPM)를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 저유량 제어시스템.
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