KR20210073707A - 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법 - Google Patents

친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20210073707A
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threshold
mode
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승새벽
이승윤
박정규
염상철
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치는 운전 모드에 따라 공기 밀도 및 고전압 배터리의 현재 배터리 상태에 따른 연료전지 출력 추가량을 맵핑한 정보를 저장하는 저장부; 및 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 맵핑한 정보를 기반으로 상기 공기 밀도, 상기 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 프로세서;를 를 포함하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.

Description

친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법{Apparatus for controlling fuel cell of an environment friendly vehicle, system having the same and method thereof}
본 발명은 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지 출력량을 가변하는 기술에 관한 것이다.
친환경 차량 중 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
이러한 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기모터를 보조동력원으로 채택하여 연비 향상 및 배기가스 저감을 도모할 수 있는 미래형 차량으로, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발히 연구되고 있다.
하이브리드 차량은 전기모터(구동모터)의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 구동모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드, 차량의 제동 혹은 타행 주행 시 제동 및 관성 에너지를 상기 구동모터의 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(Regenerative Braking, RB) 모드 등의 주행모드로 주행한다.
이러한 친환경 차량은 주행 중 고도(대기압)가 변함에 따라 달라지는 공기 밀도에 대응하여 연료전지의 최고출력(전류)을 하향 조절하게 되더라도 모터 출력 요구량이 동일하게 유지되므로 모터 출력 요구량에 대응하기 위해 연료 전지 최고 출력의 감소량만큼 배터리 사용량이 증가하게 된다.
즉 고도가 높은 도로에서 주행 시 배터리 SOC(State of charge) 소모 속도가 고도가 낮은 도로 즉 일반적인 상황에서 주행 시 보다 빨라지게 되어 목표한 SOC를 유지하기 어렵고 배터리 부족 상황의 운전영역의 증가로 운전 안정성 저하를 가져오는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예는 공기 밀도, 고도 및 대기압 중 하나와 현재 SOC(State of charge)에 따라 연료전지 추가 출력량을 가변하여 목표 SOC를 안정적으로 유지하도록 함으로써 배터리 부족 상황을 최소화하여 운전 안정성의 저하를 방지할 수 있는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치는 운전 모드에 따라 공기 밀도 및 고전압 배터리의 현재 배터리 상태에 따른 연료전지 출력 추가량을 맵핑한 정보를 저장하는 저장부; 및 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 맵핑한 정보를 기반으로 상기 공기 밀도, 고전압 배터리의 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 프로세서;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 현재 차량의 고도 또는 대기압을 이용하여 상기 공기 밀도를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 차속정보, 악셀 정보, 및 브레이크 정보를 기반으로 상기 운전 모드를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 임계치보다 크면, 상기 운전 모드를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 고도 또는 대기압에 따라 목표 SOC(State of charge)를 가변하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고, 상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치 이상인 경우 상기 연료전지 출력량 및 배터리 방전량을 이용하여 상기 모터 출력 요구량을 가변하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고, 상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우, 상기 모터 출력 요구량에 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합산하여 상기 연료전지 출력량을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 악셀링 모드 시의 상기 연료전지 추가 출력량을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 아이들(Idle) 모드인 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 현재 SOC 충전량과 상기 아이들 모드에서 상기 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합하여 상기 연료전지 출력량을 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 아이들 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고 상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우, 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 코스트리젠 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 코스트리젠 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 상기 연료전지 출력량으로 결정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고 상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우, 상기 연료전지 가동을 중단하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 친환경 차량의 시스템은 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나를 센싱하는 센싱 장치; 및 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 공기 밀도, 상기 고도, 및 상기 대기압 중 하나와 고전압 배터리의 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 친환경 차량의 연료전지 제어 방법은 공기 밀도, 고도, 대기압 중 적어도 하나를 센싱하는 단계; 및 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 공기 밀도, 상기 고도, 및 상기 대기압 중 하나와 고전압 배터리의 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계;를 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고, 상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 아이들(Idle) 모드인 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는, 상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고 상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우, 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 것을 포함할 수 있다.
본 기술은 공기 밀도, 고도 및 대기압 중 하나와 현재 SOC(State of charge)에 따라 연료전지 추가 출력량을 가변하여 목표 SOC를 안정적으로 유지하도록 함으로써 배터리 부족 상황을 최소화하여 운전 안정성의 저하를 방지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치를 포함하는 차량 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 연료 전지 출력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 모터 요구 출력을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 악셀링 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아이들 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코스트리젠 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치를 포함하는 차량 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 시스템은 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100), 센싱 장치(200), 연료 전지(300), 및 고전압 배터리(400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 차량의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 하나와 현재 배터리 상태(예, SOC) 및 운전 모드에 따라 연료전지 출력량을 가변할 수 있다.
이때, 운전 모드는 악셀링(Acceleratoring) 모드, 아이들(Idle) 모드, 코스트리젠(Coast regeneration) 모드로 구분될 수 있다.
친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 차속정보, 악셀 정보, 및 브레이크 페달 정보를 이용하여 운전 모드를 판단할 수 있다.
즉 악셀링 모드는 차량이 주행중인 상태(차속이 존재하는 상태)에서 운전자가 악셀페달을 밟는 경우로서 운전자가 가속을 원하는 경우이다. 아이들 모드는 차속이 없고 브레이크 페달을 밟고 있는 경우에 해당하며, 코스트리젠 모드는 차속이 있으나 악셀 페달 및 브레이크 페달을 밟지 않은 상태로 관성에 의해 주행중인 경우이다.
친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 통신부(110), 저장부(120), 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 차량 내 장치와 신호를 송신 및 수신하기 위해 다양한 전자 회로로 구현되는 하드웨어 장치로서, 본 발명에서는 차량 내 네트워크 통신 기술을 구현한다. 여기서, 차량 네트워크 통신 기술로는 CAN(Controller Area Network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신, 플렉스레이(Flex-Ray) 통신 등을 통해 차량 내 통신을 수행할 수 있다.
저장부(120)는 센싱 장치(200)의 센싱 결과 및 프로세서(130)가 동작하는데 필요한 데이터 및/또는 알고리즘 등이 저장될 수 있다.
일 예로서, 저장부(120)는 운전 모드별 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 하나와 SOC에 따른 연료전지 추가 출력량이 맵핑된 룩업 테이블이 저장될 수 있다. 또한, 저장부(120)는 미리 실험치에 의해 결정된, 모터 요구 출력을 판단하기 위한 모터 임계치(m), SOC 충전량을 판단하기 위한 배터리 임계치(s) 등이 저장될 수 있다.
저장부(120)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
프로세서(130)는 통신부(110), 저장부(120) 등과 전기적으로 연결될 수 있고, 각 구성들을 전기적으로 제어할 수 있으며, 소프트웨어의 명령을 실행하는 전기 회로가 될 수 있으며, 이에 의해 후술하는 다양한 데이터 처리 및 계산을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)의 각 구성요소들 간에 전달되는 신호를 처리할 수 있다. 프로세서(130)는 예를 들어, 차량에 탑재되는 ECU(electronic control unit), MCU(Micro Controller Unit) 또는 다른 하위 제어기일 수 있다.
프로세서(130)는 모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 맵핑한 정보를 기반으로 공기 밀도, 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 연료전지 출력량을 가변할 수 있다. 이때, 프로세서(130)는 현재 차량의 고도 또는 대기압을 이용하여 공기 밀도를 판단할 수 있다.
또한, 프로세서(130)는 차속정보, 악셀 정보, 및 브레이크 정보를 기반으로 운전 모드를 판단할 수 있다. 또한 프로세서(130)는 고도 또는 대기압이 미리 정한 임계치보다 크면, 운전 모드를 판단할 수 있다.
프로세서(130)는 고도 또는 대기압에 따라 목표 SOC(State of charge)를 가변할 수 있다. 이때, 프로세서(130)는 고도 또는 대기압이 미리 정한 임계치보다 높아지면 배터리 사용량이 증가할 수 있으므로 목표 SOC를 증대시킬 수 있다.
프로세서(130)는 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고, 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치 이상인 경우 연료전지 출력량 및 배터리 방전량을 이용하여 모터 출력 요구량을 가변할 수 있다.
반면 프로세서(130)는 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고, 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우 연료전지 출력량을 증가시켜 고전압 배터리를 충전할 수 있다. 이처럼 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 고도 또는 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 높으며, 악셀링 모드 주행 중인 경우 고전압 배터리 충전을 위한 연료전치 추가 출력량을 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 하나와 SOC에 따라 가변하여 결정할 수 있다.
즉, 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 고도 또는 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 높으며, 악셀링 모드 주행 중인 경우 연료전지 추가 출력량을 증가시켜 연료 전지 출력량을 증가시키고 배터리 충전을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우, 모터 출력 요구량에 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합산하여 연료전지 출력량을 결정할 수 있다. 프로세서(130)는 맵핑한 정보를 기반으로, 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 악셀링 모드 시의 연료전지 추가 출력량을 결정할 수 있다.
프로세서(130)는 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 운전 모드가 아이들(Idle) 모드인 경우 연료전지 출력량을 증가시켜 고전압 배터리를 충전할 수 있다. 또한 프로세서(130)는 현재 SOC 충전량과 아이들 모드에서 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합하여 연료전지 출력량을 증가시킬 수 있다. 즉 프로세서(130)는 맵핑한 정보를 기반으로, 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 아이들 모드 시의 연료 전지 추가 출력량을 결정할 수 있다.
프로세서(130)는 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우, 연료전지 출력량을 증가시켜 고전압 배터리를 충전할 수 있다. 이때 프로세서(130)는 맵핑한 정보를 기반으로, 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 코스트리젠 모드 시의 연료 전지 추가 출력량을 결정할 수 있다. 또한 프로세서(130)는 코스트리젠 모드 시의 연료 전지 추가 출력량을 연료전지 출력량으로 결정할 수 있다.
프로세서(130)는 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우, 연료전지 가동을 중단하여 배터리의 충전량이 충분한데 계속 충전되어 배터리 이상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
센싱 장치(200)는 차량의 현재 고도 또는 대기압을 센싱할 수 있으며 이를 위해 대기압 센서, 고도 센서 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 연료 전지 출력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면 연료전지 출력량 최대값M과 최소값 m 사이 범위로 결정될 수 있다. 이때, 고도 또는 대기압이 높아지게 되면 연료 전지 출력량의 최대값 M이 감소를 시작하게 됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 모터 요구 출력을 나타내는 도면이다.
도 3의 301은 기존의 로직에 따른 모터 요구 출력을 나타내고 302는 본 발명의 모터 요구 출력을 나타낸다.
301을 참조하면, 모터 출력 요구량이 ③~④ 구간일 때(A), 연료전지만을 이용하여 주행 가능하고, 배터리 충전을 수행하지 않으며, 파워소스는 충분하게 된다.
모터 출력 요구량이 ②~③ 구간으로 증가한 경우(B) 연료전지 한계 출력(최대값)을 사용해야 되며 배터리 방전이 수행되어 연료전지 출력량에 도움을 주어 파워소스가 충분하게 된다.
그러나, 모터 출력 요구량이 ②~③ 구간인 상황이 지속되면(C), SOC가 낮아져 배터리 어시스트량 저하 또는 불가 상황이 되고, 연료전지 한계 출력을 사용하더라도 배터리 어시스트가 부족하고 파워소스도 부족하게 된다.
이후, 모터 출력 요구량이 ①~② 구간으로 높아질 때(D) 연료전지 한계 출력을 사용하고, 배터리 한계 출력을 사용하게 되어 파워소스가 부족해질 수 있다. 즉 D 구간에서 모터 출력 요구량이 연료 전지 가용 출력보다 커지게 되어 전압 드랍 및 운전성 저하가 발생될 수 있다.
이처럼 301과 같이 기존의 로직은 지속적으로 등판 주행하거나 고속도로 주행 상황 등의 조건에서 A, B, D 와 같이 모두 배터리 SOC가 소모되는 방향으로 주행하게 되며, 고지로 갈수록 A환경(③~④영역)이 작아져 동일 주행 상황에서 배터리 소모 빈도가 증가하게 된다. 이에 따라 C 환경 진입 빈도가 증가하게 될 수 있다.
반면 302를 참조하면 모터 출력 요구량이 ③~④ 구간일 때(A), 연료전지만을 이용하여 주행 가능하나, 배터리 충전을 수행하여, 파워소스는 충분하게 되어 SOC가 일정 값을 유지하게 되어 B 구간으로의 진입 빈도가 낮아질 수 있다.
즉 본 발명은 ③~④ 구간(A)에서 고전압 배터리를 충전함으로써 코스트리젠 모드 및 아이들 모드 시 충전량 증가로 운전성 저하가 발생하는 ②~③구간의 발생 빈도를 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 악셀링 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 401은 악셀링 모드 시 고도에 따라 배터리 충전을 수행하지 않은 종래의 로직을 나타내고, 402는 악셀링 모드 시 고도에 따라 배터리 충전을 수행하는 예를 개시한다.
402를 참조하면, 고도가 증가할수록 연료 전지 출력량의 최대값이 감소하게 되고 배터리 어시스트가 필요하게 된다. 이에 배터리 충전을 수행하여 SOC가 유지되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아이들 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 501은 기존의 아이들 모드 시 SOC를 나타내고 502는 본 발명의 아이들 모드 시 SOC를 나타낸다.
502를 참조하면, 아이들 모드 시 고도 및 현재 SOC에 의해 목표 SOC가 가변된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코스트리젠 모드에서의 배터리 충전 전략을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 601은 종래의 코스트리젠 모드 시 충전량의 변화이고 602는 본 발명의 코스트리젠 모드 시 충전량의 변화를 나타낸다.
602를 참조하면, 고도 및 현재 SOC에 따라 연료 전지 출력량을 조절할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고도에 따른 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 1의 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)가 도 7의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다. 또한, 도 7의 설명에서, 장치에 의해 수행되는 것으로 기술된 동작은 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)의 프로세서(130)에 의해 제어되는 것으로 이해될 수 있다.
도 7을 참조하면 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 정상 주행 중(S101), 주행중인 도로의 고도가 미리 정한 임계값보다 큰 지를 판단한다(S102). 이때, 도 7에서는 대기압 센서, 고도 센서, 지도 정보 등을 이용하여 주행 도로의 고도 또는 대기압을 판단하여 현재 공기 밀도를 판단하는 예를 개시하고 있으나 이에 한정되지 아니하고 현재의 공기 밀도를 판단할 수 있는 다양한 방법을 적용할 수 있다.
주행중인 도로의 고도가 미리 정한 임계값 이하인 경우, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 기존 주행 모드를 유지하고 주행을 계속한다(S103).
주행중인 도로의 고도가 미리 정한 임계값보다 큰 경우, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 고도에 따라 목표 SOC를 가변하면서 운전 모드를 판단한다(S104). 이때, 고도가 높아지면 배터리 사용 가능성이 높아질 수 있어 목표 SOC를 증대할 수 있다. 즉, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 고도 또는 대기압에 따라 SOC를 미리 매핑한 룩업 테이블을 기반으로 고도에 따른 목표 SOC를 가변할 수 있다.
또한 운전 모드는 악셀링 모드, 아이들 모드, 코스트리젠 모드로 구분될 수 있으며, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 차속정보, 악셀 정보, 및 브레이크 페달 정보를 이용하여 운전 모드를 판단할 수 있다.
즉 악셀링 모드는 차량이 주행중인 상태(차속이 존재하는 상태)에서 운전자가 악셀페달을 밟는 경우로서 운전자가 가속을 원하는 경우이다. 아이들 모드는 차속이 없고 브레이크 페달을 밟고 있는 경우에 해당하며, 코스트리젠 모드는 차속이 있으나 악셀 페달 및 브레이크 페달을 밟지 않은 상태로 관성에 의해 주행중인 경우이다.
이하 과정은 각 운전 모드에 따른 연료 전지 추가 생산량 가변 제어 과정을 개시한다.
먼저 운전 모드가 악셀링 모드인 경우(S201), 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 모터 출력 요구량이 미리 정한 기준치 m보다 작은지를 판단한다(S202).
한편 모터 출력 요구량이 미리 정한 기준치m 미만이면, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 모터 출력 요구량과 고도 및 현재 SOC에 따라 결정된 추가량 a를 합하여 연료 전지 출력량을 산출한다(S203). 이때, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 고도가 높은 경우, 연료 전지 생산 출력의 최대값을 고려하여 추가량 a를 산출할 수 있으며, 추가량 a는 고전압 배터리 충전을 위한 출력에 해당한다. 예를 들어, 연료전지 출력량의 최대값이 100이고 모터 출력 요구량이 70이라고 가정하면, 모터 출력 요구량에 따라 연료전지 출력량을 70으로 설정하게 된다. 그런데 고도가 높아지면 연료전지 출력량의 최대값이 80으로 감소하게 되고, 모터 출력 요구량은 그대로 70을 유지하게 됨에 따라 연료전지 출력량을 70으로 설정할 수 있으나, 고전압 배터리 충전을 위한 추가량 a(예, 10)만큼 연료 전지 출력량을 증가시켜 80으로 출력하도록 할 수 있다. 이에 연료 전지출력량은 80이 되어 모터의 구동을 위해 70이 사용되고 나머지 10은 고전압 배터리 충전에 사용될 수 있다. 이때, 추가량 a이 고도 및 현재 SOC에 따라 가변됨으로써, 고전압 배터리 충전량이 가변된다.
모터 출력 요구량이 미리 정한 기준치m 이상이면 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 연료 전지 출력량과 배터리 어시스트양(assist amount)을 합하여 모터 출력 요구량을 조정한다(S204). 즉 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 연료전지 출력량을 모터 출력 요구량만큼 출력하고, 부족한 양은 고전압 배터리를 방전함으로써 연료전지 출력량을 증가시킨다.
한편, 운전 모드가 아이들 모드인 경우, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 기존 SOC 충전량과 고도 및 현재 SOC에 따른 추가량 b를 합하여 연료전지 출력량을 결정한다(S302). 즉, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 추가량 b만큼 고전압 배터리를 충전할 수 있으며 추가량 b의 가변을 통해 고전압 배터리 충전량을 조절할 수 있다.
또한, 운전 모드가 코스트리젠 모드인 경우, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 현재 SOC가 미리 정한 임계치 s보다 작은 지를 판단한다(S402).
현재 SOC가 미리 정한 임계치 s보다 작은 경우 고도 및 가중치에 따른 추가량 c을 연료 전지 출력량으로 결정한다(S403). 이때, 추가량 c는 배터리 충전을 위한 출력으로서, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 추가량 c만큼 배터리 충전을 수행할 수 있다.
한편 현재 SOC가 미리 정한 임계치 s 이상인 경우, 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 연료 전지 가동을 중단한다(S404). 즉 이미 SOC값이 큰 경우 계속 배터리 충전을 하면 배터리에 문제가 발생할 수 있으므로, 연료 전지 가동을 중단하여 위험 상황을 예방할 수 있다. 이때, 연료 전지 가동 중단은 시동 일시 중단 등을 포함할 수 있다.
이때, 각 운전 모드별 추가량 a, b, c는 고도 및 현재 SOC에 따라 매핑된 룩업테이블로 저장될 수 있다. 이에 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치(100)는 연료전지 출력량 결정 시 운전모드별 고도와 현재 SOC에 따라 매핑된 추가량 a, b, c를 이용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SOC 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 고도가 높은 도로에서 고속 주행 시 기존 방식으로 연료 전지 제어를 수행하는 경우 SOC가 계속 감소하여 최소치 아래까지 내려가게 되어 SOC 저하에 의한 어시스트 부족으로 가용 출력이 부족하게 되고 운전성 저하가 발생하게 된다. 이에 본 발명에서 제안한 바와 같이 고도가 높은 도로에서 고속 주행 시 연료전지 추가 생산량을 가변 제어함으로써 배터리 추가 충전을 수행하여 SOC가 목표 SOC 부근에서 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 고도가 높은 도로와 같이 공기가 희박한 상황에서 연료전지 출력이 떨어져 배터리 소모량이 많아지는 경우, 고도 및 SOC에 따라 운전 모드별로 연료전지 출력 추가 생산을 통해 배터리 충전을 해줌으로써, SOC 유지력을 향상 시켜 가용 출력 부족으로 인한 운전 안정성 저하를 억제 시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
도 9를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다.
예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 운전 모드에 따라 공기 밀도 및 고전압 배터리의 현재 배터리 상태에 따른 연료전지 출력 추가량을 맵핑한 정보를 저장하는 저장부; 및
    모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 맵핑한 정보를 기반으로 상기 공기 밀도, 상기 현재 배터리 상태 및 상기 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 프로세서;
    를 포함하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    현재 차량의 고도 또는 대기압을 이용하여 상기 공기 밀도를 판단하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    차속정보, 악셀 정보, 및 브레이크 정보를 기반으로 상기 운전 모드를 판단하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 임계치보다 크면, 상기 운전 모드를 판단하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 고도 또는 대기압에 따라 목표 SOC(State of charge)를 가변하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고,
    상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치 이상인 경우 상기 연료전지 출력량 및 배터리 방전량을 이용하여 상기 모터 출력 요구량을 가변하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고,
    상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우,
    상기 모터 출력 요구량에 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합산하여 상기 연료전지 출력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 악셀링 모드 시의 상기 연료전지 추가 출력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 아이들(Idle) 모드인 경우
    상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 프로세서는,
    현재 SOC 충전량과 상기 아이들 모드에서 상기 고전압 배터리 충전을 위한 연료전지 추가 출력량을 합하여 상기 연료전지 출력량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 아이들 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고
    상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우,
    상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 맵핑한 정보를 기반으로, 상기 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나와 현재 SOC에 따라 상기 코스트리젠 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 코스트리젠 모드 시의 상기 연료 전지 추가 출력량을 상기 연료전지 출력량으로 결정하고,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 임계치보다 낮고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고
    상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우,
    상기 연료전지 가동을 중단하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치.
  16. 공기 밀도, 고도, 및 대기압 중 적어도 하나를 센싱하는 센싱 장치; 및
    모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 공기 밀도, 상기 고도, 및 상기 대기압 중 하나와 고전압 배터리의 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법.
  17. 공기 밀도, 고도, 대기압 중 적어도 하나를 센싱하는 단계;
    모터 출력 요구량에 대응하여 연료전지 출력량을 제어하되, 상기 공기 밀도, 상기 고도, 및 상기 대기압 중 하나와 고전압 배터리의 현재 배터리 상태 및 운전 모드에 따라 상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 악셀링(Acceleratoring) 모드이고,
    상기 모터 출력 요구량이 미리 정한 모터 임계치보다 작은 경우 상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 아이들(Idle) 모드인 경우
    상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료전지 출력량을 가변하는 단계는,
    상기 공기 밀도가 미리 정한 공기 밀도 임계치보다 낮거나 상기 고도 또는 상기 대기압이 미리 정한 고도 임계치 또는 대기압 임계치보다 크고 상기 운전 모드가 코스트리젠(Coast regeneration) 모드이고
    상기 현재 SOC가 미리 정한 배터리 임계치보다 작은 경우,
    상기 연료전지 출력량을 증가시켜 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 연료 전지 제어 방법.
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