KR20210156392A - 연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 내리막길에서 회생 에너지에 의해 고전압 배터리가 만충전되기 전에 회생제동모드를 해제하고, 유압 브레이크를 사용하여 현재의 차속을 유지하며(크루즈 주행모드), 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화함으로써, 운전자에게 운전 이질감을 주는 것을 방지하는 것은 물론 유압 브레이크의 과열을 방지할 수 있는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지차량의 현재속도를 검출하는 차속 검출부; 및 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하며, 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING REGENERATIVE BRAKING OF FUEL CELL VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 내리막길에서 연료전지차량의 회생제동을 제어하는 기술에 관한 것이다.
연료전지차량은 동력원으로서 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
연료전지를 구동하기 위한 공기 블로워, 수소 재순환 블로워, 워터 펌프 등의 구성들은 메인 버스단에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이들과, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 다이오드가 연결될 수 있다.
공기 블로워를 통해 공급된 건조한 공기는 가습기를 통해 가습된 뒤, 연료전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기에 전해져 공기 블로워에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용될 수 있다.
이러한 연료전지차량은 감속시 회생제동모드로 동작함으로써, 모터를 통해 회수되는 회생 에너지를 이용하여 고전압 배터리를 충전하기 때문에, 보통 고전압 배터리의 SOC(State Of Charge)를 50~60%로 유지한다.
하지만, 긴 내리막길에서 회생제동에 의해 고전압 배터리의 SOC가 만충전(일례로 90%)이 되면, 종래의 연료전지차량은 고전압 배터리의 과충전을 방지하기 위해 회생제동모드를 중단하기 때문에 회생제동에 의한 감속이 되지 않아 운전자에게 운전 이질감을 주는 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 내리막길에서 회생 에너지에 의해 고전압 배터리가 만충전되기 전에 회생제동모드를 해제하고, 유압 브레이크를 사용하여 현재의 차속을 유지하며(크루즈 주행모드), 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화함으로써, 운전자에게 운전 이질감을 주는 것을 방지하는 것은 물론 유압 브레이크의 과열을 방지할 수 있는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치는, 연료전지차량의 현재속도를 검출하는 차속 검출부; 및 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하며, 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과한 시간이 기준시간을 유지하면, 상기 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과하지 않는 선에서, 상기 고전압 보기류에 의해 고전압 배터리에 에너지 소모가 발생하면 상기 소모된 에너지를 회생제동을 통해 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 연료전지차량의 기울기가 기준각도 이하를 유지한 시간이 기준시간을 초과하면, 상기 연료전지차량이 내리막길에 진입한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 연료전지차량이 내리막길을 벗어나면 상기 크루즈 주행모드를 해제할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법은, 연료전지차량의 현재속도를 검출하는 단계; 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하는 단계; 및 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예서, 상기 크루즈 주행모드를 활성화하는 단계는, 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과한 시간이 기준시간을 유지한 경우에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예서, 상기 회생제동모드를 활성화하는 단계는, 상기 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과하지 않는 선에서, 상기 고전압 보기류에 의해 고전압 배터리에 에너지 소모가 발생하면 상기 소모된 에너지를 회생제동을 통해 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 상기 연료전지차량의 기울기가 기준각도 이하를 유지한 시간이 기준시간을 초과하면, 상기 연료전지차량이 내리막길에 진입한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 상기 연료전지차량이 내리막길을 벗어나면 상기 크루즈 주행모드를 해제하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치 및 그 방법은, 내리막길에서 회생 에너지에 의해 고전압 배터리가 만충전되기 전에 회생제동모드를 해제하고, 유압 브레이크를 사용하여 현재의 차속을 유지하며(크루즈 주행모드), 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화함으로써, 운전자에게 운전 이질감을 주는 것을 방지하는 것은 물론 유압 브레이크의 과열을 방지할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 이용되는 연료전지차량의 파워넷 구성을 나타내는 일예시도,
도 2 는 본 발명에 이용되는 연료전지차량의 구성을 나타내는 일예시도,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치에 대한 구성도,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법에 대한 흐름도,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
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.
도 1 은 본 발명에 이용되는 연료전지차량의 파워넷 구성을 나타내는 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지차량의 파워넷은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압배터리(메인배터리)(20), 고전압배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(BHDC: Bidirectional High voltage DC/DC Converter)(21), 연료전지(10)와 고전압배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 상기 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 전자부하(33), 저전압배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 전자부하(41), 저전압배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 전력변환장치(LDC: Low voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함할 수 있다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(21)가 연료전지(10)의 출력측 메인버스(11)에 접속되어, 상기 양방향 전력변환장치(21)의 전압(메인버스로의 출력전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지 단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 상기 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행중 뿐만 아니라 연료전지차량의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키 오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스(11)를 통해 연료전지(10) 및 고전압배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료전지(10) 및/또는 고전압배터리(20)에서 공급되는 전원을 상(phase) 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.
구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 연료전지 모드, 고전압배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료전지(10)의 출력을 고전압배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 하이브리드(HEV) 모드로 이루어진다.
특히, 연료전지차량에서 소정의 아이들 스탑 조건을 만족하는 경우 공기 공급을 중지하여 연료전지(10)의 발전을 정지하는 아이들 스탑 제어가 수행되고, 연료전지(10)가 재시동되어 정상적인 연료전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지는 고전압배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드의 주행이 이루어진다.
이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 된 상태 및 연료전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(21)의 부스트 제어를 통해 고전압배터리(20)의 전압을 부스팅하여 고전압배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.
또한 상기와 같이 연료전지차량의 아이들 스탑시 공기의 공급을 중지하였다가 소정의 재시동 조건을 만족하는 경우에는 공기 공급을 재개하여 연료전지를 재시동하고, 재시동 후 연료전지차량의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 전력변환장치(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.
도 2 는 본 발명에 이용되는 연료전지차량의 구성을 나타내는 일예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지차량은 연료전지 스택(210), 입구측 공기차단밸브(220), 출구측 공기차단밸브(225), 공기 블로워(230), 3-way 밸브(240), 바이패스 배관(250), 가습기(260), 워터 트랩(270), 수소 재순환기(275), 수소공급밸브(280) 및 제어부(290)를 포함할 수 있다. 또한, 입구측 공기차단밸브(220) 전단에는 필터(미도시)가, 입구측 공기차단밸브(220)의 출구와 공기 블로워(230) 입구 사이에는 소음기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 애노드(연료극) 출구측에는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 연료전지차량의 구성들 중 일부는 당업계에 일반적으로 알려진 구성들인 바, 구성들 각각에 관한 설명은 생략하기로 한다.
연료전지 스택(210)은 공기극과 연료극을 포함하며, 공기블로워(230)는 공기극(캐소드) 측에 공기를 공급할 수 있다. 밸브(240)는 3-way 밸브이며, 공기 블로워의 출구, 일측이 가습기(260)의 출구측과 연결되는 바이패스 배관(250)의 타측 및 가습기(260)에 연결될 수 있다. 바이패스 배관(250)은 가습기(260)의 출구측과 밸브(240) 사이에 형성될 수 있고, 또는 공기차단밸브(225)와 밸브(240) 사이에 위치할 수 있다. 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 연료전지 스택(210) 내의 공기극 채널들을 거치지 않고, 연료전지 스택(210) 후단의 공기극 배관 중 하나를 통해 출구측 공기차단밸브(225) 쪽으로 이동할 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 외부의 대기와 바로 연결될 수도 있다. 따라서 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 대기중으로 바로 방출될 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 필요에 따라 공기극 출구측, 즉 가습기(260)의 출구측이 아니고, 출구측 공기 차단 밸브(225)와 연결될 수도 있으며, 이때 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 출구측 공기차단밸브(225)의 개도 조절에 의해 외부로 배기될 수 있다.
이러한 밸브(224)를 이용한 공기 공급 패스의 조절은 연료전지 차량의 시동 정지 상태에서 이루어지는 것이며, 밸브(224)의 개도 조절을 통하여 연료전지 스택(210)으로 공급될 공기와 바이패스 배관(250)으로 공급될 공기의 양을 자유롭게 제어할 수 있다.
한편, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)이 드라이 아웃 즉, 건조한 상태인지 플러딩(flooding) 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 이러한 상태 판단은 스택 출구 공기의 RH 추정기(대한민국 공개특허공보 10-2010-0125324 참조)를 이용하거나, 실시간 전류-전압 곡선을 모니터링하여, 전류-전압 곡선의 기울기를 이용하여 판단할 수 있다.
제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태를 판단하여, 판단 결과에 따라 밸브(240)를 조정하여 배관들, 즉 밸브(240)와 공기극을 연결하는 배관, 공기 블로워(230)와 밸브(240)를 연결하는 배관 및 가습기(260) 출구측과 밸브(240)를 연결하는 바이패스 밸브(250)의 연결 상태를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(290)는 건조 상태 판단 결과 연료전지 스택(210)이 건조한 상태인 경우, 밸브(240)에 연결된 배관들 중 가습기(260)의 출구측으로 연결된 바이패스 배관(250)을 통해 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다.
또한 바이패스 배관(250)이 공기극 출구단이 아니라 곧바로 대기와 연결된 경우, 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태가 플러딩 상태인 경우를 제외하고는, 공기극 측으로의 공기 공급을 차단하여 공기 블로워(230) 감속시 불필요하게 발생할 수 있는 공기 과급 조건을 최소화시켜 연료전지 스택(210)이 건조해지는 것을 방지할 수 있다.
공기극 측에 공기 공급하는 것을 차단하기 위해서, 제어부(290)는 공기극 입구로 연결된 배관에 장착된 3-way 밸브(240)를 통해 연료전지 발전 정지 중에 공기극에 공급되는 공기를 즉시 차단하여 공기극 발전 정지 시간을 최소화시킬 수 있다. 연료전지차량의 경우 3-way 밸브(240)와 이에 연결된 바이패스 배관(250)을 별도로 구비함으로써, 제어부(290)는 공기극 측으로 공급되는 공기와 공기 블로워(230)를 통해 공급하는 유량을 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서, 공기 블로워(230)의 회생제동량 또한 가변적으로 조절이 가능하여 에너지 회수율 극대화를 통해 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 빈번한 가감속 구간에서 주행 응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 밸브(240)를 조정하여 연료전지 스택(210)에 공급되는 공기의 유량 및 공기 블로워(230)를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 연료전지 발전 정지 상태뿐만 아니라 공기 블로워(230) 감속 구간에서도 공기극 공급 유량을 제어하고 회생 제동 정지 운전을 함으로써 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 회생 제동 정지시 모터(32) 회생 제동량과 공기 블로워(230) 회생 제동량을 유기적으로 제어하지 못하는 경우 연비 손실이 발생할 우려가 높았으나 공급 공기 유량과 공기 블로워 회생 제동 정지에 대한 독립적인 제어가 가능하게 되어 회생제동 회수율을 최대화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 공기 블로워(230)의 회생제동량은 고전압배터리(20)의 최대 충전 가능 에너지량에서 모터(32)에 의한 회생제동량을 뺀 값에 전자 부하들(33, 41)이 사용하는 에너지 량을 더한 값보다 작게 설정될 수 있다.
제어부(290)는 공급되는 공기를 외부로 배출한 이후, 고전압배터리(20)의 정상 동작 여부 및 충전상태(SOC)와, 고전압배터리(20)와 연료전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력 변환 장치(21)의 정상 동작 여부에 따라 공기 블로워(230)를 상이한 방식으로 정지시킬 수 있다.
제어부(290)는 고전압배터리(20)와 전력변환장치(21)가 정상 동작하며, 고전압배터리(20)의 충전상태가 기설정된 기준 상태보다 더 낮은 경우, 공기 블로워(230)를 회생 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 고전압배터리(20) 및 전력변환장치(21)가 정상이면 공기 블로워(230)를 회생 제동 운전시켜 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 고전압배터리(20)가 동작하지 않거나 고전압배터리(20)의 충전상태가 기설정된 기준 상태보다 더 높거나 또는 배터리(20)와 연료전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력변환장치(21)가 고장인 경우 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태 판단 결과 연료전지 스택(210)이 플러딩(flooding) 상태인 경우, 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 상태가 플러딩 상태이면, 공기 블로워(230)를 정지하되, 회생제동 운전을 하지 않고 관성으로 공기 블로워(230)가 정지되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 공기 블로워(230)의 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 기설정된 기준값을 만족하면 연료전지차량의 운전을 정지시킬 수 있다. 즉, 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 연료전지 발전 정지 프로세스를 종료시키는 기준 공기 유량보다 더 작은 경우, 제어부(290)는 연료전지 스탑 모드로 진입시킬 수 있다.
한편, 제어부(290)는 연료전지(10) 가동시 연료전지(10)에 의해 생성되는 에너지(전류)를 이용하여 고전압배터리(20)를 충전할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 운전자 요구 출력에 기초하여 전압 상한 제어와 저유량 제어를 수행할 수 있다. 참고로, 전압 상한 제어는 연료전지 스택의 I-V 특성 곡선에서 OCV(Open Circuit Voltage)에 가까운 상황에서 운전될수록 내구에 악영향을 미치는 것을 고려하여, BHDC를 이용한 스택 버스단 전압 제어를 일정 전압 이상으로 운전되지 않도록 해주는 제어를 의미한다. 또한, 저유량 제어는 전압 상한 제어 상황에서 운전자의 요구 출력이 상한이 적용되는 영역 이하로 떨어질 때, 불필요하게 많은 전류를 생성하지 않기 위하여 공기의 유량을 떨어뜨리는 제어로서, I-V 곡선상 아래로 쳐지는 효과가 있다.
또한, 제어부(290)는 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택(210)의 온도와 고전압배터리(20)의 SOC(State Of Charge) 및 운전자 요구 출력을 고려하여 연료전지차량의 운전을 제어함으로써, 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙을 방지할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치에 대한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치(100)는, 저장부(110), 차속검출부(120), 및 제어부(130)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 장치(100)를 실시하는 방식에 따라 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구현될 수도 있고, 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(110)는 BMS(Battery Management System, 300)과 연동하여 내리막길에서 회생 에너지에 의해 고전압 배터리(310)가 만충전되기 전에 회생제동모드를 해제하고, 크루즈 시스템(200)과 연동하여 유압 브레이크를 기반으로 현재의 차속을 유지하며(크루즈 주행모드), 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 과정에서 요구되는 각종 로직과 알고리즘 및 프로그램을 저장할 수 있다.
저장부(110)는 내리막길에 진입했음을 판단하는데 이용되는 임계치로서, 기준각도(일례로, -20°)와 기준시간(일례로, 3초)을 저장할 수 있다.
저장부(110)는 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 크루즈 주행모드로 동작하는 시점을 예측하는데 이용되는 임계치로서, 고전압 배터리(310)의 기준충전량(일례로, 75%)과 기준시간(일례로, 30초)을 저장할 수 있다.
저장부(110)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.
차속 검출부(120)는 차속센서, 자이로센서 등을 구비할 수 있으며, 연료전지차량(전기차, 수소전기차 등)의 속도를 검출할 수 있다. 이때, 자이로센서는 연료전지차량의 기울기를 측정하여 제어부(130)에 제공할 수 있다.
제어부(130)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다. 이러한 제어부(130)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어의 형태로 구현되거나, 또는 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(130)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 제어부(130)는 BMS(300)과 연동하여 내리막길에서 회생 에너지에 의해 고전압 배터리(310)가 만충전되기 전에 회생제동모드를 해제하고, 크루즈 시스템(200)과 연동하여 유압 브레이크를 기반으로 현재의 차속을 유지하며(크루즈 주행모드), 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 과정에서 각종 제어를 수행할 수 있다. 참고로, 크루즈 시스템(200)은 연료전지차량의 속도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
제어부(130)는 연료전지차량이 내리막길에 진입했음을 판단할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 연료전지차량의 기울기가 기준각도(일례로, -20°) 이하를 유지한 시간이 기준시간(일례로, 3초)을 초과하면, 연료전지차량이 내리막길에 진입한 것으로 판단할 수 있다. 이때, 연료전지차량이 수평을 유지하면 기울기는 0°이고, 내리막길의 기울기가 작을수록 더 가파르다.
제어부(130)는 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 크루즈 주행모드로 동작하는 시점을 예측할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 연료전지차량에 구비된 고전압 배터리(310)의 SOC가 기준 SOC(일례로, 75%)를 초과한 시간이 기준시간(일례로, 30초)을 유지하면 회생제동모드를 해제하고 크루즈 주행모드를 활성화할 수 있다.
제어부(130)는 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류(일례로, 에어컨, 냉각펌프, 공기압축기, 라디에이터 팬 등)의 에너지 소모량에 기초하여 회생제동 허용량을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 회생제동모드를 해제하는 시점에서의 고전압 배터리의 SOC(일례로, 75%)를 기준으로, 고전압 보기류에 의해 에너지 소모가 발생하면 소모된 에너지량만큼 회생제동을 통해 충전할 수 있다. 이때, 크루즈 주행모드의 활성화 상태는 유지되며, 크루즈 주행모드에서 감속을 위한 유압 브레이크의 사용 빈도 또는 제동력을 회생제동에 의한 감속(제동력)으로 일부 대체할 수 있어 유압 브레이크의 과열을 방지할 수 있다.
제어부(130)는 연료전지차량이 내리막길에서 벗어났음을 판단할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 연료전지차량의 기울기가 기준각도(일례로, -5°) 이상을 유지한 시간이 기준시간(일례로, 3초)을 초과하면 연료전지차량이 내리막길을 벗어난 것으로 판단하여 크루즈 주행모드를 해제할 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 차속검출부(120)는 연료전지차량의 현재속도를 검출한다(401).
이후, 제어부(130)는 내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화한다(402).
이후, 제어부(130)는 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화한다(403).
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 회생제동 제어 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 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, 1310) 및 RAM(Random Access Memory, 1320)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, SSD(Solid State Drive), 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.
110: 저장부
120: 차속검출부
130: 제어부

Claims (10)

  1. 연료전지차량의 현재속도를 검출하는 차속 검출부; 및
    내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하며, 상기 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 제어부
    를 포함하는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지차량에 구비된 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과한 시간이 기준시간을 유지하면, 상기 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과하지 않는 선에서, 상기 고전압 보기류에 의해 고전압 배터리에 에너지 소모가 발생하면 상기 소모된 에너지를 회생제동을 통해 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지차량의 기울기가 기준각도 이하를 유지한 시간이 기준시간을 초과하면, 상기 연료전지차량이 내리막길에 진입한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지차량이 내리막길을 벗어나면 상기 크루즈 주행모드를 해제하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 장치.
  6. 연료전지차량의 현재속도를 검출하는 단계;
    내리막길에서 회생제동모드를 해제하고 상기 검출한 현재속도를 기준으로 크루즈 주행모드를 활성화하는 단계; 및
    상기 연료전지차량에 구비된 고전압 보기류의 구동에 따른 에너지 소모량에 기초하여 회생제동모드를 활성화하는 단계
    를 포함하는 연료전지차량의 회생제동 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 크루즈 주행모드를 활성화하는 단계는,
    상기 연료전지차량에 구비된 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과한 시간이 기준시간을 유지한 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회생제동모드를 활성화하는 단계는,
    상기 고전압 배터리의 SOC가 기준 SOC를 초과하지 않는 선에서, 상기 고전압 보기류에 의해 고전압 배터리에 에너지 소모가 발생하면 상기 소모된 에너지를 회생제동을 통해 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 회생제동 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 크루즈 주행모드를 활성화하는 단계는,
    상기 연료전지차량의 기울기가 기준각도 이하를 유지한 시간이 기준시간을 초과하면, 상기 연료전지차량이 내리막길에 진입한 것으로 판단하는 단계
    를 포함하는 연료전지차량의 회생제동 제어 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료전지차량이 내리막길을 벗어나면 상기 크루즈 주행모드를 해제하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지차량의 회생제동 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20240005269A (ko) 2022-07-04 2024-01-12 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 제어시스템 및 제어방법
CN117622097A (zh) * 2024-01-25 2024-03-01 江西五十铃汽车有限公司 动力切换的能量回收方法、系统、可读存储介质及车辆

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