KR20220150679A - 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법 - Google Patents

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김종균
정재원
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현대자동차주식회사
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Abstract

연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 연료전지 운전제어기로서, 요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 운용부;를 포함하는 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 운전제어기 및 운전제어방법 {CONTROLLOER AND CONTROLLING METHOD FOR OPERATING FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용되는 차량 및 어플리케이션을 제어함에 있어서, 연료전지의 요구 구동출력만을 이용하는게 아니라 차량 등의 적재중량 등의 운용변수를 통해 차량등의 내부상태를 함께 반영하여 연료전지와 배터리의 출력을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량 등의 연비 및 연료전지 스택의 내구 등을 증대시킬 수 있는 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용된 차량에 대해서 연료전지 시스템 작동 중에 배터리 충전으로 인해 SOC(State of Charge)가 일정 수준 이상이면 FC(Fuel Cell) stop, 즉 구동정지제어 기능 (차량 운행 중 스택으로 수소 또는 공기 공급을 중단하고 배터리 출력으로만 차량 구동이 가능한 상태) 를 수행하면 연비 개선 효과를 얻을 수 있다. 그러나 상용 차량은 고부하(고중량)/장거리 주행으로 인해 SOC를 보다 더 높게 유지해야만 항속 거리를 보장할 수 있다. 따라서 SOC가 일정 수준 이상이고 차량 등의 요구 출력이 낮을 경우의 연료전지 시스템은, 구동정지제어 기능을 수행하기보다는 배터리 충전만 가능한 연료전지 시스템의 저출력구동제어(공기 유량을 낮춰 의도적으로 스택을 저효율로 사용하는 상태)을 통해 연료전지 시스템을 항상 가동시켜 SOC를 높게 유지하는 전략을 적용하기도 한다.
그러나, 상용 차량에 일괄적으로 연료전지 시스템의 저출력구동제어를 적용할 경우, SOC 유지를 위해 항상 연료전지 시스템이 가동됨에 따라 연비 악화 및 스택 내구 단축을 발생시켜 차량의 상품성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상용 차량 등의 상태를 반영하여 저출력구동제어를 선택적으로 수행할 필요성이 대두된다.
상기 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 10-1000703 B1
본 발명은 위 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용되는 차량 및 어플리케이션을 제어함에 있어서, 연료전지의 요구 구동출력만을 이용하는게 아니라 차량 등의 적재중량 등의 운용변수를 통해 차량 등의 내부상태를 함께 반영하여 연료전지와 배터리의 출력을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량 등의 연비 및 연료전지 스택의 내구 등을 증대시킬 수 있는 연료전지 운전시스템 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법을 제공하고자 함이다.
본 발명에 따른 연료전지 운전제어기는, 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 연료전지 운전제어기로서, 요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 운용부;를 포함한다.
운용부는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 연료전지의 정상출력제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제1출력 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다.
운용부는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
운용부는 저출력구동제어를 수행한 다음 배터리 충전량이 제2기준값 이상이면 구동정지제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 저출력구동제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 제1출력 이하인 경우 구동정지제어를 수행할 수 있다.
운용부는 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력제어를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지의 운전을 제어하는 방법은, 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 방법으로서, 요구 구동출력을 입력받는 단계; 적재중량을 입력받는 단계; 및 요구 구동출력과 적재중량를 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계; 를 포함할 수 있다.
요구 구동출력을 입력받는 단계에서는 요구 구동출력과 배터리 충전량을 함께 입력받고, 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계에서는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 연료전지의 정상출력제어를 수행할 수 있다.
연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계에서는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어와 저출력제어를 선택적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법에 따르면, 연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용되는 차량 및 어플리케이션을 제어함에 있어서, 연료전지의 요구 구동출력만을 이용하는게 아니라 차량 등의 적재중량 등의 운용변수를 통해 차량등의 내부상태를 함께 반영하여 연료전지와 배터리의 출력을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량 등의 연비 및 연료전지 스택의 내구 등을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 작동 메커니즘을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어방법을 나타낸 순서도.
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. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 구성도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 작동 메커니즘을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 구성도로서, 연료전지 운전제어기는 차량 및 어플리케이션 (이하 차량 등이라 함)에 관한 정보를 제공받아 연료전지의 출력을 제한하거나 가동을 제어하는 상위시스템이다. 특히, 본 발명의 일 실시예와 같이 연료전지(F)와 배터리(B)를 통하여 모터 등의 구동을 제어하는 시스템의 경우, 운용부(O)는 운용변수로서 차량 등의 정보로서 배터리(B)로부터 배터리 충전량(SOC: State of Charge), 배터리 최소충전량 및 출력제한값 등을, 차량정보 인터페이스(V)로부터 차속,변속 등의 차량정보와 적재중량(차량 총중량 - 차량중량) 또는 적재중량비율(적재중량/차량총중량) 등을, 사용자 인터페이스(U)로부터 요구 구동출력을 입력받는다. 운용부(O)는 위 장치들로부터 입력받은 운용변수를 토대로 배터리 출력과 연료전지 출력을 산출하고, 이를 FDC(Fuel Cell DC-DC Converter, 연료전지 출력 컨버터)등을 통해 신호를 변환하여 최종적으로 연료전지의 가동을 제어한다. 구동부(D)는 위와 같이 제어된 연료전지 출력와 배터리 출력에 따라 모터 등을 통해 차량 등을 구동한다.
본 발명의 배터리(B)에는 차량 등의 구동모터의 구동을 위한 전기에너지를 제공하는 고전압 배터리가 포함될 수 있다. 그 배터리(B)의 배터리 충전량은 그 하드웨어의 순간 전류-전압을 통한 측정치, 또는 그 배터리 소프트웨어(BMS)를 통한 예측치로 환산된 최대충전용량과 현재충전용량의 비율로 측정될 수 있다. 또한 차량정보 인터페이스(V)가 입력하는 적재중량 등은 차량 등의 운행 정보, 즉 차속이나 엔진 회전력인 RPM, 변속 상태(기어 단수) 등에 따라 현재 차량 등에 가해지는 힘을 계산하는 방식으로 도출될 수 있다. 또는, 로드셀(load cell)이나 유압계와 같이 차량 내부 장치에 설치되어 측정되거나, 혹은 에어센서나 경사센서, 변형센서나 포지셔닝센서과 같이 별도의 센서를 차량에 부착하여 측정될 수도 있다. 그리고 사용자 인터페이스(U)는 운전자가 가속이나 감속을 요구하는 것으로서 가속페달이나 브레이크페달, 음성인식(Voice recognition interface), 센서융합 (sensor fusion), 웨어러블 컴퓨팅(wearable-computing), 뇌-컴퓨터(Brain Computer Interface) 내지 다양한 입력 수단을 포함한다. 사용자 인터페이스는 운전자의 가감속에 대한 요구를 입력받아 이를 시스템이 필요로 하는 요구 구동출력으로 환산하여 제공하도록 할 수 있다.
본 발명은 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 제어시스템에 관한 기술이다. 대용량 배터리가 장착되는 차량 등에 적용되는 기존 제어시스템은 연료전지의 사용에 따른 성능 열화(degradation)을 극복하기 위해 위의 운용변수들 또는 그밖의 장치(열관리장치, 공기 및 연료공급장치, 연료저장장치 등)들에서 측정되고 실시간으로 변동하는 변수들 각각을 통해, 아니면 그들과의 관계식 등을 통해 제어한다. 특히, 위 파라미터들(그중 일반적으로 연료전지의 최대출력)이 일정수준을 넘지 못하도록 동적으로 또는 정적으로 제어할 수도 있다(정상출력제어). 이 경우, 차량등의 고부하 요구와 운전자가 원하는 가속 성능을 보장할 수는 있지만, 연료전지의 내구 향상을 위해 일정출력 이하를 일정시간 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
그래서, 기존 제어시스템은 연료전지의 내구 열화를 방지하기 위해 연료전지 출력보다 배터리 출력으로 차량 등을 구동하는 것을 우선하거나, 또는 이를 위해 연료전지의 고출력을 유지하지 않도록 그 출력을 제한하는 것이 일반적이다. 전자의 경우, 제어시스템은 배터리 충전량이 일정 수준 이상인 경우 배터리 출력만으로 차량을 구동하고 연료전지는 그 수소 또는 공기 공급을 아예 중단하도록 하는 구동정지제어(FCS모드: Fuel Cell Stop) 상태로 제어할 수 있다. 이 경우, 배터리 출력이 차량 등의 구동에 필요한 출력에 집중되어 연비 개선 효과와 내구 열화 방지의 효과를 동시에 거둘 수 있다. 후자의 경우, 제어시스템은 배터리 충전량이 일정 수준까지 도달할 때까지 연료전지의 수소 또는 공기 공급을 저하시켜 일정 시간까지 일정 출력 이하로 연료전지를 제어할 수 있다(저출력 구동제어). 이 경우에는 차량 등의 구동에 필요한 출력에 비하여 연료전지의 보기류(공기블로워, 수소 재순환블로워, 물펌프 등)의 출력이 커져, 연비가 FCS 모드보다 감소되고 그에 따라 연료전지의 내구 기간이 줄어들 수 있다.
그런데, 차량 등의 상태와 무관하게 배터리 충전량 만으로 연료전지의 출력을 제어하는 기존 기술은 후자의 저출력 구동제어, 또는 연료전지의 성능저하를 방지하는 정상출력제어를 과도하게 유도한다. 즉, 기존 제어시스템은 적재중량이 적은 상태에서도 배터리 충전량이 일정수준 이하라는 이유만으로 연료전지를 저출력 구동제어한다. 또는, 차량 등이 고출력을 요구하지 않음에도 불구하고 배터리 충전량이 일정수준 이상이라는 이유만으로 연료전지를 정상출력제어를 수행한다. 양자 모두 연비를 악화시키고 연료전지의 내구 열화를 방지하지 못한다. 그뿐만 아니라, 이는 배터리와 연료전지의 주변장치(BOP, Balance of plant)들의 제어에 과도하게 의존하게 한다. 결과적으로, BOP들을 과도하게 제어하거나, 배터리를 과도하게 충전 또는 방전시켜 그 성능상태(SOH, State of Health)를 크게 악화시킬 수 있다.
따라서, 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 제어시스템은 차량 등의 상태를 반영하여 연료전지의 구동을 제어하는 것이 바람직하다. 그러므로, 본 발명은 차량 등의 상태를 반영한 파라미터를 통하여 연료전지의 출력을 제어하기 위한 기술이다. 이를 통해, 차량 등의 연비를 향상시키고, 연료전지의 내구성을 높이며, 배터리 및 연료전지의 주변장치들의 성능상태까지 늘일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 구성도로서, 구체적으로, 연료전지(F)와 배터리(B)를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 연료전지 운전제어기로서, 요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 운용부(O);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 차량 등의 상태를 평가하는 지표로서 요구 구동출력과 적재중량을 사용한다. 차량 등의 요구 구동출력은 사용자 인터페이스(U)를 통해 입력받은 운전자의 가감속에 대한 요구를 차량 등의 전체 시스템이 필요로 하는 출력으로 환산한 값이다. 특히, 본 발명의 일 실시예의 요구 구동출력은 운전자의 요구를 적극적으로 반영하게끔 실시간으로 변화하는 값에 대해 일정 구간 이내(±α)의 범위로 설정할 수도 있고, 연료전지의 FCS 모드를 선택적으로 수행하는 제어가 더 안정적이게끔 일정 시간동안의 이동평균출력으로 설정하는 것도 가능하다.
위와 같이 결정되는 차량 등의 요구 구동출력은 연료전지 출력 또는 배터리 출력 각각과는 구별되는 전체 시스템이 필요로 하는 출력이다. 따라서, 단순히 운전자의 가감속에 따라 차량 등의 과속주행이나 저속주행상태를 평가하는 연료전지 출력 또는 배터리 출력 각각을 통한 연료전지의 제어보다 신속하고 정확하게 구동정지제어를 수행함으로써 연료전지와 배터리, 그리고 그 주변장치들의 내구 열화를 방지한다. 즉, 본 발명의 일 실시예의 요구 구동출력에 따른 제어는, 차량 등의 전체 시스템의 부하상태가 작다고 판단되는 경우 FCS 모드로 재빠르게 전환하여 차량 등 시스템 전체의 연비 및 내구성 향상 효과를 도모할 수 있다.
또한 적재중량, 즉 차량 등의 현재 총 중량에서 차량 중량을 뺀 값을 통한 연료전지의 제어는 차량 등 그 자체와 함께 그 외부적인 사용환경을 더 적절히 고려함으로써 연료전지의 내구성을 높일 수 있다. 상용, 트램, 선박 등 많은 적재중량을 예상되는 차량 등은 연료전지의 BOP들에 대해 높은 적재중량에 따른 낮은 연비와 차량 등의 불안정성, 파손 위험 등을 방지하기 위한 제어시스템이나 장치들이 별도로 갖추어져 있다. 예를 들어, 적재중량이 높은 경우를 대비해 차량 등의 배터리는 일정한 배터리 충전량 이상을 유지하도록 제어되거나, 열관리장치는 일정한 냉각수 온도 이하 등으로 제어되거나, 수소저장장치는 일정량의 수소 이상을 저장하도록 제어되어 있을 수 있다. 그런데, 차량 등의 사용환경에 따라 적재중량을 낮출 수도 있고, 이 경우에도 연료전지의 출력을 계속 유지하는 것은 연료전지의 내구성을 악화시킬 뿐만 아니라 그 BOP들의 과도한 제어를 유발한다. 즉, 차량 등의 적재중량이 낮은데도 불구하고 높은 상태로 판단한 상태에서 연료전지의 출력이 낮게 계속 유지되고, 냉각수 온도 상태와 수소저장장치의 수소량 상태도 계속 측정, 판단함에 따라 시스템 전체에 과도한 리소스가 투입되게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예의 적재중량을 통한 연료전지의 제어는 이러한 문제점을 방지하고, FCS 모드로 정확하고 신속하게 전환함으로써 차량 등의 내구성 및 BOP들과의 관계에서 안정성을 높인다.
결국, 본 발명의 일 실시예는 차량 등의 요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 제어함으로써 차량 등의 내부 시스템의 부하를 반영함과 동시에 차량 등의 사용환경에 따른 외부 시스템에 따른 부하를 동시에 반영하여 연료전지의 구동정지제어를 선택할 수 있다. 이를 통하여, 연료전지의 내구성을 확보하고, 차량 등의 연비를 향상시킴과 동시에, 연료전지와 그 BOP들, 배터리와의 관계에서 더욱 안정적으로 차량등이 운용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 작동 메커니즘을 나타낸 도면으로서, 구체적으로, 운용부(O)는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 연료전지의 정상출력제어를 수행할 수 있다.
여기서의 정상출력제어는 차량 등의 시동 전 또는 운전 시작부터, 구동 및 운전종료상태까지 연료전지와 배터리, 또는 그 BOP들과 그에 설치된 센서들 등에서 측정되는 실시간 파라미터들이 일정수준을 넘지 못하도록 동적으로 또는 정적으로 제한하는 시스템이다. 예를 들어 제어기가 연료전지 출력을 동적으로 제한하는 시스템을 가정해보자. (시동 전 또는 운전 시작으로서 차량 등을 구동하기 전이나 회복시간을 충분히 둔 상태인)정상 상태에서는 100kW 이하로 연료전지 출력을 제한하다가, 냉각수 온도가 높아지거나 배터리 충전량이 부족하는 상황 등이 발생하면 냉각수 온도나 배터리 충전량 등에 비례 또는 상응하여 그 기준을 90,80kW 등으로 계속 변동하면서 낮출 것이다. 이렇게 동적 제한 시스템은 실시간 파라미터들과 출력제어를 연동함으로써 운전자의 가감속 요구와 그에 따른 성능 열화를 조화시킬 수 있다.
한편, 제어기가 연료전지 출력을 정적으로 제한하는 시스템을 가정해보자. 여기서는 정상 상태에서 연료전지의 100kW 출력에서 위의 상황 등이 발생하면, 위 파라미터에 비례 또는 상응하는게 아니라, 그 기준을 일정 시간 또는 정상 상태로 돌아갈 때까지 90, 80kW 등 일괄적으로 연료전지 출력을 낮출 것이다. 따라서, 정적 제한 시스템은 운전자의 가감속 요구보다는 차량 등의 내구성 향상에 초점을 맞춘 제어방식이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 운전제어기는 정상출력제어로서 가감속 성능을 요구하는 차량 등에는 정적 제한을 수행하고, 연료전지의 내구성에 중심을 둔 차량 등에는 동적 제한을 수행하도록 미리 설계될 수 있다. 어느 경우이든, 본 발명의 일 실시예는 배터리 충전량이 구비됨을 전제로 구동정지제어를 원할하게 수행하도록 한다. 특히, 배터리 충전량이 제1기준값 이상임을 전제로만 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 본 발명의 일 실시예는 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템 모두에 범용성있게 적용할 수 있는 특징이 있다.
또한, 여기서의 배터리 충전량의 제1기준값은 그 미만의 배터리 충전량 상태에서 정상출력제어를 수행하는 연료전지가 운전하는 상태에서 차량 등 전체 시스템의 연비가 최대가 되는 점으로 결정할 수 있다. 이는 실험적으로, 또는 기 측정된 값들을 토대로 선형회귀(linear regression) 또는 곡선 접합(curve fitting) 등의 추세선의 연장값으로, 또는 연료전지의 최고 효율점인 전류 출력을 고정시킨 상태에서 가상 실험(simulation) 등을 통해 결정할 수 있다. 또한, 제1기준값은 해당 차량등이 그 시스템의 연비보다 연료전지의 내구성을 더 요구하는 경우 그에 맞게 재설계될 수 있다.
구체적으로, 도 2의 운용부(O)는 요구 구동출력이 제1출력 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행할 수 있다. 즉, 차량 등에 낮은 부하 상태가 유지되는 경우 연료전지는 구동정지제어 모드로 전환할 수 있다. 여기서 제1출력은 위의 제1기준값과 마찬가지로 그 이하 상태에서 구동정지제어를 수행할 경우 차량 등 전체 시스템의 연비가 최대가 되는 점 또는 해당 차량 등에 맞는 내구성과 조화를 이루는 점으로서 측정, 예측, 또는 가상 실험 등을 통해 결정할 수 있다. 따라서, 위와 같이 결정된 요구 구동출력을 통한 구동정지제어의 선택적 수행은 차량 등 시스템 전체의 연비 및 내구성 향상 효과를 도모할 수 있다.
또한, 도 2의 운용부(O)는 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다. (참고: 도 2의 저출력구동제어를 정상출력제어로 변경한 실시예 중 하나이다.) 다시 말해, 적재중량이 일정수준 이하로 감소된 차량 등의 연료전지는 구동정지제어 모드로 전환할 수 있다. 예를 들어, 차량 등이 화물을 운송하는 경우를 생각해보면, 차량 등이 화물을 싣는 경우 정상출력제어를 수행하고, 화물을 내린 다음부터는 구동정지제어를 수행하는 것이다. 이 경우, 화물을 싣는 경우 배터리 충전량이 제1기준값 이상이더라도 정상출력제어를 수행함으로써 차량 등의 가속성능을 발휘하여 고부하상태에 대응할 수 있다. 또한, 화물을 내린 다음부터는 배터리 충전량이 제1기준값 이상이므로 구동정지제어를 수행하여 연비 및 연료전지의 내구를 높인다.
여기서의 제1중량은 해당 차량 등이 최대한도로 적재할 수 있는 중량의 일정비율로 결정될 수 있다. 특히, 높은 항속 거리(range)가 보장되어야 하는 차량 등은 법적 최대적재한도와 무관하게 최대의 적재중량이 그 항속거리에 따라 결정된다. 따라서, 이를 기준으로 제1중량은 앞서 언급한 제1기준값 등과 같이 전체 시스템의 연비가 최대가 되는 점 또는 내구성과 조화를 이루는 점으로 결정될 수 있다.
위와 같이 결정된 적재중량을 통한 구동정지제어의 선택적 수행은 적재물의 상차시 연비를 강화시키고 연료전지의 내구 열화를 방지하며, 배터리를 적절히 충전시켜 그 성능상태(SOH)를 유지시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 적재물의 하차 이후임에도 불구하고 적재중량을 고려하지 않음으로써 발생되는 연료전지 BOP들의 과도한 제어를 방지하여, 차량 등에 적용되는 시스템 전체를 안정화한다
그리고, 도 2의 운용부(O)는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다. (참고: 도 2의 저출력구동제어를 정상출력제어로 변경한 실시예 중 하나이다.) 즉, 운용부(O)는 최적의 요구구동출력 구간을 설정하여 연료전지의 구동제어모드로 전환하거나 정상출력제어를 수행할 수 있다. 이는 차량 등의 시스템의 최고 효율을 내는 요구 구동출력에 가려진 배터리의 충전량 감소를 차단한다. 앞서 언급한 제1출력의 설정기준은 차량 등 시스템의 최고 효율점에서의 출력일 수 있다. 그런데, 시스템의 요구 구동출력이 높은, 즉 고부하 상태에서는 차량 등 내 배터리의 SOC가 FCS모드 상태를 유지할 수 없을 정도로 빠르게 감소한다. 이에 따라 연료전지만으로 고출력 구동하는 경우 차량 등의 연비와 내구성 악화를 피할 수 없다. 이 경우, 요구 구동출력을 배러티의 SOC가 유지되는 정도의 출력값 미만에서는 FCS 모드를 선택적으로 제어하고, 그 이상의 출력값은 재빠르게 연료전지의 정상출력제어 상태로 전환하는 것이 시스템의 안정성 측면에서 바람직하다. 따라서, 제2출력은 연료전지의 정상출력제어 상태에서도 배터리의 SOC가 유지되는 정도의 출력값으로 측정, 예측, 또는 가상 실험 등을 통해 결정할 수 있다. 이렇게 결정된 제2출력과 제1출력의 구간을 설정하는 본발명의 일실시예는, 구동정지제어의 안정성을 확보하면서, 차량 등의 고부하 환경에 신속하게 대응할 수 있는 시스템이다.
마지막으로, 도 2의 운용부(O)는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행할 수 있다. (참고: 도 2의 저출력구동제어를 정상출력제어로 변경한 실시예 중 하나이다.) 다시 말해, 요구 구동출력의 일정 구간 내에서 적재중량이 일정수준 이하로 감소된 차량 등의 연료전지는 구동정지제어 모드로 전환할 수 있다. 따라서, 배터리의 SOC가 유지되는 수준의 부하가 차량 등에 걸린 경우만 적재중량을 통한 구동정지제어를 수행하여 시스템 전체의 안정성을 더욱 도모할 수 있다.
특히, 높은 항속 거리(range)가 보장되어야 하는 차량 등은 법적 최대적재한도와 무관하게 최대의 적재중량이 그 항속거리에 따라 결정된다. 따라서, 이를 기준으로 제1중량은 앞서 언급한 제1기준값 등과 같이 전체 시스템의 연비가 최대가 되는 점 또는 내구성과 조화를 이루는 점으로 결정될 수 있다. 따라서, 위와 같이 결정된 적재중량을 통한 구동정지제어의 선택적 수행은 연비를 강화시키고 연료전지의 내구 열화를 방지하며, 배터리를 적절히 충전시켜 그 성능상태(SOH)를 유지시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 요구 구동출력과 적재중량을 같이 고려하지 않음으로써 발생되는 연료전지 BOP들의 과도한 제어를 방지하여, 차량 등에 적용되는 시스템 전체를 안정화한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어기의 작동 메커니즘을 나타낸 도면으로서, 다른 실시예로, 운용부(O)는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행할 수 있다. 즉, 운용부(O)는 차량상태에 따라 차량 등의 연비와 연료전지의 내구성보다는 선제적으로 배터리를 충전시켜 연료전지의 구동정지제어를 준비하도록 운용할 수 있다.
여기서 연료전지의 저출력구동제어는 배터리 충전량이 일정 수준까지 도달할 때까지 연료전지의 수소 또는 공기 공급을 저하시켜 일정 시간까지 일정 출력 이하로 연료전지를 제어하는 것이다. 이 때, 그 "저출력"은 연료전지 제어의 안정성상 위의 요구구동출력과 같이 일정 구간 이내(±b)의 범위로 설정할 수도 있고, 일정 시간동안의 이동 평균출력 등으로 설정하는 것도 가능하다. 또한, 그 저출력구동제어는 차량 등의 저출력을 발생시키기 위해 공기압력(air pressure)과 질량 유량(mass flow rate)을 모두 낮추는 것이나, 베르누이 정리상 연비가 가장 효율적인 비율로 전자는 약간 높고 후자는 약간 낮게, 또는 그 반대로 조절할 수 있다.
일반적으로, FCS 모드가 아니면 정상출력제어, 즉 실시간 파라미터에 따라 연료전지의 최대 출력을 정적 또는 동적으로 제어한다. 동적 제어의 경우 연료전지의 출력이 연속적으로 변화하는데, 이에 따라 배터리의 충전량도 연속적으로 변화한다. 따라서, 연료전지의 FCS모드를 구동하는데 필요한 일정수준의 배터리를 측정, 판단 및 제어에 과도한 리소스가 투입될 수 있다. 또한, 정적 제어의 경우 연료전지의 출력이 일정수준으로 유지되는데, 그 수준이 운전자의 가속요구 등에 따라 너무 높게 설정되어 있을 수 있다. 이 경우, 연료전지는 FCS모드를 수행할 수도 없고, 그렇다고 정상출력제어를 수행하게 되면 너무 높은 일정 출력에 따라 배터리의 높은 방전율에 따른 수명 감소가 심화된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 차량 등의 상태에 따라 FCS 모드와 정상출력제어에만 의존함으로써 발생하는 문제점을 해결한다. 즉, 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행하는 본 발명의 일 실시예는 연료전지와 배터리를 통하여 모터 등의 구동을 제어하는 시스템에서 FCS 모드를 안정적으로 수행할 수 있게 하고, 그에 따른 차량 등의 연비 및 연료전지의 내구성 향상효과를 실질적으로 도모할 수 있게 한다.
한편, 운용부(O)는 저출력구동제어를 수행한 다음 배터리 충전량이 제2기준값 이상이면 구동정지제어를 수행할 수 있다. 다시 말해, 운용부(O)는 배터리 충전량을 계속 피드백하면서 연료전지의 구동정지제어로 빠르게 전환하도록 제어할 수 있다. 여기서의 제2기준값은 배터리 충전량이 배터리의 SOH가 감소하지 않을 정도의 최대 충전량일 수 있다. 배터리의 과충전은 그 고온 노출로 인해 배터리와 그 BOP의 수명을 감소시키고, 스웰링(swelling) 현상 또는 화재발생의 위험을 초래한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 배터리 충전량에 따라 신속하게 FCS 모드로 연료전지의 제어를 전환함으로써 배터리등의 수명 향상 및 그에 따른 차량 등 시스템 전체의 안정성을 도모한다.
또한, 운용부(O)는 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 저출력구동제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행할 수 있다. 즉, 운용부(O)는 배터리 충전량이 유지되지 못하는 고출력 구간에서는 저출력구동제어로 전환할 수 있다. 앞서 언급한 것과 같이, 차량 등의 시스템의 고부하 상태에서는 배터리 충전량이 급속도로 감소하고, FCS모드를 유지하지 못하면 차량 등의 연비 및 연료전지의 내구성은 악화된다. 이 경우, 빠르게 정상출력제어로 전환하는 제어를 수행하는 위 실시예와 달리, 본 발명의 다른 일 실시예는 저출력구동제어로 전환한다. 따라서, 본 발명의 다른 일 실시예는 기존 실시예에서 정상출력제어에 따라 FCS모드로 다시 전환하지 못하는 위험과, 그 전환점을 찾는 것에 대해 과도한 리소스를 투입하는 것을 방지한다. 그에 따라 운전자의 가속요구을 다소 불만족시키더라도, 운용부(O)는 해당 차량 등이 요구하는 운전가능기간과 연료전지의 내구성을 만족시키는데 더 초점을 두어 제어할 수 있다.
그리고, 운용부(O)는 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력구동제어를 수행할 수 있다. 바꿔 말하자면, 운용부(O)는 차량 등이 적재된 화물 등의 상·하차, 또는 그 자체 중량의 정도에 따라 신속하게 저출력구동제어에서 구동정지제어로 전환하게끔 제어한다. 차량 등 중 드론, 1인 모빌리티 등과 같이 비정기적으로 단시간 동안 운반하는 경우에는 적재중량에 따라 정상출력제어로 전환하게끔 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상용, 항공, 트램, 선박 등 정기적으로 장기간 동안 화물이나 승객을 운반하는 경우, 운전자의 가속요구만을 충족시키는 것은 차량 등의 운전가능기간에 대한 수요자의 요구상 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 다른 일 실시예는 제1중량 초과의 화물 등을 올린 경우 저출력구동제어를 수행하되, 그 화물 등을 내린 다음부터는 구동정지제어를 신속하게 수행함으로써, 차량 등의 연비 및 연료전지의 내구를 높임과 동시에, 정기적, 장기간 화물 등의 운반을 필요로 하는 특수 차량 등의 니즈를 더욱 만족시킬 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 여기서의 제1중량은 해당 차량 등이 최대한도로 적재할 수 있는 중량의 일정비율로서 그 시스템의 최고 효율점, 연료전지의 내구성 또는 배터리의 SOH와의 조화된 지점을 의미한다. 다만, 위 발명의 일 실시예에서는 저출력구동제어를 선택적으로 수행하므로, 연료전지의 내구 열화에 좀더 초점을 맞추어 좀더 낮게 설계하는 것이 바람직하다.
다음으로, 운용부(O)는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 제1출력 이하인 경우 구동정지제어를 수행할 수 있다. 여기서 제1출력은 위와 마찬가지로 차량 등 시스템의 최고 효율점에서의 출력일 수 있다. 또한 제1출력은 제어의 안정성상 일정 구간 이내(±a)의 범위내로, 또는 일정시간 동안의 이동평균출력 등으로 설정될 수 있다. 즉, 운용부(O)는 최적의 요구 구동출력 구간 내의 차량 등의 부하에서만 구동정지제어 수행 여부를 제어한다.
예컨데, 차량 등의 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만으로 높은 경우, 제2출력 미만이므로 해당 차량 등의 배터리 충전량은 일정수준을 유지한다. 이 경우에, 해당 차량 등은 그 출력의 다이나믹스를 최대한 배터리에서 수용하되 일정부분은 적재중량 등으로 인한 차량 상태 변화를 견디기 위해 연료전지에서 부담하는 것이 추후의 FCS 모드를 위해 바람직하다. 반대로, 제1출력 미만에서는 배터리 충전량이 일정수준을 유지하는 것을 넘어 상승할 것이다. 따라서, 이 경우 요구 구동출력이 낮은 경우로서 등속 내지 감속하는 차량 등에 대해서는, 차량 상태 변화를 연료전지에서 일정부분 수용하는 것보다는 그것까지도 배터리에서 최대한 부담하는 것이 연료전지의 내구성 측면에서 바람직하다. 따라서, 이러한 최적 구간을 설정하여 제어하는 본 발명의 일 실시예는 배터리 환경에 따라 연료전지의 구동정지제어를 최대한 가동시킴으로써 연료전지의 내구성과 그에 따른 차량 등의 운전가능시간을 극대화할 수 있다.
마지막으로, 운용부(O)는 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력제어를 수행할 수 있다. 즉, 본 실시예의 운용부(O)는 위 요구 구동출력의 최적 구간 내에서만 적재중량을 통한 구동정지제어와 저출력제어의 선택적 제어를 수행한다. 예컨데, 해당 차량 등이 적재하는 화물등의 자체의 중량이 너무 적은 경우를 가정해보자. 그렇다면, 경사로 등을 통과하여 고출력 구간에 진입한 차량 등이라도 배터리만으로 구동하는 것이 수월하므로, 굳이 저출력구동제어를 수행하지 않는 것이 바람직하다. 한편, 화물등의 자체 중량이 너무 높은 경우를 가정해보면, 배터리만을 구동하는 것은 그 배터리 충전량 감소로 인해 향후 구동정지제어를 수행하는데 지장이 생긴다. 따라서, 운용부(O)는 신속히 저출력구동제어만을 수행하게 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예는 차량 등의 내부 시스템의 부하와 그 사용환경에 따른 외부 부하를 모두 고려하되, 배터리가 유지되는 경우는 최대한 구동정지제어를 수행하도록 제어한다. 이에 따라, 본 운용부(O)는 FCS모드를 통한 차량 등의 연비 향상 및 연료전지의 내구성 향상 효과를 내·외부환경에 맞게 발휘하도록 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 운전제어방법을 나타낸 순서도로, 본 발명에 따른 연료전지의 운전을 제어하는 방법은, 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 방법으로서, 요구 구동출력을 입력받는 단계(S100); 적재중량을 입력받는 단계(S100); 및 요구 구동출력과 적재중량를 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어(S800)를 선택적으로 수행하는 단계(S200-S600); 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운전제어방법은, 더 구체적으로, 먼저 차량 등이 시동을 걸거나 주행을 시작하면, 처음 단계에서 운용변수로서 차량 등에 관한 정보를 입력한다(S100). 그 정보는 기본적으로는 시스템의 요구 구동출력으로, 운전자는 가속페달 등을 통해 차량 등의 가감속 또는 변속을 요구하고, 그를 통해 해당 단계에서는 시스템 전체에서 필요로 하는 요구 구동출력을 계산하여 입력한다. 그외 다른 정보로 해당 단계에서는 배터리 충전량과 적재중량 등을 입력할 수 있다. 그 다음 단계는, 요구 구동출력이 제1출력 이하인지(S300), 제2출력 미만인지 판단하는 단계를 수행한다(S400). 이에 따른 다음 단계로, 최종적으로 연료전지의 구동정지제어를 수행한다(S800). 또한 이 단계에서, 요구 구동출력을 포함한 운용변수를 통하여 연료전지의 정상출력제어(S700)나 저출력제어(S900)를 선택적으로 수행할 수도 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 운전제어방법은 차량 등의 요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 제어함으로써 차량 등의 내부 시스템의 부하를 반영함과 동시에 차량 등의 사용환경에 따른 외부 시스템에 따른 부하를 동시에 반영하여 연료전지의 구동정지제어를 선택할 수 있다. 이를 통하여, 연료전지의 내구성을 확보하고, 차량 등의 연비를 향상시킴과 동시에, 연료전지와 그 BOP들, 배터리와의 관계에서 더욱 안정적으로 차량등을 운용할 수 있다.
또한, 요구 구동출력을 입력받는 단계(S100)에서는 요구 구동출력과 배터리 충전량을 함께 입력받고, 연료전지의 구동정지제어(S800)를 선택적으로 수행하는 단계(S200-S600)에서는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 연료전지의 정상출력제어(S700)를 수행할 수 있다.(S200) 그 다음, 배터리 충전량이 제1준값 이상인 경우만 요구 구동출력이 제1출력 이하인지(S300), 제2출력 미만인지 판단하는 단계를 수행한다(S400). 마지막 단계로, 요구 구동출력을 포함한 운용변수를 통하여 연료전지의 정상출력제어(S700)나 저출력구동제어(S900)를 선택적으로 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 운전제어방법은 정상출력제어로서 가감속 성능을 요구하는 차량 등에는 정적 제한을 수행하고, 연료전지의 내구성에 중심을 둔 차량 등에는 동적 제한을 수행하도록 미리 설계될 수 있다. 어느 경우이든, 본 발명의 일 실시예는 배터리 충전량이 구비됨을 전제로 구동정지제어를 원할하게 수행하도록 한다. 특히, 배터리 충전량이 제1기준값 이상임을 전제로만 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 본 발명의 일 실시예는 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템 모두에 범용성있게 적용할 수 있는 특징이 있다.
끝으로, 연료전지의 구동정지제어(S800)를 선택적으로 수행하는 단계에서(S200-S600)는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어(S800)와 저출력제어(S900)를 선택적으로 수행할 수 있다. 그 전 초기 단계로서, 연료전지는 요구구동출력과 함께 적재중량, 배터리 충전량을 입력받을 수 있다.(S100) 이에 따라 배터리 충전량이 제1기준값 이상인지 판단하는 단계(S200)를 거칠 수 있다. 그 다음, 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우만 운용부는 요구 구동출력이 제1출력 이상인지 판단하는 단계(S300) 또는 제2출력 이상인지 판단하는 단계(S400)를 수행할 수 있다. 특히, 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우로 판단된 경우 연료전지의 저출력구동제어(S900)를 수행한다. 또한, 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만으로 판단된 경우 운용부는 적재중량이 제1중량 이하인지 판단하는 단계(S500)를 수행할 수 있다. 그 다음 단계로, 제1중량 이하로 판단된 경우 운용부는 연료전지의 구동정지제어(S800)를 수행하고, 제1중량 초과로 판단된 경우 운용부는 연료전지의 저출력구동제어(S900)를 수행할 수 있다. 또한, 연료전지의 저출력구동제어(S900)가 수행된 다음 단계로서, 배터리 충전량이 제2기준값 이상인 경우 운용부는 연료전지의 구동정지제어(S800)를 수행할 수 있다.
즉, 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행하는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전제어방법은 연료전지와 배터리를 통하여 모터 등의 구동을 제어하는 시스템에서 FCS 모드를 안정적으로 수행할 수 있게 하고, 그에 따른 차량 등의 연비 및 연료전지의 내구성 향상효과를 실질적으로 도모할 수 있게 한다.
또한, 연료전지의 각 제어단계(S700,S800,S900)는 그 단계의 수행 이후 운용변수를 입력받는 단계(S100)로 다시 회귀할 수 있다. 특히, 연료전지의 저출력구동제어는 운용변수 중 배터리 충전량을 입력받는 단계만으로 한정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 차량 등의 상태와 연료전지, 배터리의 상태를 피드백하여 그에 알맞은 연료전지의 제어가 선택적으로 수행되도록 한다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예는 차량 등의 내부환경과 적재중량 등의 외부환경에 맞게 선제적으로 FCS 모드를 수행할 수 있도록 대응할 수 있고, 그에 따라 차량 등이 그 연비 향상 및 연료전지의 내구성 향상효과를 지속적으로 발휘할 수 있다.
본 발명은 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 차량 등의 내부환경과 외부환경을 나타내는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 연료전지 운전제어기 및 운전제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용된 차량에 대해서 연료전지 시스템 작동 중에 배터리 충전으로 인해 SOC가 일정 수준 이상이면 FC stop, 즉 구동정지제어 기능을 수행하면 연비 개선 효과를 얻을 수 있다. 그러나 상용 차량은 고부하(또는 고중량)/장거리 주행으로 인해 SOC를 보다 더 높게 유지해야만 항속 거리를 보장할 수 있다. 따라서 SOC가 일정 수준 이상이고 차량 등의 요구 출력이 낮을 경우의 연료전지 시스템은, 구동정지제어 기능을 수행하기보다는 배터리 충전만 가능한 연료전지 시스템의 저출력구동제어를 통해 연료전지 시스템을 항상 가동시켜 SOC를 높게 유지하는 전략을 적용하기도 한다.
그러나, 상용 차량에 일괄적으로 연료전지 시스템의 저출력구동제어를 적용할 경우, SOC 유지를 위해 항상 연료전지 시스템이 가동됨에 따라 연비 악화 및 스택 내구 단축을 발생시켜 차량의 상품성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상용 차량 등의 상태를 반영하여 저출력구동제어를 선택적으로 수행할 필요성이 대두된다.
따라서 본 발명은 연료전지 시스템과 배터리 시스템이 적용되는 차량 및 어플리케이션을 제어함에 있어서, 연료전지의 요구 구동출력만을 이용하는게 아니라 차량 등의 적재중량 등의 운용변수를 통해 차량등의 내부상태를 함께 반영하여 연료전지와 배터리의 출력을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량 등의 연비 및 연료전지 스택의 내구 등을 증대시킬 수 있다.
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.
B : 배터리 O: 운용부
D : 구동부 U : 사용자 인터페이스 F : 연료전지 V : 차량정보 인터페이스

Claims (15)

  1. 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 연료전지 운전제어기로서,
    요구 구동출력과 적재중량을 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 운용부;를 포함하는 연료전지 운전제어기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    운용부는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 정상출력제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제1출력 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하고 요구 구동출력이 제1출력 초과인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하고 요구 구동출력이 제1출력 초과이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  5. 청구항 2에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 정상출력제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하고 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 정상출력제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    운용부는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    운용부는 저출력구동제어를 수행한 다음 배터리 충전량이 제2기준값 이상이면 연료전지의 구동정지제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  9. 청구항 7에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제2출력 이상인 경우 저출력구동제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하고, 요구 구동출력이 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력구동제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  11. 청구항 9에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력이 제1출력 초과 제2출력 미만인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고, 제1출력 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    운용부는 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 이하인 경우 연료전지의 구동정지제어를 수행하고 요구 구동출력에 제1출력 초과 제2출력 미만이고 적재중량이 제1중량 초과인 경우 저출력구동제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어기.
  13. 연료전지와 배터리를 통하여 구동출력을 생성하는 시스템에 있어서 연료전지의 운전을 제어하는 방법으로서,
    요구 구동출력을 입력받는 단계;
    적재중량을 입력받는 단계; 및
    요구 구동출력과 적재중량를 포함하는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계; 를 포함하는 연료전지 운전제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    요구 구동출력을 입력받는 단계에서는 요구 구동출력과 배터리 충전량을 함께 입력받고, 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계에서는 배터리 충전량이 제1기준값 이상인 경우 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하고 배터리 충전량이 제1기준값 미만인 경우 정상출력제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    연료전지의 구동정지제어를 선택적으로 수행하는 단계에서는 운용변수를 통하여 연료전지의 구동정지제어와 저출력구동제어를 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전제어방법.
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