KR20230057790A - 연료전지 전력 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치는 고전압을 저전압으로 변환하여 저전압배터리에 공급하는 전력변환부, 냉각수를 유동시켜 상기 전력변환부를 냉각시키는 냉각부 및 상기 저전압배터리의 잔여 충전량에 기반하여 상기 전력변환부 및 상기 냉각부의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 전력 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING POWER OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 전력 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 BHDC 패키지는 양방향 고전압 직류변환기(Bi-directional High voltage DC-DC converter; BHDC)와 저전압 직류변환기(Low voltage DC-DC converter; LDC)를 포함한다.
BHDC는 고전압배터리의 전압을 승압하여 고전압 정션(Junction) 박스로 전달하는 역할을 하며, 차량의 모터로부터 회생되는 전기에너지를 다시 고전압배터리로 충전할 때 강압하는 역할을 수행한다. LDC는 연료전지 스택이나 BHDC에서 출력되는 고전압을 12V로 낮추어 저전압배터리를 충전시킨다. 저전압배터리는 연료전지시스템 운전 장치들을 포함하여 차량 내 저전압 구동 장치들에 전원을 공급하므로 운전자의 시동 전에 저전압배터리의 충전량은 일정량 이상 확보되어 있어야 한다.
고전압배터리에 형성된 고전압은 연료전지 ON을 위한 전장품 구동에 사용되며, 동시에 LDC를 통해 저전압배터리 충전에 사용된다.
따라서, 저전압배터리의 충전량이 부족한 경우, 고전압 시스템 ON과 동시에 고전압배터리에서 저전압배터리로 전력이 급속 이동한다. 이때, 연료전지 ON과 상관없이 우선적으로 전력 이동이 먼저 발생되므로, stand-by 단계에서 e-BOP(Electrical Balance of Plant)의 요구 전력이 예상되지 않는 상황인데도 BHDC에서는 발열이 되는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 연료전지 차량의 시동 시퀀스에서 발생하는 연료전지시스템과 고전압배터리 사이의 불필요한 전력 이동을 개선시킬 수 있는 연료전지 전력 관리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 해당 분야의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치는 고전압을 저전압으로 변환하여 저전압배터리에 공급하는 전력변환부, 냉각수를 유동시켜 상기 전력변환부를 냉각시키는 냉각부 및 상기 저전압배터리의 잔여 충전량에 기반하여 상기 전력변환부 및 상기 냉각부의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전력변환부는 회생 전력을 강압하여 고전압배터리를 충전하거나 또는 고전압배터리의 전력을 승압하여 전기 부하로 공급하는 양방향 고전압 직류변환기 및 상기 양방향 고전압 직류변환기의 출력 전력을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리를 충전하는 저전압 직류변환기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 차량의 시동 점화 시 수소 탱크의 충전량이 소정 잔여량보다 많으면, 상기 차량의 저전압 전장품이 구동되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 저전압 직류변환기를 구동시키기 전에 상기 냉각부를 먼저 구동시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 연료전지 스택을 구동시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택 구동 후 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리의 충전량이 소정 범위로 유지되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 방법은 저전압배터리의 잔여 충전량에 기반하여, 고전압을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리에 공급하는 전력변환부 및 냉각수를 유동시켜 상기 전력변환부를 냉각시키는 냉각부의 구동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 양방향 고전압 직류변환기에서 회생 전력을 강압하여 고전압배터리를 충전하거나 또는 고전압배터리의 전력을 승압하여 전기 부하로 공급하는 단계 및 저전압 직류변환기에서 상기 양방향 고전압 직류변환기의 출력 전력을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리를 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 차량의 시동 점화 시 수소 탱크의 충전량이 소정 잔여량보다 많으면, 상기 차량의 저전압 전장품이 구동되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 상기 저전압 직류변환기를 구동시키기 전에 상기 냉각부를 먼저 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 연료전지 스택을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 전력 관리 방법은 상기 연료전지 스택 구동 후 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리의 충전량이 소정 범위로 유지되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술은 연료전지 차량의 시동 시퀀스에서 발생하는 연료전지시스템과 고전압배터리 사이의 불필요한 전력 이동이 개선되도록 하고, 이에 따라 전장 라인의 고 전류로 인한 방사 노이즈 감소로 연료전지시스템 초기 설정(Initialize)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통하여 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지를 장착한 구동시스템을 나타내는 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지를 장착한 구동시스템의 냉각 과정을 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 구성하는 배터리의 충전 특성을 설명하기 위한 도면이며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 통한 노이즈 저감 상태를 설명하기 위한 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent) 또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지를 장착한 구동시스템을 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지를 장착한 구동시스템의 냉각 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 나타내는 블록도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 구성하는 배터리의 충전 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 연료전지를 장착한 구동시스템은 연료전지시스템(100), 전력변환장치(200), 고전압배터리(310), 저전압배터리(320), 고전압정션부(400), 직류변환부(600), 인버터부(700) 및 모터(800)를 포함하여 구성할 수 있다.
연료전지시스템(100)은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연료전지스택(120) 내에서 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로 전력을 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료전지시스템(100)은 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)으로 이루어져 전력을 발생시키는 연료전지스택(120)과, 수소탱크(110)에 저장된 수소를 연료극으로 공급하기 위한 수소공급장치(미도시)와, 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기공급장치(미도시)를 포함할 수 있다.
이러한 구성으로 연료전지시스템(100)은 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
전력변환부(200)는 양방향 고전압 DC/DC 컨버터(Bidirectional High voltage DC/DC Converter; BHDC)(210)와 저전압 DC/DC 컨버터(Low voltage DC/DC Converter; LDC)(220)를 포함할 수 있다.
BHDC(210)는 고전압배터리(310)의 전압을 승압하여 고전압정션부(400)에 보내는 역할을 하며, 모터(800)로부터 회생되는 전력을 다시 고전압배터리(310)로 충전할 때 강압하는 역할도 한다. BHDC(210)는 고전압정션부(400)를 통하여 DC/DC 컨버터(600), 인버터(700) 및 모터(800) 등의 전기 부하로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
LDC(220)는 단방향 DC/DC 컨버터이다. LDC(220)는 연료전지스택(120)의 출력 전압 또는 BHDC(210)의 출력 전압을 12V의 저전압으로 변환하여 저전압배터리(320)를 충전시키고, 연료 전지 차량을 구성하는 전장 부하(E-BOP; Electrical Balance of Plant)(60)에 에너지를 공급할 수 있다.
LDC(220)는 연료 전지 차량이 시동될 때에는 저전압배터리(320)에서 인가되는 저전압을 승압하여 고전압배터리(310)의 각 부품에 고전압을 인가하는 부스트 모드(boost mode)로 동작하여 연료 전지 차량을 시동 시킬 수 있다. LDC(220)는 연료 전지 차량이 시동될 때 이외에는 고전압배터리(310)에서 인가되는 고전압을 강압하여, 저전압배터리(320)를 충전하거나, 연료 전지 차량 내의 각 전장품(60)에 전압을 공급하는 벅 모드(buck mode)로 동작할 수 있다. LDC(220)는 Buck/Boost Converter(170)를 통하여 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작할 수 있다.
고전압배터리(310)는 대용량의 리튬 이온 배터리이며, 연료 전지 차량의 전기 차량 모드(Electric Vehicle Mode, EV 모드)에서 고전압배터리(310)의 전력만으로 연료 전지 차량이 운행되도록 할 수 있다. 고전압배터리(310)에서 제공되는 전압은 BHDC(210)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압정션부(400)를 통해 전기 부하로 공급될 수 있다.
아울러, 전기 부하에 고전압의 전력을 공급하는 경로는 두 가지가 있을 수 있다. 첫 번째 경우로써, 연료 전지 차량의 시동 후 연료전지스택(120)이 동작하면, 연료전지스택(120)에서 생산되는 전력이 BHDC(210)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압정션부(400)를 통해 전기 부하로 공급될 수 있다. 두 번째 경우로써, 연료 전지 스택(220)의 전력을 이용하지 않고, 고전압배터리(310)에 충전되어 있는 전력이 BHDC(210)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압정션부(400)를 통해 전기 부하로 공급될 수 있다.
저전압배터리(320)는 리튬 이온 배터리이며, LDC(220)로부터 입력된 저전압에 의해 충전될 수 있다.
저전압배터리(320)는 차량 실내 공조장치 등의 전장품(60)의 구동 에너지원이 되는 동시에 연료전지 제어기(FCU; Fuel cell Control Unit), 모터 제어기(MCU; Micro Control Unit) 등 연료전지시스템(100) 주요 제어기들의 전원 역할을 하며, 연료 전지 차량의 초기 구동에 있어서도 필수적인 역할을 수행할 수 있다.
저전압배터리(320)는 연료전지시스템(100)의 운전 장치들을 포함하여 연료 전지 차량 내 저전압 구동 장치들에 전원을 공급하므로, 연료 전지 차량의 시동 전에 저전압배터리(320)의 충전량은 일정량 이상 확보되어 있어야 한다.
고전압정션부(400)는 연료전지시스템(100) 및 BHDC(210)로부터 전력을 전달받은 후 고전압을 필요로 하는 전기 부하에 고전압을 분배되도록 할 수 있다.
직류변환부(600)는 고전압정션부(400)를 통하여 전달된 연료전지시스템(100)의 출력 전압 또는 BHDC(210)의 출력 전압을 저전압으로 변환할 수 있다.
인버터부(700)는 직류변환부(600)를 통하여 전달받은 직류 전력을 모터(800)를 구동시킬 수 있는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
모터(800)는 연료전지차량의 전륜 또는 후륜에 구비되며, 인버터부(700)를 통하여 모터 감속기가 전기적으로 연결되어서 연료전지차량을 구동시킬 수 있다.
한편, 연료전지시스템(100)의 시동 시퀀스에 있어 가장 먼저 수행되는 것은 고전압 형성이다. 형성된 고전압은 연료전지시스템(100)의 시동을 위한 전장품(60) 구동에 사용되며, 동시에 LDC(220)를 통해 저전압배터리(320) 충전에 사용될 수 있다.
저전압배터리(320)의 충전량이 부족한 경우, 고전압 형성과 동시에 고전압배터리(310)에서 저전압배터리(320)로 전력이 급속 이동할 수 있다. 이때, 연료전지시스템(100)의 시동과 상관없이 고전압배터리(310)에서 저전압배터리(320)로 전력 이동이 발생하면, 연료전지시스템(100)의 시동 준비 단계에서 전장품(60)이 구동되지 않는데도 BHDC(210)에서 발열이 될 수 있다.
따라서, 연료전지시스템(100)의 시동 전에 냉각수가 유동되는 냉각 장치를 구동하여 발열이 발생하는 전력전자부품(PE; Power Electronics)을 냉각시켜야 한다.
한편, 도 2를 참조하면, 발열이 발생하는 전력전자부품을 냉각시킨 냉각수의 온도가 상승하고, 온도가 상승된 냉각수가 냉각유로(190)를 따라 유동하면서, BHDC(210), LDC(220), 고전압배터리(310) 및 저전압배터리(320)를 포함하여, BPCU(Blower Power Control Unit)(160), Buck/Boost Converter(170), ACL(Air CooLer)(180) 등의 온도를 상승시킬 수 있다.
냉각 장치는 리저버(Reservoir)(130), 라디에이터(Radiator)(140) 및 냉각펌프(CPP; Coolant Power-electric cooling Pump)(150)를 포함하여 구성할 수 있다.
리저버(130)는 냉각유로(190)를 따라 순환되는 냉각수를 저장하는 물탱크가 될 수 있다. 라디에이터(140)는 냉각유로(190)를 따라 유동되면서 온도가 상승한 냉각수를 외기와 열교환으로 냉각시킬 수 있다. 냉각펌프(150)는 리저버(130)에 저장된 냉각수가 냉각유로(190)를 통해 연료전지시스템(100) 및 전력전자부품 등으로 순환되도록 구동력을 제공할 수 있다.
이와 같이 구성되는 냉각 장치는 냉각펌프(150)의 작동을 통해 라디에이터(140)에서 냉각된 냉각수를 냉각유로(190)를 따라 순환시킴으로써, 연료전지시스템(100) 및 전력전자부품이 과열되지 않도록 냉각시킬 수 있다. 냉각 장치는 열 및 물 관리 시스템(TMS; Thermal Management System)을 포함할 수 있다.
연료전지시스템(100)의 시동 전에 전력전자부품을 냉각시켜 데워진 냉각수가 연료전지시스템(100)으로 유동 되면, 연료전지시스템(100) 시동 시에 안정적인 시동이 되지 않을 수 있다.
제어부(500)는 LDC(220)를 통하여 저전압배터리(320)를 반드시 충전해야 할 상황이 아니면, 연료전지시스템(100)의 시동을 걸기 전에 LDC(220)에서 저전압배터리(320)를 충전하기 위한 전류의 흐름을 차단하여, 전력전자부품의 발열을 방지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 저전압배터리(320)는 리튬 이온 폴리머 배터리이므로, 충전량(SOC; State Of Charge)에 따른 배터리 전압 특성이 안정적(Steady)이다. 즉, 충전량이 많이 부족해도 전압 값 유지가 되며, 과 방전 한계치 근처에 도달해도 연료전지시스템(100)의 시동을 위한 전력은 충분할 수 있다.
제어부(500)는 저전압배터리(320)의 충전량이 저전압 전장품(60)들을 구동시킬 수 있는 정도의 충전량만 있으면 연료전지시스템(100)의 시동 전에 저전압배터리(320)가 충전되지 않도록 제어할 수 있다. 제어부(500)는 수소저장시스템　제어기(HMU;　Hydrogen　Management System),　차량 제어기(VCU; Vehicle Control Unit), 연료전지 제어기(FCU; Fuel cell Control Unit) 또는 모터 제어기(MCU; Micro Control Unit) 등을 포함할 수 있다.
연료 전지 차량의 시동입력부(50)를 통하여 시동 준비인 점화(ignition)가 수행되면, 제어부(500)는 저전압배터리(320)가 방전되지 않은 상태라고 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(500)는 저전압배터리(320)가 충전되지 않도록 제어할 수 있다.
이어서, 제어부는(500)는 연료전지시스템(100)에 의한 전력으로 연료 전지 차량을 운전할 수 있는 것으로 판단하고, 수소 탱크(110)의 수소 충전량을 확인할 수 있다.
제어부(500)는 수소 탱크(110)의 수소 충전량(SOF)이 20% 이상이면, 연료전지시스템(100)을 구동시킬 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 수소 탱크(110)의 수소 충전량으로 연료전지시스템(100)을 구동시킬 수 있는 상태이므로, 제어부(500)는 저전압배터리(320)가 충전되지 않는 상태를 유지할 수 있다.
제어부(500)는 시동입력부(50)를 통하여 점화(ignition)가 수행됨에 따라 연료 전지 차량의 전장품(60)에 저전압배터리(320)의 전원이 인가된 상태를 확인할 수 있다.
이어서, 제어부(500)는 고전압배터리(310)를 구동시키고, BHDC(210)에 고전압배터리(310)에서 출력되는 고전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부(500)는 고전압배터리(310)에 저장된 전력으로 연료 전지 차량을 운전할 수 있는 것으로 판단하거나 또는 수소 탱크(110)의 수소 충전량(SOF)이 20% 보다 작으면, 고전압배터리(310)를 구동시켜 BHDC(210)에 고전압배터리(310)에서 출력되는 고전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
BHDC(210)에 고전압배터리(310)에서 출력되는 고전압이 인가되면, 고전압배터리(310)의 전력이 연료전지시스템(100)에서 출력되는 전력에 준하도록 승압될 수 있다. 이때, 연료전지시스템(100)은 구동되지 않은 상태이고, 고전압배터리(310)와 저전압배터리(320)는 구동 된 상태가 될 수 있다.
이때, 제어부(500)는 저전압배터리(320)가 충전되지 않는 상태를 유지할 수 있다.
이어서, 제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압을 확인할 수 있다. LDC(220)의 입력단 전압과 BHDC(210)의 출력 전압은 동일해야 한다. 따라서, 제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압이 300V를 초과하여야 정상으로 판단할 수 있는데, LDC(220)의 입력단 전압이 300V 보다 작으면, 고전압배터리(310)의 충전량이 부족하거나 고전압배터리(310)의 상태가 불량한 것으로 판단할 수 있다.
제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압이 300V를 초과하면, 고전압배터리(310)의 상태가 정상이라고 판단하고, 고전압배터리(310)의 충전량을 확인할 수 있다.
제어부(500)는 고전압배터리(310)의 충전량이 85% 보다 많다면, 연료전지시스템(100)을 구동시키지 않고 고전압배터리(310)의 전력으로 연료 전지 차량을 구동시킬 수 있으므로, LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다. 이때, 저전압배터리(320)의 충전 속도는 초당 10A가 될 수 있다.
제어부(500)는 고전압배터리(310)의 충전량이 85% 보다 적으면, 저전압배터리(320)의 충전량을 확인할 수 있다.
제어부(500)는 저전압배터리(320)의 충전량이 10% 보다 많으면, 저전압배터리(320)를 충전하지 않아도 저전압 전장품(60)들을 구동시킬 수 있으므로, 저전압배터리(320)가 충전되지 않는 상태를 유지할 수 있다. 이때, 저전압배터리(320)가 충전되지 않은 상태여서 발열이 되지 않으므로 냉각 장치를 구동시키지 않을 수 있다.
제어부(500)는 저전압배터리(320)의 충전량이 10% 보다 적으면, LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다. 이때, 저전압배터리(320)의 충전 속도는 초당 10A가 될 수 있다. 아울러, LDC(220) 구동으로 저전압배터리(320)가 충전될 때 발열이 될 것이므로, 제어부(500)는 LDC(220) 구동 전에 먼저 냉각 장치를 최대로 구동시킬 수 있다.
이어서, 제어부(500)는 연료전지시스템(100)을 구동시킬 수 있다. 연료전지시스템(100)이 구동되면, 연료전지시스템(100)에서 전력이 충분히 생성되므로, 제어부(500)는 LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다. 이때, 저전압배터리(320)의 충전 속도는 초당 5A가 될 수 있다.
제어부(500)는 연료 전지 차량의 운전 중 LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전량이 80% ~ 85%가 유지되면서 충전되도록 제어할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 장치를 통한 노이즈 저감 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 연료전지시스템(100)의 시동 과정에서, 고전압배터리(310)에서 저전압배터리(320)로 전력 이동이 발생하면, 저전압 전장품(60)이 구동되지 않는데도 BHDC(210)에서 발열이 되어 냉각 장치가 구동 됨에 따라 노이즈가 많이 발생한 것을 알 수 있다.
그러나, 도 6을 참조하면, 연료전지시스템(100)의 시동 과정에서, 고전압배터리(310)에서 저전압배터리(320)로 전력 이동이 발생되지 않도록 하면, BHDC(210)에서 발열이 되지 않아서 냉각 장치가 구동되지 않으므로 노이즈가 상대적으로 줄어든 것을 알 수 있다.
아울러, 제어부(500)는 연료전지 전력 관리 장치의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 제어부(500)는 다른 구성요소(예: 센서)로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리에 저장하고, 휘발성 메모리에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(500)는 메인 프로세서(예: 중앙 처리 장치 또는 어플리케이션 프로세서) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(예: 그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)가 메인 프로세서 및 보조 프로세서를 포함하는 경우, 보조 프로세서는 메인 프로세서보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서는 메인 프로세서와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
도면에 나타내지는 않았지만, 실시 예들에 따르면, 연료전지 전력 관리 장치는 저장부를 더 포함할 수 있다.
저장부는 연료전지 전력 관리 장치를 제어하는 명령어, 제어 명령어 코드, 제어 데이터 또는 사용자 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들면, 저장부는 애플리케이션(application) 프로그램, OS(operating system), 미들웨어(middleware) 또는 디바이스 드라이버(device driver) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
저장부는 휘발성 메모리(volatile memory) 또는 불휘발성(non-volatile memory) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
휘발성 메모리는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static RAM), SDRAM(synchronous DRAM), PRAM(phase-change RAM), MRAM(magnetic RAM), RRAM(resistive RAM), FeRAM(ferroelectric RAM) 등을 포함할 수 있다.
불휘발성 메모리는 ROM(read only memory), PROM(programmable ROM), EPROM(electrically programmable ROM), EEPROM(electrically erasable programmable ROM), 플래시 메모리(flash memory) 등을 포함할 수 있다.
저장부는 하드 디스크 드라이브(HDD, hard disk drive), 솔리드 스테이트 디스크(SSD, solid state disk), eMMC(embedded multimedia card), UFS(universal flash storage)와 같은 불휘발성 매체(medium)를 더 포함할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 전력 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 3의 연료전지 전력 관리 장치가 도 7의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다.
먼저, 연료 전지 차량의 시동입력부(50)를 통하여 시동 준비인 점화(ignition)가 수행되면(S101), 제어부는(500)는 연료전지시스템(100)에 의한 전력으로 연료 전지 차량을 운전할 수 있는 것으로 판단하고(S102), 수소 탱크(110)의 수소 충전량을 확인할 수 있다(S103).
제어부(500)는 시동입력부(50)를 통하여 점화(ignition)가 수행됨에 따라 연료 전지 차량의 전장품(60)에 저전압배터리(320)의 전원이 인가된 상태를 확인할 수 있다(S104).
이어서, 제어부(500)는 고전압배터리(310)를 구동시키고, BHDC(210)에 고전압배터리(310)에서 출력되는 고전압이 인가되도록 제어할 수 있다(S105).
한편, 제어부(500)는 고전압배터리(310)에 저장된 전력으로 연료 전지 차량을 운전할 수 있는 것으로 판단하거나 또는 수소 탱크(110)의 수소 충전량(SOF)이 20% 보다 작으면, 고전압배터리(310)를 구동시켜 BHDC(210)에 고전압배터리(310)에서 출력되는 고전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
이어서, 제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압을 확인할 수 있다(S106).
제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압이 300V 보다 작으면, 고전압배터리(310)의 충전량이 부족하거나 고전압배터리(310)의 상태가 불량한 것으로 판단할 수 있다(S107).
제어부(500)는 LDC(220)의 입력단 전압이 300V를 초과하면, 고전압배터리(310)의 상태가 정상이라고 판단하고, 고전압배터리(310)의 충전량을 확인할 수 있다(S108).
제어부(500)는 고전압배터리(310)의 충전량이 85% 보다 많다면, 연료전지시스템(100)을 구동시키지 않고 고전압배터리(310)의 전력으로 연료 전지 차량을 구동시킬 수 있으므로, LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다(S109).
제어부(500)는 고전압배터리(310)의 충전량이 85% 보다 적으면, 저전압배터리(320)의 충전량을 확인할 수 있다(S110).
제어부(500)는 저전압배터리(320)의 충전량이 10% 보다 많으면, 저전압배터리(320)를 충전하지 않아도 저전압 전장품(60)들을 구동시킬 수 있으므로, 저전압배터리(320)가 충전되지 않는 상태를 유지할 수 있다. 이때, 저전압배터리(320)가 충전되지 않은 상태여서 발열이 되지 않으므로 냉각 장치를 구동시키지 않을 수 있다.
제어부(500)는 저전압배터리(320)의 충전량이 10% 보다 적으면, 제어부(500)는 LDC(220) 구동 전에 먼저 냉각 장치를 최대로 구동시키고(S111), LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다(S112).
이어서, 제어부(500)는 연료전지시스템(100)을 구동시킬 수 있다(S113).
이어서, 제어부(500)는 LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전되도록 제어할 수 있다(S114).
이어서, 제어부(500)는 연료 전지 차량의 운전 중 LDC(220)를 구동하여 저전압배터리(320)가 충전량이 80% ~ 85%가 유지되면서 충전되도록 제어할 수 있다(S115).
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리 또는 외장 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다.
기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다.
대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 연료전지 차량의 시동 시퀀스에서 발생하는 연료전지시스템과 고전압배터리 사이의 불필요한 전력 이동이 개선되도록 하고, 이에 따라 전장 라인의 고 전류로 인한 방사 노이즈 감소로 연료전지시스템 초기 설정(Initialize)의 안정성을 향상시킬 수 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 고전압을 저전압으로 변환하여 저전압배터리에 공급하는 전력변환부;
    냉각수를 유동시켜 상기 전력변환부를 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 저전압배터리의 잔여 충전량에 기반하여 상기 전력변환부 및 상기 냉각부의 구동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료전지 전력 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환부는, 회생 전력을 강압하여 고전압배터리를 충전하거나 또는 고전압배터리의 전력을 승압하여 전기 부하로 공급하는 양방향 고전압 직류변환기; 및 상기 양방향 고전압 직류변환기의 출력 전력을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리를 충전하는 저전압 직류변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 차량의 시동 점화 시 수소 탱크의 충전량이 소정 잔여량보다 많으면, 상기 차량의 저전압 전장품이 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 저전압 직류변환기를 구동시키기 전에 상기 냉각부를 먼저 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 연료전지 스택을 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 구동 후 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리의 충전량이 소정 범위로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 장치.
  9. 저전압배터리의 잔여 충전량에 기반하여,
    고전압을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리에 공급하는 전력변환부 및 냉각수를 유동시켜 상기 전력변환부를 냉각시키는 냉각부의 구동을 제어하는 단계
    를 포함하는 연료전지 전력 관리 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 양방향 고전압 직류변환기에서 회생 전력을 강압하여 고전압배터리를 충전하거나 또는 고전압배터리의 전력을 승압하여 전기 부하로 공급하는 단계; 및 저전압 직류변환기에서 상기 양방향 고전압 직류변환기의 출력 전력을 저전압으로 변환하여 상기 저전압배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 차량의 시동 점화 시 수소 탱크의 충전량이 소정 잔여량보다 많으면, 상기 차량의 저전압 전장품이 구동되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적으면, 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  14. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 상기 저전압 직류변환기를 구동시키기 전에 상기 냉각부를 먼저 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 상기 양방향 고전압 직류변환기를 구동 후 상기 저전압 직류변환기의 입력단 전압이 소정 전압보다 높고, 상기 고전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 적고, 상기 저전압배터리의 충전 잔여량이 소정 범위보다 많으면, 연료전지 스택을 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 연료전지 전력 관리 방법은, 상기 연료전지 스택 구동 후 상기 저전압 직류변환기를 구동시켜 상기 저전압배터리의 충전량이 소정 범위로 유지되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전력 관리 방법.
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