KR20230104412A - 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템 - Google Patents

대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 구동 차량에 연료전지를 적용하여 차량 시스템 구동 시 초기 시동에 소요되는 시간을 최단으로 단축하기 위하여, 연료전지 직결 컨버터의 전압을 슈퍼캡 모듈의 내부 전압과 상호 비교하며 해당 전압의 상승 및 하강을 발생시키는 조건에 따라 충전 제어를 수행하는, 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 전력을 공급하는 연료전지; 전기 구동 차량의 모터를 구동하는 인버터; 상기 연료전지의 전압을 상기 인버터의 구동 전압으로 변경시켜주는 컨버터; 상기 컨버터의 출력 전압을의 변동을 축소하기 위하여 상기 컨버터의 출력 전압을 충전하거나 방전하되, 충전 저항에 의해 충전하는 제1 연결 경로와, 상기 충전 저항을 우회하여 직접 충전하는 제2 연결 경로를 구비하는, 슈퍼캡 모듈; 및, 상기 인버터의 출력 전압 및, 상기 슈퍼캡 모듈의 충전 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 시스템에 의하여, 컨버터 출력전압과 커패시터 어레이 전압이 연결된 후 충전 저항 릴레이를 연결하여, 컨버터 전압을 연료전지 성능이 손상되지 않고 최대 출력을 발생시킬 수 있는 범위에서 상승시켜 충전 시간을 최대 단축할 수 있다.

Description

대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템 { A fast charging control system of supercap module equipped in fuel cell car to reducing the start-up time }
본 발명은 연료전지 전원 시스템 및 연료전지의 출력전압을, 모터 구동을 수행하는 인버터의 입력 전압으로 변경시켜주는, 컨버터를 탑재한 시스템에서, 컨버터 출력 보조를 위해 장착된 고용량의 슈퍼캡 모듈의 차량 시스템 시동 시, 소요되는 슈퍼캡 모듈의 충전 시간을 단축시키기 위해 제어하는, 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 탄소 중립 확보를 통한 대기 오염에 의한 온난화의 급속히 진행을 개선하고자 다양한 대응 방안들이 만들어지고 있다. 특히, 육상에서 운항하는 전기 구동 방식의 자동차에 대해서도 대기 오염을 일으키는 이산화탄소 발생을 억제하고자 하는 대응 방안들이 규제화 되어지고 있다.
상기와 같은 대응 방안들 중 하나로서, 차량의 구동을 전기로 수행하는 수소차량에 대한 이용을 높여 나가고 있다. 그러나 이러한 수소차의 적용에 있어서 최적 효율울 발생시키 위한 모터 구동 전압과 연료전지의 출력 전압이 차이가 발생하여 주행 조건에서 최적의 최적 효율을 도출할 수 없다.
구체적으로, 연료전지 시스템은 출력 전류의 양에 따라 연료전지의 출력 전압이 변동되어 제어됨에 따라 최적의 시스템 효율을 일정하게 유지할 수 없다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 연료전지의 출력 전압과 모터 구동 인버터의 전압을 맞추어 주는 컨버터의 장착을 수행하고, 이와같은 컨버터의 출력 변위를 최소화 시키는 슈퍼캡을 컨버터 출력에 인버터와 병렬로 연결시킨다.
이와 같은 조건에서 슈퍼캡 모듈 장착 자량은 시동 시 슈퍼캡의 초기 충전이 진행되며, 슈퍼캡 모듈이 장착된 차량에서 이와 같은 충전 시간을 단축시키는 제어의 수행이 필요하다.
한국등록특허 제10-1047406호 (2011.07.08.공고) 한국등록특허 제10-1349021호 (2014.01.09.공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 구동 차량의 연료전지, DC/DC 컨버터 및 슈퍼캡 모듈이 직결된 시스템 구조에서, 슈퍼캡 모듈의 전압이 정상 동작 모드에서 요구되는 인버터 구동 전압 수준에 조속히 도달시키기 위하여, 컨버터의 출력전압 및 슈퍼캡 모듈의 내부 릴레이 연결 조절을 통해 최단기 슈퍼캡 모듈의 충전을 수행하도록 제어하는, 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전치 차량 시동 시 슈퍼캡 충전시간을 단축시키기 위하여 컨버터의 출력 전압 및 슈퍼캡 내부의 충전 저항의 연결 상태을 조절하여 충전 시간을 최단축 시키는, 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지 시스템이 초기 출력 전압이 고전압으로 출력되며, 일정 전류 이상의 급속한 출력 전력 발생 없이 안정적으로 출력을 사용하여야 하는 특성을 지닌 상태에서 최단 시간 충전을 위해 컨버터의 출력 전압과 컨버터 내부의 릴에이 연결을 병행하여 조절하는, 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 전력을 공급하는 연료전지; 전기 구동 차량의 모터를 구동하는 인버터; 상기 연료전지의 전압을 상기 인버터의 구동 전압으로 변경시켜주는 컨버터; 상기 컨버터의 출력 전압의 변동을 축소하기 위하여 상기 컨버터의 출력 전압에 따라 충전하거나 방전하되, 충전 저항에 의해 충전하는 제1 연결 경로와, 상기 충전 저항을 우회하여 직접 충전하는 제2 연결 경로를 구비하는, 슈퍼캡 모듈; 및, 상기 컨버터의 출력 전압 및, 상기 슈퍼캡 모듈의 충전 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 슈퍼캡 모듈은, 전력을 충전하는 슈퍼캡 어레이, 상기 컨버터의 출력에 연결되는 전력 단자, 상기 제1 연결 경로 상에 구비된 충전 저항 및 제1 릴레이, 상기 제2 연결 경로 상에 구비되는 제2 릴레이로 구성되고, 상기 제1 및 제2 연결 경로는 각각 전력 단자 및 상기 슈퍼캡 어레이 사이에 경로를 형성하도록 구성되는, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제어부는, 상기 전기 구동 차량이 시동되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 전압이 사전에 설정된 목표 전압까지 도달하도록 제어하되, 상기 컨버터의 출력 전압과, 상기 슈퍼캡 모듈의 충전 전압 간의 차이를 검출하고, 검출된 전압 차이에 따라 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하거나 상기 슈퍼캡 모듈의 연결 경로를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제어부는, (a) 상기 전기 구동 차량이 시동되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 제1 연결 경로를 연결하는 단계; (b) 상기 컨버터의 출력 전압과 상기 슈퍼캡 모듈의 전압이 각기 상승한 후 슈퍼캡 모듈의 전압이 일정 이상 전압에 도달하고 슈퍼캡 모듈과 컨버터 출력 전압의 차이가 사전에 정해진 제1 전압 차이 이하가 되면, 상기 컨버터의 출력 전압을 하강 시키는 단계; (c) 상기 컨버터의 출력 전압과 상기 슈퍼캡 모듈의 전압의 차이가 사전에 정해진 제2 전압 차이 이하가 되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 제2 연결 경로로 전환하고 상기 컨버터의 출력 전압을 상승 시키는 단계를 포함하는 방법을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 (a)단계에서, 상기 컨버터의 출력 전압을 설정하되, 상기 슈퍼캡 모듈의 원하는 충전 시간이 짧을수록 높게 설정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제2 전압 차이는 상기 제1 전압 차이 보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제어부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을, 원하는 충전 시간에 따라 높낮이를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 제어부는 원하는 충전 시간이 짧을수록, 상기 제1 전압을 높게 설정하고, 상기 제2 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지로부터 DC/DC 컨버터를 통하여 전력 공급을 받고, 직접 연결되어 차량 모터를 구동하는 구동 인버터, 상기 구동 인버터와 컨버터 출력부에 병렬 연결된 슈퍼캡 모듈로 구성되는, 전기 구동 자동차의 전기적 시스템을 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 컨버터 출력 전압 및 슈퍼캡 모듈의 릴레이 제어가 독립적 제어가 가능하고, 연료전지가 출력 전류에 의한 손상을 발생시키지 않는 시스템 연결 스위칭 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초기 시동 시 컨버터 출력이 슈퍼 캡 어레이와 저항을 통해 연결되는 패스를, 저항 병렬 연결 릴레이를 통해 우회 시킨 후, 정상 구동 목표 전압까지 연료전지에 손상이 없도록 최대 속도로 상승시키는, 안정화된 컨버터 출력 제어에 대한 것으로, 슈퍼캡 모듈 내부에 저항을 우회하여 슈퍼캡 어레이와 컨버터 출력을 직결할 수 있는 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 의하면, 컨버터 출력전압과 커패시터 어레이 전압이 연결된 후 충전 저항 릴레이를 연결하여, 컨버터 전압을 연료전지 성능이 손상되지 않고 최대 출력을 발생시킬 수 있는 범위에서 상승시켜 충전 시간을 최대 단축할 수 있는 효과가 얻어진다.
즉, 본 발명은, 연료전지 차량의 DC/DC 컨버터 및 슈퍼캡 모듈이 직렬 장착된 차량의 초기 시동 시, 최단 시간 슈퍼캡 모듈의 전기적 충전을 위해 기존의 충전 방법으로는 최단 기간 슈퍼캡 충전을 얻기 어려움에 따라, DC/DC 컨버터 출력전압 조절 및 슈퍼캡 모듈 릴레이가 내재된 전력시스템을 도입한다.
또한, 기존 연료전지 슈퍼캡에서는 슈퍼캡 모듈의 릴레이와 컨버터 출력의 전체적 제어과정에 대하여, 슈퍼캡 모듈 전압이 목표 전압까지 도달된 후 슈퍼캡 릴레이를 단순히 연결시키는 단순 구조 제어를 제시하였으나, 실제 시스템에서는 컨버터 전압의 상승 및 하강이 다양한 조건에서 제어가 필요하다.
즉, 본 발명은, 시동 시 슈퍼캡 모듈의 충전 저항 우회 연결 릴레이가 연결될 때까지, 연료전지 최대 안정 범위 내에서, 최대 전압을 충전저항이 견딜 수 있는 최대 전력 범위에서 컨버터의 출력 전압을 최대 유시시킨 후, 전압이 슈퍼캡 릴레이 연결 목표 전압에 도달하면 컨버터 전압을 급하강 시켜 컨버터의 출력 전압을 슈퍼캡 근처에 접근시킨다. 이때, 전압 하강 시 내부 사용 전력의 조건에 따라 슈퍼캡 전압이 동반 하강하고 연료전지 출력전압 특성에 의해 한계되는 컨버터 저 전압 출력 특성에 의해 일정 이상 전압까지 하강 범위 안에서 수행한다.
컨버터 출력 전압과 슈퍼캡 어레이 전압이 연결되어 동일 전압 화 된 후 충전 저항 우회 릴레이를 연결하여 컨버터 전압을 연료전지 성능이 손상되지 않고 최대 출력을 발생시킬 수 있는 범위에서 상승 시켜 충전 시간을 최대 단축 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지, DC/DC 컨버터, 슈퍼탭 모듈 기반 전기 구동 특성을 갖는 차량의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캡 모듈의 내부 전기적 내부 연결 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 슈퍼캡 및 DC/DC 컨버터 전압 출력 응답 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전기구동 차량 적용 연료전지 기반 전력 공급 시스템(100)의 구성을 도 1를 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 기반 전력 공급 시스템(100)은 연료전지(1), DC/DC 컨버터(2), 슈퍼캡 모듈(5), 인버터(3) 등으로 구성된다, 또한, DC/DC 컨버터 입력 측에 연료전지 출력을 보조하기 위한 소형 DC/DC 컨버터(또는 보조용 컨버터)(4)가 배터리(6)와 함께 추가적으로 더 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 연료전지(1)는 전체 전원을 생성하여 공급하는 부분으로서, 전기 구동 차량에서 필요한 모든 전력을 공급하는 전력을 발생시킨다. 바람직하게는, 연료전지는 수소 연료전지이다.
다음으로, DC/DC 컨버터(2)는 연료전지(1)와 직렬로 연결되어, 연료전지의 출력 전압을 입력받고, 슈퍼캡 모듈(5) 및 모터 구동 인버터(3)에 해당 연료전지의 출력전압을 변경하여 제공한다. 특히, DC/DC 컨버터(2)는 인버터 구동 전압이 가능한 전압으로 변경하여 컨버터 출력을 공급한다.
다음으로, 인버터(3)는 DC/DC 컨버터(2), 특히, 컨버터(2)의 출력에 연결되어 구성된다. 인버터(3)에 의해 모터(8)가 구동된다.
다음으로, 슈퍼캡 모듈(5)은 인버터(3)와 병렬로 연결되고, 컨버터(2)의 출력에 연결되어 구성된다. 슈퍼캡 모듈(5)은 컨버터(2)의 출력을 공급받아 내부에 전원 또는 전력을 충전하고, 충전된 전력을 인버터(3)로 출력한다. 즉, 슈퍼캡 모듈(5)은 인버터 구동 시 컨버터(2)의 출력전압 변동을 최소화 하기 위한 컨버터 출력보조 장치로 사용된다. 특히, 슈퍼캡 모듈(5)은 출력 보조를 통해, 컨버터의 급속한 전압 상승 및 하강을 줄여준다.
다음으로, 제어부(7)는 DC/DC 컨버터(2) 및 슈퍼캡 모듈(5)로부터 전압을 측정하고(측정된 전압을 수신하고), 컨버터의 출력 전압 및 슈퍼캡 전압(또는 슈퍼캡 어레이 전압)을 이용하여 컨버터의 전압 및, 슈퍼캡의 연결 경로를 제어한다.
또한, 제어부(7)는 별도의 제어 모듈이나, DC/DC 컨버터(2) 내의 제어 보드 상(제어 모듈)에 구현될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼캡 모듈(5)의 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 슈퍼캡 모듈(5)은 컨버터(2)의 출력과 연결되는 전력선 또는 전력단자(10), 전력 경로부(11), 전력을 충방전하는 슈퍼캡 어레이(12), 및, 전력 경로부(11)의 경로를 제어하는 경로제어부(14)로 구성된다.
슈퍼캡 모듈(5)의 전력선 또는 전력 단자(10)는 컨버터(2)의 출력과 연결된다. 이를 통해, 전력선 또는 전력단자(10)를 통해, 컨버터(2)의 출력이 입력되거나, 슈퍼캡 어레이(12)에 충전된 전력이 인버터(3)의 입력으로 출력될 수 있다.
또한, 슈퍼캡 어레이(12)는 전력을 충방전할 수 있는 회로로 구성된다. 슈퍼캡 어레이(12)는 전력 경로부(11)에 연결되어, 전력 경로부(11)를 통해, 전력선 또는 전력 단자(10)로 입력되는 전력을 공급받는다. 이때, 충전에 의해 슈퍼캡 어레이(12)의 전압이 상승된다. 또는 슈퍼캡 어레이(12)는 전력 경로부(11)를 통해, 충전된 전력을 외부로 출력(방전)할 수 있다.
특히, 슈퍼캡 어레이(12)는 충전할 수 있는 다수의 단위 셀들로 구성된다.
또한, 전력 경로부(11)는 서로 병렬로 연결되는, 충전 저항(17) 및 충전저항 병렬 릴레이(18)로 구성되어, 전력단자(10)와 슈퍼캡 어레이(12) 간의 연결 경로를 2개의 경로(제1 및 제2 연결 경로)로 구성한다.
제1 연결 경로(또는 저항 연결 경로)는 충전 저항(17)을 거쳐서 진행되는 경로로서, 해당 경로 상에는 충전 저항(17) 및 충전저항 연결 릴레이(19)로 구성된다. 즉, 제1 연결 경로 상에는 충전 저항(17)과 충전저항 연결 릴레이(19)는 서로 직렬로 연결되어, 제1 연결 경로는 연결 릴레이(19)의 온/오프에 의해 연결 또는 차단된다.
또한, 제2 연결 경로(또는 직접 연결 경로)는 해당 경로 상에 충전저항 병렬 릴레이(18)로 구성된다. 제2 연결 경로는 병렬 릴레이(18)의 온/오프에 의해 연결 또는 차단된다.
다음으로, 경로제어부(14)는 릴레이(18,19)를 제어하는 회로(또는 제어보드)로서, 전력 경로부(11)를 제어하여 제1 또는 제2 연결 경로의 연결을 제어한다. 특히, 경로제어부(14)는 연결 릴레이(19)와 병렬 릴레이(18)를 온/오프 시킴으로써, 각각 제1 및 제2 연결 경로의 연결/차단을 제어한다. 바람직하게는, 경로제어부(14)는 연결 릴레이(19)와 병렬 릴레이(18) 중 어느 하나의 릴레이만을 온 시킨다. 따라서 제1 및 제2 연결 경로는 둘 중 어느 하나만 연결되며, 동시에 연결되지 않는다.
한편, 경로제어부(14)는 제어부(7)의 제어신호를 제어선(16)을 통해 수신받아, 경로를 제어한다.
또한, 경로제어부(14)는 제어부(7) 내에 포함되어 구현될 수 있다. 즉, 제어부(7)에서 릴레이(18,19)를 직접 제어하도록 구성되고, 경로제어부(14)의 회로가 제외되어 구현될 수 있다.
충전저항(17)의 제1 연결경로 또는 병렬 릴레이(18)의 제2 연결 경로를 통과한 전류는 슈퍼캡 어레이(12)에 충전 공급되며 슈퍼캡 어레이(12)의 전압을 상승 시킨다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(7)의 제어 방법에 대하여 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 컨버터(2) 및 슈퍼캡 어레이(12) 전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3에서, 실선 그래프(22)는 컨버터(2)의 출력 전압을 나타내고, 점선 그래프(21)는 슈퍼캡 어레이(12)의 전압을 나타낸다.
도 3에서 보는 바와 같이, 제어 구간은 t0-t1, t1-t2, t2-t3, t3-t4, t4-t5, t5 이후 등 6개의 구간으로 구분된다.
먼저, 제1 구간(t0-t1)은 전력 공급 시스템(100)의 시동 전 구간으로서, 컨버터의 출력 전압과 어레이 전압은 최저 전압을 나타낸다. 즉, 컨버터(2)에는 아직 전력이 공급되지 않고, 슈퍼캡 모듈(5) 또는 슈퍼캡 어레이(12)는 완전 방전되어 최저 전압을 갖는다.
다음으로, 제2 구간(t1-t2)은 전력 공급 시스템(100)이 시동되는 구간(시동 시작 구간)으로서, 컨버터의 출력 전압(21)과 슈퍼캡 전압(22)이 동시에 상승한다. 즉, 시동이 되어 전력이 공급되기 시작하여 슈퍼캡 모듈(5)에 충전이 시작되고 컨버터의 출력 전압(21)도 증가하기 시작한다.
이때, 제어부(7)는 시동 시, 제1 연결 경로(또는 충전 저항에 의한 연결 경로)를 통해 슈퍼캡 모듈(5)을 충전하도록 제어한다. 즉, 제어부(7)는 슈퍼캡 모듈(5)의 연결 릴레이(19)를 온 시켜서, 컨버터의 출력이 충전 저항(17)을 통해 슈퍼캡 어레이(12)로 충전되도록 제어한다.
한편, 제2 구간(t1-t2)에서, 컨버터(2)에 전력이 공급되어 컨버터의 출력 전압(21)은 빠르게 상승하고, 슈퍼캡 모듈(5) 또는 슈퍼캡 어레이(12)에도 컨버터의 출력에 의해 충전되어, 해당 슈퍼캡 전압 또는 어레이 전압이 빠르게 상승한다.
이때, 제어부(7)는 컨버터의 출력 전압을 제1 전압(VM1)으로 설정한다. 즉, 원하는 충전 시간에 따라 출력 전압을 높게 또는 낮게 설정할 수 있다. 이때, 컨버터의 출력 전압(VM1)은 가변적으로 상승되며 최종 목표 전압(VMF) 보다 높게 형성된다. 즉, 컨버터의 출력 전압(VM1)을 높게 할수록 제2 구간에서 슈퍼캡 어레이(12)에 충전되는 속도가 빨라진다(시간이 단축된다).
이때, 슈퍼캡 어레이(12)의 전압이 상승할수록, 어레이 전압과 컨버터의 출력 전압의 차이가 줄어든다.
제어부(7)는 컨버터의 출력 전압과 어레이 전압을 감지하여, 그 전압의 차이가 사전에 정해진 제1 전압 차이 보다 작아지는 것을 검출한다. 이때, 제어부(7)는 어레이 전압이 사전에 정해진 최소 전압 이상인 경우에 한하여 전압 차이를 비교한다. 즉, 슈퍼캡 어레이 전압이 설정 전압 이상이고 그 전압의 차이가 사전에 정해진 보다 작아지는 것을 검출한다.
그리고 제어부(7)는 해당 전압의 차이가 제1 전압 차이 보다 작아지면, 컨버터의 출력 전압을 낮추어 다음 구간(또는 제3 구간)으로 진입한다.
즉, 도 3의 시점 t2에서, 컨버터의 출력 전압은 제1 전압(VM1)으로 형성되며, 제1 전압(VM1)은 목표 전압(VMF) 보다 낮으나 필요한 경우 높게 형성된다.
다음으로, 제3 구간(t2-t3)은 컨버터의 출력 전압을 감소(하강)시키는 구간이다.
제어부(7)는 컨버터의 출력 전압을 지속적으로 감소하도록 제어한다. 바람직하게는, 일정한 속도로 출력 전압을 지속적으로 낮추도록 제어한다. 이때, 낮추는 컨버터의 출력전압의 목표 전압을 제2 전압(VM2)으로 설정한다. 특히, 원하는 충전 시간에 따라 제2 전압(VM2)을 높게 또는 낮게 설정할 수 있다. 원하는 충전시간(목표하는 충전시간)이 짧을수록 제2 전압을 낮게 설정한다.
이때, 제어부(7)는 컨버터의 출력 전압과 어레이 전압을 감지하여, 그 전압의 차이가 사전에 정해진 제2 전압 차이 보다 작아지는 것을 검출한다. 특히, 이때, 제2 전압은 상기 제1 전압 보다는 작으며, 쇼트가 발생되지 않는 안정적인 전압 차이를 나타낸다.
그리고 제어부(7)는 해당 전압의 차이가 제2 전압 차이 보다 작아지면, 슈퍼캡 모듈(5)의 충전을 제2 연결경로로 전환하는 다음 구간(또는 제4 구간)으로 진입한다.
도 3의 시점 t3에서, 컨버터의 출력 전압은 제2 전압(VM2)으로 형성된다.
다음으로, 제4 구간(t3-t4)은 슈퍼캡 모듈(5)의 충전을 제2 연결경로로 전환한다. 즉, 제어부(7)는 슈퍼캡 모듈(5)에서 제1 연결 경로(또는 충전 저항에 의한 연결)를 제2 연결 경로(또는 직접 연결)로 전환한다. 즉, 제어부(7)는 슈퍼캡 모듈(5)의 병렬 릴레이(18)를 온 시켜서, 컨버터의 출력이 바로 슈퍼캡 어레이(12)로 충전되도록 제어한다. 이때, 컨버터의 출력 전압과 어레이 전압이 매우 작은 차이를 가지며, 특히, 전력선 경로에 발생되는 정도의 작은 전압 차이다.
다음으로, 제5 구간(t4-t5)은 컨버터의 출력 전압을 높이는 구간이다.
즉, 제어부(7)는 컨버터의 출력 전압을 지속적으로 증가하도록 제어한다. 바람직하게는, 일정한 속도로 출력 전압을 지속적으로 높이도록 제어한다. 이때, 컨버터의 출력이 슈퍼캡 어레이(12)로 충전저항 없이 충전되므로, 컨버터의 출력 전압과 슈퍼캡 어레이(12)의 전압은 거의 같아져서, 그 차이는 매우 작게 나타난다.
특히, 제어부(7)는 컨버터의 출력 전압을 목표 전압(VMF)까지 서서히 증가시킨다.
다음으로, 제6 구간(t5 이후)은 전력 공급 시스템의 시동 제어를 종료된 이후 구간이다. 즉, 컨버터의 출력 전압 및 슈퍼캡 어레이의 전압은 목표 전압에 도달되고, 슈퍼캡 어레이(12)도 완전 충전된 상태의 구간이다.
앞서의 과정과 같이, 제어부(7)는 슈퍼캡 모듈 내부 슈퍼캡 어레이을 설정된 전압(VMF)에 연료전지의 손상 없이 최단 기간에 도달하기 위하여, 제1 전압(VM1)까지의 컨버터(2)의 전압을 상승시키고, 제2 전압(VM2) 까지 컨버터(2)의 전압을 하강시키고, 이후 목표 전압(VMF)까지 컨버터 전압을 상승시키도록 제어한다.
특히, 제어부(7)는 제2 구간(t1에서 t2)에서 컨버터(2)의 전압이 제1 전압(VM1)에 도달할 때 까지 전압 상승 속도가 슈퍼캡 어레이의 전압 상승 속도 보다 빠르게 상승 후, 슈퍼캡 어레이 전압과 컨버터 전압 차이가 일정 이하 범위에 들어오면 컨버터 전압을 제2 전압(VM2)까지 떨어뜨린다. 이후, 컨버터(2)의 전압과 슈퍼캡 어레이 전압의 차이가 일정 구간 이하 차이 구간 안으로 들어가도록, 컨버터 전압을 제어한다.
또한, 제어부(7)는 제3 구간(t2-t3 구간)에서 컨버터 전압이 제2 전압(VM2)으로 하강 시 슈퍼캡 어레이의 하강속도를 측정하여 원하는 시간에 제2 전압 차이 구간에 들어갈 수 있는 제어한다.
특히, 제어부(7)는 컨버터(2) 상승 및 하강 제어시 연료전지 전류 및 전력 안정 범위의 정보를 실시간으로 받아서, 컨버터 출력 전류 및 전력이 제한된 범위을 벗어나지 않도록 컨버터의 전압을 제어한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
1 : 연료전지 2 : DC/DC 컨버터
3 : 인버터 4 : 보조용 컨버터
5 : 슈퍼캡 모듈 6 : 배터리
7 : 제어부 8 : 모터
10 : 전력선, 전력단자 11 : 전력 경로부
12 : 슈퍼캡 어레이 14 : 경로제어부
16 : 제어선 17 : 충전저항
18 : 병렬 릴레이 19 : 연결 릴레이
100 : 전력 공급 시스템

Claims (7)

  1. 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템에 있어서,
    전력을 공급하는 연료전지;
    전기 구동 차량의 모터를 구동하는 인버터;
    상기 연료전지의 전압을 상기 인버터의 구동 전압으로 변경시켜주는 컨버터;
    상기 컨버터의 출력 전압의 변동을 축소하기 위하여 상기 컨버터의 출력 전압에 따라 충전하거나 방전하되, 충전 저항에 의해 충전하는 제1 연결 경로와, 상기 충전 저항을 우회하여 직접 충전하는 제2 연결 경로를 구비하는, 슈퍼캡 모듈; 및,
    상기 컨버터의 출력 전압 및, 상기 슈퍼캡 모듈의 충전 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼캡 모듈은, 전력을 충전하는 슈퍼캡 어레이, 상기 컨버터의 출력에 연결되는 전력 단자, 상기 제1 연결 경로 상에 구비된 충전 저항 및 제1 릴레이, 상기 제2 연결 경로 상에 구비되는 제2 릴레이로 구성되고, 상기 제1 및 제2 연결 경로는 각각 전력 단자 및 상기 슈퍼캡 어레이 사이에 경로를 형성하도록 구성되는, 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전기 구동 차량이 시동되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 전압이 사전에 설정된 목표 전압까지 도달하도록 제어하되, 상기 컨버터의 출력 전압과, 상기 슈퍼캡 모듈의 충전 전압 간의 차이를 검출하고, 검출된 전압 차이에 따라 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하거나 상기 슈퍼캡 모듈의 연결 경로를 제어하는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    (a) 상기 전기 구동 차량이 시동되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 제1 연결 경로를 연결하는 단계;
    (b) 상기 컨버터의 출력 전압과 상기 슈퍼캡 모듈의 전압이 각기 상승한 후 슈퍼캡 모듈의 전압이 일정 이상 전압에 도달하고 슈퍼캡 모듈과 컨버터 출력 전압의 차이가 사전에 정해진 제1 전압 차이 이하가 되면, 상기 컨버터의 출력 전압을 하강 시키는 단계;
    (c) 상기 컨버터의 출력 전압과 상기 슈퍼캡 모듈의 전압의 차이가 사전에 정해진 제2 전압 차이 이하가 되면, 상기 슈퍼캡 모듈의 제2 연결 경로로 전환하고 상기 컨버터의 출력 전압을 상승 시키는 단계를 포함하는 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 상기 컨버터의 출력 전압을 설정하되, 상기 슈퍼캡 모듈의 원하는 충전 시간이 짧을수록 높게 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을, 원하는 충전 시간에 따라 높낮이를 설정하는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 원하는 충전 시간이 짧을수록, 상기 제1 전압을 높게 설정하고, 상기 제2 전압을 낮게 설정하는 것을 특징으로 하는 대용량 슈퍼캡 모듈 장착 연료전지 차량의 시동 시간 단축을 위한 슈퍼캡 모듈 고속 충전 제어 시스템.
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