KR20230168643A - 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

차량의 구동에너지를 제공하는 복수의 배터리, 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지 및 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법 {BATTERY CONTROL SYSTEM AND METHOD OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 복수의 배터리를 탑재한 연료전지 차량에 있어서, 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충방전 제어를 통해 복수의 배터리의 충전량을 균등하게 조절할 수 있는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등 친환경 차량의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지는 대략 -1V 내지는 +1.2V까지의 출력 전압을 가지고 있다. 이러한 연료전지는 친환경적인 장점이 있는 반면, 차량의 출력 변화에 대응하여 전력을 빠르게 공급하기가 쉽지 않은 문제가 있다.
따라서 일반적으로 연료전지 차량은, 위와 같은 차량의 출력 변화에 대응하기 위해 고전압 배터리를 함께 이용하고 있다.
즉, 연료전지는 주동력원에 해당하는 것으로서 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 생성하여 연료전지 차량의 구동에너지를 제공하고, 고전압 배터리는 보조동력원에 해당하여 주동력원인 연료전지와 함께 연료전지 차량의 구동에너지를 제공한다.
또한, 연료전지에서 발생된 전기 에너지는 차량의 부하와 고전압 배터리에 공급되어 부하를 구동하거나 고전압 배터리를 충전하는 역할을 한다. 고전압 배터리에 충전된 전기 에너지는 차량의 부하가 급증할 때(예를 들어, 고출력이 요구되는 경우) 고전압 배터리로부터 방전되어 연료전지 차량의 구동에너지를 보충하게 된다.
한편, 고전압 배터리는 높은 용량을 구현하기 위해 여러 개의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 배치되어 형성된 하나의 배터리팩의 형태로 설치된다.
하나의 배터리 셀은 양극, 음극, 전해액 및 분리막으로 이루어지며, 양극을 구성하는 리튬(Li)은 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하고, 음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 가역적으로 흡수 또는 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다.
이와 같이 고전압 배터리의 충방전이 수행됨에 따라, 리튬 이온이 잔류하거나 입자의 균열이 발생할 수 있으며, 이는 고전압 배터리의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
또한, 고전압 배터리는 과충전시 폭발의 위험이 있으며, 과방전시 황산화 현상으로 인해 전극이 영구적으로 손상되어 재사용이 불가능한 문제가 있어, 고전압 배터리를 탑재한 연료전지 차량에는 이를 사전에 방지하고 위험요소를 제거하기 위한 보호 회로 장치(Protection Circuit Module)가 사용됨이 일반적이다.
보호 회로 장치는 고전압 배터리의 과충전 및 과방전을 방지하고, 고전압 라인의 단락 또는 단선 등의 원인에 의해 고전압 배터리에 과전류가 흐르는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 즉, 보호 회로 장치에 이상이 발생한 경우, 고전압 배터리가 발화하여 폭발하는 등 연료전지 차량의 안정성이 저하되는 문제가 있다.
따라서 고전압 배터리의 성능 저하(배터리 자체 고장) 또는 보호 회로 장치 등의 이상 발생(배터리 주변 부품의 고장)한 경우, 문제가 발생한 고전압 배터리를 교체하거나 수리해야만 한다.
문제가 발생한 고전압 배터리를 교체하거나 수리하는 경우, 문제가 발생한 고전압 배터리와 나머지 정상 배터리의 충전량이 상이하게 된다.
따라서 문제가 발생한 고전압 배터리의 교체 또는 수리 후에는, 나머지 정상 배터리와 충전량을 맞춰주는 작업이 필요하다. 이러한 작업을 소위, '배터리 밸런싱(Battery Balancing)'이라 한다.
이에 따라, 고전압 배터리의 교체 또는 수리를 위해 연료전지 차량을 정비소로 이동한 경우, 고전압 배터리의 교체 또는 수리 후에도 배터리 밸런싱을 수행해야 하므로, 연료전지 차량을 즉시 출고하거나 주행할 수 없는 번거로움이 있다.
또한, 현재 고전압 배터리의 교체 또는 수리 후 수행되는 배터리 밸런싱은, 작업자가 모든 고전압 배터리의 충전량이 균등한 상태가 될 때까지 충전기와 방전기를 사용하여 수동으로 수행되고 있어, 작업의 효율성 및 정확성이 낮은 문제가 있다.
따라서 고전압 배터리의 고장시 고전압 배터리의 교체 또는 수리 전에 미리 시스템 제어를 통해 자동으로 배터리 밸런싱을 수행할 수 있는 기술의 제공이 시급하다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1423961 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수의 배터리를 탑재한 연료전지 차량에 있어서, 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충방전 제어를 통해 복수의 배터리의 충전량을 균등하게 조절함으로써, 배터리의 교체 또는 수리 후 배터리 밸런싱을 수행할 필요 없이 연료전지 차량의 즉시 주행이 가능한 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 차량의 구동에너지를 제공하는 복수의 배터리, 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지 및 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 고장 유형을 구분하고, 구분된 고장 유형에 따라 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 일부 배터리의 자체 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단하고, 일부 배터리의 주변 부품의 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동에너지를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 복수의 배터리 또는 연료전지로부터 전원을 공급받아 차량의 부하에 공급되는 전원을 제어하는 고전압 정션박스 및 고전압 정션박스에는 복수의 컨버터를 통해 복수의 배터리가 각각 연결되고, 각 배터리와 컨버터의 사이마다 개별적으로 마련되어 각 배터리를 컨버터에 연결하거나 차단하는 복수의 배터리 메인 릴레이를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계, 제어기에서 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계 이전에는, 제어기에서 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우, 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지를 제어하는 단계에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우, 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지를 제어하는 단계에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동 에너지를 생성한 후, 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우, 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지를 제어하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 복수의 배터리를 탑재한 연료전지 차량에 있어서, 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충방전 제어를 통해 복수의 배터리의 충전량을 균등하게 조절함으로써, 자동으로 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
둘째, 상기 배터리 밸런싱은 배터리의 교체 또는 수리 전에 미리 수행되어, 배터리의 교체 또는 수리 완료 후 배터리 밸런싱을 수행할 필요 없이 연료전지 차량의 즉시 주행이 가능하다.
셋째, 상기 배터리 밸런싱 수행 중, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 함으로써, 배터리의 교체 또는 수리 전에도 연료전지 차량의 정상 주행이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 순서도.
이 명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 제어기(Controller, 300)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(300)나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 차량의 구동에너지를 제공하는 복수의 배터리(100), 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리(100)를 충전하는 연료전지(200) 및 복수의 배터리(100) 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지(200)를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어하는 제어기(300)를 포함한다.
앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 연료전지 차량은 주동력원으로서 연료전지(200)를, 보조동력원으로서 고전압 배터리(100)를 함께 사용할 수 있다.
이와 같이 연료전지(200)와 고전압 배터리(100)를 함께 사용하는 연료전지 차량에는 복수의 배터리(100) 또는 배터리팩(120)이 탑재될 수 있으며, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 최소 2개 이상의 복수의 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량을 전제로 한다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템에서, '배터리(100)의 충전량'이란, 현재 사용할 수 있는 배터리(100) 용량을 전체 용량으로 나누어 백분율(%)로 나타낸 값을 의미하는 것으로서, 일반적으로 'SOC(State of Charge)'로 표현된다. 배터리(100)의 충전량이 100%이면 배터리(100)가 완충된 상태를 의미하고, 반대로 고전압 배터리(100)의 충전량이 0%이면 배터리(100)가 모두 소모된 상태를 의미한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템에서, 복수의 배터리(100)는 주동력원인 연료전지(200)와 함께 연료전지 차량의 구동에너지를 제공하고, 연료전지(200)는 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 생성하여 연료전지 차량의 구동에너지를 제공하거나 복수의 배터리(100)를 충전할 수 있다.
그리고 이와 같이 연료전지(200)를 통해 복수의 배터리(100)를 충전하거나 연료전지 차량의 구동에너지를 제공하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 정상 배터리의 충방전 또는 연료전지(200)를 제어하는 제어기(300)를 더 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 제어기(300)는 복수의 배터리(100) 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지(200)를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
여기서 '일부 배터리의 고장'이란, 배터리(100)의 교체 또는 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 그리고 '기준값'이란, 배터리(100)의 교체가 필요한 경우에는 교체되어 새로 장착되는 배터리(이하, '교체 배터리'라 한다.)의 충전량을 의미하고, 배터리(100)의 수리가 필요한 경우에는 수리가 필요한 배터리의 고장 문제가 발생한 시점에서의 충전량을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는, 배터리(100)의 교체 또는 수리가 필요한 경우를 구분하여 각 경우에 있어서 기준값에 따라 정상 배터리의 충전량을 상이하게 제어할 수 있다.
이때, 정상 배터리의 충전이 필요한 경우, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는, 연료전지(200)를 통해 정상 배터리의 충전에너지를 생성할 수 있다.
이와 달리 정상 배터리의 방전이 필요한 경우, 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리를 방전시켜 연료전지 차량의 구동에너지를 확보할 수 있다.
정상 배터리의 방전을 통해 연료전지 차량의 구동에너지를 확보하는 경우, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는, 연료전지(200)를 통해 연료전지 차량의 구동에너지가 함께 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
또한, 정상 배터리의 충전량이 기준값(고장 배터리의 충전량 또는 교체 배터리의 충전량)에 해당하는 경우, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는, 오로지 연료전지(200)를 통해서만 연료전지 차량의 구동에너지가 모두 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
결과적으로, 위와 같이 일부 배터리의 고장시 제어기(300)에 의해 나머지 정상 배터리의 충방전이 제어됨으로써, 복수의 배터리(100)의 충전량을 균등하게 조절할 수 있어, 배터리 밸런싱을 자동으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리 밸런싱을 수행함과 동시에 연료전지(200)를 통해 연료전지 차량의 구동에너지를 확보함으로써, 배터리(100)의 교체 또는 수리 전에도 연료전지 차량의 정상 주행이 가능하고, 연료전지 차량을 정비소로 이동시키는 경우 견인차를 활용해야 하는 등의 번거로움을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 이와 같이 배터리(100)의 교체 또는 수리 전에 배터리 밸런싱을 미리 수행함으로써 배터리(100)의 교체 또는 수리 완료 후 연료전지 차량의 즉시 출고 및 주행이 가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 구체적인 작용원리를 개별적으로 살펴보면서, 본 발명이 갖는 차별적 특징을 상세하게 설명하기로 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 복수의 배터리(100) 중 일부 배터리의 고장시 고장 유형을 구분하고, 구분된 고장 유형에 따라 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지(200)를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
그리고 이와 같이 제어기(300)에 의해 구분되는 고장 유형은 고장 배터리의 교체가 필요한 경우 또는 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나로 구분될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는, 배터리(100)의 교체 또는 수리가 필요한 경우를 구분하여 각 경우에 있어서 기준값에 따라 정상 배터리의 충전량을 상이하게 제어할 수 있다.
여기서 배터리(100)의 고장 유형을 교체 또는 수리가 필요한 경우로 구분하는 이유는 다음과 같다.
기본적으로 복수의 배터리(100)가 탑재된 연료전지 차량에서 각 배터리(100)는 보조동력원으로 사용되므로, 각 배터리(100)의 충전량에 따라 각 배터리(100)의 충방전 여부가 결정된다. 즉, 배터리(100)의 충전량이 적으면 배터리(100)의 충전 제어가 수행되고, 배터리(100)의 충전량이 충분하면 배터리(100)를 방전시켜 보조동력원으로 활용(차량의 구동에너지를 확보)하는 제어가 수행된다.
그리고 여기서 각 배터리(100)의 충전량 계산에 있어서 중요한 인자가 배터리 셀의 전압이다. 복수의 배터리(100)의 충방전이 진행됨에 따라, 각 배터리(100)마다 상이한 전기화학적 특성에 의해 배터리 셀 간 전압 편차가 발생할 수 있다. 이에 따라 각 배터리(100)의 과충전 또는 과방전이 발생할 수 있으며, 이는 배터리(100)의 노화 및 성능 저하의 원인이 된다.
따라서 복수의 배터리(100)가 탑재된 연료전지 차량은, 이를 방지하기 위해 배터리(100)의 충전량이 안정된 영역에서 사용되도록 관리하고, 각 배터리(100)의 충전량을 균등하게 제어함으로써 배터리 셀 간 전압 편차를 최소화할 필요가 있다.
다시 말해, 복수의 배터리(100)가 탑재된 연료전지 차량은 '배터리 밸런싱'을 수행할 필요가 있다.
그리고 배터리(100)의 교체 또는 수리가 필요한 경우, 각 경우에 있어서 배터리 밸런싱을 수행하는 방법이 상이하다.
구체적으로, 배터리(100)의 교체가 필요한 경우에는 교체 배터리의 충전량과 정상 배터리의 충전량을 비교하여 그 비교결과에 따라 정상 배터리의 충방전 여부가 달라지며, 연료전지 차량의 구동에너지 생성을 위해 제어되는 구성요소에도 차이가 있게 된다.
또한, 배터리(100)의 수리가 필요한 경우에는 고장 배터리의 충전량에 정상 배터리의 충전량을 일치시키도록 정상 배터리의 충방전이 제어되며, 배터리(100)의 교체가 필요한 경우보다 연료전지 차량의 구동에너지 생성을 위해 연료전지(200)의 발전량이 차지하는 비중이 높아지는 차이가 있다. 이에 대해서는 추후 구체적으로 설명하기로 한다.
즉, 이와 같이 배터리(100)의 고장 유형에 따라 제어기(300)에 의해 배터리 밸런싱을 수행하는 방법이 상이하게 되므로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분하고자 한다.
각 고장 유형별 구체적인 배터리 밸런싱 수행과정 내지 제어원리는 후술하기로 하며, 이에 앞서 어떤 경우를 고장 배터리의 교체 또는 수리가 필요한 경우로 판단하는지 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 일부 배터리의 자체 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단하고, 일부 배터리의 주변 부품의 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 연료전지 차량에 탑재되는 일반적인 배터리(100)의 구성요소 및 특성에 대해 간략히 설명하기로 한다.
연료전지 차량에 탑재되는 배터리(100)는 높은 용량을 구현하기 위해 여러 개의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 배치되어 형성된 하나의 배터리팩(120)의 형태로 설치된다.
하나의 배터리 셀은 양극, 음극, 전해액 및 분리막으로 이루어지며, 양극을 구성하는 리튬은 배터리(100)의 용량과 평균 전압을 결정하고, 음극은 양극에서 나온 리튬 이온을 가역적으로 흡수 또는 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다.
양극을 구성하는 리튬은 원소 상태에서는 반응이 불안정하여 산소와 화합된 리튬 산화물의 상태로 사용된다. 그리고 음극은 일반적으로 흑연(C)을 주로 사용하는데, 이는 낮은 전자 화학반응과 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 조건을 충족하며, 기타 재료비가 절감되는 등 장점이 있기 때문이다.
나아가 분리막은 양극과 음극이 분리되도록 물리적으로 막아주는 역할을 하는 것으로서, 미세한 구멍이 형성되어 전해액을 통해 리튬 이온만을 통과시키고 전자는 통과하지 않도록 한다. 즉, 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온만을 선택적으로 이동하게 하는 매질 역할을 한다.
한편, 배터리(100)의 충방전이 수행됨에 따라, 리튬 이온이 잔류하거나 입자의 균열이 발생할 수 있으며, 이는 고전압 배터리(100)의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
구체적으로, 배터리(100)의 충전 중 양극의 리튬 이온이 이동함에 따라 양극의 결정 격자는 일반적으로 양극 산소 이온 간 반발로 인해 팽창하게 된다. 이는 입자의 균열을 발생시켜 배터리 셀의 용량 손실을 유발할 수 있다.
또한, 배터리(100)의 충전 중 리튬 이온이 음극에 들어가는 경우에도 마찬가지로, 음극의 결정 격자가 팽창할 수 있다. 흑연 음극의 경우 격자 구조가 'LiC12'로 변경되었다가 'LiC6'로 변경되며, 배터리(100)의 방전시 다시 흑연(C)으로 되돌아간다.
그리고 배터리(100)의 충방전이 여러 번 반복되는 경우, 일부 리튬 이온이 음극에 잔류하여 배터리(100)의 방전 용량을 저하시킬 수 있다.
즉, 배터리(100)의 충방전시 리튬 이온의 잔류 현상 또는 입자 균열의 발생 현상 등에 의해 배터리 셀의 용량이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 이는 배터리(100)의 자체 고장에 해당하는 경우로서, 배터리(100)의 교체가 필수적이다.
또한, 이와 같은 배터리 셀의 용량 저하를 감지하기 위해 배터리팩(120)에는 별도의 센서(미도시)와 센싱 라인(미도시)이 마련될 수 있다. 센서(미도시)에서 측정한 배터리 셀 전압이 일정 기준범위를 벗어나면 센싱 라인(미도시)이 단선된 것으로 판단된다.
즉, 센싱 라인(미도시)이 단선되면 배터리 셀의 전압이 정확히 측정되지 않으므로(배터리 셀의 전압 측정값 불량 문제) 배터리(100)에 고장이 발생한 것으로 보아, 배터리(100)의 교체 또는 수리를 수행하게 된다.
이 경우, 센싱 라인(미도시)의 단선 문제에 해당한다면 배터리(100) 자체의 문제는 아니나, 배터리 셀의 전압 측정값 불량 원인이 배터리 셀의 용량 저하로부터 기인할 수도 있으므로, 배터리(100) 자체의 고장으로 취급하여 배터리(100)의 교체를 수행함이 일반적이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 센싱 라인(미도시)이 단선되거나 배터리 셀 용량 저하 등의 문제가 발생한 경우 '배터리(100)의 자체 고장'에 해당하는 것으로 보아, 배터리(100)의 교체가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 배터리(100)는 과충전시 폭발의 위험이 있으며, 과방전시 황산화 현상으로 인해 전극이 영구적으로 손상되어 재사용이 불가능한 문제가 있어, 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량에는 이를 사전에 방지하고 위험요소를 제거하기 위한 보호 회로 장치(Protection Circuit Module)가 사용됨이 일반적이다.
보호 회로 장치는 배터리(100)의 과충전 및 과방전을 방지하고, 고전압 라인의 단락 또는 단선 등의 원인에 의해 배터리(100)에 과전류가 흐르는 것을 차단하는 기능을 수행한다.
구체적으로, 배터리(100)가 일정 전압 이상으로 과충전시 화학반응이 시작되어 가스와 열이 발생하여 폭발의 위험이 있으며, 배터리(100)가 일정 전압 이하로 방전되면 배터리(100)가 회복 불능으로 손상되는 문제가 있다. 또한, 외부 기기의 오작동이나 고전압 라인의 단락 또는 단선 등에 의해 일정 이상의 전류가 흐르게 되면, 배터리(100)와 보호회로가 손상되거나 감전 및 화재의 위험이 발생할 수 있다.
즉, 보호 회로 장치에 이상이 발생한 경우, 배터리(100)가 발화하여 폭발하는 등(이하, '배터리(100)의 고온 고장'이라 한다.) 연료전지 차량의 안정성이 저하되는 문제가 있다.
대표적인 보호 회로 장치로는 배터리 인터락(interlock) 장치를 예로 들 수 있다. 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)나 연료전지 차량과 같이 고전압을 이용하는 친환경 차량에서 고전압 부품들의 커넥터들은 커넥터 단자를 보호하고, 차량의 정비시 작업자의 안전 및 법규 만족을 위해 기본적으로 커넥터의 탈거를 감지하기 위한 인터락 장치를 적용한다.
구체적으로, 차량 정비를 하기 위해 커넥터를 탈거하는 경우에 있어서 고전압 부품들과의 연결을 차단하지 않으면 작업자가 감전될 위험에 노출될 수 있으며, 차량의 충돌 사고로 인해 고전압 라인의 단락 또는 단선이 발생한 경우에도 감전에 의한 화재 위험이 있으므로, 배터리 인터락 장치를 통해 고전압 부품들과의 연결을 차단시킬 필요가 있다.
즉, 배터리 인터락 장치는 연료전지 차량의 고전압 라인에서 커넥터의 체결 여부를 확인하고, 안전성 확보를 위해 고전압 부품들의 연결을 차단하는 기능을 수행한다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 배터리 인터락 장치 등의 고장이 발생하거나 배터리(100)의 고온 고장 현상이 발생한 경우, 배터리(100) 주변 부품의 고장에 해당하는 것으로 보아, 배터리(100)의 수리가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
참고로, 상술한 센싱 라인(미도시)이 단선되거나 배터리 셀 용량 저하 등의 문제 및 배터리 인터락 장치 등의 고장이 발생하거나 배터리(100)의 고온 고장 현상이 발생한 경우는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 배터리(100)의 수리 또는 교체가 필요한 경우를 설명하기 위한 예시적 기재에 불과하며 이러한 기재에 의해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다.
즉, 본 발명에 있어서 '배터리(100)의 자체 고장' 및 '배터리(100) 주변 부품의 고장'은, 배터리(100)가 탑재된 연료전지 차량에 있어서 문제될 수 있는 기타 다양한 배터리(100)의 고장 문제를 당연히 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 일부 배터리의 자체 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단하고, 일부 배터리의 주변 부품의 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단함으로써, 연료전지 차량에 탑재되는 배터리(100)의 다양한 고장 문제를 유형화할 수 있다. 이에 따라, 각 고장 유형에 가장 적합한 '배터리 밸런싱'을 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
이하, 이와 같이 구분된 각 고장 유형(고장 배터리의 교체가 필요한 경우와 고장 배터리의 수리가 필요한 경우)별 구체적인 배터리 밸런싱 수행과정 내지 제어원리를 개별적으로 살펴보기로 한다.
우선, '고장 배터리의 교체가 필요한 경우'에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어할 수 있다.
즉, 고장 배터리의 교체가 필요한 경우, 교체 배터리의 충전량을 기준값으로 하여 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치하도록 정상 배터리의 충방전이 제어된다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량을 예시로 하여 설명하기로 한다. 3개의 배터리(100)는 각각 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리로 구분하기로 한다.
기본적으로 3개의 배터리(100)는 각 배터리(100)의 충전량이 균등하게 유지되도록 제어되므로, 일부 배터리의 고장 문제가 발생한 시점에서 각 배터리(100)의 충전량은 균등한 상태로 볼 수 있다.
예를 들어, 1번 배터리의 충전량이 40%이면, 2번 배터리와 3번 배터리의 충전량도 각각 40%에 해당한다. 만약, 1번 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단되고, 1번 배터리와 교체되는 교체 배터리의 충전량이 60%인 경우, 제어기(300)는 정상 배터리인 2번 배터리와 3번 배터리의 충전량(40%)이 교체 배터리의 충전량(60%)과 일치하도록 2번 배터리와 3번 배터리의 충전을 실시한다.
이와 달리, 만약 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리의 충전량이 각각 70%인 상태에서 1번 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단되고, 교체 배터리의 충전량이 60%인 경우, 제어기(300)는 정상 배터리인 2번 배터리와 3번 배터리의 충전량(70%)이 교체 배터리의 충전량(60%)과 일치하도록 2번 배터리와 3번 배터리의 방전을 실시한다.
즉, 이와 같이 제어기(300)에 의해 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전이 제어됨으로써, 자동으로 배터리 밸런싱을 수행할 수 있게 되는 것이다.
한편, 정상 배터리의 충방전을 제어함에 있어서, 위와 같이 배터리(100)의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우에는, 교체 배터리의 충전량과 정상 배터리의 충전량을 비교하여 그 비교결과에 따라 정상 배터리의 충방전 여부가 달라지게 된다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지(200)를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있으며, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동에너지를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지(200)를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 앞선 예시와 같이 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리로 구분되는 3개의 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량을 기준으로 설명하기로 한다.
만약 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리의 충전량이 각각 40%인 상태에서 1번 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단되고, 교체 배터리의 충전량은 60%인 경우, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우에 해당한다.
이때, 교체가 필요한 1번 배터리는 사용할 수 없으므로 2번 배터리와 3번 배터리를 사용해야 하는데, 교체 배터리의 충전량(60%)이 정상 배터리의 충전량(40%)보다 큰 경우에 해당하므로, 2번 배터리와 3번 배터리도 사용할 수 없다.
따라서 이 경우 제어기(300)는, 연료전지(200)를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어한다. 이에 따라, 정상 배터리의 충전량(40%)이 교체 배터리의 충전량(60%)과 일치되도록 정상 배터리가 충전되며, 고장 배터리의 교체 전에도 연료전지 차량을 안정적으로 주행할 수 있게 된다.
한편, 만약 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리의 충전량이 각각 70%인 상태에서 1번 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단되고, 교체 배터리의 충전량은 60%인 경우, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우에 해당한다.
이때, 교체가 필요한 1번 배터리는 사용할 수 없고, 2번 배터리와 3번 배터리는 교체 배터리의 충전량(60%)이 정상 배터리의 충전량(70%)보다 작은 경우에 해당하므로, 2번 배터리와 3번 배터리의 방전을 수행할 수 있다.
따라서 이 경우 제어기(300)는, 정상 배터리의 충전량(70%)이 고장 배터리의 충전량(60%)과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동에너지를 생성할 수 있다.
이와 동시에 제어기(300)는, 연료전지(200)를 제어하여 연료전지(200)를 통해 차량의 구동에너지를 추가적으로 생성할 수 있음은 당연하다. 이 경우, 정상 배터리의 방전에 따른 에너지와 연료전지(200)를 통해 생성된 에너지를 합산하여 차량의 구동에너지를 확보할 수 있으므로, 연료전지(200)의 발전량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
그리고 정상 배터리의 방전에 따라 정상 배터리의 충전량(70%)이 고장 배터리의 충전량(60%)과 일치한 경우 제어기(300)는, 정상 배터리의 방전을 중단하여 배터리 밸런싱을 완료한다.
이후, 연료전지(200)를 제어하여 연료전지(200)를 통해서만 차량의 구동에너지가 생성되도록 함으로써, 고장 배터리의 교체 전에도 연료전지 차량의 안정적인 주행을 가능하게 한다.
다음으로, '고장 배터리의 수리가 필요한 경우'에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기(300)는 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지(200)를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지(200)를 제어할 수 있다.
배터리(100)의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우에는 고장 배터리의 충전량에 정상 배터리의 충전량을 일치시키도록 정상 배터리의 충방전이 제어되며, 배터리(100)의 교체가 필요한 경우보다 연료전지 차량의 구동에너지 생성을 위해 연료전지(200)의 발전량이 차지하는 비중이 높아지는 차이가 있다.
즉, 고장 배터리의 수리가 필요한 경우에는, 고장 배터리의 충전량을 기준값으로 하여 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치하도록 정상 배터리의 충방전이 제어된다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 앞선 예시와 같이 1번 배터리, 2번 배터리 및 3번 배터리로 구분되는 3개의 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량을 기준으로 설명하기로 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 기본적으로 3개의 배터리(100)는 각 배터리(100)의 충전량이 균등하게 유지되도록 제어되므로, 일부 배터리의 고장 문제가 발생한 시점에서 각 배터리(100)의 충전량은 균등한 상태로 볼 수 있다.
예를 들어, 1번 배터리의 충전량이 40%이면, 2번 배터리와 3번 배터리의 충전량도 각각 40%에 해당한다. 만약, 1번 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우, 1번 배터리의 수리가 완료된 경우에도 일반적으로 1번 배터리의 충전량은 40%에 해당하게 된다. 다만, 1번 배터리 셀의 전압을 측정하거나 1번 배터리를 수리하는 과정에서 1번 배터리의 충전량에 다소 차이가 발생할 수 있다.
따라서 제어기(300)는 정상 배터리인 2번 배터리와 3번 배터리의 충전량(40%)이 고장 배터리인 1번 배터리의 충전량(40%)과 일치하도록 2번 배터리와 3번 배터리의 충방전을 실시하여, 위와 같은 차이를 보정하고자 한다.
한편, 이러한 차이는 일반적으로 극히 미세한 차이에 불과할 것이므로, 고장 배터리의 수리가 필요한 경우에 있어서 본 발명에 따른 제어기(300)에 의한 정상 배터리의 충방전 제어는, 일반적으로 배터리 밸런싱이 정상적으로 수행되었는지 여부를 확인하는 제어로서의 의미가 있는 것으로 이해될 수 있다.
따라서 고장 배터리의 수리가 필요한 경우, 제어기(300)는 연료전지(200)를 제어하여 연료전지(200)를 통해서만 차량의 구동에너지를 생성하는 경우가 일반적이며, 이에 따라 배터리(100)의 교체가 필요한 경우보다 연료전지 차량의 구동에너지 생성을 위해 연료전지(200)의 발전량이 차지하는 비중이 일반적으로 높아지게 되는 것이다.
결과적으로, 이와 같이 제어기(300)에 의해 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전이 제어됨으로써 자동으로 배터리 밸런싱을 수행할 수 있으며, 연료전지(200)를 제어하여 차량의 구동에너지를 생성함으로써 고장 배터리의 수리 전에도 연료전지 차량의 안정적인 주행이 가능한 효과가 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 복수의 배터리(100) 또는 연료전지(200)로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(410)에 공급되는 전원을 제어하는 고전압 정션박스(400) 및 고전압 정션박스(400)에는 복수의 컨버터(420)를 통해 복수의 배터리(100)가 각각 연결되고, 각 배터리(100)와 컨버터(420)의 사이마다 개별적으로 마련되어 각 배터리(100)를 컨버터(420)에 연결하거나 차단하는 복수의 배터리 메인 릴레이(110)를 더 포함할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량에는 배터리(100)의 과충전 및 과방전 등을 방지하기 위한 보호 회로 장치가 사용됨이 일반적이다.
이러한 보호 회로 장치는 고전압 정션박스(400)에 마련될 수 있다. 고전압 정션박스(400)는 복수의 배터리(100) 또는 연료전지(200)로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(410)에 공급되는 전원을 제어하는 역할을 수행한다.
여기서 차량의 부하(410)란, 차량용 히터, 에어컨 및 냉각팬 등 전원의 공급을 필요로 하는 기타 고전압 부품들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
고전압 정션박스(400)에는 복수의 컨버터(420)가 마련되고, 복수의 컨버터(420)를 통해 복수의 배터리(100)가 각각 연결되도록 형성된다. 그리고 각 배터리(100)와 컨버터(420)의 사이에는 복수의 배터리 메인 릴레이(110)가 개별적으로 마련되어, 각 배터리(100)를 컨버터(420)에 연결하거나 차단할 수 있다. 이와 같이 복수의 배터리(100)마다 배터리 메인 릴레이(110)와 컨버터(420)가 각각 마련됨으로써, 각 배터리(100)의 충전량을 개별적으로 제어할 수 있다.
구체적으로, 배터리(100)가 일정 전압 이하로 방전(과방전)되면 배터리(100)가 회복 불능으로 손상되는 문제가 발생한다. 즉, 배터리(100)는 그 특성상 완전한 방전을 차단하여야 하므로 배터리(100)의 충전량이 사전 설정된 임계 전압(방전 하한 전압)보다 낮아지는 경우, 배터리 메인 릴레이(110)는 고전압 부품들을 포함한 차량 시스템과 각 배터리(100)의 전기적 연결이 차단되도록 개별적으로 제어된다.
한편, 친환경 차량에는 연료전지 차량 뿐만 아니라 기존의 내연기관을 이용하되 고전압 배터리(100)를 함께 사용하는 하이브리드 전기 자동차도 포함된다.
하이브리드 전기 자동차는 기존의 내연기관을 함께 이용하므로, 차량의 구동 모터와 엔진이 상호 보완적인 관계에 있다. 따라서 차량의 출력이 요구되는 경우 배터리(100) 충전이 제한되는 경우가 발생하는 반면, 연료전지 차량의 경우는 구동 모터의 회생제동과는 상관없이 연료전지(200)의 발전을 통해 배터리(100)의 충전이 가능한 장점이 있다.
또한, 하이브리드 전기 자동차의 경우에도 복수의 배터리(100)를 탑재할 수 있으나, 하이브리드 전기 자동차의 경우 하나의 배터리 메인 릴레이(110)에 복수의 배터리(100)가 연결되도록 구성되므로, 각 배터리(100)의 개별적인 충전량 제어가 불가능한 단점이 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 복수의 배터리(100) 또는 연료전지(200)로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(410)에 공급되는 전원을 제어하는 고전압 정션박스(400) 및 고전압 정션박스(400)에는 복수의 컨버터(420)를 통해 복수의 배터리(100)가 각각 연결되고, 각 배터리(100)와 컨버터(420)의 사이마다 개별적으로 마련되어 각 배터리(100)를 컨버터(420)에 연결하거나 차단하는 복수의 배터리 메인 릴레이(110)를 더 포함함으로써, 하이브리드 전기 자동차와는 달리, 각 배터리(100)의 충전량을 개별적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320), 제어기에서 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 단계(S410, S420, S430, S440)를 포함한다.
제어기에서 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320)는 배터리 밸런싱을 수행하는 단계를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
그리고 제어기에서 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 단계(S410, S420, S430, S440)는 배터리 밸런싱의 수행 중에도 연료전지(200)를 통해 연료전지 차량의 정상 주행을 가능하게 함과 아울러, 고장 배터리의 교체 또는 수리 전에 배터리 밸런싱이 수행될 수 있도록 연료전지(200)를 제어하는 단계로 이해될 수 있다.
계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320) 이전에는, 제어기에서 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분하는 단계(S200, S210, S220)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우(S210), 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고(S310), 연료전지를 제어하는 단계(S410, S420, S430, S440)에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다(S410).
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우(S210), 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고(S310), 연료전지를 제어하는 단계(S410, S420, S430, S440)에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동 에너지를 생성한 후(S420), 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다(S430).
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우(S220), 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고(S320), 연료전지를 제어하는 단계(S410, S420, S430, S440)에서는, 제어기에서 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어할 수 있다(S440).
상술한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 각 단계에 있어서 제어기(300)에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 복수의 배터리(100)를 탑재한 연료전지 차량에 있어서, 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충방전 제어를 통해 복수의 배터리(100)의 충전량을 균등하게 조절함으로써, 자동으로 배터리 밸런싱을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 배터리 밸런싱은 배터리(100)의 교체 또는 수리 전에 미리 수행되어, 배터리(100)의 교체 또는 수리 완료 후 배터리 밸런싱을 수행할 필요 없이 연료전지 차량의 즉시 주행이 가능하며, 상기 배터리 밸런싱 수행 중, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지(200)를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 함으로써, 배터리(100)의 교체 또는 수리 전에도 연료전지 차량의 정상 주행이 가능한 장점이 있다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 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.
100 : 배터리
110 : 배터리 메인 릴레이
120 : 배터리팩
200 : 연료전지
300 : 제어기
400 : 고전압 정션박스
410 : 차량의 부하
420 : 컨버터

Claims (15)

  1. 차량의 구동에너지를 제공하는 복수의 배터리;
    차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지; 및
    복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 고장 유형을 구분하고, 구분된 고장 유형에 따라 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하며, 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어기는 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 일부 배터리의 자체 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단하고, 일부 배터리의 주변 부품의 고장에 해당하는 경우 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제어기는 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    제어기는 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어기는 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    복수의 배터리 또는 연료전지로부터 전원을 공급받아 차량의 부하에 공급되는 전원을 제어하는 고전압 정션박스; 및
    고전압 정션박스에는 복수의 컨버터를 통해 복수의 배터리가 각각 연결되고, 각 배터리와 컨버터의 사이마다 개별적으로 마련되어 각 배터리를 컨버터에 연결하거나 차단하는 복수의 배터리 메인 릴레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  11. 청구항 1의 배터리 제어시스템을 제어하는 방법으로서,
    제어기에서 복수의 배터리 중 일부 배터리의 고장시 나머지 정상 배터리의 충전량이 기준값이 되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계;
    제어기에서 정상 배터리의 충전에너지가 필요하거나 차량의 구동에너지가 필요한 경우 연료전지를 통해 필요한 에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계 이전에는,
    제어기에서 일부 배터리의 고장시 고장 배터리의 교체가 필요하거나 고장 배터리의 수리가 필요한 경우 중 어느 하나를 고장 유형으로 구분하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우,
    정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고,
    연료전지를 제어하는 단계에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 큰 경우 연료전지를 통해 정상 배터리의 충전에너지 및 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    제어기에서 고장 배터리의 교체가 필요한 것으로 판단된 경우,
    정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 교체 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고,
    연료전지를 제어하는 단계에서 제어기는, 교체 배터리의 충전량이 정상 배터리의 충전량보다 작은 경우 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리를 방전시켜 차량의 구동 에너지를 생성한 후, 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치한 경우 정상 배터리의 방전을 중단하고, 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    제어기에서 고장 배터리의 수리가 필요한 것으로 판단된 경우,
    정상 배터리의 충방전을 제어하는 단계에서는, 제어기에서 정상 배터리의 충전량이 고장 배터리의 충전량과 일치되도록 정상 배터리의 충방전을 제어하고,
    연료전지를 제어하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지를 통해 차량의 구동에너지가 생성되도록 연료전지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
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