KR20230171262A - 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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백승원
정영우
윤상현
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현대자동차주식회사
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Abstract

차량의 구동에너지를 제공하는 배터리, 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지 및 연료전지의 열화도를 판단하고, 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하며, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 제어기를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법 {BATTERY CONTROL SYSTEM AND METHOD OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하고, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 내연기관 차량의 환경적인 이슈로 인하여 전기자동차 등 친환경 차량의 보급이 확대되고 있으며, 일반적으로 전기자동차(Electronic Vehicle, EV)는 전기 에너지에 의해 구동되는 모터의 구동력을 이용하여 주행하는 자동차를 가리킨다.
이러한 전기자동차에는 기존의 내연기관과 함께 차량용 고전압 배터리에 충전된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지를 통해 생성된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.
특히 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 대략 -1V 내지 +1.2V까지의 출력 전압을 가지고 있다.
이러한 연료전지는 친환경적인 장점이 있는 반면, 차량의 출력 변화에 대응하여 전력을 빠르게 공급하기가 쉽지 않은 문제가 있다.
따라서 위와 같은 차량의 출력 변화에 대응하기 위하여 연료전지 차량의 경우에도 일반적으로 고전압 배터리(이하, '배터리'라 한다.)를 함께 탑재하여 모터의 구동력 제공에 사용하고 있다.
즉, 연료전지 차량에서 연료전지는 주동력원에 해당하는 것으로서 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 생성하여 연료전지 차량의 구동에너지를 제공하고, 배터리는 보조동력원에 해당하여 주동력원인 연료전지와 함께 연료전지 차량의 구동에너지를 제공한다.
또한, 연료전지에서 발생된 전기 에너지는 차량의 부하와 배터리에 공급되어 부하를 구동하거나 배터리를 충전하는 역할을 한다. 배터리에 충전된 전기 에너지는 차량의 부하가 급증할 때(예를 들어, 고출력이 요구되는 경우) 배터리로부터 방전되어 연료전지 차량의 구동에너지를 보충하게 된다.
한편, 연료전지 차량에 탑재된 배터리는 차량의 타력 주행(코스팅 주행, Coasting Drive) 또는 감속 주행시 발생되는 회생제동 에너지를 저장할 수도 있다.
여기서 타력 주행이란, 차량의 주행 중 운전자가 엑셀레이터 및 브레이크를 모두 밟지 않은 상태에서 차량이 현재 속도에 따른 관성으로 주행되는 상태를 의미하며, 감속 주행은 차량의 주행 중 운전자가 브레이크를 밟아 차량의 속도가 빠르게 감속되면서 주행되는 상태를 의미한다.
그리고 회생제동이란, 자동차가 타력 주행을 수행하거나 브레이크 페달이 밟혀지게 되면, 모터에 공급되던 전력은 차단되나 차량의 진행 관성력에 의하여 회전되는 차륜에 의하여 모터로부터 역기전력이 발생되고, 이러한 역기전력을 다시 모터에 인가하게 되면 모터에 역방향의 토크(회생제동 토크)가 발생되어 차량의 제동력이 발생되는 것을 가리킨다.
이러한 회생제동은 버려지는 에너지를 회수함으로써 연비가 향상되는 효과가 있어, 현재 대부분의 상용 차량에 적용되어 제공되고 있으며, 특히 연료전지 차량에서 회생제동 에너지는 특허문헌 1(KR 10-2015-0005868 A)에 개시된 바와 같이 배터리의 충전에 활용되고 있다.
한편, 배터리는 과충전시 폭발의 위험이 있고, 과방전시 황산화 현상으로 인해 고전압 배터리 내부의 전극(양극 및 음극)이 영구적으로 손상되어 재사용이 불가능한 문제가 있다.
이에, 일반적으로 연료전지 차량은 배터리의 내구성을 확보하기 위해 배터리 충전량의 하한값과 상한값을 설정하여 배터리의 충전량이 적정 수준을 유지하도록 관리하고 있다.
즉, 배터리의 충전량이 상한값에 도달하거나(이하, '배터리의 과충전시'라 한다.) 하한값에 도달한 경우(이하, '배터리의 과방전시'라 한다.)와 같이 특별한 상황에서는 배터리의 충방전이 제한된다.
배터리의 과충전시에는 더 이상 회생제동 에너지를 저장할 수 없으므로 회생제동을 중단하게 되는데 이때 차량은 무부하 상태가 되어 차량이 가속되는 현상에 의해 주행 상품성이 저하되고, 회생제동 중단에 따라 연비 성능이 악화되는 문제가 있다.
배터리의 과방전시에는 순간적인 고출력이 요구되는 등 차량의 부하가 급증하는 경우 배터리로부터 필요한 출력을 확보할 수 없게 된다. 이에 따라, 연료전지의 출력만으로 연료전지 차량의 구동에너지를 제공해야 하므로, 차량의 모터가 순간적으로 요구하는 전압을 충분히 공급하지 못하여 차량의 가속 성능이 저하되는 문제가 있다.
따라서 이와 같이 배터리의 충방전이 제한되는 특별한 상황을 사전에 방지할 수 있는 기술의 제공이 시급한 실정이다.
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 10-2015-0005868 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하고, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템은, 차량의 구동에너지를 제공하는 배터리, 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지 및 연료전지의 열화도를 추정하고, 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하며, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 연료전지의 작동시간 또는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정하되, 미리 마련된 기준전류에서 측정된 연료전지의 전압에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템에서, 미리 마련된 기준전류는 프레시 상태의 연료전지의 상한 전압에서 측정된 전류인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 연료전지의 작동시간 또는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 판단된 연료전지의 열화도를 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간마다 배터리의 충전량 변화율을 개별적으로 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리 충전량의 제1 변화율을 도출하고, 차량의 주행 중 배터리의 현재 충전량을 측정하며, 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 도출한 배터리 충전량의 제1 변화율 및 배터리 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리 충전량의 제3 변화율을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 배터리 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자를 가변하고, 배터리 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리의 방전제어인자를 가변할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템에서, 배터리의 충전제어인자는 연료전지의 상한 전압이고, 배터리의 방전제어인자는 배터리의 출력량인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어기는 배터리의 출력과 연료전지의 출력 비율을 조절하거나 배터리의 상한 전압을 조절하여 배터리의 출력량을 가변할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법은, 제어기에서 연료전지의 열화도를 추정하는 단계, 제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계 및 제어기에서 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 연료전지의 열화도를 추정하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 작동시간 및 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계는, 제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리 충전량의 제1 변화율을 도출하는 단계, 제어기에서 차량의 주행 중 배터리의 현재 충전량을 측정하고, 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출하는 단계 및 제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율 및 배터리 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리 충전량의 제3 변화율을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계에서는 제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자를 가변하고, 배터리 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리의 방전제어인자를 가변할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 상한 전압을 가변하거나 배터리의 출력량을 가변할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 배터리 제어시스템 및 그 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하고, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있다.
둘째, 배터리 충전량 변화율의 원인을 연료전지의 열화도 또는 차량의 주행패턴으로 구분하고, 각각의 상황에 대응하여 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리의 충전량을 안정적으로 조절할 수 있다.
셋째, 배터리의 충전량을 안정적으로 조절하여 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지함으로써, 회생제동 중단에 따른 연비 성능 악화 문제 및 차량의 가속 성능 저하 문제를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.
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.
도 3은 연료전지의 I-V 특성 커브를 나타낸 그래프.
도 4는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정하는 것을 설명하기 위한 그래프.
도 5는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 추정된 연료전지의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면.
도 6은 연료전지의 작동시간에 기반하여 추정된 연료전지의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면.
도 7은 도 5 및 도 6에서 구분된 각 구간마다 배터리의 충전량 변화율을 개별적으로 도출하는 것을 나타낸 도면.
도 8은 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출하는 것을 나타낸 도면.
도 9는 배터리의 충전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 10은 배터리의 방전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면.
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(100) 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어방법의 순서도이며, 도 3은 연료전지(200)의 I-V 특성 커브를 나타낸 그래프이고, 도 4는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정하는 것을 설명하기 위한 그래프이며, 도 5는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 추정된 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면이고, 도 6은 연료전지(200)의 작동시간에 기반하여 추정된 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5 및 도 6에서 구분된 각 구간마다 배터리(100)의 충전량 변화율을 개별적으로 도출하는 것을 나타낸 도면이고, 도 8은 차량의 주행 중 측정한 배터리(100)의 현재 충전량에 따라 배터리(100) 충전량의 제2 변화율을 도출하는 것을 나타낸 도면이며, 도 9는 배터리(100)의 충전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 배터리(100)의 방전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템은, 차량의 구동에너지를 제공하는 배터리(100), 차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리(100)를 충전하는 연료전지(200) 및 연료전지(200)의 열화도를 추정하고, 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출하며, 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 제어기(300)를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템에서, '배터리(100)의 충전량'이란, 현재 사용할 수 있는 배터리(100)의 용량을 전체 배터리(100)의 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 배터리(100)의 충전량이 0%이면 배터리(100)가 모두 소모된 상태를 의미한다.
연료전지 차량은 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 모터(500)에 구동에너지를 제공하는 연료전지(200), 연료전지(200)로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(600)에 공급되는 전원을 제어하는 고전압 정션박스(400) 등을 기본 구성요소로 하고, 보조동력원으로써 배터리(100)를 더 포함할 수 있다.
여기서 차량의 부하(600)란, 차량용 히터, 에어컨 및 냉각팬 등 전원의 공급을 필요로 하는 기타 고전압 부품들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 연료전지 차량은 일반적으로 배터리(100)의 내구성을 확보하기 위해 배터리(100) 충전량의 상한값과 하한값을 설정하여 배터리(100)의 충전량이 적정 수준을 유지하도록 관리하고 있다.
즉, 배터리(100)의 과충전시(배터리(100)의 충전량이 상한값에 도달한 경우)에는 배터리(100)의 충전이 제한됨에 따라 회생제동이 중단되어 차량의 연비 성능이 악화되며, 배터리(100)의 과방전시(배터리(100)의 충전량이 하한값에 도달한 경우)에는 배터리(100)의 방전이 제한됨에 따라 차량의 가속 성능이 저하되는 문제가 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템은, 제어기(300)를 통해 연료전지(200)의 열화도를 추정하고, 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출하며, 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하여 위와 같이 배터리(100)의 충방전이 제한되는 특별한 상황을 방지함으로써 차량의 연비 성능 악화 또는 차량의 가속 성능 저하 문제를 사전에 차단하고자 한다.
여기서 연료전지(200)의 열화도 추정 및 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 구체적인 작용원리에 대해서는 후술하기로 하며, '배터리(100)의 충전량 변화율'에 대해 우선 살펴보기로 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 연료전지 차량은 배터리(100) 충전량을 적정 수준으로 관리하기 위해 배터리(100) 충전량의 상한값과 하한값이 설정된다. 이때, 배터리(100) 충전량의 상한값과 하한값의 중간값을 목표값(Target SOC)으로 하여 배터리(100)의 충전량이 목표값을 유지하도록 제어될 수 있다.
이에, 배터리(100)의 충전량이 목표값으로부터 이탈된 정도를 특정한 값으로 정량화하고, 정량화된 값에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하면, 배터리(100)의 충방전이 제한되는 상황을 사전에 방지할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 있어서 '배터리(100)의 충전량 변화율'은 배터리(100)의 충전량이 목표값으로부터 이탈된 정도를 특정한 값으로 정량화한 값을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
그리고 이하의 본 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 배터리(100)의 충전량 변화율(Rate of Change in Battery SOC)을 일종의 등급(level)으로 표현하여 설명하기로 한다.
예를 들어, 배터리(100)의 충전량이 목표값과 일치하는 경우를 기준으로 하여 '0 등급'으로 나타내고, 배터리(100)의 충전량이 목표값보다 클 수록 양의 정수를 순서대로 표현하여 '+1 등급', '+2 등급' 및 '+3 등급'과 같이 나타내며, 배터리(100)의 충전량이 목표값보다 낮을 수록 음의 정수를 순서대로 표현하여 '-1 등급', '-2 등급' 및 '-3 등급'과 같이 나타낼 수 있다.
만약, 배터리(100)의 충전량 변화율이 양의 정수에 해당하는 경우, 제어기(300)는 배터리(100)의 충전 비율이 감소되도록 충전제어인자를 가변하고, 배터리(100)의 방전 비율은 증대되도록 방전제어인자를 가변할 수 있다.
이와 달리, 배터리(100)의 충전량 변화율이 음의 정수에 해당하는 경우, 제어기(300)는 배터리(100)의 충전 비율이 증대되도록 충전제어인자를 가변하고, 배터리(100)의 방전 비율은 감소되도록 방전제어인자를 가변할 수 있다.
즉, 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 위와 같이 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자가 가변됨으로써, 배터리(100)의 충방전이 제한되는 상황을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 '배터리(100)의 충전량 변화율'은 배터리(100)의 충전량이 목표값으로부터 이탈된 정도를 특정한 값으로 정량화한 값을 의미하는데, 배터리(100)의 충전량이 목표값으로부터 이탈된 정도는 연료전지(200)의 열화도에 따라 달라질 수 있다.
연료전지(200)의 열화도는 연료전지(200)의 성능과 직결된 인자로서, 연료전지(200)의 열화도가 낮을수록 연료전지(200)의 성능이 좋은 것으로 판단할 수 있다. 연료전지(200)의 성능이 좋은 경우, 연료전지(200)는 차량의 요구출력을 만족하기 위한 전기 에너지를 과도하게 생성하게 되며, 이와 같이 과도하게 생성된 전기 에너지가 배터리(100)에 충전됨으로써 배터리(100)의 충전량이 증가할 수 있다.
반대로, 연료전지(200)의 열화도가 높아 연료전지(200)의 성능이 낮은 경우, 연료전지(200)는 차량의 요구출력을 만족하기 위한 전기 에너지를 충분히 생성하지 못하게 된다. 이때 부족한 전기 에너지를 공급하기 위해 배터리(100)의 방전이 수행됨으로써 배터리(100)의 충전량이 감소할 수 있다.
즉, 연료전지(200)의 열화도에 의해 배터리(100)의 충전량이 증감될 수 있고, 이에 따라 배터리(100)의 충전량 변화율은 증가하게 된다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템은 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출하고, 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리(100)의 과충전 또는 과방전을 방지함으로써, 회생제동 중단에 따른 연비 성능 악화 문제 및 차량의 가속 성능 저하 문제를 사전에 방지하고자 하는 것이다.
이하, 연료전지(200)의 열화도를 추정하는 구체적인 작용원리에 대해 살펴보기로 한다.
도 3은 연료전지(200)의 I-V 특성 커브를 나타낸 그래프이고, 도 4는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정하는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 연료전지(200)의 작동시간 또는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정할 수 있다.
연료전지(200)는 장기간 사용에 따라 대기 중의 오염원, 운전 중 반응기체의 불충분한 공급, 작동과 멈춤의 주기적 반복, 전해질 막의 퇴화 및 불완전한 운전조건 등 다양한 원인에 의해 연료전지(200) 내부 부품들의 열화가 진행된다.
즉, 연료전지(200)의 열화도는 기본적으로 연료전지(200)의 작동시간에 비례할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템은, 기본적으로 연료전지(200)의 작동시간에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정한다.
예를 들어, 연료전지(200)의 작동시간이 적으면 연료전지(200)의 열화도가 낮은 것으로 추정하고, 연료전지(200)의 작동시간이 많으면 연료전지(200)의 열화도가 높은 것으로 추정할 수 있다. 이는 도 6에서 연료전지(200)의 작동시간(FC Operating Time)에 따라 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간(FC Deterioration section)으로 구분하여 표현하고 있다. 여기서 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분하는 점에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 연료전지(200)의 열화도는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 판단할 수도 있다. '연료전지(200)의 I-V 특성 커브'란, 연료전지(200)의 성능 곡선을 나타낸 것으로서 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3에서는 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(A)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(B)을 도시하고 있다. 즉, '연료전지(200)의 I-V 특성 커브'에서 I는 연료전지(200)의 전류를 의미하고, V는 연료전지(200)의 전압을 의미한다.
그리고 여기서 열화가 진행되지 않은 연료전지란 프레시(Fresh) 상태(Beginning of Life, BOL)의 연료전지로서 초기 연료전지를 의미하고, 열화가 진행된 연료전지란 열화에 따라 요구수명(End of Life, EOL)이 경과하여 교체가 필요한 연료전지 또는 BOL 상태에서 EOL 상태로 점차 진행되고 있는 중간상태(Middle of Life, MOL)의 연료전지를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
도 3에 따르면, 동일 전류를 기준으로 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(A)이 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(B)보다 상측에 위치한 것을 알 수 있다.
즉, 열화된 연료전지의 출력전압이 동일 전류 대비 하강하는 전압 강하 현상이 발생한다. 따라서 특정한 전류값을 기준전류로 하여 측정한 연료전지(200)의 출력전압이 강하되는 정도에 따라 연료전지(200)의 열화도를 추정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정하되, 미리 마련된 기준전류에서 측정된 연료전지(200)의 전압에 기반하여 연료전지(200)의 열화도를 추정할 수 있다. 이때, 미리 마련된 기준전류는 프레시 상태의 연료전지(200)의 상한 전압에서 측정된 전류인 것을 특징으로 할 수 있다.
이에 대한 구체적인 설명에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 연료전지(200)의 상한 전압에 관하여 약술하기로 한다.
연료전지 차량은 배터리(100) 충전량의 상한값과 하한값을 설정하여 배터리(100)의 충전량을 적정 수준으로 관리할 뿐만 아니라, 연료전지(200)의 내구성을 확보하기 위해 연료전지(200)의 출력전압을 제한할 수 있다.
구체적으로, 연료전지(200)의 출력전압에 상한을 설정하여 연료전지(200)의 출력전압이 과도하게 높아지는 것을 방지한다. 연료전지(200)의 출력전압이 상한 전압보다 높아지면 잉여 발전량은 배터리(100)의 충전에 활용된다. 이에 따라 연료전지(200)의 출력전압이 상한 전압 이하로 유지될 수 있게 되는 것이다.
그러나 배터리(100)의 과충전시에는 더 이상 연료전지(200)의 발전에 의해 생산된 전기 에너지를 배터리(100)에 저장할 수 없으므로 연료전지(200)의 출력전압이 과도하게 높아질 수 있고, 이에 따라 연료전지(200)가 열화되는 등 연료전지(200)의 내구성 및 성능이 악화될 수 있다.
이를 방지하기 위해, 연료전지(200)의 상한 전압은 배터리(100)의 충전량에 따라 달리 제어될 수 있다.
예를 들어, 배터리(100)의 충전량이 상한값에 근접한 경우에는 연료전지(200)의 상한 전압을 높임으로써 배터리(100)의 충전에 활용되는 잉여 발전량을 감소시킬 수 있다. 반대로 배터리(100)의 충전량이 하한값에 근접한 경우에는 연료전지(200)의 상한 전압을 낮춤으로써 배터리(100)의 충전에 활용되는 잉여 발전량을 증대시킬 수 있다.
이와 같이 배터리(100)의 충전에 활용되는 잉여 발전량이 증가 또는 감소됨에 따라, 배터리(100)의 충전량을 조절할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템은, 위와 같은 상한 전압에서 측정된 연료전지(200)의 출력전류를 기준으로 하여 연료전지(200)의 열화도를 추정하는데, 이와 관련하여 도 3 및 도 4를 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3 및 도 4에서 C는 연료전지(200)의 상한 전압을 의미하고, 도 3에서 D는 고출력 주행시의 연료전지(200)의 출력전류를 의미하며, 도 4에서 E는 프레시 상태의 연료전지(200)의 상한 전압에서 측정된 연료전지(200)의 출력전류를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서 미리 마련된 기준 전류는 도 4의 E에 해당하는 것으로 이해함이 바람직하다.
한편, 도 3에서 D보다 높은 출력전류에 해당하는 영역(도 3에서 D의 우측 영역을 의미한다.)을 살펴보면, 연료전지(200)의 출력전류가 증가될수록 열화가 진행되지 않은 연료전지(200)와 열화가 진행된 연료전지(200)의 각 출력전압 차이가 감소하는 것을 알 수 있다.
다시 말해, 연료전지 차량을 고출력으로 주행할수록 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(A)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(B)의 차이가 감소한다. 이에 따라, 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화정도를 쉽게 구분할 수 없으므로, 연료전지(200)의 열화도를 추정함에 있어서 어려움이 발생한다.
반면, 도 4의 E를 기준 전류로 하는 경우, 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(A)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(B)의 차이가 상대적으로 클 뿐만 아니라, 연료전지(200)의 출력전류가 E보다 높아지더라도 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(A)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향 곡선(B)의 차이가 다소 증가함을 알 수 있다.
따라서, 도 4의 E를 기준 전류로 하는 경우, 앞선 경우(도 3에서 D의 우측 영역을 기준으로 판단한 경우)보다 용이하게 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 열화정도를 구분할 수 있다.
또한, 프레시 상태의 연료전지(200)의 상한 전압에서 측정된 연료전지(200)의 출력전류는 다수의 실험을 통해 미리 도출할 수 있는 값으로서, 데이터화하여 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시) 등에 저장할 수 있으므로, 기준 전류로 쉽게 활용할 수 있는 장점이 있다.
계속하여, 제어기(300)에서 추정된 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출하는 작용원리에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 5는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 추정된 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면이고, 도 6은 연료전지(200)의 작동시간에 기반하여 추정된 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분한 것을 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5 및 도 6에서 구분된 각 구간마다 배터리(100)의 충전량 변화율을 개별적으로 도출하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 연료전지(200)의 작동시간 또는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 추정된 연료전지(200)의 열화도를 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간마다 배터리(100)의 충전량 변화율을 개별적으로 도출할 수 있다.
구체적으로, 도 5에서는 연료전지(200)의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지(200)의 출력전압을 'a 초과(More than a)', 'a 부터 b(a ~ b)', 'b 부터 c(b ~ c)' 및 'c 미만(Less than c)'의 4가지 구간으로 구분하고, 각 구간에서 추정된 연료전지(200)의 열화도를 'F, G, H 및 I'로 표현하고 있다.
여기서 'a, b 및 c'는 도 4에 도시된 'a, b 및 c'와 동일한 것으로서, 프레시 상태의 연료전지(200)의 상한 전압에서 측정된 연료전지(200)의 출력전류에서 측정된 출력전압을 4가지 구간으로 구분한 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도 6에서는 연료전지(200)의 작동시간을 '500시간 미만(Less than 500)', '500시간부터 1000시간(500~1000)', '1000시간부터 2000시간(1000~2000)' 및 '2000시간 초과(More than 2000)'의 4가지 구간으로 구분하고, 각 구간에서 추정된 연료전지(200)의 열화도를 'F, G, H 및 I'로 표현하고 있다.
그리고 도 7에서는 도 5에서 추정된 연료전지(200)의 열화도를 세로축(Estimated by FC I-V Curve)으로 하고, 도 6에서 추정된 연료전지(200)의 열화도를 가로축(Estimated by FC Operating Time)으로 하며, 배터리(100)의 충전량 변화율(Rate of Change in Battery SOC)을 일종의 등급(level)으로 표현하고 있다.
이때, 배터리(100)의 충전량 변화율은, 연료전지(200)의 열화도가 낮을수록 양의 가중치를 부여하여 '+1 등급', '+2 등급' 및 '+3 등급'과 같이 나타내며, 연료전지(200)의 열화도가 클수록 음의 가중치를 부여하여 '-1 등급', '-2 등급' 및 '-3 등급'과 같이 나타내고 있다. 그리고 도 5 및 도 6에서 추정된 연료전지(200)의 열화도가 모두 'H'에 해당하는 경우, 배터리(100)의 충전량이 상한값과 하한값의 중간값인 목표값(Target SOC)과 일치하는 경우로서 '0 등급'으로 나타내었다.
이와 같이 연료전지(200)의 작동시간에 기반하여 추정한 연료전지(200)의 열화도와 연료전지(200)의 I-V 커브에 기반하여 추정한 연료전지(200)의 열화도를 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간에서 추정된 연료전지(200)의 열화도에 따라 가중치를 부여함으로써, 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출할 수 있게 되는 것이다.
참고로, 상술한 도 5 내지 도 7에서 복수의 구간으로 구분된 각 구간 및 각종 수치들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다.
한편, 도 8은 차량의 주행 중 측정한 배터리(100)의 현재 충전량에 따라 배터리(100) 충전량의 제2 변화율을 도출하는 것을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100) 충전량의 제1 변화율을 도출하고, 차량의 주행 중 배터리(100)의 현재 충전량을 측정하며, 차량의 주행 중 측정한 배터리(100)의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리(100) 충전량의 제2 변화율을 도출할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 도출한 배터리(100) 충전량의 제1 변화율 및 배터리(100) 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리(100) 충전량의 제3 변화율을 도출할 수 있다.
배터리(100)의 충전량 변화율에 영향을 미치는 인자에는 앞서 살펴본 연료전지(200)의 열화도뿐만 아니라 '차량의 주행패턴'도 존재한다.
여기서 차량의 주행패턴이란, 예를 들어 차량의 냉난방장치(에어컨, 히터 등)의 사용빈도가 적은 경우, 잦은 주행과 정차를 반복하는 경우, 차량이 내리막 구간을 장시간 주행하는 등 회생제동이 빈번하게 수행되는 경우와 같이 다양한 상황에서의 주행패턴을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
상기 주행패턴과 같은 상황에서는, 상대적으로 배터리(100)의 방전량이 적거나 배터리(100)로 충전되는 전기 에너지가 많게 되므로 배터리(100)의 충전량이 상승하게 된다. 이와 달리 상기 주행패턴과 반대 상황에서는, 상대적으로 배터리(100)의 방전량이 많거나 배터리(100)로 충전되는 전기 에너지가 적게 되므로 배터리(100)의 충전량이 감소하게 된다.
즉, 상기 주행패턴과 같은 상황에서 차량을 장시간 주행하는 경우, 배터리(100)의 충전량 변화율이 증가하게 된다.
그러나 상기 주행패턴은 차량의 운전자마다 상이할 수밖에 없어, 배터리(100)의 충전량 변화율에 미치는 영향을 정량적으로 측정함에 있어서 어려움이 있다.
한편, 차량의 주행 중 배터리(100)의 현재 충전량을 측정하면, 배터리(100)의 충전량 변화율을 실시간으로 도출할 수 있다. 그리고 차량의 주행 중 실시간으로 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에는 연료전지(200)의 열화도 및 차량의 주행패턴에 따른 영향이 모두 포함된다.
따라서 차량의 주행 중 실시간으로 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에서 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율을 소거함으로써, 차량의 주행패턴에 따른 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는, 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100) 충전량의 제1 변화율을 도출하고, 차량의 주행 중 측정한 배터리(100)의 현재 충전량에 따라 배터리(100) 충전량의 제2 변화율을 도출하며, 배터리(100) 충전량의 제2 변화율에서 배터리(100) 충전량의 제1 변화율을 소거하여 배터리(100) 충전량의 제3 변화율을 도출하고자 한다.
즉, 본 발명에 있어서 '배터리(100) 충전량의 제1 변화율'은 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율을 의미하고, '배터리(100) 충전량의 제2 변화율'은 차량의 주행 중 실시간으로 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율을 의미하며, '배터리(100) 충전량의 제3 변화율'은 차량의 주행패턴에 따른 배터리(100)의 충전량 변화율을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
여기서 배터리(100) 충전량의 제2 변화율은, 제어기(300)에서 차량의 주행 중 배터리(100)의 현재 충전량을 측정하고, 차량의 주행 중 측정한 배터리(100)의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 도출될 수 있다.
그리고 '미리 마련된 기준값'이란, 앞서 언급한 배터리(100) 충전량의 상한값과 하한값의 중간값인 목표값(Target SOC)으로 이해될 수 있다.
결론적으로, 위와 같이 배터리(100) 충전량의 제2 변화율에서 배터리(100) 충전량의 제1 변화율을 소거함으로써, 차량의 주행패턴에 따른 배터리(100)의 충전량 변화율(배터리(100) 충전량의 제3 변화율)을 도출할 수 있다.
이에 따라, 배터리(100)의 충전량 변화율에 영향을 미치는 인자를 명확히 구분할 수 있어, 각각의 인자에 따른 영향을 달리 제어함으로써 배터리(100)의 과충전 또는 과방전을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
도 9는 배터리(100)의 충전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 배터리(100)의 방전제어인자를 가변하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 배터리(100) 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자를 가변하고, 배터리(100) 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리(100)의 방전제어인자를 가변할 수 있다.
이때, 배터리(100)의 충전제어인자는 연료전지(200)의 상한 전압이고, 배터리(100)의 방전제어인자는 배터리(100)의 출력량인 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리(100) 제어시스템의 제어기(300)는 배터리(100) 충전량의 제1 변화율에 따라 연료전지(200)의 상한 전압을 가변하고, 배터리(100) 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리(100)의 출력량을 가변할 수 있다.
여기서 배터리(100)의 출력량은 배터리(100)의 출력과 연료전지(200)의 출력 비율을 조절하거나 배터리(100)의 상한 전압을 조절하여 가변할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, '배터리(100) 충전량의 제1 변화율'은 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율을 의미하고, '배터리(100) 충전량의 제3 변화율'은 차량의 주행패턴에 따른 배터리(100)의 충전량 변화율을 의미한다.
즉, 본 발명에 따른 제어기(300)는 배터리(100)의 충전량 변화율이 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 도출된 경우에는 연료전지(200)의 상한 전압을 가변하고, 배터리(100)의 충전량 변화율이 차량의 주행패턴에 기반하는 경우에는 배터리(100)의 출력과 연료전지(200)의 출력 비율을 조절하거나 배터리(100)의 상한 전압을 조절하여 배터리(100)의 출력량을 가변할 수 있다. 이하, 도 9 및 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 9에서 J 방향으로 제어하는 경우는 연료전지(200)의 열화도가 낮아 배터리(100)의 충전량이 높은 상태이므로, 연료전지(200)의 상한 전압을 높임으로써 배터리(100)로 충전되는 전기 에너지가 감소되도록 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 달리, 도 9에서 K 방향으로 제어하는 경우는 연료전지(200)의 열화도가 높아 배터리(100)의 충전량이 낮은 상태이므로, 연료전지(200)의 상한 전압을 낮춤으로써 배터리(100)로 충전되는 전기 에너지가 증대되도록 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
도 10에서 L 방향으로 제어하는 경우는 차량의 주행패턴이 배터리(100)의 충전량을 상승시키는 주행상황에 해당하여 배터리(100)의 방전량이 상대적으로 적은 상태이므로, 배터리(100)의 출력량을 높임으로써 배터리(100)에서 방전되는 전기 에너지가 증대되도록 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 달리, 도 10에서 M 방향으로 제어하는 경우는 차량의 주행패턴이 배터리(100)의 충전량을 감소시키는 주행상황에 해당하여 배터리(100)의 방전량이 상대적으로 많은 상태이므로, 배터리(100)의 출력량을 낮춤으로써 배터리(100)에서 방전되는 전기 에너지가 감소되도록 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
한편, 연료전지 차량에 탑재되는 배터리(100)는 보조동력원으로 사용되는 바, 도 10에서는 배터리(100)의 출력과 연료전지(200)의 출력 비율을 조절하여 배터리(100)의 출력량을 가변하는 것으로 도시하였다.
다만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과할 뿐, 이로 인해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다. 즉, 이와 달리 배터리(100)의 상한 전압을 조절하여 배터리(100)의 출력량을 가변할 수도 있다.
결과적으로, 이와 같이 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리(100)의 과충전 또는 과방전을 방지할 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 연료전지의 열화도를 추정하는 단계(S100), 제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계(S210, S220, S230) 및 제어기에서 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계(S310, S320)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 연료전지의 열화도를 추정하는 단계(S100)에서는 제어기에서 연료전지의 작동시간 및 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계(S210, S220, S230)는, 제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리 충전량의 제1 변화율을 도출하는 단계(S210), 제어기에서 차량의 주행 중 배터리의 현재 충전량을 측정하고, 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출하는 단계(S220) 및 제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율 및 배터리 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리 충전량의 제3 변화율을 도출하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계(S310, S320)에서는 제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자를 가변하고(S310), 배터리 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리의 방전제어인자를 가변할 수 있다(S320).
그리고 본 발명에 따른 연료전지 차량의 배터리 제어방법의 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계(S310, S320)에서는 제어기에서 연료전지의 상한 전압을 가변하거나(S310) 배터리의 출력량을 가변할 수 있다(S320).
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(100) 제어시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지(200)의 열화도에 기반하여 배터리(100)의 충전량 변화율을 도출하고, 도출된 배터리(100)의 충전량 변화율에 따라 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하되, 배터리(100) 충전량 변화율의 원인을 연료전지(200)의 열화도 또는 차량의 주행패턴으로 구분하고, 각각의 상황에 대응하여 배터리(100)의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변함으로써 배터리(100)의 충전량을 안정적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 배터리(100)의 과충전 또는 과방전을 방지함으로써, 회생제동 중단에 따른 연비 성능 악화 문제 및 차량의 가속 성능 저하 문제를 사전에 방지할 수 있는 효과가 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
200 : 연료전지
300 : 제어기
400 : 고전압 정션박스
500 : 모터
600 : 차량의 부하

Claims (15)

  1. 차량의 구동에너지를 제공하는 배터리;
    차량의 구동에너지를 제공하거나 배터리를 충전하는 연료전지; 및
    연료전지의 열화도를 추정하고, 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하며, 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 제어기;를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지의 작동시간 또는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어기는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단하되, 미리 마련된 기준전류에서 측정된 연료전지의 전압에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    미리 마련된 기준전류는 프레시 상태의 연료전지의 상한 전압에서 측정된 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    제어기는 연료전지의 작동시간 또는 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 추정된 연료전지의 열화도를 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간마다 배터리의 충전량 변화율을 개별적으로 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리 충전량의 제1 변화율을 도출하고, 차량의 주행 중 배터리의 현재 충전량을 측정하며, 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 도출한 배터리 충전량의 제1 변화율 및 배터리 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리 충전량의 제3 변화율을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어기는 배터리 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자를 가변하고, 배터리 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리의 방전제어인자를 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    배터리의 충전제어인자는 연료전지의 상한 전압이고, 배터리의 방전제어인자는 배터리의 출력량인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어기는 배터리의 출력과 연료전지의 출력 비율을 조절하거나 배터리의 상한 전압을 조절하여 배터리의 출력량을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어시스템.
  11. 청구항 1의 연료전지 차량의 배터리 제어시스템의 제어방법으로서,
    제어기에서 연료전지의 열화도를 추정하는 단계;
    제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계; 및
    제어기에서 도출된 배터리의 충전량 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 열화도를 추정하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 작동시간 및 연료전지의 I-V 특성 커브에 기반하여 연료전지의 열화도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    배터리의 충전량 변화율을 도출하는 단계는,
    제어기에서 연료전지의 열화도에 기반하여 배터리 충전량의 제1 변화율을 도출하는 단계;
    제어기에서 차량의 주행 중 배터리의 현재 충전량을 측정하고, 차량의 주행 중 측정한 배터리의 현재 충전량과 미리 마련된 기준값의 차이에 따라 배터리 충전량의 제2 변화율을 도출하는 단계; 및
    제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율 및 배터리 충전량의 제2 변화율에 기반하여 배터리 충전량의 제3 변화율을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계에서는 제어기에서 배터리 충전량의 제1 변화율에 따라 배터리의 충전제어인자를 가변하고, 배터리 충전량의 제3 변화율에 따라 배터리의 방전제어인자를 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    배터리의 충전제어인자 또는 방전제어인자를 가변하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 상한 전압을 가변하거나 배터리의 출력량을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 제어방법.
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