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KR20190059060A - 연료전지 차량시스템 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

연료전지 차량시스템 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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KR20190059060A
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South Korea
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power
voltage battery
motor
high voltage
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이승환
전순일
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

연료전지; 제1버스단을 통해 연료전지와 연결되어 연료전지가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제1모터; 충전 또는 방전을 통해 전력을 저장하거나 공급하는 고전압배터리; 및 제2버스단을 통해 고전압배터리와 연결되어 고전압배터리가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제2모터;를 포함하는 연료전지 차량시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량시스템 및 이를 제어하는 방법{FUEL CELL VEHICLE SYSTEM AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 연료전지 차량시스템 및 이를 제어하는 방법으로, 더 구체적으로는 연료전지와 고전압배터리에 전륜과 후륜이 각각 연결되어 개별적으로 구동되는 연료전지 차량시스템에 관한 것이다.
미래의 대체 에너지로 환경친화적인 연료전지를 이용한 수소 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 연료전지는 수소를 반응 가스로 전기 화학 반응을 통하여 전기에너지를 발생시킨다.
그러나 연료전지는 구조적인 문제로 인하여, 시동시 부하에 즉각적으로 전력을 공급하기 어렵고, 급격한 부하의 변화에 신속하게 대응하기 어려운 문제가 있으며, 특정 범위의 출력밀도 범위에서 최적의 효율을 갖는 점에서 고효율의 출력밀도에서 벗어나는 경우가 빈번한 문제가 있다.
또한, 연료전지는 일방적으로 전력을 공급하는 특성만을 갖는 것으로, 차량 구동모터의 제동시 회생되는 회생전력을 흡수하거나 저장할 수 없는 문제가 있어, 에너지의 효율적 이용에 불리한 문제를 갖는다.
이러한 문제들을 해결하기 위하여, 일반적으로 연료전지 차량은 보조에너지원으로 고전압 배터리를 함께 탑재하여 하이브리드(Hybrid) 구동시스템을 갖는다.
다만, 종래에 이용되던 병렬형 하이브리드 구동시스템은 높은 전력을 감당하는 대형의 양방향 컨버터를 필요로 하고, 양방향 컨버터에 의해 전력의 손실이 발생하여 효율이 저하되는 문제가 발생하였다.
상기의 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 - 0980278 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지와 고전압배터리로 전륜과 후륜을 각각 개별적으로 구동하여, 소형의 양방향 컨버터를 갖는 전력 연료전지 차량시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량시스템은 연료전지; 제1버스단을 통해 연료전지와 연결되어 연료전지가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제1모터; 충전 또는 방전을 통해 전력을 저장하거나 공급하는 고전압배터리; 및 제2버스단을 통해 고전압배터리와 연결되어 고전압배터리가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제2모터;를 포함할 수 있다.
제1모터는 차량의 구동륜 중 일부에 동력을 제공하고, 제2모터는 차량의 구동륜 중 나머지 일부에 동력을 제공할 수 있다.
제1버스단과 고전압배터리 사이에 위치된 양방향 DC/DC컨버터; 및 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단과 고전압배터리 사이의 전력 전달을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
연료전지와 제1모터 사이에 위치하고, 제1버스단의 전력을 인버팅하여 제1모터에 공급하는 제1인버터; 및 고전압배터리와 제2모터 사이에 위치하고, 제2버스단의 전력을 인버팅하여 제2모터에 공급하는 제2인버터;를 더 포함할 수 있다.
제1인버터와 제2인버터 사이에 직결되어 제1인버터의 전력을 제2인버터로 전달하는 제1릴레이;를 더 포함하고, 제어부는 제1릴레이의 제1스위치를 제어하여 제1인버터에서 제2인버터로 전력을 전달하거나 차단할 수 있다.
양방향 DC/DC컨버터에서 고전압배터리를 바이패스하여 제2인버터로 직접 전력을 전달하는 제2릴레이;를 더 포함하고, 제어부는 제2릴레이의 제2스위치를 제어하여 양방향 DC/DC컨버터에서 제2인버터로 전력을 전달하거나 차단할 수 있다.
제어부는 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리의 전력과 연료전지의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동할 수 있다.
제어부는 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달하거나, 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 전달하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어할 수 있다.
제어부는 연료전지 시동시, 고전압배터리의 전력으로 제1버스단에 연결된 보기류 장치를 구동하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 전달할 수 있다.
제어부는 회생제동시, 제1모터에서 회생된 에너지가 고전압배터리로 공급되도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달할 수 있다.
제어부는 연료전지 가동시, 연료전지가 공급하는 전력으로 고전압배터리를 충전하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량시스템을 제어하는 방법으로서, 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리의 전력과 연료전지의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동할 수 있다.
연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하는 단계; 및 진단된 고장 상태를 기반으로 선택된 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
고장을 진단하는 단계에서 연료전지가 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 고전압배터리의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다.
고장을 진단하는 단계에서 제2모터도 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 공급함으로써 제1모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다.
고장을 진단하는 단계에서 고전압배터리가 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 연료전지의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다.
고장을 진단하는 단계에서 제1모터도 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 제2인버터로 제공함으로써 제2모터를 구동할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량시스템 및 이를 제어하는 방법에 따르면, 연료전지 와 고전압배터리를 양방향 컨버터의 전력변환 없이 독립적으로 사용하여 구동 효율이 증대되는 효과를 갖는다.
또한, 필요한 양방향 컨버터의 전력변환용량이 작아 소형의 양방향 컨버터로 충분한 점에서 레이아웃 상의 장점 및 원가 절감의 효과를 갖는다.
또한, 연료전지, 고전압배터리, 제1모터 또는 제2모터가 고장나는 경우에 Fail-Safe 모드의 개선 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템의 구성도이다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 주행모드를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템의 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지와 제2모터의 고장시 구동모드를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압배터리와 제1모터의 고장시 구동모드를 도시한 것이다.
도 10은 종래의 연료전지 차량시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템을 비교한 것이다.
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.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템은 연료전지(10); 제1버스단(80)을 통해 연료전지(10)와 연결되어 연료전지(10)가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제1모터(50); 충전 또는 방전을 통해 전력을 저장하거나 공급하는 고전압배터리(20); 및 제2버스단(90)을 통해 고전압배터리(20)와 연결되어 고전압배터리(20)가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제2모터(60);를 포함한다.
연료전지(10)는 수소와 산소를 각각 공급하여 반응이 발생하는 연료전지 스택일 수 있고, 화학반응에 의해 발생되는 전력이 제1버스단(80)으로 공급될 수 있다. 제1버스단(80)에는 역전류의 흐름을 방지하는 다이오드가 설치될 수 있다. 제1버스단(80)에는 공기압축기, 냉각수 펌프 등의 보기류(11, BOP)에 전력을 공급하도록 연결될 수 있고, 저전압 배터리 등의 기타 장치(AUX)에 전력을 공급하도록 연결될 수 있다. 제1버스단(80)은 제1인버터(30)를 통하여 제1모터(50)로 전력을 공급할 수 있다.
고전압배터리(20)는 충전되어 전력을 저장하거나, 방전되어 전력을 공급할 수 있다. 고성능 연료전지 차량의 경우에는 대용량을 갖는 고전압배터리(20)가 이용될 수 있다. 또한, 차량 외부로부터 전력을 공급받아 충전하는 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)은 탑재형 충전기(OBC)를 포함할 수 있다.
또는, 고전압배터리(20)는 외장형 충전기로 차량 외부로부터 전력을 공급받아 충전될 수도 있고, 외부로 플러그인되지 않고, 연료전지(10) 등의 전력으로 차량 내부에서 충전될 수도 있다.
제1모터(50)는 차량의 구동륜 중 일부에 동력을 제공하고, 제2모터(60)는 차량의 구동륜 중 나머지 일부에 동력을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1모터(50)는 전륜, 제2모터(60)는 후륜에 각각 동력을 제공하는 것으로 가정하였고, 이는 반대로 이루어질 수도 있다. 즉, 제1모터(50)와 제2모터(60)는 서로 다른 구동륜을 독립적으로 구동하는데 특징이 있는 것이다.
제1버스단(80)과 고전압배터리(20) 사이에 위치된 양방향 DC/DC컨버터(70); 양방향 DC/DC컨버터(70)를 제어하여 제1버스단(80)과 고전압배터리(20) 사이의 전력 전달을 제어하는 제어부(미도시);를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제어부(미도시)는 ECU(Electronic Control Unit) 또는 TCU(Telecommunication Control Unit)일 수도 있고, 연료전지 시스템을 제어하는 연료전지 제어기(FCU)일 수도 있으며, 별도의 제어기로 구성될 수도 있다.
제1버스단(80)과 제2버스단(90)의 전압은 상이하게 설정될 수 있다. 구체적으로 본 발명에서는 연료전지(10)가 연결된 제1버스단(80)의 전압이 상대적으로 저전압이고, 고전압배터리(20)가 연결된 제2버스단(90)이 상대적으로 저전압인 것인 것으로 구성되었다.
본 발명의 양방향 DC/DC컨버터(70)(BHDC)는 제1버스단(80)과 고전압배터리(20) 사이에 위치되어 독립적인 구동시스템을 연결하고, 상이한 전압을 갖는 독립적인 구동시스템 사이에서 직류 전압을 컨버팅을 할 수 있다. 제어부(미도시)는 이러한 양방향 DC/DC컨버터(70)를 제어하여 제1버스단(80)과 고전압배터리(20) 사이의 전력 전달을 제어할 수 있다.
다만, 본 발명은 연료전지(10)와 고전압배터리(20)를 각각 제1모터(50) 및 제2모터(60)에 연결한 독립적인 구동시스템을 가짐으로써, 양방향 DC/DC컨버터(70)의 용량을 크게 요구하지 않는다. 즉, 종래에 하나의 구동시스템을 가지는 경우에는 200[kW] 정도의 큰 양방향 DC/DC컨버터(70)의 용량이 요구되었으나, 독립적인 구동시시스템을 가짐으로써 30[kW]급의 작은 양방향 DC/DC컨버터(70)의 용량으로 충분할 수 있다. 양방향 컨버터의 용량은 연료전지(10) 최대출력의 50% 미만 또는 배터리 최대출력의 50% 미만으로 설정될 수 있다.
또한, 독립적인 구동시스템으로 구동됨에 따라, 양방향 DC/DC컨버터(70)의 컨버팅이 요구되지 않음으로써 컨버팅 과정에서 전력이 손실되는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 연료전지 차량의 구동효율이 향상되는 효과를 갖는다.
연료전지(10)와 제1모터(50) 사이에 위치하고, 제1버스단(80)의 전력을 인버팅하여 제1모터(50)에 공급하는 제1인버터(30); 및 고전압배터리(20)와 제2모터(60) 사이에 위치하고, 제2버스단(90)의 전력을 인버팅하여 제2모터(60)에 공급하는 제2인버터(40);를 더 포함할 수 있다. 제1인버터(30) 및 제2인버터(40)는 각각 제1모터(50) 및 제2모터(60)에 인버팅한 전력을 공급할 수 있다.
다만, 고전압배터리(20)가 고장나는 경우에는 연료전지(10)로부터 전력이 공급되어야 하고, 이러한 전력이 제2모터(60)로 공급되어야 하는 경우(예를 들면, 제1모터(50)가 고장나는 상황)에는 고장난 고전압배터리(20)를 바이패스하여 제2인버터(40)로 전력이 공급되어야 하는 상황이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 제1인버터(30)와 제2인버터(40) 사이에 직결되어 제1인버터(30)의 전력을 제2인버터(40)로 전달하는 제1릴레이(100);를 더 포함하고, 제어부(미도시)는 제1릴레이(100)의 제1스위치(110)를 제어하여 제1인버터(30)에서 제2인버터(40)로 전력을 전달하거나 차단할 수 있다.
제1인버터(30)와 제2인버터(40) 사이에 직결되어 전력을 전달할 수 있도록 제1릴레이(100)가 마련될 수 있다. 다만, 상대적으로 저전압에서 고전압으로 전력을 전달하는 것은 가능하나, 반대로 고전압에서 저전압으로 전력을 전달하면 인버터 또는 모터의 부품이 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로, 양방향 DC/DC컨버터(70)에서 고전압배터리(20)를 바이패스하여 제2인버터(40)로 직접 전력을 전달하는 제2릴레이(200);를 더 포함하고, 제어부(미도시)는 제2릴레이(200)의 제2스위치(210)를 제어하여 양방향 DC/DC컨버터(70)에서 제2인버터(40)로 전력을 전달하거나 차단할 수 있다.
다만, 이러한 경우에는 양방향 DC/DC컨버터(70)의 전력 변환 용량만큼의 전력만을 전달할 수 있는 한계가 있을 수 있다.
제어부(미도시)는 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리(20)의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지(10)의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리(20)의 전력과 연료전지(10)의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동할 수 있다.
도 1에 도시한 것과 같이, 고출력을 요구하는 주행모드인 경우에는 독립적인 구동시스템으로 연료전지(10)의 전력은 제1인버터(30)를 통해 제1모터(50)로 공급되고, 고전압배터리(20)의 전력은 제2인버터(40)를 통해 제2모터(60)로 공급되어, 제1모터(50) 및 제2모터(60)가 각각 개별적으로 구동될 수 있다.
화살표는 전력이 공급되는 경로를 나타낸 것이고, 빗금친 부분은 각각 구동 중인 상태인 것을 의미하는 것이다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 주행모드를 도시한 것이다.
도 2 내지 6을 참조하면, 화살표는 전력이 공급되는 경로를 나타낸 것이고, 빗금친 부분은 각각 구동 중인 상태인 것을 의미하는 것이다. 도 2 내지 6은 도 1의 독립적인 구동 모드를 제외한 구동 모드를 도시한 것이다.
먼저, 도 2는 EV 모드를 도시한 것이다. EV 모드는 연료전지(10)에서는 전력을 공급하지 않고 고전압배터리(20)의 전력만으로 구동하는 것이다. 시동 초기에 연료전지(10)를 시동하기 전인 경우에 해당 모드로 주행 가능할 것이고, 저출력을 요구하는 도심 주행 상황 등에서 해당 모드로 주행이 가능할 것이다.
도 2에서는 고전압배터리(20)에서 공급된 전력이 제2인버터(40)를 통해 제2모터(60)를 구동하는 것으로 도시하였다. 다만, 필요에 따라서 고전압배터리(20)의 전력을 양방향 DC/DC컨버터(70)를 통해 제1인버터(30)로 공급하여 제1모터(50)를 구동시키는 것도 가능할 수 있다.
도 3은 FC Only 모드를 도시한 것이다. FC Only 모드는 연료전지(10)는 전력을 공급하나, 고전압배터리(20)는 전력을 공급하지 않는 것이다. 고전압배터리(20)의 충전량(SOC)가 부족한 경우에 해당 모드로 주행 가능할 것이고, 고전압배터리(20) 자체나 주위의 시스템이 고장나는 경우에 해당 모드로 주행 가능할 것이다.
도 3에서는 연료전지(10)에서 공급된 전력이 제1인버터(30)를 통해 제1모터(50)를 구동하는 것으로 도시하였다. 다만, 필요에 따라서는 연료전지(10)의 전력을 양방향 DC/DC컨버터(70)를 통해 고전압배터리(20)를 바이패스하여 제2인버터(40)로 직접 전력을 전달하여 제2모터(60)를 구동시키는 것도 가능할 수 있다.
도 4은 연료전지(10)를 이용하여 고전압배터리(20)를 충전하는 모드를 도시한 것이다. 고전압배터리(20)는 외부의 전원을 이용하여 플러그인 충전을 할 수도 있지만, 연료전지(10)의 발전 전력을 양방향 DC/DC컨버터(70)를 통해 충전할 수도 있다.
연료전지(10) 가동시 연료전지(10)의 발전 전력으로 고전압배터리(20)를 충전하는 것으로, 구체적으로 연료전지(10) 시동 오프와 같이 연료전지(10)의 발전전력은 있으나 주행하지 않는 상황 등에서 남은 잔존 전력을 고전압배터리(20)로 충전할 수 있고, 또는 연료전지(10)의 발전 전력으로 주행 중에 고전압배터리(20)의 SOC가 부족한 경우 제1모터(50)의 구동과 동시에 일부의 전력으로 고전압배터리(20)를 충전할 수도 있다.
도 5는 회생제동 모드를 도시한 것이다. 구체적으로 연료전지 차량의 주행 중 회생제동하는 경우, 제1모터(50) 및 제2모터(60)에서 각각 회생된 에너지가 고전압배터리(20)로 충전될 수 있다. 제2모터(60)의 회생된 에너지는 제2인버터(40)를 통해 고전압배터리(20)로 전달되고, 제1모터(50)에서 회생된 에너지는 제1인버터(30) 및 양방향 DC/DC컨버터(70)를 거쳐 고전압 배터리로 전달될 수 있다.
도 6은 고전압배터리(20)의 전력을 BOP(보기류)에 전달하는 모드를 도시한 것이다. 구체적으로, 고전압배터리(20)에서 방전하는 전력을 양방향 DC/DC컨버터(70)를 거쳐 BOP로 전달하여 BOP를 구동할 수 있다.
연료전지(10)의 시동시 연료전지(10)에서 전력 발전을 위해 공기 공급 등이 필요한 경우에 고전압배터리(20)의 전력을 이용하여 공기압축기 등의 BOP를 구동할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템을 제어하는 방법은 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리(20)의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지(10)의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리(20)의 전력과 연료전지(10)의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템의 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템은 연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하는 단계(S100); 및 진단된 고장 상태를 기반으로 선택된 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계(S210, S220, S230, S240, S300);를 포함한다.
즉, 연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하여, 시스템의 어느 부품이 고장나더라도 갑자기 주행이 불가능하게되면 위험한 상황이 초래될 수 있으므로, 비상 운전(Fail-Safe) 모드로 진입하여 제어하는 방법을 나타낼 수 있다.
연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하는 단계(S100)는 구체적으로 연료전지, 고전압배터리에서 전력을 공급할 수 있는지를 진단하고, 제1모터 또는 제2모터에서 구동력을 제공할 수 있는지 진단할 수 있다. 제1인버터 또는 제2인버터의 고장을 진단할 수도 있다.
고전압배터리의 고장은 고전압배터리의 SOC가 충분하지 않거나 온도가 적정수준이 아닌 경우 등의 상황으로 인해 일시적으로 전력을 공급할 수 없는 경우도 포함될 수 있다.
연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하는 단계(S100)에서 시스템의 부품에 고장이 없다고 판단되는 경우에는 정상주행 모드로 주행될 수 있다(S300). 여기서 상기 설명한 주행상태를 기반으로 적절한 주행모드로 주행될 수 있다.
고장을 진단하는 단계에서 연료전지가 고장난 것으로 진단된 경우(S110), 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 고전압배터리의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다(S220).
즉, 연료전지에서 전력 발전이 불가능한 경우에는 고전압배터리의 전력을 이용하여 구동하는 EV 모드로 진입할 수 있다. 고전압배터리의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다. 고전압배터리의 전력을 양방향 DC/DC컨버터를 통과하도록 제1인버터에 공급하여 제1모터를 구동할 수도 있지만, 컨버팅에 의한 손실을 고려하여 제2인버터에 바로 공급하여 제2모터를 구동하는 것이 더 바람직할 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 제2모터의 고장시 구동모드를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 고장을 진단하는 단계에서 제2모터도 고장난 것으로 진단된 경우(S130), 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계(S210)는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 공급함으로써 제1모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다.
따라서, 연료전지와 제2모터가 동시에 고장나는 경우에 고전압배터리의 전력을 제1모터에 공급하여 제1모터로 구동하는 비상운전 모드로 제어할 수 있다. 이에 따라, 연료전지와 제2모터가 동시에 고장나더라도 안전한 곳으로 이동할 수 있는 비상운전이 가능한 효과를 갖는다.
고장을 진단하는 단계에서 고전압배터리가 고장난 것으로 진단된 경우(S120), 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계(S240)는 연료전지의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어할 수 있다.
즉, 고전압배터리에서 전력 공급이 불가능한 경우에는 연료전지의 전력을 이용하여 제1모터 또는 제2모터를 구동할 수 있다. 다만, 연료전지의 전력을 양방향 DC/DC컨버터를 통과하여 제2인버터에 공급하여 제2모터를 구동할 수도 있지만, 컨버팅에 의한 손실을 고려하여 제1인버터에 바로 공급하여 제1모터를 구동하는 것이 더 바람직할 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압배터리와 제1모터의 고장시 구동모드를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 고장을 진단하는 단계에서 제1모터도 고장난 것으로 진단된 경우(S140), 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계(S230)는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 제2인버터로 제공함으로써 제2모터를 구동할 수 있다.
고전압배터리가 고장난 상황이므로 양방향 DC/DC컨버터를 통과하여 고전압배터리로 전력을 공급하더라도 고전압배터리에서 전력을 공급할 수 없다. 따라서, (a)와 같이 제1인버터로 전달된 전력을 제1릴레이를 통해 제2인버터로 직결하도록 제1스위치(110)를 제어할 수 있다. 제1인버터의 전력은 제2인버터의 전력보다 상대적으로 저전압이므로 제1인버터의 전력이 제2인버터로 공급될 수는 있으나, 상대적으로 고전압을 갖는 제2인버터의 전력이 제1인버터로 공급되는 것은 추가 부품의 고장이 발생할 수 있다.
또는, (b)와 같이 양방향 DC/DC컨버터를 통과한 전력을 고전압배터리를 바이패스하여 제2인버터로 직접 전력을 전달하는 제2릴레이를 통해 제2인버터로 공급하도록 제2스위치(210)를 제어할 수 있다.
따라서, 고전압배터리와 제1모터가 동시에 고장나는 경우에 연료전지의 전력을 제2모터에 공급하여 제2모터로 구동하는 비상운전 모드로 제어할 수 있다. 이에 따라, 고전압배터리와 제1모터가 동시에 고장나더라도 안전한 곳으로 이동할 수 있는 비상운전이 가능한 효과를 갖는다.
참고로, 여기서는 연료전지와 고전압배터리가 동시에 고장나는 상황이나 제1모터 및 제2모터가 동시에 고장나는 상황은 가정하지 않았다. 이러한 경우에는 본 발명의 비상운전 제어로 해결될 수 없고, 다른 비상운전 제어가 별도로 마련되어야 할 것이다.
도 10은 종래의 연료전지 차량시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템을 비교한 것이다.
도 10을 참조하면, 동일하게 300[kW]의 출력을 내는 상황을 가정한 것이다. 구체적으로, 연료전지는 100[kW]의 출력을 공급하고 고전압배터리는 200[kW]의 출력을 공급하는 상태를 나타낸 것으로 BOP에서는 10[kW]를 소모하는 것으로 가정한 것이다.
(a)는 종래의 연료전지 차량시스템을 도시한 것으로, 연료전지에서 100[kW]의 출력을 공급하고 BOP에서 10[kW]를 소모하여 90[kW]를 공급할 수 있고, 고전압배터리에서 200[kW]의 출력을 공급하나 양방향 DC/DC컨버터에서 컨버팅에 의해 약 10[kW]가 소모되어 190[kW]를 공급할 수 있다.
따라서, 종래의 연료전지 차량시스템에 의하면 총 300[kW]의 출력을 내더라도 모터에 연결된 인버터에 공급되는 전력은 280[kW]로 구동륜에서 280[kW]에 해당하는 구동력을 제공할 수 있다.
(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템을 도시한 것으로, 연료전지에서 100[kW]의 출력을 공급하고 BOP에서 10[kW]를 소모하여 90[kW]를 제1인버터에 공급할 수 있고, 고전압배터리에서 200[kW]의 출력을 제2인버터에 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량시스템에 의하면 총 300[kW]의 출력을 내면 제1모터 및 제2모터에 각각 연결된 제1인버터 및 제2인버터에 공급되는 전력은 총 290[kW]로 구동륜에서 총 290[kW]에 해당하는 구동력을 제공할 수 있다.
즉, 일반적인 주행 모드에서 양방향 DC/DC컨버터를 이용하여 컨버팅하지 않으므로 손실되는 전력이 감소되고 이에 따라 높은 구동효율을 가질 수 있는 효과를 갖는다.
본 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.
10 : 연료전지 11 : 보기류(BOP)
20 : 고전압배터리 30 : 제1인버터
40 : 제2인버터 50 : 제1모터
60 : 제2모터 70 : 양방향 DC/DC컨버터

Claims (17)

  1. 연료전지;
    제1버스단을 통해 연료전지와 연결되어 연료전지가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제1모터;
    충전 또는 방전을 통해 전력을 저장하거나 공급하는 고전압배터리; 및
    제2버스단을 통해 고전압배터리와 연결되어 고전압배터리가 공급하는 전력에 의해 구동되고, 차량의 구동륜에 동력을 제공하는 제2모터;를 포함하는 연료전지 차량시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1모터는 차량의 구동륜 중 일부에 동력을 제공하고, 제2모터는 차량의 구동륜 중 나머지 일부에 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1버스단과 고전압배터리 사이에 위치된 양방향 DC/DC컨버터; 및
    양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단과 고전압배터리 사이의 전력 전달을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    연료전지와 제1모터 사이에 위치하고, 제1버스단의 전력을 인버팅하여 제1모터에 공급하는 제1인버터; 및
    고전압배터리와 제2모터 사이에 위치하고, 제2버스단의 전력을 인버팅하여 제2모터에 공급하는 제2인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1인버터와 제2인버터 사이에 직결되어 제1인버터의 전력을 제2인버터로 전달하는 제1릴레이;를 더 포함하고,
    제어부는 제1릴레이의 제1스위치를 제어하여 제1인버터에서 제2인버터로 전력을 전달하거나 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    양방향 DC/DC컨버터에서 고전압배터리를 바이패스하여 제2인버터로 직접 전력을 전달하는 제2릴레이;를 더 포함하고,
    제어부는 제2릴레이의 제2스위치를 제어하여 양방향 DC/DC컨버터에서 제2인버터로 전력을 전달하거나 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    제어부는 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리의 전력과 연료전지의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    제어부는 연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달하거나, 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 전달하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제어부는 연료전지 시동시, 고전압배터리의 전력으로 제1버스단에 연결된 보기류 장치를 구동하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 전달하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    제어부는 회생제동시, 제1모터에서 회생된 에너지가 고전압배터리로 공급되도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    제어부는 연료전지 가동시, 연료전지가 공급하는 전력으로 고전압배터리를 충전하도록 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 고전압배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템.
  12. 청구항 1의 연료전지 차량시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지 차량의 주행상태를 기반으로 고전압배터리의 전력만으로 구동하는 EV모드, 연료전지의 전력만으로 구동하는 FC Only 모드 및 고전압배터리의 전력과 연료전지의 전력을 모두 이용하여 구동하는 고출력모드 중 어느 하나의 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
  13. 청구항 3의 연료전지 차량시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지 차량시스템의 고장 상태를 진단하는 단계; 및
    진단된 고장 상태를 기반으로 선택된 구동모드로 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    고장을 진단하는 단계에서 연료전지가 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 고전압배터리의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    고장을 진단하는 단계에서 제2모터도 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 고전압배터리의 전력을 제1버스단으로 공급함으로써 제1모터를 구동하는 구동모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    고장을 진단하는 단계에서 고전압배터리가 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 연료전지의 전력으로 제1모터 또는 제2모터를 구동하는 구동모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    고장을 진단하는 단계에서 제1모터도 고장난 것으로 진단된 경우, 연료전지 차량의 구동륜을 구동하는 단계는 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 제1버스단의 전력을 제2인버터로 제공함으로써 제2모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량시스템의 제어방법.
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