KR20240087289A - 연료전지 차량 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

연료전지; 배터리; 및 부하 요구 출력값을 판단하며, 부하 요구 출력값에 기반하여 배터리의 과충전에 관한 제1 조건 및 배터리의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단하고, 제1 조건 및 제2 조건 만족 시 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단하고, 판단의 결과에 따라 상기 연료전지의 출력을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 차량 및 그 제어 방법.

Description

연료전지 차량 및 그 제어 방법 {FUEL CELL VEHICLE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 차량 정보를 바탕으로 연료전지의 정출력 구간을 확대하여 주행 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)을 포함하는 친환경 차량은 전기에너지를 구동모터에 제공하고, 구동모터가 회전함으로써 구동되는 차량을 의미한다.

그 중, 연료전지 차량은 수소에서 얻은 전기에너지를 동력원으로 삼는 자동차로, 연료전지 차량에는 수소와 산소의 반응으로 전기에너지를 생성하는 연료전지와 연료전지에서 생성된 전기에너지를 저장하거나 저장된 전기에너지를 제공하는 배터리를 구비된다.

연료전지 차량은 연료전지와 배터리로부터 제공되는 전기에너지를 이용하여 구동모터를 구동시키며, 구동모터에 제공되는 전기에너지는 연료전지와 배터리 각각으로부터 제공되는 전기에너지의 합으로 결정된다.

이에 따라, 연료전지 차량의 효율은 연료전지와 배터리로부터 각각 제공되는 전기에너지의 양을 적절하게 분배함으로써 향상될 수 있게 된다.

다만, 분배 조건에만 초점을 두고 연료전지의 출력을 결정하는 경우 연료전지 자체의 출력 효율이 고려되지 않아 연료전지의 효율이 높은 출력 구간을 고려한 출력 제어 방안이 제시될 필요가 있다.

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.

본 발명의 목적은 연료전지 차량의 운행 시, 차량 정보에 기반하여 정출력 가능 구간을 판단하고, 이를 통해 정출력 구간을 확대함으로써 주행 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량은, 연료전지; 배터리; 및 차량 내 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단하며, 상기 부하 요구 출력값에 기반하여 상기 배터리의 과충전에 관한 제1 조건 및 상기 배터리의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단하고, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 만족 시 상기 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State of Charge)에 기반하여 판단된 상기 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부에 따라 상기 연료전지의 출력을 제어하는 제어기를 포함한다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 제어 방법은, 전체 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단하는 단계; 상기 부하 요구 출력값에 기반하여 상기 배터리의 과충전에 관한 제1 조건 및 상기 배터리의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단하는 단계; 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 만족 시 상기 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State)에 기반한 상기 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단의 결과를 기반으로 상기 연료전지의 출력을 제어하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의해, 연료전지의 정출력 구간이 확대되어 출력 효율이 향상될 수 있다.

또한, 연료전지의 정출력 운전 구간이 확대됨에 따라 연료전지의 출력 변동을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 연료전지의 정출력 운전 구간이 확대됨에 따라 연료전지 보기류의 출력 소모를 절감할 수 있게 된다.

나아가, 연료전지의 출력 효율 향상 및 연료전지 보기류의 출력 소모 절감을 통해 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 적용 가능한 연료전지 차량의 구성에 대한 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 제어기의 정출력 제어 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 충전-정출력 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 방전-정출력 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정출력 제어의 사전 조건 판단 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전-정출력 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 방전-정출력 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

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.

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.

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.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "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, 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다.

제어기(Controller)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 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.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량 및 그 제어 방법은, 연료전지 차량의 주행 시, 차량 정보에 기반하여 정출력 가능 구간을 판단하고, 이를 통해 정출력 구간을 확대함으로써 주행 효율을 향상시킬 것을 제안한다.

여기서, 정출력값은 연료전지의 출력 효율을 고려하여 결정되는 값으로, 연료전지의 출력 효율 맵으로부터 결정되거나, 차량 시험 값 등을 통해 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차랭 및 그 제어 방법을 설명하기 앞서, 실시예들에 적용 가능한 연료전지 차량의 구조 및 제어 계통을 먼저 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 적용 가능한 연료전지 차량의 구성에 대한 일례를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 연료전지 차량은 연료전지(100), 배터리(200), 구동 모터(300), 컨버터(400), 연료전지 보기류(500), 차량 보기류(600) 및 제어기를 포함할 수 있다. 도 1은 본 발명과 관련된 구성요소를 위주로 나타낸 것으로 실제 연료전지 차량은 이보다 많거나 적은 구성요소를 포함하여 구현될 수 있음은 물론이다.

먼저, 연료전지(100)는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 전력을 발전할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 차량의 구동을 위한 구동원으로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)가 이용될 수 있다.

연료전지(100)는 메인 라인을 통해 배터리(200), 구동 모터(300), 연료전지 보기류(500), 차량 보기류(600) 등과 연결될 수 있다. 메인라인은 연료전지(100)와 연결된 상태에서 연료전지(100)의 출력 전압과 동일한 전압으로 유지될 수 있다.

또한, 배터리(200)는 연료전지의 발전 전력에 의해 충전되거나, 충전된 전력을 방전하면서 외부로 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 배터리(200)는 예를 들어 고전압배터리(HV Battery)일 수 있다.

한편, 연료전지(100)와 연결되는 컨버터(400)는 연료전지(100)와 구동 모터(300) 사이에 배치되거나, 연료전지(100)와 배터리(200) 사이에 배치될 수 있다.

컨버터(400)가 연료전지(100)와 구동 모터(300) 사이에 배치되는 경우에는 연료전지용 DC-DC 컨버터(FDC,Fuel Cell DC-DC Converter,400-1)로 구현될 수 있으며, 컨버터(400)가 연료전지(100)와 배터리(200) 사이에 배치되는 경우 컨버터(400)는 양방향 컨버터(BHDC, Bi-directional High-voltage DC-DC Converter, 400-2)로 구현될 수 있다.

추가로, 일 실시예에 따른 연료전지 차량은 연료전지 보기류(500) 및 차량 보기류(500)를 포함할 수 있다. 연료전지 보기류(500)는 예를 들어, 수소공급장치의 수소 재순환 블로워, 공기공급장치의 공기블로워, 냉각수 순환을 위한 물공급장치 등이 포함될 수 있다.

한편, 제어기(700)는 차량 정보를 기반으로 차량 내 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단할 수 있다.

또한, 제어기(700)는 부하 요구 출력값에 기반하여 배터리(200)의 과충전에 관한 제1 조건 및 배터리(200)의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다.

제1 조건 및 제2 조건이 만족되면, 제어기(700)는 정출력 제어를 위한 사전 조건이 만족된 것으로 보고, 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC에 기반하여 정출력 가능 여부를 판단할 수 있으며, 판단 결과를 고려하여 연료전지(100)의 출력을 제어할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 제어기(700)는 연료전지 제어기(FCU, Fuel cell Control Unit)으로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않으며, 일부 기능은 차량 제어기(VCU, Vehicle Control Unit)가, 나머지 기능은 연료전지 제어기가 수행하는 등으로 둘 이상의 제어기가 통해 분산 제어하는 방식으로도 구현될 수 있다.

이하, 제어기(700)의 정출력 제어 로직에 대한 상세한 내용을 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 제어기의 정출력 제어 로직을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 먼저 제어기(700)는 입력된 차량 정보들에 기반하여 부하 요구 출력값을 판단할 수 있다. 부하 요구 출력값은 차량 내 부하에서 요구되는 출력값으로, 운전자 구동 요구 출력 중 연료전지(100)에 분배된 출력값, 연료전지의 보기류(500)의 동작에 소모되는 연료전지 보기류 소모 출력값, 차량의 보기류(600)가 소모하는 차량 보기류 소모 출력값 및 배터리(200)의 충전을 위해 요구되는 배터리 충전 요구 출력값 등을 합산한 값에 기반하여 판단될 수 있다.

또한, 제어기(700)는 정출력에 따른 배터리(200)의 과충전 또는 과방전을 방지하기 위해 사전 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다.

그 중 배터리(200) 과충전에 관한 제1 조건은 정출력값, 부하 요구 출력값 및 배터리를 충전 상한치까지 충전시킬 수 있는 배터리 최대 충전 가능 출력값에 기반하여 만족 여부가 판단될 수 있다.

보다 구체적으로, 제1 조건은 정출력값에서 부하 요구 출력값을 차감한 값이 배터리 최대 충전 가능 출력값 미만인 경우 만족될 수 있다.

즉, 제1 조건의 만족 여부는 다음과 같은 식에 의해 판단될 수 있다.

여기서, P₁은 정출력값, P_Load는 부하 요구 출력값, P_ChrPwrLim은 배터리 최대 충전 가능 출력값이며, 정출력값이 부하 요구 출력값보다 큰 구간에서 판단된다.

정출력 제어에 진입하기 앞서 제1 조건의 만족 여부를 판단함으로써, 부하 요구 출력값이 정출력값에 비해 지나치게 작은 경우, 연료전지(100)의 정출력 시에 초과 출력이 배터리(200)를 과다하게 충전하는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 배터리(200)의 과방전에 관한 제2 조건은 정출력값, 부하 요구 출력값, 운전자 구동 요구 출력값 중 배터리에 분배된 출력값 및 배터리를 방전 상한치까지 방전시킬 수 있는 배터리 최대 방전 가능 출력값에 기반하여 만족 여부가 판단될 수 있다.

보다 구체적으로, 제2 조건은 부하 요구 출력값에서 정출력값을 차감한 값이, 배터리 최대 방전 가능 출력값에서 운전자 구동 요구 출력값 중 배터리에 분배된 출력값을 차감한 값 미만인 경우에 만족될 수 있다.

즉, 제2 조건의 만족 여부는 다음과 같은 식에 의해 판단될 수 있다.

여기서, P₁은 정출력값, P_Load는 부하 요구 출력값, P_DchPwrLim은 배터리 최대 방전 가능 출력값, P_DrvPwrReq는 운전자 구동 요구 출력값, Rate는 연료전지에 대한 분배 비율이며, 정출력값이 부하 요구 출력값보다 작은 구간에서 판단된다.

정출력 제어에 진입하기 앞서 제2 조건의 만족 여부를 판단함으로써, 부하 요구 출력값이 정출력값에 비해 지나치게 큰 경우, 연료전지의 정출력 시에 부족한 출력을 배터리(200)가 과도하게 분담하게 되어 배터리(200)가 과방전되는 문제를 방지할 수 있게 된다.

한편, 제어기(700)는 부하 요구 출력값이, 제1 조건 및 제2 조건을 만족시키도록 기 설정된 부하 요구 출력값의 범위에 포함되는지 여부에 기반하여 제1 조건 및 제2 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다.

예를 들어, 부하 요구 출력값의 범위는 다음과 같이 설정될 수 있다.

이 경우, 제어기(700)는 부하 요구 출력값이 Pα와 Pβ에 정의되는 범위에 포함되는 경우 제1 조건 및 제2 조건이 만족된 것으로 판단할 수 있다.

한편, 제어기(700)는 제1 조건 및 제2 조건 만족 시 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State of Charge)에 기반한 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

이 경우, 제어기(700)는 정출력값과 부하 요구 출력값의 비교 결과를 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

먼저, 제어기(700)는 부하 요구 출력값이 정출력값 미만인 경우에는 배터리(200)를 충전하며 연료전지의 정출력 제어를 수행하는 배터리 충전-정출력 제어가 수행되게 된다.

이 경우, 제어기(700)는 정출력값 및 배터리를 방전 상한치까지 방전시킬 수 있는 배터리 최대 방전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최대 SOC를 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

반면, 부하 요구 출력값이 정출력값 이상인 경우에는 배터리(200)를 방전하며 연료전지의 정출력 제어를 수행하는 배터리 방전-정출력 제어가 수행되게 된다.

이 경우, 제어기(700)는 정출력값 및 배터리를 충전 상한치까지 충전할 수 있는 배터리 최대 충전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최소 SOC를 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

또한, 제어기(700)는 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값의 변동을 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

한편, 위와 같이 차량 정보를 반영하여 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단함에 따라, 주행 중 연료전지(100)가 정출력하는 비중이 확대될 수 있으며, 이를 통해 저출력 구간뿐만 아니라 고출력 구간에서도 연료전지(100)의 정출력 수행이 가능해지게 된다.

연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부 판단에 대한 상세한 내용은 도 3 내지 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.

한편, 제어기(700)는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부 판단 결과를 고려하여 연료전지의 출력을 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 제어기(700)는 판단 결과 연료전지(100)의 정출력이 가능한 경우, 정출력 제어의 진입 조건이 만족된 것으로 보아 정출력값에 기반하여 연료전지(100)의 출력을 제어할 수 있다.

반면, 판단 결과 연료전지(100)의 정출력이 불가능한 경우, 제어기(700)는 정출력 제어의 진입 조건이 만족되지 않은 것으로 보아 부하 요구 출력값에 기반하여 연료전지(100)의 출력을 제어할 수 있다.

또한, 제어기(700)는 연료전지(100)의 성능에 따른 출력 제한값 및 차량에 구비된 컨버터(400)의 성능에 따른 출력 제한값 중 적어도 하나를 더 고려하여 연료전지의 출력을 제어할 수 있다.

예를 들어, 제어기(700)는 연료전지 요구 출력값, 연료전지(100)의 성능에 따른 출력 제한값 및 차량에 구비된 컨버터(400)의 성능에 따른 출력 제한값 중 가장 작은 값을 연료전지 목표 출력값으로 판단하고, 연료전지(100)가 연료전지 목표 출력값을 출력하도록 제어할 수 있다.

여기서, 제어기(700)는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단된 경우에는 정출력값을 연료전지 요구 출력값으로, 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우에는 부하 요구 출력값을 연료전지 요구 출력값으로 판단할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여 실시예들에 따른 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부 판단에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 충전-정출력 로직을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 가로축을 부하 요구 출력값(P_Load)으로, 세로축을 SOC로 갖는 그래프가 도시된다.

좌측에 위치하는 직선은 다음과 같은 식에 의해 정의될 수 있다.

또는,

여기서, SOC는 현재 배터리 SOC를, a는 직선의 기울기에 해당하는 제1 상수를, P_Load는 부하 요구 출력값을, P₁은 정출력값을, SOC_High는 배터리 최대 SOC를 의미한다. 여기서, 배터리 SOC는 일반적으로 [%] 단위로 표현되므로, 부하 요구 출력값 및 정출력값은 배터리(200)의 용량 등을 반영하여 [%] 단위로 환산되어 계산될 수 있다. 반대로, 출력값은 일반적으로 [kW] 단위로 표현되므로, 배터리 SOC는 배터리(200) 용량 등을 반영하여 [kW]단위로 환산되어 계산될 수도 있다. 이러한 계산 방식은 이하에서 등장하는 관계식에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.

한편, 제어기(700)는 부하 요구 출력값이 정출력값 미만인 경우, 현재 배터리 SOC가, 정출력값 중 부하 요구 출력값 초과분에 제1 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최대 SOC로부터 차감한 값 이하인 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단할 수 있다.

즉, 그래프 상에서 다음의 식을 만족하는 구간에서 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단될 수 있다.

또는,

여기서, 사전 조건이 만족됨에 따라 부가 요구 출력값은 정출력값에서 배터리 최대 충전 가능 출력값을 차감한 값보다는 크고, 비교 결과에 따라 정출력값보다는 작은 것이 전제되므로(즉, P₁-P_ChgPwrLim<P_Load<P₁), 제어기(700)는 그래프 상의 전체 빗금 영역(Z1)을 정출력 가능 구간으로 판단할 수 있다.

이에 따라, 제어기(700)는 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 정출력 가능 영역(Z1)에 포함되는 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단하고, 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 정출력 가능 영역(Z1)에 포함되지 않는 경우에는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

이를 통해, 연료전지(100)의 정출력에 따라 배터리 최대 SOC를 넘어 배터리(200)가 과충전되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 제어기(700)는 판단 결과 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우, 변동된 현재 배터리 SOC 또는 변동된 부하 요구 출력값 및 히스테리시스값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다.

이 경우 히스테리시스값은, 부하 요구 출력값에 변동이 없는 상태로 현재 배터리 SOC만 변동된 경우, SOC에 대한 히스테리시스값일 수 있으며, 현재 배터리 SOC에 변동이 없는 상태로 부하 요구 출력값만 변동된 경우, 부하 요구 출력값에 대한 히스테리시스값일 수 있다.

도 3에 도시된 그래프를 참조하면, 우측에 위치하는 직선은 다음과 같은 식에 의해 정의될 수 있다.

또는,

여기서, SOC_Hyst는 SOC에 대한 히스테리시스값, P_Hyst는 부하 요구 출력값에 대한 히스테리시스값에 해당한다. 즉, 우측에 위치하는 직선은 좌측에 위치하는 직선으로부터 가로축 방향으로 부하 요구 출력값에 대한 히스테리시스값만큼 우측으로 이동되었거나, 세로축 방향으로 SOC에 대한 히스테리시스값만큼 아래쪽으로 이동된 직선에 해당한다.

재판단 시, 제어기(700)는 그래프 상에서 다음의 식을 만족하는 구간에서 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단될 수 있다.

또는,

즉, 제어기(700)는 재판단 시 그래프 상의 작은 빗금 영역(Z1')을 정출력 가능 구간으로 판단할 수 있다.

이에 따라, 제어기(700)는 변동된 현재 배터리 SOC 및 변동된 부하 요구 출력값이 재판단 시의 정출력 가능 영역(Z1')에 포함되는 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단하고, 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 재판단 시의 정출력 가능 영역(Z1')에 포함되지 않는 경우에는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

위와 같은 재판단 과정을 통해 과충전이 우려되는 경우에는 연료전지(100)의 정출력을 허용하지 않되, 현재 배터리 SOC나 부하 요구 출력의 변동 상황을 반영하여 정출력이 가능해진 경우에는 정출력 제어가 수행되도록 하여 연료전지(100)가 정출력하며 주행하는 구간을 보다 확보할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 배터리 방전-정출력 로직을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 가로축을 부하 요구 출력값(P_Load)으로, 세로축을 SOC로 갖는 그래프가 도시된다.

우측에 위치하는 직선은 다음과 같은 식에 의해 정의될 수 있다.

또는,

여기서, SOC는 현재 배터리 SOC를, b는 직선의 기울기에 해당하는 제2 상수를, P_Load는 부하 요구 출력값을, P₁은 정출력값을, SOC_Low는 배터리 최소 SOC를 의미한다.

한편, 제어기(700)는 부하 요구 출력값이 정출력값 이상인 경우, 현재 배터리 SOC가, 부하 요구 출력값 중 정출력값 초과분에 제2 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최소 SOC에 더한 값 이상인 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단할 수 있다.

즉, 그래프 상에서 다음의 식을 만족하는 구간에서 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단될 수 있다.

또는,

여기서, 사전 조건이 만족됨에 따라 부가 요구 출력값은 정출력값에 배터리 최대 방전 가능 출력값을 더한 값보다는 작고, 비교 결과에 따라 정출력값 이상인 것이 전제되므로(즉, P₁≤P_Load<P₁₊P_DchPwrLim), 제어기(700)는 그래프 상의 전체 빗금 영역(Z2)을 정출력 가능 구간으로 판단할 수 있다.

이에 따라, 제어기(700)는 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 정출력 가능 영역(Z2)에 포함되는 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단하고, 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 정출력 가능 영역(Z2)에 포함되지 않는 경우에는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

이를 통해, 연료전지(100)의 정출력에 따라 배터리 최소 SOC를 넘어 배터리(200)가 과방전되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 제어기(700)는 판단 결과 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우, 변동된 현재 배터리 SOC 또는 변동된 부하 요구 출력값 및 히스테리시스값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다.

도 4에 도시된 그래프를 참조하면, 좌측에 위치하는 직선은 다음과 같은 식에 의해 정의될 수 있다.

또는,

즉, 좌측에 위치하는 직선은 우측에 위치하는 직선으로부터 가로축 방향으로 부하 요구 출력값에 대한 히스테리시스값만큼 좌측으로 이동되었거나, 세로축 방향으로 SOC에 대한 히스테리시스값만큼 위쪽으로 이동된 직선에 해당한다.

재판단 시, 제어기(700)는 그래프 상에서 다음의 식을 만족하는 구간에서 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단될 수 있다.

또는,

즉, 제어기(700)는 재판단 시 그래프 상의 작은 빗금 영역(Z2')을 정출력 가능 구간으로 판단할 수 있다.

이에 따라, 제어기(700)는 변동된 현재 배터리 SOC 및 변동된 부하 요구 출력값이 재판단 시의 정출력 가능 영역(Z2')에 포함되는 경우 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단하고, 현재 배터리 SOC 및 부하 요구 출력값이 재판단 시의 정출력 가능 영역(Z2')에 포함되지 않는 경우에는 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

위와 같은 재판단 과정을 통해 과방전이 우려되는 경우에는 연료전지(100)의 정출력을 허용하지 않되, 현재 배터리 SOC나 부하 요구 출력의 변동 상황을 반영하여 정출력이 가능해진 경우에는 정출력 제어가 수행되도록 하여 연료전지(100)가 정출력하며 주행하는 구간을 보다 확보할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 연료전지의 정출력 제어 과정을 순서도로 표현하면 도 5 내지 도 7과 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정출력 제어의 사전 조건 판단 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제어기(700)는 먼저, 전체 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단할 수 있다(S510).

이후, 판단된 부하 요구 출력값에 기반하여 제어기(700)는 배터리(200)의 과충전에 관한 제1 조건 및 배터리(200)의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다(S520).

제1 조건 및 제2 조건이 모두 만족된 경우(S520의 Yes) 제어기(700)는 부하 요구 출력값과 정출력값을 비교할 수 있으며(S540), 비교 결과를 고려하여 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다(S550, S560).

보다 구체적으로, 제어기(700)는 부하 요구 출력 값이 정출력값 미만인 경우(S540의 No)에는 배터리 충전-정출력 제어 로직에 진입하여 정출력 가능 여부를 판단하고, 부하 요구 출력 값이 정출력값 이상인 경우(S540의 Yes)에는 배터리 방전-정출력 제어 로직에 진입하여 정출력 가능 여부를 판단하게 된다.

정출력 가능 여부에 대한 판단 과정은 도 6 및 도 7을 참조하여 이하 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전-정출력 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제어기(700)는 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State of Charge)에 기반하여 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

이 경우, 정출력값 및 배터리를 방전 상한치까지 방전시킬 수 있는 배터리 최대 방전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최대 SOC를 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

보다 구체적으로, 제어기(700)는 현재 배터리 SOC가, 정출력값 중 부하 요구 출력값 초과분에 제1 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최대 SOC로부터 차감한 값 이하인 경우, 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단할 수 있다(S551의 Yes).

현재 배터리 SOC가, 정출력값 중 부하 요구 출력값 초과분에 제1 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최대 SOC로부터 차감한 값을 초과하는 경우(S551의 No)에는 정출력이 금지되며(S552), 이 경우 변동된 현재 배터리 SOC와 부하 요구 출력값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다.

보다 구체적으로, 제어기(700)는 연료전지(100)의 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우, 변동된 현재 배터리 SOC 또는 변동된 부하 요구 출력값 및 히스테리시스값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다(S553).

한편, 위와 같은 과정(S551 내지 S553)은 현재 배터리 SOC를 기준으로 수행된 것이나, 부하 요구 출력값을 기준으로 수행될 수도 있다(S554 내지 S556).

판단 또는 재판단 결과, 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 경우(S553의 Yes) 제어기(700)는 연료전지 요구 출력을 정출력값으로 결정할 수 있다(S557).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 방전-정출력 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 제어기(700)는 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State of Charge)에 기반하여 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

이 경우, 정출력값 및 배터리를 충전 상한치까지 충전할 수 있는 배터리 최대 충전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최소 SOC를 더 고려하여 연료전지(100)의 정출력 가능 여부를 판단할 수 있다.

보다 구체적으로, 제어기(700)는 현재 배터리 SOC가, 부하 요구 출력값 중 정출력값 초과분에 제2 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최소 SOC에 더한 값 이상인 경우, 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 것으로 판단할 수 있다(S561의 Yes).

현재 배터리 SOC가, 부하 요구 출력값 중 정출력값 초과분에 제2 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 배터리 최대 SOC에 더한 값을 초과하는 경우(S561의 No)에는 정출력이 금지되며(S562), 이 경우 변동된 현재 배터리 SOC와 부하 요구 출력값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다.

보다 구체적으로, 제어기(700)는 연료전지(100)의 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우, 변동된 현재 배터리 SOC 또는 변동된 부하 요구 출력값 및 히스테리시스값을 더 고려하여 정출력 가능 여부를 재판단할 수 있다(S563).

한편, 위와 같은 과정(S561 내지 S563)은 현재 배터리 SOC를 기준으로 수행된 것이나, 부하 요구 출력값을 기준으로 수행될 수도 있다(S564 내지 S566).

판단 또는 재판단 결과, 연료전지(100)의 출력 효율을 고려한 정출력이 가능한 경우(S563의 Yes) 제어기(700)는 연료전지 요구 출력을 정출력값으로 결정할 수 있다(S567).

상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의해, 연료전지의 정출력 구간이 확대되어 출력 효율이 향상될 수 있다.

또한, 연료전지의 정출력 운전 구간이 확대됨에 따라 연료전지의 출력 변동을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 연료전지의 정출력 운전 구간이 확대됨에 따라 연료전지 보기류의 출력 소모를 절감할 수 있게 된다.

나아가, 연료전지의 출력 효율 향상 및 연료전지 보기류의 출력 소모 절감을 통해 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 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.

100: 연료전지
200: 배터리
700: 제어기

Claims (20)

1. 연료전지;
   배터리; 및
   차량 내 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단하며,
   상기 부하 요구 출력값에 기반하여 상기 배터리의 과충전에 관한 제1 조건 및 상기 배터리의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단하고,
   상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 만족 시 상기 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State of Charge)에 기반하여 상기 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단하고, 상기 판단의 결과에 따라 상기 연료전지의 출력을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 차량.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기는,
   운전자 구동 요구 출력 중 상기 연료전지에 분배된 출력값, 상기 연료전지의 보기류 소모 출력값, 상기 차량의 보기류 소모 출력값 및 상기 배터리의 충전 요구 출력값을 합산한 값에 기반하여 상기 부하 요구 출력값을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 조건은,
   정출력값, 상기 부하 요구 출력값 및 상기 배터리를 충전 상한치까지 충전시킬 수 있는 배터리 최대 충전 가능 출력값에 기반하여 만족 여부가 판단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 조건이 만족되는 경우는,
   상기 정출력값에서 상기 부하 요구 출력값을 차감한 값이 상기 배터리 최대 충전 가능 출력값 미만인 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 조건은,
   정출력값, 상기 부하 요구 출력값, 운전자 구동 요구 출력값 중 상기 배터리에 분배된 출력값 및 상기 배터리를 방전 상한치까지 방전시킬 수 있는 배터리 최대 방전 가능 출력값에 기반하여 만족 여부가 판단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 조건이 만족되는 경우는,
   상기 부하 요구 출력값에서 상기 정출력값을 차감한 값이, 상기 배터리 최대 방전 가능 출력값에서 상기 운전자 구동 요구 출력값 중 상기 배터리에 분배된 출력값을 차감한 값 미만인 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
7. 청구항 1에 있어서,
   제어기는,
   상기 부하 요구 출력값이, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 만족시키도록 기 설정된 상기 부하 요구 출력값의 범위에 포함되는지 여부에 기반하여 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건의 만족 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기는,
   정출력값과 상기 부하 요구 출력값의 비교 결과를 더 고려하여 상기 정출력 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 비교 결과 상기 부하 요구 출력값이 상기 정출력값 미만인 경우, 상기 정출력값 및 상기 배터리를 방전 상한치까지 방전시킬 수 있는 배터리 최대 방전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최대 SOC를 더 고려하여 상기 정출력 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 현재 배터리 SOC가, 상기 정출력값 중 상기 부하 요구 출력값 초과분에 제1 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 상기 배터리 최대 SOC로부터 차감한 값 이하인 경우 상기 정출력이 가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 비교 결과 상기 부하 요구 출력값이 상기 정출력값 이상인 경우, 상기 정출력값 및 상기 배터리를 충전 상한치까지 충전할 수 있는 배터리 최대 충전 가능 출력값에 기반하여 결정되는 배터리 최소 SOC를 더 고려하여 상기 정출력 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 현재 배터리 SOC가, 상기 부하 요구 출력값 중 상기 정출력값 초과분에 제2 상수를 곱한 값에 대응되는 SOC를 상기 배터리 최소 SOC에 더한 값 이상인 경우 상기 정출력이 가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 현재 배터리 SOC 또는 상기 부하 요구 출력값의 변동을 더 고려하여 상기 정출력 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 정출력이 불가능한 것으로 판단된 경우, 상기 변동된 현재 배터리 SOC 또는 상기 변동된 부하 요구 출력값 및 히스테리시스값을 더 고려하여 상기 정출력 가능 여부를 재판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 히스테리시스값은,
    상기 부하 요구 출력값에 변동이 없는 상태로 상기 현재 배터리 SOC만 변동된 경우, SOC에 대한 히스테리시스값인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 히스테리시스값은,
    상기 현재 배터리 SOC에 변동이 없는 상태로 상기 부하 요구 출력값만 변동된 경우, 부하 요구 출력값에 대한 히스테리시스값인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 판단의 결과 상기 정출력이 가능한 경우 정출력값에 기반하여 상기 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 판단의 결과 상기 정출력이 불가능한 경우 상기 부하 요구 출력값에 기반하여 상기 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
19. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지의 성능에 따른 출력 제한값 및 상기 차량에 구비된 컨버터의 성능에 따른 출력 제한값 중 적어도 하나를 더 고려하여 상기 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
20. 전체 부하에서 요구되는 부하 요구 출력값을 판단하는 단계;
    상기 부하 요구 출력값에 기반하여 배터리의 과충전에 관한 제1 조건 및 상기 배터리의 과방전에 관한 제2 조건의 만족 여부를 판단하는 단계;
    상기 제1 조건 및 상기 제2 조건 만족 시 상기 부하 요구 출력값 및 현재 배터리 SOC(State)에 기반하여 연료전지의 출력 효율을 고려한 정출력 가능 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단의 결과를 기반으로 상기 연료전지의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 제어 방법.