KR20170096409A

KR20170096409A - 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20170096409A
Application number: KR1020160017750A
Authority: KR
Inventors: 조성문; 송요인
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: KR101876733B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 출력 제어 방법은, 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하는 단계; 상기 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하는 단계; 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계; 및 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치{The high-voltage battery output control method and apparatus for a fuel cell vehicle}

본 발명은 연료 전지 차량에 관한 것으로서, 상세하게 연료 전지 차량에 탑재된 고전압 배터리의 출력 효율을 높이는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연료 전지 스택(stack) 내에서 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지 시스템을 이용한 연료전지 차량은 배기가스 저감 및 연비 성능 향상 등의 장점이 있지만, 물 생성 문제 및 출력 성능 등의 단점을 감안하여 연료전지와 다른 에너지 저장장치인 축전수단을 갖는 연료전지 하이브리드(hybrid) 시스템이 적용되고 있다.

연료전지 하이브리드 차량은 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리(또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡))를 탑재할 수 있다.

연료전지 및 축전수단을 포함하는 연료전지 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 축전수단을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 축전수단에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.

이러한 연료전지 하이브리드 차량의 주행모드는 연료전지만을 구동원으로 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 연료전지 및 축전수단이 직결된 하이브리드 모드(HEV Mode), 그리고 축전수단에 대한 충전이 이루어지는 회생제동모드로 구분된다.

한편, 도 1은 연료전지 하이브리드 차량의 일반적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 연료전치 차량의 가속 시에는 연료전지와 고전압 배터리가 함께 에너지를 모터로 공급한다. 이때 연료전지는 차량의 가속을 위해 요구되는 에너지를 모터에 지속적으로 공급할 수 있는 반면, 고전압 배터리는 에너지를 모터에 공급할 수 있는 일정 시간(예를 들어, 10초 이하)이 정해져 있고 일정 시간 이후에는 고전압 배터리의 방전은 중지되기 때문에 모터에 공급되는 총 에너지는 감소하게 된다.

모터로 공급되는 총 에너지가 감소됨에 따라 운전자는 가속을 위한 고출력 지속 시간이 짧다는 불만을 가질 수 있고 또한 경우에 따라서 운전자는 가속력이 낮다고 생각할 수 있다. 다시 말해서, 운전자의 가속 페달의 조작량에 따라서 운전자가 체감하는 속도 증가량에 불편(가속 이질감)을 느낄 수 있다.

따라서, 가속 이질감을 해소하기 위해 연료전지 하이브리드 차량의 가속 시 모터로 인가되는 고전압 배터리의 출력을 제어할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상세하게, 본 발명은 연료전지 차량의 가속 시에 고전압 배터리가 에너지를 모터에 공급하는 조건을 합리적으로 개선하여 가속을 위해 모터로 공급하는 전력의 지속 시간을 증가시키고, 또한 가속 시에 고전압 배터리의 에너지 공급 가능 조건을 최적화하여 운전 중 가속력의 크기가 매우 낮다고 생각할 수 있는 운전자의 불만을 해소할 수 있는 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치를 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 출력 제어 방법은, 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하는 단계; 상기 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하는 단계; 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계; 및 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 전압, 전류, 온도 및 SOC에 관한 정보를 전달 받는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어하는 단계는, 액셀러레이터(accelerator)에 조작에 의한 차량의 속도가 가속될 때 수행될 수 있다.

실시예에 따라, 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)의해 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계는, 미리 저장되어 있는 상기 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 상기 가용 전력을 산출하는 단계; 를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어하는 단계는, 기 설정 주기 마다 모터제어기로부터 전달 받은 가속 요구 토크가 미리 설정된 기준 토크 이상인지 판단하는 단계; 상기 가속 요구 토크가 상기 미리 설정된 기준 토크 이상인 경우, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간에 의해 상기 고전압 배터리의 공급 가능 에너지를 산출하는 단계; 상기 모터로 전달되는 누적 공급 에너지를 산출하는 단계; 및 상기 누적 공급 에너지가 상기 공급 가능 에너지 이상이면, 상기 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 중단시키는 단계; 를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 내부 저항과 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하는 단계는, 상기 고전압 배터리의 전압이 미리 저장된 전압전류성능 테이블에서 동일 전류 대비 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 열화도를 증가시키는 단계; 를 포함하며, 상기 내부 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 고전압 배터리의 전압이며, 상기 기준 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 기준 배터리 전압일 수 있다.

실시예에 따라, 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)의해 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계는, 상기 열화도가 미리 설정된 임계값보다 높은 경우, 상기 열화도를 상기 고전압 배터리의 가용 전력을 산출에 고려하는 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 출력 제어 장치는, 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하고, 상기 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하며, 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 제어부; 및 상기 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 상기 전압, 상기 전류, 상기 온도 및 상기 SOC에 관한 정보를 전달 받는 통신부; 를 포함하며, 상기 제어부는 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력 전력을 제어할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는 액셀러레이터(accelerator)에 조작에 의한 차량의 속도가 가속될 때, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는 미리 저장되어 있는 상기 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 상기 가용 전력을 산출할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는, 기 설정 주기 마다 모터제어기로부터 전달 받은 가속 요구 토크가 미리 설정된 기준 토크 이상인지 판단하고, 상기 가속 요구 토크가 상기 미리 설정된 기준 토크 이상인 경우, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간에 의해 상기 고전압 배터리의 공급 가능 에너지를 산출하며, 상기 모터로 전달되는 누적 공급 에너지를 산출하고, 상기 누적 공급 에너지가 상기 공급 가능 에너지 이상이면, 상기 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 중단시킬 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는, 상기 고전압 배터리의 전압이 미리 저장된 전압전류성능 테이블에서 동일 전류 대비 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 열화도를 증가시키며, 상기 내부 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 고전압 배터리의 전압이며, 상기 기준 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 기준 배터리 전압일 수 있다.

실시예에 따라, 상기 제어부는 상기 열화도가 미리 설정된 임계값보다 높은 경우, 상기 열화도를 상기 고전압 배터리의 가용 전력을 산출에 고려할 수 있다.

실시예에 따라, 본 발명은 상기 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법 및 장치에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 연료전지 차량 가속 시 고출력 유지 시간을 증대시켜 운전자가 느끼는 가속 이질감(가속 페달 조작량과 운전자가 체감하는 차량의 출력 가속 이 상이한 상황)을 해소시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은 고전압 배터리의 출력을 시간이 아닌 고전압 배터리의 열화도를 고려하여 제어함으로써, 고전압 배터리가 과방전 상태로 더욱 열화되는 것을 방지하여 고전압 배터리의 수명을 늘리는 효과가 있다.

셋째, 본 발명은 기존의 연료 전지 시스템의 고전압 배터리 출력 제어 로직만을 변경함으로써 원가 상승의 우려가 없다.

본 발명에서 얻을 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.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 하이브리드 차량의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 도 2의 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법을 더욱 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 가용 전력을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 열화도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 내부 저항을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 열화도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 장치를 설명하기 위한 구조도이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 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.

그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

연료 전지 시스템은 전기 에너지를 발생시키는 연료 전기 스택, 연료 전기 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 공기 중의 산소를 공급하는 공기(산소)공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 배출하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물관리계(Thermal Management System, TMS) 및 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료 전지 시스템 제어기를 포함하여 구성되며, 상기 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

이러한 연료 전지에서 차량용으로 가장 주목 받는 연료 전지 타입은 연료 전지 중 가장 높은 전력 밀도를 갖는 이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)이며, 이는 낮은 작동 온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력 변환 반응 시간을 갖는 특징이 있다.

연료 전지 스택에서 수소는 양극인 에노드(anode, '연료극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 음극인 캐소드(cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)로 공급된다.

양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다.

이때, 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기 공급 장치에 의해 음극으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응이 일어난다.

수소 이온의 이동에 따라 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생되며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

다만, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 점, 높은 전압을 요구하는 고속 운전영역에서 출력 전압이 급격하게 감소하는 출력 특성에 의해 구동모터가 요구하는 충분한 전압을 공급하지 못하여 차량의 가속성능을 저하시키는 문제점이 있다. 그리고 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료전지 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하되는 점(화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 연료전지에 무리가 감)뿐만 아니라, 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동 시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.

이러한 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 연료전지 하이브리드 차량은 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리(또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡))를 탑재할 수 있다.

한편, 연료 전지 하이브리드 차량은 저출력 구간에서 연료 전지의 작동을 정지하는 제어를 통해 효율이 낮은 구간에서의 연료전지 사용을 자제하여 연비의 상승을 도모할 수 있고, 특히 내구성 증대를 위해서는 저출력 구간에서 발전을 중지하는 운전이 필요하다.

보다 상세하게, 연료 전지 하이브리드 차량은 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정(연료 전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정), 즉 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정(연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정)을 통해 연비를 상승시킬 수 있다.

이러한 연료 전지와 고전압 배터리가 모터로 출력을 공급하는데 있어서, 일반적으로 운전자가 가속을 위한 페달 조작량을 증가시키는 의도와 달리 고전압 배터리는 최대로 공급 가능한 배터리 출력으로 배터리 에너지를 모터에 공급할 수 있는 시간이 일정 시간(예를 들어, 10초) 이하로 정해져 있기 때문에 일정 시간 경과 이후에는 고전압 배터리의 방전은 중지되고 연료전지의 에너지만 모터에 공급되므로 모터에 공급되는 총 에너지는 감소하게 되었다.

이에 따라, 운전자가 주행 중 미미하게 가속을 하다가 일정 시간 경과 후 차량의 최고 출력으로 가속을 하기 위한 페달 조작을 시도할 경우, 운전자는 일정 시간 이후에는 연료전지 출력만으로 가속을 하게 되므로 최대 가속을 위한 출력 지속 시간이 짧다고 생각할 수 있다.

이러한 연료전지 차량 가속 시 고출력 유지 시간을 증대시켜 운전자가 느끼는 가속 이질감(가속 페달 조작량과 체감하는 차량의 가속 출력이 상이한 상황)을 해소하기 위한 시도가 있었다.

예를 들어, 운전자가 급가속 요구 상황에서 배터리의 출력 제한을 가변적으로 제어하고, 고전압 배터리의 출력을 제한하는 기준 및 판단 지표로 고전압 배터리의 출력 시간, 출력 누적량, 액셀레이터(가속 페달) 조작량을 사용하였다.

보다 상세하게, 일반적으로 운전자가 급가속이 요구되는 상황이라고 판단될 때 즉, 가속 페달 조작량이 기준치를 초과하는 경우, 평상시 출력 제한으로 사용하던 고전압 배터리의 출력 제한을 모두 해제한 후, 고전압 배터리의 출력 전압이 기준치 이하일 때의 누적 시간을 산출하여 누적 시간이 허용 시간을 초과한 경우 배터리의 출력을 평상시보다 더욱 강하게 제한하였다.

이렇게 하면 급가속 시 고전압 배터리의 보조 에너지를 받아 운전자는 가속감을 느낄 수 있지만, 누적 시간을 초과하였을 때에는 평상시 이루어지고 있던 배터리의 출력 제한보다 더욱 강하게 제한을 받아 운전자는 더 큰 가속 이질감을 느낄 수 있으며, 또한 이미 고전압 배터리의 에너지를 모두 소진하였기에 다시 연료전지로부터 재충전될 때까지는 차량 재가속 시에도 고전압 배터리의 에너지를 사용할 수 없는 문제점이 발생했다.

따라서, 본 발명은 운전자가 가속을 위한 페달 조작 시에 고전압 배터리의 에너지를 구동 모터에 공급하는 조건을 합리적으로 개선하여, 보다 높은 출력으로 차량 가속을 위한 출력을 공급하는 시간을 증가시키고, 가속 시 고전압 배터리가 에너지 공급 가능 조건을 최적화하여 운전 중 가속력의 크기가 매우 낮다고 생각할 수 있는 운전자의 불만을 해소시키는 것을 목적으로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 고전압 배터리의 출력 제어 장치는 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 전압, 전류, 온도 및 SOC에 관한 정보를 수신한다(S210).

출력 제어 장치가 고전압 배터리의 상태 정보를 반드시 배터리관리시스템으로부터 수신해야 하는 것은 아니고, 고전압 배터리를 모니터링 하는 전압 센서, 전류 센서, 온도 센서 등으로부터 고전압 배터리의 상태 정보를 수신할 수도 있다.

BMS은 배터리 관리 시스템으로서, 배터리는 과충전, 과열, 외부충격으로 폭발할 가능성이 있기 때문에 이를 제어하기 위한 시스템을 말한다. 배터리 관리 시스템은 다양한 정보들에 의해 나타나는 배터리의 상태를 모니터링 한다. 배터리 상태를 나타내는 정보는 배터리 전압, 온도, 충전 상태(State Of Charge), 배터리 건강 상태(State Of Health), 공기 흐름, 전류의 입출력 상태 등을 포함할 수 있다. 또한, BMS는 위의 정보들에 기초하여 배터리의 전력 공급에 필요한 계산도 수행하며, 외부 장치와 연결되어 각종 정보를 주고 받는 통신을 수행할 수 있다.

출력 제어 장치는 전달 받은 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 고전압 배터리의 내부 저항을 산출한다(S220).

출력 제어 장치는 모니터링된 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여, 고전압 배터리 방전 시 전류에 따른 전압으로 내부 저항을 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 출력 제어 장치는 메모리에 고전압 배터리의 SOC 별 내부 저항을 미리 저장하고 있어 모니터링된 SOC 를 이용하여 내부 저항을 산출할 수 있다.

다른 실시예에서, 출력 제어 장치는 고전압 배터리의 전압 및 전류를 메모리에 미리 저장되어 있는 전압전류성능 테이블의 전압전류성능 곡선에 매칭시킴으로써 내부 저항을 산출할 수 있다.

내부 저항을 산출하는 방법에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.

출력 제어 장치는 산출된 내부 저항을 기 설정되어 있는 기준 저항과 비교하여 고전압 배터리의 열화도를 산출한다(S230).

고전압 배터리는 그 특성상 지속적으로 사용되는 경우 용량이 감소되는 열화 현상이 발생하게 되며, 열화가 진행되면 SOC의 정확도가 저하되어 동일한 SOC 대비 주행가능거리 감소, 가속을 위한 출력 의 저하 등과 같은 현상이 나타나게 된다.

열화도 산출과 관련하여 충전 중 배터리 전압 특성 및 SOC와의 관계를 활용하여 배터리의 열화도를 산출할 수 있으며, 구체적으로는 차량에 탑재된 고전압 배터리의 완속 충전중 일정한 전압 변화에 대한 충전 용량의 변화율을 구하여, 이를 동일한 사양의 고전압 배터리의 열화도에 따른 완속 충전 중의 일정한 전압 변화 에 대한 충전용량의 변화율로 이루어진 데이터와 비교함으로써 해당 열화도를 산출할 수 있다.

일 실시예로서, 출력 제어 장치는 동일 전류 대비 고전압 배터리의 전압이 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 내부 저항이 증가하며 열화도가 증가한다고 판단할 수 있다.

다른 실시예로서, 출력 제어 장치는 고전압 배터리의 SOC 및 산출된 내부 저항을 메모리에 미리 저장되어 있는 전압전류성능 테이블의 전압전류성능 곡선에 매칭시킴으로써 열화도를 산출할 수 있다.

열화도를 산출하는 방법에 대해서는 도 5 및 도 7을 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.

출력 제어 장치는 열화도, 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출한다(S240).

출력 제어 장치는 미리 저장되어 있는 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 상기 가용 전력을 산출한다.

출력 제어 장치는 가용 전력 테이블에서 산출된 가용 전력에 열화도 반영하여 가용 전력을 수정한다. 가용 전력 테이블에서 산출된 가용 전력에 열화도를 고려함으로써 이미 산출된 가용 전력보다 값의 크기는 줄어들 수 있다.

출력 제어 장치는 가용 전력 및 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 고전압 배터리의 출력 전력을 제어한다(S250).

출력 제어 장치는 고전압 전력 변환기를 제어함으로써 고전압 배터리의 출력을 제어할 수 있으며, 고전압 전력 변환기는 고전압 배터리 출력단에 위치되어 연료전지에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 고전압 배터리에 충전되도록 공급하거나, 고전압 배터리에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 모터 및 전자 부하 등 시스템 내 각 부하에 공급한다.

도 3은 도 2의 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법을 더욱 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 연료 전지 하이브리드 차량이 제동 상태 또는 관성에 의한 주행 상태(S310)에서 운전자가 가속을 위한 가속페달(액셀러레이터, accelerator)을 조작하면 모터 제어 장치(Motor Control Unit, MCU)는 모터 구동을 위한 가속 요구 토크를 산출한다.

출력 제어 장치는 모터 제어 장치로부터 전달 받은 가속 요구 토크를 메모리에 저장되어 있는 기준 토크와 비교한다(S320).

가속 요구 토크가 기준 토크보다 큰 경우(S320의 YES 경로), 출력 제어 장치는 고전압 배터리로부터 모터로 에너지를 공급하도록 제어한다(S330).

출력 제어 장치는 모터로 공급할 에너지를 산출하기 위해서, 고전압 배터리가 모터로 공급한 에너지의 누적량(누적 공급 에너지)를 초기화하고, 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 이용하여 공급 가능 에너지를 산출한다(S340).

고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간은 미리 저장되어 있는 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 산출될 수 있고, 가용 전력은 열화도가 고려된 가용 전력이다.

출력 제어 장치는 초기 누적 공급 에너지와 실시간 모니터링에 의한 고전압 배터리의 전류, 전압 및 공급 시간을 이용하여 누적 공급 에너지를 산출한다(S350).

출력 제어 장치는 누적 공급 에너지와 고전압 배터리가 모터로 공급 가능한 에너지를 비교하여 누적 공급 에너지가 공급 가능 에너지보다 작으면 계속해서 누적 공급 에너지를 산출(S360의 NO경로), 누적 공급 에너지가 공급 가능 에너지보다 큰 경우(S360의 YES 경로)에는 더 이상 출력할 에너지가 남지 않았기 때문에 고전압 배터리로부터 모터로의 에너지 공급을 중지시킨다(S370).

이후, 다시 운전자의 가속 페달의 조작에 따른 가속 요구 토크와 기준 토크와의 비교를 통해 고전압 배터리로부터 모터로의 에너지 공급 여부를 다시 판단하도록 한다(S380).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 가용 전력을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 고전압 배터리의 내부 셀 온도와 SOC에 따른 출력 전력값을 산출할 수 있다.

출력 제어 장치는 미리 저장되어 있는 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블을 메모리에 미리 저장할 수 있고, 실시간으로 고전압 배터리를 모티터링 하는 배터리관리시스템에 의해 전달 받은 SOC 와 내부 셀 온도를 통해 실시간으로 모터로 전달 가능한 가용 전력을 산출할 수 있다.

가용 전력 테이블은 도 4의 정보를 저장할 수 있고, 가용 전력 테이블은 출력 제어 장치의 메모리에 저장될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 열화도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 배터리관리시스템으로부터 전달 받은 고전압 배터리의 실 시간 전압 및 전류에 의해 고전압 배터리의 열화도 및 모터로의 공급 가능 에너지를 산출할 수 있다.

배터리관리시스템은 일정 주기 마다 모니터링 한 고전압 배터리의 전압 및 전류에 관한 정보를 출력 제어 장치로 전달 할 수 있다(S510).

출력 제어 장치는 내부 저항과 기 설정된 기준 저항과 비교하여 고전압 배터리의 열화도를 산출할 수 있다.

내부 저항은 동일 전류 대비 상기 고전압 배터리의 전압이며, 기준 저항은 동일 전류 대비 상기 기준 배터리 전압으로 산출될 수 있다.

구체적으로 내부 저항과 기준 저항과의 비교하는 방법과 관련해, 본 발명의 일 실시예에서는, 고전압 배터리의 전압이 미리 저장된 전압전류성능 테이블에서 동일 전류 대비 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우(S520의 YES 경로), 고전압 배터리가 이전 보다 더욱 열화 되었다고 판단하고 열화도를 증가시킨다. 반대로, 동일 전류 대비 고전압 배터리의 전압이 기준 배터리 전압 보다 높은 경우(S520의 NO경로), 열화도를 감소시킨다.

일 실시예로서, 동일 전류 대비 고전압 배터리의 전압이 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 경우, 내부 열화도 카운트를 1씩 증가시켜 열화도를 산출할 수 있다(S540).

이후, 출력 제어 장치는 열화도가 미리 설정된 임계값보다 높은 경우(S550의 YES 경로), 상기 열화도를 고전압 배터리의 가용 전력을 산출에 고려한다(S560).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 내부 저항을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 출력 제어 장치는 모니터링된 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여, 고전압 배터리 방전 시 전류에 따른 전압으로 내부 저항을 측정할 수 있다.

일 실시예에서, 출력 제어 장치는 메모리에 고전압 배터리의 SOC 별 내부 저항값을 미리 저장하고 있어 모니터링된 SOC 를 이용하여 내부 저항값을 산출할 수 있다.

출력 제어 장치는 실시간으로 고전압 배터리의 전압 및 전류를 모니터링 하여 각 포이트에 해당되는 전압전류 성능 곡선에 매칭하여 내부저항을 산출할 수 있다. 이때, 고전압 배터리의 SOC와 온도 등의 이외 조건은 동일할 때를 기준으로 하여 비교해야 한다.

전압전류성능 테이블은 도 6의 내용을 포함하며, 출력 제어 장치는 실시간 모니터링 되는 고전압 배터리의 전압을 이용함으로써 내부 저항을 산출할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 방법에서 열화도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 출력 제어 장치는 열화도를 산출하기 위해 고전압 배터리의 SOC와 내부 저항을 이용한다.

출력 제어 장치는 동일 전류 대비 고전압 배터리의 전압이 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 내부 저항이 증가하며 열화도가 증가한다고 판단할 수 있다.

출력 제어 장치는 실시간으로 고전압 배터리의 SOC를 모니터링하고, 기 설정 주기 마다 배터리의 내부 저항을 산출한다.

다른 실시예로서, 출력 제어 장치는 고전압 배터리의 SOC 및 산출된 내부 저항을 이용하여 각 포인트를 메모리에 미리 저장되어 있는 전압전류성능 테이블의 전압전류성능 곡선에 매칭시킴으로써 열화도를 산출할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차량용 고전압 배터리의 출력 제어 장치를 설명하기 위한 구조도이다.

도 8을 참조하면, 출력 제어 장치(800)은 통신부(810), 제어부(820) 및 메모리(830)를 포함할 수 있다.

도 8에 도시된 구성 요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성 요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 갖는, 출력 제어 장치(800)가 구현될 수 있다.

이하, 상기 구성 요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.

통신부(810)은 배터리관리시스템 및 모터 제어 장치 등과 고전압 배터리의 출력을 제어하기 위한 신호 및 정보를 주고 받는다.

일 실시예로, 통신부(810)는 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 상기 전압, 상기 전류, 상기 온도 및 상기 SOC에 관한 정보를 전달 받을 수 있다.

제어부(820)는 출력 제어 장치(800)의 전체적인 동작을 제어하기 위해 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다.

일 실시예로, 제어부(820)는 고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하고, 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 고전압 배터리의 열화도를 산출하며, 열화도, 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출할 수 있다.

메모리(830)는 출력 제어 장치(800)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 소정의 프로그램 코드와 상기 프로그램 코드에 의한 동작이 수행될 때 입/출력되는 데이터 등이 저장되는 공간 및/또는 저장 영역의 총칭으로서, EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), FM(Flash Memory), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive)등의 형태로 제공된다.

본 발명의 일 실시에에서, 메모리(830)는 열화도를 산출하기 위해 사용되는 기준 저항 정보를 저장할 수 있고, 제어부(820)에서 산출한 가용 전력 및 가용 신간을 저장할 수 있으며, 통신부(810)로부터 전달 받은 전압, 전류, 온도 및 SOC에 관한 정보를 저장할 수 있다. 또한, 미리 설정되어 있는 기준 토크, 모니터링 주기, 가속 여부 판단 주기가 저장될 수 있다.

상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

800 : 출력 제어 장치
810 : 통신부
820 : 제어부
830 : 메모리

Claims

고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하는 단계;
상기 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하는 단계;
상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계; 및
상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계;
를 포함하는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 전압, 전류, 온도 및 SOC에 관한 정보를 전달 받는 단계;
를 더 포함하는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어하는 단계는,
액셀러레이터(accelerator)에 조작에 의한 차량의 속도가 가속될 때 수행되는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)의해 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계는,
미리 저장되어 있는 상기 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 상기 가용 전력을 산출하는 단계;
를 포함하는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어하는 단계는,
기 설정 주기 마다 모터제어기로부터 전달 받은 가속 요구 토크가 미리 설정된 기준 토크 이상인지 판단하는 단계;
상기 가속 요구 토크가 상기 미리 설정된 기준 토크 이상인 경우, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간에 의해 상기 고전압 배터리의 공급 가능 에너지를 산출하는 단계;
상기 모터로 전달되는 누적 공급 에너지를 산출하는 단계; 및
상기 누적 공급 에너지가 상기 공급 가능 에너지 이상이면, 상기 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 중단시키는 단계;
를 포함하는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 내부 저항과 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하는 단계는,
상기 고전압 배터리의 전압이 미리 저장된 전압전류성능 테이블에서 동일 전류 대비 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 열화도를 증가시키는 단계;
를 포함하며,
상기 내부 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 고전압 배터리의 전압이며, 상기 기준 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 기준 배터리 전압인,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)의해 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 단계는,
상기 열화도가 미리 설정된 임계값보다 높은 경우, 상기 열화도를 상기 고전압 배터리의 가용 전력을 산출에 고려하는 단계;
를 포함하는,
고전압 배터리 출력 제어 방법.
고전압 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 고전압 배터리의 내부 저항을 산출하고, 상기 내부 저항을 기 설정된 기준 저항과 비교하여 상기 고전압 배터리의 열화도를 산출하며, 상기 열화도, 상기 고전압 배터리의 온도 및 SOC(state of charge)를 이용하여 상기 고전압 배터리의 가용 전력 및 가용 시간을 산출하는 제어부; 및
상기 고전압 배터리를 모니터링 하는 배터리관리시스템(battery management system, BMS)로부터 상기 전압, 상기 전류, 상기 온도 및 상기 SOC에 관한 정보를 전달 받는 통신부;
를 포함하며,
상기 제어부는 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력 전력을 제어하는,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제8항에 있어서,
상기 제어부는 액셀러레이터(accelerator)에 조작에 의한 차량의 속도가 가속될 때, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간을 고려하여 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 제어하는,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 미리 저장되어 있는 상기 SOC와 온도에 따른 가용 전력 테이블에 의해 상기 가용 전력을 산출하는,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
기 설정 주기 마다 모터제어기로부터 전달 받은 가속 요구 토크가 미리 설정된 기준 토크 이상인지 판단하고,
상기 가속 요구 토크가 상기 미리 설정된 기준 토크 이상인 경우, 상기 가용 전력 및 상기 가용 시간에 의해 상기 고전압 배터리의 공급 가능 에너지를 산출하며,
상기 모터로 전달되는 누적 공급 에너지를 산출하고,
상기 누적 공급 에너지가 상기 공급 가능 에너지 이상이면, 상기 모터로 전달되는 상기 고전압 배터리의 출력을 중단시키는,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제9항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 고전압 배터리의 전압이 미리 저장된 전압전류성능 테이블에서 동일 전류 대비 미리 설정된 기준 배터리 전압보다 낮은 전압을 가진 경우, 열화도를 증가시키며, 상기 내부 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 고전압 배터리의 전압이며, 상기 기준 저항은 상기 동일 전류 대비 상기 기준 배터리 전압인,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제12항에 있어서,
상기 제어부는 상기 열화도가 미리 설정된 임계값보다 높은 경우, 상기 열화도를 상기 고전압 배터리의 가용 전력을 산출에 고려하는,
고전압 배터리 출력 제어 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.