KR100921125B1

KR100921125B1 - 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량

Info

Publication number: KR100921125B1
Application number: KR20080020173A
Authority: KR
Inventors: 전순일; 권상욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-10-12
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: US8511407B2; US20090223726A1; US8016061B2; US20120035796A1; KR20090095082A; CN101524967A; CN101524967B

Abstract

본 발명은 모터로 구동되는 하이브리드 연료전지차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 동력원 및 복수의 구동계를 구비하여 하나의 동력원 또는 하나의 구동계에 이상이 발생한 경우에 다른 동력원 또는 다른 구동계를 사용함으로써, 비상시 주행안정성을 향상시킬 수 있고, 복수의 동력원이 하나의 메인버스단을 공유하여 종래의 동력원의 용량을 그대로 유지하면서 적어도 3개의 구동계를 추가로 구성함이 가능해짐으로써, 동일한 용량을 갖는 기존 동력원 대비 등판성능이 월등히 상승되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 최고속도 및 발진/추월 성능 또한 향상될 수 있도록 한 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 하나의 메인버스단을 공유하며, 서로 병렬로 연결된 복수의 주동력원;

휠을 구동시키기 위해 상기 메인버스단으로부터 전원을 공급받아 출력토크를 발생하며, 서로 병렬로 연결된 복수의 구동계; 및

상기 주동력원의 파워부족분을 보충하기 위해 주동력원과 구동계 사이에 설치되며, 상기 메인버스단을 공유하는 보조동력원을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량을 제공한다.

연료전지, 모터, 메인버스단, 수퍼캡

Description

멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량{Hybrid Fuel Cell Vehicle with multi-power source and multi-drive system}

본 발명은 모터로 구동되는 하이브리드 연료전지차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 동력원 및 복수의 구동계를 구비하여 하나의 동력원 또는 하나의 구동계에 이상이 발생한 경우에 다른 동력원 또는 다른 구동계를 사용함으로써, 비상시 주행안정성을 향상시킬 수 있도록 한 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

도 14는 종래의 수퍼캡-연료전지 하이브리드 차량에 적용되는 기존의 파워넷 구성도이다.

도시한 바와 같이 연료전지 스택(100), 수퍼캡(120), 인버터(130), 모터(140), RGU(150), GDU(160)를 포함한다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지 스택(100)은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이므로, 고분자 전해질 연료전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.

고분자 전해질 연료전지의 연료중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하는 동시에, 촉매반응으로 생성된 전자들은 외부회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성된다.

상기 연료전지 스택(100)은 차량을 구동시키기 위한 주동력원으로 100kW급의 연료전지 2개가 직렬로 연결되는 연료전지시스템으로 이루어지고, 수퍼캡(Super-Capacitor)(120)은 신속한 고출력 충방전이 가능한 보조 동력원으로, 연료전지 스택(100) 출력 파워의 부족분을 보충하며 회생에너지의 활용을 극대화 할 수 있어 연료전지의 효율적인 사용을 가능하게 한다.

따라서, 상기와 같이 주동력원과 보조동력원으로부터 출력되는 고전압을 인버터(130)를 통해 직류에서 교류로 변환하여 모터(140)(예 AC 240kW)에 공급함으로 차량을 구동하는 구조이다.

여기서, 상기 연료전지(100) 2개를 직렬로 연결함에 따라 메인 버스단(102)이 고전압(500~900V)으로 구동되며, 별도의 유단변속장치 없이 모터(140)의 출력토크가 감속기어부(150)(Reduction Gear Unit;RGU)를 통해 1차로 증대되고, 기어차동 부(160)(Gear Differential Unit;GDU)를 거쳐 2차로 증대되게 된다.

상기 RGU(150)와 GDU(160)의 감속비는 경사변화가 심한 한국지형 운행에 적합한 등판성능 확보 및 대형 연료전지버스의 발진/추월 성능 만족을 위해 설계되었다.

그런데, 상기와 같이 직렬로 연결된 연료전지와 하나의 대형 모터(140)를 사용하는 연료전지 차량에서는 대형모터(140)의 속도제한으로 인해 차량의 최고속도가 제한되며, 이를 증가시키기 위해 감속비를 감소시킬 경우에 등판성능이 저하되는 문제가 있다.

반대로, 연료전지 버스에서 등판/발진/추월 성능이 우수하도록 RGU(150) 및 GDU(160)가 설계될 경우 모터의 최고속도가 제한되므로, 차량이 일정속도(예 80kph)이상 달리지 못하게 되는 단점이 있다.

또한, 하나의 연료전지 모듈이 비정상일 경우에 연료전지(100)가 직렬로 연결되었기 때문에 두개의 연료전지 모듈을 모두 사용할 수 없게 되어 수퍼캡(120)을 연료전지 대용으로 사용할 수 밖게 없는 상황이 발생하게 된다.

그러나, 수퍼캡(120)은 연료전지 출력전압의 부족분을 보충할 뿐 지속적인 주행이 불가능하므로, 결국 차량을 정비센터로 이동시킨 후 비정상의 연료전지 모듈을 교체해야 비로소 차량 운행이 가능하게 되므로, 상기 연료전지 모듈의 직렬구조는 비상시 주행안정성이 근본적으로 확보되기 어려운 단점이 있다.

도 15는 도요타 연료전지버스의 구조를 나타내는 파워넷 구성도로서, 도요타 연료전지버스의 구조는 90kW의 연료전지 모듈(110), DC/DC 컨버터(124), 고전압 배 터리(123), 인버터(131) 및 모터(141)가 1세트로 장착되는 승용 연료전지 차량 2대를 사용하는 개념으로 볼 수 있다.

즉, 이와 같은 구조는 승용 연료전지 시스템 2세트를 전기적으로 분리(decouple)시키고, 두 모터시스템(141)의 출력을 동력연결장치(154)(PCD;Power Coupling Device)를 이용해 기계적으로 병합하는 구조를 이루고 있다.

상기 PCD(154)는 각 모터와 직결된 기어(평기어)사이에 후륜축과 직결된 기어가 치합된 구조로 이루어짐으로써, 모터의 출력이 차륜(후륜)에 전달되게 된다.

또한, 도요타 연료전지버스의 구조는 승용 연료전지차량에 비해 보조동력원인 고전압 배터리(123)를 2세트 더 사용함으로써, 대용량 버스의 파워어시스트 및 회생제동량을 증가시키고 있다.

따라서, 전기적으로 분리된 두 연료전지시스템을 사용함에 따라 두 메인버스단(112)의 전압이 저전압(250~450V)으로 구동되며, 별도의 유단변속장치 없이 모터(141)의 출력토크가 PCD(154)와 GDU(152)의 기어비를 통해 증대된다.

그러나, 수퍼캡을 보조동력원으로 사용하는 하이브리드 연료전지버스의 경우에는 배터리-연료전지 하이브리드의 DC/DC 컨버터같이 부피가 크고 제어가 복잡한 부품이 필요없으며, 초기시동시 수퍼캡을 충전하기 위해 프리차지(Precharge) 장치가 필요할 뿐이다.

따라서, 상기 연료전지가 연료전지버스의 제작비 및 패키징 측면에서 많은 부분을 차지한다는 것을 고려한다면, 연료전지의 증가에 따른 제조원가의 증가와 더불어 레이아웃상의 문제로 모터의 최대출력을 증가시키는 데 한계가 있다.

한편, 도 16은 단일 연료전지(101) 및 단일 대형 모터(143)를 사용하는 연료전지버스를 나타내는 것으로서, 수퍼캡 등의 보조동력원이 없이 약 205kW급의 연료전지시스템(101)만을 이용해 하나의 대용량 모터(143)에 전력을 공급하는 방식을 채용하고 있다. 이때 모터 출력은 수동변속기(153)에 연결되어 운전자에 의한 유단 변속이 가능한 구조를 채택하고 있다.

그러나, 상기와 같은 연료전지버스의 파워넷 구조는 배터리 또는 수퍼캡 같은 2차 전원시스템을 사용하지 않으므로, 동력보조가 불가하여 연료전지시스템이 과도하게 운전됨에 따라 내구수명이 저하될 우려가 있고, 회생제동에너지를 흡수할 없으므로 에너지 효율이 낮게 되는 단점이 있다.

또한 하나의 연료전지시스템과 대용량 모터(143)만을 사용하므로, 연료전지시스템(101) 또는 모터시스템(143)의 이상 동작과 관련된 비상시 주행안정성이 근본적으로 확보되기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 복수의 동력원 및 복수의 구동계를 구비하여 하나의 동력원 또는 하나의 구동계에 이상이 발생한 경우에 다른 동력원 또는 다른 구동계를 사용함으로써, 비상시 주행안정성을 향상시킬 수 있도록 한 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 복수의 주동력원 및 보조동력원을 병렬로 연결하여 하나의 메인버스단을 공유하도록 함으로써, 기존의 복수의 주동력원을 그대로 유지하면서 모터의 수를 추가로 증가시키는 것이 가능하고, 모터의 출력토크를 증가시켜 등판성능을 향상시킬 수 있으며, 발진 및 추월시에 동일 속도 대비 도달시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 연비를 향상시킬 수 있도록 한 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 토크전달수단을 이용하여 구동계의 모터가 하나 더 추가되더라도 모터의 출력토크를 떨어뜨리지 않고 최대출력토크를 유지할 수 있어 모터의 출력성능 및 차량의 동력성능을 향상시킬 수 있도록 한 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 연료전지차량에 있어서,

하나의 메인버스단을 공유하며, 서로 병렬로 연결된 복수의 주동력원;

상기 주동력원의 파워부족분을 보충하기 위해 주동력원과 구동계 사이에 설치되며, 상기 메인버스단을 공유하는 보조동력원을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 주동력원은 연료전지인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 보조동력원은 수퍼캡과, 연료전지로부터 초기 충전시 사용되는 프리차지 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보조동력원은 배터리와, 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 병렬로 연결된 복수의 구동계는 각각 모터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 구동계는 적어도 제1 내지 제3모터를 포함하고, 상기 메인버스단의 동력이 인버터를 통해 상기 모터에 각각 독립적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동계에서 출력된 출력토크를 휠에 일정한 기어비로 증대시키기 위해 제1 내지 제3모터를 병합하는 기어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기어수단은 제1 내지 제3모터가 모두 동일한 토크 증대비를 갖도록 제1 및 제3모터의 출력축이 입력으로 직결되고, 제2모터가 감속기어부(RGU)를 통해 병합되는 동력연결장치(PCD); 및

상기 PCD의 최종 출력축을 기어차동부(GDU)에 연결해 주는 유니버셜 조인트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 RGU는 유성기어의 조합으로 이루어지고, 제2모터의 출력축은 RGU의 선기어에 연결되며, 링기어가 고정되고, 캐리어축은 PCD와 결합된 상태로 캐리어를 통해 제2모터의 토크가 증대되는 구조로 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은 복수의 동력원 및 복수의 구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량의 제어방법에 있어서,

운전자의 푸시버튼이나 제어기의 주행패턴 자동인식기능을 이용하여 복수의 동력원 중 일부(마일드 모드) 또는 전부(파워모드)를 사용할 것인지를 판단하는 단계; 및

현재 차량의 주행상태가 마일드 모드인 경우에는 복수의 동력원 중 일부만을 시동하고, 상기 파워모드인 경우에는 복수의 동력원을 모두 시동하여 각 해당모드에 따라 주행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마일드모드 또는 파워모드로 정상 주행을 하는 동안 복수의 동력원 또는 구동계 중 일부가 운전정지될 필요가 있는지(중대한 결함 발생여부)를 판단하는 단계; 및

상기 중대한 결함이 발생된 경우에 운전정지될 필요가 있는 일부 동력원 또 는 구동계를 운전정지시키고, 오프되어 있던 동력원을 시동하거나 중대한 결함이 발생하지 않은 동력원 및 구동계를 이용하여 비상모드로 주행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 중대한 결함이 발생되지 않은 경우에 마일드모드 또는 파워모드 운전의 적절성 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 마일드모드 또는 파워모드 운전의 적절성 여부를 판단하는 단계는 3개의 제어변수, 액셀(accelerator)페달 개도이력을 통한 운전자의 가속의지, 모터 속도-토크특성맵을 활용한 총 구동 요구동력, 동력원 가용동력을 활용하여 체크하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마일드모드로 주행하는 동안에 액셀페달 개도이력이 특정값 이하로 유지되고, 총 구동요구동력이 사용중인 일부 동력원 가용동력의 범위 내에서 유지되는 경우에는 마일드모드 주행을 지속하고, 상기 조건에 만족하지 않는 경우에는 파워모드로 변환하며,

상기 파워모드로 주행하는 동안에 액셀페달 개도이력이 특정값 이하로 유지되고, 총 구동요구동력이 사용중인 일부 동력원 가용동력의 범위 내에서 유지되는 경우에는 마일드모드로 변환하고, 상기 조건을 만족하지 않는 경우에는 파워모드 주행을 지속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면은 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량의 모터시스템 제어방법에 있어서,

총 모터 파워 명령치(P_mot_cmd)를 만족시키기 위해 각 모터시스템이 효율을 고려하여 각 모터시스템의 출력파워를 독립제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 파워제어기(PCU)에서 총 구동 요구동력(P_mot_req)을 기반으로 연료전지의 총 가용동력(P_fc_avail)과 보조동력원에서 가용한 파워를 고려하여, 총 모터 파워명령치를 계산하여 모터제어기(MCU)에 전송하는 단계;

상기 PCU 또는 MCU에 저장된 모터시스템 효율맵을 호출하는 단계;

상기 PCU에서 현재 모터 속도, 총 모터 파워명령치, 모터시스템 효율맵을 기반으로 각 모터의 출력파워를 도출하는 단계; 및

상기 PCU에서 각 모터의 출력파워를 MCU에 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 PCU에서 현재 모터 속도, 총 모터 파워명령치, 모터시스템 효율맵을 기반으로 각 모터의 출력파워를 도출하는 단계 후, 상기 PCU는 모터의 모터링시 각 모터의 출력파워를 각 모터의 효율로 나눈 값들의 총합(양수)을 시간에 따라 계산한 값을 최소화하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PCU에서 현재 모터 속도, 총 모터 파워명령치, 모터시스템 효율맵을 기반으로 각 모터의 출력파워를 도출하는 단계 후, 상기 PCU는 모터의 회생제동시 각 모터의 출력파워를 각 모터의 효율을 곱한 값들의 총합(음수)을 시간에 따라 계산한 값을 최소화하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량 및 이의 제어방법에 의하면, 복수의 동력원과 적어도 3개의 구동계를 사용하여 상기 동력원 또는 구동계 중 하나의 동력원 또는 구동계가 비정상적으로 작동할 경우에 병렬로 연결된 다른 동력원 또는 구동계를 이용하여 비상운전이 가능함으로써, 운전자 및 승객의 안전성 확보가 가능해진다.

또한, 복수의 동력원이 하나의 메인버스단을 공유하여 종래의 동력원의 용량을 그대로 유지하면서 적어도 3개의 구동계를 추가로 구성함이 가능해짐으로써, 동일한 용량을 갖는 기존 동력원 대비 등판성능이 월등히 상승되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 최고속도 및 발진/추월 성능 또한 향상되는 장점을 갖고 있다.

또한, 3개 이상의 구동계를 구동시키기 위해 병렬연결된 연료전지시스템의 개수를 이(3개 이상)에 상응하도록 증가시키지 않고도 최소한의 연료전지(예;2개)를 사용하여 메인버스단을 공유한 채로, 3개 이상의 구동계에 동력을 공급하는 구조이므로, 연료전지의 사용 개수 축소에 따른 재료비 절감이 가능해진다.

또한, 내구수명 한계 및 운전고장 등의 이유로 문제가 발생한 일부 연료전지시스템 및 일부 모터시스템만을 교체함에 따라 유지보수가 용이하며 교체비용을 절감할 수 있다.

또한, 하나의 대형 모터의 부피/무게 대비, 3개 이상의 멀티 구동계의 전체 부피 및 무게 축소가 가능하며, 동력원의 병렬연결에 따른 차량의 불모 공간(dead volume)을 활용한 분산 패키지가 가능하다.

마지막으로 다수의 병렬연결된 연료전지시스템의 일부 또는 3개 이상의 모터 시스템 중 일부를 평상시(주행시 요구동력이 작은 마일드 운전의 경우) 파워 오프하거나, 아이들 스톱 제어를 수행함으로써 연비 향상 및 시스템의 내구수명 증대가 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 파워넷 구성도이다.

종래의 하이브리드 연료전지차량에서 주동력원으로 사용되는 연료전지는 일반적으로 일방향성을 가지므로 수소와 산소를 공급받아 전기화학반응을 통해 전기와 물을 생성하나, 전기에너지를 저장 또는 충전이 불가능한 구조이다.

따라서, 연료전지(10,11)만을 주동력원으로 사용하는 경우에 연료전지(10,11)가 과도하게 사용되어 내구성능이 저하되고, 특히 하나의 연료전지(101) 또는 복수의 연료전지(100)가 직렬로 연결되는 경우에 하나의 연료전지 또는 연료전지 일부의 이상으로 시스템 전체가 셧다운되어 차량이 멈추게 되는 심각한 결과를 초래하게 된다.

또한, 연료전지 자체의 제조원가가 비싸서 연료전지 차량의 제작비에서 차지하는 비중이 클 뿐만 아니라, 연료전지시스템을 사용하기 위한 운전장치(BOP, Balance of Plant) 등의 부대비용도 많이 들어가게 되므로, 연료의 소비 측면에서 그 효율을 고려하지 않을 수 없다.

이와 같은 상황을 고려할 때, 연료전지와 같은 주동력원 외의 보조동력원을 사용하는 것은 환경친화적인 연료전지 차량의 사용을 증가시키기 위한 시대적 요청과 맞물려서 필수불가결하다.

현재 연료전지버스에서 사용되는 연료전지시스템은 200kW급으로 하나의 연료전지(101)를 사용하거나 100kW 연료전지(100) 2개를 직렬로 연결하여 사용한 경우 등이 있다.

그리고, 연료전지 차량에서 보조동력원으로 사용되는 것으로 배터리(23)와 수퍼캡(20,21)을 예로 들 수 있다.

배터리(23)를 보조동력원으로 사용하는 경우에는 연료전지(10)와 상기 배터리(23) 사이에 병렬로 연결되어 모터(41~43)에 안정적인 전압이 공급되도록 하기 위해 배터리(23)와 연료전지(10)의 서로 다른 출력전압의 균형을 매칭시켜 주고, 연료전지(10)의 잉여전압 및 회생제동 에너지를 배터리(23)의 충전전압으로 제공하는 역할을 하는 양방향 DC/DC 컨버터(24)가 포함된다.

상기 수퍼캡(20,21)을 보조동력원으로 사용하는 경우에는 연료전지 출력파워의 부족분을 수퍼캡(20,21)을 이용하여 보충함으로써 모터링을 하게 되고, 배터리-연료전지 하이브리드의 DC/DC 컨버터(24)와 같이 부피가 크고 제어가 복잡한 부품이 필요 없게 된다.

여기서, 본 발명은 복수의 동력원과 복수의 구동계를 제공한다.

전술한 바와 같이 하나의 동력원 또는 복수의 연료전지를 직렬로 사용하는 경우에는 하나의 동력원 또는 연료전지에 이상이 발생한 경우에 주행안정성을 확보 할 수 없다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 복수의 동력원, 즉 연료전지(10,11)를 사용할 수 밖에 없다.

그러나, 앞서 설명한 바와 같이 연료전지의 가격이 비싸므로, 연료전지의 최대출력은 제한될 수 밖에 없고, 종래에 연료전지버스에서 사용되는 연료전지가 200kW 급이라고 할 때, 기존의 출력을 유지하면서 복수의 동력원으로 사용하기 위해서는 200kW급을 100kW 2개로 분리할 수 밖에 없다(도 1).

물론 200kW급 연료전지(11)를 50kW 4개로 분할할 수도 있다(도 2). 본 발명에서는 기존의 연료전지의 전력량을 유지하면서 복수의 연료전지(10,11)로 분할되는 것을 1차전원시스템의 기본 구성으로 하고, 또한 분할된 복수의 연료전지(10,11)가 병렬로 연결되며 하나의 메인버스단(12)을 공유한다는 것이 특징이다.

이와 같이 복수의 연료전지(10,11)를 100kW 2개 또는 50kW 4개로 병렬 연결하고 하나의 메인버스단(12)을 구성하는 경우에는 하나의 대용량 연료전지(101) 또는 직렬로 연결된 연료전지(100)에 비해 반으로 줄어든 250~450V가 된다.

그러나, 통상적으로 80~90㎾ 급의 고분자 전해질 연료전지스택을 탑재한 자동차의 경우, 시동, 감속 또는 정지 모드에서는 0~5 ㎾의 출력범위, 정속주행에서는 10~15㎾의 출력범위, 출발, 등판, 가속 모드에서는 20~90 ㎾의 출력범위를 가지므로, 기존의 대용량 또는 직렬연결된 연료전지(100)보다 연료전지의 출력단을 통해 공급되는 전압이 반으로 줄어들더라도 시동/감속/정지 및 정속주행에서 아무런 문제가 되지 않는다.

대신 출발, 등판, 가속 모드에서의 출력성능을 높이기 위해 본 발명에서는 복수의 구동계, 즉 모터(43)를 하나 더 추가하여 출발/등판/가속시 차량의 구동 토크를 증대시킬 수 있다.

종래의 연료전지버스에서 두개의 모터(41,42)를 장착한 경우보다 본 발명에서 세개의 구동모터(41~43)를 장착할 때 출력성능이 향상됨은 물론이다.

또한, 본 발명은 배터리(23)를 보조동력원으로 사용할 수도 있지만, 앞서 설명한 이유에서 처럼 본 발명에서는 수퍼캡(20,21)을 보조동력원으로 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 보조동력원으로 19.4F의 수퍼캡(20) 2개를 사용할 수도 있고(도 1 및 도 2), 38.8F의 수퍼캡(21) 1개를 사용할 수 있다(도 3).

그리고, 상기 주동력원 또는 보조동력원에서 하나의 메인버스단(12)에 출력되는 전압은 인버터(31~33)를 통해 직류에서 교류로 변환되어 모터(41~43)가 사용하기에 적합한 전원으로 공급되게 된다.

본 발명에 따른 구동계는 독립적으로 제어가능하고 병렬로 연결되는 3개 이상의 모터(41~43)를 사용하고, 그 실시예로서 하나의 메인버스단(12)에 세개의 인버터와 모터가 병렬로 연결되어 메인버스단(12)의 전압이 100kW급 모터(41~43)에 각각 독립적으로 공급되며, 감속기어부(51)(RGU;Reduction Gear Unit), 동력연결장치(52)(PCD;Power Coupling Device) 및 기어차동부(53)(GDU;Gear Differential Unit)를 통해 병합되는 구성을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구동계는 도 6에 도시한 바와 같이 하나의 메인버스단(12)을 공유하여 병렬로 연결된 3개의 모터(제1 내지 제3모터;41~43)와, 제1 및 제3모터(41,43)의 출력축이 입력으로 직결되고, 제2모터(42)가 RGU(51)를 통해 병합되는 PCD(52)를 포함한다.

상기 제1모터(41)와 제3모터(43)의 토크는 PCD(52)의 일정기어비를 거쳐 각각 동일하게 증대되며, 제2모터(42)의 토크는 RGU(51)를 거쳐 제1모터(41)와 제3모터(43)의 토크와 동일하게 증대될 수 있도록 구성한다.

여기서, RGU(51)는 제2모터(42)의 토크를 최대로 끌어올리기 위해 사용되는 부분으로, PCD(52)와 함께 유성기어의 조합으로 구현될 수 있다.

즉, 도 6에 도시한 바와 같이 제2모터(42)의 출력축은 RGU(51)의 선기어(55)에 연결되며, 링기어(56)는 고정되고, 캐리어축은 PCD(52)와 결합된 상태로 캐리어(57)를 통해 제2모터(42)의 토크가 증대되는 구조로 설치되어 있다. 이때, 제1 내지 제3모터(41~43)는 모두 동일한 토크 증대비를 갖도록 RGU(51)와 PCD(52)의 기어가 설계되는 방식이다. 또한, PCD(52)를 거친 최종 출력축은 GDU(53)와 유니버셜 조인트(54)를 통해 결합된다.

또한, 제2모터(42)가 RGU(51)를 통해 PCD(52)에 결합되도록 한 이유는, 예를 들어 제1 내지 제3모터(41~43)가 각각 100kW일 때 RGU 없이 제2모터(42)가 PCD(52)에 직결되게 되는 경우 차량 구동 토크를 최대화 할 수 없고 제2모터(42)의 최고회전속도에 의해 차량 최고속도가 제한되므로, 제1 내지 제3모터(41~43)를 모두 동일 기어비로 동일하게 증대시킴으로써, 차량 최고속도 제한을 상당히 완화시키면서 차량 구동 토크를 극대화시키기 위함이다.

또한, 상기 RGU(51), PCD(52), GDU(53)의 감속비는 높은 등판성능 확보, 최 고속도 및 발진/추월 성능을 향상시킬 수 있도록 설계되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 구동계는 도 7에 도시한 바와 같이 하나의 메인버스단을 공유하여 병렬로 연결된 4개의 모터(제1 내지 제4모터(41~44))와, 2개의 모터(제1 및 제3모터(41,43), 그리고 제2 및 제4모터(42,44))가 직렬로 직결되도록 2개의 모터 사이에 연결된 2열 기어부(62,63)를 포함한다.

즉, 제1 내지 제4모터(41~44)가 2열 기어부(62,63)를 통해 병합되며, 모터가 모두 동일한 토크비로 증대될 수 있도록 2열 기어부(62,63)가 설계되는 방식이다. 이때, 제4모터(44)는 제외될 수 있다. 또한, 2열 기어부(62,63)의 최종 출력축은 GDU(53)와 유니버셜 조인트(54)를 통해 결합된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 구동계는 차량의 출력성능을 향상시키기 위해 3개 및 4개의 모터를 사용하는 경우의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 의해 그 이상의 모터 사용이 가능함은 자명하다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 멀티 동력원 및 멀티 구동계를 사용하는 연료전지차량의 변형예를 나타내는 파워넷 구성도이다.

도 2는 주동력원으로 사용하기 위해 병렬로 연결된 50kW의 연료전지(11) 4개, 연료전지(11)와 모터(41~43) 사이에 병렬로 연결되며 보조동력원으로 사용하기 위한 19.4F의 수퍼캡(20) 2개, 차량의 구동을 위해 사용되는 100kW 모터(41~43) 3개를 포함하여 구성된다.

도 3은 주동력원으로 사용하기 위해 병렬로 연결된 100kW의 연료전지(10) 2개, 연료전지(10)와 모터(41~43) 사이에 병렬로 연결되며 보조동력원으로 사용하기 위한 38.8F의 수퍼캡(21), 차량의 구동을 위해 사용되는 100kW 모터(41~43) 3개를 포함하여 구성된다.

도 4는 주동력원으로 사용하기 위해 병렬로 연결된 100kW의 연료전지(10) 2개, 연료전지(10)와 모터(41~43) 사이에 병렬로 연결되며 보조동력원으로 사용하기 위한 배터리(23) 2개, 및 DC/DC 컨버터(24), 차량의 구동을 위해 사용하기 위한 100kW 모터(41~43) 3개를 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량의 작용상태를 일례를 들어 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료전지-수퍼캡 하이브리드차량에서 상기 복수의 연료전지(10)는 하나의 메인버스단(12)을 공유하며, 수퍼캡(20)은 상기 메인버스단(12)을 공유하여 연료전지(10)의 파워부족분을 보충하고, 연료전지(10) 또는 수퍼캡(20)에서 출력된 메인버스단(12)의 전압은 인버터(31~33)를 통해 복수의 모터(41~43)에 독립적으로 공급되며, 이때 제1모터(41) 및 제3모터(43)의 토크는 PCD(52)의 기어비로 증대되어 GDU(53)를 통해 각 차륜에 전달되고, 제2모터(42)의 토크는 RGU(51), PCD(52), GDU(53)를 통해 제1 및 제3모터(41,43)의 토크와 동일하게 증대되어 차륜에 전달되게 된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지-배터리 하이브리드차량의 경우에도 상기 연료전지-수퍼캡 하이브리드차량의 작용과 대동소이하다.

또한, 배터리(23) 또는 수퍼캡(20,21)을 보조동력원으로 사용하는 하이브리드 연료전지차량는 회생제동시 각 모터(41~43)가 각 차륜으로부터 RGU(51), PCD(52), GDU(53)를 통해 운동에너지를 공급받아 전기에너지로 발전시켜 배터리(23) 또는 수퍼캡(20,21)으로 저장되게 된다.

이와 같은 구성 및 작용에 의한 본 발명은 복수의 동력원과 적어도 3개의 구동계를 사용하여 상기 동력원 또는 구동계 중 하나의 동력원 또는 구동계가 비정상적으로 작동할 경우에 병렬로 연결된 다른 동력원 또는 구동계를 이용하여 비상운전이 가능함으로써, 운전자 및 승객의 안전성 확보가 가능해진다.

또한, 복수의 동력원이 하나의 메인버스단(12)을 공유하여 종래의 동력원의 용량을 그대로 유지하면서 적어도 3개의 구동계를 추가로 구성함이 가능해짐으로써, 동일한 용량을 갖는 기존 동력원 대비 등판성능이 월등히 상승되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 최고속도 및 발진/추월 성능 또한 향상되는 장점을 갖고 있다.

또한, 3개 이상의 구동계를 구동시키기 위해 병렬연결된 연료전지시스템의 개수를 이(3개 이상)에 상응하도록 증가시키지 않고도 최소한의 연료전지(10)(예;2개)를 사용하여 메인버스단(12)을 공유한 채로, 3개 이상의 구동계에 동력을 공급하는 구조이므로, 연료전지(10)의 사용 개수 축소에 따른 재료비 절감이 가능해진다.

또한, 내구수명 한계 및 운전고장 등의 이유로 문제가 발생한 일부 연료전지(10)시스템 및 일부 모터(41~43)만을 교체함에 따라 유지보수가 용이하며 교체비용을 절감할 수 있다.

마지막으로 다수의 병렬연결된 연료전지시스템(10)의 일부 또는 3개 이상의 모터(41~43) 중 일부를 평상시(주행시 요구동력이 작은 마일드 운전의 경우) 파워 오프하거나, 아이들 스톱 제어를 수행함으로써 연비 향상 및 시스템의 내구수명 증대가 가능하다.

한편, 본 발명에 따른 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 제어로직은 5가지 모드, 즉 멀티동력원(예;연료전지(10)) 중 일부를 사용하는 경우인 (1)마일드(mild) 모드, 멀티동력원 중 전부를 사용하는 (2)파워모드, 주행시 운전의 적절성 여부를 판단하여 마일드 모드 주행시 (3)파워모드로 변환하는 모드, 및 파워모드 주행시 (4)마일드 모드로 변환하는 모드, 멀티동력원 및 멀티구동계 중 일부의 운전정지 필요시 (5)비상모드로 구분될 수 있다.

먼저, 키 온 이후 운전자의 푸시버튼이나 제어기에 의한 주행패턴 자동인식기능을 활용하여, 시동후 초기에 마일드 모드 또는 파워모드를 판단하게 된다.

여기서, 상기 푸시버튼은 운전자가 주행상태를 판단하여 수동으로 조작할 수 있도록 운전석 주변에 설치되고, 평상시에는 제어기에서 주행패턴을 자동으로 인식되나 사용자가 점검 또는 특별히 조작할 필요가 있을 경우에 사용된다.

본 발명에서 마일드/파워 모드와 관련된 주행패턴 자동인식 기능은 차량 키 오프(Key off) 직전에 사용되었던 모드를 제어기 버퍼(buffer)에 기억했다가 차량 의 다음 키 온(key on)시 그대로 사용하는 방식과, 차량 키 오프 직전에 사용되었던 모드 히스토리(1~3개 정도)와 차량의 다음 키 온 시 사용된 모드 히스토리(1~3개 정도)를 제어기에 학습시켜, 입력으로 차량 키 오프 직전에 사용되었던 모드 히스토리를 사용하고, 출력으로 키 온 시 사용하게 될 모드(마일드 또는 파워 모드)를 결정하는 방식을 의미한다.

상기 마일드 모드 또는 파워모드 판단단계에서 파워모드일 경우에는 멀티 동력원 모두를 시동시켜 파워모드 정상주행을 개시하게 되며, 마일드 모드일 경우에는 멀티 동력원 중 일부 만을 시동시켜 마일드 모드로 정상주행을 개시한다.

계속해서 일정 시간이 경과한 후, 마일드 모드로 주행할 때 지속적으로 마일드 모드의 운전 적절성 여부를 체크하게 되며, 체크 방식으로는 3개의 제어변수 예를 들어 운전자의 가속 의지(액셀 페달의 개도이력 등), 총 구동 요구동력, 연료전지의 가용동력을 활용하여, 액셀페달의 개도이력이 특정값 이하로 유지되고, 총 구동요구동력이 사용되는 일부 연료전지(10,11)의 총 가용동력의 범위 내에서 유지되고 있다면 마일드 모드 주행을 지속하게 되며, 이 조건들에 위배되는 상황이 지속되면 파워모드로의 변환을 수행하게 된다.

본 발명의 모드 변환은 차량 주행 중 또는 정차 중 자동으로 수행되게 되며, 상기 마일드 모드에서 모드 변환을 통해 오프 되어 있던 연료전지(10,11) 모두가 시동되어 동력을 공급하게 된다.

파워모드 주행 중에도 위의 마일드모드에서 파워모드로의 변환 체크 및 자동변환하는 기법과 유사한 방식을 적용하여, 3개의 제어변수를 활용해, 액셀페달 개 도이력이 특정값 이하로 유지되고, 총 구동요구동력이 전체 연료전지(10,11)의 총 가용 동력보다 충분히 낮은 범위에서 유지되는 상황이 지속되면 마일드 모드로의 변환을 수행하게 된다.

본 발명의 모드 변환은 위와 마찬가지로 차량 주행 중 또는 정차 중 자동으로 수행되게 되며, 상기 모드 변환을 통해 전체 온되어 있던 연료전지(10,11)의 일부가 오프되어, 나머지 온되어 있는 연료전지(10,11)만으로 동력을 공급하게 된다.

여기서, 본 발명의 마일드 모드에서 파워 모드로의 변환 또는 파워 모드에서 마일드 모드로의 모드변환을 위한 제어기의 구성 및 이의 제어방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 8에 도시한 바와 같이, VCU(71)(Vehicle Control Unit)은 차량제어기로서, 엑셀 포지션 센서(APS)와 모터속도를 입력으로, 제어기에 룩업테이블 형식으로 저장된 모터 속도-토크특성맵을 활용하여 총 구동 요구동력(P_mot_req)을 출력한다.

이때, P_mot_req는 3개의 모터를 사용하는 시스템일 경우, 현재 사용여부와 무관하게 총 3개 모터의 출력을 모두 고려하여 계산한다.

또한 VCU(71)는 엑셀 포지션 센서를 기반으로 운전자의 가속의지를 도출하며, 본 실시예에서는 엑셀(Accel)로 표기하였고, 예를 들어, 이 엑셀 신호는 운자자의 가속의지를 반영하기 위해 엑셀 포지션 센서 신호를 기반으로 필터링된 신호를 의미한다.

FCU(72)(Fuel cell Control Unit)는 연료전지 제어기로서, 멀티 연료전지 운 전여부(예를 들어 마일드 모드일 경우에는 연료전지 중 일부 만 작동, 파워 모드일 경우에는 연료전지 모두가 작동) 및 운전조건(예, 온도, 압력, 유량, 가습 등에 따른 셀 전압 적정성 등)에 따라, 연료전지의 총 가용동력(P_fc_avail)을 출력한다.

PCU(73)(Power Control Unit)는 파워제어기 또는 하이브리드 제어기로서, 입력되는 3개의 변수(Accel, P_mot_req, P_fc_avail)를 기반으로 마일드 모드와 파워 모드의 적절성 여부를 지속적으로 판단한다.

즉, 마일드 모드로 운행 중, 엑셀(Accel) > 엑셀_하이(Accel_high;운전자의 가속의지 판별기준치) 또는 P_motor_req > P_fc_avail_mild인 상황이 특정횟수, 특정 지속시간 이상 발생하면(도 9의 빗금친 부문), 마일드 모드에서 파워 모드로 변환한다. 단, 잦은 모드변환을 막기 위해, 일회의 모드변환 수행 후 특정 시간 경과후에만 다음 모드변환을 허용한다(일종의 히스테리시스(hysterisis) 적용).

또한, 파워 모드로 운행 중 엑셀(Accel) <= 엑셀 하이 이고 P_motor_req <= P_fc_avail_mild인 상황이 특정횟수, 특정 지속시간 이상 발생하면(도 9의 빗금친 부분), 파워 모드에서 마일드 모드로 변환한다. 단, 잦은 모드변환을 막기 위해, 일회의 모드변환 수행 후 특정 시간경과 후에만 다음 모드변환을 허용한다(일종의 히스테리시스 적용).

상기와 같은 방법에 의해 마일드 모드와 파워 모드의 적절성 여부를 판단하고, 그 결과(FC_onoff_cmd)를 FCU에 전송하여, 총 연료전지 중 일부만을 기동하거나(마일드 모드), 연료전지 모두를 기동하는 제어를 수행한다.

마일드 모드 또는 파워모드 주행 중에 멀티동력원 중 일부 또는 멀티구동계 중 일부의 운전정지가 필요할 경우(중대한 결함 발생시)에 일정 시간이 경과한 후, 중대한 결함이 발생한 일부 동력원 또는 일부 구동계를 운전정지시키고, 오프되어 있던 연료전지(10,11)를 시동시키거나 또는 중대한 결함이 발생하지 않은 동력원과 구동계를 이용하기 위한 제어로직으로 자동변환하여 비상모드 주행을 수행하게 된다.

여기서, 마일드모드 또는 파워모드 주행 중 모드 변환은 운전의 적절성 판단 및 중대한 결함 발생 판단 중 어느 하나 또는 둘 다에 의해 이루어질 수 있다.

또한 PCU(73)는 P_mot_req를 기반으로 P_fc_avail과 보조동력원(예, 수퍼캡)에서 가용한 파워를 고려하여, 총 모터 파워 명령치(P_mot_cmd)를 MCU(74)(Motor Control Unit, 모터제어기)에 전송한다.

한편, 본 발명에 따른 멀티 모터시스템의 제어방법은 총 모터 파워 명령치를 만족시키기 위해 각 모터시스템의 효율을 고려하여 각 모터시스템(예, 3개 이상)의 출력파워를 독립적으로 제어한다. 이때, 모터시스템이란 멀티동력원이 공유하고 있는 메인버스단(12)으로부터 동력을 공급받도록 병렬로 연결된 인버터(31~33) 및 모터(41~44)를 의미한다.

예를 들어, 도 10에 도시한 바와 같이 P_mot_cmd가 120kW이고, 주어진 모터 속도에서 총 요구 토크가 300Nm일 경우, 3개의 모터에 각각 출력 40kW, 토크 100Nm로 균등하게 분배하면 각 모터시스템의 효율은 80%인 반면, 2개의 모터(제1 및 제3모터)를 이용해 각각 60kW를 출력하고(각 토크는 150Nm에 해당), 나머지 모터(예, 제2모터)는 아이들 상태일 경우(0Nm에 해당), 각 시스템 효율은 90%가 되어 전체 멀티 모터시스템의 에너지효율이 향상되며, 이는 곧 연비를 향상시킨다.

여기서, 총 모터 파워명령치를 3개의 모터에 균일하게 분배하는 경우보다 3개 중 두개의 모터에만 균일하게 분배하는 이유는 시스템의 특성상 동일한 사양의 모터시스템이라도 각 시스템의 효율이 다를 수 있기 때문에, 낮은 효율의 모터시스템에 모터 파워명령치를 적게 분배하거나 분배하지 않고 상대적으로 좋은 효율을 갖는 모터시스템에 분배함으로써, 모터시스템의 효율을 향상시켜 연비를 향상시키기 위함이다.

따라서, 각 모터시스템의 효율을 고려하여 각 모터시스템의 출력파워를 독립적으로 제어하게 되면, 병렬로 연결된 모터 시스템의 선택에 대한 자유도를 높여 에너지 효율 측면에서 동일한 파워가 입력되더라도 휠에 더 많은 출력을 공급할 수 있게 된다.

본 발명의 멀티 모터시스템의 제어방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 모터시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따른 멀티 모터시스템의 제어방법은 마일드모드 및 파워모드 중 어떤 모드로 운전할 것인지가 정해진 다음, 총 모터 파워 명령치를 만족시키기 위해 각 모터시스템의 효율을 고려하여 각 모터시스템의 출력파워를 독립제어하는 방법이다.

상기 총 모터 파워 명령치는 모터 속도-토크특성맵을 활용한 총 구동 요구동 력을 기반으로 연료전지의 총 가용동력과 보조동력원(예, 수퍼캡)에서 가용한 파워를 고려하여 계산된다.

따라서, 멀티 모터시스템의 제어를 위해 선행되어야 할 것은 총 구동 요구동력을 기반으로 연료전지의 총 가용동력과 보조동력원에서 가용한 파워를 고려하여 총 모터 파워 명령치를 계산한다.

그 다음, PCU(73) 또는 MCU(74)에 저장된 모터시스템 효율맵을 호출한다. 계속해서 PCU(73)에서는 현재 모터속도, P_mot_cmd, 모터시스템 효율맵을 기반으로 각 모터의 출력파워를 도출한다.

이때, 모터의 모터링 시(P_mot_cmd 양수)에는 각 모터의 파워 명령치를 각 모터의 효율로 나눈 다음, 그 결과값들을 모두 합한 값을 최소화하고, 모터의 회생제동(Regenerative Braking)(P_mot_cmd 음수)시에는 각 모터의 파워 명령치를 각 모터의 효율로 곱한 다음, 그 결과값들을 모두 합한 값을 최소화하여 각 모터를 제어한다.

여기서, 상기 모터의 모터링 시 각 모터의 파워 명령치를 각 모터의 효율로 나누는 것은 방향성을 나타내는 것으로 멀티동력원으로부터 동력을 공급받아 모터를 통해 차량의 각 휠에 전달되는 방향으로 진행된다는 의미(모터의 출력값은 양수)이고, '최소화하는(MINimize)' 한다는 것은 에너지 효율 측면에서는 각 모터를 제어하는 모터 파워명령치(입력값)를 최소화하여 더 큰 출력을 낸다는 의미이다.

또한, 상기 모터의 회생제동시 각 모터의 파워 명령치를 각 모터의 효율로 곱하는 것은 차량의 각 휠로부터 운동에너지를 공급받아 모터를 통해 보조동력원에 에너지가 저장되는 방향으로 진행된다는 의미(모터의 출력값은 음수)이고, '최소화한다는 것(MINimize)'은 에너지 저장 효율 측면에서 각 휠에서부터 얻은 운동에너지(출력값)을 최소화(음수일 때는 절대값이 클수록 작음)하여 보조동력원의 저장에너지를 증가시킨다는 의미이다.

이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

비교예

도 12b 및 도 13b는 총 모터 파워 명령치를 각 모터시스템에 균일하게 분배하는 경우를 나타내는 그래프이다.

총 모터 파워 명령치(P_mot_cmd)가 시간이 지남에 따라 0~300kW로 선형적으로 증가한다고 가정할 때, 총 모터 파워 명령치를 3개의 모터에 균일하게 분배하는 경우 각 모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0~20kW, t1~t2 구간에서 20~40kW, t2~t3 구간에서 40~60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

실시예1

도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 모터시스템에 총 모터 파워명령치를 나타내는 그래프이고, 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 모터시스템에 각 모터 시스템의 모터파워명령치를 나타내는 그래프이다.

총 모터 파워 명령치(P_mot_cmd)가 시간이 지남에 따라 0~300kW로 선형적으로 증가한다고 가정할 때, 총 모터 파워 명령치를 3개의 모터를 독립 제어하는 경 우, 제1모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0~60kW, t1~t2 구간에서 60kW, t2~t3 구간에서 60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

제2모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0kW, t1~t2 구간에서 0~60kW, t2~t3 구간에서 60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

제3모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0kW, t1~t2 구간에서 0kW, t2~t3 구간에서 0~60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

실시예2

도 13a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 모터시스템에 총 모터 파워명령치를 나타내는 그래프이고, 도 13c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 모터시스템에 각 모터 시스템의 모터파워명령치를 나타내는 그래프이다.

총 모터 파워 명령치(P_mot_cmd)가 시간이 지남에 따라 0~300kW로 선형적으로 증가한다고 가정할 때, 총 모터 파워 명령치를 3개의 모터를 독립 제어하는 경우, 제1모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0~60kW, t1~t2 구간에서 30~60kW, t2~t3 구간에서 40~60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

제2모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0kW, t1~t2 구간에서 30~60kW, t2~t3 구간에서 40~60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

제3모터에 분배되는 파워명령치는 0~t1 구간에서 0kW, t1~t2 구간에서 0kW, t2~t3 구간에서 40~60kW, t3~t4 동안에 60~100kW로 선형적으로 증가한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였 으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 파워넷 구성도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 파워넷 구성도이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 파워넷 구성도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 파워넷 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 연료전지차량의 제어방법을 나타내는 순서도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기어수단을 나타내는 구성도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기어수단을 나타내는 구성도이다.

도 8은 본 발명의 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량을 위한 제어장치의 구성도이다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량에서 해당모드의 적절성 여부 판단을 위한 엑셀 개도이력, 총 구동요구동력, 연료전지의 총 가용동력을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티모터시스템의 제어방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티모터시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티모터시스템에서 각 모터의 독립제어방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모터시스템에서 각 모터의 독립제어방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 14는 종래의 일실시예에 따른 하이브리드 연료전지버스의 파워넷 구성도이다.

도 15는 종래의 다른 실시예에 따른 하이브리드 연료전지버스의 파워넷 구성도이다.

도 16은 종래의 또 다른 실시예에 따른 하이브리드 연료전지버스이 파워넷 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,11 : 연료전지 12 : 메인버스단

20,21 : 수퍼캡 23 : 배터리

24 : DC/DC 컨버터 31~33 : 인버터

41~43 : 제1 내지 제3모터 51 : 감속기어부(RGU)

52 : 동력연결장치(PCD) 53 : 기어차동부(GDU)

54 : 유니버셜 조인트 55 : 선기어

56 : 링기어 57 : 캐리어

62,63 : 2열기어부 71 : VCU

72 : FCU 73 : PCU

74 : MCU

Claims

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하이브리드 연료전지차량에 있어서,

하나의 메인버스단을 공유하며, 서로 병렬로 연결된 복수의 주동력원;

휠을 구동시키기 위해 상기 메인버스단으로부터 전원을 공급받아 출력토크를 발생하며, 서로 병렬로 연결된 복수의 구동계;

상기 주동력원의 파워부족분을 보충하기 위해 주동력원과 구동계 사이에 설치되며, 상기 메인버스단을 공유하는 보조동력원;

을 포함하여 구성되고

상기 복수의 구동계는 복수개의 모터를 포함하고, 상기 메인버스단의 동력이 인버터를 통해 상기 모터에 각각 독립적으로 공급되며,

상기 구동계에서 출력된 출력토크를 휠에 일정한 기어비로 증대시키기 위해 복수개의 모터를 병합하는 기어수단을 더 포함하며,

상기 기어수단은, 상기 복수개의 모터가 적어도 3개의 모터로 구성될 때, 3개의 모터 모두가 동일한 토크 증대비를 갖도록 2개 모터의 출력축이 입력으로 직결되고, 다른 하나의 모터가 감속기어부(RGU)를 통해 병합되는 동력연결장치(PCD); 및

상기 PCD의 최종 출력축을 기어차동부(GDU)에 연결해 주는 유니버셜 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량.
청구항 6에 있어서,

상기 RGU는 유성기어의 조합으로 이루어지고, 제2모터의 출력축은 RGU의 선기어에 연결되며, 링기어가 고정되고, 캐리어축은 PCD와 결합된 상태로 캐리어를 통해 제2모터의 토크가 증대되는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 멀티동력원 및 멀티구동계를 갖는 하이브리드 연료전지차량.
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