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KR101448763B1 - 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101448763B1
KR101448763B1 KR1020130063706A KR20130063706A KR101448763B1 KR 101448763 B1 KR101448763 B1 KR 101448763B1 KR 1020130063706 A KR1020130063706 A KR 1020130063706A KR 20130063706 A KR20130063706 A KR 20130063706A KR 101448763 B1 KR101448763 B1 KR 101448763B1
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cooling
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전순일
이규일
김대종
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현대자동차 주식회사
기아자동차 주식회사
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Abstract

연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치는, 온도센서를 통해 상기 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 모니터링부; 및 상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 냉각수 온도맵 및 전장부품과 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하되, 각 온도맵에서 과온 셋(OT_Set) 및 과온 리셋(OT_Reset) 정보를 병행 활용하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법{COOLING CONTROLLING APPARATUS AND METHOD OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법 에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 전기화학 반응을 일으키는 전극, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막, 상기 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
연료전지 중에서도 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다. 그리고, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 자동차관련 산업에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
한편, 연료전지 차량에 구비된 전장부품은 연료전지를 풀 파워 상태로 작동시키는 경우에 약 80℃까지 온도가 상승하게 되므로 반드시 냉각수를 통해 냉각시켜야만 한다.
도 1은 종래의 연료전지 차량의 전장부품과 냉각라인 구조를 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 1을 참조하면, 연료전지 차량의 대표적인 전장부품은 구동모터(Motor), 구동모터용 인버터(Inverter), 고전압 DCDC컨버터(이하, HV DCDC 라 명명함), 저전압 DCDC 컨버터(이하, LV DCDC 라 명명함) 등으로 구성된다.
상기한 전장부품들은 가격 및 패키징 이슈의 문제로 각각 개별적인 냉각라인을 구성하기 힘들며, 직렬 및 병렬의 냉각라인으로 연결되고 하나의 전장펌프를 통해 냉각을 수행하게 되는 구조를 가지므로 효율적인 냉각제어가 필수적이다.
그러나, 종래의 냉각 제어기술은 전장냉각라인 내에 위치한 냉각수 온도센서(미도시) 신호를 기반으로 전장펌프를 구동시킴에 따라, IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 스위칭을 수행하는 인버터, HV DCDC, LV DCDC 등의 냉각제어를 효율적으로 수행하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 이러한 문제점을 보완하기 위하여 상기 냉각수 온도센서 신호가 비교적 낮은 운전상황에서도 전장펌프를 과도하게 구동시킴에 따라 연비감소 및 과소음이 발생되는 문제점이 있다.
특허문헌 1 : 일본공개특허 제2004-328914호 (2004.11.18. 공개)
본 발명의 실시 예는 직렬 및 병렬의 냉각라인으로 연결된 모터 및 IGBT 스위칭을 수행하는 전장부품의 작동온도를 허용 범위를 유지하도록 효율적으로 제어하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 과도 운전 구간에서 전장펌프의 최소운전을 통해 소음을 감소시키고, 모터의 고토크 영역을 제외한 운전영역에서는 구동펌프의 동작을 최소화함으로써 연비를 향상시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치는, 온도센서를 통해 상기 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 모니터링부; 및 상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 냉각수 온도맵 및 전장부품과 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하되, 각 온도맵에서 과온 셋(OT_Set) 및 과온 리셋(OT_Reset) 정보를 병행 활용하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하는 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치는, 온도센서를 통해 상기 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 모니터링부; 및 상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 냉각수 온도맵 및 전장부품과 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하되, 모터 토크 명령치와 인버터 온도를 바탕으로 고토크 및 고온상태가 일정시간 지속되는 것을 파악하여 선제적으로 전장펌프의 RPM 속도를 증대시키는 피드 포워드(Feed-Forward) 제어를 하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 전장부품은, 모터, 인버터, 고전압 DCDC 컨버터 및 저전압 DCDC 컨버터 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 각 온도맵은 상기 측정 온도에 따른 냉각 제어를 위한 전장펌프 RPM 명령치 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 각 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵, 온도편차맵를 기반으로 상기 모니터링부에서 수집된 각 전장부품 및 냉각수의 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도 차이 중 적어도 하나가 상기 각 온도맵에 설정된 과온 기준값 이상이면 과온 셋(OT_Set) 상태로 판단하여, 상기 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 각각의 온도맵을 통해 도출된 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 모든 측정 온도가 상기 과온 기준값 미만인 과온 리셋 상태(OT_Reset)이고, 차량 속도가 저속이 아니면 전장펌프 RPM 최종 명령치를 각 온도맵의 최대값으로 인가할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 모터 토크 명령치가 고토크 판단을 위한 제1기준치 이상이고, 인버터 온도가 고온 판단을 위한 제2기준치 이상인 상태에서 소정의 제3기준치 시간 동안 지속되면 상기 전장 펌프의 RPM 속도를 정상치 보다 높게 설정하는 피드 포워드 제어를 개시할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 모터 토크 명령치가 고토크 상태인 제4기준치 미만이고, 인버터 온도가 고온상태의 제5기준치 미만인 상태에서 소정의 제6기준치 시간 동안 지속되면 상기 피드 포워드 제어를 해제하고 상기 정상치로 복귀할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 차량이 아이들링(Idling) 및 크리프(Creep) 속도 영역에 있는 과도운전 구간을 파악하여 전장펌프의 RPM 최종 명령치를 전장부품의 냉각문제가 발생되지 않는 범위 내에서의 저속 RPM으로 인가할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법은, a) 모니터링부를 통해 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 단계; b) 전장부품 온도맵, 냉각수 온도맵 및 전장부품과 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 기반으로 각각 대응되는 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계; c) 각 온도맵을 기반으로 각 측정 온도에 대한 과온 상태를 체크하여 상기 측정 온도의 과온 셋(OT_Set) 상태 및 과온 리셋 상태(OT_Reset)를 설정하는 단계; d) 모터 토크 명령치와 인버터 온도를 바탕으로 고토크 및 고온상태가 일정시간 지속되면 선제적으로 전장펌프의 RPM 속도를 증대시키는 피드 포워드(Feed-Forward) 제어를 하는 단계; 및 e) 상기 피드 포워드 조건이 아니고, 상기 측정 온도 중 적어도 하나가 상기 과온 셋(OT_Set) 상태이면 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 각각의 온도맵을 통해 도출된 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계는, 모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도 및 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도편차 중 적어도 하나의 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는, 모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도 및 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도편차 중 적어도 하나의 측정 온도에 대한 과온 상태 여부를 체크하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 피드 포워드 제어가 개시되면 전장펌프 최대 RPM의 40% 이상에 해당되는 속도로 피드 포워드 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계; 및 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치 및 상기 피드 포워드 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 e) 단계는, 상기 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 e) 단계는, 각 측정 온도가 과온 리셋 상태(OT_Reset) 이고, 차량이 파킹(P) 상태, 중립(N) 상태 및 소정속도 미만의 저속 상태 중 적어도 하나이면 상기 전장펌프 RPM 최종 명령치를 전장펌프 최대 RPM의 40% 미만에 해당되는 속도로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 모터, 인버터, 고전압 DCDC 컨버터, 저전압 DCDC 컨버터와 같은 전장부품의 작동온도를 과온도 Set 및 Reset 정보를 병행해서 활용하는 전장펌프 속도제어를 수행함으로써 직렬 및 병렬의 냉각라인으로 연결된 구조에서의 각 전장부품의 작동온도를 허용 범위로 유지할 수 있다.
또한, 과도 운전 구간에서 전장펌프의 최소운전을 통해 소음을 감소시킴으로써, 차량 고출력 후 크리프(Creep) 주행 시나 아이들링 시 기존에 문제점으로 지적되던 전장펌프에 의한 소음문제를 해결할 수 있으며, 구동펌프의 동작을 최소화함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 차량의 전장부품과 냉각라인 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 제어를 위해 활용되는 각각의 온도맵을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 전장 냉각 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 실시 예에 따른 전장 냉각 제어 방법에 따른 결과를 비교한 그래프를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 제어 장치(100)는 연료전지 차량의 전장부품에서 측정된 온도를 수집하는 모니터링부(110) 및 전장부품에서 측정된 온도를 기반으로 전장펌프의 RPM(속도)을 제어하는 제어부(120)를 포함한다.
이 때, 상기 전장부품은 모터(Motor), 인버터(Inverter), HV DCDC, LV DCDC 등일 수 있으며, 연료전지 차량의 냉각라인은 직렬 및 병렬로 연결되고 하나의 전장펌프를 통해 전장부품 전체에 냉각을 수행하게 되는 구조를 가진다.
모니터링부(110)는 모터 온도센서(111), 인버터 온도센서(112), HV DCDC 온도센서(113), LV DCDC 온도 센서(114) 및 냉각수 온도센서(115)를 통해 각 전장부품과 전장 냉각수의 측정 온도를 실시간으로 수집한다.
또한, 모니터링부(110)는 도면에서는 생략되었으나 차량 내 각종 제어기들과 연동하여 기어 변속정보, 차량속도 등과 같은 전반적인 운용상태를 감시할 수 있다.
제어부(120)는 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵, 전장부품과 전장 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 참조하여 상기 측정 온도에 따른 전장펌프의 속도를 제어하되, 각각의 온도맵에서 과온도 셋(Over Temperature Set, OT_Set) 및 과온도 리셋(Over Temperature Reset, OT_Set Reset) 정보를 병행 활용하여 전장펌프의 RPM 속도를 효율적으로 제어한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 제어를 위해 활용되는 각각의 온도맵을 나타낸다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(120)는 모터 온도맵(A), 인버터 온도맵(B), HV DCDC 온도맵(C), LV DCDC 온도맵(D), 전장 냉각수 온도맵(E) 및 온도 편차맵(F)을 저장한다.
여기서, 각각의 온도는 Tn_A, Tn_B, Tn_C, Tn_D, Tn_E, Tn_F라고하고, 각각의 온도에 상응하는 전장펌프 RPM 명령치는 Rm_A, Rm_B, Rm_C, Rm_D, Rm_E, Rm_F를 의미한다.
그리고, 제어부(120)는 각 전장부품 온도맵(A, B, C, D), 전장 냉각수 온도맵(E), 온도편차맵(F)을 기반으로 모니터링부(110)에서 수집된 각 전장부품 및 냉각수 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출한다.
예컨대, 각각의 온도맵에 표시된 점과 같이 온도가 T2_A, T2_B, T2_C, T2_D, T2_E, T2_F이면, 각각의 온도에 상응하는 전장펌프 RPM 명령치는 R2_A, R2_B, R2_C, R2_D, R2_E, R2_F로 도출될 수 있다.
제어부(120)는 모니터링부(110)에서 수집된 상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 냉각수 온도맵 및 전장부품과 냉각수의 온도편차맵 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하며 그 구체적인 제어방법은 다음의 실시 예를 통해 설명한다.
[실시예 1]
제어부(120)는 각 온도맵에서 과온도 셋(OT_Set) 및 과온도 리셋(OT_Reset) 정보를 병행 활용하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어한다.
제어부(120)는 각 온도맵에 과온 상태를 여부를 체크하기 위한 과온 기준치를 미리 설정한다. 그리고, 모터 온도, 인버터 온도, HV DCDC 온도, LV DCDC 온도, 전장 냉각수 대표 온도와 전장부품(A~D)과의 온도 차이가 각각 설정된 과온 기준치 이상이면 과온 상태인 OT_Set으로 판단하고, 상기 과온 기준값 미만이면 과온 상태가 아닌 OT_Reset으로 판단한다.
이 때, 제어부(120)는 인버터 온도, HV DCDC 온도, LV DCDC 온도, 전장 냉각수 대표 온도와 전장부품(A~D)과의 온도 차이 중 적어도 하나가 과온 상태(OT_Set)인 것을 확인하면, 전장펌프의 RPM 최종 명령치를 각 측정 온도별 전장펌프 RPM 명령치들(Rm_A ~ Rm_F) 중 최대값으로 인가할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 각 측정 온도가 과온 기준치 미만인 과온 리셋 상태로 판단되면 전장펌프 RPM 최종 명령치를 정상치로 인가할 수 있다. 여기서, 상기 정상치는 후술되는 각 온도맵 기반으로 도출되는 전장펌프 RPM 명령치 중 어느 하나이거나 그 평균치일 수 있다.
[실시예 2]
한편, 제어부(120)는 모터 토크 명령치와 인버터 온도를 바탕으로 고토크 및 고온상태가 일정시간 지속되는 것을 파악하여 선제적으로 전장펌프의 속도를 증대시키는 피드 포워드(Feed-Forward, FF) 제어를 할 수 있다.
여기서, 상기 피드 포워드(FF) 제어 조건은 아래의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하되, 제어 조건판단을 위한 각 기준치를 아래와 같이 가정할 수 있다.
- TH1와 TH4는 모터 고토크 상태의 기준을 의미하며, 모터 토크 명령치의 최대치가 100%라고 할 때, 20~100% 범위의 값으로 가정한다.
- TH2와 TH5는 인버터 고온상태의 기준을 의미하며 20~70℃ 범위의 값임을 가정한다.
- TH3와 TH6은 모터 고토크 상태와 인버터의 고온상태가 지속되는 기준시간을 의미하며 0.5초~10초 범위의 값임을 가정한다.
이러한 상기 가정은 본 발명의 실시 예를 위한 것이므로 한정되지 않으며 다양한 실험으로 통해 최적으로 도출된 값을 적용할 수 있다.
(1) FF제어 On 조건: (모터 토크 명령치 ≥ TH1) and (인버터 온도 ≥ TH2) and (지속시간 ≥ TH3)
제어부(120)는 모터 토크 명령치가 제1기준치(TH1) 이상이고, 인버터 온도가 제2기준치(TH2) 이상인 상태에서 제3기준치(TH3) 시간 동안 지속되면 FF제어를 개시한다. 이 때, FF제어는 전장펌프의 속도를 정상치보다 높게 설정할 수 있다.
상기 조건에서 모터 토크 명령치는 차량의 고속 또는 저속 여부를 판단하기 위한 것이기도 하지만, 도로의 구배정도에 따라 모터 토크 명령치와 실제 차량속도가 달라질 수 있으므로 단순히 차속을 적용하는 것과는 차별된다는 점이 중요하다.
즉, 차속을 적용하는 경우 가파른 오르막 경사로에서는 모터 토크 명령치가 고속 제어에 해당되는 제1기준치(TH1) 이상이라 하더라도 도로의 부하로 인해 실질적인 차속이 저속 운행되므로 높은 발열 온도에 비해 냉각성능이 떨어지는 문제가 있다.
반대로, 가파른 내리막 경사로에서는 모터 토크 명령치가 저속 제어에 해당되는 제1기준치(TH1) 미만이라 하더라도 내리막 가속도로 인해 실질적인 차속이 고속 운행되므로 불필요하게 과도한 냉각 제어가 이루어지는 문제가 있다.
(2) FF제어 Off 조건: (모터 토크 명령치 ＜ TH4) and (인버터 온도 ＜ TH5) and (지속시간 ≥ TH6)
제어부(120)는 모터 토크 명령치가 제4기준치(TH4) 미만이고, 인버터 온도가 제5기준치(TH5) 이하인 상태에서 제6 기준치(TH6) 시간 동안 지속되면 FF제어를 해제하고 전장펌프의 속도를 정상적인 값으로 복귀한다.
(3) FF제어 On시 RPM 명령치: R_FF
제어부(120)는 FF제어가 개시되면 피드 포워드 전장펌프 RPM 명령치(R_FF)를 도출한다. 여기서, 상기 R_FF는 전장펌프 최대 RPM의 40% 이상에 해당되는 고RPM을 대표하는 값을 의미한다.
한편, 제어부(120)는 차량이 아이들링(Idling) 및 크리프(Creep) 속도 영역에 있는 과도운전 구간을 파악하여 전장부품의 냉각문제가 발생되지 범위 내에서는 전장펌프의 최소운전을 통한 소음을 감소시킨다.
예컨대, 차량의 기어가 파킹(P) 또는 중립(N)에 있거나, 또는 차량속도가 저속구간에 있는 상태에서, 각 온도맵 기반 모든 전장부품의 온도가 저온상태인 OT_Reset이며, FF제어 Off인 조건이면, 전장펌프의 RPM 최종 명령치를 저속 RPM(R_min)으로 인가한다. 여기서, 상기 R_min은 전장펌프 최대 RPM의 40% 미만에 해당되는 저RPM을 대표하는 값을 의미한다.
[실시예 3]
한편, 다음의 도 4를 통하여 상기한 냉각 제어 장치(100)의 구성을 바탕으로 하는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법을 설명하되, 상기한 실시예1 및 실시예2의 방법을 포함하여 병행하는 것으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 전장 냉각 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 제어 장치(100)는 모니터링부(110)를 통해 전장부품 및 냉각수 온도를 수집한다(S101).
냉각 제어 장치(100)는 각 온도맵(A~F)을 기반으로 전장부품 온도에 대한 전장펌브 RPM 명령치(Rm_A~Rm_F)를 도출한다(S102).
여기서, 상기 S120 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
냉각 제어 장치(100)는 모터 온도맵(A)을 기반으로 모터부품 온도에 대한 전장펌브 RPM 명령치(Rm_A)를 도출한다(102-1).
냉각 제어 장치(100)는 인버터 온도맵(B)을 기반으로 인버터부품 온도에 대한 전장펌브 RPM 명령치(Rm_B)를 도출한다(S102-2).
냉각 제어 장치(100)는 HV DCDC 컨버터 온도맵(C)을 기반으로 HV DCDC 컨버터 온도에 대한 전장펌브 RPM 명령치(Rm_C)를 도출한다(S102-3).
냉각 제어 장치(100)는 LV DCDC 컨버터 온도맵(D)을 기반으로 LV DCDC 컨버터 온도에 대한 전장펌브 RPM 명령치(Rm_D)를 도출한다(S102-4).
냉각 제어 장치(100)는 전장 냉각수 온도맵(E)을 기반으로 현재의 전장 냉각수 대표 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치(Rm_E)를 도출한다(S102-5).
냉각 제어 장치(100)는 온도편차맵(F)을 기반으로 현재의 온도편차(전장 냉각수 대표 온도와 전장부품(A~D)과의 온도차이)에 대한 전장펌프 RPM 명령치(Rm_F)를 도출한다(S102-6).
다음, 냉각 제어 장치(100)는 각 온도맵(A~F)을 기반으로 각 전장부품에 대한 과온 상태를 체크하여 해당 온도가 과온 기준치를 초과하면 과온 상태로 OT_Set 된다(S103).
여기서, 상기 S120 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
냉각 제어 장치(100)는 모터 온도맵(A)을 기반으로 현재의 모터부품 온도가 과온 상태인지 체크하여 과온 시 OT_A가 Set된다(S103-1).
냉각 제어 장치(100)는 인버터 온도맵(B)을 기반으로 현재의 인버터부품 온도가 과온 상태인지 체크 하여 과온 시 OT_B가 Set된다(S103-2).
냉각 제어 장치(100)는 HV DCDC컨버터 온도맵(C)을 기반으로 현재의 고전압 DC/DC컨버터부품 온도가 과온 상태인지 체크 하여 과온 시 OT_C가 Set된다(S103-3).
냉각 제어 장치(100)는 LV DCDC컨버터 온도맵(D)을 기반으로 현재의 저전압 DC/DC컨버터부품 온도가 과온 상태인지 체크 하여 과온 시 OT_D가 Set된다(S103-4).
냉각 제어 장치(100)는 전장 냉각수 온도맵(E)을 기반으로 현재의 전장 냉각수 대표 온도가 과온 상태인지 체크 하여 과온 시 OT_E가 Set된다(S103-5).
냉각 제어 장치(100)는 온도편차맵(F)을 기반으로 현재의 온도편차가 과온 상태인지 체크 하여 과온 시 OT_A가 Set된다(S103-6).
다음, 냉각 제어 장치(100)는 모터 토크 명령치가 제1기준치(TH1) 이상이고, 인버터 온도가 제2기준치(TH2) 이상인 상태의 지속시간이 제3기준치(TH3) 시간 이상인 FF 제어 On 조건을 만족하는지 판단한다(S104).
냉각 제어 장치(100)는 상기 S104 단계의 판단결과, FF 제어 On 조건이면(S104; 예), 전장펌프 FF 제어 상태 개시 및 FF 제어에 따른 전장펌프 RPM 명령치(R_FF)를 도출한다(S105).
그리고, 냉각 제어 장치(100)는 전장펌프 RPM 최종 명령치를 Rm_A ~ Rm_F 및 R_FF 값들 중 가장 큰 최대 값으로 인가한다(S106).
한편, 냉각 제어 장치(100)는 상기 S104 단계의 판단결과, FF 제어 On 조건이 아니면(S104; 아니오), 상기 각 전장부품에 대한 과온 상태를 체크결과에 따른 적어도 하나의 온도가 과온 상태로 Set되었는지 파악한다(S107).
이 때, 냉각 제어 장치(100)는 적어도 하나의 전장부품 관련 온도가 과온 상태로 Set된 것을 확인하면(S107; 예), 전장펌프 RPM 최종 명령치를 전장펌프 RPM 명령치(Rm_A~Rm_F) 값들 중 가장 큰 최대 값으로 인가한다(S108).
한편, 냉각 제어 장치(100)는 상기 S107 단계의 판단결과, 전장부품 관련 온도가 과온 상태가 아닌 것으로 판단되면(S109, 아니오), 차량이 저속 상태인지 판단한다(S109).
예컨대, 냉각 제어 장치(100)는 차량의 기어가 파킹(P) 상태, 중립(N) 상태 및 차량속도가 20kph 이하의 저속구간에 있는 상태 중 적어도 하나이면(S109; 예), 전장펌프의 RPM 최종 명령치를 R_min으로 인가한다(S110).
반면, 냉각 제어 장치(100)는 차량이 상기한 조건의 저속 상태가 아니면(S109; 아니오), 상기 S108 단계의 제어를 수행한다.
또한, 상기 도 4에서는 생략되었으나, 상기 S106 단계 이후에, 전장펌프 Feed-Forward 상태는 모터 토크 명령치가 제4기준치(TH4) 미만이고, 인버터 온도가 제5기준치(TH5) 이하인 상태에서 제6 기준치(TH6) 시간 동안 지속되면 해제(Off) 될 수 있다.
또한, 전장부품 온도맵(A, B, C, D), 전장 냉각수 온도맵(E), 온도편차맵(F)의 과온 상태는 각 온도 조건이 과온 기준치 이하일 경우 해제되며, 해당 과온 설정이 리셋 된다(OT_A ~ OT_F Reset).
한편, 도 5는 종래 기술과 본 발명의 실시 예에 따른 전장 냉각 제어 방법에 따른 결과를 비교한 그래프를 나타낸다.
첨부된 도 5를 참조하면, 동일한 차량 및 운전조건 에서의 종래 전장 냉각 제어 기술은 전장펌의 주요 과도 작동 영역을 표시하였으며, 이는 과도 운전 구간에서 불필요하게 전장펌프를 과도하게 구동시킴에 따른 연비감소 및 과소음을 발생시키는 문제점이 있었다.
이에 비해, 본 발명의 실시 예에 따른 전장 냉각 제어 방법에 따르면 과도 운전 구간에서 전장펌프의 최소운전을 통해 소음을 감소시킴으로써, 차량 고출력 후 크리프(Creep) 주행 시나 아이들링시 기존에 문제점으로 지적되던 전장펌프에 의한 소음문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
모터의 고토크 영역을 제외한 도심모드(UDDS)의 시험결과에서도 종래기술대비 연비 1%이상이 개선되는 효과를 확인하였다.
또한, 모터, 인버터, HV DCDC, LV DCDC 등의 전장부품의 작동온도를 과온도 Set 및 Reset 정보를 병행해서 활용하는 전장펌프 속도제어를 수행함으로써 직렬 및 병렬의 냉각라인으로 연결된 각 전장부품의 작동온도를 허용 범위로 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 냉각 제어 장치 110: 모니터링부
111: 모터 온도 센서 112: 인버터 온도센서
113: HV DCDC 온도센서 114: LV DCDC 온도센서
115: 냉각수 온도센서 120: 제어부

Claims (15)

  1. 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치에 있어서,
    온도센서를 통해 상기 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 모니터링부; 및
    상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵 및 전장부품과 전장 냉각수의 온도편차맵--여기서, 상기 온도편차맵은 상기 전장부품과 전장 냉각수의 온도차이에 따른 전장펌프 RPM 명령치 정보를 포함함-- 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하되, 각 온도맵에서 과온 셋(OT_Set) 및 과온 리셋(OT_Reset) 정보를 병행 활용하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  2. 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치에 있어서,
    온도센서를 통해 상기 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 모니터링부; 및
    상기 측정 온도와 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵 및 전장부품과 전장 냉각수의 온도편차맵--여기서, 상기 온도편차맵은 상기 전장부품과 전장 냉각수의 온도차이에 따른 전장펌프 RPM 명령치 정보를 포함함-- 중 적어도 하나를 참조하여 상기 전장펌프의 RPM 속도를 제어하되, 모터 토크 명령치와 인버터 온도를 바탕으로 고토크 및 고온상태가 일정시간 지속되는 것을 파악하여 선제적으로 전장펌프의 RPM 속도를 증대시키는 피드 포워드(Feed-Forward) 제어를 하는 제어부를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전장부품은 모터, 인버터, 고전압 DCDC 컨버터 및 저전압 DCDC 컨버터 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 각 온도맵은 상기 측정 온도에 따른 냉각 제어를 위한 전장펌프 RPM 명령치 정보를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    각 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵, 전장부품과 전장 냉각수의 온도편차맵를 기반으로 상기 모니터링부에서 수집된 각 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도 차이 중 적어도 하나가 상기 각 온도맵에 설정된 과온 기준값 이상이면 과온 셋(OT_Set) 상태로 판단하여,
    전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 각각의 온도맵을 통해 도출된 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    모든 측정 온도가 상기 과온 기준값 미만인 과온 리셋 상태(OT_Reset)이고, 차량 속도가 저속이 아니면 전장펌프 RPM 최종 명령치를 각 온도맵의 최대값으로 인가하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    모터 토크 명령치가 고토크 판단을 위한 제1기준치 이상이고, 인버터 온도가 고온 판단을 위한 제2기준치 이상인 상태에서 소정의 제3기준치 시간 동안 지속되면 상기 전장 펌프의 RPM 속도를 정상치 보다 높게 설정하는 피드 포워드 제어를 개시하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터 토크 명령치가 고토크 상태인 제4기준치 미만이고, 인버터 온도가 고온상태의 제5기준치 미만인 상태에서 소정의 제6기준치 시간 동안 지속되면 상기 피드 포워드 제어를 해제하고 상기 정상치로 복귀하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    차량이 아이들링(Idling) 및 크리프(Creep) 속도 영역에 있는 과도운전 구간을 파악하여 전장펌프의 RPM 최종 명령치를 전장부품의 냉각문제가 발생되지 않는 범위 내에서의 저속 RPM으로 인가하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 장치.
  10. 전장펌프를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결된 냉각라인에 구비된 전장부품을 냉각시키는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법에 있어서,
    a) 모니터링부를 통해 전장부품 및 전장 냉각수의 측정 온도를 수집하는 단계;
    b) 전장부품 온도맵, 전장 냉각수 온도맵 및 전장부품과 전장 냉각수의 온도편차맵--여기서, 상기 온도편차맵은 상기 전장부품과 전장 냉각수의 온도차이에 따른 전장펌프 RPM 명령치 정보를 포함함-- 중 적어도 하나를 기반으로 각각 대응되는 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계;
    c) 각 온도맵을 기반으로 각 측정 온도에 대한 과온 상태를 체크하여 상기 측정 온도의 과온 셋(OT_Set) 상태 및 과온 리셋 상태(OT_Reset)를 설정하는 단계;
    d) 모터 토크 명령치와 인버터 온도를 바탕으로 고토크 및 고온상태가 일정시간 지속되면 선제적으로 전장펌프의 RPM 속도를 증대시키는 피드 포워드(Feed-Forward) 제어를 하는 단계; 및
    e) 상기 d) 단계에서, 피드 포워드 제어 조건이 아니고, 상기 측정 온도 중 적어도 하나가 상기 과온 셋(OT_Set) 상태이면 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 각각의 온도맵을 통해 도출된 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계
    를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도 및 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도편차 중 적어도 하나의 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    모터 온도, 인버터 온도, 고전압 DCDC 컨버터 온도, 저전압 DCDC 컨버터 온도, 전장 냉각수 온도 및 전장 냉각수 온도와 전장부품과의 온도편차 중 적어도 하나의 측정 온도에 대한 과온 상태 여부를 체크하는 단계를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 피드 포워드 제어가 개시되면 전장펌프 최대 RPM의 40% 이상에 해당되는 속도로 피드 포워드 전장펌프 RPM 명령치를 도출하는 단계; 및
    전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치 및 상기 피드 포워드 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 e) 단계는,
    상기 전장펌프 RPM 최종 명령치를 상기 측정 온도에 대한 전장펌프 RPM 명령치 중 최대 값으로 인가하는 단계를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 e) 단계는,
    각 측정 온도가 과온 리셋 상태(OT_Reset) 이고, 차량이 파킹(P) 상태, 중립(N) 상태 및 소정속도 미만의 저속 상태 중 적어도 하나이면 상기 전장펌프 RPM 최종 명령치를 전장펌프 최대 RPM의 40% 미만에 해당되는 속도로 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 차량 전장 냉각 제어 방법.
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