JP6758931B2 - 冷却システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、冷却システムおよびその運転方法に関し、車両の燃料電池スタックを冷却するための冷却システムおよびその運転方法に関する。
車両は、インバータ、モータ、エンジンなどの駆動過程で発熱する電装部品または燃料電池スタックの温度を駆動に適した温度に維持するために冷却システムを備える。冷却システムは、外部の空気を発熱体側に流入させて発熱体を冷却する空冷式と、冷却水を循環させて発熱体を冷却させる水冷式に区分される。通常、空冷式は、水冷式に比べて冷却性能が相対的に低く、車両には水冷式冷却システムが主に適用される。
車両で冷却システムを運転するとき、冷却水の温度と圧力は、冷却水の流れを制御するポンプ、バルブ類などの駆動品の作動状態と発熱体の発熱量に応じて随時変化する。一方、冷却水の圧力や温度が変化して特定部品の作動範囲を外れる場合、当該部品の耐久性が低下して寿命が短縮し、流動騒音を誘発するなど、様々な問題をもたらすことがある。例えば、発熱体の発熱量が急激に低下して圧力が急低下する状態で、ポンプなどの回転体が高速に回転する場合、空洞現象（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）によって冷却水中の気泡が分離され、このような気泡の高速衝突によって部品の損傷が生じることがある。
したがって、冷却システムの寿命と品質を改善するためには、冷却水の運転圧力が適切に調節されるように冷却システムを設計する必要がある。
本発明の実施形態により解決しようとする課題は、冷却水の運転圧力を効果的に制御することによって、寿命特性および騒音発生が改善された冷却システムおよびその運転方法を提供することである。
上記の課題を解決するための、本発明の一実施形態に係る冷却システムは、燃料電池スタックを通過する冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプと、車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックの発熱量が第１しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第２しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第１しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第２しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことができる。
また、本発明の一実施形態に係る冷却システムの運転方法は、燃料電池スタックの発熱量および前記燃料電池スタックを通過する冷却水ラインの冷却水の温度を取得する段階と、前記発熱量および前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、前記冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプの回転速度を前記発熱量および外気温度に応じて制御するフィードフォワード制御を行う段階と、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量または前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、前記フィードフォワード制御をオフする段階と、前記発熱量が第１しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が第２しきい値以上であれば、車両の駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記冷却水ラインに配置される加熱手段を駆動させる段階と、前記発熱量が前記第１しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が前記第２しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる段階とを含むことができる。
本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックの発熱量が急減することによって、冷却水の運転圧力が低下して発生する空洞現象を防止することが可能である。
本発明の実施形態に係る冷却システムの概略的な構造図である。 図１の加圧手段の概略的な断面図である。 本発明の第１実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明の実施形態を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。
明細書全体において、ある部分が他の部分に「連結」されているとするとき、これは、「直接的に連結」されている場合のみならず、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
以下、必要な図面を参照して、本発明の実施形態に係る冷却システムおよびその運転方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る冷却システムの概略的な構造図である。また、図２は、図１の加圧手段の概略的な断面図である。
図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る冷却システムは、ポンプ（ｐｕｍｐ）１１と、ラジエータ（ｒａｄｉａｔｏｒ）１２と、三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）１３と、温度センサ１４−１と、圧力センサ１４−２と、冷却水タンク（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｔａｎｋ）１５と、加圧手段１６と、加熱手段（ｈｅａｔｅｒ）１７と、制御器１８などを含むことができる。一方、図１に示された構成要素は必須ではなく、本発明の実施形態に係る冷却システムは、それよりも多いか、少ない構成要素を含むように実現されてもよい。
ポンプ１１は、冷却水をポンピングして冷却水ラインに循環させる。ポンプ１１は、燃料電池スタック２０側に冷却水を供給する第１冷却水ラインＬ１上に位置する。第１冷却水ラインＬ１に流入した冷却水は、ポンプ１１によってポンピングされて燃料電池スタック２０側に供給される。
燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池が連続的に配列された電気発生集合体である。燃料電池スタック２０は、各燃料電池に燃料と酸化剤が供給されることによって、燃料と酸化剤との電気化学的な反応により電気エネルギーを発生させる。燃料電池スタック２０は、電気エネルギーを発生させる過程で熱を共に発生させ、これを冷却させられるように冷却水が流通可能な構造に設けられる。
第１冷却水ラインＬ１を通して燃料電池スタック２０に供給された冷却水は、燃料電池スタック２０を通過しながら燃料電池スタック２０で発生した熱を吸収することによって、燃料電池スタック２０を冷却する。
燃料電池スタック２０を通過しながら熱を吸収した冷却水は、第２冷却水ラインＬ２に排出される。第２冷却水ラインＬ２には第３および第４冷却水ラインＬ３、Ｌ４が連結される。つまり、第２冷却水ラインＬ２は、第３冷却水ラインＬ３と第４冷却水ラインＬ４とに分岐する。
第３冷却水ラインＬ３は、燃料電池スタック２０を通過した冷却水をバイパスさせる冷却水ラインである。第３冷却水ラインＬ３に流入した冷却水は、ラジエータ１２を通過せず、三方バルブ１３にバイパスされる。
第４冷却水ラインＬ４は、燃料電池スタック２０を通過した冷却水をラジエータ１２に供給するための冷却水ラインである。
ラジエータ１２は、第４冷却水ラインＬ４上に位置し、冷却水を空気の流れによって冷却する機能を果たす。第４冷却水ラインＬ４に流入した冷却水は、ラジエータ１２によって冷却された後、三方バルブ１３に流入する。
三方バルブ１３は、冷却水の温度に応じて制御器１８により開閉され、冷却水がラジエータ１２側に選択的に流入できるように冷却水の流れを制御する。
冷却水が所定温度以上に加熱された場合、三方バルブ１３は、第１冷却水ラインＬ１と第４冷却水ラインＬ４とを連結する。これにより、燃料電池スタック２０を通過して第２冷却水ラインＬ２に排出された冷却水は、第４冷却水ラインＬ４に流れる。第４冷却水ラインＬ４に流入した冷却水は、第４冷却水ラインＬ４に位置するラジエータ１２によって冷却された後、三方バルブ１３によって第１冷却水ラインＬ１に再循環される。
反面、冷却水の温度が所定温度より低い場合、三方バルブ１３は、第１冷却水ラインＬ１と第３冷却水ラインＬ３とを連結する。これにより、燃料電池スタック２０を通過して第２冷却水ラインＬ２に排出された冷却水は、第３冷却水ラインＬ３に流れる。第３冷却水ラインＬ３に流入した冷却水は、第３冷却水ラインＬ３によってラジエータ１２をバイパスした後、三方バルブ１３によって第１冷却水ラインＬ１に再循環される。
温度センサ１４−１は、冷却水ライン上に位置し、冷却水ラインを通過する冷却水の温度を検出する。
圧力センサ１４−２は、冷却水ライン上に位置し、冷却水ラインを通過する冷却水の運転圧力を検出する。
一方、図１では、温度センサ１４−１および圧力センサ１４−２が第２冷却水ラインＬ２に配置され、燃料電池スタック２０を通過して第２冷却水ラインＬ２に排出される冷却水の温度および運転圧力を測定する場合を例に挙げて示した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されず、温度センサ１４−１または圧力センサ１４−２の設置位置は変更が可能である。例えば、温度センサ１４−１および圧力センサ１４−２は、第１冷却水ラインＬ１に配置され、第１冷却水ラインＬ１を通して燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度および運転圧力を検出することもできる。
冷却水タンク１５は、冷却水を貯蔵し、ラジエータ１２に冷却水を補充する機能を果たす。冷却水タンク１５からラジエータ１２に供給される冷却水は、第４冷却水ラインＬ４に流入する。
冷却水タンク１５から冷却水が流入するラジエータ１２の上端には加圧手段１６が結合される。
加圧手段１６は、冷却水ラインの冷却水の運転圧力を加圧したり減圧させるために用いられる。
図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る加圧手段１６は、加圧キャップ形態で、シリンダ２１と、加圧プレート２２と、加圧スプリング２３と、駆動部（ａｃｔｕａｔｏｒ）２４などを含むことができる。
シリンダ２１は、中空状の密閉型シリンダであって、内部に加圧プレート２２および加圧スプリング２３を備える。
加圧プレート２２は、シリンダ２１の内側で往復に線形移動可能に設けられ、加圧スプリング２３によって支持される。加圧プレート２２は、シリンダ２１の内部のガスを圧縮または膨張させる役割を果たす。
加圧スプリング２３は、加圧プレート２２を支持し、加圧プレート２２とシリンダ２１との間に配置される。
駆動部２４は、ハウジング２５に固定され、電磁式バルブ形態で設けられる。駆動部２４は、制御器（図１の図面符号１８参照）から入力される制御信号に応じて加圧プレート２２のシリンダ２１内の位置を能動的に調節する。つまり、制御器１８の制御信号に応じて加圧プレート２２を前進または後進（図中の下にまたは上に）移動させる。
加圧プレート２２は、駆動部２４によって駆動され、シリンダ２１の内部に圧力を加えたり圧力を減らすことによって、結果的に冷却水ラインの圧力を調節する役割を果たす。
つまり、駆動部２４が加圧プレート２２を引いて図上の上に動くときは、冷却水ラインの圧力が減少し、加圧プレート２２を押して加圧するときには、加圧スプリング２３の力に至るまで冷却水ラインの圧力を増加させることになる。
駆動部２４が加圧プレート２２を完全に引いて、冷却水タンク１５に連結される管路と、ラジエータ１２に連結される管路とが連通するときには、冷却水ラインの圧力は外気圧と等しくなる。
加圧スプリング２３は、加圧プレート２２を支持し、加圧プレート２２とハウジング２５との間に配置される。
さらに図１をみると、加熱手段１７は、冷却水ラインに沿って流れる冷却水を加熱する。加熱手段１７は、駆動モータ３０に連結され、駆動モータ３０から駆動電源を受ける。駆動モータ３０は、車両の動力を発生させる手段であって、制動時などには発電機として動作して電気エネルギーを生成したりする。一方、図１では、加熱手段１７がポンプ１１と燃料電池スタック２０との間に位置することによって、第１冷却水ラインＬ１に沿って流れる冷却水を加熱する場合を例に挙げて示したが、本発明の実施形態はこれに限定されず、加熱手段１７の冷却水ライン上の位置は変更が可能である。
制御器１８は、冷却システムの全般的な運転を制御する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０のスタック電流に基づいて燃料電池スタック２０の発熱量を取得することができる。また、制御器１８は、冷却水ラインに設けられた温度センサ１４−１および圧力センサ１４−２により冷却水ラインの冷却水の温度および冷却水の運転圧力を取得することができる。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量およびポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）に基づいて加熱手段１７の発熱を制御することもできる。
制御器１８は、冷却水ラインの冷却水の運転圧力に応じて加圧手段１６の加圧／減圧を制御することもできる。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量および冷却水の温度に基づいてポンプ１１の制御モードを選択し、制御モードに応じて互いに異なる制御アルゴリズムを用いてポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御することができる。例えば、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量および冷却水の温度に基づいてフィードフォワード（Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ）制御モードおよびマップ（ＭＡＰ）制御モードのうちのいずれか１つを、ポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御するための制御モードとして選択することができる。フィードフォワード制御モードは、燃料電池スタック２０の発熱量および外気温度に基づいてポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御する制御モードであり、マップ制御モードは、冷却水の温度ごとに対応するポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）をマッピングさせた回転速度マップに基づいてポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御する制御モードである。
冷却システムは、車両の加速による燃料電池スタック２０の高出力区間では、冷却システムのポンプ１１をフィードフォワード制御モードで制御し、加速ペダルに対する運転者の操作がなくて車両が惰力走行を始めると、フィードフォワード制御モードを解除する。車両の惰力走行時、燃料電池スタック２０は、補機類の駆動に必要な最小限のスタック電流を出力し、これによって、燃料電池スタック２０の発熱量も急激に減少する。このように、燃料電池スタック２０の発熱量が急激に減少する場合、冷却水の膨張を発生させる熱源が無くなることによって、冷却水の運転圧力が急低下する。燃料電池スタック２０の発熱量の急減によって冷却水の運転圧力が急低下する場合、ポンプ１１の前段の負圧を発生させてポンプ１１の前段の空洞現象を発生させることがある。空洞現象が発生した状態で、ポンプ１１などの回転体が高速に回転する場合、空洞現象によって冷却水中の気泡が分離され、このような気泡の高速衝突によって部品の損傷が生じることがある。また、空洞現象によって燃料電池スタック２０の沸点が下降し、ポンプ１１などの回転体の流動騒音が発生するなど、多様な問題を発生させることがある。
本発明の実施形態は、かかる問題を解決するためのものであって、車両が加速後に惰力走行を行う場合のように、燃料電池スタック２０の発熱量が急激に減少する状況で、ポンプ１１の前段の負圧と燃料電池スタック２０の前段の正圧を緩和させて空洞現象を防止することによって、かかる問題を解決する。
以下、必要な図面を参照して、本発明の実施形態に係る冷却システムの運転方法について詳細に説明する。
図３は、本発明の第１実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートであり、図４は、本発明の第１実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。
図３を参照すれば、制御器１８は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック２０の制御モードを選択するために、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を取得する（Ｓ１００）。
燃料電池スタック２０の発熱量は、燃料電池スタック２０の出力電流に対応する。したがって、前記Ｓ１００段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の出力電流ごとに対応する発熱量をマッピングして保存する発熱量マップから、現在の燃料電池スタック２０の出力電流に対応する発熱量を取得することができる。
前記Ｓ１００段階で、冷却水の温度は、温度センサ１４−１により取得される。
制御器１８は、前記Ｓ１００段階により燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度が取得されると、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する（Ｓ１１０）。
前記Ｓ１１０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量および外気温度に基づいてポンプ１１の回転速度を制御するフィードフォワード制御を行う（Ｓ１２０）。
フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する（Ｓ１３０）。
前記Ｓ１３０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ（ＯＦＦ）する（Ｓ１４０）。そして、ポンプ１１の回転速度が所定値に下降するようにポンプ１１の駆動を制御し、加圧手段１６によって冷却水の運転圧力が上昇するように加圧手段１６の駆動部（図２の図面符号２４参照）を制御する（Ｓ１５０）。
制御器１８は、前記Ｓ１５０段階によりポンプ１１の回転速度が所定値に低下すると、マップ制御モードに入る。制御器１８は、マップ制御モードに入ることによって、冷却水の温度に応じてポンプ１１の回転速度を制御するマップ制御を行う（Ｓ１６０）。
前記Ｓ１６０段階で、制御器１８は、冷却水の温度ごとに対応するポンプ１１の回転速度をマッピングさせた回転速度マップに基づいてポンプ１１の回転速度をマップ制御する。つまり、制御器１８は、現在の冷却水の温度に対応する回転速度を回転速度マップから検出し、検出された回転速度を目標にポンプ１１の回転速度を制御する。
前記Ｓ１６０段階で、回転速度マップは、車両の燃費を考慮してポンプ１１の回転速度が不必要に高くならないように設定される。つまり、回転速度マップにおいて、各冷却水の温度に対応する回転速度は、フィードフォワード制御モードにおけるポンプ１１の回転速度に比べて相対的に小さく設定される。一方、冷却システムは、マップ制御モードとして動作中には、ラジエータ１２に空気を循環させるファン（図示せず）と三方バルブ１３の冷却性能が極大化されるようにラジエータ１２のファンと三方バルブ１３を制御することができる。これは、マップ制御時、ポンプ１１の回転速度が相対的に低くて冷却性能が低下する現象を補完し、フィードフォワード制御モードの再進入に備えるためである。
以下、図４を参照して、上述した本発明の第１実施形態に係る冷却システムの運転方法を車両の惰力走行区間に適用する場合について例を挙げて説明する。
図４を参照すれば、第１区間は、車両が加速を持続して燃料電池スタック２０のスタック電流が所定値以上に高く維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御を行う区間である。図４に示されていないが、車両が加速を持続する場合、燃料電池スタック２０の持続的な発熱によって燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度はフィードフォワード制御モードの進入条件を満足する。
第２区間は、運転者が加速ペダルから足を離して車両が惰力走行することによって、燃料電池スタック２０のスタック電流が補機類の駆動に必要な最小限に維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御をオフする区間である。運転者が加速ペダルから足を離した状態は、加速ペダル位置センサ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ、ＡＰＳ）により取得される加速ペダルの操作状態から検出される。車両は、燃料電池スタック２０の高出力区間（第１区間）が持続された状態で、加速ペダル位置センサにより運転者が加速ペダルから足を離した状態が検出されると、惰力駆動が進行すると判断して、燃料電池スタック２０の出力電流を最小限に低下させる。
図４に示されているように、時間ｔ１で車両が惰力走行を始めることによって、燃料電池スタック２０はスタック電流が急激に低下し、これによって、燃料電池スタック２０の発熱量も急激に低下する。これにより、燃料電池スタック２０の発熱量がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足してフィードフォワード制御が解除される。
冷却システムは、車両の惰力走行が始まってフィードフォワード制御が解除されることによって、ポンプ１１の回転速度が所定値Ｒ１に低下するようにポンプ１１の駆動を制御する。以降、冷却システムは、ポンプ１１の回転速度が所定値Ｒ１に低下すると（時間ｔ２）、現在の冷却水の温度に対応する回転速度を回転速度マップから取得し、これに基づいてポンプ１１の回転速度を制御するマップ制御を行う。
上述のように、本発明の第１実施形態では、ポンプ１１の回転速度に対するフィードフォワード制御がオフされる時点でポンプ１１の回転速度を所定値以下に下降させることによって、燃料電池スタック２０の急激な出力低下による空洞現象を防止することができる。つまり、フィードフォワード制御のオフ時にポンプ１１の回転速度を急激に下降させる場合、燃料電池スタック２０の入口側圧力であるポンプ１１の正圧は下降し、ポンプ１１の前段圧力である負圧は上昇して、燃料電池スタック２０の入口側の正圧とポンプ１１の前段の負圧が緩和され、これによって、冷却水の運転圧力の低下による空洞現象が防止される。
本発明の第１実施形態では、フィードフォワードモードが解除されると、加圧手段１６の圧力が上昇制御されるように加圧手段１６を駆動することによって、加圧手段１６によって上昇した冷却水の運転圧力を用いてポンプ１１の前段の圧力を正圧側に上昇させることによって、ポンプ１１の前段の負圧を緩和させることもできる。
図５は、本発明の第２実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートであり、図６は、本発明の第２実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。
図５を参照すれば、制御器１８は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック２０の制御モードを選択するために、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を取得する（Ｓ２００）。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する（Ｓ２１０）。
前記Ｓ２１０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量および外気温度に基づいてポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御するフィードフォワード制御を行う（Ｓ２２０）。
フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する（Ｓ２３０）。
前記Ｓ２３０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ（ＯＦＦ）する（Ｓ２４０）。また、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量およびポンプ１１の回転速度が加熱手段１７の駆動条件を満足するかを判断し（Ｓ２５０）、加熱手段１７の駆動条件を満足する場合、加熱手段１７を駆動させて冷却水を加熱する（Ｓ２６０）。
前記Ｓ２５０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量より小さく、且つ、ポンプ１１の回転速度が予め設定されたしきい速度以上であれば、加熱手段１７の駆動条件を満足すると判断する。
以降、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量とポンプ１１の回転速度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック２０の発熱量とポンプ１１の回転速度が加熱手段１７のオフ条件を満足するかを確認する（Ｓ２７０）。
前記Ｓ２７０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量より小さく、且つ、ポンプ１１の回転速度も予め設定されたしきい速度より小さければ、加熱手段１７のオフ条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量とポンプ１１の回転速度が加熱手段１７のオフ条件を満足する場合、加熱手段１７をオフして冷却水の加熱を中断させる（Ｓ２８０）。
以下、図６を参照して、上述した本発明の第２実施形態に係る冷却システムの運転方法を車両の惰力走行区間に適用する場合について例を挙げて説明する。
図６を参照すれば、第１区間は、車両が加速を持続して燃料電池スタック２０のスタック電流が所定値以上に高く維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御を行う区間である。第２区間は、運転者が加速ペダルから足を離して車両が惰力走行することによって、燃料電池スタック２０のスタック電流が補機類の駆動に必要な最小限に維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御をオフする区間である。
図６に示されているように、時間ｔ１で車両が惰力走行を始めることによって、燃料電池スタック２０はスタック電流が急激に低下して、燃料電池スタック２０の発熱量も急激に低下する。一方、フィードフォワード制御がオフされても、ポンプ１１の回転速度は、所定時間以上最高値である現在の回転速度を時間ｔ３まで維持した後に下降制御される。
このように、車両が惰力走行を始めると、フィードフォワード制御がオフされて燃料電池スタック２０のスタック電流が低下した状態で、一定時間ポンプ１１の回転速度が最高値を維持するので、加熱手段１７の駆動条件を満足して加熱手段１７が駆動を始める。ポンプ１１の回転速度が一定時間最高値を維持してから下降制御されると、加熱手段１７は、駆動をオフして冷却水の加熱を中断する。
一方、車両が惰力走行する場合、加熱手段１７は、駆動モータ３０の発電で発生する余剰電力を用いて駆動される。
車両が惰力走行を始める場合、燃料電池スタック２０の発熱量は急激に減少する。これによって、冷却水ライン内の熱源が無くなって冷却水の膨張が行われず、空洞現象が発生する。したがって、本発明の第２実施形態では、運転者の足が加速ペダルから離れて車両が惰力走行を始める場合、駆動モータ３０の発電で発生する余剰電力を用いて加熱手段１７を駆動させることによって、燃料電池スタック２０の発熱量の減少によるポンプ１１の前段の負圧を緩和させて空洞現象を防止することができる。
図７は、本発明の第３実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。
図７を参照すれば、制御器１８は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック２０の制御モードを選択するために、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を取得する（Ｓ３００）。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する（Ｓ３１０）。
前記Ｓ３１０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量および外気温度に基づいてポンプ１１の回転速度（ＲＰＭ）を制御するフィードフォワード制御を行う（Ｓ３２０）。
フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する（Ｓ３３０）。
前記Ｓ３３０段階で、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。
制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ（ＯＦＦ）する（Ｓ３４０）。また、制御器１８は、燃料電池スタック２０の発熱量の減少によって冷却水の運転圧力が低下するのを防止するために、加圧手段１６が加圧方向に動作して冷却水の運転圧力を上昇させるように加圧手段１６の駆動部２４を制御する（Ｓ３５０）。
以降、制御器１８は、車両が運転者の加速ペダル操作によって加速するなどによって燃料電池スタック２０の出力電流が上昇する場合（Ｓ３６０）、加圧手段１６を前記Ｓ３５０段階の前の状態に原状復帰させる。そして、冷却水の運転圧力に連動して加圧手段１６の加圧プレート２２の位置が制御されるように、冷却水の運転圧力に基づいて加圧手段１６の駆動部２４を制御する（Ｓ３７０）。
車両が惰力走行を始める場合、燃料電池スタック２０の発熱量は急激に減少する。これによって、冷却水ライン内の熱源が無くなって冷却水の膨張が行われず、空洞現象が発生する。したがって、本発明の第３実施形態では、運転者の足が加速ペダルから離れて車両が惰力走行を始める場合、加圧手段１６を加圧方向に駆動させて冷却水の運転圧力を上昇させることによって、燃料電池スタック２０の発熱量の減少によるポンプ１１の前段の負圧を緩和させて空洞現象を防止することができる。
本発明の実施形態に係る冷却システムの運転方法は、ソフトウェアにより実行される。ソフトウェアで実行されるとき、本発明の構成手段は、必要な作業を実行するコードセグメントである。プログラムまたはコードセグメントは、プロセッサ読取機能媒体に保存されたり、伝送媒体または通信網で搬送波と結合されたコンピュータデータ信号によって伝送される。
コンピュータ読取可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み込まれるデータが保存される全種類の記録装置を含む。コンピュータ読取可能な記録装置の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、ハードディスク、光データ記憶装置などがある。また、コンピュータ読取可能な記録媒体は、ネットワークでつながったコンピュータ装置に分散して分散方式でコンピュータ読取可能なコードが保存されて実行される。
これまで参照した図面と記載された発明の詳細な説明は単に本発明の例示的なものであって、これは、単に本発明を説明するための目的で使用されたものであり、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。そのため、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから容易に選択して代替できる。また、当業者は、本明細書で説明された構成要素の一部を性能の劣化なく省略したり性能を改善するために構成要素を追加することができる。それだけでなく、当業者は、工程環境や装備により本明細書で説明した方法段階の順序を変更することもできる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態ではなく、特許請求の範囲およびその均等物によって決定されなければならない。
１１：ポンプ
１２：ラジエータ
１３：三方バルブ
１４−１：温度センサ
１４−２：圧力センサ
１５：冷却水タンク
１６：加圧手段
１７：加熱手段
１８：制御器
２１：シリンダ
２２：加圧プレート
２３：加圧スプリング
２４：駆動部

Claims (12)

  1. 燃料電池スタックを通過する冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプと、
    車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、
    前記燃料電池スタックの発熱量が第１しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第２しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第１しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第２しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことを特徴とする燃料電池車両用冷却システム。
  2. 前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水の温度を検出する温度センサをさらに含み、
    前記制御器は、
    前記燃料電池スタックの発熱量および前記温度に基づいて、前記燃料電池スタックの発熱量および外気温度に応じて前記ポンプの回転速度を制御するフィードフォワード（ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ）制御を行うか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  3. 前記制御器は、前記燃料電池スタックの発熱量が第３しきい値以上で、且つ、前記温度が第４しきい値以上であれば、前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  4. 前記制御器は、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第３しきい値より小さいか、前記温度が前記第４しきい値より低ければ、前記フィードフォワード制御をオフすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  5. 前記制御器は、前記フィードフォワード制御がオフされると、現在の回転速度を所定時間維持するように前記ポンプを制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  6. 前記制御器は、前記所定時間が経過すると、前記ポンプの回転速度を所定値に下降制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  7. 前記冷却水ラインの前記冷却水の運転圧力を加圧したり減圧する加圧手段をさらに含み、
    前記制御器は、前記フィードフォワード制御がオフされると、前記冷却水の運転圧力を加圧する方向に前記加圧手段を駆動させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両用冷却システム。
  8. 燃料電池スタックの発熱量および前記燃料電池スタックを通過する冷却水ラインの冷却水の温度を取得する段階と、
    前記発熱量および前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、前記冷却水ラインに前記冷却水を循環させるポンプの回転速度を前記発熱量および外気温度に応じて制御するフィードフォワード制御を行う段階と、
    前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量または前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、前記フィードフォワード制御をオフする段階と、
    前記発熱量が第１しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が第２しきい値以上であれば、車両の駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記冷却水ラインに配置される加熱手段を駆動させる段階と、
    前記発熱量が前記第１しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が前記第２しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる段階とを含むことを特徴とする燃料電池車両用冷却システムの運転方法。
  9. 前記フィードフォワード制御を行う段階は、
    前記発熱量が第３しきい値以上で、且つ、前記冷却水の温度が第４しきい値以上であれば、前記フィードフォワード制御を行う段階であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。
  10. 前記フィードフォワード制御をオフする段階は、
    前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量が前記第３しきい値より小さいか、前記冷却水の温度が前記第４しきい値より低ければ、前記フィードフォワード制御をオフする段階であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。
  11. 前記フィードフォワード制御がオフされた後、所定時間前記ポンプの現在の回転速度を維持し、前記所定時間が経過すると、前記ポンプの回転速度を所定値に下降制御する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。
  12. 請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法をコンピュータに実行させるために記録媒体に保存されたプログラム。
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