KR100622735B1

KR100622735B1 - 연료전지 자동차의 냉각시스템

Info

Publication number: KR100622735B1
Application number: KR1020040014468A
Authority: KR
Inventors: 유진영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR20050089176A

Abstract

본 발명은 연료전지 자동차의 냉각시스템에 관한 것으로서, 모터, 인버터, 모터제어유닛(MCU) 등과 같은 연료전지 자동차의 구동시스템에 별도 구성되어 있는 라디에이터를 단일개의 통합 라디에이터로 구성하고 상기 라디에이터와 각각의 구동시스템 간에 대용량을 갖는 단일개의 전기식 워터펌프 및 그 입출력측 라인에 4웨이 밸브를 설치하여 레이아웃 문제를 해결하는 한편, 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서와, 상기 구동시스템의 모터제어유닛으로부터 차속 및 TPS 개도량에 따라 자동차의 주행상태를 판단하고, 상기 냉각수온센서로부터 검출된 냉각수온값을 설정 온도값과 비교 판단하여 솔레노이드 밸브에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브로 이루어져 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 시스템을 구성하여 상기 구동시스템 내의 냉각수량을 조절하여 적정온도를 유지함으로써, 구동시스템의 효율을 증대시킴은 물론, 그 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 자동차의 냉각시스템에 관한 것이다.

자동차, 연료전지, 구동시스템, 냉각시스템, 통합 라디에이터, 전기식 워터펌프, 4웨이 밸브, 냉각수온센서, 냉각제어유닛, 솔레노이드 밸브

Description

연료전지 자동차의 냉각시스템{Universal cooling system of fuel cell vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템을 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템의 제어상태를 나타내는 플로우차트,

도 3은 종래의 일반적인 자동차의 구동시스템을 나타내는 구성도,

도 4는 종래의 연료전지 자동차의 구동시스템을 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 구동시스템 110 : 인버터

120 : 모터 130 : 모터제어유닛

10 : 냉각시스템 11 : 라디에이터

12a, 12b : 4웨이밸브 13 : 워터펌프

14 : 냉각수온센서 15 : 냉각제어유닛

16 : 솔레노이드 밸브 17 : 에어컨 컨덴서

본 발명은 연료전지 자동차의 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터, 인버터, 모터제어유닛(MCU) 등과 같은 연료전지 자동차의 구동시스템에 별도 구성되어 있는 라디에이터를 단일개의 통합 라디에이터로 구성하고 상기 라디에이터와 각각의 구동시스템 간에 대용량을 갖는 단일개의 전기식 워터펌프 및 그 입출력측 라인에 4웨이 밸브를 설치하여 레이아웃 문제를 해결하는 한편, 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서와, 상기 구동시스템의 모터제어유닛으로부터 차속 및 TPS 개도량에 따라 자동차의 주행상태를 판단하고, 상기 냉각수온센서로부터 검출된 냉각수온값을 설정 온도값과 비교 판단하여 솔레노이드 밸브에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브로 이루어져 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 시스템을 구성하여 워터펌프의 순환량을 증가 또는 감소시킴에 따라 상기 구동시스템 내의 냉각수량을 조절하여 적정온도를 유지함으로써, 구동시스템의 효율을 증대시킴은 물론, 그 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 자동차의 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 자동차는 연료전지에서 발생한 전기적 에너지를 모터로 전달하여, 그 힘으로 주행을 하는 바, 수소와 공기의 결합으로 발생되는 전기 에너지원을 이용하여 구동하도록 되어 있다.

이와 같은 연료전지 자동차의 구동시스템(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 통상 전기를 발생시키는 연료전지장치와 모터를 구동시키는 모터구동장치로 구성된다.

여기서, 상기 연료전지장치는 수소와 공기를 공급하는 연료전지 제어부와 수소와 공기를 화학적으로 결합시켜 전기를 발생시키는 연료전지 스택부로 이루어져 있으며, 상기 모터구동장치는 구동 전력을 발생시켜 모터에 공급하는 인버터(110)와 회전력을 발생시키는 모터(120) 및 상기 인버터(110)의 IGBT스위칭을 제어하여 상기 모터(120)의 구동과 토크 및 속도를 제어하는 모터제어유닛(Motor Control Unit:MCU)(130) 등으로 구성되어 있다.

한편, 연료전지 자동차의 구동시스템(100)의 모터구동장치는 냉각성 확보를 위하여 각각 냉각시스템에 의해 냉각되어지는 바, 상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(MCU)(130)을 각각 냉각시키는 3개의 라디에이터(140)와, 오일쿨러(150)와, 에어컨 컨덴서(160) 등이 자동차의 전면에 장착되어 있다.

그런데, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진 구동방식에 의한 일반적인 가솔린 또는 디젤 자동차의 구동시스템과 비교하여 레이 아웃 상, 제약이 크게 발생하는 문제점이 있으며, 또한 개별 라디에이터(140)와 각 부품으로 연결되는 호스류의 수량이 많아지게 되고, 각 부품에서 생긴 열을 상기 라디에이터(140)로 전달하기 위한 별도의 워터펌프(170)는 그 용량이 매우 적기 때문에 개별 라디에이터(140)가 가지는 크기에 비하여 효율이 떨어지는 문제점이 있다.[약 5 ~ 10 liter/분]

더불어, 자동차 내부의 전자부품 보호를 위하여 상기 에어컨 컨덴서(160)를 라디에이터(140)의 후방에 장착하므로 에어컨의 냉각성능이 저하되는 문제점이 있 다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 모터, 인버터, 모터제어유닛(MCU) 등과 같은 연료전지 자동차의 구동시스템에 별도 구성되어 있는 라디에이터를 단일개의 통합 라디에이터로 구성하여 자동차의 레이아웃을 최적화하고, 상기 라디에이터와 각각의 구동시스템 간에 대용량을 갖는 단일개의 전기식 워터펌프를 장착하고, 그 입출력측 라인에 4웨이 밸브를 설치하여 호스류의 수량을 축소하는 한편, 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서와, 상기 냉각수온센서로부터 검출된 신호를 입력신호로 하며 상기 검출된 신호에 따라 솔레노이드 밸브에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 선택적으로 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브로 이루어져 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 시스템을 구성하여 워터펌프의 순환량을 증가 또는 감소시킴에 따라 상기 구동시스템 내의 냉각수량을 조절하여 적정온도를 유지함으로써, 구동시스템의 효율을 증대시킴은 물론, 그 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 자동차의 냉각시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 라디에이터와, 오일쿨러와, 에어컨 컨덴서 등이 자동차의 전면에 장착되어 인버터, 모터, 모터제어유닛 등으로 이루어진 연료전지 자동차의 구동시스템을 냉각시키는 냉각시스템에 있어서,

상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)은 단일개의 통합구조로 이루어진 라디에이터(11)를 통하여 냉각작동이 수행되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 구동시스템(100)과 통합 라디에이터(11) 입구측 사이에는 단일개의 전기식 대용량 워터펌프(13)가 장착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 통합 라디에이터(11)의 입구측은 상기 구동시스템(100)에서의 개별적인 냉각수의 유동을 단일개의 제1측 4웨이밸브(12a)를 통하여 통합시켜 순환되도록 하고, 출구측은 제2측 4웨이밸브(12b)를 통하여 각각의 구동시스템(100)으로 분기될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서(14)와, 상기 구동시스템(100)의 모터제어유닛(130)으로부터 차속 및 TPS 개도량에 따라 자동차의 주행상태를 판단하고, 상기 냉각수온센서(14)로부터 검출된 냉각수온값을 설정 온도값과 비교 판단하여 솔레노이드 밸브(16)에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)(15)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브(16)로 이루어진 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 자동조절시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 에어컨 컨덴서(17)는 라디에이터(11)의 전방에 위치하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템의 제어상태를 나타내는 플로우차트이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 구동시스템(100)의 모터구동장치는 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(Motor Control Unit:MCU)(130) 등으로 이루어지는 바, 상기 인버터(110)는 모터(120)를 구동시킬 수 있는 구동 전력을 발생시켜 모터(120)에 공급하게 되고, 상기 모터(120)는 인버터(110)에서 발생된 전력을 받아 동작하여 회전력을 발생시키게 되며, 상기 모터제어유닛(130)은 상기 인버터(110)의 IGBT스위칭을 제어하여 모터(120)의 구동과 토크 및 속도를 제어하게 된다.

이러한 구조로 이루어진 연료전지 자동차의 구동시스템(100)의 모터구동장치에 있어서, 상기 모터구동장치는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 냉각시스템(10)의 순환작용에 의해 냉각되어지는 바, 상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)은 종래 별도로 구성되어 있는 각각의 라디에이터를 배제하고, 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)을 단일개의 통합구조로 이루어진 라디에이터(11)를 통해 냉각시키게 된다.

또한, 상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)에 연결된 호스류는 제1측 4웨이밸브(12a)를 통하여 단일개의 라인으로 상기 통합 라디에이터(11)의 입 구측과 연결되며, 그 출구측의 라인은 다시 제2측 4웨이밸브(12b)를 통하여 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)에 분기되어 연결된다.

즉, 상기 통합 라디에이터(11)의 입구측은 상기 구동시스템(100)에서의 개별적인 냉각수의 유동을 단일개의 제1측 4웨이밸브(12a)를 통하여 통합시켜 순환되도록 하고, 출구측은 다시 제2측 4웨이밸브(12b)를 통하여 각각의 구동시스템(100)으로 분기될 수 있도록 한 것이다.

이는 종래의 개별 라디에이터의 레이아웃 상의 제약을 해결할 수 있으며, 그로 인해 냉각수의 유동라인인 다량의 복잡한 호스류 연결 또한 단일개로 통합 가능하게 된다.

그리고, 상기 구동시스템(100)과 통합 라디에이터(11)의 입구측 사이에 장착되어 배터리 등을 이용한 회전운동을 통해 냉각수를 순환시키는 워터펌프(13)는 대용량을 갖는 단일개의 전기 구동방식으로서, 종래 다수의 전기 구동방식에 비하여 용량의 증대[최대 60 ~ 80 liter/분]를 가져오게 되어 각각의 구동시스템(100)과 상기 통합 라디에이터(11) 간의 효율을 극대화시키게 된다.

한편, 시간에 따라 변화하는 엔진 작동 상태 즉, 자동차의 주행상태에 따라 냉각수의 온도가 유동적으로 가변될 수 있도록 상기 통합 라디에이터(11)의 냉각수량을 결정하는 바, 도시된 바와 같이, 상기 구동시스템(100)의 냉각 전열량을 검출하여, 냉각수의 유동을 차단하거나 통과시키게 된다.

이를 실현하기 위하여, 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서(14)와, 상기 구동시스템(100)의 모터제어유닛(130)으로부터 차속 및 TPS 개도량에 따라 자동차 의 주행상태를 판단하고, 상기 냉각수온센서(14)로부터 검출된 냉각수온값을 설정 온도값과 비교 판단하여 솔레노이드 밸브(16)에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)(15)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브(16)로 이루어진 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 자동조절시스템이 구성되어 있다.

더욱 상세하게는, 상기 냉각제어유닛(15)은 모터제어유닛(130)으로부터 자동차의 주행상태(TPS개도 및 차속) 및 냉각수온센서(14)의 온도정보를 입수하게 되며, 이를 설정 기준값과 비교 판단하여 냉각수온이 기준값을 초과할 경우, 솔레노이드 밸브(16)의 제어신호를 통해 설정 조건에 맞는 워터펌프(13)의 순환량을 출력하여 냉각수를 순환시키게 된다.

이때, 상기 구동시스템(100) 출구에 부착된 각각의 냉각수온센서(14)의 냉각수온이 기준치 미만으로 해당 장치의 냉각이 필요없는 경우에는 해당 솔레노이드 밸브(16)를 닫아 냉각수의 흐름을 차단하게 된다.

한편, 에어컨 컨덴서(17)를 일반적인 자동차와 동일하게 라디에이터(11)의 전방에 위치시켜 에어컨의 성능이 종래 연료전지 자동차의 냉각시스템에 비하여 향상되도록 구성되어 있다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템의 작동원리에 대하여 도 3을 참조하여 설명하자면, 먼저 냉각제어유닛(15)은 차속 및 TPS의 개도를 모터제어유닛(130)으로부터 입수하여 연료전지 자동차의 주행상태 즉, 아이들, 일반주행, 고속주행, 등판주행 중 어느 한 주행상태로 판단하게 된다.

이중 일반주행 상태일 경우, 연료전지 자동차의 구동시스템(100)인 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)으로부터 그 개별장치 내에 흐르는 냉각수의 온도를 냉각수온센서(14)를 통해 센싱하고, 상기 냉각수온센서(14)로부터 검출된 신호를 입력신호로 하여 그 검출된 신호에 따라 솔레노이드 밸브(16)를 제어하게 되는 바, 그 장치의 냉각수온이 설정기준값과 비교하여 그 기준값 미만일 경우, 솔레노이드 밸브(16)를 차단하여 워터펌프(13)의 냉각수량을 줄이게 되는데 이는 해당장치의 냉각이 필요없는 것으로 판단하여 이와 같이 작동하게 되며, 상기 개별장치의 냉각수온이 설정기준값과 비교하여 그 기준값을 초과할 경우, 상기 솔레노이드 밸브(16)를 개방하여 워터펌프(13)의 냉각수량을 증대시키게 되므로 해당장치의 냉각이 용이하게 이루어지게 되는 것이다.

이에 따라, 연료전지 자동차의 주행상태별로 냉각수의 최대 순환량에 차이가 발생하게 되며, 이를 통한 워터펌프(13)의 순환량을 증가 또는 감소시킴으로써, 구동시스템(100) 내의 냉각수량을 조절하여 적정온도를 유지할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 냉각시스템에 의하면, 통합 라디에이터 적용으로 배관 및 라디에이터의 수량 축소를 도모하여 자동차의 레이아웃이 최적화되고, 필요 냉각수 유량 확보로 통합 라디에이터의 효율이 증대되며, 상기 통합 라디에이터 전면에 에어컨 컨덴서의 부착이 가능하여 에어컨 성능 의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

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라디에이터와, 오일쿨러와, 에어컨 컨덴서 등이 자동차의 전면에 장착되어 인버터, 모터, 모터제어유닛 등으로 이루어지되, 상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)은 단일개의 통합구조로 이루어진 라디에이터(11)를 통하여 냉각작동이 수행되는 연료전지 자동차의 냉각시스템에 있어서,

상기 통합 라디에이터(11)의 입구측은 구동시스템(100)에서의 개별적인 냉각수의 유동을 단일개의 제1측 4웨이밸브(12a)를 통하여 통합시켜 순환되도록 하고, 출구측은 제2측 4웨이밸브(12b)를 통하여 각각의 구동시스템(100)으로 분기될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 냉각시스템.
라디에이터와, 오일쿨러와, 에어컨 컨덴서 등이 자동차의 전면에 장착되어 인버터, 모터, 모터제어유닛 등으로 이루어지되, 상기 인버터(110), 모터(120), 모터제어유닛(130)은 단일개의 통합구조로 이루어진 라디에이터(11)를 통하여 냉각작동이 수행되는 연료전지 자동차의 냉각시스템에 있어서,

냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서(14)와, 구동시스템(100)의 모터제어유닛(130)으로부터 차속 및 TPS 개도량에 따라 자동차의 주행상태를 판단하고, 상기 냉각수온센서(14)로부터 검출된 냉각수온값을 설정 온도값과 비교 판단하여 솔레노이드 밸브(16)에 제어신호를 출력하는 냉각제어유닛(CCU)(15)과, 출력측 라인에 배치되어 상기 밸브 제어신호에 따라 냉각수를 차단 또는 통과시키는 솔레노이드 밸브(16)로 이루어진 냉각수의 순환량을 자동 조절하는 자동조절시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 냉각시스템.
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