KR101189581B1 - 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법 - Google Patents

냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에 관한 것으로서, 통상의 전기히터와 더불어 추가적인 난방 열원을 사용하여, 전기히터의 단독 사용으로 인한 전력 소모 과다 문제와 연비 저하의 문제를 해소할 수 있는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 실내온도가 운전자 설정온도에 비해 낮은 경우, 배터리 SOC를 체크하여 배터리 SOC가 설정된 하한치를 초과할 경우 배터리의 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와; 배터리 SOC가 상기 하한치 이하이면 연료전지 스택의 발전 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와; 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도 이상이면 전기히터와 더불어 히터코어를 사용하여 실내난방을 수행하는 단계와; 이후 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 이상이 되면 전기히터를 오프시키고 히터코어 단독으로 실내난방을 수행하는 단계;를 포함하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법이 개시된다.

Description

냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법{Heating control method for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통상의 전기히터와 더불어 연료전지 스택의 냉각수 폐열을 이용하는 추가적인 난방 열원을 사용하여 연료전지 자동차의 난방을 제어하는 방법에 관한 것이다.
오늘날 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차는 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등과 같은 많은 문제점을 가지고 있다. 그리고, 지구상에 존재하는 화석연료는 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 위기에 처해 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 구동모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)나, 엔진과 구동모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 구동모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등의 전기자동차가 개발되어 왔다.
이러한 전기자동차의 실내난방을 위해서는 엔진의 고온 냉각수를 이용하는 내연기관 자동차(엔진 폐열 온수식 히터를 구비함)와는 달리 전기히터가 사용될 수 있다.
특히, 순수 전기자동차(전기히터 단독 사용)나 하이브리드 자동차(엔진 폐열과 전기히터 병행 사용), 연료전지 자동차(전기히터 단독 사용)의 경우 엔진이 아예 없거나 엔진이 정지하는 모드가 존재하므로 실내난방을 위해 전기히터의 사용이 필수적이다.
전기히터의 예로는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터가 널리 사용되고 있으며, 이 PTC 히터는 디젤 자동차에서 이미 엔진 폐열과 더불어 난방 열원으로 사용하고 있는 것으로, 급속한 발열이 가능하므로 실내온도를 쉽게 승온시킬 수 있고, 간단한 제어로직으로도 쉽게 난방을 제어할 수 있다.
그러나, 순수 전기자동차나 연료전지 자동차 등의 친환경 차량에서 난방을 위해 PTC 히터(예, 5kW급 대용량)를 단독으로 사용하면, PTC 히터를 작동시키기 위해 배터리 전력이나 연료전지 전력 등의 차량 내 전력을 소비해야 하므로 주행 가능 거리가 짧아지는 문제가 발생하게 된다.
연료전지 자동차의 경우에도 차량에서 생성된 전력, 즉 연료전지의 발전 전력 또는 연료전지의 발전으로 충전된 배터리의 전력을 사용하여 PTC 히터를 작동시키지만, 엔진이 존재하지 않아 PTC 히터의 용량을 증대시켜 단독으로 사용하므로, 실내난방을 위한 과도한 전력 소비(연료인 수소 사용량 증가)가 연비 저하의 주된 요인으로 작용하고 있다.
또한 대용량의 PTC 히터를 단독 사용하는 종래의 난방시스템에서는 실내온도를 신속히 승온시킬 수는 있으나 최대난방성능은 미흡한 실정이며, 특히 외기온이 낮은 겨울철 주행 중에 블로워팬을 오프시켜 주행풍을 난방용 공기로 사용할 경우 PTC 히터가 작동되는 상태라 하더라도 차가운 외기와의 열교환으로 난방 열원인 PTC 히터의 표면부가 급격히 온도 하강하면서 실내에는 차가운 공기가 유입된다.
연료전지 자동차의 다른 난방시스템으로 CO2를 이용한 히트 펌프 시스템이 있으나, 이는 기존 시스템에서 차량 내 변경량이 과다하여 고비용 및 양산성에 문제가 있고, 고압 조건으로 인한 안전성 문제가 제기되고 있는 실정이다.
도 1은 연료전지 자동차에서 겨울철 실내난방시 요구되는 난방 부하에 따라 PCT 히터가 3단(1kW/3kW/5kW)으로 제어되는 예를 나타내는 도면으로, 실내온도를 설정온도로 유지시키기 위해 난방 부하의 증감에 따라 PCT 히터의 발열량을 증감시키는 예를 보여주고 있다.
예컨대, 난방시스템의 작동 동안 실내온도가 설정온도를 충족하지 못할 경우 도시된 예와 같이 PTC 히터(최대용량 5kW)의 발열량을 1kW에서 3kW, 5kW 형태로 단계적으로 증가시키게 된다.
이와 같이 종래에는 연료전지 자동차에서 겨울철 실내난방을 위해 PCT 히터를 단독으로 사용하고 있고, 이 경우 전력 소모로 인한 급격한 연비 저하의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 통상의 전기히터와 더불어 추가적인 난방 열원을 사용하여 전기히터의 단독 사용으로 인한 전력 소모 과다 문제와 연비 저하의 문제를 해소할 수 있는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 실내로 공급되는 공기를 통과시켜 승온시키는 전기히터와, 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 냉각수 라인에 설치되어 실내로 공급되는 공기를 연료전지 스택에서 나온 냉각수와의 열교환을 통해 승온시키는 히터코어가 설치된 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에 있어서, a) 실내온도가 운전자 설정온도에 비해 낮은 경우, 배터리 SOC를 체크하여 배터리 SOC가 설정된 하한치를 초과할 경우 배터리의 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와; b) 상기 (a) 단계에서 배터리 SOC가 상기 하한치 이하이면 연료전지 스택의 발전 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와; c) 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도 이상이면 전기히터와 더불어 히터코어를 사용하여 실내난방을 수행하는 단계와; d) 이후 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 이상이 되면 전기히터를 오프시키고 히터코어 단독으로 실내난방을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에서는 전기히터와 더불어 추가적인 난방 열원으로서 연료전지 스택으로부터 나온 냉각수의 폐열을 이용하여 실내난방용 공기를 승온시키는 히터코어를 추가로 사용함으로써, 전기히터의 단독 사용으로 인한 전력 소모 과다 문제를 해소할 수 있고, 연료전지 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
특히, 냉각수 라인에 냉각수 폐열을 이용하기 위한 히터코어의 추가 및 제어 로직 추가만으로 구현이 가능하므로 시스템 변경 및 비용을 최소화하는 수준에서 종래의 문제점이 해소될 수 있는 이점이 있다.
또한 전기히터와 히터코어를 병행하여 사용하므로 실내온도의 신속한 상승이 가능한 동시에 우수한 최대난방성능을 가지게 된다.
또한 본 발명에서는 냉각수를 급속 승온시킬 수 있는 COD 및 기존 전기히터와 연계되는 다양한 난방 제어 로직을 구현할 수 있고, 냉각수 펌프의 회전수와 3-웨이 밸브의 개도각 제어, 및 이를 통한 냉각수 유량 및 히터코어 공급열량의 최적 제어가 가능하고, 난방 효율을 극대화하는 것이 가능해진다.
특히, 전기히터의 제어와 더불어 냉각수 유량 제어로 실내온도를 운전자가 원하는 설정온도로 빠르게 승온시킬 수 있는 보다 정밀한 열량 제어가 가능하게 되어 공조 쾌적성이 향상된다.
또한 연료전지 아이들 스탑(연료전지 스택의 발전 중지)시 난방 부하의 필요에 따라 종래에는 배터리 전력이 부족할 경우 연료전지 스택을 구동하여 배터리를 충전하고 동시에 전기히터를 스택 전력으로 즉시 구동시키나, 본 발명에서는 스택을 정상 운전온도까지 올리는 중간에도 히터코어를 통해 냉각수 폐열을 실내난방에 사용할 수 있는 바, 에너지 이용률이 극대화될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 난방시스템에서는 부족한 열량을 히터코어를 통해 냉각수 폐열(스택 폐열, 즉 스택이 난방 열원을 분담)이 담당하게 되므로 전기히터의 용량 및 크기 축소가 가능해진다.
또한 종래의 히트 펌프 시스템의 고압 조건, 고용량 전기히터의 고전압 조건으로 인한 안전상의 위험을 줄일 수 있다.
도 1은 연료전지 자동차에서 겨울철 실내난방시 난방 부하에 따라 PCT 히터가 제어되는 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 난방시스템을 도시한 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 난방시스템의 제어상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에 관한 것으로서, 전기히터와 더불어 연료전지 스택의 냉각수가 통과하는 히터코어를 추가적인 난방 열원으로 사용하여 냉각수의 폐열을 실내난방에 이용할 수 있도록 한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 난방시스템을 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이 냉각수를 통과시켜 공기와 냉각수 간의 열교환을 통해 공기를 승온시키는 히터코어(42)가 추가로 구비된다.
도 2를 참조하면, 전기히터(PTC 히터)(41)와 더불어 본 발명에서 연료전지 자동차의 난방 열원으로 새로이 추가되는 히터코어(42)가 도시되어 있고, 연료전지 스택(10)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택(10)의 운전온도를 제어하기 위한 냉각시스템이 도시되어 있다.
이와 더불어, 연료전지 스택(10) 내부의 잔류 산소를 제거하기 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion)(31), 및 냉각수에 포함된 이온을 제거하기 위한 이온제거기(DMN:De-Mineralizer)(45)가 도시되어 있다.
먼저, 연료전지 스택(10)을 적정 운전온도로 제어하기 위한 냉각시스템의 구성은, 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(21)와, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(10)과 라디에이터(21) 사이에 구성되는 냉각수 라인(22)과, 라디에이터(21)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인(23) 및 3-웨이(3-way) 밸브(24)와, 냉각수 라인(22)을 순환하도록 냉각수를 펌핑, 압송하는 냉각수 펌프(25)를 주된 구성으로 한다.
여기서, 바이패스라인(23)은 라디에이터(21) 상, 하류측의 냉각수 라인(22)에서 분기되어 라디에이터(21)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키는 냉각수 라인이다.
또한 상기 3-웨이 밸브(24)로는 제어기(100)로부터 인가되는 제어신호에 의해 밸브 액츄에이터가 구동되면서 냉각수가 라디에이터(21)를 선택적으로 통과하도록 냉각수 흐름을 절환시키는 전자식 밸브가 사용될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 3-웨이 밸브(24)로서 밸브 액츄에이터로 스텝 모터가 사용되어 제어기(100)에서 인가되는 제어신호에 의해 개도각이 제어됨으로써 양측 경로(라디에이터 경로와 바이패스라인 경로)로의 개도량 제어가 가능한 전자식 밸브가 사용될 수 있는데, 이 경우 라디에이터(21)를 통과하는 냉각수의 양과 바이패스되는 냉각수의 양이 적절히 분배 제어될 수 있다.
냉각수 펌프(25)는 냉각수 라인(22)을 따라 냉각수를 순환시켜 냉각수의 온도를 일정하게 유지하게 되며, 3-웨이 밸브(24)의 개도각 제어와 더불어, 제어기(100)가 냉각수 펌프(25)의 회전수를 제어하는 경우 후술하는 히터코어(42)로 통과하는 냉각수의 유량을 능동적으로 제어할 수 있게 되므로, 히터코어(42)를 이용한 실내난방시 히터코어의 방열량(난방용 공기 가열에 사용) 및 실내에 공급되는 열량을 제어할 수 있게 된다.
예컨대, 블로워팬(43)이 구동되는 상태에서 수온센서(104)(스택 냉각수 출구 온도 센서)에 의해 검출되는 냉각수 온도와 PTC 작동 여부, 실내온 센서(103)에 의해 검출되는 실내온도, 운전자가 공조스위치(101)를 통해 설정한 설정온도(공조 목표온도) 등을 고려하여 냉각수 펌프(25)의 회전수 및 3-웨이 밸브(24)의 개도각을 제어하는 것이 가능하고, 이를 통해 히터코어(42)에 의한 공급열량을 제어할 수 있다.
냉각수 라인(22)에 설치되는 COD(31)는 연료전지 스택(10)의 양단에 연결되어 연료전지 셧다운(shutdowm)시 수소와 산소 반응에 의한 전력 생성을 열에너지로 소비함으로써 연료전지 스택(10) 내부의 산소를 제거하고, 이로써 촉매 담지 카본의 부식으로 인한 스택 내구성 저하를 방지하는 것이 주된 용도이다.
이러한 COD(31)는 산소 제거를 위해 스택 부하를 소모하는 주된 기능 외에, 하우징 내 부하 소모를 위한 다수개의 히터봉을 구비한 발열장치의 구성을 가지므로, 냉각수 라인(22)에 설치되어 하우징 내부 및 히터봉 주변으로 냉각수를 통과시킴으로써, 스택 온도가 저온 상태이면서 스택의 전력 소모를 극대화해야 하는 시동 초기에 연료전지 스택(10)의 전력 생성이 원활해지도록 냉각수를 급속 가열(스택 온도를 효율이 높은 영역으로 급속 승온)하는 통합 히터형으로 구성될 수 있다.
이러한 통합 히터형 구조에서는 하우징 내부에 히터봉이 삽입된 구조이면서 냉각수가 하우징 내부 유입된 뒤 히터봉 주변을 지나 하우징 외부로 배출되는 구조를 가지므로, 상기 히터봉들이 부하 소모를 위한 저항체이자 냉각수를 급속 가열하는 발열체의 역할을 하게 된다.
이온제거기(45)는 냉각수에 포함된 이온을 제거하여 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하고, 이로써 냉각수를 통한 스택 전류의 누설을 막아주게 된다.
이온제거기(45)는 연료전지 스택(10)과 3-웨이 밸브(24) 사이의 주 냉각수 라인에 설치될 수도 있고, 또는 연료전지 스택(10)과 3-웨이 밸브(24) 사이의 주 냉각수 라인에서 분기된 별도의 바이패스라인, 예컨대 냉각수 펌프(25)의 상류측과 하류측의 주 냉각수 라인(22)에서 분기된 바이패스라인(26)에 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 연료전지 자동차의 실내난방용 열원으로서 전기히터(41)와 더불어 냉각수 폐열을 이용하여 실내난방용 공기를 승온시키는 히터코어(42)가 별도의 난방 열원으로 추가 구비된다.
상기 히터코어(42) 역시 전기히터(41)와 마찬가지로 블로워팬(43)에 의해 송풍되는 공기(외기 또는 내기)를 통과시켜 승온시키는데, 블로워팬(43)의 구동시 흡입된 공기가 공조덕트(1)로 도입된 후 전기히터(41)와 히터코어(42)로 공급되면, 전기히터(41)와 히터코어(42)을 통과하면서 승온되고, 이후 차량 실내로 연결된 덕트를 통해 안내된 뒤 덕트 끝단의 토출구를 통해 차량 실내로 최종 토출된다.
히터코어(42)에서는 연료전지 스택(10)을 통과한 냉각수가 히터코어의 튜브 내부를 통과하는 동안 냉각수와 히터코어의 냉각핀(Fin) 주변을 통과하는 공기 간의 열교환이 이루어지게 된다.
상기 히터코어(42)와 전기히터(41)는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 전후로 배치하는 것이 가능하며, 예컨대 히터코어(42)를 전방에, 전기히터(41)를 후방에 배치하여, 블로워팬(43)에 의해 송풍된 공기가 히터코어(42), 전기히터(41)의 순으로 통과하도록 할 수 있다.
이 경우, 연료전지 스택(10)의 운전 중 히터코어(42)가 지속적으로 열(냉각수 페열)을 공급하는 구조이므로, 외기온이 낮은 겨울철 주행 중에 블로워팬(43)을 오프시켜 주행풍을 난방용 공기로 사용하더라도 히터코어(42)에 의해 1차적으로 승온된 공기가 전기히터(41)에 의해 추가로 승온될 수 있고, 이에 실내에 차가운 공기가 유입되는 것을 어느 정도 해소할 수 있게 된다.
또는 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 히터코어(42)와 전기히터(41)가 블로워팬(43)에 의해 공급되는 공기를 통과시키도록 이웃 배치되어 장착될 수 있다.
이 경우, 히터코어(42)의 전방에 블로워팬(43)에 의해 송풍된 공기가 전기히터(41)만을 단독으로 통과할 수 있도록 히터코어측 경로를 선택적으로 차단시켜 주는 댐퍼도어(44)가 설치될 수 있다.
상기 댐퍼도어(44)는 제어기(100)에 의해 구동이 제어되는 것으로, 난방 열원으로 PTC 히터(41)를 단독으로 사용하거나 냉각수 온도를 급격히 상승시키고자 할 경우 댐퍼도어(44)를 이용해 히터코어(42)로는 공기가 공급되지 않도록 차단할 수 있다.
댐퍼도어(44)가 히터코어측 경로를 차단할 경우, 블로워팬(43)의 구동시 히터코어(42)측으로의 공기 유입이 차단되면서, 히터코어(42)에서 냉각수와 공기 간 열교환이 이루어지지 않게 되므로 냉각수의 온도가 신속히 상승될 수 있다.
본 발명에서 전기히터(41)는 종래와 마찬가지로 PCT 히터가 될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서 추가적인 난방 열원으로 사용되는 히터코어(42)는, 연료전지 스택(10)에서 나오는 냉각수의 폐열을 이용하여 실내난방용 공기(블로어팬에 의해 송풍되어 실내로 토출되는 공기)의 온도를 승온시킬 수 있도록, 연료전지 스택(10)에서 나온 냉각수가 통과하는 위치, 즉 냉각수 순환 경로를 기준으로 연료전지 스택(10)의 하류측에 설치된다.
즉, 실내난방에 냉각수 폐열(스택 폐열)이 사용될 수 있도록, 히터코어(41)를 연료전지 스택(10)의 하류측에 설치하여, 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 과정에서 승온된 냉각수가 히터코어(42)의 열매(熱媒)로 사용될 수 있도록 하는 것이다.
또한 히터코어(42)는 이온제거기(45)가 설치된 별도의 바이패스라인(26)에 설치될 수 있다.
예컨대, 냉각수 펌프(25) 및 COD(31)의 상류측과 하류측의 주 냉각수 라인(22)에서 별도의 바이패스라인(26)을 분기 연결한 뒤, 상류측과 하류측 사이를 연결하는 상기 바이패스라인(26)에 히터코어(42)와 이온제거기(45)를 설치한다.
이때, 히터코어(42)를 냉각수 순환 경로상 이온제거기(45)의 상류측에 설치하는 것이 바람직하다.
이는 이온제거기(45)에 충전된 이온수지가 높은 온도에서 이온 제거 성능이 저하됨을 고려한 것으로, 히터코어(42)의 후방에 이온제거기(45)를 설치함으로써 히터코어에서 실내난방용 공기에 열을 빼앗긴 낮은 온도의 냉각수, 즉 히터코어에서 공기와의 열교환을 통해 냉각된 냉각수가 이온제거기(45)로 유입될 수 있게 된다.
또한 COD(31)를 냉각수 펌프(25)의 하류측에 설치하고, 히터코어(42)를 냉각수 순환 경로상 냉각수 펌프(25), COD(31)의 하류측에 설치하여, 냉각수 펌프(25)와 COD(31)를 차례로 통과한 냉각수가 히터코어(42)를 통과하도록 한다.
상기 COD(31)는 후술하는 바와 같이 연료전지 아이들 스탑 상태에서 난방시스템 작동시(난방 부하 필요시) 연료전지 스택(10)에서 생성된 전기에너지를 열로 변환하여 냉각수의 온도를 승온시키고, 이때 COD(31)에 의해 승온된 냉각수가 히터코어(42)로 보내져야 하므로, 냉각수 순환 경로상 히터코어(42)의 상류측에 COD(31)가 위치해야 한다.
또한 여름철 등에서 난방시스템의 오프시 COD(31)에서 발생한 냉각수의 열을 라디에이터(21)에서 즉시 방출시켜 냉각해야 하므로, COD(31)를 거친 후 냉각수가 라디에이터(21)를 선택적으로 통과하여야 한다.
따라서, COD(31)를 통과한 냉각수가 라디에이터(21)를 통과하거나 라디에이터(21)를 통과하지 않도록, 라디에이터(21)가 설치되는 냉각수 라인(22)과, 라디에이터(21)를 통과하지 않도록 설치되는 바이패스라인(23)이 COD(31) 출구측(냉각수 순환 경로상 하류측)에서 분기되어야 한다.
이에 따라, 연료전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 냉각수가 냉각수 펌프(25)를 통과한 뒤 COD(31), 히터코어(42), 이온제거기(45)를 차례로 통과하게 되고, 또한 3-웨이 밸브(24)의 개도상태에 따라 COD(31)를 통과한 냉각수가 라디에이터(21)를 거치면서 방열될 수 있다.
이러한 구조에서는, 실내난방시 라디에이터(21)로 냉각수가 순환되지 않도록 3-웨이 밸브(24)가 라디에이터(21)측 냉각수 경로를 차단한 상태일 때, 연료전지 스택(10)의 냉각수 채널 출구에서 배출된 고온의 냉각수가 냉각수 펌프(25)의 축동력 손실에 의해 추가로 덥혀진 후 라디에이터(21)를 통과하지 않고 최대로 승온된 상태에서 히터코어(42)로 유입될 수 있다.
한편, 도 3과 도 4는 상술한 본 발명의 난방시스템이 제어되는 상태를 예시한 도면으로서, 먼저 도 3에 나타낸 바와 같이 차량 주행 및 연료전지 스택의 정상 운전 중인 상태에서는 실내난방시 요구되는 난방 부하의 증감에 따라 히터코어(42)만 작동시키는 히터 1단 상태, 히터코어(42)와 PTC 히터(41)를 함께 작동시키는 히터 2단 상태, PTC 히터(41)만을 작동시키는 히터 3단 단계 중 어느 하나로 제어할 수 있다.
여기서, 난방 부하가 가장 작을 경우 히터 1단 상태(히터코어 단독 사용)로, 난방부하가 증가할수록 히터 2단(히터코어+PTC 히터 1kW), 히터 3단(PTC 히터 3kW)의 순으로 제어하게 되며, 또한 난방 부하가 감소할수록 히터 3단, 2단, 1단의 순으로 단계적으로 제어하는 것이 가능하다.
다만, 히터 2단의 PTC 히터 출력에 비해 히터 3단의 PTC 히터 출력을 증가시켜, 히터코어(42)를 추가 난방 열원으로 함께 사용하는 히터 2단(1kW)에 비해, PTC 히터(41)를 단독으로 사용하는 히터 3단(3kW)에서 PTC 히터의 발열량을 증가시킨다.
PTC 히터(41)만을 단독으로 사용하는 히터 3단의 경우, 제어기(100)는 도 2에 도시된 댐퍼도어(44)의 위치를 히터코어(42)측 경로를 차단하는 위치(도 2에서 점선으로 표시됨)로 제어하여, 블로워팬(43)에 의해 송풍된 공기가 PTC 히터(41)만을 단독으로 통과하도록 하게 된다.
또한 히터코어(42)의 사용시 전술한 바와 같이 블로워팬(43)이 구동되는 상태에서 수온센서(104)에 의해 검출되는 냉각수 온도와 PTC 작동 여부, 실내온 센서(103)에 의해 검출되는 실내온도, 운전자가 공조스위치(101)를 통해 설정한 설정온도 등을 고려하여 냉각수 펌프(25)의 회전수 및 3-웨이 밸브(24)의 개도각을 제어하고, 이를 통해 히터코어(42)에 의한 공급열량을 제어하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 난방 제어 방법에서는 히터코어(42)를 별도 난방 열원으로 추가 사용하게 되므로 히터 2단에서는 PTC 히터(41)를 1kW로, 히터 3단에서는 PTC 히터(41)를 3kW로 작동시킬 수 있는 바, 도 1의 경우와 비교할 때 부족한 2kW를 히터코어(42)를 통한 냉각수 폐열이 담당하게 되어 PTC 히터(41)의 용량을 상대적으로 줄일 수 있다.
즉, 최대 5kW 용량의 PTC 히터 대신 3kW 용량의 PTC 히터가 사용될 수 있는 것이다. 또한 부족한 난방 부하를 냉각수 폐열이 담당하게 되면서 PTC 히터의 출력을 줄일 수 있고, PTC 히터의 소비 전력을 줄일 수 있는 바, 연비 개선의 효과를 기대할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여 아이들 스탑시를 설명하면 다음과 같다.
이하 설명에서 COD, 연료전지 스택의 제어 주체는 연료전지 시스템 제어기(도시하지 않음)가 될 수 있고, 도 2에서 도면부호 100의 제어기는 공조제어기가 될 수 있으며, 연료전지 시스템 제어기와 공조제어기, 배터리 제어기(BMS:Battery Management System)(배터리 SOC 전송, 도시하지 않음) 등의 제어기 간 협조 제어 하에 본 발명에 따른 제어 과정이 수행될 수 있다.
먼저, 아이들 스탑시 난방시스템이 작동되면(ON), 운전자가 공조스위치(101)로 설정한 설정온도(Tset)에 비해 실내온 센서(103)에 의해 검출된 실내온도(T)가 낮아 난방 부하가 필요한 경우, 공조제어기(100)가 배터리 제어기에서 전송된 배터리 SOC를 먼저 체크한다.
이때, 배터리 SOC가 설정된 하한치(S1)를 넘는 충분한 상태에서는 배터리(도시하지 않음)의 전력을 사용하여 PTC 히터(41)를 작동시킨다.
반면, 배터리 SOC가 하한치(S1) 이하인 경우, 배터리의 전력으로 PTC 히터(41)를 구동시킬 수 없으므로 반응가스를 공급하여 연료전지 스택(10)의 운전을 개시하고(스택 온(ON)), 연료전지 스택(10)의 국부 열화 방지를 위해 COD(31)를 작동시켜 냉각수의 온도를 승온시킨다.
이때, 수온센서(104)(스택 냉각수 출구 온도 센서)에 의해 검출된 냉각수 온도(Tw)가 스택 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도, 즉 COD(31)에 의해 최대로 승온될 수 있는 온도 T1(설정된 온도로서, 예를 들면, 58℃) 미만인 상태에서는 연료전지 스택(10)에서 생성된 전력으로 PTC 히터(41)를 작동시키고, 이 경우 PTC 히터(41)를 단독으로 사용하여 실내난방을 하되, 난방 부하에 따라 최대 출력 3kW까지 PTC 히터(41)의 출력을 적절히 제어한다.
이후 냉각수 온도(Tw)가 스택(10)의 열과 COD(31)의 열로 계속 상승하여 T1 이상이 되면, PTC 히터(41)와 함께 히터코어(42)를 사용하여 실내난방을 하게 되며, 이때에도 난방 부하에 따라 PTC 히터(41)의 출력을 적절히 제어하게 된다.
이후 냉각수 온도(Tw)가 연료전지 스택(10)의 정상 운전온도인 T2(설정된 온도로서, 예를 들면, 65℃) 이상으로 상승하게 되면, PTC 히터(41)를 오프(OFF)시키고, 히터코어(42)를 단독으로 사용하여 실내난방을 하게 된다.
물론, 히터코어(42)의 사용시 냉각수 온도(Tw)와 PTC 작동 여부, 실내온도(T), 설정온도(Tset) 등을 고려하여 냉각수 펌프(25)의 회전수 및 3-웨이 밸브(24)의 개도각을 제어하는 것이 가능하고, 이를 통해 히터코어(42)에 의한 공급열량을 제어할 수 있다.
이어 연료전지 스택(10)의 발전 전력으로 배터리가 계속 충전되어 배터리의 SOC가 설정된 기준치2(S2) 이상이 되는 만충(full charge) 상태가 되면, 연료전지 스택(10)을 다시 운전 정지(스택 오프)시키며, 이후 실내온도(T)가 설정온도(Tset) 아래로 낮아지는 경우 배터리의 전력을 사용하여 추가로 PTC 히터(41)를 작동시킨다.
상기와 같은 제어 과정은 연료전지 시동 초기인 경우에도 적용되는 프로세스로서, 연료전지 스택의 운전이 개시된 상태에서 난방 부하가 필요한 경우, 배터리 SOC를 체크하여 하한치(S1)를 넘는 충분한 상태에서는 배터리의 전력으로 PTC 히터(41)를 작동시키나, 배터리 SOC가 하한치(S1) 이하이면 연료전지 스택(10)의 발전 전력으로 PTC 히터(41)를 작동시킨다.
이때에도 COD(31) 작동 상태에서 냉각수 온도(Tw)가 T1 미만인 상태까지는 PTC 히터(41)를 단독으로 사용하여 실내난방을 하되, 난방 부하에 따라 최대 출력 3kW까지 PTC 히터(41)의 출력을 적절히 제어한다.
이후 냉각수 온도(Tw)가 스택(10)의 열과 COD(31)의 열로 계속 상승하여 T1 이상이 되면, PTC 히터(41)와 함께 히터코어(42)를 사용하여 실내난방을 하며, 난방 부하에 따라 PTC 히터(41)의 출력을 적절히 제어하게 된다.
또한 냉각수 온도(Tw)가 연료전지 스택(10)의 정상 운전온도인 T2 이상으로 상승하게 되면, PTC 히터(41)를 오프시키고, 히터코어(42)를 단독으로 사용하여 실내난방을 하게 된다.
여기서도 냉각수 온도(Tw)와 PTC 작동 여부, 실내온도(T), 설정온도(Tset) 등을 고려하여 냉각수 펌프(25)의 회전수 및 3-웨이 밸브(24)의 개도각을 제어하는 것이 가능하고, 이를 통해 히터코어(42)에 의한 공급열량을 제어할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 난방 제어 방법에서는 전기히터(41)와 더불어 연료전지 스택(10)의 냉각수가 통과하도록 구비되는 히터코어(42)를 별도 난방 열원으로 추가 이용할 수 있으므로, 실내난방시 PTC 히터(41)의 사용량을 줄일 수 있고, PTC 히터(41)에 의한 전력 소모를 줄여 연료전지 자동차의 연비 향상이 가능해진다.
특히, 연료전지 아이들 스탑(연료전지 스택의 발전 중지)시 난방 부하의 필요에 따라 종래에는 배터리 전력이 부족할 경우 연료전지 스택(10)을 구동하여 배터리를 충전하고 동시에 PTC 히터(41)를 스택 전력으로 즉시 구동시키나, 본 발명에서는 스택을 정상 운전온도까지 올리는 중간에도 히터코어(42)를 통해 냉각수 폐열을 실내난방에 사용할 수 있는 바, 에너지 이용률이 극대화될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 난방 제어 방법에서는 부족한 열량을 히터코어(42)를 통해 냉각수 폐열이 담당하게 되므로 PTC 히터(41)의 크기 및 용량 축소가 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 21 : 라디에이터
22 : 냉각수 라인 23 : 바이패스라인
24 : 3-웨이 밸브 25 : 냉각수 펌프
26 : 바이패스라인 31 : COD
41 : 전기히터(PTC 히터) 42 : 히터코어
43 : 블로워팬 44 : 댐퍼도어
45 : 이온제거기

Claims (8)

  1. 실내로 공급되는 공기를 통과시켜 승온시키는 전기히터와, 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 냉각수 라인에 설치되어 실내로 공급되는 공기를 연료전지 스택에서 나온 냉각수와의 열교환을 통해 승온시키는 히터코어가 설치된 연료전지 자동차의 난방 제어 방법에 있어서,
    a) 실내온도가 운전자 설정온도에 비해 낮은 경우, 배터리 SOC를 체크하여 배터리 SOC가 설정된 하한치를 초과할 경우 배터리의 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와;
    b) 상기 (a) 단계에서 배터리 SOC가 상기 하한치 이하이면 연료전지 스택의 발전 전력으로 전기히터를 작동시켜 실내난방을 수행하는 단계와;
    c) 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도 이상이면 전기히터와 더불어 히터코어를 사용하여 실내난방을 수행하는 단계와;
    d) 이후 냉각수 온도가 연료전지 스택의 정상 운전온도 이상이 되면 전기히터를 오프시키고 히터코어 단독으로 실내난방을 수행하는 단계;
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 b) 단계에서 연료전지 아이들 스탑 상태인 경우, 반응가스를 공급하여 연료전지 스택의 운전을 개시하고 COD를 작동시켜 냉각수 온도를 승온시키는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 발전 전력으로 배터리가 만충 상태가 되면 연료전지 스택을 운전 정지시키고, 이후 배터리의 전력을 사용하여 전기히터를 작동시키는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 c) 단계에서 냉각수 온도가 상기 연료전지 스택의 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도 미만이면 연료전지 스택의 발전 전력으로 전기히터를 단독으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 정상 운전온도 도달 전의 설정된 온도는 냉각수 온도가 COD에 의해 최대로 승온될 수 있는 온도로 설정된 것임을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) ~ d) 단계가 연료전지 스택의 운전 개시 이후 COD를 작동시켜 냉각수 온도를 승온시키는 연료전지 시동시 진행되는 프로세스인 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    차량 주행 및 연료전지 스택의 정상 운전 중 실내난방시 요구되는 난방 부하의 증감에 따라 히터코어 단독으로 실내난방을 수행하는 히터 1단 상태, 히터코어와 전기히터를 함께 사용하여 실내난방을 수행하는 히터 2단 상태, 및 전기히터만을 사용하여 실내난방을 수행하는 히터 3단 단계 중 어느 하나로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 히터코어의 사용시 냉각수 라인에 설치된 냉각수 펌프의 회전수와 3-웨이 밸브의 개도각을 냉각수 온도와 전기히터의 작동 여부, 실내온도, 운전자 설정온도에 따라 제어하여 히터코어를 통과하는 냉각수 유량 제어 및 히터코어를 통한 공급열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방 제어 방법.
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