KR101230900B1 - 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 에너지 저장장치를 구비한 차량용 연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있는 운전 제어 방법, 및 더욱 효율적인 아이들 스탑 및 재시동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드로 차량이 주행하는 단계와; 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 아이들 스탑 조건을 만족하면 연료전지로의 공기 공급을 중단하여 연료전지의 발전을 중지하고 연료전지 전압을 낮추는 단계와; 이어 고전압 배터리와 메인버스단 사이에 연결되어 연료전지 출력을 제어하기 위한 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V②)으로 하강시켜 유지하는 단계와; 상기 전력변환장치의 전압 하강 유지로 인해 메인버스단 전압이 연료전지 전압보다 낮아진 상태에서 연료전지의 캐소드 내 산소 소진시 생성되는 연료전지의 출력 전류로 고전압 배터리를 강제 충전하는 단계와; 연료전지 전압이 제거되어 아이들 스탑 진입이 완료되는 단계;를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법이 개시된다.

Description

연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법{Control method of fuel cell hybrid system}
본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 에너지 저장장치를 구비한 차량용 연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있는 연료전지의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이러한 차량용 연료전지 시스템에서는 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.
또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에는 연료전지의 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하될 수 있다(연료전지는 화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 무리가 감).
또한 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.
상기의 단점들을 보완하기 위한 방안으로 주동력원인 연료전지 외에 구동모터 및 고전압 부품 구동을 위한 별도의 보조동력원으로 에너지 저장장치, 예컨대 충/방전 가능한 고전압 배터리 또는 슈퍼커패시터(슈퍼캡)를 탑재할 수 있다.
한편, 차량용 연료전지 하이브리드 시스템에서는 차량의 아이들 상태에서 연료전지의 발전을 정지하는 아이들 스탑 기술이 적용되고 있다. 특히, 연료전지 시스템의 효율 향상, 내구성 증대를 위해서는 저출력 구간의 회피 운전이 꼭 필요하며, 그 구현 방법에 있어서는 다양한 기술이 제안되어 있다.
예컨대, 연료전지와 슈퍼캡이 직결된 직결형 시스템에서 단순히 공기 공급을 중단하여 연료전지의 출력을 중지하는 방법과, 연료전지단에 연결된 전력변환장치의 제어(양방향 전력변환장치의 전압 제어)를 통해 직접 연료전지의 출력을 제어하는 방법 등이 주를 이루고 있다.
미국특허 제7,196,492호는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 아이들 스탑 구현 방법에 관한 특허로서, 이 특허에서는 버스단의 전압과 그 변화율을 통해 아이들 스탑을 판단하여 연료전지단의 스위치 개폐 작동을 통해 연료전지의 발전 정지를 수행한다.
또한 미국특허 제7,377,345호는 연료전지단에 전력변환장치가 장착된 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 아이들 스탑 구현 방법에 관한 특허로서, 이 특허에서는 정상적인 부하 추종(Load Following) 운전 중 차량 부하가 작을 경우 연료전지의 최적 효율점으로 운전하는 연료전지 전류 생성 모드 제어를 수행하고, 에너지가 높을 경우 연료전지 발전을 정지하는 발전 정지 모드 제어를 수행한다.
또한 본 출원인에 의해 특허 출원된 공개특허 제2010-0005768호는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 시스템의 아이들 스탑 구현 방법에 관한 특허로서, 이 특허에서는 스위치 작동이나 전력변환장치의 작동 없이 특정 전압 영역에서는 공기의 공급을 멈추어 자동으로 발전이 정지되도록 하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 선행기술에 비해 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있는 연료전지의 운전 제어 방법이 필요하며, 특히 더욱 효율적인 아이들 스탑 및 재시동 제어 방법이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 에너지 저장장치를 구비한 차량용 연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있는 운전 제어 방법, 및 더욱 효율적인 아이들 스탑 및 재시동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드로 차량이 주행하는 단계와; 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 아이들 스탑 조건을 만족하면 연료전지로의 공기 공급을 중단하여 연료전지의 발전을 중지하고 연료전지 전압을 낮추는 단계와; 이어 고전압 배터리와 메인버스단 사이에 연결되어 연료전지 출력을 제어하기 위한 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V②)으로 하강시켜 유지하는 단계와; 상기 전력변환장치의 전압 하강 유지로 인해 메인버스단 전압이 연료전지 전압보다 낮아진 상태에서 연료전지의 캐소드 내 산소 소진시 생성되는 연료전지의 출력 전류로 고전압 배터리를 강제 충전하는 단계와; 연료전지 전압이 제거되어 아이들 스탑 진입이 완료되는 단계;를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법을 제공한다.
또한 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 연료전지 출력을 부하에 따라 제어하는 부하 추종 운전 제어를 수행하되, 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치를 설정하고, 운전 중 부하에 따라 제어되는 양방향 전력변환장치의 전압을 상기 전압 제어 상한치로 제한하는 전압 상한 제어를 수행하여, 전압 상한 제한시 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한되도록 함이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법은, 연료전지 시스템의 아이들 스탑 상태에서 재시동 조건을 만족하면 상기 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V③)으로 상승 후 유지시키는 단계와; 메인버스단 전압이 상승한 상태에서 공기 공급을 재개하여 연료전지의 전류 출력이 이루어지도록 하면서 연료전지 전압을 상기 설정값(V③)까지 상승시켜 연료전지 시스템을 재시동하는 단계와; 연료전지의 안정화 후 양방향 전력변환장치 전압의 설정값(V③) 유지를 해제하여 재시동 과정을 종료하고 연료전지 시스템의 정상 운전 모드로 진입하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법에 의하면, 양방향 전력변환장치의 전압 상한 제어를 통해 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있고, OCV 영역 회피 운전을 통한 연료전지 시스템의 내구성 향상, 저효율 회피 운전을 통한 차량 연비 향상의 효과가 있게 된다.
또한 아이들 스탑 과정에서 산소 소진시 발생하는 연료전지의 출력을 고전압 배터리를 충전하는데 사용할 수 있는 이점이 있고, 더욱 효율적인 아이들 스탑 및 재시동 제어가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 연료전지 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑(공기 공급 중단 및 연료전지의 발전 정지)/아이들 스탑 금지/시동 기준을 보여주는 도면이다.
도 3은 차량 부하 판단 조건의 기준을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 보여주는 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 차량용 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 에너지 저장장치가 탑재된 연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지의 저출력/저효율 구간을 효과적으로 회피하여 운전할 수 있는 연료전지의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 보조동력원인 에너지 저장장치(실시예에서 고전압 배터리)에 연결되어 있는 양방향 전력변환장치의 전압 제어와 공기 공급 제어를 병행하여 저출력 구간을 효과적으로 회피 운전하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 파워넷 구성도이다.
도시된 바와 같이, 차량용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(20), 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(21), 연료전지(10)와 고전압 배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 상기 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 전자부하(33), 저전압 배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 전자부하(41), 저전압 배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 전력변환장치(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함한다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 전력변환장치(21)가 연료전지(10)의 출력측인 메인버스단(11)에 접속되어, 상기 양방향 전력변환장치(21)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 상기 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키 오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스단(11)을 통해 연료전지(10) 및 고전압 배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료전지(10) 및/또는 고전압 배터리(20)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.
상기한 연료전지 시스템에서 구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 연료전지 모드, 고전압 배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 하이브리드 모드로 이루어진다.
특히, 연료전지 시스템에서 아이들 스탑 및 재시동 후 연료전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지의 EV 모드 주행 상태에서는 연료전지(10)의 발전이 정지되어 고전압 배터리(20)의 출력만으로 구동모터(32)의 구동 및 차량 주행이 이루어져야 한다.
이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 및 연료전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압 배터리단에 연결된 양방향 전력변환장치(21)의 부스트 제어를 통해 고전압 배터리(20)의 전압을 부스팅하여 메인버스단(11)의 전압을 상승시키고, 이로써 고전압 배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.
물론, 연료전지 시스템의 아이들 스탑시에 공기의 공급을 중지하였다가 재시동시에는 공기 공급을 재개하게 되며, 재시동 후 연료전지 시스템의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 전력변환장치(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 제어 과정에서 차량 운행 중 연료전지 시스템의 아이들 스탑(공기 공급 중지 및 연료전지의 발전 정지)/아이들 스탑 금지/시동 기준을 보여주는 도면이다.
제어기가 도 2에 나타낸 바와 같이 차량 상태 체크 과정과 연료전지 상태 체크 과정을 통해 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 아이들 스탑 금지, 재시동 등을 제어하게 된다.
먼저, 차량 상태 체크 과정에서는 차량 부하와 보조동력원인 고전압 배터리의 SOC(이상 차량 상태 조건이 됨)를 기준으로 연료전지 온(발전) 및 오프(발전 정지) 조건을 판단하고, 연료전지 상태 체크 과정에서는 연료전지의 비상 운전 조건, 연료전지 스택의 온도, 연료전지 스택의 애노드 압력, 제어기 간 통신상태, 히터 작동 여부(이상 연료전지 상태 조건이 됨) 등을 고려하여 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 스탑 금지, 시동 조건을 판단하게 된다.
여기서, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 오프(OFF) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 아이들 스탑 조건을 동시에 만족해야만 연료전지 아이들 스탑 과정이 진행되며, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 온(ON) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 시동 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 연료전지 재시동 과정을 진행하게 된다.
도 2의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 차량 상태 체크 과정에서는 기본적으로 차량 부하가 설정된 기준값보다 큰 고부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle _ on 이상)인 경우 연료전지 온(ON) 조건이 된다.
또한 차량 부하가 설정된 기준값보다 작은 저부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle_off 이하)이고 고전압 배터리의 SOC가 설정된 상한치(SOChigh) 이상으로 충분히 높을 경우에만 연료전지 오프(OFF) 조건을 만족하는 것으로 판정한다.
또한 차량 부하는 작으나 고전압 배터리의 SOC가 하한치(SOClow) 이하로 낮을 경우에는 연료전지 온(ON) 조건을 만족하는 것으로 판정하되, 연료전지 온 시 출력값은 설정치(Pidle _ on) 이상을 항상 유지하도록 하여 고전압 배터리를 충전할 수 있도록 한다.
또한 차량 부하 상태 체크 과정에서 시스템의 응답성을 고려하여 풀(full)가속 또는 일정 수준 이상의 급가속시에는 연료전지 온(ON) 조건을, 회생제동시에는 회생제동의 회수율 증가를 위해 연료전지 오프(OFF) 조건을 만족하는 것이 추가될 수 있다.
연료전지 상태 체크 과정에서는, 도 2의 우측 도면에 예시한 바와 같이, 연료전지의 비상 운전상황, 스택의 온도가 설정온도 미만인 상태, 스택의 애노드 압력이 설정압력 미만인 상태, 공기블로워의 제어기 통신 불가 상태, 또는 히터 작동 상황인 경우 연료전지의 발전을 계속 유지해야 하는 조건(아이들 스탑 금지 조건, 시동 조건)(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0')으로 판정하게 되고, 이 상황이 아니라면 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건(아이들 스탑 조건)('연료전지 상태 OK=1')으로 판정하게 된다.
상기 차량 상태 체크 과정 및 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 오프 조건과 아이들 스탑 조건을 동시에 만족(도 2에서 '연료전지 OFF 및 연료전지 상태 OK=1'인 경우)해야만 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 이루어지며, 어느 한 조건을 만족하지 못하는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입은 금지된다.
예컨대, 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 SOC 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 아이들 스탑 금지 조건('연료전지 상태 OK=0'인 조건)으로 판정되면 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 금지된다.
또한 차량 상태 체크 과정의 연료전지 온 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 아이들 스탑 금지 조건(시동 조건)을 만족하는 경우(도 2에서 '연료전지 ON 또는 연료전지 상태 OK=0'인 조건)에는 아이들 스탑이 금지(정상 운전 상태인 경우)되거나 연료전지를 재시동(아이들 상태인 경우)시키는데, 예컨대 연료전지 시스템의 아이들 스탑 상태에서 차량 상태 조건(차량 부하 및 SOC 조건)이 스택 온 조건을 만족하지 않더라도(즉, '연료전지 OFF'인 조건) 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지의 발전을 재개해야할 조건(시동 조건)('연료전지 상태 OK=0'인 조건)이 되면 연료전지를 재시동시키게 된다.
도 3은 차량 부하 판단 조건의 기준을 설명하는 도면으로서, 우측의 도면은 연료전지 시스템의 출력(스택과 연료전지 보기류 파워 포함) 대비 효율 곡선을 보여주는 것이다.
저출력 구간의 효율은 상시 보기류 파워로 인해 매우 낮으며, 이 영역의 회피 운전을 위해서는 효율이 나빠지는 시점인 출력 Pidle을 부하 판단 조건으로 설정하고, 좌측 도면의 전압-전류 곡선에서 Pidle에 해당하는 전압인 Vidle 또는 그 근처의 전압값(도 5에서 V①)을 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치로 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 양방향 전력변환장치의 제어되는 전압을 설정된 전압 제어 상한치로 제한하는 바, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.
이와 같이 본 발명에서는 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치를 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드, 즉 연료전지의 부하 추종 운전 제어가 이루어지는 상태에서 전압 제어되는 양방향 전력변환장치의 전압을 전압 상한치로 제한하고, 이를 통해 전력변환장치의 전압이 전압 제어 상한치로 제한되는 동안 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한되도록 한다.
양방향 전력변환장치의 전압 상한치 제한을 두게 되면 연료전지 출력은 일정 수준 이상을 유지하게 되고, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.
그러나, 연료전지 시스템의 출력을 항상 Pidle 이상으로 유지하게 되면 저출력 구간에서의 배터리 과다 충전, 회생제동량 제한 등의 문제가 있게 되므로, 전술한 바와 같이 차량 상태 조건에서 회생제동시나 저출력 및 고 SOC 조건(도 2의 '연료전지 OFF' 조건)에서는 연료전지를 오프(아이들 스탑)시켜 저효율 구간을 회피한다.
도 3의 우측 도면을 참조하면, 연료전지 아이들 스탑 영역과 연료전지 사용 영역을 구분하여 나타내고 있는데, 본 발명에서는 '연료전지 사용 영역'에서 연료전지가 사용되거나, '연료전지 스탑 영역'에서 연료전지가 완전히 오프된다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 보여주는 도면으로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 제어 과정을 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도시된 바와 같이 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서는 연료전지의 출력이 부하에 따라 제어되는 부하 추종 운전 제어가 이루어지고, 이러한 연료전지의 출력 제어는 제어기가 양방향 전력변환장치의 메인버스단 출력 전압(이하, 양방향 전력변환장치의 전압으로 약칭함)을 제어함으로써 수행된다.
특히, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에 대한 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치(도 5에서 V①)가 설정되는 바, 운전 중 부하에 따라 제어되는 양방향 전력변환장치의 전압이 설정된 전압 제어 상한치로 제한되면서, 연료전지의 저출력 구간 사용이 금지된다.
이와 같이 정상 운전 모드에서 연료전지의 부하 추종 운전 중 양방향 전력변환장치의 전압 제어시에 미리 설정된 제어 상한치로 양방향 전력변환장치의 전압을 제한해줌으로써 연료전지의 출력이 일정 수준 이상 유지되도록 한다.
이어 도 2에서 설명한 차량 상태 체크 과정에서 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 고전압 배터리의 SOC가 연료전지 오프 조건을 만족하면, 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 상태가 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건인지를 판정하게 된다.
여기서, 차량 상태 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 금지 조건에 해당하는 경우라면(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건), 연료전지 시스템의 아이들 스탑을 금지하여 연료전지를 운전 상태로 유지하되, 양방향 전력변환장치의 전압을 설정된 전압 제어 상한치(V①)로 제한하는 전압 상한 제어를 해제하고, 연료전지를 저출력 구간에서도 사용할 수 있도록 한다.
연료전지의 저출력 구간이면서 고전압 배터리의 SOC가 높은 상태이고 더불어 연료전지를 오프시킬 수 없는 상황(아이들 스탑 진입 금지 상태)일 때, 양방향 전력변환장치의 전압 상한 제어를 통해 연료전지의 출력을 일정 수준으로 계속 유지할 경우 고전압 배터리가 과도하게 충전될 수 있기 때문이다.
도 5에서 전압 제어 상한치인 V①는 도 3의 Vidle 또는 Vidle 근처의 전압값으로 미리 설정될 수 있다.
연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 조건으로 판정되는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 과정이 진행된다.
즉, 먼저 연료전지로의 공기 공급을 중단(공기블로워 등 공기공급장치를 오프)하여 연료전지 전압을 메인버스단 전압보다 낮아지도록 하고, 이를 통해 자연적으로 메인버스단으로의 연료전지 출력(전류 출력)이 이루어지지 않도록 한다(도 5의 공기 공급 중단 후 연료전지 전류 참조).
이어 공기 공급을 중단한 상태에서 소정 시간 후(또는 유량계를 통해 공기 공급량이 없음을 확인한 후)에는 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(도 5에서 V②)으로 하강시켜 연료전지의 캐소드 내 산소 소진이 이루어지도록 하는 바, 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값으로 하강시켜 유지하게 되면, 양방향 전력변환장치의 출력측이 되는 메인버스단의 전압이 낮아지므로 캐소드 내 산소가 소진되는 동안 메인버스단으로 연료전지의 전류가 다시 출력되고, 이때의 연료전지 출력으로 고전압 배터리를 강제 충전하게 된다.
즉, 연료전지의 전압이 양방향 전력변환장치의 전압(메인버스단 전압) 아래로 내려가기 전까지는 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지의 출력 전류에 의해 고전압 배터리를 충전하는 것이며, 고전압 배터리의 강제 충전으로 연료전지의 캐소드 내에 남아 있는 잔존 산소가 일정 수준으로 제거될 수 있는 것이다.
또한 캐소드 내 산소 소진으로 연료전지의 전압이 양방향 전력변환장치의 전압보다 낮아지면 고전압 배터리의 충전은 종료되지만 애노드 내 수소가 전해질막을 통해 캐소드로 계속해서 크로스오버(Crossover)되면서 캐소드의 산소가 점차 소진되는 바, 이에 연료전지의 전압이 완전히 제거되면 아이들 스탑 진입이 완료된다(연료전지 전압이 완전히 제거됨).
공기 공급 중단 이후에 연료전지의 발전 정지 상태에서는 애노드 내 수소가 캐소드로 크로스오버되면서 연료전지 전압이 자연 소멸되나, 이때 크로스오버되는 수소는 쓸데없이 낭비되는 수소가 된다.
따라서, 공기 공급 중단 후 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V②)으로 낮추어주는 전압 제어를 통해 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지의 출력을 배터리 충전에 사용할 수 있고, 이와 더불어 연료전지의 전압도 낮출 수 있게 되면서 스택 내구와 연비 측면에서 유리한 효과를 동시에 얻을 수 있다.
연료전지의 캐소드 내 산소 소진 동안 고전압 배터리의 강제 충전 후 연료전지 전압이 메인버스단 전압, 즉 양방향 전력변환장치의 전압보다 다시 낮아지면, 연료전지로부터는 전류 출력이 이루어지지 않으므로 고전압 배터리의 출력만으로 구동모터를 구동시키는 EV 모드 주행이 이루어진다.
도 5를 참조하면, 공기 공급 중단이 개시되기 전 구간에서 양방향 전력변환장치 및 연료전지 전압이 전압 제어 상한치(V①)로 제한되고 있음을 볼 수 있으며, 이때 연료전지 전류는 전압 상한 제어로 인해 일정 수준을 유지하고 있음을 볼 수 있다.
또한 공기 공급이 중단되고 난 뒤 연료전지가 재시동될 때까지 배터리 전류를 MCU(Motor Control Unit)를 통해 인버터에 공급하여 EV 모드 주행이 이루어짐을 볼 수 있다. 이때, 양방향 전력변환장치의 전압 제어를 통해 메인버스단 전압을 설정값(V②)(일정값 또는 가변값이 될 수 있음)으로 유지하는 EV 모드 주행이 이루어지게 된다.
공기 공급 중단 후 양방향 전력변환장치의 전압을 하강시키는 설정값(V②)의 설정은 양방향 전력변환장치의 효율과 구동모터의 효율 측면에서 최적화가 필요하다.
구동모터의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 높게 설정하는 것이 유리하나, 양방향 전력변환장치의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 낮게 설정하여 EV 모드로 주행되도록 하는 것이 더 나을 수 있는 바, 적절한 설정값(V②)을 설정하는 것이 필요하다.
EV 모드로 주행하는 동안 전술한 바와 같이 차량 상태 조건이 연료전지 온(ON) 조건이거나 연료전지 상태 조건이 시동 조건(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건)이면, 연료전지 시스템을 재시동시키게 된다.
이때, 먼저 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(도 5에서 V③)으로 상승시켜 유지하여 메인버스단으로 연료전지의 출력이 과도하게 이루어지는 것을 막는다.
여기서, 재시동시 양방향 전력변환장치의 전압을 상승시키는 설정값(V③)은 도 3의 Vidle 또는 Vidle 근처의 전압값으로 미리 설정될 수 있다.
만약, 차량 부하 조건을 만족하지 못했지만(차량 부하가 기준값을 만족시키지 못한 저부하 상태, 즉 연료전지 요구 출력 Pidle _ on 미만) 연료전지 이상으로 재시동시키는 경우에는 양방향 전력변환장치의 전압 상승 유지값을 OCV(Open Circuit Voltage) 근처, 즉 OCV 미만의 최대설정치까지 올려서 유지시킨다.
아이들 스탑시와 마찬가지로 차량 부하가 기준값 미만으로 작고 고전압 배터리의 SOC도 높은 상황에서 재시동 전압값, 즉 양방향 전력변환장치의 전압 상승 설정값(V③)을 도 2의 Vidle 근처로 유지하면, 연료전지의 출력이 고전압 배터리를 과도하게 충전하게 되기 때문이다.
이어 메인버스단 전압이 전압계 등을 통해 설정값(V③)으로 유지되는지를 확인한 후에는 공기 공급을 개시하여 연료전지의 발전을 재개하는데, 공기 공급 시작 시점에서 공기블로워의 회전수를 상승시켜 연료전지의 전압이 양방향 전력변환장치의 전압 상승 유지값(V③)까지 상승되도록 한다.
이때, 공기 공급을 통해 연료전지의 전압을 상승시키면서 동시에 양방향 전력변환장치의 전압 상승 유지값(V③)에 해당되는 일정 출력을 연료전지가 낼 수 있도록 한다.
또한 재시동 과정의 공기 공급 재개시 연료전지 전압을 신속히 상승시키기 위해 필요 전류량만큼의 요구 공기량에 설정량(α)의 공기가 더 공급되도록 공기블로워를 구동시키며, 이에 연료전지에 '요구 공기랑 + 설정량(α)'의 공기가 공급되게 된다.
이후 연료전지 상태를 계속 모니터링하여 최소 셀전압, 셀전압 편차, 공기 유량 등이 안정화되면 재시동 과정을 종료하고, 양방향 전력변환장치 전압의 설정값 유지를 해제한다.
이후 정상 운전 모드에서는 다시 연료전지의 정상적인 부하 추종 운전이 이루어지며, 이때 양방향 전력변환장치의 전압을 전술한 바와 같이 제어 상한치(V①)로 제한하여, 연료전지가 저출력 구간에서 사용되지 않도록 하면서 일정 출력 이상을 유지할 수 있도록 한다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 제어 과정을 상술하였으며, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 아이들 스탑 과정과 재시동 과정에서는 양방향 전력변환장치의 전압 제어와 공기 공급 제어를 통해 효과적으로 연료전지의 저출력 회피 운전이 이루어짐을 볼 수 있다(OCV와 V① 사이의 전압이 형성되지 않는 것을 볼 수 있음).
전압 설정값인 V① 및 V③ 전압은 Pidle 근처의 전압으로 설정하되, 히스테리시스(Hystersis)를 감안하여 V①은 Pidle _ off에 해당되는 전압으로, V③는 Pidle _ on에 해당되는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다.
또한 재시동 과정에서 공기 공급 재개시에 요구 공기량 명령은 연료전지 필요 전류량으로부터 계산되는데, 필요 전류량보다 설정량(α)만큼 더 불어주어 연료전지의 전압 안정성이 빨리 회복될 수 있도록 한다.
더불어 연료전지 시스템의 아이들 스탑 중 EV 모드 주행시 양방향 전력변환장치의 전압 제어값인 V②는 전술한 바와 같이 양방향 전력변환장치의 효율, 구동모터의 효율 등을 고려하여 적정한 값으로 설정하며, EV 모드 주행시 셀전압 편차, 공기 유량 등과 관련된 진단 로직은 중지시켜 진단 로직으로 인한 연료전지 시스템 및 차량의 셧다운을 막는다.
도 5에서 연료전지의 재시동 과정에서는 연료전지단의 릴레이(도 1에서 도면부호 14임)를 미리 온(ON) 시켜 놓은 상태에서 양방향 전력변환장치의 전압을 일정 수준으로 상승 유지하고, 공기 공급을 통해 연료전지의 전압을 상승시키면서 양방향 전력변환장치의 전압 상승 유지값에 해당되는 일정 출력을 연료전지가 동시에 낼 수 있도록 하여 재시동을 완료하게 된다. 정상 시동시 시퀀스를 그대로 사용해도 무방하다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 11 : 메인버스단
13 : 다이오드 14 : 릴레이
20 : 고전압 배터리 21 : 양방향 전력변환장치(BHDC)
31 : 인버터 32 : 구동모터
40 : 저전압 배터리 41 : 저전압 전자부하
42 : 저전압 전력변환장치

Claims (10)

  1. 연료전지 시스템의 정상 운전 모드로 차량이 주행하는 단계와;
    연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 아이들 스탑 조건을 만족하면 연료전지로의 공기 공급을 중단하여 연료전지의 발전을 중지하고 연료전지 전압을 낮추는 단계와;
    이어 고전압 배터리와 메인버스단 사이에 연결되어 연료전지 출력을 제어하기 위한 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V②)으로 하강시켜 유지하는 단계와;
    상기 전력변환장치의 전압 하강 유지로 인해 연료전지 출력이 고전압 배터리로 강제 충전되면서 연료전지 캐소드 내 산소가 소진되고 연료전지 전압이 전력변환장치의 전압값 이하로 낮아지는 아이들 스탑 진입 단계;
    를 포함하고,
    상기 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서,
    양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치를 설정하고, 운전 중 부하에 따라 제어되는 양방향 전력변환장치의 전압을 상기 전압 제어 상한치로 제한하는 전압 상한 제어를 수행하여, 양방향 전력변환장치의 전압 상한 제한으로 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한되도록 하는 연료전지 출력을 부하에 따라 제어하는 부하 추종 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 강제 충전 후 캐소드 내 산소 소진으로 연료전지 전압이 전력변환장치의 전압 및 메인버스단 전압보다 낮아진 상태에서는 고전압 배터리 출력만으로 구동모터를 구동시키는 EV 모드 주행이 이루어지되, 전력변환장치 전압제어를 통해 메인버스단 전압이 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 차량 상태 조건으로서 차량 부하 및 고전압 배터리의 SOC 상태가 연료전지 오프 조건을 만족하는 동시에 연료전지 상태가 미리 설정된 아이들 스탑 금지 조건에 해당하지 않으면 상기 아이들 스탑 조건을 만족하는 것임을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 차량 부하가 설정된 기준값보다 작은 저부하 상태이면서 고전압 배터리의 SOC가 설정된 상한치 이상의 고 SOC 상태인 경우 상기 연료전지 오프 조건을 만족하는 것임을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 전력변환장치의 전압 상한 제어는 연료전지 상태가 미리 설정된 아이들 스탑 금지 조건에 해당하면 해제하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 시스템의 아이들 스탑 상태에서 재시동 조건을 만족하면 상기 양방향 전력변환장치의 전압을 설정값(V③)으로 상승 후 유지시키는 단계와;
    메인버스단 전압이 상승한 상태에서 공기 공급을 재개하여 연료전지 전압을 상기 설정값(V③)까지 상승시켜 연료전지의 전류 출력이 이루어지도록 하는 연료전지 시스템의 재시동 단계와;
    연료전지의 안정화 후 양방향 전력변환장치 전압의 설정값(V③) 유지를 해제하여 재시동 과정을 종료하고 연료전지 시스템의 정상 운전 모드로 진입하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 재시동 단계의 공기 공급 재개시에 연료전지 필요 전류량으로부터 계산된 요구 공기량에 설정량(α)의 공기가 더 공급되도록 공기블로워를 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    연료전지 상태가 미리 설정된 아이들 스탑 금지 조건에 해당하여 재시동이 이루어질 경우 전력변환장치의 전압을 OCV 미만의 최대설정치로 상승시켜 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
  10. 청구항 3, 청구항 6, 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 아이들 스탑 금지 조건은 연료전지의 비상 운전상황, 스택의 온도가 설정온도 미만인 상태, 스택의 애노드 압력이 설정압력 미만인 상태, 공기블로워의 제어기 통신 불가 상태, 히터 작동 상황인 경우 중 어느 하나에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법.
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US13/184,811 US8859158B2 (en) 2010-12-01 2011-07-18 System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system by switching to battery power in response to idle stop condition
CN201110267780.2A CN102487145B (zh) 2010-12-01 2011-07-29 控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法

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Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2879220B1 (en) * 2012-07-25 2017-11-29 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
KR101339279B1 (ko) * 2012-12-18 2014-01-06 기아자동차 주식회사 연료 전지 차량의 컨버터 제어 장치 및 그 방법
JP6161338B2 (ja) * 2013-03-13 2017-07-12 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP5808774B2 (ja) * 2013-06-03 2015-11-10 株式会社豊田自動織機 車両に搭載される燃料電池システム
KR101567643B1 (ko) * 2013-11-29 2015-11-10 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법
DE102014005296A1 (de) * 2014-04-10 2015-10-15 Daimler Ag Verfahren zum Starten des Normalbetriebs
WO2015200912A1 (en) * 2014-06-27 2015-12-30 Icc-Nexergy, Inc. Required available capacity indication for battery backup unit
JP6218181B2 (ja) * 2014-07-01 2017-10-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの開閉器故障検知方法
DE102014218738A1 (de) * 2014-09-18 2016-03-24 Continental Automotive Gmbh Elektrisches System für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug
KR101637720B1 (ko) 2014-11-07 2016-07-08 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 제어 방법
JP6137127B2 (ja) * 2014-11-13 2017-05-31 トヨタ自動車株式会社 車両の電源装置
KR101683504B1 (ko) * 2015-02-09 2016-12-07 현대자동차 주식회사 저전압 배터리 충전 장치 및 방법
KR101664713B1 (ko) * 2015-06-22 2016-10-11 현대자동차주식회사 하이브리드 차량의 직류변환장치 전압 제어 방법
KR101822232B1 (ko) * 2015-06-24 2018-01-26 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 파워넷 시스템 및 그 제어 방법
WO2017026058A1 (ja) * 2015-08-11 2017-02-16 日産自動車株式会社 電力調整システム及びその制御方法
CN105253139B (zh) * 2015-10-08 2017-08-25 上海电力学院 燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法
US10345351B2 (en) * 2016-04-06 2019-07-09 Lisa Draexlmaier Gmbh Method and control device for monitoring an on-board electrical system of a vehicle
KR101836611B1 (ko) 2016-04-07 2018-03-09 현대자동차주식회사 연료전지차량의 시동 제어방법
KR101836651B1 (ko) * 2016-06-13 2018-03-09 현대자동차주식회사 연료전지차량의 절연저항 측정 시스템 및 방법
US10723236B2 (en) * 2016-07-29 2020-07-28 Nissan Motor Co., Ltd. Electrical vehicle system with converters to share power between fuel, cell, high voltage battery and low voltage battery
KR101897338B1 (ko) * 2016-09-05 2018-09-11 현대자동차주식회사 연료전지차량의 셧다운 시스템 및 그 제어방법
IT201600112547A1 (it) * 2016-11-08 2018-05-08 Magneti Marelli Spa "Apparato di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un autoveicolo comprendente uno stadio di recupero dell’energia e relativo procedimento"
JP6500881B2 (ja) * 2016-12-12 2019-04-17 トヨタ自動車株式会社 駆動システムおよび車両
KR102399476B1 (ko) * 2017-05-23 2022-05-17 현대자동차주식회사 연료전지의 시동 제어방법 및 시스템
KR102478065B1 (ko) * 2017-10-16 2022-12-16 현대자동차주식회사 연료전지의 유량 제어방법 및 시스템
JP6911716B2 (ja) * 2017-11-09 2021-07-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
KR102507226B1 (ko) * 2017-11-24 2023-03-08 현대자동차주식회사 연료전지용 cod 제어방법 및 제어시스템
KR102439629B1 (ko) * 2017-12-07 2022-09-02 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 제어방법 및 제어시스템
JP6922723B2 (ja) * 2017-12-26 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN108417863B (zh) * 2018-02-08 2020-12-15 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池启动控制方法及装置
KR102554937B1 (ko) * 2018-03-14 2023-07-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량용 운전 정지방법
CN109159720B (zh) * 2018-09-20 2021-04-27 北京汇通有利能源科技有限公司 燃料电池与系统、控制方法、控制系统及电动设备
CN109273743B (zh) * 2018-09-29 2023-09-19 天津中德应用技术大学 用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法
CN110635154B (zh) * 2019-09-25 2021-02-23 潍柴动力股份有限公司 缩短固态氧化物燃料电池启动时间的方法及装置
CN111682245B (zh) * 2020-05-12 2022-03-08 广东国鸿氢能科技有限公司 一种燃料电池电堆性能恢复方法
JP7256153B2 (ja) * 2020-09-11 2023-04-11 本田技研工業株式会社 電力システム
CN112389278B (zh) * 2020-11-24 2022-05-24 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池混合动力系统的怠速工况控制方法
DE102021202537A1 (de) * 2021-03-16 2022-09-22 Thyssenkrupp Ag Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzelle und einem Akkumulator
CN114006008B (zh) * 2021-09-14 2023-03-31 东风汽车集团股份有限公司 一种燃料电池系统控制装置
CN113964352B (zh) * 2021-10-29 2023-02-21 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统控制方法及控制装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001359204A (ja) * 2000-06-12 2001-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
JP2004056868A (ja) * 2002-07-17 2004-02-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
KR20100005768A (ko) * 2008-07-08 2010-01-18 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 아이들 스탑/해제 제어 방법
KR100974761B1 (ko) * 2008-07-08 2010-08-06 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4525008B2 (ja) 2003-07-02 2010-08-18 トヨタ自動車株式会社 エネルギ出力装置およびエネルギ出力装置の制御方法
JP5093555B2 (ja) 2006-08-22 2012-12-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP5023374B2 (ja) * 2007-02-05 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5007665B2 (ja) 2007-02-05 2012-08-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR20090039441A (ko) * 2007-10-18 2009-04-22 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템 및 그 초기 구동 방법
DE102008005530A1 (de) * 2008-01-22 2009-07-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Lebensdauer einer Brennstoffzelle bei Betriebsübergängen
JP5396748B2 (ja) * 2008-06-11 2014-01-22 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法
KR101077604B1 (ko) * 2008-12-16 2011-10-27 삼성에스디아이 주식회사 전기화학퍼지를 이용한 연료전지의 잔류산소 제거방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001359204A (ja) * 2000-06-12 2001-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
JP2004056868A (ja) * 2002-07-17 2004-02-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両のアイドル制御装置
KR20100005768A (ko) * 2008-07-08 2010-01-18 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 아이들 스탑/해제 제어 방법
KR100974761B1 (ko) * 2008-07-08 2010-08-06 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 출력 제어 방법

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