KR101259363B1 - 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 연료전지 차량의 연료전지탱크(12)와 연료전지스택(14) 사이의 연료배관(16)에 설치되어 연비를 측정하는 장치에 있어서: 상기 차량에 탑재되어 주행을 제어하는 ECU(30); 상기 연료배관(16)에 설치되어 압력신호를 검출하는 압력센서(33); 상기 연료배관(16)에 설치되어 온도신호를 검출하는 온도센서(35); 상기 연료배관(16)에 설치되어 유량신호를 검출하는 플로우센서(40); 및 상기 ECU(30), 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)의 신호로부터 연비를 실시간으로 연산하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지고, 상기 플로우센서(40)는 메인 유로에서 분기된 바이패스튜브(41) 상에 히터코일(43)과 센서코일(45)을 구비하고, 메인 유로의 하류단에 개폐밸브(47)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 수소 연료전지 차량에 탑재된 상태에서 다양한 모드로 주행하는 동안에도 정확한 연비를 실시간으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

Description

수소 연료전지 차량의 연비측정 장치{Fuel ratio detecting apparatus for hydrogen fuel cell vehicle}
본 발명은 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수소 연료전지 차량에 탑재된 상태에서 다양한 모드로 주행하는 동안에도 정확한 연비를 실시간으로 모니터링할 수 있는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치에 관한 것이다.
국내의 경우 2015년 이후 연료전지 자동차의 실용화가 가능할 것으로 예상되는 가운데 버스를 비롯한 대형 차량에서의 운행 안정성을 마련하는 방안이 시급하다. 이러한 방안은 수소를 안전하게 저장하고 안정적으로 연료전지에 공급하는 문제 외에 운행 상태의 실제 차량에 대한 안전하고 정확한 연비측정 문제도 포함한다. 이와 관련되는 선행특허로서 한국 등록특허공보 제0831567호의 "연료전지차량용 연비측정 장치 및 방법", 한국 공개특허공보 제2010-0047055호의 "연료전지 차량의 수소 재순환 유량 계측 장치 및 방법" 등이 알려져 있다.
한국 등록특허공보 제0831567호는 연비측정시 차량이 주행하는 동안에 차량의 연료전지에 연료로 사용될 수소를 공급하기 위한 연료공급용 수소탱크와, 상기 연료공급용 수소탱크의 중량을 감지하기 위한 정밀 전자저울을 구비하여, 연비측정 동안 상기 전자저울에 의해 측정된 연료공급용 수소탱크의 중량 변화와 차량의 주행거리를 토대로 연비측정을 수행하도록 구성된다. 이에 따라, 차량 주행 전과 주행 후 연료공급용 수소탱크의 중량 변화를 토대로 연비를 산출함으로써, 더욱 정확한 연비측정을 가능하게 하는 효과를 기대한다.
한국 공개특허공보 제2010-0047055호에 의하면, 수소 재순환 배관에서 측정된 가습 수소의 온도로부터 포화수증기압을 산출하는 단계; 재순환 가습 수소의 압력과 상기 포화수증기압을 비교하여 건조 수소의 조성을 산출하는 단계; 상기 측정 온도 및 측정 압력으로부터 밀도를 산출하고, 유량계의 차압 데이터와 오리피스 미터의 기하학적 정보, 상기 밀도를 이용하여 재순환 가습 수소의 전체 유량을 산출하는 단계; 및 상기 전체 유량에서 조성을 곱하여 건조 수소만의 유량을 산출하는 단계;를 포함한다. 이에 따라, 유량측정기구로는 얻을 수 없었던 재순환 수소 중 건조 수소만의 유량을 얻을 수 있으며, 이를 통해 스택에 적합한 수소 양론비에 따라 수소의 유량을 원하는 값으로 제어하는 효과를 기대한다.
그러나, 전자의 선행기술은 중량 검출을 기반으로 하므로 주행 상태에서 정확한 연비를 모니터링하기 곤란하고, 후자의 선행기술도 재순환 수소의 유량을 측정하는 것이므로 정확한 실시간 연비 측정에 한계성을 보인다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 수소 연료전지 차량에 탑재된 상태에서 다양한 모드로 주행하는 동안에도 정확한 연비를 실시간으로 모니터링할 수 있는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소 연료전지 차량의 연료전지탱크와 연료전지스택 사이의 연료배관에 설치되어 연비를 측정하는 장치에 있어서: 상기 차량에 탑재되어 주행을 제어하는 ECU; 상기 연료배관에 설치되어 압력신호를 검출하는 압력센서; 상기 연료배관에 설치되어 온도신호를 검출하는 온도센서; 상기 연료배관에 설치되어 유량신호를 검출하는 플로우센서; 및 상기 ECU, 압력센서, 온도센서, 플로우센서의 신호로부터 연비를 실시간으로 연산하는 제어기;를 포함하여 이루어지고, 상기 플로우센서는 메인 유로에서 분기된 바이패스튜브 상에 히터코일과 센서코일을 구비하고, 메인 유로의 하류단에 개폐밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 연료배관은 압력센서, 온도센서, 플로우센서보다 상류측에 체크밸브와 벤트를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 플로우센서는 메인 유로에서 분기된 바이패스튜브 상에 히터코일과 센서코일을 구비하고, 메인 유로의 하류단에 개폐밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 압력센서, 온도센서, 플로우센서는 신호검출의 신뢰성 향상하도록 이중으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 제어기는 연료배관 내의 온도와 압력에 따라 보정된 수소 유량치 및 ECU의 주행 데이터를 근거로 연비를 연산하고, 온도, 압력, 유량과 함께 연비 변화를 디스플레이 상으로 표시하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 수소 연료전지 차량에 탑재된 상태에서 다양한 모드로 주행하는 동안에도 정확한 연비를 실시간으로 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연비측정 장치를 개략적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 플로우센서를 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 디스플레이를 확대하여 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수소 연료전지 차량의 연료전지탱크(12)와 연료전지스택(14) 사이의 연료배관(16)에 설치되어 연비를 측정하는 장치에 관련된다. 연료전지스택(14)은 연료전지탱크(12)에서 연료배관(16)으로 공급되는 수소에 산소를 부가하여 화학반응으로 전기를 생성한다. 생성된 전기는 적정 전압으로 변경되고 구동 모터를 통해 휠의 전기동력장치에 전달되어 주행과 제동을 위한 구동력을 발생한다. 이외에 수소 연료전지 차량은 제동 시 회생에너지를 저장하는 동시에 정속주행에 필요한 구동용 전기를 저장하도록 배터리를 구비한다.
본 발명에 따르면 상기 차량에 탑재되어 주행을 제어하는 ECU(30)를 구비한다. ECU(30)는 차량의 연료전지탱크(12), 연료전지스택(14), 전기동력장치, 배터리 등의 주요부를 제어하면서 그 상태를 모니터링하는 외에 차속센서(31)를 통하여 신호를 입력한다. 차속센서(31)의 신호는 수소 연료전지 차량의 주행속도와 함께 주행거리를 판단하는 데이터로 사용된다.
또, 본 발명에 따르면 상기 연료배관(16)에 압력신호를 검출하는 압력센서(33), 온도신호를 검출하는 온도센서(35), 유량신호를 검출하는 플로우센서(40)가 각각 설치된다. 아보가드로의 법칙에 의하면 모든 기체는 표준상태에서 1몰당 분자수가 일정하므로 연료배관(16) 내부의 온도와 압력에 따른 유량의 보정을 위하여 압력센서(33)와 온도센서(35)가 사용된다. 플로우센서(40)는 압력센서(33)와 온도센서(35)의 하류측에 설치하는 것이 좋다.
이때, 상기 연료배관(16)은 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)보다 상류측에 체크밸브(24)와 벤트(26)를 구비한다. 체크밸브(24)는 연료전지탱크(12)로 수소의 역류를 방지하는 것으로 설정압 이상의 수소를 바이패스하도록 벤트(26)를 구비한다.
본 발명의 상기 플로우센서(40)는 메인 유로에서 분기된 바이패스튜브(41) 상에 히터코일(43)과 센서코일(45)을 구비하고, 메인 유로의 하류단에 개폐밸브(47)를 구비한다. 플로우센서(40)의 메인 유로의 2지점에 스테인레스강 재질의 바이패스튜브(41)를 U자형으로 설치하고, 바이패스튜브(41) 상에 센서코일(45), 히터코일(43), 센서코일(45)을 순차적으로 배치한다. 히터코일(43)의 상류와 하류측에서 수소 유동의 온도차와 질량 유량이 선형성을 갖는 영역에서 센서코일(45)에 의한 온도차를 측정하여 유량을 산정하는 방식을 택한다. 개폐밸브(47)는 연료배관(16) 상에서 플로우센서(40)의 증설과 교체시 메인 유로를 단속한다.
한편, 상기 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)는 신호검출의 신뢰성 향상하도록 이중으로 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우 압력센서(33)와 온도센서(35)의 하류측으로 2개의 플로우센서(40)를 인접시켜 배치하고 그 하류측으로 다시 압력센서(33)와 온도센서(35)를 배치한다. 즉, 압력센서(33)와 온도센서(35)를 플로우센서(40)의 전후로 장착하여 전술한 것처럼 온도와 압력에 따른 유량 보정을 수행한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 ECU(30), 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)의 신호로부터 연비를 실시간으로 연산하는 제어기(50)를 구비한다. 제어기(50)는 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40) 외에 ECU(30), 조작키(52), 디스플레이(55) 등과 연결된다. 조작키(52)와 디스플레이(55)는 제어기(50) 상에 일체로 구비될 수도 있다. 조작키(52)는 제어기(50)의 작동 개시, 정지, 디스플레이 모드 등을 입력하는 수단이다. 다만, 디스플레이(55)가 터치패널의 기능을 지니는 경우 조작키(52)의 기능을 적어도 부분적으로 대체할 수도 있다.
이때, 상기 제어기(50)는 연료배관(16) 내의 온도와 압력에 따라 보정된 수소 유량치 및 ECU(30)의 주행 데이터를 근거로 연비를 연산하고, 온도, 압력, 유량과 함께 연비 변화를 디스플레이(55) 상으로 표시하는 작동을 수행한다. 수소 기체의 온도와 압력에 따른 몰당 부피로 보정된 유량이 산출되면 ECU(30)에서 차속센서(31)의 신호를 시간으로 적분한 주행거리를 이용하여 연비를 연산한다. 도 3과 같이 제어기(50)는 디스플레이(55)를 통하여 온도그래프, 압력그래프, 유량그래프, 연비그래프를 실시간으로 표시한다. 물론 연료전지탱크(12)의 충전 잔량을 검출하여 남은 주행거리를 표시할 수도 있다. 한편, 디스플레이(55) 상의 사용량누적, 사용량누적리셋, 데이터저장 등의 기능은 조작키(52)를 통하여 선택될 수도 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
12: 연료전지스택 14: 연료전지탱크
16: 연료배관 24: 체크밸브
30: ECU 31: 차속센서
33: 압력센서 35: 온도센서
40: 플로우센서 41: 바이패스튜브
43: 히터코일 45: 센서코일
47: 개폐밸브 50: 제어기
52: 조작키 55: 디스플레이

Claims (5)

  1. 수소 연료전지 차량의 연료전지탱크(12)와 연료전지스택(14) 사이의 연료배관(16)에 설치되어 연비를 측정하는 장치에 있어서:
    상기 차량에 탑재되어 주행을 제어하는 ECU(30);
    상기 연료배관(16)에 설치되어 압력신호를 검출하는 압력센서(33);
    상기 연료배관(16)에 설치되어 온도신호를 검출하는 온도센서(35);
    상기 연료배관(16)에 설치되어 유량신호를 검출하는 플로우센서(40); 및
    상기 ECU(30), 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)의 신호로부터 연비를 실시간으로 연산하는 제어기(50);를 포함하여 이루어지고,
    상기 플로우센서(40)는 메인 유로에서 분기된 바이패스튜브(41) 상에 히터코일(43)과 센서코일(45)을 구비하고, 메인 유로의 하류단에 개폐밸브(47)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료배관(16)은 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)보다 상류측에 체크밸브(24)와 벤트(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력센서(33), 온도센서(35), 플로우센서(40)는 신호검출의 신뢰성 향상하도록 이중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기(50)는 연료배관(16) 내의 온도와 압력에 따라 보정된 수소 유량치 및 ECU(30)의 주행 데이터를 근거로 연비를 연산하고, 온도, 압력, 유량과 함께 연비 변화를 디스플레이(55) 상으로 표시하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량의 연비측정 장치.
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