KR101558361B1 - 연료전지 차량의 냉시동 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉간 상태에서 시동성 향상을 제공하는 연료전지 차량의 냉시동 제어방법이 개시된다.
본 발명은 시동 온 요구가 검출되면 연료전지스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건인지 판단하는 과정; 냉시동 조건이면 PWM 신호를 출력하여 모터를 구동시키고, 동시에 제동 제어를 실행하여 에너지 손실을 발생시키는 과정; 냉시동 조건에서 모터의 구동과 제동 제어를 통해 연료전지스택의 출력 전류량을 증대시켜 활성화 온도의 도달 시간을 단축시키는 과정을 포함한다.

Description

연료전지 차량의 냉시동 제어장치 및 방법{COLD STARTING CONTROL SYSTEM FOR FUEL VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 차량의 냉간 상태에서 시동성 향상을 제공할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 환경문제의 심각성에 따라 차량의 에너지원으로 적용되고 있다.
연료전지스택(Stack)은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
연료전지스택은 시동이 오프 되는 경우 막 전극 어셈블리 내에 생성된 물을 제거하여야 차기 시동에서 산화 및 환원반응에 안정성을 제공하여 안정된 시동성을 확보할 수 있다.
영하의 온도에 장시간 노출되는 경우 전기화학 반응에 의해 막-전극 어셈블리 내에 생성된 물이 막-전극 어셈블리의 애노드 및 캐소드 표면에 얼어붙게 된다.
따라서, 연료전지스택의 각 유로 및 가스 확산층을 폐색시키는 동시에 연료인 수소와 산화제인 공기가 애노드 및 캐소드로 원활하게 공급되지 못해 정상적인 화학적인 반응이 일어나지 않게 되며, 결과적으로 연료전지스택 전압이 일정하게 유지되지 않게 되어 냉시동성을 확보하는데 많은 어려움이 발생된다.
연료전지 차량에서 냉시동성을 확보하기 위한 방법으로 냉간 상태에서 시동 온이 요구되면 연료전지스택에서 외부 부하로 전류를 출력시켜 연료전지스택의 자체 발열을 유도하여 온도를 상승시키는 기술이 통상적으로 사용되고 있다.
연료전지스택의 자체 발열량과 온도의 상승은 외부 부하에 인가되는 전류량에 비례하므로 외부 부하에 인가되는 전류량의 증대가 냉시동성 확보와 밀접하게 관계되어 있다고 볼 수 있다.
따라서, 냉시동에 소요되는 시간은 연료전지스택의 출력과 부하로 인가되는 전류에 반비례하며, 부하 중 큰 비중을 차지하는 인버터/모터에 있어서 출력은 열손실과 모터 출력의 합으로 표현된다.
연료전지스택의 출력(PFC)은 열손실(Ploss)과 모터 출력(Pmech)의 합으로 결정된다.
종래의 연료전지 차량에 적용되어 있는 냉시동 로직에서는 연료전지의 출력(PFC)을 열손실(Ploss)로만 한정하고 있다.
즉, 연료전지스택의 출력(PFC)을 인버터와 모터의 권선 저항(R) 손실로만 제어하며 모터 출력은 발생시키지 않는다(Pmech = 0).
즉, 연료전지스택의 출력(PFC)을 다음과 같이 정리할 수 있다.
PFC(연료전지스택의 출력) = Ploss(열손실) = Ploss_inv(인버터 열손실) + Ploss_motor(모터 열손실) = ∑Idc 2 × R(권선 저항)로 표현할 수 있다.
여기서, 권선 저항(R)값이 매우 작으므로, 적정한 연료전지스택의 출력(PFC)을 내기 위해서는 연료전지스택에서 흐르는 전류 보다 최고 수십 배 이상의 고전류(IDC)가 인버터/모터에 흘러야 된다.
따라서, 고전류로 인한 인버터 파워모듈인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 스트레스가 심각하게 발생되므로 연료전지스택의 출력전류를 일정값 이상으로 높이기 쉽지 않아 냉시동에서 시간 단축이 어려운 문제점이 있다.
또한, 모터를 구동하지 않고 인버터/모터의 고전류에 의한 열손실만으로 연료전지스택의 출력을 발생시키기 때문에 연료전지스택으로부터 많은 전류가 인가되지 않으므로 냉시동시 시간이 많이 소모되는 문제점이 있다.
그리고, 연료전지스택의 전류보다 수십 배의 고전류가 인버터/모터에 흐르기 때문에 내구성 문제를 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2011-0062627호(2011.06.10.) 공개특허공보 제10-2011-0045113호(2011.05.04.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 그 목적은 연료전지 차량에서 냉시동이 요구되는 경우 인버터를 제어하여 모터를 구동시키고, 제동 제어의 실행으로 모터를 구속시켜 제동 손실을 통해 연료전지스택의 출력 전류량을 증가시켜 냉시동 시간 단축과 냉시동 성능 향상을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르는 특징은 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력하는 연료전지스택; 연료전지스택에서 공급되는 직류 전류를 제어부의 PWM 신호에 따라 3상 전류로 변환시켜 모터에 공급하는 인버터; 상기 PWM신호의 출력으로 모터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 냉시동이 요구되면 PWM 신호의 출력으로 모터를 구동시키고, 동시에 브레이크 장치의 작동으로 동력 손실을 발생시켜 연료전지스택의 출력 전류량을 증대 제어하는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치가 제공된다.
상기 제어부는 상기 연료전지스택의 출력 전류량과 온도에 따라 모터를 구동시키는 PWM신호 및 제동 제어값을 보정하여 연료전지스택의 출력 전류량을 조정할 수 있다.
상기 제어부는 시동 온이 판정되면 제동 제어를 해제하고, 정상 구동을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 시동 온 요구가 검출되면 연료전지스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건인지 판단하는 과정; 상기 냉시동 조건이면 PWM 신호를 출력하여 모터를 구동시키고, 동시에 제동 제어를 실행하여 에너지 손실을 발생시키는 과정; 상기 냉시동 조건에서 모터의 구동과 제동 제어를 통해 연료전지스택의 출력 전류량을 증대시켜 활성화 온도의 도달 시간을 단축시키는 과정을 포함하는 연료전지 차량의 냉시동 제어방법이 제공된다.
상기 연료전지스택의 출력 전류량과 온도 상승의 변화에 따라 모터의 구동력과 제동 제어값을 보정하여 연료전지스택의 활성화를 유도할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 냉시동시 인버터를 제어하여 모터를 구동하고, 제동제어로 동력 손실을 발생시킴으로써 연료전지스택에서 출력되는 전류량을 증대시켜 냉시동 시간을 단축시킬 수 있어 냉시동 성능 향상과 인버터 파워소자의 내구수명을 연장시키는 효과가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동 제어절차를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동 제어장치는 연료전지스택(101)과 시동스위치(102), 다이오드(D), 인버터(103), 제어부(104), 모터(105) 및 브레이크장치(106)를 포함한다.
상기 연료전지스택(101)는 시동 온이 요구되거나 주행중인 상태에서 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력한다.
상기 연료전지스택(101)의 전기에너지 출력 동작은 통상적인 기술이 적용되므로, 구체적인 설명은 생략한다.
시동스위치(102)는 연료전지스택(101)과 인버터(103)의 사이에 배치되어 시동 온/오프를 선택한다.
다이오드(D)는 연료전지스텍(101)의 출력에 순방향으로 연결되며, 상기 인버터(103)의 형성되는 고압의 정전압이 연료전지스택(102)으로 유입되는 것을 차단시켜 연료전지스택(101)을 보호한다.
인버터(103)는 복수개의 전력 스위칭소자로 구성되고, 제어부(104)에서 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따라 연료전지스택(101)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환시켜 모터(105)를 구동시킨다.
인버터(103)를 구성하는 전력 스위칭소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 트랜지스터, 릴레이 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 인버터(103)는 보호회로를 포함하고, 보호회로는 전원의 흐름을 감시하고, 차량의 추돌이나 충돌 등 다양한 원인에 의해 과전압, 과전류가 유입되는 경우 전원을 분산 혹은 차단시켜 차량에 구비되는 제반 시스템을 보호하고, 탑승자를 고압으로부터 안정되게 보호한다.
제어부(104)는 시동 오프상태에서 시동 온이 검출되면 연료전지스택(101)의 온도를 검출하여 냉시동 조건인지 판단하고, 냉시동 조건이면 PWM신호로 인버터(103)를 제어하여 연료전지스택(101)에서 공급되는 직류 전류를 3상 전류로 변환시켜 모터(105)에 공급한다.
이때, 모터(105)는 인버터(103)에서 공급되는 3상 전류에 의해 회전자계가 생성되어 구동력을 발생시키므로 회전축을 통해 차량의 구동륜으로 전달된다.
상기 제어부(104)는 구동륜에 전달되는 모터(105)의 구동력에 의해 차량이 주행되는 것을 방지하고, 연료전지스택(101)에서 출력되는 전류의 손실을 높이기 위해 브레이크 장치(106)의 제동 유압을 설정하여 제동 제어를 실행한다.
상기 제어부(104)는 시동 완료 여부를 판정하여 시동이 완료되지 않은 상태이면 연료전지스택(101)의 온도와 출력 전류량에 따라 모터(105)의 출력 및 브레이크 장치(106)의 제동력을 보정하여 연료전지스택(101)의 출력 전류량을 조정한다.
상기 제어부(104)는 시동 완료가 판정되면 브레이크 장치(106)의 제동 제어를 해제하고, 정상적인 구동을 제어한다.
모터(105)는 동력원으로 영구자석형 동기모터 혹은 계자권선형 동기모터로 적용되며, 상기 인버터(103)에서 인가되는 3상 전류에 따라 회전자계를 생성시켜 구동력을 발생시킨다.
브레이크 장치(106)는 제어부(104)의 전자제어에 따라 구동륜의 휠 실린더에 공급되는 유압을 조정하여 제동 제어가 실행될 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같다.
본 발명이 적용되는 연료전지 차량이 시동 오프를 유지하는 상태에서(S101) 제어부(104)는 운전자에 의한 시동 온 요구가 검출되는지 판단한다(S102).
상기 제어부(104)는 상기 S102에서 운전자에 의한 시동 온 요구가 검출되면 연료전지스택(101)의 온도를 검출하여(S103) 빙점 이하의 온도에서 충분하게 냉각되어진 냉시동 조건인지 판단한다(S104).
상기 제어부(104)는 상기 S104에서 냉시동 조건으로 판정되면 PWM신호를 출력하여 인버터(103)를 제어한다(S105).
이때, 인버터(103)는 상기 제어부(104)에서 인가되는 PWM신호에 따라 연료전지스택(101)에서 공급되는 직류 전류를 3상 전류로 변환시켜 모터(105)에 공급하므로, 모터(105)는 인버터(103)에서 공급되는 3상 전류에 의해 회전자계가 생성되어 구동력을 발생시키므로 회전축을 통해 차량의 구동륜으로 전달된다(S106).
상기 제어부(104)는 구동륜에 전달되는 모터(105)의 구동력에 의해 차량이 주행되는 것을 방지하고, 연료전지스택(101)에서 출력되는 전류의 손실을 높이기 위해 브레이크 장치(106)의 제동 유압을 설정하고(S107) 제동 제어를 실행하여 모터(105)의 구동력으로 차량이 구동되는 것을 방지한다(S108).
이때, 연료전지스택(101)의 출력 전류는 제동 제어에 의해 에너지 손실로 발생되므로 연료전지스택(101)의 출력 전류량이 증대되며, 이에 따라 연료전지스택(101)의 온도가 빠른 속도로 상승되어 연료전지스택(101)의 활성화를 촉진시킨다.
상기 제어부(104)는 시동 완료 여부를 판정하여(S109) 시동이 완료되지 않은 상태이면 연료전지스택(101)의 온도와 출력 전류량에 따라 모터(105)의 출력을 보정하고(S110), 브레이크 장치(106)의 제동력을 보정한 다음(S111) 상기 S105의 과정으로 리턴된다.
상기한 바와 같이 모터(105)의 출력과 브레이크 장치(106)의 제동력 보정으로 연료전지스택(101)의 출력 전류량을 조정함으로써, 연료전지스택(101)의 온도 상승을 제어하고, 활성화를 촉진시킬 수 있다.
상기 제어부(104)는 상기 S104에서 냉시동 조건이 아니거나 상기 S109에서 시동 완료가 판정되면 브레이크 장치(106)의 제동 제어를 해제하고(S112) 정상적인 구동으로 제어한다(S113).
이상에서 설명한 바와 같이 냉시동시 모터를 실제로 구동시키고, 제동 제어를 실행시켜 연료전지스택으로부터 더 많은 출력 전류량을 뽑을 수 있으므로, 제동력만 확보한다면 냉시동 시간을 얼마든지 단축할 수 있다.
또한, 인버터와 모터의 내부에 직류성분의 고전류가 흐르지 않고, 교류성분의 비교적 저전류가 흐르므로 인버터 및 모터의 내구성 향상을 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
101 : 연료전지스택 102 : 시동스위치
103 : 인버터 104 : 제어부
105 : 모터 106 : 브레이크장치

Claims (6)

  1. 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 출력하는 연료전지스택;
    연료전지스택에서 공급되는 직류 전류를 제어부의 PWM 신호에 따라 3상 전류로 변환시켜 모터에 공급하는 인버터;
    상기 PWM신호의 출력으로 모터의 구동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는 냉시동이 요구되면 PWM 신호의 출력으로 모터를 구동시키고, 동시에 브레이크 장치의 작동으로 동력 손실을 발생시켜 연료전지스택의 출력 전류량을 증대 제어하는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지스택의 출력 전류량과 온도에 따라 모터를 구동시키는 PWM신호 및 제동 제어값을 보정하여 연료전지스택의 출력 전류량을 조정하는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 시동 온이 판정되면 제동 제어를 해제하고, 정상 구동을 제어하는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치.
  4. 시동 온 요구가 검출되면 연료전지스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건인지 판단하는 과정;
    상기 냉시동 조건이면 PWM 신호를 출력하여 모터를 구동시키고, 동시에 제동 제어를 실행하여 에너지 손실을 발생시키는 과정;
    상기 냉시동 조건에서 모터의 구동과 제동 제어를 통해 연료전지스택의 출력 전류량을 증대시켜 활성화 온도의 도달 시간을 단축시키는 과정;
    을 포함하는 연료전지 차량의 냉시동 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 출력 전류량과 온도 상승의 변화에 따라 모터의 구동력과 제동 제어값을 보정하여 연료전지스택의 활성화를 유도하는 연료전지 차량의 냉시동 제어방법.
  6. 직류 전류를 출력하는 연료전지스택;
    연료전지스택의 직류 전류를 3상 전류로 변환시켜 모터에 공급하는 인버터;
    PWM신호의 출력으로 모터의 구동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는 설정된 프로그램에 따라 동작되어 상기 제4항 내지 제5항 중 어느 하나의 방법으로 연료전지스택의 냉시동 시간을 단축시키는 연료전지 차량의 냉시동 제어장치.
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