KR101558602B1 - 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉시동 개선을 위한 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기블로워용 모터에 최대 파워를 인가하여 인가된 최대 파워중 일부만이 공기블로워를 구동시키는데 소모되도록 하고, 나머지 파워는 모두 열로 발산시켜 공기블로워를 통해 유입되는 차가운 외기를 가열시켜 줌으로써, 냉시동을 개선시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터와; 연료전지 스택의 온도를 감지하는 냉시동 센싱부와; 냉시동 센싱부의 센싱신호를 받아 냉시동 여부를 판단하는 냉시동 판단부와; 냉시동 판단부의 냉시동 판단 신호를 받아 공기블로워용 모터를 제어하되, 모터 제어를 위한 벡터제어 성분중 d축 전류와 q축 전류를 모터에 최대 파워가 인가되는 수준으로 제어하는 모터 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치를 제공한다.

연료전지, 공기블로워, 모터, 냉시동, 벡터 제어, 전류, 열 발산, 파워

Description

연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법{Fuel cell cold starting device and method}

본 발명은 냉시동 개선을 위한 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기블로워용 모터에 최대 파워를 인가하여 인가된 최대 파워중 일부만이 공기블로워를 구동시키는데 소모되도록 하고, 나머지 파워는 모두 열로 발산시켜 공기블로워를 통해 유입되는 차가운 외기를 가열시켜 줌으로써, 냉시동을 개선시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 도 1에 도시된 바와 같이 공기블로워(10)의 작동에 의하여 대기중의 공기가 필터(12)에서 이물질 필터링이 이루어진 후, 공기블로워(10) 및 가습기(14)를 거쳐 연료전지 스택(16)의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 되어, 이때 발생한 전기를 사용하여 휠측과 연결된 구동모터를 동작시킴으로써 차량의 주행이 이루어진다.

이러한 연료전지가 운전을 멈추면 운전중에 생긴 물의 일부가 연료전지 내에 남게 되고, 연료전지가 정지되어 있는 동안 낮은 온도로 보관하면, 잔존하는 물이 얼게 되어 얼음층을 생성하게 되어, 연료전지의 시동 자체가 불가능질 수 있으므로, 이에 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들중 가장 시급하고도 어려운 문제중 하나가 냉시동성 확보에 있다 하겠다.

즉, 연료전지가 영하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관된 후, 초기 시동시 연료전지로부터 부하를 인가하면 전기화학 반응에 의해 스택의 공기극에서 발생되는 물이 스택 자체의 냉기와 공기극으로 공급되는 빙점 이하의 공기로 인해 결빙되어, 스택의 각 유로 및 가스확산층을 폐색하는 동시에 공기극 촉매층으로 공기 공급을 차단하게 되고, 결국 스택 전압이 일정하게 유지되지 않게 되는 등 냉시동성 확보에 어려움에 있다.

이러한 냉시동성 확보를 위한 기존의 방법중 하나는 히터를 이용하여 냉각수를 급속해동시키는 방법이 있고, 다른 하나는 공기공급 시스템 라인에 히터를 설치하여 공기를 승온시키는 방법이 있다.

또한, 종래기술로서 한국등록특허 등록번호 제802802호에는 공기블로워와 가습기 사이의 흡기라인에 히터를 설치하여, 흡기라인과 배기라인의 온도차 만큼 히터로 흡기를 가열하여 연료전지로 공급되는 흡기의 온도와 배기의 온도를 동일한 수준으로 맞추어 줌으로써, 연료전지 내부의 충분한 가습과 전반적인 온도편차를 줄일 수 있는 냉시동을 개선한 연료전지 시스템 및 그 제어 방법이 개시되어 있다.

그러나, 종래기술과 같이 냉시동 시 에어블로워와 가습기 사이의 흡기라인에 히터를 설치하거나, 스택의 외부 전체를 감싸고 있는 인클로져 내에 스택에서 배출된 따뜻한 공기를 순환시켜 스택을 가열시키는 방법 등은 추가적인 히터를 장착해야 하고, 또한 스택의 구조적인 변경을 통해 히팅하는 방법 등을 적용해야 하기 때문에 구성 부품들의 배치 시스템 설계가 복잡해지고, 제조원가 상승을 야기시키는 문제점이 있다.

또한, 히터를 작동시켜 연료전지 스택의 온도를 적정 수준으로 상승시키는 시간이 수분 이상으로 많이 소요되어 실질적인 스택의 정상 운전이 이루어지는 시간이 오래 걸리고, 히터를 작동하기 위한 필요 전원으로 배터리를 사용해야 함에 따라 배터리의 용량을 증가시켜야 하는 단점이 있으며, 공기 공급라인에 공기 승온용 히터를 부착함에 따른 부품수 증가 및 그에 따른 원가 상승을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 공기블로워용 모터를 제어하는 벡터제어 성분중 d축 전류인 id와 q축 전류인 iq를 조절하여, 공기블로워용 모터의 속도는 공기블로워를 구동시키는 수준으로 제어되는 동시에 모터에 입력되는 파워는 최대 파워로 인가되도록 하고, 인가된 최대 파워중 최소한의 파워만으로 모터가 낮은 작동 효율점으로 구동하는 동시에 나머지 파워는 모두 열로 발산되어 연료전지 흡기라인의 유입 공기 온도를 상승시키는 작용을 하도록 함으로써, 연료전지의 냉시동 성능을 크게 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터와; 연료전지 스택의 온도를 감지하는 냉시동 센싱부와; 냉시동 센싱부의 센싱신호를 받아 냉시동 여부를 판단하는 냉시동 판단부와; 냉시동 판단부의 냉시동 판단 신호를 받아 공기블로워용 모터를 제어하되, 모터 제어를 위한 벡터제어 성분중 d축 전류와 q축 전류를 모터에 최대 파워가 인가되는 수준으로 제어하는 전류 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 냉시동 센싱부는 공기극측에 존재하는 물의 결빙 온도를 감지할 수 있는 위치에 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 스택의 온도를 감지하는 단계와; 연료전지 스택의 온도가 빙점 이하이면, 냉시동으로 판정하는 단계와; 냉시동 판정과 함께, 공기블로워용 모터를 제어하되, 이 모터 제어를 위한 벡터제어 성분중 d축 전류와 q축 전류를 모터에 최대 파워가 인가되는 수준으로 제어하는 단계와; 인가된 최대 파워중, 공기블로워를 구동시킬 수 있는 모터 요구 파워를 제외하고, 나머지 파워는 모두 열로 발산되는 단계와; 발산되는 열에 의하여, 공기블로워로 유입되는 외기 온도가 상승되어 연료전지의 공기극으로 공급되는 단계; 승온된 공기에 의하여 공기극에서의 결빙 상태가 해제되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 발산되는 열은 모터의 스테이터를 둘러싸는 스테이터 냉각핀을 통하여 발산되어, 스테이터 핀 주변을 통과하는 외기를 가열하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 공기블로워용 모터를 제어하는 벡터제어 성분중 d축 전류인 id와 q축 전류인 iq를 모터에 최대 파워가 인가되는 수준으로 제어하여, 인가된 최대 파워중 최소한의 파워만으로 모터가 낮은 작동 효율점으로 구동하는데 소모되고, 나머지 파워는 모두 열로 발산시켜서 연료전지 흡기라인의 유입 공기 온도를 용이하게 상승시킬 수 있다.

이에, 상승된 온도의 공기가 스택의 공기극으로 공급되어, 공기극내의 결빙 을 해제시켜 냉시동 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 별도의 히팅수단을 설치하지 않고, 모터에 대한 전류 제어를 통해 공기의 온도를 승온시킬 수 있도록 함으로써, 제조 원가 절감을 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터 제어를 위한 제어 블럭도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터에 대한 냉각 구조를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 공기블로워용 모터의 벡터 제어 방식을 조정하여, 모터에서 발산되는 열에 의하여 연료전지의 흡기라인으로 유입되는 공기 온도를 상승시켜 냉시동을 개선할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 연료전지 스택의 소정 위치 즉, 공기극측에 존재하는 물의 결빙 온도를 감지할 수 있는 위치에 냉시동 센싱부(30)를 설치하고, 공기블로워용 모터를 제어하는 모터 제어기에 냉시동 판단부(32) 및 전류제어부(34)를 구축한다.

먼저, 냉시동 센싱부(30)에 의한 냉시동 검출이 이루어지고, 그 검출 신호를 근거로 냉시동 판단부(32)에서 냉시동 조건인지 아닌지를 판정하게 된다.

즉, 냉시동 센싱부(30)에서 스택의 온도를 감지하여 그 신호를 냉시동 판단부(32)로 보내면, 냉시동 판단부(32)에서는 냉시동 여부를 판정하게 되는 바, 연료 전지 스택의 공기극에서 발생되는 물이 스택 자체의 냉기와 공기극으로 공급되는 빙점 이하의 공기로 인해 결빙되는 경우라면 냉시동 센싱부(30)의 검출신호가 결빙온도 이하를 검출하게 되므로 이를 근거로 냉시동 판단부(32)에서 냉시동 상태임을 확정하여 그 판정신호를 모터 제어기에 보낸다.

이어서, 냉시동 판단부(32)의 냉시동 판정 신호를 받아 모터제어기에서 공기블로워용 모터를 제어하는 단계가 진행된다.

보다 상세하게는, 모터 제어기의 전류 제어부(34)에서 모터 제어를 위한 벡터제어 성분중 d축 전류와 q축 전류를 조절하는 제어를 하되, d축 전류와 q축 전류를 공기블로워용 모터에 최대 파워가 인가되는 수준으로 제어하게 된다.

이때, 공기블로워용 모터(20)에 인가된 최대 파워중 일부는 공기블로워를 정상 구동시킬 수 있는 수준의 모터 요구 파워로 소모된다.

이에, 공기블로워용 모터의 속도는 공기를 유입시키기 위한 공기블로워의 정상 구동에 필요한 속도로 제어되어, 스택에 공급되는 압력과 유량의 변화는 없게 되는데, 이는 모터에 인가되는 최대 파워중 일부 파워가 공기블로워를 구동시킬 수 있는 수준의 모터 요구 파워로 소모되기 때문이다.

특히, 공기블로워용 모터(20)에 인가된 최대 파워중 모터에 의하여 소모되는 파워를 제외하고, 나머지 파워로 모두 열로 발산된다.

예를 들어, 냉시동시 공기블로워용 모터 속도, 즉 공기를 정상적으로 유입시킬 수 있는 속도가 10,000rpm정도이고, 이 10,000rpm을 위한 공기블로워용 모터 파워 소모는 200W이며, 공기블로워용 모터의 최대출력시 소모되는 최대 파워가 8kW인 것으로 가정하면, 이때 모터 제어를 위한 벡터제어 성분중 d축 전류와 q축 전류를 제어하여 10,000rpm에서 공기블로워용 모터의 최대 출력일 때의 파워를 인가할 수 있다.
다시 말해, 공기블로워용 모터에 최대 파워 8kW를 인가한 상태에서, d축 전류와 q축 전류를 제어하여 공기블로워용 모터를 10,000rpm으로 회전되도록 하면, 10,000rpm의 구동에 필요한 200w만 구동에 소모되고, 나머지 7.8kW는 모두 열로 발생된다.

즉, 공기블로워용 모터의 최대 파워가 8kW라고 하면, 10,000rpm에서 모터에 입력되는 파워를 8kW까지 공급하고, 10,000rpm에서 8kW가 모터에 입력되면 공기블로워를 정상적으로 구동하는데 필요한 200W를 제외한 나머지 7.8kW는 모두 열로 발산하게 된다.

상기 공기블로워용 모터(20)는 통상의 모터와 같이 로터, 권선(24), 스테이터(26) 등을 포함하여 구성되고, 스테이터(26)의 외주부에는 방열을 위한 스테이터 냉각핀(22)이 배치되어 있다.

따라서, 공기블로워를 정상적으로 구동하는데 필요한 200W를 제외한 나머지 7.8kW가 모두 열로 발산되는 동시에 발산되는 열이 스테이터 냉각핀(22)를 통해 외부로 방열된다.

이에 따라, 공기블로워의 작동에 의하여 흡입되는 차가운 공기가 모터의 스테이터(26)를 둘러싸는 스테이터 냉각핀(22) 주변을 지나가게 되고, 동시에 차가운 상태의 공기 온도가 스테이터 냉각핀(22)를 통해 방열되는 열에 의하여 가열되어 용이하게 승온된다.

결국, 연료전지의 공기극으로 승온된 공기가 공급되어, 공기극에서의 결빙 상태가 신속하게 해제되는 동시에 연료전지가 일정 온도 이상에서 정상 작동을 하게 된다.

이와 같은 본 발명의 공기블로워 제어 방법을 이용하여, 실제 냉시동시 공기 온도가 상승되는 것을 시험하였는 바, 도 4에 도시된 바와 같이 공기블로워의 출구단에 설치된 온도센서의 검출값을 통하여 공기의 승온 정도가 어느 정도 이루어지는를 측정하였으며, 그 결과는 첨부한 도 5의 그래프에 나타낸 바와 같다.

도 5의 그래프에서 보는 바와 같이, 본 발명의 공기블로워용 모터에 대한 벡터제어 성분중 d축 전류인 id와 q축 전류인 iq를 제어함으로써, 공기블로워의 출구단 온도가 계단식으로 상승하는 것을 알 수 있었다.

도 1은 연료전지 시스템의 공기공급을 위한 구성을 설명하는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터 제어를 위한 제어 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터에 대한 냉각 구조를 나타낸 개략도,

도 4는 냉시동 제어에 대한 시험 장치를 설명하는 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터에 의한 냉시동 개선 시험 결과를 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공기블로워 12 : 필터

14 : 가습기 16 : 연료전지 스택

20 : 공기블로워용 모터 22 : 스테이터 냉각핀

24 : 권선 26 : 스테이터

30 : 냉시동 센싱부 32 : 냉시동 판단부

34 : 전류 제어부

Claims (4)

1. 연료전지 시스템의 공기블로워용 모터;

   연료전지 스택의 온도를 감지하는 냉시동 센싱부;

   냉시동 센싱부의 센싱신호를 받아 냉시동 여부를 판단하는 냉시동 판단부;

   냉시동 판단부의 냉시동 판단 신호를 받아 공기블로워용 모터를 제어하되, 상기 공기블로워용 모터에 최대 파워를 인가한 상태에서 모터 제어를 위한 벡터제어 성분 중 d축 전류와 q축 전류를 제어하여, 인가된 최대 파워 중 일부는 공기블로워를 정상 구동시킬 수 있는 수준의 모터 요구 파워로 소모되게 하고, 나머지 파워는 모두 열로 발산되도록 함으로써 발산되는 열에 의하여, 공기블로워로 유입되는 외기 온도가 상승되어 연료전지의 공기극으로 공급되도록 제어하는 전류 제어부;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉시동 센싱부는 공기극측에 존재하는 물의 결빙 온도를 감지할 수 있는 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 장치.
3. 연료전지 스택의 온도를 감지하는 단계;

   연료전지 스택의 온도가 빙점 이하이면, 냉시동으로 판정하는 단계;

   냉시동 판정과 함께, 공기블로워용 모터를 제어하되, 상기 공기블로워용 모터에 최대 파워를 인가한 상태에서 모터 제어를 위한 벡터제어 성분 중 d축 전류와 q축 전류를 제어하여, 인가된 최대 파워 중 일부는 공기블로워를 정상 구동시킬 수 있는 수준의 모터 요구 파워로 소모되게 하고, 나머지 파워는 모두 열로 발산되도록 하는 단계;

   발산되는 열에 의하여, 공기블로워로 유입되는 외기 온도가 상승되어 연료전지의 공기극으로 공급되는 단계;

   승온된 공기에 의하여 공기극에서의 결빙 상태가 해제되는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 발산되는 열은 모터의 스테이터를 둘러싸는 스테이터 냉각핀을 통하여 발산되어, 스테이터 핀 주변을 통과하는 외기를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 공기블로워 제어 방법.

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