KR101592651B1 - 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명에에서는 열 관리 시스템의 방열 성능을 개선하여 혹서기 고출력 운전 시와 같이 스택의 온도가 크게 상승하게 경우라 하더라도, 차량 전류 제한 도달 시간을 증대시켜 스택의 출력 안정성을 개선하는 한편, 고온의 냉각수가 유입되는 이온 필터의 내구성을 개선할 수 있는 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명에서는 라디에이터 → 3-웨이 밸브 → 펌프 → 히터 → 스택으로 연결되는 열 관리 시스템을 구현하되, 이온 필터 라인을 3-웨이 밸브의 바이패스 라인 측 포트 상에 연결함으로써 선택적 이온 필터링 및 유량 증대를 구현할 수 있는 차량용 연료전지 시스템의 선택적 이온 필터링 장치 및 방법을 제공하는 것에 특징이 있다.

Description

연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법 {Thermal management system for fuel cell vehicle and method thereof}
본 발명은 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에 채용되는 열 관리 시스템에서 방열 성능을 개선할 수 있도록 선택적 이온 필터링이 가능한 열 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 구축되는 연료전지 시스템은, 반응기체의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 열을 외부로 방출시켜 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함한다.
연료전지 스택은 반응기체인 수소와 산소의 전기화학 반응 과정에서 반응부산물로 열과 물을 배출하며, 연료전지 스택이 최적의 출력 성능을 낼 수 있도록 하기 위해서는 시동시나 운전 중 연료전지 스택의 온도를 최적의 온도로 관리해주어야 한다.
따라서, 시동시의 경우 연료전지 스택의 온도를 신속히 상승시키고, 운전 중 연료전지 스택의 온도를 최적 온도로 유지하기 위한 열 관리 시스템의 이용이 필수적이다.
이러한 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 도 1에 도시하였다.
도 1은 연료전지 차량의 열 관리 시스템에서 냉각수 루프를 보여주는 개략도로서, 연료전지 차량의 열 관리 시스템은, 연료전지 스택(1)의 발전시 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(2), 연료전지 스택(1)과 라디에이터(2) 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인(3), 라디에이터(2)를 통과하지 않도록 선택적으로 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(4) 및 3-웨이 밸브(5), 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프(6), 스택 웜업을 위해 냉각수 온도를 승온시키는 히터(7)를 포함한다.
또한, 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지하기 위해 냉각수에 존재하는 이온을 필터링하는 이온필터(De-Mineralizer, DMN)(9)가 냉각수 루프의 분기라인(8)에 설치된다.
이와 같은 열 관리 시스템에서는 라디에이터(2) → 3-웨이 밸브(5) → 워터펌프(6) → 히터(7)→ 연료전지 스택(1)의 경로로 냉각수를 순환시키면서 스택 발전시 발생하는 열을 외부로 방출한다.
특히, 냉각수 루프의 분기라인(8)에 설치이온 필터(9)를 거친 냉각수는 도 1에서와 같이 3-웨이 밸브 측 후단을 통해 냉각수 루프로 다시 회귀하게 된다.
이러한 3-웨이 밸브와 이온 필터의 분기라인(8) 간의 연결 구조는 도 2에 보다 상세하게 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3-웨이 밸브는 라디에이터 측과 연결되는 제1포트(5a), 바이패스 라인과 연결되는 제2포트(5b) 및 상기 두 라인을 통과한 냉각수가 펌프 측으로 이동하기 위한 제3포트(5c)를 포함한다.
또한, 이온 필터의 분기라인(8)은 제3포트 측에 연결되는데, 이러한 제3포트의 출구에 배치된 분기라인(8)의 위치 상, 3-웨이 밸브의 개도와는 상관없이 이온 필터 유량이 항상 발생하게 된다.
따라서, 이온 필터 루프는 항상 개방된 상태가 되기 때문에, 고온의 냉각수가 상시 통과하게 되어 불필요한 이온 필터링으로 인한 필터 내구 수명이 단축되는 문제가 발생하게 된다.
또한, 전체 냉각 유량의 10% 정도의 냉각수가 이온 필터 루프를 통해 항상 흐르고 있기 때문에 냉각 유량 손실이 발생하여, 방열 성능에도 악영향을 미치게 된다.
한편, 차량에 탑재되는 수송용 연료전지(PEFMC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 경우 낮은 운전온도로 운전되므로 큰 방열면적을 갖는 라디에이터가 사용되고 있지만, 혹서기에는 연료전지 스택의 발열량에 비해 라디에이터의 방열량이 부족한 문제점을 가진다.
따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 스택 출구의 냉각수 온도가 고온이 되어 설정온도에 도달할 경우, 연료전지 제어유닛(Fuel Cell Control Unit, FCU)이 연료전지 스택을 보호하기 위해 스택의 전류 출력을 제한하여 냉각수 온도가 더 이상 높아지는 것을 방지하는데, 이를 고온 전류 제한이라 한다.
혹서기에 차량의 급가속, 고출력 운전이 지속되거나(예, 고속도로 주행시나 등판로 주행시), 냉각수 유량이 부족하면 냉각수가 고온으로 상승하여 고온 전류 제한이 수시로 발생하며, 이러한 전류 제한시에는 가속페달을 밟아도 스택 출력이 나오지 않는다.
이러한 고온 전류 제한의 잦은 발생을 방지하기 위해서는 부족한 방열량을 증대시켜야 하므로 라디에이터의 방열면적을 더욱 증가시키는 방법이 고려될 수 있으나, 이는 차량 레이아웃 특성상 한계를 가지고 있다.
또한, 고성능/고유량의 펌프를 사용하여 방열성능을 극대화할 수 있으나, 스택 구조상 펌프의 고유량 운전시 발생하는 높은 냉각수 압력이 스택이 가진 내압 수준을 넘어설 경우 스택 자체에 누수가 발생하는 문제가 있으므로 펌프 유량을 늘리는 방법에도 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 열 관리 시스템의 방열 성능을 개선하여 혹서기 고출력 운전 시와 같이 스택의 온도가 크게 상승하게 경우라 하더라도, 차량 전류 제한 도달 시간을 증대시켜 스택의 출력 안정성을 개선하는 한편, 고온의 냉각수가 유입되는 이온 필터의 내구성을 개선할 수 있는 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 연료전지 스택에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 외부로 방출하기 위한 라디에이터; 연료전지 스택과 라디에이터 사이를 연결하는 냉각수 순환라인으로부터 분기된 분기라인에 설치되어 냉각수를 통과시키는 이온필터; 제1포트, 제2포트 및 제3포트를 가지는 3-웨이 밸브;를 포함하며, 상기 제1포트는 라디에이터를 통과한 냉각수가 흐르는 라디에이터 라인에 연결되고, 상기 제2포트는 상기 냉각수 순환라인의 라디에이터 전단에 형성되는 바이패스 라인과 연결되며, 상기 제3포트는 상기 연료전지 스택 측으로 연결되도록 구성되며, 상기 이온 필터를 통과한 냉각수가 흐르는 이온 필터 라인은 상기 제2포트 측에 연결되도록 구성되는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 3-웨이 밸브는 제1포트와 제2포트를 함께 개방하거나 제1포트와 제2포트 중 어느 하나의 포트만을 선택적으로 개방할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 3-웨이 밸브의 개도량을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 차량 출력 상태에 따라 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브의 개도량을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 저출력 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고출력 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 정상 출력 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 정상 출력 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고출력 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 차량 냉각수 온도에 따라 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브의 개도량을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 저온 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고온 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 기준 온도 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 기준 온도 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고온 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 저온 구간은 차량 냉각수 온도가 미리 설정된 기준온도(X) 미만인 경우이고, 고온 구간은 차량 냉각수 온도가 상기 기준온도(X) 초과인 경우이며, 기준 온도 구간은 냉각수 온도가 상기 기준온도(X)인 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 3-웨이 밸브와 상기 연료전지 스택 사이에 냉각수를 순환시키기 위한 워터펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 워터 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에는 냉각수 온도를 승온시키기 위한 히터가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 제공한다.
한편, 본 발명에 따르면 차량의 출력 상태를 검출하는 단계; 미리 설정된 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간 중 어떤 구간에 속하는지를 결정하는 단계; 결정된 구간에 따라 제어기에 의하여 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계;를 포함하며, 상기 제어기는 상기 저출력 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고출력 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 정상 출력 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법을 제공한다.
또한, 상기 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계에서는 3-웨이 밸브의 개도량에 따라, 상기 정상 출력 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고출력 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법을 제공한다.
아울러, 본 발명에서는 차량 냉각수 온도를 검출하는 단계; 미리 설정된 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간 중 어떤 구간에 속하는지를 결정하는 단계; 결정된 구간에 따라 제어기에 의하여 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계;를 포함하며, 상기 제어기는 상기 저온 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고온 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 기준 온도 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법을 제공한다.
또한, 상기 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계에서는 3-웨이 밸브의 개도량에 따라, 상기 기준 온도 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고온 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법을 제공한다.
또한, 상기 저온 구간은 차량 냉각수 온도가 미리 설정된 기준온도(X) 미만인 경우이고, 고온 구간은 차량 냉각수 온도가 상기 기준온도(X) 초과인 경우이며, 기준 온도 구간은 냉각수 온도가 상기 기준온도(X)인 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 혹서기 고출력 운전시, 냉각수 고온으로 인한 차량 전류 제한 도달 시간을 증대시켜, 스택의 출력 안정성을 개선하고 스택 내구성을 향상하는 효과가 있다.
둘째, 냉각수 온도가 높은 고출력 시에는 이온 필터 루프를 차단하게 됨으로써 이온 수지의 고온 냉각수 접촉 시간을 단축시켜 이온 필터 내구성을 개선하는 효과가 있다.
셋째, 이온 필터 측으로 바이패스되는 유량을 선택적으로 줄일 수 있어, 고출력 상태에서의 방열 성능을 개선할 수 있으며, 이로 인하여 펌프 운전량을 감소시킬 수 있어, 차량 연비를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 연료전지 차량의 열 관리 시스템에서 냉각수 루프를 보여주는 개략도이고,
도 2는 도 1의 열 관리 시스템에서 3-웨이 밸브 및 이에 연결되는 이온 필터 라인을 개략적으로 도시하고 있는 것이고,
도 3은 연료전지 시스템의 전류 제한 프로세스를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열 관리 시스템을 도시한 개략도이고,
도 5는 도 4의 열 관리 시스템에서 3-웨이 밸브 및 이에 연결되는 이온 필터 라인을 개략적으로 도시하고 있는 것이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 열 관리 시스템에서 차량의 출력 상태(또는 냉각수 온도)에 따른 3-웨이 밸브의 개도 상태 및 냉각수 유량 변화를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 열 관리 시스템에서 이온 필터 루프를 차단한 시험결과를 도시한 그래프이다.
본 발명은 차량용 연료전지 시스템의 선택적 이온 필터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 라디에이터 → 3-웨이 밸브 → 펌프 → 히터 → 스택으로 연결되는 열 관리 시스템을 구현하되, 이온 필터 라인을 3-웨이 밸브의 바이패스 라인 측 포트 상에 연결함으로써 선택적 이온 필터링 및 유량 증대를 구현할 수 있는 차량용 연료전지 시스템의 선택적 이온 필터링 장치 및 방법을 제공하는 것에 특징이 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 차량용 연료전지 시스템의 선택적 이온 필터링 장치 및 방법을 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열 관리 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열 관리 시스템은, 연료전지 스택(11)의 발전시 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(12), 스택(11)과 라디에이터(12) 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인(13), 라디에이터(12)를 통과하지 않도록 냉각수를 선택적으로 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(14), 상기 라디에터 라인과 상기 바이패스 라인(14)을 연료전지 스택 측으로 연결하는 3-웨이 밸브(15) 및 상기 3-웨이 밸브의 개도량을 제어하기 위한 제어기(21)를 포함하여 구성된다.
또한, 이러한 열 관리 시스템에서는 도 4에서와 같이 냉각수를 순환시키기 위한 워터 펌프(16) 및 냉각수 온도를 승온시키기 위한 히터(17)가 포함될 수 있다.
이러한 구성에서 냉각수 순환라인(13)으로부터 분기된 분기라인(18)에 이온필터(19)가 설치된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열 관리 시스템에서는 상기 분기 라인(18)에 연결된 이온필터(19)를 거친 냉각수가 3-웨이 밸브(15) 전단의 바이패스 라인(14) 상에 유입되도록 구성하는 것에 특징이 있다.
본 발명에서의 3-웨이 밸브(15)는 제1포트(15a), 제2포트(15b) 및 제3포트(15c)를 가지며, 각각의 포트는 도 3 및 도 4에서와 같이 연결된다.
구체적으로, 3-웨이 밸브(15)의 구체적인 연결 구조를 개시하고 있는 도 4를 참조하면, 상기 제1포트(15a)는 라디에이터(12)를 통과한 냉각수가 흐르는 라디에이터 라인(20)에 연결되고, 상기 제2포트(15b)는 상기 냉각수 순환라인의 라디에이터(12) 전단에 형성되는 바이패스 라인(14)과 연결되며, 상기 제3포트(15c)는 상기 연료전지 스택(11) 측으로 연결되도록 구성된다.
여기서, 상기 이온 필터(9)를 통과한 냉각수가 흐르는 이온 필터 라인(18)은 상기 3-웨이 밸브(15)의 제2포트(15b) 측에 연결되며, 바이패스 라인(14)을 거친 냉각수에 합류하여 제2포트(15b)로 유입되게 된다.
아울러, 상기 제어기는 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 조절하는 것으로, 라디에이터 라인(20)과 연결된 제1포트(15a)와 바이패스 라인(14)에 연결된 제2포트(15b)를 선택적으로 개방하거나 또는 소정의 비율로 상기 제1포트(15a) 및 상기 제2포트(15b)의 일부를 함께 개방하도록구성된다.
따라서, 제2포트(15b) 전단에 연결된 이온 필터 라인(18)의 경우, 제2포트(15b)가 개방되어 바이패스 라인(14)을 통해 냉각수가 스택(11) 측으로 유입되는 경우에는 유량이 형성되나, 제2포트(15b)가 닫힌 경우에는 유량이 발생하지 않게 된다.
따라서, 이온 필터 라인(18)을 흐르는 냉각수 유량을 선택적으로 형성할 수 있기 때문에 3-웨이 밸브(15) 제어에 따라 선택적 이온 필터링이 가능하게 된다.
이러한 냉각수 유량 조절에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 차량의 열 관리 시스템에서는 차량의 출력 상태 또는 냉각수 온도에 따라 미리 결정된 다수의 구간을 설정하고, 설정된 다수의 구간 별로 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 조절함으로써 선택적인 이온 필터링 및 냉각수 유량을 조절하게 된다.
차량의 출력 상태를 기준으로 구간을 설정하는 구현예의 경우, 차량의 출력 상태에 따라 미리 설정된 기준 출력값에 따라 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 가변적으로 제어하게 된다.
도 6a 내지 도6c는 미리 설정된 차량 출력 상태(또는 냉각수 온도)에 따른 밸브 개도 상태 및 냉각수 유량 변화를 도시하고 있는 것이다.
먼저, 도 6a의 경우, 저출력 구간에 대한 3-웨이 밸브(15) 상태를 도시하고 있는 것이다. 도 6a에서와 같이 저출력 구간에 있다고 판단되는 경우, 제어기는 3-웨이 밸브(15)에서 제1포트(15a)는 폐쇄하고, 제2포트(15b)는 개방하도록 개도량을 조절한다.
즉, 저출력 구간에서는 상기 라디에이터 라인(20) 측과 연결되는 제1포트(15a)가 폐쇄되는 반면, 상기 바이패스 라인(14)과 연결되는 제2포트(15b)는 완전히 개방되므로, 바이패스 라인(14)을 통한 냉각수 유량만이 형성된다.
이 경우, 제2포트(15b) 진입 전 바이패스 라인(14)과 연결되는 이온 필터 라인(18) 또한 제2포트(15b) 개방으로 인하여 최대 유량(10%)을 형성하게 된다.
한편, 정상 출력 구간에서는 스택(11)이 안정적으로 구동되는 상태로써 라디에이터 라인(20) 측의 제1포트(15a)의 일부 및 바이패스 라인(14) 측의 제2포트(15b)의 일부가 모두 개방되는 상태에서 밸브 개도량이 적절히 선택된다.
즉, 이러한 정상 출력 구간에서는 제1포트(15a) 및 제2포트(15b)가 모두 개방된 상태로, 라디에이터 라인(20)을 통과한 냉각수 유량과 바이패스 라인(14)을 통과한 냉각수 유량이 각각 가변적으로 형성된다.
아울러, 이러한 정상 출력 구간에서는 바이패스 라인(14)을 통과하는 냉각수 유량에 비례하여 이온 필터 라인(18)을 통과한 냉각수 유량도 형성되게 된다.
한편, 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지 차량의 열 관리 시스템에 있어서, 고출력 구간에서는 제어기가 상기 제1포트(15a)를 완전히 개방하고 제2포트(15b)를 완전히 폐쇄하도록 3-웨이 밸브(15)를 제어하게 된다.
따라서, 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 제2포트(15b)를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트(15b)의 개도량에 따라 증감하게 되는 정상 출력 구간과는 달리, 상기 고출력 구간에서는 제2포트(15b)가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 발생하지 않게 된다.
결국, 본 구현예에 따르면, 고출력 구간에서는 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 형성되지 않도록 할 수 있기 때문에, 열 관리 시스템 내의 모든 냉각수가 라디에이터 라인(20)을 통과하여 스택(11) 측으로 진입할 수 있도록 구성할 수 있으며, 이로 인해 방열 성능을 극대화시킬 수 있게 된다.
도 7은 이러한 효과를 간접적으로 확인할 수 있는 실험 그래프로써, 고출력 구간에서 이온 필터 라인(18)를 차단한 시험결과를 도시하고 있다.
구체적으로, 도 7의 시험은 냉각수온 85℃에서 3-웨이 밸브(15)를 완전히 개방한 상태로 3500rpm의 펌프 운전량으로 실험한 것으로, 이온 필터 라인(18)을 차단하기 전과 차단한 이후의 라디에이터 라인(20)의 냉각수 유량 및 압력을 비교 측정한 결과이다.
이러한 비교 결과, 라디에이터 라인(20)의 유량은 194LPM에서 210LPM으로 약 8.11% 상승한 것을 확인할 수 있으며, 라디에이터 라인(20)의 압력 또한 약 7.99% 상승한 것을 확인할 수 있다.
그러므로, 이온 필터 라인(18)을 차단한 결과, 도 7에서와 같이 냉각수 유량 및 압력이 모두 상승한 것을 확인할 수 있으며, 결국 본 구현예에 따르면 이온 필터 라인(18) 차단으로 인하여 방열 성능이 향상될 수 있음을 간접적으로 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에서는 차량 냉각수 온도를 기준으로 구간을 설정하고, 설정된 구간 별로 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 가변적으로 제어하도록 구성할 수 있다.
즉, 상기 구현예에서는 미리 설정된 차량의 기준 냉각수 온도에 따라 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 가변적으로 제어하도록 구성할 수 있다.
이러한 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간은 앞선 구현예에서의 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간에 각각 대응되며, 동일한 방식으로 제어기에 의하여 3-웨이 밸브(15)의 개도량이 제어되게 된다.
따라서, 제어기는 저온 구간에서는 상기 라디에이터 라인(20) 측과 연결되는 제1포트(15a)를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인(14)과 연결되는 제2포트(15b)를 완전히 개방하게 된다.
또한, 고온 구간에서는 제1포트(15a)를 완전히 개방하는 대신 제2포트(15b)를 폐쇄하며, 기준 온도 구간에서는 제1포트(15a) 및 제2포트(15b)가 모두 일부 개방되도록 제어하게 된다.
이 경우, 고온 구간에서 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량은 제2포트(15b)의 폐쇄로 인하여 유량이 형성되지 않게 된다. 반면, 기준 온도 구간에서 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량은 제2포트(15b)를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트(15b)의 개도량에 따라 증감하게 되고, 저온 구간에서는 제2포트(15b)의 완전 개방으로 인해 최대 유량을 형성하게 된다.
한편, 각 구간을 설정하는 기준 온도는 스택(11)의 운전 온도에 따라 결정될 수 있으며, 바람직하게는 연료전지 스택의 최적 상태를 고려하여 미리 설정된 냉각수의 운전 온도를 기준 온도(X)로 설정한다.
그러므로, 이러한 기준 온도(X) 또는 기준 온도를 포함하는 소정의 온도 범위에 해당하는 구간을 기준 온도 구간으로 설정할 수 있으며, 상기 기준 온도 미만 또는 기준 온도 범위의 하한 미만의 구간을 저온 구간으로, 상기 기준 온도 초과 또는 기준 온도 범위 상한을 초과하는 구간을 고온 구간으로 설정할 수 있다.
하기 표 1 및 표 2는 동일 조건(또는 악화된 조건)에서 종래 기술에 따른 냉각수 루프에서의 전류 제한 도달 시간과 본 발명의 구현예에 따라 이온 필터 라인(18)인 차단된 냉각수 루프에서의 고온 전류 제한 도달 시간을 비교한 것이다.
외기 30℃ PMP (rpm) 전류 제한 도달 시간(s)
종래(이온 필터 라인 미차단) 3,500 89.4
본기술(이온 필터 라인 차단) 3,500 97.8
외기 33℃ PMP (rpm) 전류 제한 도달 시간(s)
종래(이온 필터 라인 미차단) 3,500 76.9
본기술(이온 필터 라인 차단) 3,200 87.1
이러한 표 1을 참조하면, 외기 30℃인 경우, 동일한 펌프 운전량(3500rpm)에서는 이온 필터 라인 차단 시 고온 전류 제한 도달 시간은 8.4초 증가한 것을 확인할 수 있으며, 외기 33℃ 평가에서는 펌프 운전량을 3200rpm으로 감소시켰음에도 불구하고 전류 제한 도달 시간이 10.2초 증가한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 이용할 경우, 차량 전류 제한 도달 시간을 증대킬 수 있어 혹서기 고출력 운전과 같은 상황에서도 충분한 방열 성능을 확보할 수 있다.
아울러, 출력이 높은 상태에서 이온 필터 라인을 통과하는 냉각수 유량을 차단할 수 있어, 이온 수지의 고온 냉각수 접촉 시간을 단축시킬 수 있는 바, 이온 필터의 내구성을 개선할 수 있다.
또한, 앞서 표 1에서와 같이 펌프 운전량을 감소시키더라도 충분한 방열 성능을 확보할 수 있기 때문에, 펌프 운전량 감소에 따른 차량 연비 절감의 효과 또한 예측된다.
한편, 이러한 구성을 갖는 연료전지 차량의 열 관리 시스템을 이용하는 열 관리 방법은 다음과 같은 단계를 거치게 된다.
먼저, 차량의 출력 상태를 검출하고, 미리 설정된 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간 중 어떤 구간에 속하는지를 결정하게 된다.
제어기에서는 결정된 구간에 따라 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 결정한다.
여기서, 3-웨이 밸브(15)의 개도량 결정은 앞서 설명한 바와 같다.
즉, 저출력 구간에서는 상기 라디에이터 라인(20) 측과 연결되는 상기 제1포트(15a)를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인(14)과 연결되는 상기 제2포트(15b)를 완전히 개방한다.
또한, 고출력 구간에서는 상기 제1포트(15a)를 완전히 개방하고 제2포트(15b)를 폐쇄한다.
반면, 정상 출력 구간에서는 제1포트(15a) 및 제2포트(15b)가 모두 일부 개방되도록 제어하게 된다.
이 경우, 상기 3-웨이 밸브(15)의 개도량을 결정하는 단계에서는 3-웨이 밸브(15)의 개도량에 따라 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 결정되게 된다.
즉, 정상 출력 구간에서는 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 제2포트(15b)를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트(15b)의 개도량에 따라 증감하게 되고, 저출력 구간에서는 최대 유량을 형성하게 되는 반면, 고출력 구간에서는 제2포트(15b)가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인(18)을 통과하는 유량이 발생하지 않게 된다.
한편, 냉각수 온도에 따라 결정된 구간 별 제어 방법 또한 앞서의 구간 별 제어와 마찬가지로 제어되게 된다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
11 : 연료전지 스택
12 : 라디에이터
13 : 냉각수 순환라인
14 : 바이패스 라인
15 : 3-웨이 밸브
15a : 제1포트
15b : 제2포트
15c : 제3포트
16 : 워터펌프
17 : 히터
18 : 분기라인
19 : 이온필터
20 : 라디에이터 라인
21 : 제어기

Claims (17)

  1. 연료전지 스택에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 외부로 방출하기 위한 라디에이터;
    연료전지 스택과 라디에이터 사이를 연결하는 냉각수 순환라인으로부터 분기된 분기라인에 설치되어 냉각수를 통과시키는 이온필터;
    제1포트, 제2포트 및 제3포트를 가지는 3-웨이 밸브;
    상기 3-웨이 밸브의 개도량을 제어하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제1포트는 라디에이터를 통과한 냉각수가 흐르는 라디에이터 라인에 연결되고, 상기 제2포트는 상기 냉각수 순환라인의 라디에이터 전단에 형성되는 바이패스 라인과 연결되며, 상기 제3포트는 상기 연료전지 스택 측으로 연결되도록 구성되며,
    상기 이온 필터를 통과한 냉각수가 흐르는 이온 필터 라인은 상기 제2포트 측에 연결되도록 구성되는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브는 제1포트와 제2포트를 함께 개방하거나 제1포트와 제2포트 중 어느 하나의 포트만을 선택적으로 개방할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 차량 출력 상태에 따라 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브의 개도량을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는 상기 저출력 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고출력 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 정상 출력 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 정상 출력 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고출력 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 차량 냉각수 온도에 따라 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간으로 구분하고, 각 구간별로 3-웨이 밸브의 개도량을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는 상기 저온 구간에서는 상기 라디에이터 라인 측과 연결되는 상기 제1포트를 폐쇄하고 상기 바이패스 라인과 연결되는 상기 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고온 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 기준 온도 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기준 온도 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고온 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 저온 구간은 차량 냉각수 온도가 미리 설정된 기준온도(X) 미만인 경우이고, 고온 구간은 차량 냉각수 온도가 상기 기준온도(X) 초과인 경우이며, 기준 온도 구간은 냉각수 온도가 상기 기준온도(X)인 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브와 상기 연료전지 스택 사이에 냉각수를 순환시키기 위한 워터펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 워터 펌프와 상기 연료전지 스택 사이에는 냉각수 온도를 승온시키기 위한 히터가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 시스템.
  13. 차량의 출력 상태를 검출하는 단계;
    미리 설정된 저출력 구간, 정상 출력 구간 및 고출력 구간 중 어떤 구간에 속하는지를 결정하는 단계;
    결정된 구간에 따라 제어기에 의하여 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 저출력 구간에서는 라디에이터 라인 측과 연결되는 제1포트를 폐쇄하고 바이패스 라인과 연결되는 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고출력 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 정상 출력 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계에서는 3-웨이 밸브의 개도량에 따라, 상기 정상 출력 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고출력 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법.
  15. 차량 냉각수 온도를 검출하는 단계;
    미리 설정된 저온 구간, 기준 온도 구간 및 고온 구간 중 어떤 구간에 속하는지를 결정하는 단계;
    결정된 구간에 따라 제어기에 의하여 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 저온 구간에서는 라디에이터 라인 측과 연결되는 제1포트를 폐쇄하고 바이패스 라인과 연결되는 제2포트를 완전히 개방하며, 상기 고온 구간에서는 상기 제1포트를 완전히 개방하고 제2포트를 폐쇄하며, 상기 기준 온도 구간에서는 제1포트 및 제2포트가 모두 일부 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 3-웨이 밸브의 개도량을 결정하는 단계에서는 3-웨이 밸브의 개도량에 따라, 상기 기준 온도 구간에서는 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 제2포트를 통과하는 바이패스 유량에 비례하여 제2포트의 개도량에 따라 증감하고, 상기 고온 구간에서는 제2포트가 폐쇄됨에 따라 이온 필터 라인을 통과하는 유량이 발생하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 저온 구간은 차량 냉각수 온도가 미리 설정된 기준온도(X) 미만인 경우이고, 고온 구간은 차량 냉각수 온도가 상기 기준온도(X) 초과인 경우이며, 기준 온도 구간은 냉각수 온도가 상기 기준온도(X)인 구간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열 관리 방법.
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