KR101592705B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 연료전지 스택의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터의 철손을 최대로 하기 위해 유도 모터의 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 단계 및 회전 자계의 각속도 증가에 따라 생성된 구동 모터의 토크를 토크 제거기를 통해 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어 방법{Fuel cell system and contolling method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 냉시동 상황에서 연료 전지 스택을 빠르게 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
한편, 전류 지령 생성기에서 생성된 전류 지령은 전류 제어기(미도시)로 출력되며, 전류 제어기는 d축, q축 전압 지령을 생성하고, 이 후 3상 전압 지령이 생성되고, 펄스폭 변조 및 3상 전류 제어 과정을 통해 모터가 제어되게 된다.
한편, 연료 전지 차량 정차시 운전 중에 생성된 물의 일부는 연료 전지 스택 내부에 잔존하게 되고, 차량 외부 온도가 매우 낮을 경우 이러한 잔존수는 응결되어 얼음으로 상변화하여, 연료 전지 차량의 시동이 불가하게 되는 문제점이 있다. 이러한 냉시동 환경에서 냉시동성 확보를 위해, 히터를 이용하여 냉각수를 급속 해동시키는 방법이 있고, 공기 공급 시스템 라인에 히터를 설치하여 공기를 승온하는 방법이 있다.
그러나, 냉시동시 공기 블로워와 가습기 사이의 흡기 라인에 히터를 설치하거나, 연료 전지 스택을 감싸고 있는 인클로져 내에 연료 전지 스택에서 배출된 따뜻한 공기를 순환시켜 연료 전지 스택을 가열하는 방법 등은 추가적인 히터를 장착해야 하며, 연료 전지 스택의 구조적인 변경이 요구되기 때문에 구성 부품들의 배치 설계가 복잡해지며, 제조 원가를 상승시키는 문제점이 있다. 더불어 히터를 작동시켜 연료 전지 스택의 온도를 적정 수준으로 상승시키는 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
본 발명은 (구동 모터를 유도 모터로 사용하는 경우) 유도 모터를 이용하여 연료전지 스택을 빠르게 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 동작 제어 방법은 연료전지 스택의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터의 철손을 증가시키기 위해 유도 모터의 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 단계; 및 상기 각속도 증가에 따라 생성된 구동 모터의 토크를 토크 제거기를 통해 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 토크 제거기는 P단 감속기 또는 유압 브레이크를 포함하고, 상기 방법은 차량의 변속단이 P단인지를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 차량의 변속단이 P단에 있는 경우 상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 것을 특징으로 한다.
상기 변속단이 P단이 아닌 경우, P단 변경 요청 신호를 출력할 수 있다.
상기 P단 변경 요청 신호에 대응하여 P단으로 변속되면, 상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 연료 전지 차량 외부의 온도가 기설정된 온도 이하인 냉시동 상황인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 구동 모터의 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 단계는 상기 판단 결과 냉시동 상황인 경우 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시한 후, 상기 유도 모터의 유도 전류를 증가시키기 위해 상기 모터의 전류 지령값을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 의해 파워를 공급받는 인버터; 상기 인버터로부터의 신호들에 의해 구동되는 유도 모터; 상기 연료전지 스택의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터의 철손을 최대로 하기 위해 상기 유도 모터의 회전 자계 각속도를 빠르게 회전 개시하는 제어부; 및 상기 회전 자계 각속도 증가에 따라 생성된 상기 유도 모터의 토크를 제거하는 토크 제거기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 유도 모터의 철손을 증가시켜, 효율을 저하시킴으로써 연료 전지 스택의 전기 화학 반응을 증가시킬 수 있고, 따라서 연료 전지 스택을 빠르게 승온시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 유도 모터의 발열량을 증가시키면서 발생되는 토크를 제거하여 안정성 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 간략히 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 3은 회전 자계의 각속도의 증가와 그에 따른 생성 토크 및 손실 파워의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 일정한 회전 자계 각속도에서 전류 지령값의 변화에 따른 손실 파워의 변화를 도시한 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 간략히 도시한 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10), 연료전지 스택(10)에 의해 파워를 공급받는 인버터(20), 인버터(20)로부터의 신호들에 의해 구동되는 유도 모터(30), 회전 자계 각속도 증가에 따라 생성된 유도 모터(30)의 토크를 제거하는 토크 제거기, 및 연료전지 스택(10)의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터(30)의 철손을 최대로 하기 위해 유도 모터(30)의 회전 자계 각속도를 빠르게 회전 개시하는 제어부(50)를 포함할 수 있다.
유도 모터(30)는 트랙션 모터, 공기 블로워 모터일 수 있고, 3상 AC모터일 수 있다. 유도 모터(30)의 스테이터는 3개의 코일을 포함하며, 이러한 스테이터 코일들은 유도 모터(30)의 회전 속도와 토크를 제어하기 위해 서로 90도의 위상을 갖는 d축 전류 지령과 q축 전류 지령으로부터 변형된 전류 지령 신호를 각각 받는다. 정상 동작시, 유도 모터(30)는 최고 효율로 동작한다. 그리고 유도 모터(30)는 연료전지 스택(10)의 동작 온도를 빠르게 상승시키기 위한 연료전지 스택(10)의 부하로 사용될 수 있다. 즉, 유도 모터(30)의 손실이 커지면 연료전지 스택(10)으로부터 얻어지는 파워가 열로서 분산될 수 있다. 원래 유도 모터(30)의 기능은 전기 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 것인데, 본원의 경우 이러한 에너지 중 열로서 소모되는 에너지를 증가시키고자 하는 것이다.
인버터(20)는 IGBT와 같은 복수의 반도체 스위칭 소자와 연료 전지 스택의 DC 전류를 스테이터 코일용 AC 전류로 변환하기 위한 복수의 다이오드들을 포함할 수 있다.
제어부(50)는 유도 모터(30)의 손실 중 철손(히스테리시스 손실)을 최대로 하기 위해 유도 모터(30)의 회전 자계 각속도를 빠르게 회전 개시할 수 있다. 도 3은 회전 자계의 각속도의 증가와 그에 따른 생성 토크 및 손실 파워의 변화를 도시한 그래프인데, 도 3에 도시된 바와 같이 회전 자계 각속도가 증가되면 유도 모터(30)에서 손실되는 파워가 증가하며, 유도 모터(30)에서 생성되는 토크는 감소한다. (단, 유도 모터 정지 상태이고, 일정한 토크 지령이 인가된 경우) 즉, 회전 자계 속도와 생성되는 토크, 그리고 유도 모터(30)에서 손실되는 파워는 종속적인 관계를 갖고 있다. 그리고 유도 모터(30)에서 손실되는 파워는 모터의 폐열(waste heat)과 비례하는 관계를 갖는다. 이러한 철손은 유도 모터(30)에서 발생되는 손실로서 히스테리시스 손실일 수 있으며, 히스테리시스 손실은 분자 다이폴이 자화력의 변화를 따라 움직이는 과정에서 마찰열로 소모되는 에너지이다. 즉, 회전 자계 각속도가 빨라져 자화력의 변화가 크다면 철손을 증가시킬 수 있다.
따라서, 제어부(50)는 회전 자계 속도를 증가시켜 유도 모터(30)의 손실 파워를 증가시킬 수 있다. 회전 자계 속도가 증가됨에 따라서 생성되는 토크는 토크 제거기(40)를 통해 제거할 수 있다. 토크 제거기(40)는 P단 감속기 또는 유압 브레이크 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
토크 제거기(40)가 P단 감속기인 경우, 제어부(50)는 변속단이 P단에 있는지 여부를 판단하여 현재 변속단이 P단에 있지 않은 경우, P단 변경이 된 이후에 회전 자계 속도를 증가시킨다. 또한, 제어부(50)는 현재 연료전지 차량의 외부 온도가 기설정된 온도 미만인지 여부에 따라 냉시동 상황인지 여부를 먼저 판단한다. 냉시동 상황이 아니라면 굳이 유도 모터(30)의 손실을 증가시킬 필요가 없다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 시동이 온(on) 상태가 되면(S201), 먼저 냉시동 상황인지 여부를 판단한다(S203). 냉시동 상황인 경우, 토크 제거기(40)가 P단 감속기인 경우 현재 변속단의 위치가 P단에 있는지를 판단한다(S205). 변속단이 P단에 위치하지 않는 경우, 제어부(50)는 P단 변경 요청 신호를 출력하고(S207), P단 위치로 변경되었는지를 판단한다(S209).
제어부(50)는 변속단이 P단에 있던가 혹은 P단 위치로 변경된 경우에 비로소 유도 모터(30)의 회전 자계 속도를 증가시킨다(S211). 제어부(50)는 회전 자계 속도를 증가시켜 기설정된 회전 자계 속도에 도달시, 일정한 회전 자계 속도에서 유도 모터(30)의 유도 전류의 크기를 증가시키기 위해 유도 모터(30)로의 전류 지령값을 증가시킨다(S213). 도 4는 일정한 회전 자계 각속도에서 전류 지령값의 변화에 따른 손실 파워의 변화를 도시한 그래프이며, 도 4를 참조하면, 회전 자계 각속도가 30000rpm인 상태에서 전류 지령값의 증가에 따라 토크 지령도 증가하며, 유도 모터(30)의 손실 파워 또한 증가함을 알 수 있다.
그리고 제어부(50)는 토크 제거기(40)를 통해 회전 자계 속도를 증가시킴에 의해 생성된 토크를 제거하도록 한다.
이를 통해 생성되는 토크와 유도 모터(30)에서 발생되는 폐열 간의 관계가 일정부분 종속적 관계가 될 수 있고, 생성되는 토크는 토크 제거기로 제거함으로써 연료전지 스택(10)의 부하를 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 연료전지 차량의 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 인버터
30 : 유도 모터 40 : 토크 제거기
50 : 제어부

Claims (7)

  1. 연료전지 스택의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터의 철손을 최대로 하기 위해 유도 모터의 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 단계; 및
    상기 각속도 증가에 따라 생성된 유도 모터의 토크를 토크 제거기를 통해 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시한 후, 상기 유도 모터의 유도 전류를 증가시키기 위해 상기 유도 모터의 전류 지령값을 증가시키는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 동작 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크 제거기는 P단 감속기 또는 유압 브레이크를 포함하고,
    상기 방법은 차량의 변속단이 P단인지를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 차량의 변속단이 P단에 있는 경우 상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 동작 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변속단이 P단이 아닌 경우, P단 변경 요청 신호를 출력하는,
    연료전지 시스템의 동작 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 P단 변경 요청 신호에 대응하여 P단으로 변속되면, 상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 동작 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 연료 전지 차량 외부의 온도가 기설정된 온도 이하인 냉시동 상황인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 유도 모터의 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시하는 단계는 상기 판단 결과 냉시동 상황인 경우 수행되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 동작 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 의해 파워를 공급받는 인버터;
    상기 인버터로부터의 신호들에 의해 구동되는 유도 모터;
    상기 연료전지 스택의 온도를 상승시키기 위한 유도 모터의 철손을 최대로 하기 위해 상기 유도 모터의 회전 자계 각속도를 빠르게 회전 개시하는 제어부; 및
    상기 회전 자계 각속도 증가에 따라 생성된 상기 유도 모터의 토크를 제거하는 토크 제거기를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 회전 자계의 각속도를 빠르게 회전 개시한 후, 상기 유도 모터의 유도 전류를 증가시키기 위해 상기 유도 모터의 전류 지령값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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