KR101601443B1 - 연료전지 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 운전 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101601443B1
KR101601443B1 KR1020140082646A KR20140082646A KR101601443B1 KR 101601443 B1 KR101601443 B1 KR 101601443B1 KR 1020140082646 A KR1020140082646 A KR 1020140082646A KR 20140082646 A KR20140082646 A KR 20140082646A KR 101601443 B1 KR101601443 B1 KR 101601443B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
recovery operation
state
cell system
Prior art date
Application number
KR1020140082646A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160007826A (ko
Inventor
권상욱
전순일
구자후
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020140082646A priority Critical patent/KR101601443B1/ko
Priority to JP2014215695A priority patent/JP6444691B2/ja
Priority to US14/556,705 priority patent/US20160006059A1/en
Priority to DE102014224890.6A priority patent/DE102014224890A1/de
Priority to CN201410746435.0A priority patent/CN105280935B/zh
Publication of KR20160007826A publication Critical patent/KR20160007826A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101601443B1 publication Critical patent/KR101601443B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/33—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04522—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04723—Temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04953—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

연료전지 시스템의 운전 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계, 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 시스템의 운전 제어 방법{DRIVING CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 상태에 따라 상이한 회복 운전을 실시할 수 있는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이러한 차량용 연료전지 시스템에서는 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.
또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에는 연료전지의 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하될 수 있다(연료전지는 화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 무리가 감).
또한 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.
이러한 단점들을 보완하기 위한 방안으로 주동력원인 연료전지 외에 구동모터 및 고전압 부품 구동을 위한 별도의 보조동력원으로 에너지 저장장치, 예컨대 충/방전 가능한 고전압 배터리 또는 슈퍼커패시터(슈퍼캡)를 탑재할 수 있다.
한편, 애노드에 남아있는 잔존 수소가 전기 발생 없이 전해질 막을 직접 통과하여 캐소드의 산소와 반응하는 현상을 수소 크로스오버(Crossover)라 하며, 이러한 수소 크로스오버 양을 줄이기 위해서 저출력 구간에서는 애노드 압력을 낮추고 고출력 구간에서는 애노드 압력을 높여야 한다. 애노드 압력(수소압)이 커질수록 수소 크로스오버 양은 증가하며, 수소 크로스오버는 연비 및 연료전지 내구에 좋지 않은 영향을 미치므로 적절한 애노드 압력을 유지하는 것이 필요하다. 수소 퍼지 밸브는 애노드 측의 불순물 및 응축된 물을 배출하여 스택 성능을 확보하기 위한 용도이며, 애노드 출구단은 워터 트랩과 연결되어 응축된 물을 저장 후 양이 일정수준에 도달하면 밸브를 통해 배출한다.
이와 같이 연비 향상을 위해 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]이 중요하게 고려되어야 한다.
특히, 주행 중에 연료전지 발전을 정지하고 재개함에 있어서 공기의 유입에 의해 연료전지 스택에 드라이 아웃(Dry out)이 발생하는 문제뿐만 아니라, 차량의 재가속성, 연비 등을 종합적으로 고려한 제어가 중요하다.
미국공개특허 제2011-0000349호는 저출력 구간에서 연료전지가 개회로 전압 근처에서 운전되지 않도록 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 바이패스시켜 연료전지 스택에 공급되는 공기의 양을 줄이고, 배터리를 강제 충전하거나 부하를 이용하는 발명에 관한 것이며, 일본공개특허 제2011-0245119호는 연료전지 스택이 고온에서 운전 중일 때, 연료전지 스택의 전압을 배터리의 충전량에 따라 강제적으로 전압을 떨어뜨려 배터리를 충전시키는 발명에 관한 것이다.
또한 본 출원인에 의해 대한민국 등록특허 제1230900호는 연비 목적으로 저출력 구간에서 연료전지의 발전을 중지하고, 연료전지 발전 상황에서는 일정 전압 이하에서만 사용되도록 하는 발명에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 스택의 상태에 따라 회복 운전 모드를 선택하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계; 상기 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및 상기 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함한다.
상기 분류하는 단계는, 상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 상기 연료전지 스택으로의 공기 과급이 예측되는 제1 상태라고 판단되면, 상기 제1 상태를 제1 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 분류하는 단계는, 상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 스택으로 공기가 과급되어, 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 발생이 예측되는 제2 상태라고 판단되면, 상기 제2 상태를 제2 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 대해 상기 연료전지 스택으로 과급되는 공기량 또는 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값을 통해 산출되는 상기 캐소드 측 잔존수의 변화에 기반하여 판단되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 차이인 공기 과급량과 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 비율 및 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값은 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 것을 특징으로 한다.
상기 잔존수의 변화는 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 상기 추정값일 때와 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 90 내지 110%일 때의 캐소드 측 출구의 수증기 유량에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기 캐소드 측 출구의 수증기 유량은 상기 캐소드 측 출구의 수증기압, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따른 상기 캐소드 측 출구의 공기압, 및 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따라 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기 분류하는 단계는,
상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지의 전류 및 전압, 임피던스 또는 전류 차단법을 통해, 물부족으로 인한 스택의 열화가 진행된 제3 상태라고 판단되면, 상기 제3 상태를 제3 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 회복 운전 모드는, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 온도를 실제 온도보다 소정 오프셋만큼 높은 온도로 설정하여 설정된 온도에 맞게 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.
상기 회복 운전시키는 단계는,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 설정하는 기준 온도와 오프셋을 가변하여 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 아이들 스탑 진입 조건은 연료전지 차량의 부하가 기설정된 기준치보다 작고, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 충전 상태보다 높은 경우이며,
상기 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드는 상기 기설정된 기준치를 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 낮추는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.
상기 회복 운전시키는 단계는, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기설정된 기준치를 더 많이 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 더 많이 낮춰 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전은, 상기 메인 버스단 운전 전압의 상한치를 하향하여 상기 연료전지 스택의 출력이 기설정된 출력값 이하가 되는 것을 방지하는 운전인 것을 특징으로 한다.
상기 분류된 진단 레벨에 따라 회생 제동 중인 경우에도 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계에서, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시킬 수 있다.
상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압의 상한치 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
상기 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기본 공기 공급 유량의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는, 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.
상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
상기 회복 운전시키는 단계는, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 선택된 회복 운전 모드의 수를 달리하여 회복 운전시키는 단계이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 따르면, 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry Out) 상황을 방지하며, 드라이 아웃 상황의 회복 운전을 통하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지 시스템에서 발생할 수 있는 문제에 의해 또는 운전 패턴에 따른 연료전지 스택의 성능이 감소하는 것을 최소화시키며, 초기의 운전 성능을 지속적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 기준을 표현한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 이용하는 진단 레벨별 상태 감지 방법과 상태 발생 원인을 도시한 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 상대 습도 추정 모델을 간략히 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강제 냉각 회복 운전을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태와 대응되는 회복 운전 모드를 도시한 표이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 화학 양론비 가변 제어를 도식화한 도면이다.
도 14는 종래 기술에 대한 본 발명의 효과를 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 시스템의 파워넷 구성도이다. 도시된 바와 같이, 차량용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(20), 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(20)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(21), 연료전지(10)와 고전압 배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 부하(33), 저전압 배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 부하(41), 저전압 배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함할 수 있다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(21)가 연료전지(10)의 출력측인 메인버스단(11)에 접속되어, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지(10)의 출력단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스단(11)을 통해 연료전지(10) 및 고전압 배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료전지(10) 및/또는 고전압 배터리(20)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.
이러한 연료전지 시스템에서 구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 FC 모드, 고전압 배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 HEV 모드로 이루어진다. 특히, 연료전지 시스템에서 아이들 스탑 및 재시동 후 연료전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지의 EV 모드 주행 상태에서는 연료전지(10)의 발전이 정지되어 고전압 배터리(20)의 출력만으로 구동모터(32)의 구동 및 차량 주행이 이루어진다.
이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 및 연료전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압 배터리(20) 출력단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 부스트 제어를 통해 고전압 배터리(20)의 전압을 부스팅하여 메인버스단(11)의 전압을 상승시키고, 이로써 고전압 배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.
물론, 연료전지 시스템의 아이들 스탑시에 공기의 공급을 중지하였다가 재시동시에는 공기 공급을 재개하게 되며, 재시동 후 연료전지 시스템의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 기준을 표현한 도면이다.
연료전지 제어기(미도시)가 도 2에 나타낸 바와 같이 차량 상태 체크 과정(좌측)과 연료전지 상태 체크 과정(우측)을 통해 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 아이들 스탑 금지, 재시동 등을 제어하게 된다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 연료전지 제어기는 차량 상태 체크 과정에서 차량 부하와 보조동력원인 고전압 배터리(20)의 SOC(이상 차량 상태 조건이 됨)를 기준으로 연료전지 온(발전) 및 오프(발전 정지) 조건을 판단한다. 또한, 연료전지 제어기는 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지(10)의 비상 운전 조건, 연료전지 스택(10)의 온도, 연료전지 스택(10)의 애노드 압력, 제어기 간 통신상태, 히터 작동 여부(이상 연료전지 상태 조건이 됨) 등을 고려하여 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 스탑 금지, 시동 조건을 판단하게 된다.
여기서, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 오프(OFF) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 아이들 스탑 조건을 동시에 만족해야만 연료전지 아이들 스탑 과정이 진행되며, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 온(ON) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 시동 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 연료전지 재시동 과정을 진행하게 된다.
도 2의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 차량 상태 체크 과정에서는 기본적으로 차량 부하가 설정된 기준값보다 큰 고부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle_on 이상)인 경우 연료전지 온(ON) 조건이 된다. 또한 차량 부하가 설정된 기준값보다 작은 저부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle_off 이하)이고 고전압 배터리(20)의SOC가 설정된 상한치(SOChigh) 이상으로 충분히 높을 경우에만 연료전지 오프(OFF) 조건, 즉 아이들 스탑 진입 조건을 만족하는 것으로 판정한다.
또한 차량 부하는 작으나 고전압 배터리의 SOC가 하한치(SOClow) 이하로 낮을 경우에는 연료전지 온(ON) 조건을 만족하는 것으로 판정하되, 연료전지 온(ON) 시 출력값은 설정치(Pidle_on) 이상을 항상 유지하도록 하여 고전압 배터리(20)를 충전할 수 있도록 한다.
또한 차량 부하 상태 체크 과정에서 시스템의 응답성을 고려하여 풀(full)가속 또는 일정 수준 이상의 급가속시에는 연료전지 온(ON) 조건을, 회생제동시에는 회생제동의 회수율 증가를 위해 연료전지 오프(OFF) 조건을 만족하는 것이 추가될 수 있다.
한편, 연료전지 상태 체크 과정에서는, 도 2의 우측 도면에 예시한 바와 같이, 연료전지의 비상 운전상황, 스택의 온도가 설정온도 미만인 상태, 스택의 애노드 압력이 설정압력 미만인 상태, 공기블로워의 제어기 통신 불가 상태, 또는 히터 작동 상황인 경우 연료전지의 발전을 계속 유지해야 하는 조건(아이들 스탑 금지 조건, 시동 조건)(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0')으로 판정하게 되고, 이 상황이 아니라면 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건(아이들 스탑 조건)('연료전지 상태 OK=1')으로 판정하게 된다.
이러한 차량 상태 체크 과정 및 연료전지 상태 체크 과정에서 도 2에 도시된 바와 같이 '연료전지 OFF 및 연료전지 상태 OK=1'인 경우, 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 이루어지며, 어느 한 조건을 만족하지 못하는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입은 금지된다. 예컨대, 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 SOC 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 아이들 스탑 금지 조건('연료전지 상태 OK=0'인 조건)으로 판정되면 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 금지된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 '연료전지 ON 또는 연료전지 상태 OK=0'인 조건에서는 아이들 스탑이 금지(정상운전 상태인 경우)되거나 연료전지를 재시동(아이들 상태인 경우)시키는데, 예컨대 연료전지 시스템의 아이들 스탑 상태에서 차량 상태 조건(차량 부하 및 SOC 조건)이 스택 온 조건을 만족하지 않더라도(즉, '연료전지 OFF'인 조건) 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지의 발전을 재개해야할 조건(시동 조건)('연료전지 상태 OK=0'인 조건)이 되면 연료전지를 재시동시키게 된다.
연료전지 시스템에서 저출력 구간의 효율은 상시 보기류 파워로 인해 매우 낮으며, 이 영역의 회피 운전을 위해서는 효율이 나빠지는 시점인 출력 Pidle을 부하 판단 조건으로 설정하고, Pidle에 해당하는 전압인 Vidle 또는 그 근처의 전압값(도 4에서 V①)을 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치로 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 제어되는 전압을 설정된 전압 제어 상한치로 제한하는 바, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.
이와 같이 본 발명에서는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어 상한치를 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드, 즉 연료전지의 부하 추종 운전 제어가 이루어지는 상태에서 전압 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 전압 상한치로 제한하고, 이를 통해 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압이 전압 제어 상한치로 제한되는 동안 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한되도록 한다. 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상한치 제한을 두게 되면 연료전지 출력은 일정 수준 이상을 유지하게 되고, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.
그러나, 연료전지 시스템의 출력을 항상 Pidle 이상으로 유지하게 되면 저출력 구간에서의 배터리 과다 충전, 회생제동량 제한 등의 문제가 있게 되므로, 전술한 바와 같이 차량 상태 조건에서 회생제동시나 저출력 및 고 SOC조건(도 2의 '연료전지 OFF' 조건)에서는 연료전지를 오프(아이들 스탑)시켜 저효율 구간을 회피한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서는 연료전지의 출력이 부하에 따라 제어되는 부하 추종 운전 제어가 이루어지고, 이러한 연료전지의 출력 제어는 제어기가 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 메인버스단 출력 전압(이하, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압으로 약칭함)을 제어함으로써 수행된다.
특히, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에 대한 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어 상한치(도 4에서 V①)가 설정되는 바, 운전 중 부하에 따라 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압이 설정된 전압 제어 상한치로 제한되면서, 연료전지의 저출력 구간 사용이 금지된다.
이와 같이 정상 운전 모드에서 연료전지의 부하 추종 운전 중 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어시에 미리 설정된 제어 상한치로 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 제한해줌으로써 연료전지의 출력이 일정 수준 이상 유지되도록 한다.
이어 도 2에서 설명한 차량 상태 체크 과정에서 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 고전압 배터리의 SOC가 연료전지 오프 조건을 만족하면, 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 상태가 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건인지를 판정하게 된다.
여기서, 차량 상태 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 금지 조건에 해당하는 경우라면(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건), 연료전지 시스템의 아이들 스탑을 금지하여 연료전지를 운전 상태로 유지하되, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정된 전압 제어 상한치(V①)로 제한하는 전압 상한 제어를 해제하고, 연료전지를 저출력 구간에서도 사용할 수 있도록 한다.
연료전지(10)의 저출력 구간이면서 고전압 배터리(20)의 SOC가 높은 상태이고 더불어 연료전지(10)를 오프시킬 수 없는 상황(아이들 스탑 진입 금지 상태)일 때, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상한 제어를 통해 연료전지(10)의 출력을 일정 수준으로 계속 유지할 경우 고전압 배터리(20)가 과도하게 충전될 수 있기 때문이다.
연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 조건으로 판정되는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 과정이 진행된다. 즉, 먼저 연료전지(10)로의 공기 공급을 중단(공기블로워 등 공기공급장치를 오프)하여 연료전지 전압을 메인버스단 전압보다 낮아지도록 하고, 이를 통해 자연적으로 메인버스단으로의 연료전지 출력(전류 출력)이 이루어지지 않도록 한다(도 4의 공기 공급 중단 후 연료전지 전류 참조).
이어 공기 공급을 중단한 상태에서 소정 시간 후(또는 유량계를 통해 공기 공급량이 없음을 확인한 후)에는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(도 4에서 V②)으로 하강시켜 연료전지(10)의 캐소드 내 산소 소진이 이루어지도록 하는 바, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값으로 하강시켜 유지하게 되면, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 출력측이 되는 메인 버스단의 전압이 낮아지므로 캐소드 내 산소가 소진되는 동안 메인 버스단으로 연료전지의 전류가 다시 출력되고, 이때의 연료전지 출력으로 고전압 배터리(20)를 강제 충전하게 된다.
즉, 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압(메인버스단 전압) 아래로 내려가기 전까지는 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지(10)의 출력 전류에 의해 고전압 배터리(20)를 충전하는 것이며, 고전압 배터리(20)의 강제 충전으로 연료전지(10)의 캐소드 내에 남아 있는 잔존 산소가 일정 수준으로 제거될 수 있는 것이다.
또한 캐소드 내 산소 소진으로 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압보다 낮아지면 고전압 배터리(20)의 충전은 종료되지만 애노드 내 수소가 전해질막을 통해 캐소드로 계속해서 크로스오버(Crossover)되면서 캐소드의 산소가 점차 소진되는 바, 이에 연료전지(10)의 전압이 완전히 제거되면 아이들 스탑 진입이 완료된다(연료전지 전압이 완전히 제거됨).
따라서, 공기 공급 중단 후 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(V②)으로 낮추어주는 전압 제어를 통해 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20) 충전에 사용할 수 있고, 이와 더불어 연료전지(10)의 전압도 낮출 수 있게 되면서 스택 내구와 연비 측면에서 유리한 효과를 동시에 얻을 수 있다.
연료전지(10)의 캐소드 내 산소 소진 동안 고전압 배터리(20)의 강제 충전 후 연료전지 전압이 메인버스단 전압, 즉 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압보다 다시 낮아지면, 연료전지(10)로부터는 전류 출력이 이루어지지 않으므로 고전압 배터
리의 출력만으로 구동모터를 구동시키는 EV 모드 주행이 이루어진다. 도 4를 참조하면, 공기 공급 중단이 개시되기 전 구간에서 양방향 DC/DC 컨버터(21) 및 연료전지 전압이 전압 제어 상한치(V①)로 제한되고 있음을 볼 수 있으며, 이때 연료전지 전류는 전압 상한 제어로 인해 일정 수준을 유지하고 있음을 볼 수 있다.
또한 공기 공급이 중단되고 난 뒤 연료전지가 재시동될 때까지 배터리 전류를 MCU(Motor Control Unit)를 통해 인버터에 공급하여 EV 모드 주행이 이루어짐을 볼 수 있다. 이때, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어를 통해 메인 버스단 전압을 설정값(V②)(일정값 또는 가변값이 될 수 있음)으로 유지하는 EV 모드 주행이 이루어지게 된다.
공기 공급 중단 후 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 하강시키는 설정값(V②)의 설정은 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율과 구동모터(32)의 효율 측면에서 최적화가 필요하다. 구동모터(32)의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 높게 설정하는 것이 유리하나, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 낮게 설정하여 EV 모드로 주행되도록 하는 것이 더 나을 수 있는 바, 적절한 설정값(V②)을 설정하는 것이 필요하다.
EV 모드로 주행하는 동안 전술한 바와 같이 차량 상태 조건이 연료전지 온(ON) 조건이거나 연료전지 상태 조건이 시동 조건(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건)이면, 연료전지 시스템을 재시동시키게 된다. 이때, 먼저 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(도 5에서 V③)으로 상승시켜 유지하여 메인 버스단으로 연료전지의 출력이 과도하게 이루어지는 것을 막는다.
만약, 차량 부하 조건을 만족하지 못했지만(차량 부하가 기준값을 만족시키지 못한 저부하 상태, 즉 연료전지 요구 출력 Pidle_on 미만) 연료전지 이상으로 재시동시키는 경우에는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값을 OCV(Open Circuit Voltage) 근처, 즉 OCV 미만의 최대설정치까지 올려서 유지시킨다.
아이들 스탑시와 마찬가지로 차량 부하가 기준값 미만으로 작고 고전압 배터리(20)의 SOC도 높은 상황에서 재시동 전압값, 즉 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 설정값(V③)을 도 2의 Vidle 근처로 유지하면, 연료전지(10)의 출력이 고전압 배터리(20)를 과도하게 충전하게 되기 때문이다.
이어 메인 버스단 전압이 전압계 등을 통해 설정값(V③)으로 유지되는지를 확인한 후에는 공기 공급을 개시하여 연료전지(10)의 발전을 재개하는데, 공기 공급 시작 시점에서 공기블로워의 회전수를 상승시켜 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값(V③)까지 상승되도록 한다. 이때, 공기 공급을 통해 연료전지(10)의 전압을 상승시키면서 동시에 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값(V③)에 해당되는 일정 출력을 연료전지(10)가 낼 수 있도록 한다.
또한 재시동 과정의 공기 공급 재개시 연료전지 전압을 신속히 상승시키기 위해 필요 전류량만큼의 요구 공기량에 설정량(α)의 공기가 더 공급되도록 공기블로워를 구동시키며, 이에 연료전지에 '요구 공기랑 + 설정량(α)'의 공기가 공급되게 된다.
이후 연료전지 상태를 계속 모니터링하여 최소 셀전압, 셀전압 편차, 공기 유량 등이 안정화되면 재시동 과정을 종료하고, 양방향 DC/DC 컨버터(21) 전압의 설정값 유지를 해제한다.
이후 정상 운전 모드에서는 다시 연료전지(10)의 정상적인 부하 추종 운전이 이루어지며, 이때 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 전술한 바와 같이 제어 상한치(V①)로 제한하여, 연료전지(10)가 저출력 구간에서 사용되지 않도록 하면서 일정 출력 이상을 유지할 수 있도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 아이들 스탑 과정과 재시동 과정에서는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어와 공기 공급 제어를 통해 효과적으로 연료전지(10)의 저출력 회피 운전이 이루어짐을 볼 수 있다(OCV와 V① 사이의 전압이 형성되지 않는 것을 볼 수 있음). 전압 설정값인 V① 및 V③ 전압은 Pidle 근처의 전압으로 설정하되, 히스테리시스(Hystersis)를 감안하여 V①은 Pidle_off에 해당되는 전압으로, V③는 Pidle_on에 해당되는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다.
또한 재시동 과정에서 공기 공급 재개시에 요구 공기량 명령은 연료전지 필요 전류량으로부터 계산되는데, 필요 전류량보다 설정량(α)만큼 더 불어주어 연료전지의 전압 안정성이 빨리 회복될 수 있도록 한다. 더불어 연료전지 시스템의 아이들 스탑 중 EV 모드 주행시 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어값인 V②는 전술한 바와 같이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율, 구동모터(32)의 효율 등을 고려하여 적정한 값으로 설정하며, EV 모드 주행시 셀전압 편차, 공기 유량 등과 관련된 진단 로직은 중지시켜 진단 로직으로 인한 연료전지 시스템 및 차량의 셧다운을 막는다.
도 4에서 연료전지(10)의 재시동 과정에서는 연료전지 단의 릴레이(도 1에서 도면부호 14임)를 미리 온(ON) 시켜 놓은 상태에서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 일정 수준으로 상승 유지하고, 공기 공급을 통해 연료전지(10)의 전압을 상승시키면서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값에 해당되는 일정 출력을 연료전지(10)가 동시에 낼 수 있도록 하여 재시동을 완료하게 된다. 정상 시동시 시퀀스를 그대로 사용해도 무방하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 이용하는 진단 레벨별 상태 감지 방법과 상태 발생 원인을 도시한 표이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택 내부의 물부족 상태의 수준 즉, 진단 레벨을 Flt Lvl로 표현하였다. 공기 과급 상태 또는 열화 상태 등에 기반하여 물부족 상태가 심각한 정도에 따라 3개의 진단 레벨(Lvl)로 분류하였다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 3개의 진단 레벨은 공기 과급 상태 또는 물부족 상태의 정도에 따라 분류된 것이다. 3개의 진단 레벨을 제1 상태에 따른 진단 레벨, 제2 상태에 따른 진단 레벨 및 제3 상태에 따른 진단 레벨이라고 하면, 먼저 제1 상태의 원인은 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장일 수 있다. 또한, 제2 상태의 원인은 이러한 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장을 감지하지 못하는 것, 운전자의 패턴, 및 환경적인 요소일 수 있다. 또한, 제3 상태의 원인은 이미 연료전지 스택의 열화가 진행되어 연료전지의 물부족 상태가 발생한 것일 수 있다.
즉, 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 열화 상태에 기반하여 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는데, 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 연료전지 스택으로의 요구 공기량보다 더 많은 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 (공기 과급)상태가 제1 상태이며, 연료전지 시스템이 정상 동작 중임에도 연료전지 스택으로 공기가 과급되거나, 드라이 아웃(물부족)이 발생되는 상태가 제2 상태이고, 연료전지 스택의 열화가 진행되고 있는 상태가 제3 상태이다.
구체적으로, 진단 레벨(Flt Lvl)이 높을수록 이미 스택 열화가 진행된 상태를 의미하며, 진단 레벨이 낮을수록 물부족은 발생하지 않았지만 발생한 가능성이 있는 낮은 수준의 상태를 의미한다. 진단 레벨이 높아질수록 심각도의 정도가 높으며 회복 운전을 강화하는 등(회복 운전의 개수와 수준의 증가) 전략이 요구되는 것이다.
제1 상태는 연료전지 시스템(특히 공기 공급 시스템)의 정상적인 운전이 불가하여, 공기가 필요량보다 과급되는 상황이다. 저출력에서도 연료전지 발전 정지가 불가한 상황이 해당되며, 이때 저출력에서도 기본 공급 공기 유량에 의해 공기 과급 상황이 발생할 수 있다. 기본 공급 공기 유량은 아이들 스탑이 아닌 조건에서 부하 조건에 관계없이 최소로 공급되어야 하는 최소 공기 공급 유량을 말한다. FC Only 모드, 공기 블로워의 홀센서 또는 전류 센서 중 하나 이상의 고장에 기인한 공기 블로워 비상상황에서의 고정 Rpm 비상운전, 고전압 배터리(20)의 출력 부족, 저온 상태의 연료전지 등의 상황으로 제1 상태를 판단할 수 있다.
예컨대, 공기 블로워 비상 운전시 고정 회전 수 운전으로 요구 공기량보다 더 많은 공기가 과급되는 상태 또는 공기 블로워 회생 제동 불가 상황(배터리 SOC 과다, 공기 블로워 제어 불량)에서는 감속 구간에서 관성 유량에 기인하여 공기가 과급되는 상태 등일 수 있다.
제2 상태는 연료전지 시스템 및 공기 블로워 등의 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장을 인지할 수 없는 상태이다. 예컨대, 연료전지 시스템이 비정상인데 이를 진단하지 못하는 경우, 연료전지 시스템은 정상이나 계속적인 급가속/감속 운전과 같은 특정 운전 패턴의 경우, 강판 운전시 또는 외풍이 강한 상황에서의 램 에어가 유입되는 경우를 원인으로 공기 과급이 발생될 수 있다. 이러한 제2 상태를 판단하기 위해서는 연료전지 스택에서 생성된 전류가 소모되는 량인 소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 실시간으로 계산할 수 있고, 캐소드 측의 습도 추정 모델을 통하여 연료전지 스택 내부에 잔존하는 물의 양을 간접적으로 추정할 수 있다.
소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 계산하는 첫번째 방법은, 공기 공급량과 전류 소모에 필요한 공기량의 차이를 공기 과급량으로 정의하고, 공기 과급량과 기준 공기 과급량 및 운전 온도 가중치에 기반하여 공기 과급량 편차를 구하여 시간 적분하는 것이다. 공기 과급량 편차의 시간에 대한 적분치가 제1 기준값 이상인 경우 제2 상태에 해당한다고 판단될 수 있다.
소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 계산하는 두번째 방법은, 공기 공급량과 전류 소모에 필요한 공기량의 비율을 공기 과급 비율로 정의하고, 공기 과급 비율과 기준 공기 과급 비율 및 운전 온도 가중치에 기반하여 공기 과급 비율 편차를 시간 적분하는 것이다. 공기 과급 비율 편차의 시간에 대한 적분치가 제1 기준값 이상인 경우 제2 상태에 해당한다고 판단될 수 있다.
연료전지 스택의 잔존 수량을 예측하는 방법은 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 상대 습도 추정 모델을 간략히 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 연료전지 스택의 캐소드 출구의 상대 습도를 예측하기 위하여 스택 입구의 수증기 유량, 생성수의 양, 스택 내부 캐소드와 애노드 간 물 이동량을 고려하고, 연료전지 스택의 캐소드 측 물 변화량이 없다고 가정한다.
구체적으로 캐소드 측 상대 습도를 추정하기 위해 요구되는 입력값은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 공기 온도, 연료전지 스택의 입구 공기 유량 및 연료전지 스택의 생성 전류량이다. 연료전지 스택 입구 공기 전체 압력은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구 공기 유량의 함수이며, 연료전지 스택의 캐소드 측 출구 공기 전체 압력 또한 연료전지 스택 입구 공기 유량의 함수이다. 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 포화수증기압은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구 및 출구 공기 온도의 함수이다.
연료전지 스택의 잔존 수량을 예측하기 위해서, 먼저 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 계산한다. 구체적으로 연료전지 스택 출구 수증기 유량은 연료전지 스택 출구 건공기 유량(연료전지 스택 입구 공기 유량 - 반응 산소량), 0.622(수증기 1몰 질량을 건공기 1몰 질량으로 나눈값), 및 연료전지 스택의 캐소드 측 출구의 수증기압이 연료전지 스택 출구 공기 전체 압력에서 캐소드 측 출구의 수증기 압력을 뺀 양에서 차지하는 비율을 곱한 것이다.
다음으로 캐소드 출구의 상대 습도가 100%일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 계산한다. 구체적인 계산 방법은 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일때와 동일하다.
캐소드 출구의 상대 습도가 100%일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량에서 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 빼고, 이를 시간에 대해 적분하면 캐소드 내의 잔존 수량을 예측할 수 있다.
이러한 방법을 통하여 제2 상태임을 판단할 수 있다.
제3 상태는 이미 연료전지 스택의 물부족이 발생된 상태로서 전류 전압 곡선의 기울기와 처짐량, 임피던스 측정, CI(Current Interrupt, 전류차단법)를 통한 멤브레인 저항 측정 등으로 열화 상태를 판단함으로써 알 수 있다.
제1 상태라고 판단되면 제1 상태를 복수의 진단 레벨 중 제1 진단 레벨로 분류하며, 제2 상태라고 판단되면, 제2 상태를 복수의 진단 레벨 중 제2 진단 레벨로 분류하고, 제3 상태라고 판단되면, 제3 상태를 복수의 진단 레벨 중 제3 진단 레벨로 분류할 수 있다. 즉, 판단된 상태의 정도에 따라서 복수의 진단 레벨로 분류하되, 일 예로서 도 5에 도시된 바와 같이 판단된 상태의 정도를 3개로 구분하여 이를 3개의 진단 레벨로 분류하고, 각 진단 레벨별로 대응되는 회복 운전 모드를 선택하여 물부족 상태 또는 공기 과급 상태를 회복할 수 있도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같은 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하는지 여부를 판단하고(S710), 판단 결과에 따라 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하지 않는 경우 정상 운전 모드로 동작하고(S720), 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하는 경우에 각 상태에 대응하는 회복 운전 모드를 선택하여 동작 제어할 수 있다(S730). 회복 운전 모드(S730)로 동작하여, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태가 회복되면, 다시 연료전지 스택의 공기 과급 상태 또는 물부족 상태를 판단한다(S710). 회복 운전 모드는 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태가 회복될 때까지 반복 수행된다.
회복 운전 모드는 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법 중 하나를 도시한 순서도이다. 도 8을 참조하면, 정상 운전 모드인지 여부를 판단하여(S720), 정상 운전 모드인 경우 연료전지의 온도가 그대로 유지되도록 하며(S722), 정상 모드가 아닌 경우 연료전지를 강제로 냉각시키는 회복 운전 모드가 수행된다(S732). 이러한 강제 냉각 운전 제어는 연료전지 제어기의 일부분인 냉각 제어부에서 수행될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강제 냉각 회복 운전을 도시한 도면이다. 도 11을 참조하면 회복 운전 모드 중 하나인 강제 냉각 제어를 위해서 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도, 외기온, 차속 등의 정보를 입력값으로 수신하여 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 설정한다. 그리고 목표 온도로 냉각시키기 위해 냉각 제어부에서 물펌프 회전수, 라디에이터 팬 회전수, 써모스탯 개도 제어 지령을 물펌프, 라디에이터 팬, 써모스탯 등으로 송신한다.
회복 운전 모드에서는 연료전지 스택 내부의 물부족 현상을 완화시키기 위해서 연료전지 스택의 운전 온도를 강제로 냉각할 필요가 있다. 즉, 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것이다.
따라서 냉각수 입구와 출구의 온도 정보를 입력값으로 수신할 때, 실제 냉각수 입구 및 출구의 온도보다 오프셋(offset)만큼 더 높은 온도를 입력값으로 사용할 수 있다. 냉각수 온도 입력 정보를 치팅(cheating)하거나, 냉각수 입구 및 출구의 목표 온도가 더 낮게 설정될 수 있다.
예컨대, 연료전지 스택의 상태가 제3 진단 레벨에 해당되면, 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다. 즉, 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기존의 온도보다 더 낮게 설정하여 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다(도 12의 A1).
도 9 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태와 대응되는 회복 운전 모드를 도시한 표이다. 도 9는 회복 운전 모드에서 연료전지의 발전과 아이들 스탑을 제어하는 방법을 도시하고 있다.
도 2와 관련하여 상술한 바와 같이 차량 부하와 배터리의 충전 상태(SOC), 연료전지의 상황등을 고려하여 연료전지의 발전 및 정지를 제어할 수 있다. 그런데, 회복 운전 모드에서는 연료전지 발전 정지의 조건이 더 완화되어 연료전지 발전 정지 구간이 더 확장되어야 한다. 예컨대, Pidle_off, Pidle_on 기준값을 더 상승시키거나, SOChigh, SOClow 기준을 하향하거나, 연료전지 상태 체크 항목 중 일부를 삭제하는 등의 방법을 통하여 연료전지 발전 정지 구간이 더 확대되어야 한다.
일 예로 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 상태에 대응되는 제3 진단 레벨에 해당하는 경우 연료전지 발전 정지 구간이 더 확장될 수 있다. 즉, 아이들 스탑 진입 조건을 완화시킬 수 있다. 연료전지 발전 정지 조건에 해당하는지를 판단하여(S910), 조건 해당시 연료전지 발전을 정지시키고(S920), 연료전지 발전 정지 이후, 다시 재시동 조건이 되는지를 판단하여(S930), 조건이 되는 경우 연료전지를 재시동할 수 있다(S940).
한편, 회복 운전 모드에서 연료전지 발전 정지 조건에 해당하지 않는다면, 다양한 회복 운전 모드의 동작이 수행되도록 제어할 수 있다. 먼저 양방향 DC/DC 컨버터(21)를 통한 버스단 전압 상한치를 가변 제어할 수 있다(S950).
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 버스단 전압 상향치 가변 제어 방법을 도시한 순서도이다. 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 메인 버스단의 전압 상한치를 가변 제어하는 방법은 먼저 현재 구동 모터(32)가 회생 제동 중인지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다(S1010). 구동 모터(32)가 회생 제동시에는 메인 버스단 전압 상한치를 기존대로 개방 회로 전압 근처로 원복시킬 수 있다(S1020). 회생 제동 시에 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키면, 고전압 배터리(20)의 충전 전류량으로 인하여 회생 제동량이 줄게되어 연비에 큰 손실이 발생하기 때문이다. 따라서, 회복 운전 모드에서도 먼저 회생제동 여부를 판단하여 큰 연비 손실을 막기 위하여 메인 버스단 전압 상한치 하향 운전을 하지 않는다.
다만 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 상태에 대응되는 제3 진단 레벨에 해당하는 경우 큰 연비의 손실을 감수하더라도 연료전지의 물부족 상태 회복이 더 중요하기 때문에 회생 제동 유무와 무관하게 메인 버스단 전압 상한치를 하향 제어하여 고전압 배터리를 충전시킬 수 있다(도 12의 C2). 따라서, 구동 모터(32)가 회생 제동 중인지 여부 판단은 생략될 수 있다.
메인 버스단 전압 상한치를 하향시키는 회복 운전 모드를 수행하도록 하기 위해 고전압 배터리의 충전 상태(SOC)와 EV 측에 고장이 있는지 유무를 판단한다(S1030). 즉, 고전압 배터리의 충전이 불가능한 상황인지 여부를 판단하여 고전압 배터리 충전이 가능한 상황일 때에만 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키는 것이다(S1060). 전압 상한치를 하향시키는 경우에도, 연료전지 스택의 상태가 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태인지 여부에 따라 진단 레벨이 높을수록 메인 버스단의 전압 상한치를 더 크게 하향시킬 수 있다(도 12의 A2). 고전압 배터리가 완충 상태이거나, EV측에 고장이 있는 경우에는 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키지 않고, 정상 운전 모드의 상한치로 운전한다(S1040). 예컨대, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 즉 배터리가 완충 상태 혹은 더이상 충전이 불가능한 상태인 경우, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시킨다.
또한, 연료전지 스택의 공기 과급 상태 또는 물부족 상태가 심각한 경우 예컨대 제3 상태에 해당하는 경우 연료전지의 물 생성을 위해 연료전지에 연결된 고전압 히터를 사용할 수 있다(S1050, 도 12의 A5). 즉, 연료전지 스택의 상태가 제3 진단 레벨에 해당되면, 연료전지 스택의 출력을 부하에 따라 제어하여 부하 추종 운전시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다. EV 측 고장은 양방향 DC/DC 컨버터 또는 고전압 배터리의 고장 발생 상황일 수 있으며, 고전압 히터의 사용은 생략 가능하다.
메인 버스단의 전압 상한치를 하향 제어할 경우, 연료전지의 저출력 사용빈도가 줄어들고, 연료전지 발전 정지 구간이 증가하며, 기본 전류 생성 빈도가 증가한다. 또한 고전압 배터리의 사용 영역이 확대된다. 이러한 효과는 도 14에 도시된 종래와 본 발명에 따른 차속, 배터리 상태, 상대 습도 등의 차이를 도시한 그래프에서 확인할 수 있다. 종래와 대비하여 연료전지의 저출력 사용 빈도가 줄어들고, 연료전지 발전 정지 구간이 증가하였으며, 기본 전류 생성 빈도가 증가하였다. 배터리의 충전 상태에 관한 그래프를 통해 고전압 배터리의 사용 영역, 즉 충방전 영역이 확대된 것을 알 수 있다. 즉, 연료전지 스택에서 저전류 요구시에 남는 전력은 배터리 강제 충전을 통해 EV 모드로의 주행 구간을 확대할 수 있다.
양방향 DC/DC 컨버터(21)를 통해 메인 버스단의 전압 상한치의 하향 여부를 제어하고, 이후 연료전지 제어기는 기본 공기 공급 유량을 하향시킬 수 있다(S960). 예컨대, 전류 30A에 해당하는 유량을 10A에 해당하는 공기 유량으로 기본 공기 공급 유량을 하향 조정할 수 있다. 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 경우에도, 연료전지 스택의 상태가 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태인지 여부에 따라 진단 레벨이 높을수록 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 양을 더 많이 하강시킬 수 있다(도 12의 A3). 즉, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시킬 수 있다.
또한, 공기 공급 SR 가변 제어를 디스에이블시켜 최소 SR로 운전시켜 공기 공급을 최대한 낮출 수도 있다(S970, 도 12의 A4). 예컨대, 연료전지 스택의 상태가 제2 진단 레벨 또는 제3 진단 레벨에 해당되면, 최소 SR로 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 화학 양론비 가변 제어를 도식화한 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 실제 연료전지 전류와 실제 공기 유량, 캐소드 측 입구의 온도, 캐소드 측 출구 온도 및 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀의 개수를 입력으로 하고, 내부 파라미터로 가습기 효율맵, 애노드 측에서 캐소드 측으로 이동하는 물의 양, 공기 유량에 대한 캐소드 측 입구의 압력과 공기 유량에 대한 캐소드 측 출구의 압력을 포함하는 상대 습도(RH) 추정 모델에서 추정된 캐소드 측 출구의 상대 습도 추정값에 기반하여 추정값과 기맵핑된 화학 양론비 맵 또는 목표 상대습도 기반 화학 양론비 PI 제어를 통해 목표 화학 양론비를 결정할 수 있다. 도시된 바와 같이 상대 습도 추정값에 따라 화학 양론비를 가변제어할 수 있으나, 이러한 가변 제어를 디스에이블 시키고, 최소 화학 양론비로 운전시키는 회복 운전 모드로 회복 운전시킬 수 있는 것이다.
예컨대, 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는, 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드이다. 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시킬 수 있다.
회복 운전 모드에서는 연료전지 발전 정지 영역이 확대되고, 발전 정지가 되지 않더라도, 공기 공급량을 낮추는 동시에 연료전지의 출력을 발생시켜 물을 생성시키는 것이다. 이를 통해 운전성과 연비의 손해가 발생하더라도 저출력 운전 회피를 강화하여 물부족 상황으로 인한 연료전지의 열화를 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 진단 레벨이 낮을수록, 판단된 연료전지 스택의 공기 과급 또는 물부족 상태가 낮을수록, 복수의 회복 운전 모드 각각의 실행 강도를 낮게하고, 항목을 줄이는 것이 바람직하다. 복수의 회복 운전 모드들은 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 최소 SR로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드 또는 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 양을 하강시키는 회복 운전 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 회복 운전 모드들은 연비가 저하되거나, 가속 응답성이 저하되는 문제가 있기 때문에, 연료전지 스택의 상태의 심각도에 따라 선택적으로 운전되어야 한다.
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 13 : 다이오드
14 : 릴레이 20 : 고전압 배터리
21 : 양방향 DC/DC 컨버터 31 : 인버터
32 : 구동 모터 33 : 고전압 부하
40 : 저전압 배터리 41 : 저전압 부하
42 : 저전압 DC/DC 컨버터

Claims (24)

  1. 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계;
    상기 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및
    상기 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함하고,
    상기 회복 운전 모드는, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분류하는 단계는,
    상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 상기 연료전지 스택으로의 공기 과급이 예측되는 제1 상태라고 판단되면, 상기 제1 상태를 제1 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분류하는 단계는,
    상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 스택으로 공기가 과급되어, 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 발생이 예측되는 제2 상태라고 판단되면, 상기 제2 상태를 제2 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 대해 상기 연료전지 스택으로 과급되는 공기량 또는 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값을 통해 산출되는 상기 캐소드 측 잔존수의 변화에 기반하여 판단되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 차이인 공기 과급량과 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 비율 및 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값은 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 잔존수의 변화는 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 상기 추정값일 때와 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 90 내지 110%일 때의 캐소드 측 출구의 수증기 유량에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캐소드 측 출구의 수증기 유량은 상기 캐소드 측 출구의 수증기압, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따른 상기 캐소드 측 출구의 공기압, 및 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분류하는 단계는,
    상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지의 전류 및 전압, 임피던스 또는 전류 차단법을 통해, 물부족으로 인한 스택의 열화가 진행된 제3 상태라고 판단되면, 상기 제3 상태를 제3 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 온도를 실제 온도보다 소정 오프셋만큼 높은 온도로 설정하여 설정된 온도에 맞게 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 회복 운전시키는 단계는,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 설정하는 기준 온도와 오프셋을 가변하여 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 아이들 스탑 진입 조건은 연료전지 차량의 부하가 기설정된 기준치보다 작고, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 충전 상태보다 높은 경우이며,
    상기 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드는 상기 기설정된 기준치를 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 낮추는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 회복 운전시키는 단계는,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기설정된 기준치를 더 많이 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 더 많이 낮춰 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
    상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전은, 상기 메인 버스단 운전 전압의 상한치를 하향하여 상기 연료전지 스택의 출력이 기설정된 출력값 이하가 되는 것을 방지하는 운전인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 회생 제동 중인 경우에도 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계에서, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시키는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압의 상한치 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기본 공기 공급 유량의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는,
    연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 회복 운전시키는 단계는,
    상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 선택된 회복 운전 모드의 수를 달리하여 회복 운전시키는 단계인,
    연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
KR1020140082646A 2014-07-02 2014-07-02 연료전지 시스템의 운전 제어 방법 KR101601443B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140082646A KR101601443B1 (ko) 2014-07-02 2014-07-02 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
JP2014215695A JP6444691B2 (ja) 2014-07-02 2014-10-22 燃料電池システムの運転制御方法
US14/556,705 US20160006059A1 (en) 2014-07-02 2014-12-01 Driving control method and system of fuel cell system
DE102014224890.6A DE102014224890A1 (de) 2014-07-02 2014-12-04 Betriebssteuerverfahren und Betriebssystem für ein Brennstoffzellen-System
CN201410746435.0A CN105280935B (zh) 2014-07-02 2014-12-08 燃料电池系统的驱动控制方法和系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140082646A KR101601443B1 (ko) 2014-07-02 2014-07-02 연료전지 시스템의 운전 제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160007826A KR20160007826A (ko) 2016-01-21
KR101601443B1 true KR101601443B1 (ko) 2016-03-22

Family

ID=54866280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140082646A KR101601443B1 (ko) 2014-07-02 2014-07-02 연료전지 시스템의 운전 제어 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20160006059A1 (ko)
JP (1) JP6444691B2 (ko)
KR (1) KR101601443B1 (ko)
CN (1) CN105280935B (ko)
DE (1) DE102014224890A1 (ko)

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101592720B1 (ko) * 2014-07-02 2016-02-19 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
JP6168031B2 (ja) * 2014-11-14 2017-07-26 トヨタ自動車株式会社 車両
US9692246B2 (en) * 2015-03-13 2017-06-27 Active-Semi, Inc. Light load detection and current drain cutoff in a power bank device
KR20170036858A (ko) 2015-09-18 2017-04-03 현대자동차주식회사 연료전지차량의 제어 방법 및 시스템
KR20170101714A (ko) * 2016-02-29 2017-09-06 하이리움산업(주) 수소연료전지차량 충전 서비스 제공 방법
JP6770581B2 (ja) * 2016-03-02 2020-10-14 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッドＦｕｅｌｃｅｌｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ． 直流（ｄｃ）負荷平準化器
KR101836611B1 (ko) * 2016-04-07 2018-03-09 현대자동차주식회사 연료전지차량의 시동 제어방법
KR101867917B1 (ko) 2016-04-12 2018-06-15 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 전류를 제어하는 방법 및 이를 적용한 연료전지 시스템
KR101876735B1 (ko) * 2016-04-12 2018-07-10 현대자동차주식회사 연료전지의 내구 상태를 고려한 제어 방법 및 이를 적용한 연료전지 시스템
KR101786332B1 (ko) * 2016-04-20 2017-11-16 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 전력 분배 방법 및 시스템
JP6361686B2 (ja) 2016-04-22 2018-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101897329B1 (ko) * 2016-04-26 2018-09-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 공기압축기 제어방법 및 시스템
US10218018B2 (en) * 2016-05-03 2019-02-26 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack health monitoring using groups of fuel cells
WO2018020675A1 (ja) * 2016-07-29 2018-02-01 日産自動車株式会社 車両システム
KR101897338B1 (ko) * 2016-09-05 2018-09-11 현대자동차주식회사 연료전지차량의 셧다운 시스템 및 그 제어방법
KR102042077B1 (ko) 2016-09-26 2019-11-07 주식회사 엘지화학 인공지능형 연료전지 시스템
EP3504395B1 (en) * 2016-11-04 2022-09-07 Halliburton Energy Services, Inc. Flexible collar for a rotary steerable system
DE102016224813A1 (de) * 2016-12-13 2018-06-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug
DE102017200672A1 (de) 2017-01-11 2018-07-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Steuereinheit zur Konditionierung eines Brennstoffzellenstapels
JP6505149B2 (ja) * 2017-03-10 2019-04-24 本田技研工業株式会社 電源システム
KR102371598B1 (ko) * 2017-04-26 2022-03-07 현대자동차주식회사 배터리 충전량 제어 장치, 그를 포함한 시스템 및 그 방법
US20180319288A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-08 Bell Helicopter Textron Inc. Ethanol-Fueled Fuel Cell Powered Aircraft
DE102018202106A1 (de) 2018-02-12 2019-08-14 Audi Ag Energiemanagement eines Brennstoffzellenfahrzeugs
DE102018202084A1 (de) 2018-02-12 2019-08-14 Audi Ag Elektrisches Energiesystem mit Brennstoffzellen
KR102541875B1 (ko) * 2018-02-19 2023-06-12 현대자동차주식회사 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법
KR102554937B1 (ko) * 2018-03-14 2023-07-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량용 운전 정지방법
DE102018207014A1 (de) * 2018-05-07 2019-11-07 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs, und Hochvoltbordnetz
DE102018210145A1 (de) 2018-06-21 2019-12-24 Audi Ag Wärmemanagement in einem Fahrzeug
JP7076009B2 (ja) 2018-12-13 2022-05-26 本田技研工業株式会社 制御装置、電力供給装置、作業機械、制御方法及びプログラム
JP7156005B2 (ja) * 2018-12-25 2022-10-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR20210053360A (ko) * 2019-10-31 2021-05-12 현대자동차주식회사 연료전지 제어 방법
DE102019135300A1 (de) * 2019-12-19 2021-06-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Diagnose zumindest eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung, computerlesbares Speichermedium sowie Brennstoffzellendiagnosesystem
CN111409509B (zh) * 2020-04-04 2021-10-29 东风汽车集团有限公司 燃料电池系统及其怠速控制方法
KR20210129756A (ko) 2020-04-20 2021-10-29 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 운전 제어 방법
JP7371580B2 (ja) * 2020-07-07 2023-10-31 トヨタ自動車株式会社 車両制御装置、方法、プログラム、及び車両
KR102443465B1 (ko) * 2020-09-28 2022-09-19 한국철도기술연구원 수소 연료전지를 포함하는 하이브리드 동력시스템 및 철도차량
WO2023057055A1 (en) * 2021-10-06 2023-04-13 Volvo Truck Corporation A method for operating a fuel cell system
KR102590908B1 (ko) * 2021-10-22 2023-10-23 현대모비스 주식회사 연료전지 전력 관리 장치 및 방법
CN114824357A (zh) * 2022-03-31 2022-07-29 中国第一汽车股份有限公司 一种氢燃料电池电动汽车动力总成冷却系统、试验方法及评价方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004355890A (ja) 2003-05-28 2004-12-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置
JP2006049128A (ja) 2004-08-05 2006-02-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007059129A (ja) 2005-08-23 2007-03-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3767639B2 (ja) * 1996-02-29 2006-04-19 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法
JP4193521B2 (ja) * 2002-03-20 2008-12-10 ソニー株式会社 燃料電池装置及び燃料電池の制御方法
US7270900B2 (en) * 2003-11-03 2007-09-18 Mti Microfuel Cells, Inc. Automatic measurement of fuel cell resistance
JP5064799B2 (ja) * 2004-08-06 2012-10-31 パナソニック株式会社 燃料電池発電システム
JP2007005064A (ja) * 2005-06-22 2007-01-11 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4730023B2 (ja) * 2005-08-29 2011-07-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007123095A (ja) * 2005-10-28 2007-05-17 Toyota Motor Corp 燃料電池における冷却水温度制御方法、および燃料電池システム
JP5151035B2 (ja) * 2006-02-03 2013-02-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007234452A (ja) * 2006-03-02 2007-09-13 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5065655B2 (ja) * 2006-11-15 2012-11-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US20090183712A1 (en) * 2008-01-22 2009-07-23 Richard Owens Idle speed adjustment system
JP2009211935A (ja) * 2008-03-04 2009-09-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5310503B2 (ja) * 2009-11-24 2013-10-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5156797B2 (ja) * 2010-06-17 2013-03-06 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP5741922B2 (ja) * 2011-04-13 2015-07-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の乾燥抑制方法
CN102751518B (zh) * 2011-04-20 2014-11-05 本田技研工业株式会社 燃料电池系统以其控制方法
JP2013101844A (ja) * 2011-11-09 2013-05-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP6231477B2 (ja) * 2012-07-23 2017-11-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP5585685B2 (ja) * 2013-05-24 2014-09-10 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR101592704B1 (ko) * 2014-06-11 2016-02-15 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004355890A (ja) 2003-05-28 2004-12-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置
JP2006049128A (ja) 2004-08-05 2006-02-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007059129A (ja) 2005-08-23 2007-03-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016015302A (ja) 2016-01-28
US20160006059A1 (en) 2016-01-07
KR20160007826A (ko) 2016-01-21
JP6444691B2 (ja) 2018-12-26
DE102014224890A1 (de) 2016-01-07
CN105280935B (zh) 2019-06-25
CN105280935A (zh) 2016-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101601443B1 (ko) 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
JP3719229B2 (ja) 電源装置
JP6556437B2 (ja) 燃料電池システムの運転制御方法
US8859158B2 (en) System and method for controlling operation of fuel cell hybrid system by switching to battery power in response to idle stop condition
JP5434195B2 (ja) 燃料電池システム及びこれを備えた車両
JP5434196B2 (ja) 燃料電池システム及びこれを備えた車両
JP5233312B2 (ja) 燃料電池システム
JP2005071797A (ja) 燃料電池システム及び車両
US11097636B2 (en) Fuel cell vehicle
CN105609836A (zh) 燃料电池系统及燃料电池系统的运转控制方法
CN111384418B (zh) 燃料电池系统
JP5509655B2 (ja) 燃料電池システム及びこれを備えた車両
KR101567645B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법
JP2019103179A (ja) 燃料電池システム
CN111509266B (zh) 燃料电池系统
JP2008017576A (ja) 車両用制御装置
JP2003187816A (ja) 電源装置
JP6167864B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法
KR101261927B1 (ko) 연료전지의 재시동 제어 방법
JP7156194B2 (ja) ハイブリッド車両
JP7196830B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2018156789A (ja) 燃料電池車両の運転制御方法及び運転制御システム
JP4877911B2 (ja) 燃料電池車両及び燃料電池車両における蓄電素子への充電制御方法
JP2020178402A (ja) 燃料電池車両

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190227

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200227

Year of fee payment: 5