KR101637734B1 - 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택으로 공급되는 수소와 공기를 승온시켜 공급함으로써 최단시간 내에 스택 내부의 온도를 목표수준까지 상승시켜 스택 내부 활성화 시간을 단축할 수 있는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 고압수소유량조절밸브; 상기 연료전지 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율을 변경 제어하는 연료전지 제어부;를 포함하며, 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율 감소시 고압수소유량조절밸브를 통과하는 수소의 압력이 감압되어서 스택으로 공급되는 수소의 온도를 승온시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템 {Low temperature starting control system of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로 수소와 공기를 승온시켜 공급함으로써 저온 시동 시간을 단축하기 위한 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수소연료전지 차량은 수소를 연료로 하는 차량으로서 수소와 산소를 반응시켜 생성되는 전하를 이용하여 차량 내 구동모터를 구동시켜 추진력을 발생시킨다. 이러한 수소연료전지 차량의 성능을 평가하는 지표 가운데 가장 중요한 것들 중 한가지는 차량의 냉시동 온도와 시동시간이다.
보통 연료전지는 특정 온도에서 수소와 산소의 반응이 활발하게 일어나며, 특정 온도 미만(예를 들어, 영하 2℃ 정도)에서는 차량 내부의 연료전지 시스템을 승온시키기 위한 작업들이 수행된다.
종래 연료전지 시스템을 승온시키기 위한 기술 중 대표적인 것은 시스템 내에 히터를 장착하여 연료전지 내부의 온도를 높이는 방법이 있다.
기존의 히터를 이용한 연료전지 스택 내부의 온도를 높이는 기술은 히터를 이용하여 공기를 승온시켜 연료전지 스택에 공급하므로, 스택 캐소드 측의 표면 온도를 상승시키는데 도움을 주지만, 스택 애노드 측의 온도를 전도에 의한 열전달만으로 구현해야 하기 때문에 스택 온도를 목표수준으로 상승시키는데에 부족한 문제점이 있다.
또한 연료전지 스택의 애노드 측으로 공급되는 수소를 가열하는데 히터를 사용할 경우, 폭발의 위험이 있어 직접적으로 수소를 가열하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택으로 공급되는 수소와 공기를 승온시켜 공급함으로써 최단시간 내에 스택 내부의 온도를 목표수준까지 상승시켜 스택 내부 활성화 시간을 단축할 수 있는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 고압수소유량조절밸브; 상기 연료전지 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율을 변경 제어하는 연료전지 제어부;를 포함하며, 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율 감소시 고압수소유량조절밸브를 통과하는 수소의 압력이 감압되어서 스택으로 공급되는 수소의 온도를 승온시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연료전지 제어부에서는 고압수소유량조절밸브의 전단과 후단 사이에 온도차에 따라 고압수소유량조절밸브의 전단과 후단 사이에 필요한 차압값을 결정한 뒤, 상기 차압값에 따라 고압수소유량조절밸브의 개도율을 결정한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 연료전지 제어부에서는 스택의 고출력 운전시 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 스택에서 요구하는 수소요구량에 비례하여 고압수소유량조절밸브의 개도율을 결정한다.
아울러, 상기 연료전지 제어부에서는 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 스택으로 공급되는 공기를 가열하기 위한 히터를 작동시킨다.
또한 본 발명에서는, 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 고압수소유량조절밸브; 상기 연료전지 스택의 고출력 운전시 스택의 내부 온도 또는 스택으로 공급되는 수소 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 스택에서 요구하는 수소요구량에 비례하여 고압수소유량조절밸브의 개도율을 결정하는 연료전지 제어부;를 포함하며, 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율에 따라 고압수소유량조절밸브를 통과하는 수소의 압력이 감압되어서 스택으로 공급되는 수소의 온도를 승온시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템은, 공기공급계의 히터를 이용하여 스택의 캐소드 측으로 공급되는 공기를 승온시키고 줄톰슨 효과를 적용한 고압수소유량조절밸브를 이용하여 스택의 애노드 측으로 공급되는 수소를 승온시킴으로써 최단시간 내에 스택 내부의 온도를 목표수준까지 상승시킬 수 있으며, 이에 따라 저온 시동시 스택 활성화 시간을 단축하여서 저온 시동 시간을 단축할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 승온된 수소를 스택에 공급함에 의해 저온 강판 주행시 스택 내부의 냉각을 지연시킬 수 있고, 스택의 피크(PEAK) 출력시 스택으로 공급되는 수소의 온도를 상승시킴으로 스택 출력 저하 현상을 개선하고 좀더 급진적인 출력 상승을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 저온 시동시 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 차량의 스택의 고출력 운전시 스택으로 공급되는 수소 온도 제어 방법을 나타낸 순서도
도 3 및 도 4 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템을 나타낸 구성도
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
알려진 바와 같이, 고압으로 압축한 기체를 단열된 좁은 통로를 통해서 빠져나가게 하면 빠져나가기 전후의 기체의 엔탈피는 같게 된다. 이 과정에서 온도변화는 생기지 않지만, 실제 기체의 경우는 분자간 상호작용이 있기 때문에 온도변화가 생긴다. 이 현상을 줄톰슨효과라고 한다
본 발명에서는 이러한 줄톰슨효과를 이용하여 연료전지 차량의 저온 시동시 연료전지 스택에 승온된 수소를 공급하여 스택 활성화 시간을 단축함으로써 결과적으로 저온 시동 시간을 단축할 수 있도록 한다.
연료전지 차량의 저온 시동시 혹은 시동 직후, 연료전지 시스템의 수소공급계에서 스택으로 공급되는 고압수소의 유량을 조절하기 위한 고압수소유량조절밸브를 이용하여 수소의 온도를 상승시킴으로써 스택 활성화에 도움을 줄 수 있다.
고압의 수소를 좁은 통로의 오리피스를 통과시켜 감압할 경우 다른 기체와는 다르게 수소의 온도가 상승하는 효과를 얻을 수 있다.
이에 본 발명에서는 기존과 같이 공기공급계의 히터를 이용하여 공기를 승온시키는 동시에, 고압수소유량조절밸브를 이용하여 수소의 온도를 승온시킴으로써 스택 동작온도에 최대한 빠르게 도달하도록 할 수 있다.
스택으로 공급된 공기는 스택 캐소드 측의 표면 온도를 상승시키는데 도움을 주지만 스택 애노드 측의 표면 온도는 전도에 의한 열전달만으로 상승시켜야 하기 때문에 부족함이 있는데, 상기와 같이 고압수소유량조절밸브를 이용하여 직접 승온된 수소를 스택으로 공급하여 애노드 측의 표면에 닿게 하여 스택 활성화 시간을 단축할 수 있다.
여기서, 상기 고압수소유량조절밸브는 연료전지 시스템의 수소공급계에 설치 구성되는데, 수소탱크로부터 스택으로 배출 공급되는 수소를 통과시키면서 승온시킬 수 있는 위치 혹은 수소를 통과시키면서 승온시키는데 유리한 위치에 배치되며, 예를 들면 저장된 수소를 배출 공급하는 수소탱크와 수소를 공급받아 출력을 내는 연료전지 스택 사이에 장착될 수 있다(도 3 참조).
도 1에는 저온 시동시 스택으로 공급되는 수소 온도 제어 방법이 도시되어 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 연료전지 제어부(20)에서는 스택(10) 측에 장착된 온도센서(도 3의 14 참조)로부터 수신되는 신호를 통해 스택 내부 온도를 감지하여 파악한다.
상기 온도센서(14)는 스택 내부 온도 혹은 스택 애노드 입구측의 온도를 측정할 수 있도록 설치 구성된다.
연료전지 제어부(20)에서는 스택 내부 온도가 저온 시동 제어가 필요한 기준값(예를 들면, 영하 2℃) 이하인 것으로 판단되면, 고압수소유량조절밸브(12)를 작동시켜 밸브(12) 내 고압수소가 통과하는 수소통로(오리피스)의 단면적(개도율)을 변경 제어하여 고압수소유량조절밸브(12)를 통과하는 고압수소의 압력을 감압시킴으로써 수소의 온도를 상승시킨다. 예를 들어, 이때 고압수소유량조절밸브(12)는 100lpm으로 고압수소의 유량을 제어한다.
상기 기준값은 연료전지 차량의 저온 시동 제어가 필요한 환경으로 판단되는 외부온도 값으로서, 통상적인 값으로서 설정되거나 혹은 실험 및 평가 등을 통해 사전 결정된 값으로서 설정된다.
상기 고압수소유량조절밸브(12)는 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 밸브로서, 상온에서의 일반 시동시에는 풀(full) 개방되어 있다가 저온 시동시 연료전지 제어부(20)의 신호에 따라 작동하여 개도량을 변경 조절하게 된다.
고압수소유량조절밸브(12)는 연료전지 제어부(20)의 신호에 따라 고압수소가 통과하는 통로의 개도량이 조절되어 좁은 통로의 오리피스(수소통로)를 형성하게 되고, 이 오리피스의 단면적에 따라 오리피스를 통과하는 수소의 감압 정도가 변경되어 수소의 승온 제어가 가능하게 된다.
또한, 상기 연료전지 제어부(20)에서는 냉시동시 공기공급계의 히터(도 4의 26 참조)를 작동시켜 스택(10)으로 공급되는 공기의 온도를 승온시킨다.
즉, 연료전지 제어부(20)에서는 스택(10)의 내부 온도가 상기의 사전 설정된 기준값 이하가 되면 스택(10)으로 공급되는 공기를 가열하기 위한 히터(26)를 작동시켜 공기의 온도를 승온시킨다.
연료전지 제어부(20)에서는 이렇게 스택(10)으로 공급되는 수소와 공기의 온도를 직접 승온시켜 스택 내부 온도가 시동을 위한 스택 활성화 목표온도에 도달한 것으로 파악되면 스택(10)이 동작(운전) 가능한 온도에 도달한 것으로 판단한다.
한편, 냉시동 제어가 필요한 저온 환경에서는 차량에 탑재된 수소탱크(도 3의 16 참조)의 온도가 점점 낮아지게 되고, 주행중 스택(10)에 저온의 수소가 공급될 경우 스택 출력 저하를 야기하게 되므로, 주행중 스택(10)으로부터 원하는 출력을 얻기 위해서는 스택(10)으로 공급되는 수소의 승온이 필요한 시기가 발생한다.
예를 들면, 주행중 스택(10)의 고출력을 유지하거나 강판시 국부적인 플러딩(FLOODING)을 방지하는 등을 위해서, 스택(10)으로 공급되는 수소의 승온이 필요한 시기가 발생한다.
이에 본 발명에서는 저온 환경에서 주행시 스택(10)의 출력을 요구되는 만큼 얻기 위하여 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율(또는 개도량)을 최적으로 조정하여 스택(10)으로 승온된 수소를 공급함으로써 스택 출력 저하를 방지한다.
연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소의 직접적인 승온은 특히 저온 강판시 냉각된 스택(10)을 긴급 승온시킬 때에도 도움이 될 수 있다.
도 2에는 스택의 고출력 운전시 스택으로 공급되는 수소 온도 제어 방법이 도시되어 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 연료전지 제어부(20)에서는 스택의 고출력 운전중 스택 내부 온도를 감지하여 파악한 결과, 스택 내부 온도가 사전 설정된 소정의 기준값(예를 들면, 영하 10℃) 이하인 것으로 판단되면, 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율을 제어하는 동시에 공기공급계의 히터(26) 작동을 제어한다.
여기서, 상기 기준값은 스택(10)의 운전중 스택(10)에 요구되는 출력의 유지를 위해 스택 내부 온도를 승온시켜야 할 것으로 판단되는 통상적인 외부온도값으로 설정되거나 또는 실험 및 평가 등을 통해 사전 결정된 값으로 설정된다.
좀더 구체적으로 설명하면, 연료전지 제어부(20)에서는 스택 내부 온도 또는 스택(10)으로 공급되는 수소 온도(혹은 수소탱크 온도)가 기준값 이하의 저온 상태인 것으로 판단되면, 스택(10)의 고출력 유지를 위한 수소요구량에 따라 고압수소유량조절밸브(12)의 작동을 제어하여 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율을 조정한다.
상기 수소요구량은 스택 출력에 따라 스택(10)에 공급되어야 하는 수소공급량으로서 파악되며, 고압수소유량조절밸브(12)는 필요한 수소요구량을 확보할 수 있는 개도율로만 내부 수소통로(오리피스)가 개방된다.
이때 상기 수소요구량에 따른 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율은 실험 및 평가 등을 통해 사전 도출/결정되어 테이블로 맵핑 구성되고, 이 테이블은 연료전지 제어부(20) 내에 저장된다. 즉, 상기 테이블은 스택(10)의 고출력 운전시 스택에서 요구하는 수소요구량에 따른 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율 값을 매칭시켜 구성된다.
또한, 연료전지 제어부(20)에서는 공기공급계의 히터(26)를 작동시켜 스택(10)으로 공급되는(또는 과급되는) 공기 온도를 승온시킨다.
즉, 연료전지 제어부(20)에서는 스택(10)의 내부 온도가 상기의 사전 설정된 기준값 이하가 되면 스택(10)으로 공급되는 공기를 가열하기 위한 히터(26)를 작동시켜 공기의 온도를 승온시킨다.
이렇게 연료전지 제어부(20)에서는 스택(10)으로 공급되는 수소와 공기의 온도를 직접 승온시켜 운전중 스택(10)의 목표온도 도달시간을 단축시키게 되며, 스택 내부 온도가 고출력 유지를 위한 스택 활성화 목표온도에 도달한 것으로 파악되면 스택이 고출력 동작(운전) 가능한 온도에 도달한 것으로 판단하고, 이로써 스택 출력 저하 현상을 개선할 수 있게 된다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 고압수소유량조절밸브(12)는 연료전지 제어부(20)에 의해 개도율이 조절되어 밸브(12) 내 고압수소가 통과하는 수소통로(오리피스)의 단면적이 조정되고, 그 결과 고압수소유량조절밸브(12)를 통과하는 고압수소의 온도를 상승시키게 된다.
도 3에는 스택으로 공급되는 수소 온도 제어를 위한 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 상기 연료전지 제어부(20)는 수소공급계에서 수소탱크(16) 측에 근접하게 설치된 압력센서(18) 및 스택(10) 측에 설치된 온도센서(14)로부터 신호를 수신하여 파악한 결과에 따라 고압수소유량조절밸브(12)의 작동 및 개도율을 제어한다.
상기 압력센서(18)는 수소탱크(16)의 내부 또는 외부 압력을 측정할 수 있도록 설치되어 스택(10) 측으로 공급되는 수소 압력을 감지하고, 상기 온도센서(14)는 앞서 언급한 바와 같이 스택(10) 내부 또는 스택(10) 입구측 온도를 측정할 수 있도록 설치되어 스택 내부 온도를 감지한다.
알려진 바와 같이, 물질마다 각기 일정한 값의 줄톰슨 계수는 갖는다. 수소의 경우에도 일정값의 줄톰슨 계수가 정해져 있으며, 이때 수소의 줄톰슨 계수는 아래 식 1과 같이 결정된다.
식 1 : du(줄톰슨 계수) = (T1 - T2)/(P1 - P2)
여기서, T1은 고압수소유량조절밸브의 전단 온도 값이고, T2는 고압수소유량조절밸브의 후단 온도 값이고, P1은 고압수소유량조절밸브의 전단 압력 값이고, P2는 고압수소유량조절밸브의 후단 압력 값이다.
이에 따라 상기 식 1을 이용하면, 고압수소유량조절밸브(12)의 전단에 수소 온도와 고압수소유량조절밸브(12)를 통해 승온된 수소 온도(즉, 수소 목표온도)를 알면, 고압수소유량조절밸브(12)의 전후단 사이에 필요한 차압을 결정할 수 있다.
즉, 수소탱크(16)에서 배출되는 수소 온도 값을 획득하고 고압수소유량조절밸브(12)를 통해 승온시킬 수소 목표온도를 결정하면, 고압수소유량조절밸브(12)의 전후단 사이에 필요한 차압을 결정할 수 있다.
이때 상기 수소 목표온도는 고압수소유량조절밸브(12)를 통해 승온시킨 수소 온도로서, 저온 시동시 수소 목표온도는 사전 평가를 통해 도출된 값으로 설정된다.
따라서, 연료전지 제어부(20)에서는 고압수소유량조절밸브(12)의 전단에 설치된 온도측정수단(미도시)을 이용하여 고압수소유량조절밸브(12)의 전단 온도를 취득하여서, 고압수소유량조절밸브(12)의 전후단 사이에 필요한 차압을 결정한다.
연료전지 제어부(20)에서는 고압수소유량조절밸브(12)의 전후단 사이에 필요한 차압값이 결정되면, 사전 구성된 테이블을 통해 고압수소유량조절밸브(12)의 수소통로의 단면적(오리피스의 개도율)을 결정할 수 있다. 상기 테이블은 고압수소유량조절밸브(12)의 전후단 사이에 필요한 차압값에 따른 고압수소유량조절밸브(12)의 수소통로 단면적을 실험 및 평가 등을 통해 사전 도출/결정하여 매칭시켜 맵핑 구성된 것으로, 연료전지 제어부(20) 내에 저장된다.
연료전지 제어부(20)에서는 상기 테이블을 통해 결정한 개도율에 따라 고압수소유량조절밸브(12)의 작동을 제어하여서 저온 시동시 스택 활성화 시간을 단축하게 된다.
일례로, 상기 연료전지 제어부(20)에서는 스택 활성화 목표온도와 스택 내부 온도 간에 차가 0보다 크면 고압수소유량조절밸브(12)의 개도율을 제어하여 수소를 승온시킨다.
이때 상기 스택 활성화 목표온도는 연료전지 시스템별로 평가를 통해 사전 도출된 값으로 설정된다.
그리고, 고압수소유량조절밸브(12)와 스택(10) 사이에 설치된 압력레귤레이터(22)는 고압수소유량조절밸브(12)를 통과하여 스택(10)으로 공급되는 수소 압력을 조정하는 역할을 한다.
또한, 도면부호 24는 연료전지 제어부(20)에 의해 작동 제어되는 퍼징 밸브(24)를 지시하는 것으로, 상기 퍼징 밸브(24)는 스택(10)의 애노드 측에서 배출되는 수소 및 수분을 포함한 혼합가스를 주기적으로 퍼징하여 대기로 방출하는 역할을 한다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택
12 : 고압수소유량조절밸브
14 : 온도센서
16 : 수소탱크
18 : 압력센서
20 : 연료전지 제어부
22 : 압력레귤레이터
24 : 퍼징 밸브
26 : 히터

Claims (6)

  1. 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 고압수소유량조절밸브;
    상기 연료전지 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 고압수소유량조절밸브의 개도율을 변경 제어하는 연료전지 제어부;를 포함하며,
    상기 고압수소유량조절밸브의 개도율 감소시 고압수소유량조절밸브를 통과하는 수소의 압력이 감압되어서 스택으로 공급되는 수소의 온도를 승온시킬 수 있도록 구성되며,
    상기 연료전지 제어부에서는 수소탱크에서 배출되는 수소 온도 값으로부터 승온시킬 수소 목표온도를 결정하고, 결정된 수소 목표온도를 이용하여, 고압수소유량조절밸브의 전단과 후단 사이에 온도차에 따라 고압수소유량조절밸브의 전단과 후단 사이에 필요한 차압값을 결정한 뒤, 상기 차압값에 따라 고압수소유량조절밸브의 개도율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어부에서는 스택의 고출력 운전시 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 스택에서 요구하는 수소요구량에 따라 고압수소유량조절밸브의 개도율을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어부에서는 스택의 내부 온도가 사전 설정된 기준값 이하가 되면 상기 스택으로 공급되는 공기를 가열하기 위한 히터를 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압수소유량조절밸브는 수소탱크와 연료전지 스택 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 저온 시동 제어 시스템.
  6. 삭제
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10871519B2 (en) 2017-11-07 2020-12-22 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell stack prediction utilizing IHOS
US10720655B2 (en) 2017-11-28 2020-07-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Partial derivative based feedback controls for pid
US10777831B2 (en) 2017-11-28 2020-09-15 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Equation based cooling system control strategy/method
US11094950B2 (en) 2017-11-28 2021-08-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Equation based state estimator for cooling system controller
US10714773B2 (en) 2017-11-28 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling system dT/dt based control
US10714767B2 (en) 2017-12-07 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell air system safe operating region
US10665875B2 (en) 2017-12-08 2020-05-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Path control concept
US10590942B2 (en) 2017-12-08 2020-03-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Interpolation of homotopic operating states
US11482719B2 (en) 2017-12-08 2022-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Equation based state estimate for air system controller
US10971748B2 (en) 2017-12-08 2021-04-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Implementation of feedforward and feedback control in state mediator
US10985391B2 (en) 2018-03-06 2021-04-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Real time iterative solution using recursive calculation
US10547070B2 (en) 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning
CN109585882A (zh) 2018-11-13 2019-04-05 清华大学 一种燃料电池零下启动方法及装置
WO2021133075A1 (ko) * 2019-12-24 2021-07-01 제주대학교 산학협력단 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법
CN111692406B (zh) * 2020-05-30 2021-09-03 同济大学 一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法
CN114583211B (zh) * 2020-11-30 2023-08-25 宇通客车股份有限公司 一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法
CN112798296B (zh) * 2020-12-31 2021-11-30 东风汽车集团有限公司 燃料电池汽车低温性能评价方法和评价系统
CN116575988B (zh) * 2023-05-19 2023-12-22 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080102336A1 (en) * 2005-02-11 2008-05-01 Willi Strohl Fuel Cell System With a Metering Unit
KR100893431B1 (ko) 2007-12-13 2009-04-17 현대자동차주식회사 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6329089B1 (en) * 1997-12-23 2001-12-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for increasing the temperature of a fuel cell
JP3832802B2 (ja) 2000-07-25 2006-10-11 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2002093445A (ja) * 2000-09-11 2002-03-29 Equos Research Co Ltd 燃料電池装置及びその運転方法
KR100456562B1 (ko) 2002-07-03 2004-11-10 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법
JP4049706B2 (ja) 2003-05-29 2008-02-20 本田技研工業株式会社 燃料電池
KR100527958B1 (ko) * 2003-09-05 2005-11-09 현대자동차주식회사 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법
JP2008147139A (ja) 2006-12-13 2008-06-26 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008226712A (ja) 2007-03-14 2008-09-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及びその制御方法
KR100969010B1 (ko) 2008-04-23 2010-07-09 현대자동차주식회사 저온 시동성 향상을 위한 연료전지 차량의 수소공급장치
KR101405774B1 (ko) * 2012-08-30 2014-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080102336A1 (en) * 2005-02-11 2008-05-01 Willi Strohl Fuel Cell System With a Metering Unit
KR100893431B1 (ko) 2007-12-13 2009-04-17 현대자동차주식회사 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법

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