KR101664559B1 - 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 주행을 위한 모터의 회전자 운동에너지 저장 방식을 이용하여, 냉시동 시간 단축을 위한 연료전지 부하를 증대시킬 수 있도록 한 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지의 출력전류를 소비하기 위하여 차량의 정지 상태에서 모터에 전류를 인가하는 동시에 모터 토크가 발생되도록 하는 동시에 모터 토크를 구속하도록 함으로써, 연료전지의 출력 전류량 증가에 따른 연료전지 스택의 자체 발열이 이루어져 냉시동성을 개선할 수 있도록 한 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법{Device and method for controlling cold start of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 주행을 위한 모터의 회전자 운동에너지 저장 방식을 이용하여, 냉시동 시간 단축을 위한 연료전지 부하를 증대시킬 수 있도록 한 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법에 관한 것이다.
수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점 중 하나는 동절기 냉시동성 확보 전략에 있으며, 냉시동성 확보를 위한 해결책의 일환으로서, 히터를 이용하여
스택내의 순수를 급속 해동하는 방법과, 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법 등이 있으며, 그 밖에 여러가지 방법이 시도되고 있다.
이러한 냉시동성 확보 방법에도 불구하고, 연료전지 자동차가 영하의 저온 환경에 방치되면 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 스택의 온도가 영하로 떨어지게 되어, 결국 연료전지 스택의 동결로 이어질 수 있다.
연료전지 차량의 냉시동시 스택의 빠른 승온을 위해서는 스택에서 대전류를 출력하여 스택 고유의 화학적 반응에 의한 발열을 이용하는 것이 효과적이다.
이를 위해, 냉시동시 차량에 장착된 각종 부하를 최대로 사용하여 스택의 출력 전류가 출력되도록 하는 방법이 적용될 수 있고, 대표적인 것이 모터를 발열체로 사용하여 스택의 전류 부하를 증가시키는 기술이 미국특허 US7,883,809 에 개시되어 있다.
즉, 구동모터의 상저항 발열을 스택의 전류 부하로 사용함으로써, 모터 및 인버터의 발열을 스택에 전달하여 스택 승온에 기여하되, 모터가 구동되지 않도록 모터 토크 발생을 차단하는 제어가 수행되는 기술이 미국특허 US7,883,809 에 개시되어 있다.
이와 같이, 연료전지 차량의 냉시동 개선을 위한 다양한 기술이 제안되고 있지만, 보다 효과적인 방법이 지속적으로 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 출력전류를 소비하기 위하여 차량의 정지 상태에서 모터에 전류를 인가하는 동시에 모터 토크가 발생되도록 하는 동시에 모터 토크를 구속하도록 함으로써, 연료전지의 출력 전류량 증가에 따른 연료전지 스택의 자체 발열이 이루어져 냉시동성을 개선할 수 있도록 한 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 모터에 전류를 인가하는 연료전지와; 전류 인가에 따른 모터의 회전자가 정역 회전할 때 발생되는 토크를 구속하는 토크 구속부; 를 포함하는 구성을 통하여, 냉시동 조건에서 모터에서 소모하는 파워에 의하여 연료전지의 출력전류 소모량을 증대시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 토크 구속부는 모터의 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되는 감속기의 P단 래치로 채택된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 토크 구속부는 주행휠의 유압제동장치로 채택된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 연료전지의 출력전류를 모터에 인가하는 단계와; 전류 인가에 따른 모터의 회전자가 일정 각도 범위내에서 정방향 및 역방향으로 각회전하여, 연료전지의 출력전류 소모량을 증가시키는 단계와; 상기 모터의 회전자가 각회전할 때 발생되는 토크를 구속하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법을 제공한다.
상기 연료전지의 출력전류 소모량을 증가시키는 단계는: 모터의 모터링시, 회전자의 정방향(+) 회전속도와 정방향(+) 회전시 발생되는 (+)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하고, 회전자의 역방향(-) 회전속도와 역방향(-) 회전시 발생되는 (-)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 토크를 구속하는 단계는: 감속기의 P단 래치가 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되도록 운전자가 P단으로 변속하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 토크를 구속하는 단계는: 회전자와 출력축을 매개로 연결된 주행휠을 구속하기 위하여 운전자가 주행휠의 유압제동장치를 작동시켜서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 냉시동 조건에서 연료전지 차량의 주행용 모터에 전류를 인가하여 회전자의 각회전 및 토크를 발생시켜, 회전자가 연료전지 부하가 되도록 함으로써, 회전자의 운동에너지 소모에 따른 연료전지의 출력 전류량를 증가시킬 수 있고, 연료전지의 출력 전류량 증대에 따라 연료전지 스택의 자체 발열이 이루어져 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
둘째, 모터의 회전자 토크를 토크 구속장치(예를 들어, 감속기의 P단 래치, 주행휠의 유압제동장치)로 구속하여, 냉시동 종료 전에 모터가 실제 주행을 위한 모터링을 하는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 모터의 회전자가 정역방향으로 일정각도 스윙(swing)하며 토크를 생성하기 때문에 모터에 전류를 인가하는 제어기의 일종인 인버터의 복수 IGBT 중 회전자의 정방향 및 역방향 제어를 위한 IGBT 를 고르게 사용할 수 있고, 그에 따라 인버터의 IGBT 중 일부분만이 집중 사용됨에 따른 내구성 저하를 방지할 수 있다.
넷째, 모터 회전자의 회전 및 토크 발생에 따른 진동이 연료전지 스택 및 주변 시스템의 냉각된 부품들을 가진하여, 냉각으로 접합된 각 부품간의 계면이 용이하게 박리되는 효과도 기대할 수 있다.
도 1은 연료전지 스택의 자체 발열을 이용하여 연료전지 승온을 유도하는 냉시동 전략을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치를 나타낸 구성도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전 원리를 설명하기 위한 모터의 회전자 각회전 운동 및 그에 따른 토크가 발생하는 것을 보여주는 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법을 나타낸 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전시, 회전자 운동에 따른 파워 소모 및 회수 과정을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전시, 모터의 회전자 토크 및 소모 DC 파워를 나타낸 그래프,
도 8은 기존의 연료전지 차량 냉시동 운전에 의거, 인버터의 복수 IGBT 중 일부만 사용하는 예를 나타낸 인버터 회로도.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉시동 운전에 의거, 인버터의 복수 IGBT 를 고르게 사용할 수 있는 것을 나타낸 인버터 회로도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1을 참조하면, 냉시동 조건에서 연료전지의 출력전류를 각종 부하(제어기인 HDC 및 BPCU, 고전압 배터리, 공기블로워, 모터 및 인버터 등)에서 소모되도록 함으로써, 스택의 자체 발열을 유도할 수 있다.
이에, 본 발명은 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 연료전지의 출력전류를 많이 사용하여 연료전지 스택의 자체 발열을 유도하고, 자체 발열에 의한 연료전지 승온에 따라 냉시동 시간을 단축시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
즉, 본 발명은 냉시동 조건에서 연료전지 차량의 주행용 모터가 연료전지 부하가 되도록 하고, 연료전지 스택에서 생성된 출력전류를 주행용 모터에서 많이 소모함을 유도함으로써, 연료전지 스택의 자체 발열에 따른 연료전지 승온에 의하여 냉시동 시간을 단축시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉시동 운전 장치는 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 모터(10)에 전류를 인가하는 연료전지(30)와, 전류 인가에 따른 모터(10)의 회전자가 정역 회전할 때 발생되는 토크를 구속하는 토크 구속부(20)를 포함하는 구성된다.
이에, 연료전지 냉시동 조건에서 연료전지(30)의 출력전류 즉, DC 파워가 인버터(12)의 제어에 의하여 모터(10)에 인가되고, 후술하는 바와 같이 모터의 회전자가 모터링될 때 소모하는 파워에 의하여 연료전지의 출력전류 소모량을 증대시킬 수 있다.
이렇게 연료전지의 출력전류 소모량 증대에 따라, 연료전지 스택이 자체 발열을 하여 승온되면, 연료전지의 냉시동 조건이 해제되는 동시에 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 상기 토크 구속부(20)는 모터(10)의 회전자가 회전하면서 발생되는 토크에 의하여 냉시동 종료 전에 모터링에 의한 실제 주행이 이루어지는 것을 차단하는 역할을 하는 구성으로서, 바람직하게는 모터(10)의 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되는 감속기의 P단 래치(22)로 채택되고, 또는 모터(10)의 회전자와 연결되는 주행휠을 제동시키는 유압제동장치로 채택된다.
참고로, 연료전지 차량은 연료전지 스택에서 생성된 출력전류를 기반으로 모터가 구동되는 단계와, 모터 구동에 따른 동력이 감속기쪽으로 출력되는 단계와, 감속기에서 적절한 변속이 이루어지는 단계와, 변속된 동력이 주행휠로 인가되는 단계를 통하여 주행이 이루어진다.
이에, 상기 감속기의 P단 래치(22)를 이용하여 모터의 출력축이 회전되지 않게 잠금시키면, 모터 구동에 따른 토크를 실제 주행이 이루어지지 않는 범위내로 구속시킬 수 있다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 냉시동 운전 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 모터의 회전자가 각회전함에 따른 운동에너지 저장 및 회수가 이루어지는 원리를 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 살펴보기로 한다.
연료전지 스택의 출력전류 즉, 상전류 크기를 일정하게 유지하여 모터에 인가하면, 도 3에서 보듯이 모터(10)의 회전자가 일정 각도 범위(예를 들어, +20°~ -20°또는 +40°~ -40°)로 회전하며 진동하면 도 4에서 보듯이 토크가 발생된다.
실제 상기 회전자의 정역방향 회전각도가 +20°~ -20°사이 범위이면 발생 토크가 제로(0)에 가깝지만, +20°이상이 되면 양의 토크가 증가하게 되고, -20°이하가 되면 음의 토크가 발생하게 된다.
물론, 모터 설계 및 상전류 크기에 따라, 토크가 나오는 회전자의 각도 범위는 달라진다.
이러한 회전자의 토크 발생 원리를 이용하여, 회전자를 예를 들어 +40°~ -40°사이 범위로 진동시키면 토크가 발생하여, 결국 회전자는 정방향(+) 및 역방향(-)으로 반복하여 각회전을 하게 된다.
이때, 모터의 회전자에서 연료전지의 출력전류를 소모하며 아래 식과 같이 파워를 출력한다.
식) 파워(Power) = 토크 × 회전속도
따라서, 첨부한 도 6에서 보듯이, 모터의 모터링시, 회전자의 정방향(+) 회전속도와 정방향(+) 회전시 발생되는 (+)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하고, 회전자의 역방향(-) 회전속도와 역방향(-) 회전시 발생되는 (-)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생한다.
반면, 회전자의 정방향(+) 회전시 (-) 토크가 발생되거나, 회전자의 역방향(-) 회전시 (+) 토크가 발생되면, 회생제동에 따른 파워 회수가 이루어진다.
이때, 인버터에서 모터로 전류가 인가될 때, 모터 동손 및 절손에 따른 손실, 인버터 손실 등의 합으로 정의되는 파워 손실이 존재하므로, 파워 소모시는 더 큰 에너지가 소모되고, 회수 시는 적은 에너지가 회수되어, 결과적으로 모터의 모터링시가 회생제동시에 비하여 더 많은 연료전지 부하로서 사용된다.
따라서, 냉시동 조건에서 연료전지 차량의 주행용 모터에 전류를 인가하여 회전자의 각회전 및 토크를 발생시켜, 회전자가 연료전지 부하가 되도록 함으로써, 회전자의 운동에너지 소모에 따른 연료전지의 출력 전류량를 증가시킬 수 있고, 연료전지의 출력 전류량 증대에 따라 연료전지 스택의 자체 발열이 이루어져 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
여기서, 상기와 같이 모터의 회전자가 각회전함에 따른 운동에너지 저장 및 회수가 이루어지는 원리를 기반으로 하는 본 발명의 냉시동 운전 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 냉시동 조건에서 모터(10)의 회전자가 회전하면서 발생되는 토크에 의하여 냉시동 종료 전에 모터링에 의한 실제 주행이 이루어지는 것을 차단하고자, 운전자가 토크 구속부(20)를 미리 작동시키도록 한다.
예를 들어, 운전자가 P단 변속을 하여, 감속기의 P단 래치가 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되는 상태가 되도록 함으로써, 회전자의 각회전이 주행을 위한 모터링 이내 각도로 제한되도록 한다.
또는, 운전자가 주행휠의 유압제동장치를 작동시켜, 주행휠과 연결되는 모터 회전자가 구속되는 상태가 되도록 함으로써, 회전자의 각회전이 주행을 위한 모터링 이내 각도로 제한되도록 한다.
이어서, 상위제어기의 냉시동 지령에 의하여 연료전지의 출력전류가 모터에 인가되고, 전류 인가에 따른 모터의 회전자가 일정 각도 범위(예를 들어 +40°~ -40°사이 범위)내에서 정방향 및 역방향으로 반복하며 각회전을 하게 된다.
이렇게 모터의 회전자를 반복적으로 각회전시킴에 따라, 연료전지의 출력전류 소모량이 지속적으로 증가하게 된다.
즉, 상기와 같이 인버터에서 모터로 전류가 인가될 때, 모터 동손 및 절손에 따른 손실, 인버터 손실 등의 합으로 정의되는 파워 손실이 존재하므로, 모터 회전가의 각회전에 따른 파워 소모시는 더 큰 에너지가 소모되고, 회수 시는 적은 에너지가 회수되어, 결과적으로 모터의 회전자 각회전에 따른 모터링시 연료전지 출력전류 소모량이 증가하게 된다.
다시 말해서, 상기에서 설명된 바와 같이 연료전지의 출력전류 소모량을 증가하는 것은 모터의 모터링시, 회전자의 정방향(+) 회전속도와 정방향(+) 회전시 발생되는 (+)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하고, 회전자의 역방향(-) 회전속도와 역방향(-) 회전시 발생되는 (-)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하여 이루어진다.
첨부한 도 7에서 보듯이, 상기한 모터 회전자의 운동에너지 저장 및 회수가 이루어지는 원리를 기반으로 하는 본 발명의 냉시동 운전을 하면, 고정자 동손만을 이용하는 경우에 비하여 연료전지로부터 공급되는 DC 파워 소모량이 증가함을 알 수 있다.
이때, 냉시동 조건이 해제됨과 함께 냉시동이 종료되면, 상위제어기에서 냉시동 운전 제어를 해제하고, 모터가 본래 주행을 위한 구동모드로 천이되도록 한 제어를 하게 된다.
이와 같이, 모터 회전자의 운동에너지 소모에 따른 연료전지의 출력 전류량를 증가시킬 수 있고, 연료전지의 출력 전류량 증대에 따라 연료전지 스택의 자체 발열이 이루어져 냉시동 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
한편, 기존의 냉시동 방식 중 모터 상저항의 발열을 이용하는 경우, 회전자를 토크가 발생되지 않는 각도로 제어하고자 인버터에서 모터에 일정한 전류만을 인가함에 따라, 도 8에서 보듯이 모터에 전류를 인가하는 제어기의 일종인 인버터의 복수 IGBT 중 일부분만 사용하게 되어, 인버터 수명 및 내구성을 떨어뜨리는 단점이 있다.
반면, 본 발명은 모터의 회전자가 정역방향으로 일정각도 스윙(swing)하며 토크를 생성하기 때문에, 도 9에서 보듯이 정방향 회전시 사용되는 IGBT 및 역방향 회전시 사용되는 IGBT 등을 포함하는 인버터의 복수 IGBT 를 고르게 사용할 수 있고, 그에 따라 인버터의 내구성 저하를 방지할 수 있는 효과까지 얻을 수 있다.
10 : 모터
12 : 인버터
20 : 토크 구속부
22 : 감속기의 P단 래치
30 : 연료전지

Claims (7)

  1. 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 전류를 출력하는 연료전지와;
    연료전지에서 출력되는 전류를 공급받아 모터의 회전자가 일정 각도 범위 내에서 정방향 회전과 역방향 회전을 교대로 반복하도록 하기 위한 전류로 변환하여 모터에 인가하는 인버터;
    상기 인버터에서 인가되는 전류에 의해 회전자의 정방향 회전과 역방향 회전을 교대로 반복하는 모터;
    상기 전류 인가에 따라 모터의 회전자가 정방향 회전과 역방향 회전을 교대로 반복할 때 발생하는 토크를 구속하는 토크 구속부;
    를 포함하는 구성을 통하여,
    모터가, 회전자의 정방향 회전과 역방향 회전시, 파워를 소모하는 모터링과, 파워를 회수하는 에너지 회수 작동을 수행하도록 하고, 모터링시 파워를 소모함으로써 연료전지의 출력전류를 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크 구속부는 모터의 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되는 감속기의 P단 래치로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 토크 구속부는 주행휠의 유압제동장치로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 장치.
  4. 연료전지 차량의 냉시동 조건에서 연료전지로부터 전류가 출력되도록 하는 단계;
    인버터에서 연료전지의 출력전류를 공급받아 모터의 회전자가 일정 각도 범위 내에서 정방향 회전과 역방향 회전을 교대로 반복하도록 하기 위한 전류로 변환하여 모터에 인가하는 단계와;
    상기 모터의 회전자가 정방향 회전과 역방향 회전을 교대로 반복할 때 발생하는 토크를 토크 구속부를 통해 구속하는 단계;
    를 포함하고,
    모터가, 회전자의 정방향 회전과 역방향 회전시, 파워를 소모하는 모터링과, 파워를 회수하는 에너지 회수 작동을 수행하도록 하고, 모터링시 파워를 소모함으로써 연료전지의 출력전류를 소모하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 모터의 모터링시, 회전자의 정방향(+) 회전속도와 정방향(+) 회전시 발생되는 (+)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하고, 회전자의 역방향(-) 회전속도와 역방향(-) 회전시 발생되는 (-)토크를 곱한 값인 파워 소모가 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 토크를 구속하는 단계는:
    감속기의 P단 래치가 회전자로부터 주행휠쪽으로 연장된 출력축에 구속 가능하게 체결되도록 운전자가 P단으로 변속하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 토크를 구속하는 단계는:
    회전자와 출력축을 매개로 연결된 주행휠을 구속하기 위하여 운전자가 주행휠의 유압제동장치를 작동시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동 운전 방법.
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