KR101724883B1 - 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

연료전지 시동 제어 방법 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101724883B1
KR101724883B1 KR1020150107039A KR20150107039A KR101724883B1 KR 101724883 B1 KR101724883 B1 KR 101724883B1 KR 1020150107039 A KR1020150107039 A KR 1020150107039A KR 20150107039 A KR20150107039 A KR 20150107039A KR 101724883 B1 KR101724883 B1 KR 101724883B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
fuel cell
value
calorific value
cell stack
Prior art date
Application number
KR1020150107039A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170014161A (ko
Inventor
김대종
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020150107039A priority Critical patent/KR101724883B1/ko
Priority to US15/185,463 priority patent/US10608266B2/en
Priority to DE102016212684.9A priority patent/DE102016212684B4/de
Priority to CN201610561553.3A priority patent/CN106410241B/zh
Publication of KR20170014161A publication Critical patent/KR20170014161A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101724883B1 publication Critical patent/KR101724883B1/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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the 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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • 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
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • 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
    • 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
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient 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
    • H01M8/04313—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
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • 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
    • 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
    • Y02E60/30—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
    • 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

제어부에서 연료전지 시동 ON신호를 수신한 경우, 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도가 미리 설정되어 있는 온도기준값 미만인지 비교하는 온도비교단계; 도출한 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우, 제어부에서 온도감지부에 의하여 산출되는 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하는 필요발열량 도출단계; 및 연료전지 스택의 승온으로 인한 누적발열량이 필요발열량 도출단계에 의하여 도출된 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 승온단계;를 포함하는 연료전지 시동 제어 방법이 소개된다.

Description

연료전지 시동 제어 방법 및 시스템{STARTING CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 냉각수 펌프를 구동하지 않더라도 연료전지의 발열량을 이용하여 냉시동 주행모드를 제어할 수 있는 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
또한 동력원으로 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와 같은 연료전지를 탑재한 연료전지 차량에서 연료전지 스택 내에 잔류하는 물은 겨울철 차량을 장시간 주차할 경우 영하의 외기 조건에서 빙결될 수 있고, 이는 냉시동성을 크게 저하시킨다.
따라서 외기온도가 낮은 상태에서 키 오프시에 스택 내에 잔류하는 물을 제거해주지 않으면 이 물의 빙결로 인해 이후 다음번의 냉시동에서 어려움을 겪게 된다.
즉, 스택 내에 생성된 얼음이 녹지 않은 상태에서 시동할 경우 수소 및 공기의 공급경로를 방해하여 시동 불량 현상이 발생하고, 연료전지의 정상 운전이 어렵게 된다.
따라서 이와 같은 플러딩 현상을 방지하기 위한 다양한 연료전지 냉시동 제어 방법이 제시되었고 공개특허공보 2012-0061663 "하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법"에서도 연료전지에서 생성된 물이 얼지 않도록 하는 양의 전류만을 공급하여 냉시동시 연료전지 시동 안정성을 확보할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
그러나 기존의 기술은 스택 내부의 온도를 파악하기 위하여 스택 공기 출구 측에 마련된 공기 온도 센서를 활용하였으나, 공기 출구 온도 센서는 공기 유량이 커서 공기의 열용량이 상당한 경우에는 스택 내부의 온도를 간접적으로 반영할 수 있으나, 공기 유량이 적거나 변동이 심한 경우에는 스택 내부의 온도를 간접적으로 반영하기 어렵다는 문제점이 존재하였으며 스택을 나온 후 공용분배구조 내에서 다시 빠르게 냉각되어 내부 온도 상승을 반영하지 못한다는 문제점도 존재하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0061663 A
본 발명은 연료전지 스택의 온도센서를 이용하지 않더라도 연료전지 누적발열량을 이용하여 적절하게 연료전지 차량의 냉시동 주행모드를 제어할 수 있는 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시동 제어 방법은 제어부에서 연료전지 시동 ON신호를 수신한 경우, 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도가 미리 설정되어 있는 온도기준값 미만인지 비교하는 온도비교단계; 도출한 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우, 제어부에서 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하는 필요발열량 도출단계; 및 연료전지 스택의 승온으로 인한 누적발열량이 필요발열량 도출단계에 의하여 도출된 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 승온단계;를 포함한다.
필요발열량 도출단계의 스택 내부 온도는, 온도감지부에 의하여 산출되는 연료전지 스택 냉각수 온도를 연료전지 시동오프 상태 유지 시간에 따라 보정하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
필요발열량 도출단계 이후에는, 연료전지 스택의 전압과 전류값을 곱하여 순간발열량을 도출하는 순간발열량 도출단계; 및 도출한 순간발열량을 승온단계에 의하여 승온이 시작한 때부터의 시간변화에 따라 적분하여 누적발열량을 도출하는 누적발열량 도출단계;를 더 포함한다.
필요발열량 도출단계 이후에는, 하기의 수식을 이용하여 누적발열량을 계산하는 누적발열량 계산단계;를 더 포함한다.
누적발열량 =
Figure 112015073645050-pat00001
T1: 승온시작시간, T2: 현재시간, V2: 이론전압, V1:실제전압, I: 스택전류
승온단계 이후에는, 차량제어부에서 미리 설정되어 있는 출력제한값으로 차량출력을 제한하는 출력제한단계; 차량제어부에서 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값을 변경시키는 출력제한 변경단계; 및 증가한 연료전지 스택 누적발열량이 미리 설정되어 있는 누적발열량기준값 이상인 경우, 연료전지 스택 냉각수 펌프를 구동시키는 냉각수펌프 구동단계;를 포함한다.
출력제한 변경단계는, 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가한다.
출력제한 변경단계는, 증가한 연료전지 스택의 누적발열량이 미리 설정되어 있는 최소누적발열량값을 초과하는 경우 차량제어부에서 출력제한값을 변경시킨다.
최소누적발열량값은 누적발열량기준값보다 작은 것을 특징으로 한다.
출력제한 변경단계는, 출력제한값의 변경은 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
냉각수펌프 구동단계 이후에는, 차량제어부에서 누적발열량에 따른 차량출력제한을 종료하는 출력제한종료단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시동 제어 시스템은 연료전지 스택 내부 온도를 도출하는 온도감지부; 도출한 연료전지 스택 내부 온도를 미리 설정되어 있는 온도기준값과 비교하는 온도비교부; 및 연료전지 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하고 승온으로 인한 누적 발열량이 도출한 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 영하의 냉각수가 스택으로 유입되는 것을 최대한 지연시킬 수 있으므로 연료전지차량의 저온 주행 성능이 향상된다.
둘째, 냉각수 펌프 구동 시점을 연료전지 스택의 누적발열량을 이용하여 조절할 수 있으므로 스택의 과열을 방지할 수 있다.
셋째, 스택의 온도센서에 의존하지 않고 누적발열량만으로 냉시동 주행모드의 제어, 출력제한의 완화 등이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시동 제어 방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시동 제어 시스템의 구성도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 연료전지 시동 제어 방법은 도1에서 도시한 바와 같이 제어부(100)에서 연료전지 시동 ON신호를 수신한 경우, 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도가 미리 설정되어 있는 온도기준값 미만인지 비교하는 온도비교단계(S100); 도출한 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우, 제어부(100)에서 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하는 필요발열량 도출단계(S200); 및 연료전지 스택의 승온으로 인한 누적발열량이 필요발열량 도출단계에 의하여 도출된 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 승온단계(S300);를 포함한다.
온도비교단계(S100)에서 비교의 기준이 되는 온도기준값은 제어부(100)에서 연료전지의 시동 조건이 냉시동 조건인지를 판단하기 위한 기준값에 해당한다. 따라서 연료전지 내의 수분이 빙결되는 온도가 온도기준값이 될 것이다. 일반적으로 물은 0℃에서 빙결되므로 온도기준값을 0℃로 설정할 수도 있다. 그러나 연료전지의 상태 및 조건에 따라 온도기준값을 달리 설정할 수도 있을 것이다.
온도비교단계(S100) 이후에 수행되는 필요발열량 도출단계(S200)에서는 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도를 이용하여 승은 필요 발열량을 도출한다. 여기서 스택 내부 온도는 스택 냉각수에 위치하는 온도센서에서 측정되는 온도 값을 직접적으로 이용할 수 있을 것이다.
그러나 연료전지가 시동중이거나 연료전지 시동 오프 직후에는 스택 냉각수가 스택 내부의 온도를 실시간으로 반영할 수 있기 때문에 스택 냉각수의 온도를 스택 내부의 온도로 추정하여도 큰 오차가 발생하지 않게 되나 연료전지 시동이 오프된 경우에는 냉각수의 흐름도 정지되기 때문에 스택 내부의 온도를 실시간으로 반영할 수 없게 된다. 결국 시간이 지날수록 스택 내부와 스택 냉각수간 비열의 차이로 인하여 온도 차이가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에서는 이를 보상할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
본 발명에서는 온도감지부에 의하여 산출되는 연료전지 스택 냉각수 온도를 연료전지 시동오프 상태 유지 시간에 따라 보정하여 도출하는 방법을 제시하고 있다. 보정하는 방법은 다양한 방법이 존재할 수 있을 것이다. 냉각수의 비열값과 스택 내부 공기의 비열값을 이용하여 시간 경과에 따른 보정방법이 있을 수 있으며, 스택 냉각수 온도를 입력값으로 하고 스택 내부 온도를 출력값으로 하는 맵데이터를 이용하여 스택 내부 온도를 도출할 수도 있을 것이다.
앞서 기재와 방법에 의하여 스택 내부 온도를 도출하였다면 도출한 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하게 된다. 승온 필요 발열량은 저온 조건에서 연료전지의 효율성 및 내구성 향상을 위하여 진행되는 연료전지 스택의 승온에 필요한 발열량값을 의미한다.
승온 필요 발열량은 다양한 방법으로 도출할 수 있을 것이다. 가장 대표적인 방법으로는 도출한 스택 내부 온도와 목표로 하는 스택 온도의 차이에 스택 내부 공기의 열용량을 곱하는 방법이 있을 것이다. 따라서 승온 필요 발열량은 초기 스택 내부 온도가 낮을수록 스택 내부에 공기의 양이 많을수록 큰 값을 가질 것이다.
필요발열량 도출단계(S200) 이후에 수행되는 승온단계(S300)에서는 연료전지 스택의 승온으로 인한 누적발열량이 필요발열량 도출단계에 의하여 도출된 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시킨다.
본 단계에서의 승온 필요 발열량은 앞서 기재한 방법에 의하여 도출될 수 있다. 누적발열량은 연료전지 스택에서 승온이 진행됨에 따라 발생하는 발열량의 누적값을 의미한다. 누적발열량도 승온 필요 발열량과 마찬가지로 다양한 방식을 통하여 도출할 수 있는데 그 중 일례로써 본 발명에서는 누적발열량을 도출할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
본 발명에 따른 누적발열량 도출방법은 연료전지 스택의 전압과 전류값을 곱하여 순간발열량을 도출하는 순간발열량 도출단계; 및 도출한 순간발열량을 승온단계에 의하여 승온이 시작한 때부터의 시간변화에 따라 적분하여 누적발열량을 도출하는 누적발열량 도출단계;를 통하여 누적발열량을 도출하는 방법이다.
순간발열량은 스택의 전압과 전류를 곱하여 도출하게 된다. 본 단계에서의 스택 전압은 스택의 정격전압을 의미하는 것은 아니다. 본 단계에서의 전압은 정격전압에서 승온단계에서의 실제전압값의 차이를 의미하며 단위는 [V]이다. 스택전류는 용어의미 그대로 스택에 흐르는 전류값을 의미하여 단위는 [A]이다. 따라서 순간발열량은 전압과 전류의 곱이라는 측면에서 연료전지 스택의 순간출력으로 보아도 무방할 것이다.
앞서 기재한 순간발열량을 이용하여 누적발열량을 도출하기 위해서는 순간발열량을 승온을 지속한 시간변화에 따라 적분하여야 한다. 앞서 기재한 누적발열량을 도출하기 위한 수식을 간단히 정리해보면 아래와 같다.
누적발열량 =
Figure 112015073645050-pat00002
T1: 승온시작시간, T2: 현재시간, V2: 이론전압, V1:실제전압, I: 스택전류
T1은 승온시작시간으로 연료전지의 시동이 온(on)되는 시간에 해당된다. 누적발열량은 연료전지의 스택이 승온이 시작한 때부터의 총 발열량을 의미하는바 적분변수의 초기값은 승온시작시간이 된다. T2는 현재시간을 의미하는 것으로 사용자가 누적발열량을 측정하고자 하는 시점에서의 시간을 의미한다. 따라서 본 수식을 통하여 연료전지가 승온을 시작한 후의 누적발열량을 손쉽게 계산할 수 있다.
승온단계(S300) 이후에는 도1에서 볼 수 있듯이 차량제어부에서 미리 설정되어 있는 출력제한값으로 차량출력을 제한하는 출력제한단계(S400); 차량제어부에서 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값을 변경시키는 출력제한 변경단계(S430); 및 증가한 연료전지 스택 누적발열량이 미리 설정되어 있는 누적발열량기준값 이상인 경우, 연료전지 스택 냉각수 펌프를 구동시키는 냉각수펌프 구동단계(S500);를 수행하게 된다.
승온단계(S300)에 필요발열량 도출단계(S200)에 의하여 도출한 승온 필요 발열량만큼 승온이 되었다고 하더라도 스택 내부의 온도가 올라간 것은 별론 아직 연료전지의 출력이 정상상태의 출력이라고 볼 수 없다. 따라서 연료전지의 열화 및 운전자에게 주행 성능 이질감을 방지하기 위하여 적절히 연료전지의 출력을 제한할 필요가 있다.
따라서 본 발명에서는 이를 위하여 출력제한단계(S400)와 출력제한 변경단계(S430)를 두고 있는 것이다. 출력제한단계(S400)를 통해서는 냉간조건에서 시동이 완료된 시점에서 차량의 출력을 제한하는 단계이며 출력제한 변경단계(S430)는 냉간주행 모드 상태에서 시간의 변화에 따라 연료전지의 출력은 점점 정상상태 모드를 향해 향상되므로 이에 맞추어 연료전지의 출력제한을 변경하는 단계이다.
출력제한단계(S400)에서의 출력제한값은 연료전지의 및 차량의 상태에 따라 다양한 값을 가질 수 있다. 다만 본 단계에서의 출력제한값은 연료전지의 누적발열량이 승온 필요 발열량과 일치하였을 때의 값이므로 승온 필요 발열량과 밀접한 관련이 있을 것이다. 승온 필요 발열량을 높게 잡은 경우에는 연료전지가 시동 이전에 충분히 예열될 시간이 주어지므로 출력제한값 역시 높아질 것이다. 이와 반대로 승온 필요 발열량을 낮게 설정하여 연료전지의 시동이 빨리 온되는 경우에는 출력제한값을 낮게 설정해야 할 것이다.
시동이 완료된 이후에는 연료전지 스택이 지속적으로 동작하고 있는 상태이므로 연료전지 동작에 따른 발열로 인하여 연료전지 스택의 온도가 지속적으로 상승한다. 따라서 출력제한값도 이에 맞추어 변경할 필요가 있다. 스택 온도 상승으로 인하여 충분히 더 높은 출력을 얻을 수 있음에도 불구하고 출력에 제한을 두는 것은 오히려 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 결과를 초래할 수도 있기 때문이다.
따라서 본 발명에서는 출력제한 변경단계(S430)를 통하여 출력제한을 변경하는 방법을 제시하고 있다. 물론 냉간주행 모드상태에서 출력을 제한하는 방법은 이미 널리 알려진 방식이지만, 일반적으로 출력을 제한하기 위하여 스택 냉각수의 온도를 이용하여 출력제한을 할 뿐 본 발명에서 제시하고 있는 바와 같이 누적발열량을 이용한 선례는 없다. 앞서 기재한 바와 같이 누적발열량을 이용할 경우 연료전지 스택 냉각수 펌프의 구동을 최대한 지연시킬 수 있기 때문에 연료전지의 저온 상태에서의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명에서는 출력제한을 변경시키는 방법으로 다양한 방법을 제시하고 있다. 그 중 가장 기본적인 방법은 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가시키는 방법이다. 앞서 설명하였듯이 누적발열량이 증가할수록 연료전지 스택의 동작 안정성은 점점 높아져 더 높은 출력을 얻을 수 있으므로 누적발열량이 증가함에 따라 출력제한값도 증가시키는 것이 연료전지의 효율성 측면에서 바람직하다.
누적발열량이 필요 승온 발열량과 일치하였을 때 출력제한값은 앞서 설명한 바와 같이 다양한 값으로 존재할 수 있다. 그러나 일반적으로 정확하게 누적발열량이 승온 필요 발열량과 일치하였을 때 연료전지 스택의 출력값을 출력제한값으로 설정하지는 않을 것이다. 왜냐하면 항상 이상과 현실 사이에는 괴리감이 있기 때문이다. 따라서 이 때의 출력제한값도 여러가지 방법을 이용하여 도출한 이상적인 출력제한값에서 어느 정도의 마진을 가지는 값을 출력제한값으로 설정하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 출력제한값이 이러한 마진값을 가지고 있다는 가정하에 출력제한값을 변경하는 방법으로써 증가한 연료전지 스택의 누적발열량이 미리 설정되어 있는 최소누적발열량값을 초과하는 경우 차량제어부에서 출력제한값을 변경시키는 방법을 제시하고 있는 것이다.
누적발열량이 최소누적발열량값에 도달하기 이전까지는 초반의 출력제한값(누적발열량이 승온 필요 발열량과 일치하였을 때의 출력제한값)의 마진에 의하여 보상될 수 있으므로 출력제한값을 변경시키지 않는다. 그러나 누적발열량값이 최소누적발열량값을 초과하는 경우에는 초반 출력제한값의 마진에 의하더라도 그 이상의 출력을 얻을 수 있는 상태이므로 이 상태에서는 출력제한값을 변경시킨다. 변경하는 방법은 앞서 기재한 방식과 동일하게 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가시키는 것이 가장 바람직할 것이다.
본 방법에 있어서 최소누적발열량값은 냉각수 펌프를 구동하는 단계에서의 판단기준인 누적발열량기준값보다 당연히 작은 값이 될 것이며, 누적발열량이 승온 필요 발열량과 일치하였을 때의 출력제한값을 어떻게 설정하느냐에 따라 그 값이 정해질 것이다. 즉 마진 값을 크게 하여 출력제한값을 설정한 경우에는 최소누적발열량값이 큰 값이 될 것이며 마진 값을 작게 설정한 경우에는 최소누적발열량값이 승온 필요 발열량값과 큰 차이가 없을 것이다.
앞서 기재한 방법들에 의하여 출력제한이 변경되다가 누적발열량이 누적발열량 기준값 이상이 되는 경우에 비로소 냉각수 펌프를 구동하는 냉각수 펌프 구동단계(S500)를 수행하게 된다. 누적발열량이 누적발열량 기준값 이상이 되는 경우에는 연료전지 스택에 과열이 발생할 수 있으므로 냉각수를 순환시켜 스택 과열을 방지하기 위하여 냉각수 펌프를 구동시키는 것이다. 따라서 누적발열량 기준값은 냉각수가 순환하지 않더라도 연료전지가 정상적인 성능을 발현할 수 있는 연료전지 스택 내부의 온도값을 이용하여 도출할 수 있을 것이다. 연료전지가 고온에서도 안정적인 성능을 발현할 수 있는 경우에는 누적발열량 기준값을 높게 설정하여도 무방할 것이다.
냉각수 펌프가 구동하게 되면 차량제어부에서 누적발열량에 따른 차량출력제한을 종료하는 출력제한 종료단계(S600)를 수행하게 된다. 냉각수 펌프가 구동된 이후부터는 종래의 기술인 냉각수 온도에 따른 출력제한을 이용하여 차량 출력 제한이 가능하므로 누적발열량에 따른 차량출력제한 로직은 종료되는 것이다. 따라서 누적발열량이 누적발열량 기준값과 일치할 때의 출력제한값이 냉각수 온도에 따른 출력제한의 초기 출력제한값에 해당될 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 시동 제어 시스템은 연료전지 스택 내부 온도를 도출하는 온도감지부(200); 도출한 연료전지 스택 내부 온도를 미리 설정되어 있는 온도기준값과 비교하는 온도비교부(300); 및 연료전지 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하고 승온으로 인한 누적 발열량이 도출한 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 제어부(100);를 포함할 수 있다.
본 시스템에 의하여 연료전지의 냉각수가 순환하지 않는 상황에서도 적절하게 연료전지를 승온시키고 출력제한을 할 수 있게 된다. 따라서 영하의 냉각수가 스택으로 유입되는 것을 최대한 지연시킬 수 있으므로 연료전지의 저온 상태에서의 주행 성능이 향상될 수 있다. 즉, 연료전지 냉각수의 온도 센서를 이용하지 않고 제어부(100)에서 연료전지의 발열량을 도출하여 이를 연료전지 제어의 판단기준으로 이용함으로써 저온상태에서 연료전지의 효율성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
S100: 온도비교단계 S300: 승온단계
S400: 출력제한단계 S500: 냉각수펌프 구동단계
S600: 출력제한종료단계 100: 제어부

Claims (11)

  1. 제어부에서 연료전지 시동 ON신호를 수신한 경우, 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도가 미리 설정되어 있는 온도기준값 미만인지 비교하는 온도비교단계;
    도출한 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우, 제어부에서 온도감지부에 의하여 도출되는 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하는 필요발열량 도출단계;
    연료전지 스택의 승온으로 인한 누적발열량이 필요발열량 도출단계에 의하여 도출된 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 승온단계;
    제어부에서 미리 설정되어 있는 출력제한값으로 차량출력을 제한하는 출력제한단계;
    제어부에서 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값을 변경시키는 출력제한 변경단계; 및
    증가한 연료전지 스택 누적발열량이 미리 설정되어 있는 누적발열량기준값 이상인 경우, 연료전지 스택 냉각수 펌프를 구동시키는 냉각수펌프 구동단계;를 포함하는 연료전지 시동 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    필요발열량 도출단계의 스택 내부 온도는,
    온도감지부에 의하여 산출되는 연료전지 스택 냉각수 온도를 연료전지 시동오프 상태 유지 시간에 따라 보정하여 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    필요발열량 도출단계 이후에는,
    연료전지 스택의 전압과 전류값을 곱하여 순간발열량을 도출하는 순간발열량 도출단계; 및
    도출한 순간발열량을 승온단계에 의하여 승온이 시작한 때부터의 시간변화에 따라 적분하여 누적발열량을 도출하는 누적발열량 도출단계;를 더 포함하는 연료전지 시동 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    필요발열량 도출단계 이후에는,
    하기의 수식을 이용하여 누적발열량을 계산하는 누적발열량 계산단계;를 더 포함하는 연료전지 시동 제어 방법.
    누적발열량 =
    Figure 112015073645050-pat00003

    T1: 승온시작시간, T2: 현재시간, V2: 이론전압, V1:실제전압, I: 스택전류
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    출력제한 변경단계는,
    연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    출력제한 변경단계는,
    증가한 연료전지 스택의 누적발열량이 미리 설정되어 있는 최소누적발열량값을 초과하는 경우 제어부에서 출력제한값을 변경시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    최소누적발열량값은 누적발열량기준값보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    출력제한 변경단계는,
    출력제한값의 변경은 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값도 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    냉각수펌프 구동단계 이후에는,
    제어부에서 누적발열량에 따른 차량출력제한을 종료하는 출력제한종료단계;를 포함하는 연료전지 시동 제어 방법.
  11. 연료전지 스택 내부 온도를 도출하는 온도감지부;
    도출한 연료전지 스택 내부 온도를 미리 설정되어 있는 온도기준값과 비교하는 온도비교부; 및
    연료전지 스택 내부 온도가 온도기준값 미만인 경우 스택 내부 온도를 이용하여 승온 필요 발열량을 도출하고 승온으로 인한 누적 발열량이 도출한 승온 필요 발열량과 일치할 때까지 연료전지 스택을 승온시키는 제어부;를 포함하며,
    제어부는, 연료전지 스택을 승온시킨 이후, 미리 설정되어 있는 출력제한값으로 차량출력을 제한하고, 연료전지 스택 누적발열량의 증가에 따라 출력제한값을 변경시키며, 증가한 연료전지 스택 누적발열량이 미리 설정되어 있는 누적발열량기준값 이상인 경우, 연료전지 스택 냉각수 펌프를 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 제어 시스템.
KR1020150107039A 2015-07-29 2015-07-29 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템 KR101724883B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150107039A KR101724883B1 (ko) 2015-07-29 2015-07-29 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템
US15/185,463 US10608266B2 (en) 2015-07-29 2016-06-17 Method and system for controlling start of fuel cell
DE102016212684.9A DE102016212684B4 (de) 2015-07-29 2016-07-12 Verfahren und System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle
CN201610561553.3A CN106410241B (zh) 2015-07-29 2016-07-15 用于控制燃料电池启动的方法和系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150107039A KR101724883B1 (ko) 2015-07-29 2015-07-29 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170014161A KR20170014161A (ko) 2017-02-08
KR101724883B1 true KR101724883B1 (ko) 2017-04-07

Family

ID=57795658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150107039A KR101724883B1 (ko) 2015-07-29 2015-07-29 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10608266B2 (ko)
KR (1) KR101724883B1 (ko)
CN (1) CN106410241B (ko)
DE (1) DE102016212684B4 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11355765B2 (en) 2019-10-08 2022-06-07 Hyundai Motor Company Cooling control system and method for fuel cells

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102507229B1 (ko) * 2017-12-05 2023-03-08 현대자동차주식회사 차량용 배터리 냉각시스템 및 제어방법
CN110120536B (zh) * 2018-02-07 2020-09-01 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池系统的吹扫控制方法及系统
JP2020014353A (ja) * 2018-07-20 2020-01-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
KR102125270B1 (ko) 2018-08-24 2020-06-23 서울대학교병원 직경의 조절이 가능한 확장기
CN114256486A (zh) * 2020-09-25 2022-03-29 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆
CN117154141B (zh) * 2023-10-30 2024-02-02 广东电网有限责任公司广州供电局 固体氧化物燃料电池的快速启动控制方法、装置及设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073378A (ja) * 2005-09-07 2007-03-22 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2012079637A (ja) * 2010-10-06 2012-04-19 Nippon Soken Inc 燃料電池

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4815733B2 (ja) * 2003-03-24 2011-11-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4860130B2 (ja) * 2004-09-02 2012-01-25 パナソニック株式会社 燃料電池システム
JP2007053051A (ja) 2005-08-19 2007-03-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池車両の制御装置
DE112010005600B4 (de) 2010-05-27 2022-01-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
KR101619531B1 (ko) 2010-06-21 2016-05-11 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉각수 온도 예측 장치 및 방법
KR101234663B1 (ko) 2010-12-03 2013-02-19 현대자동차주식회사 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법
KR101349023B1 (ko) 2011-11-15 2014-01-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉각수 빙점 감시 방법
CN102751521B (zh) * 2012-07-03 2014-08-13 新源动力股份有限公司 一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统及其方法
JP5790705B2 (ja) * 2013-05-17 2015-10-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007073378A (ja) * 2005-09-07 2007-03-22 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2012079637A (ja) * 2010-10-06 2012-04-19 Nippon Soken Inc 燃料電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11355765B2 (en) 2019-10-08 2022-06-07 Hyundai Motor Company Cooling control system and method for fuel cells

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170014161A (ko) 2017-02-08
US10608266B2 (en) 2020-03-31
CN106410241A (zh) 2017-02-15
US20170033378A1 (en) 2017-02-02
DE102016212684A1 (de) 2017-02-02
CN106410241B (zh) 2021-03-09
DE102016212684B4 (de) 2023-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101724883B1 (ko) 연료전지 시동 제어 방법 및 시스템
US9941532B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP6179560B2 (ja) 燃料電池システム
JP5939312B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
KR102541037B1 (ko) 연료전지용 온도센서의 고장 진단방법 및 진단시스템
JP5309603B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2006202543A (ja) 燃料電池システムの運転方法
KR20190067629A (ko) 연료전지 열관리 시스템 및 그 제어방법
KR101822245B1 (ko) 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법
KR101755803B1 (ko) 연료전지차량의 운전 제어 방법
JP3876784B2 (ja) 燃料電池システム
KR101878033B1 (ko) 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
JP6171572B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004303446A (ja) 燃料電池システム
JP2007042566A (ja) 燃料電池システムとその起動方法
JP6065572B2 (ja) 燃料電池の冷却システム
JP4127063B2 (ja) 燃料電池システム
JP2013114851A (ja) 燃料電池システム
KR101905951B1 (ko) 연료전지차량의 시동 제어 방법
JP2015035343A (ja) 燃料電池システム
JP5261987B2 (ja) 燃料電池システム
KR20180051746A (ko) 연료전지 냉시동 제어방법
JP4786160B2 (ja) 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム
JP2008224211A (ja) 給湯装置
KR20190108302A (ko) 연료전지의 가용출력 추정방법 및 추정시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant