KR101795176B1 - 연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템 - Google Patents

연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지의 공기차단밸브 개도를 체크하는 체크단계; 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하는 산출단계; 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 보정단계; 및 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어단계;를 포함하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING AIR PRESSURE OF FUELCELL VEHICLE}
본 발명은 공기차단밸브의 고장시 연료전지 스택에 정상적인 공기 공급이 불가능해짐에 따라 연료전지의 운행과 공기압력밸브를 활용함으로써 비상 운전이 가능하도록 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
ACV(Air Cut-off Valve, 공기차단밸브) 개도가 시동시 정상 운전 가능 범위보다 적게 열리거나 정상적인 시동 후 운전 중에 개도가 정상범위 이하로 줄어들게 되면 스택에 유입되는 공기유량이 감소하게 된다. 이때 부족한 유량을 보충하기 위해 공기 압축기 RPM을 상승시켜 운전하게 되나 실제 확보할 수 있는 공기 유량은 ACV 개도가 정상일때 보다 매우 제한적이다. 또한 공기압축기의 RPM을 올려서 운전하게 되면 보기류 소모 출력이 상승하게 되고 시스템의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
따라서, 공기차단밸브의 비정상 작동 또는 고장시에도 연료전지 스택을 안정적으로 운영함으로써 연료전지의 내구성을 유지하고 비상 운전이 가능토록 하여 수리가 가능하게 하는 기술이 필요하였다.
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 10-2015-0078010 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공기차단밸브의 고장시 연료전지 스택에 정상적인 공기 공급이 불가능해짐에 따라 연료전지의 운행과 공기압력밸브를 활용함으로써 비상 운전이 가능하도록 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법은, 연료전지의 공기차단밸브 개도를 체크하는 체크단계; 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하는 산출단계; 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 보정단계; 및 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어단계;를 포함한다.
산출단계에서는 미리 마련된 보정계수맵에 공기차단밸브 개도를 대입하여 보정계수를 산출할 수 있다.
산출단계에서는 아래의 수식을 이용하여 보정계수를 산출할 수 있다.
보정계수 = (현재공기유량/최대공기유량)×(공기차단밸브 최대개도/100)
제어단계에서는 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하며, 보정계수를 이용하여 연료전지의 출력을 제한하도록 제어할 수 있다.
제어단계에서는 아래의 수식을 이용하여 연료전지의 출력을 제한할 수 있다.
연료전지 출력제한값 = 최대 출력제한값×보정계수
보정단계에서는 미리 마련된 개도보정량맵에 보정계수를 대입하여 공기압력밸브의 개도보정량을 산출할 수 있다.
제어단계에서는 현재 공기압력밸브의 개도에 개도보정량을 더하여 개도목표값을 산출하고, 개도목표값에 따라 공기압력밸브의 개도를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지차량의 공기압력 제어시스템은, 연료전지의 흡기라인 또는 배기라인에 마련된 공기차단밸브; 연료전지의 배기라인에 마련된 공기압력밸브; 및 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하고, 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하며, 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 연료전지차량의 공기압력 제어방법 및 시스템에 따르면, 공기차단밸브의 고장시 연료전지 스택에 정상적인 공기 공급이 불가능해짐에 따라 연료전지의 운행과 공기압력밸브를 활용함으로써 비상 운전이 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법의 순서도.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법을 설명하기 위한 그래프.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법의 순서도이며, 도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1과 같이, 차량의 연료전지 시스템에는 공기와 수소가 공급되는데, 공기라인의 경우 도시된 바와 같이 흡기라인(10)과 배기라인(30)으로 구분된다. 흡기라인(10)에는 블로워(압축기)가 마련되어 공기를 공급하고, 흡기라인(10)과 배기라인(30) 각각에 공기차단밸브(200,200')가 마련되어 시동시 이를 개방하고, 정지시 이를 닫도록 한다.
또한, 배기라인(30)에는 공기압력밸브(300)가 마련되어 연료전지(100)에 공급되는 공기의 압력을 세밀하게 제어할 수 있도록 한다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지차량의 공기압력 제어시스템은, 연료전지의 흡기라인(10) 또는 배기라인(30)에 마련된 공기차단밸브(200,200'); 연료전지의 배기라인(30)에 마련된 공기압력밸브(300); 및 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하고, 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하며, 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법의 순서도로서, 구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지차량의 공기압력 제어방법은, 연료전지의 공기차단밸브 개도를 체크하는 체크단계(S200); 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하는 산출단계(S400); 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 보정단계; 및 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어단계(S440);를 포함한다.
먼저 연료전지의 시동을 시작하고(S100), 시동신호가 감지되면 공기차단밸브의 개도를 체크하도록 한다(S200). 만약 공기차단밸브의 개도가 정상범위라면 정상적으로 운전모드에 진입하고(S220), 정상적인 운전모드에서도 공기차단밸브의 개도는 수시로 체크하여 정상적으로 밸브가 작동하고 있는지 판단한다(S240).
연료전지의 공기차단밸브 개도를 체크하는 체크단계(S200)를 수행하고, 공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 비상운전에 돌입(S300)하며 보정계수를 산출하는 산출단계(S400)를 수행한다. 공기차단밸브의 개도가 정상범위가 아닌 것으로 판단되면 보정계수를 산출한다.
산출단계에서는 미리 마련된 보정계수맵에 공기차단밸브 개도를 대입하여 보정계수를 산출할 수 있다. 도 3은 공기차단밸브의 개도와 연료전지에 흐르는 공기의 유량의 관계를 나타낸 도면인다. 일반적으로 공기차단밸브의 개도가 증가할수록 공기가 유입되는 양이 많아지는바, 연료전지에 흐르는 공기의 유량은 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 그래프는 시험 등을 통하여 더욱 세밀하게 얻을 수 있으며, 보정계수를 산출함에 있어 이용이 가능하다. 즉, 유량 그래프가 차량에 미리 데이터 맵의 형태로 마련될 경우 이를 보정계수맵이라 할 수 있으며, 보정계수맵에 현재 측정된 공기차단밸브의 개도를 입력할 경우 현재 유량을 알 수 있고(S320), 현재 유량과 최대 유량의 관계를 통해 보정계수의 산출이 가능해지는 것이다(S400).
한편, 산출단계에서는 아래의 수식을 이용하여 보정계수를 산출할 수 있다.
보정계수 = (현재공기유량/최대공기유량)×(공기차단밸브 최대개도/100)
즉, 상기 수식에 따라 현재공기유량, 최대공기유량, 공기차단밸브 최대개도를 대입함으로써 보정계수를 얻을 수도 있고, 보정계수를 통해 연료전지의 운전을 제한하거나 공기압력밸브를 제어함으로서 비상운전이 가능토록 할 수 있는 것이다.
구체적으로, 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 보정단계 및 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어단계(S440)를 수행한다.
보정단계에서는 미리 마련된 개도보정량맵에 보정계수를 대입하여 공기압력밸브의 개도보정량을 산출할 수 있다(S420). 도 4는 보정계수와 공기압력밸브의 개도보정량의 관계를 나타내는 그래프로서, 이러한 그래프를 개도보정량의 맵 형태로 저장하여 두고, 앞서 산출한 보정계수를 맵에 대입하여 공기압력밸브의 개도보정량을 산출한 후, 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브를 제어하는 것이다. 구체적으로, 제어단계에서는 현재 공기압력밸브의 개도에 개도보정량을 더하여 개도목표값을 산출하고, 개도목표값에 따라 공기압력밸브의 개도를 제어할 수 있다.
또한, 제어단계에서는 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하며, 보정계수를 이용하여 연료전지의 출력을 제한하도록 제어할 수 있다(S500).
도 5는 연료전지의 요구되는 공기의 유량과 최종적인 공기압력밸브의 개도목표값을 나타낸 그래프로서, 공기차단밸브의 개도가 작을수록 공기압력밸브의 개도는 큰 값이 필요함을 알 수 있고, 요구유량이 높을수록 공기차단밸브와 공기압력밸브의 개도가 커짐을 알 수 있다.
한편, 보정계수를 산출한 경우 이를 토대로 연료전지의 출력을 제한함으로서 연료전지 내구성을 유지하는 방안도 매우 효과적이다.
구체적으로, 제어단계에서는 아래의 수식을 이용하여 연료전지의 출력을 제한할 수 있다.
연료전지 출력제한값 = 최대 출력제한값×보정계수
본 발명에 따를 경우, 차량 운행 정지시 스택의 열화를 방지하기 위해 스택 내 공기 유입을 차단하는 공기차단밸브(ACV)를 스택 공기 입구단과 출구단에 장착한 연료전지시스템에서, ACV의 고장으로 인하여 개도가 정상 운전 개도(X0) 이하로 줄어들게 되면 스택으로 유입되는 공기(반응가스) 유량도 감소하게 되며, 이때 발생할 수 있는 문제점으로부터 스택을 보호하기 위해 최대출력을 제한하게 된다. 이때 최대출력 제한값은 줄어든 유량에 따라 출력 제한치를 보정하는 보정계수에 의해 산출된다.
그리고, 보정계수는 공기차단밸브 개도에 따른 유량특성 곡선에 의해 산출되며 산출된 수치는 정상 상태일때의 최대 출력제한값을 보정한다. 공기차단밸브 개도-유량 특성 곡선은 유로, 밸브 등의 시스템 특성에 따라 맵핑된다.
한편, 공기압력밸브(APC)는 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절하는 역할을 한다. 일반적으로 가압 운전이 필요한 구간에서는 공기 압력조절 밸브의 개도를 0~100%로 제어하게 된다. ACV가 고장으로 인해 정상 작동 개도보다 적게 열렸을시, APC를 ACV가 고장이 없는 상태와 동일한 개도로 운전하게 되면 스택에 차압이 걸리게 된다. 그러므로 ACV 고장 시에는 스택에 걸리는 차압을 최소화 하고 필요 공기 유량을 최대한 확보하기 위해 공기 출구단에 있는 APC를 더 개방할 필요성이 있다.
APC를 비상 운전 모드(ACV 개도에 따른 APC 열림량 보정)로 제어함으로써 공기 유로 및 스택에 걸릴 수 있는 차압을 최소화하여 요구되는 공기 유량을 확보할 수 있게 되어 일정 영역에서 효율적으로 연료전지를 비상 운전할 수 있다.
공기압력밸브의 개도 보정량은 요구 출력으로 환산되는 반응가스 공급 유량이 공기차단기 개도의 저하로 인해 줄어들게 되는 반응가스 유량에 따라 스택의 최고 출력 제한치를 보정하는 보정계수에 따른 값을 맵핑 할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 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 : 체크단계 S400 : 보정단계
S440 : 제어단계

Claims (8)

  1. 연료전지의 공기차단밸브 개도를 체크하는 체크단계;
    공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하는 산출단계;
    보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 보정단계; 및
    개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어단계;를 포함하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    산출단계에서는 미리 마련된 보정계수맵에 공기차단밸브 개도를 대입하여 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    산출단계에서는 아래의 수식을 이용하여 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
    보정계수 = (현재공기유량/최대공기유량)×(공기차단밸브 최대개도/100)
  4. 청구항 1에 있어서,
    제어단계에서는 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하며, 보정계수를 이용하여 연료전지의 출력을 제한하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어단계에서는 아래의 수식을 이용하여 연료전지의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
    연료전지 출력제한값 = 최대 출력제한값×보정계수
  6. 청구항 1에 있어서,
    보정단계에서는 미리 마련된 개도보정량맵에 보정계수를 대입하여 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어단계에서는 현재 공기압력밸브의 개도에 개도보정량을 더하여 개도목표값을 산출하고, 개도목표값에 따라 공기압력밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 공기압력 제어방법.
  8. 연료전지의 흡기라인 또는 배기라인에 마련된 공기차단밸브;
    연료전지의 배기라인에 마련된 공기압력밸브; 및
    공기차단밸브의 개도가 미리 마련된 기준값 이하인 경우 보정계수를 산출하고, 보정계수를 이용하여 연료전지의 공기압력밸브의 개도보정량을 산출하며, 개도보정량을 반영하여 공기압력밸브의 개도를 보정 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지차량의 공기압력 제어시스템.
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