KR101831135B1

KR101831135B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101831135B1
Application number: KR1020160075667A
Authority: KR
Inventors: 류정환; 전순일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2018-02-26
Also published as: US20170365868A1; US10991964B2; KR20170142354A

Abstract

연료전지 제어 모듈(FCU)를 포함하는 연료전지시스템이 개시된다. 상기 FCU는 적어도 하나의 제어 파라미터 중 하나를 선택하고, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 적어도 하나의 후보 수치 별로, 공급되는 전류에 따른 시스템 효율을 연료전지 시스템을 구동하여 학습하며, 적어도 하나의 대표 전류 포인트 각각에 대해, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 후보 수치 별 시스템 효율과 초기 성능 수치에 대응되는 시스템 효율을 비교하여, 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정할 수 있다. 이에 따라 연료전지 시스템의 효율이 향상될 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어 방법{Fuel Cell System and Controlling Method for The Same}

본 발명은 차량 기술에 관한 것으로 더 상세하게는 차량에 탑재되는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.

통상의 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소 탱크에 저장된 고압 수소를 레귤레이터를 통해 압력 조절하여 연료전지 스택에 공급하고, 공기공급장치는 공기블로워에 의해 공급되는 공기를 가습기를 통해 가습한 후 연료전지 스택에 공급하도록 구성된다. 또한, 연료전지 차량은 주행을 위한 구동원으로 전기모터를 이용하고, 연료전지 스택 또는 배터리의 직류전압을 교류전압으로 변환하여 전기모터를 구동시키는 인버터를 가진다.

연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.

스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.

연료전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.

한편, 연료전지 시스템의 성능은 제작편차 및 외부환경에 영향을 많이 받는다. 연료전지 시스템은 다양한 제어 파라미터 및 제어 파라미터의 수치에 따라 효율성에 차이가 발생될 수 있다. 여기서, 제어 파라미터는 연료전지 시스템의 효율에 영향을 줄 수 있는 온도, 압력, 상대 습도, 수소 공급도 등을 포함할 수 있다.

차량 제작 및 계발 단계에서 연료전지 시스템은 Calibration을 통해 결정된 제어 파라미터를 이용할 경우 최대 효율 달성에 어려움이 따르기 마련이다. 도 1을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 공급되는 전류에 따른 연료전지 시스템의 효율을 나타내는 그래프이다. 도 1의 X축은 연료전지 시스템에 공급되는 전류의 량이고 Y축은 연료전지 시스템의 효율(η)을 나타낸다. 제어 파라미터를 상대습도(RH)라고 가정하면, RH0는 Base Of Life(BOL)로 초기 성능 지수를 나타내고, RH1, RH2는 BOL과 일정 수치 차이가 나는 설정된 상대습도 수치를 나타낸다. “1”의 영역에서 RH1의 경우가 가장 큰 효율을 나타내고, “2”의 영역에서 RH2의 경우 가장 큰 효율을 나타낸다. 만약, 상대습도가 RH1으로 설정된 경우, 특정 영역(“1”)에서만 효율이 높고 특정 영역 이외에선 효율이 낮아짐으로써 연료전지 시스템의 열화가 발생될 수 있다. 특정 영역에서 효율이 높은 것조차 연료전지 시스템에는 좋지 않은 현상이 될 수 있다. 상대습도가 RH0, RH2로 설정된 경우 역시 마찬가지이다.

이에 따라, 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 방법의 대두가 요청된다.

공개특허공보 10-2016-036422호(공개일 2016.04.04)

본 발명은 상술한 종래 기술의 한계점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 일 목적은 특정 전압 영역이 아니라 전체 전류 영역에서 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 운전자 특성을 반영한 시스템 효율이 우수한 연료전지 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 제작 편차 및 운전환경 편차를 고려하여, 학습에 의해 연료전지 시스템의 효율을 향상시키는 방법을 제공함에 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어 방법은 적어도 하나의 제어 파라미터 중 하나를 선택하는 단계; 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 적어도 하나의 후보 수치 별로, 공급되는 전류에 따른 시스템 효율을 상기 연료전지 시스템을 구동하여 학습하는 단계; 및 적어도 하나의 대표 전류 포인트 각각에 대해, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 후보 수치 별 시스템 효율과 초기 성능 수치에 대응되는 시스템 효율을 비교하여, 상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면 아래와 같은 장점이 있다.

본 실시예에 따르면, 특정 전압 영역이 아니라 전체 전류 영역에서 시스템 효율이 향상됨으로써, 시스템 효율성이 향상될 수 있다.

또한, 운전자 특성을 반영한 시스템 효율이 우수한 연료전지 시스템이 제공됨으로써, 운전환경 편차에 따른 시스템 효율 저하가 방지되며, 사용자 편의성이 향상될 수 있다.

또한, 제작 편차가 고려하여, 효율이 높은 연료전지 시스템이 제작되어, 시스템이 효율성이 향상되며, 연료전지 시스템의 내구성이 향상될 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 종래기술의 연료전지 시스템에서 발생되는 문제를 나타내는 그래프이다.
도 2는 연료전지 시스템의 하나의 예시적 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 공급되는 전류에 따른 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타내는 시퀀스도이다.
도 5는 실시예에 따른 대표 전류 포인트 별로 측정되는 효율의 누적 확률분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 스택전류 사용 패턴이 고려된 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타내는 시퀀스도이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", “전(앞) 또는 후(뒤)”에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, “상(위) 또는 하(아래)” 및“전(앞) 또는 후(뒤)”는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 연료전지 시스템의 하나의 예시적 구조를 나타내는 도면이다.

도 2에 따르면, 연료전지 시스템은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(11) 및 라디에이터 팬(12), 연료전지 스택(10)과 라디에이터(11) 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인(13), 라디에이터(11)를 통과하지 않도록 냉각수를 선택적으로 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(14) 및 3-웨이 밸브(15), 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프(16)를 포함한다.

이와 같은 연료전지 냉각 장치에서는 워터펌프(16)를 구동하여 연료전지 스택(10)과 라디에이터(11), 3-웨이 밸브(15) 사이의 냉각수 순환라인(13)을 따라 냉각수를 순환시키면서 스택 발전시에 발생하는 열을 라디에이터(11)를 통해 외부로 방출한다.

또한, 상기한 수냉식 냉각 장치에서 연료전지 스택(10)의 냉각을 위해 냉각수의 순환이 이루어지는 동안 라디에이터 팬(12)이 구동되고, 라디에이터(11)에서 라디에이터 팬(12)에 의해 유입되는 외기 또는 주행풍과의 열교환을 통해 냉각수의 열을 외부로 방출하게 된다.

이 과정에서 미도시된 제어기는 센서에 의해 검출되는 스택 온도를 입력받으며, 스택 냉각이 필요한 상황에서 스택 온도를 목표 온도로 유지하기 위해 워터펌프(16), 라디에이터 팬(12), 3-웨이 밸브(15) 등을 제어하여 냉각수를 통한 스택 냉각을 수행한다.

또한, 냉각수 순환라인(13)에는 연료전지 스택(10)의 온도를 적정 운전 온도로 신속히 승온시키기 위한 것으로서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수를 가열하는 히터(17)가 설치된다.

연료전지 스택(10)의 온도가 저온 상태인 경우, 3-웨이 밸브(15)의 열림방향을 제어하여 라디에이터 출구로부터 배출되는 냉각수를 차단하고, 워터펌프(16)가 바이패스 라인(14)을 통해 냉각수의 흡입 및 펌핑, 순환이 이루어

지도록 함과 동시에, 히터(17)를 작동시켜 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수를 가열하는바, 이를 통해 연료전지 스택을 신속히 웜업(warm-up)시키게 된다.

또한, 라디에이터의 상단에는 압력캡(18)을 통해 리저버(20)와의 사이에 냉각수 보충라인(19)이 연결되고, 냉각수가 저장되는 리저버(20)는 대기 개방식 구조로 구비됨과 더불어 내부에 수위센서(21)가 장착된다.

이러한 구성에서, 스택 냉각 루프의 냉각수가 소실될 경우, 워터펌프(16)의 전단 라인에 음압이 걸리면서 리저버(20) 내 냉각수가 냉각수 보충라인(19) 및 압력캡(18)을 통해 라디에이터(11)로 유입되어 소실된 냉각수를 보충하게 된다.

연료전지 시스템의 전반적으로 제어하는 모듈은 연료전지 제어 유닛(FCU)이다. 연료전지 제어 유닛(FCU)은 냉각수 온도 조절, 연료 전지 스택 제어, 각종 모듈 온/오프 제어 등을 수행하는 상위의 제어기이다.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 도 2에서 도시 및 설명된 것에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 공급되는 전류에 따른 효율을 나타내는 그래프이다.

상기 연료전지 제어 유닛은 연료전지 시스템의 특정 제어 파라미터가 선택되면, Calibration을 통한 제어 파라미터(가령, 상개습도(RH))의 초기성능(BOL, 제1 성능)과 상기 초기성능과 일정 범위의 차이를 두는 동일 제어 파라미터의 적어도 하나의 성능(제2 성능, 제3 성능 등)을 연료전지 시스템을 구동시키면서(학습 제어) 확인할 수 있다. BOL 초기 성능을 제외한 적어도 하나의 성능은 제4 성능 이상을 포함할 수 있으며, 제2 성능만 포함하는 것도 가능하다.

그러면, 연료전지 제어 유닛은 확인된 제어 파라미터의 적어도 하나의 성능에 따른 효율을 조정할 수 있다. 연료전지 제어 유닛은 특정 구간(공급되는 특정 전류에서만 효율이 피크가 되는 구간)에서만 연료전지 시스템의 효율이 높아지는 것을 방지할 수 있다.

이를 위해, 연료전지 제어 유닛은 대표 전류 포인트(가령, i1, i2, i3)를 설정하고, 아래의 수학식 1에 기초하여 연료전지 시스템의 효율을 산출한다.

[수학식 1]

Δηin = ηParN_in - ηBOL_in, n = 1,2,3, N = 1,2

(ηBOL_in 는 대표 전류 포인트 n에서 초기성능 효율, Δηin 는 BOL 효율차이고, 대표 전류 포인트 3개인 것으로 가정, 초기성능 효율을 제외하고, 2개의 성능(N이 1 및 2을 포함)이 있는 것으로 가정)

Δηt = Δηi1 + Δηi2 + Δηi3

(Δηt: 총 효율차, Δηin은 대표 전류 포인트 n에서의 효율차)

만약, 제어 파라미터를 상대습도(RH)로 가정하면, 연료전지 제어 유닛은 Δηt가 최대가 되는 타겟 제어 파라미터의 최적값으로 선정할 수 있다. 예를 들면, Δηi1 = ηRH1_i1 - ηBOL_i1 이고(1식), Δηi1 = ηRH2_i1 - ηBOL_i(2식)이며, Δηi2 = ηRH1_i2 - ηBOL_i2 이고(3식), Δηi2 = ηRH2_i2 - ηBOL_i(4식)이며, Δηi3 = ηRH1_i3 - ηBOL_i3 이고(5식), Δηi3 = ηRH2_i3 - ηBOL_i(6식)이 되며, Δηt 식은 1식 내지 6식을 합친 효율일 수 있다.

위의 수학식 1을 따를 경우, 특정 전압에서만 효율 피크가 발생되는 제어 파라미터가 선정되지 않으므로, 연료전지 시스템이 안정적이고 고효율로 구동될 수 있다.

이하에서는 상기 수학식 1이 구체적으로 구현되는 연료전지 시스템을 자세히 설명하기로 한다.

도 4는 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타내는 시퀀스도이다. 연료전지의 제어는 대부분 연료전지 제어 유닛(FCU)에 의해 수행된다.

일단, 연료전지 시스템은 연료전지 시스템이 정상운전 상태인지 판단한다(S410).

연료전지 시스템은 연료전지 시스템의 온도, 압력, 전류, 습도 등의 다양한 조건이 모두 정상인지 판단할 수 있다. 연료전지 시스템은 시스템이 정상 상태인 경우, 특정 제어 파라미터에 관한 학습(테스트)를 수행할 수 있다.

연료전지 시스템은 특정 제어 파라미터를 테스트(학습) 대상 인자로 선택할 수 있다. 제어 파라미터는 스택의 온도, 압력, 상대 습도, 수소 또는 산소의 농도, 냉각수 량, 모터 구동 시간, 모터 구동 세기 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 연료전지 시스템의 구동에 영향을 주는 다양한 인자가 상기 제어 파라미터로 선택될 수 있다.

연료전지 시스템은 특정 제어 파라미터가 선택되면 특정 제어 파라미터에 대해 샘플링을 수행한다. 연료전지 시스템은 샘플링 조건에 부합하는 성능지수(가령, 특정 제어 파라미터의 특정 수치에 대응되는 특정 효율)를 수집할 수 있다.

연료전지 시스템은 특정 제어 파라미터의 샘플링 수(Nsample)가 최대 샘플링 수(Nmax)를 넘지 않을때까지(S420), 특정 제어 파라미터의 샘플링을 수행한다.

또한, 연료전지 시스템은 샘플링된 제어 파라미터가 대표전류 영역에 포함된 경우(S430), 상기 제어 파라미터를 대표전류영역 번호(in)로 결정한다(S435).

가령, 대표전류영역 번호(in)가 i1, i2, i3 등으로 구성될 수 있다. 대표전류영역의 번호 및 전류 세기는 기 설정되거나, 테스트 단계에서 사용자 입력에 의해 설정될 수 있다.

한편, 연료전지 시스템은 특정 제어 파라미터의 샘플링 수가 최대 샘플링 수보다 크게 되면, 테스트(학습)을 일시 중지하고 시스템 효율을 위해 분석작업을 수행할 수 있다.

먼저, 연료전지 시스템은 대표전류 포인트별 평균 효율을 계산한다(S445).

연료전지 시스템은 누적된 효율을 대표 전류 포인트별 데이터 적산값으로 나누어 대표 전류 포인트별 평균효율을 산출한다.

그 다음, 시스템은 대표 전류 포인트별 평균 효율과 초기 성능지수(BOL)의 효율차를 계산한다(S450).

그 후에 시스템은 산출된 평균 효율과 초기 성능지수(BOL)의 효율차를 모두 합하여 평균효율차를 계산한다(S455).

그러면, 시스템은 최적화 알고리즘 이용하여 평균 효율차가 최대가 되는 제어 파라미터를 저장한다(S460).

시스템은 현재 테스트(학습) 사이클을 1회 추가한 후, 현재 테스트 사이클이 최대 테스트 사이클보다 작거나 같으면(S470) 다음 테스트 대상 제어 파라미터를 선택(S480)하고, 현재 테스트 사이클이 최대 테스트 사이클보다 큰 경우, Δηt_avg 가 최대가 되도록 저장된 제어 파라미터로 최종 결정하고 제어 파라미터의 수치값도 결정 결정할 수 있다(S475).

이하에서는 도 3 및 도 4에서 설명한 방법에 추가적으로 스택전류의 사용패턴을 고려하여 시스템 효율을 높이는 방법을 도 5 및 도 6을 참고하여 설명하기로 한다.

도 5는 실시예에 따른 대표 전류 포인트 별로 측정되는 효율의 누적 확률분포를 나타내는 그래프이다.

도 3과 마찬가지로, 상기 연료전지 제어 유닛은 연료전지 시스템의 특정 제어 파라미터가 선택되면, Calibration을 통한 제어 파라미터(가령, 상대습도(RH))의 초기성능(BOL, 제1 성능)과 상기 초기성능과 일정 범위의 차이를 두는 동일 제어 파라미터의 적어도 하나의 성능(제2 성능, 제3 성능 등)을 연료전지 시스템을 구동시키면서(학습 제어) 확인할 수 있다.

이를 위해, 연료전지 제어 유닛은 대표 전류 포인트(가령, i1, i2, i3)를 설정하고, 상기의 수학식 1 및 하기의 수학식 2에 기초하여 연료전지 시스템의 효율을 산출한다.

[수학식 2]

Ain = Sin/S, n = 1, 2, 3(대표 전류 포인트는 3개로 가정)

Δηin = Ain ×(ηRHN_in - ηBOL_in)

Δηt = Δηi1 + Δηi2 + Δηi3

여기서, Ain은 대표 전류 포인트 별 해당영역의 확률분포(A_n)의 Weighting factor를 나타낸다. 전체 사건 영역(S)에서 특정 대표 전류 포인트에서 전류가 X일 때, Aix 가 될 수 있고, Aix = Six/S가 되는 것이다.

대표 전류 포인트 별 효율차(Δηin)는 (ηRHN_in - ηBOL_in)에 Ain을 곱해서 산출될 수 있다(상대습도가 제어 파라미터인 경우)

이때, Δη_t가 최대가 되는 타겟 제어 파라미터 수치를 최적값으로 선정될 수 있다. 이에 따라, 특정 전류 영역에서의 타겟 제어 파라미터의 최적화가 회피되어, 시스템이 효율성이 향상될 수 있다.

도 6은 실시예에 따른 스택전류 사용 패턴이 고려된 연료전지 시스템의 제어 방법을 나타내는 시퀀스도이다

도 4와 차이점을 중심으로 설명하면, 시스템은 스택 전류 사용패턴의 확률분포(가령, 정규 분포)를 분석하여 대표 전류 포인트 별로 가중치 Factor 인 Ain을 산출한다(S510).

그리고 시스템은 평균효율차(Δηt_avg) 계산시에 이를 고려하여 계산할 수 있다.

상기의 가중치 Factor가 사용되면 운전자별로 다른 패턴의 운전 성향이 있더라도 운전자별로 다른 제어 파라미터의 수치가 설정될 수 있다. 이에 따라, 사용자 맞춤형으로 연료전지 시스템의 제어 파라미터가 설정될 수 있다.

이에 따르면, 운전자 특성을 반영한 시스템의 효율이 극대화가 달성될 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용되는 제어 파라미터는 연료전지성능 최적화 기술 중 유전알고리즘 또는 PSO(Particle swarm optimization)를 통해 선정될 수 있다.

한편, 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장시스템 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

Claims

연료전지시스템의 제어 방법에 있어서,
적어도 하나의 제어 파라미터 중 하나를 선택하는 단계;
선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 적어도 하나의 후보 수치 별로, 공급되는 전류에 따른 시스템 효율을 상기 연료전지 시스템을 구동하여 학습하는 단계; 및
적어도 하나의 대표 전류 포인트 각각에 대해, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 후보 수치 별 시스템 효율과 초기 성능 수치에 대응되는 시스템 효율을 비교하여, 상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계;를 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 학습하는 단계는,
상기 선택된 제어 파라미터에 대해 샘플링되는 데이터의 개수가 최대 샘플링 데이터의 개수를 초과하지 않게 구성하는 단계; 및
상기 샘플링되는 데이터 각각이 기 설정된 대표 전류 포인트에 포함되는 경우, 포함된 대표 전류 포인트에 대해 후보 수치 별 시스템 효율(ηin, 대표 전류 포인트 n의 후보 수치별 효율)을 산출하는 단계;를 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 학습하는 단계는,
산출된 대표 전류 포인트에 대한 후보 수치 별 시스템 효율을 상기 산출된 대표 전류 포인트의 Sum효율(Sum_ηin)에 추가하는 단계; 및
상기 산출된 대표 전류 포인트의 개수(Nin)를 1 추가하는 단계;를 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계는,
적어도 하나의 대표 전류 포인트 별로 평균 효율을 아래의 수학식 3에 기초하여 계산하는 단계;를 포함하는,
[수학식 3] ηin_avg = Sum_ηin/Nin
(ηin_avg는 대표 전류 포인트 n의 평균효율, n =(1, 2, 3,…))
연료전지시스템의 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계는,
적어도 하나의 대표 전류 포인트별로 BOL 효율차를 아래의 수학식 4에 기초하여 계산하는 단계;를 포함하는,
[수학식 4] Δηin₌ηBOL_in- ηin_avg
(ηBOL_in 는 대표 전류 포인트 n에서 초기성능 효율, Δηin 는 BOL 효율차, n =(1, 2, 3,…))
연료전지시스템의 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계는,
총 평균 효율차를 아래 수학식 5에 기초하여 계산하는 단계;를 포함하는,
[수학식 5]
Δηt = Δηi1 + Δηi2 + … + ΔηiNt
Δηt_avg = Δηt/Nt
(Nt: 대표 전류 포인트 개수, Δηt: 총 효율차, Δηt_avg: 총 평균 효율차)
연료전지시스템의 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 총 평균 효율차가 최대가 되는 상기 선택된 제어 파라미터를 저장하는 단계;를 더 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 선택된 제어 파라미터와 다른 제어 파라미터로 선택하는 단계;를 더 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는 단계는,
스택 전류 사용 패턴에 기초하여 대표 전류 포인트 별 가중치 Factor 인 Ain을 계산하는 단계:를 포함하고,
총 평균 효율차를 아래 수학식 6에 기초하여 계산하는 단계;를 더 포함하는,
[수학식 6]
Δηt = Ai1*Δηi1 + Ai2*Δηi2 + … + AiNt*ΔηiNt
Δηt_avg = Δηt/Nt
(Ain은 대표 전류 포인트 n의 가충치 Factor)
연료전지시스템의 제어 방법.
제6항 또는 제9항에 있어서,
상기 총 평균 효율차가 최대가 되는 상기 선택된 제어 파라미터를 저장하는 단계;
상기 선택된 제어 파라미터와 다른 제어 파라미터로 선택하는 단계; 및
상기 총 평균 효율차가 최대가 되는 상기 선택된 제어 파라미터를 저장하는 단계;를 더 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 최대 샘플링 데이터의 개수는 상기 연료전지 시스템의 성능을 고려하여 설정되는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 파라미터 중 하나를 선택하는 단계는,
상기 연료전지시스템에 영향을 미치는 순위에 따라 상기 제어 파라미터를 선택하거나 사용자 설정에 기초하여 상기 제어 파라미터를 선택하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 학습하는 단계는,
상기 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 적어도 하나의 후보 수치는, 상기 선택된 제어 파라미터의 초기 성능 수치와 소정만큼 차이를 두는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 대표 전류 포인트는 기 설정된 소정의 전류값 차이를 두고 선택되거나, 사용자 입력에 의해 각각 선택되는, 연료전지시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어 파라미터는,
스택의 온도, 압력, 상대 습도, 수소 또는 산소의 농도, 냉각수 량, 모터 구동 시간, 모터 구동 세기 중 적어도 하나를 포함하는, 연료전지시스템의 제어 방법.
연료전지 제어 모듈(FCU)를 포함하는 연료전지시스템에 있어서,
상기 FCU는,
적어도 하나의 제어 파라미터 중 하나를 선택하고, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 적어도 하나의 후보 수치 별로, 공급되는 전류에 따른 시스템 효율을 상기 연료전지 시스템을 구동하여 학습하며,
적어도 하나의 대표 전류 포인트 각각에 대해, 선택된 제어 파라미터에 설정 가능한 후보 수치 별 시스템 효율과 초기 성능 수치에 대응되는 시스템 효율을 비교하여, 상기 선택된 제어 파라미터의 수치를 결정하는, 연료전지시스템.
제16항에 있어서,
상기 FCU는,
상기 선택된 제어 파라미터에 대해 샘플링되는 데이터 각각이 기 설정된 대표 전류 포인트에 포함되는 경우, 포함된 대표 전류 포인트에 대해 후보 수치 별 시스템 효율(ηin, 대표 전류 포인트 n의 후보 수치별 효율)을 산출하고,
산출된 대표 전류 포인트에 대한 후보 수치 별 시스템 효율을 상기 산출된 대표 전류 포인트의 Sum효율(Sum_ηin)에 추가하며, 상기 산출된 대표 전류 포인트의 개수(Nin)를 1 추가하는, 연료전지시스템.
제17항에 있어서,
상기 FCU는,
적어도 하나의 대표 전류 포인트 별로 평균 효율을 아래의 수학식 7에 기초하여 계산하는,
[수학식 7] ηin_avg = Sum_ηin/Nin
(ηin_avg는 대표 전류 포인트 n의 평균효율, n =(1, 2, 3,…))
연료전지시스템.
제18항에 있어서,
상기 FCU는,
적어도 하나의 대표 전류 포인트별로 BOL 효율차를 아래의 수학식 8에 기초하여 계산하는,
[수학식 8] Δηin₌ηBOL_in- ηin_avg
(ηBOL_in 는 대표 전류 포인트 n에서 초기성능 효율, Δηin 는 BOL 효율차, n =(1, 2, 3,…))
연료전지시스템.
제19항에 있어서,
상기 FCU는,
총 평균 효율차를 아래 수학식 9에 기초하여 계산하는,
[수학식 9]
Δηt = Δηi1 + Δηi2 + … + ΔηiNt
Δηt_avg = Δηt/Nt
(Nt: 대표 전류 포인트 개수, Δηt: 총 효율차, Δηt_avg: 총 평균 효율차)
연료전지시스템.
제19항에 있어서,
상기 FCU는,
스택 전류 사용 패턴에 기초하여 대표 전류 포인트 별 가중치 Factor 인 Ain을 계산하고,
총 평균 효율차를 아래 수학식 10에 기초하여 계산하는,
[수학식 10]
Δηt = Ai1*Δηi1 + Ai2*Δηi2 + … + AiNt*ΔηiNt
Δηt_avg = Δηt/Nt
(Ain은 대표 전류 포인트 n의 가충치 Factor)
연료전지시스템.
제21항에 있어서,
저장부;를 더 포함하며,
상기 FCU는,
상기 총 평균 효율차가 최대가 되는 상기 선택된 제어 파라미터를 상기 저장부에 저장하는, 연료전지시스템.