KR102120617B1 - 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지 검출 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템 - Google Patents

전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지 검출 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기 구동형 컴프레서(18)의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 컴프레서(18)는 컴프레서(18)를 구동하기 위한 전기 구동 장치(26)를 포함한다. 구동 장치(26)는 구동 토크(M M )를 생성하도록 구성된다. 제어부(36)는 구동 장치(26)에 작용하는 부하 토크(M L )에 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성된다. 구동 장치(26)의 구동 토크(M M )는 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정된다. 구동 장치(26)의 설정 전류(I*)는 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정된다. 설정 전류(I*)를 기반으로, 구동 장치(26)를 구동하기 위한 전압(U)이 생성된다. 구동 장치(26)의 실제 전류(I) 및 컴프레서(18)의 실제 회전속도(n)가 검출된다. 컴프레서(18)의 실제 회전속도(n)는 구동 토크(M M ) 및 부하 토크(M L )의 결과로 발생한 구동 장치(26)의 토크(M R )를 기반으로 결정된다. 컴프레서 서지는 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 기반으로, 그리고 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)를 기반으로 검출된다. 또한, 본 발명은, 연료 전지(12)와, 컴프레서(18)와, 특히 터보차저(34)와, 컴프레서(18)를 구동하기 위한 구동 장치(26)와, 제어 장치(36)를 포함한 연료 전지 시스템(10)에도 관한 것이며, 제어 장치(36)는 상기 유형의 컴프레서 서지 검출 방법을 실시하도록 구성된다.

Description

전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지 검출 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템{METHOD FOR DETECTING A COMPRESSOR SURGE OF AN ELECTRICALLY DRIVEN COMPRESSOR, AND FUEL CELL SYSTEM HAVING AN ELECTRICALLY DRIVEN COMPRESSOR AND A CONTROL DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법, 및 전기 구동형 컴프레서와 상기 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
컴프레서는 다양하게 사용된다. 연료 전지 시스템들 또는 내연기관들의 경우, 예컨대 출력 증대를 위해, 내연기관 또는 연료 전지의 연소실 내 공기 충전이 예컨대 터보차저와 같은 컴프레서의 사용에 의해 증가된다. 내연기관 또는 연료 전지의 연소실 내에서 공기를 압축하는 압력은 급기 압력이라고도 하며 일반적으로 연소실 근처에서 압력 센서에 의해 측정된다. 압력 신호는 폐쇄된 제어 회로로 공급되고, 상기 제어 회로는 터보차저를 제어하고 그에 따라 소정 급기 압력을 설정한다.
터보차저들은 뚜렷한 시상수를 가지며, 다시 말해 변경된 제어 신호들에 비교적 시간 지연되는 방식으로 반응하며, 이는 급기 압력의 제어를 어렵게 한다. 그러므로 바람직하게는, 제어할 터보차저의 직접적인 상태 변수가 검출된다. 이를 위해, 터보차저의 컴프레서의 회전 속도가 특히 적합하다. 컴프레서 회전속도를 아는 것이 특히 중요한데, 그 이유는 터보차저의 작동 동안 특정 최대 회전속도 임계값이 초과되지 않아야 하기 때문이고, 그렇지 않을 경우 컴프레서 임펠러 내 임계 전압의 초과와, 하우징에 로터가 닿아 스치게 하는 컴프레서 임펠러의 변형으로 인해 터보차저가 손상을 입을 수 있기 때문이다.
컴프레서 회전속도는 예컨대 컴프레서의 전방 및 후방의 압력, 컴프레서를 통과하는 공기 질량 유량, 및 컴프레서 전방의 온도와 같은 특정 변수들을 알고 있으면, 기지의 컴프레서 맵을 이용하여 계산될 수 있다. 상기 변수들을 기반으로, 회전속도 측정을 위한 센서를 사용할 필요 없이, 컴프레서 맵 내 작동점의 위치와 그에 따라 컴프레서의 회전속도도 알게 된다.
그러나 높은 컴프레서 회전속도는 이른바 컴프레서 서지를 초래할 수 있다. 이른바 컴프레서 서지는, 터보 머신의 경우, 원리상 주어진 회전속도에서 압력비가 너무 높을 때 발생하는 현상이다. 이 경우, 컴프레서 블레이드들의 진동을 일으키는 유동 분리가 발생하며, 상기 진동은 터보 머신의 파괴를 초래한다. 그러므로 서지 중 작동이나 서지 한계 이상의 작동은 어느 경우든지 방지되어야 한다.
컴프레서에 대한 서지 한계 검출은 일반적으로 압력 값 및 공기 질량 유량 값의 검출과 검사대들에서 고분해능 압력 센서 장치로 검출된 서지 특성 곡선에 대한 상기 값들의 비교를 통해 이루어진다. 이에 대한 대안으로서, 작동 중 서지는 측정된 압력 변동으로부터 식별된다.
차량에서, 서지 영역은 급기 압력 제어를 통해 방지된다. 내연기관들의 경우, 예컨대 배기가스의 일부분을 터빈을 지나가도록 안내함으로써 터보차저의 회전속도 및 그에 따라 컴프레서 압력을 제한하는 웨이스트게이트 밸브들을 사용함으로써, 컴프레서 서지가 방지된다. 서지 한계의 초과가 데이터로 사전 입력된 특성 곡선에 의해 방지되어야 하는 경우, 예컨대 주변 압력이 감소된 고도 지역 주행, 흡입된 오염물들에 의한 유동의 간섭, 부가된 공기 필터, 바람직하지 못한 작동점들 등과 같은 모든 작동 조건에서, 그리고 임시의 표준 공장 모델의 확장을 고려하면서, 서지를 방지하기 위해, 안전 여유도의 엄수가 요구된다. 그럼으로써 컴프레서의 작동 범위가 제한된다.
또한, 서지 한계 근처에서 컴프레서의 작동은 적용예에 따라 중요할 수 있다. 연료 전지 적용을 위한 터보 컴프레서는 예컨대 서지 한계 근처에서 그 효율 최댓값을 갖기 때문에, 서지 한계 근처에서 작동할 때에만 최적의 연료 소비가 달성될 수 있다.
DE 602 22 525 T2는 예컨대 과급형 내연기관의 급기 압력을 제어하기 위한 방법을 기술하고 있으며, 이 경우 서지 한계는 맵에 기록되어 있고, 압력 비는 컴프레서를 통한 공기 유량에 대한 대표적인 파라미터를 기반으로 결정될 수 있어서, 서지 한계가 초과되는지의 여부가 확정될 수 있다.
급기 압력을 제어하기 위한, 종래 기술로부터 공지된 방법들의 수많은 장점에도 불구하고, 상기 방법들은 여전히 개선의 여지가 있다.
따라서 마지막으로 언급한 종래 기술의 경우 맵의 작성은 복잡한데, 그 이유는 압력 값 및 공기 질량 유량 값의 검출과, 검사대들에서 고분해능 압력 센서 장치에 의해 검출된 서지 특성 곡선에 대한 상기 값들의 비교를 통해, 상기 맵의 작성이 수행되어야만 하기 때문이다. 또한, 앞서 기술한, 측정된 압력 변동으로부터의 서지 검출은 서지 현상의 간접적인 검출이다. 공기 질량 유량의 반전에 의해, 체적들 내 압력은 감소한다. 상기 감소의 강도 및 속도는 상응하는 시스템 및 압력 센서의 포지셔닝에 의존하기 때문에 각각의 구성에 대해 재분석되어 데이터로 입력되어야 한다. 이는 다시금 서지 한계에 대해 무시할 수 없을 정도의 안전 여유도와 추가적인 데이터 입력 비용을 초래한다. 전체적으로 전기 구동형 컴프레서들에서도 컴프레서 서지의 검출 및 방지는 지금까지 추가로 필요로 하는 센서 장치로 인해 많은 비용을 소요한다.
본 발명의 과제는, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내 제공되어 있는 센서 장치를 통해 컴프레서 서지의 직접적인 검출을 가능하게 하고, 그에 따라 추가의 센서들 없이 컴프레서 서지의 방지와 관련하여 급기 압력 제어가 실질적으로 개선되도록 하는 것이다.
따라서, 컴프레서 서지를 결정하기 위한 공지된 방법들 및 전략들의 단점들을 적어도 대부분 방지하고 특히 컴프레서의 서지 한계에 대한 전술한 안전 여유도를 방지하거나 적어도 현저히 감소시킬 수 있는, 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 제어 장치를 포함한 연료 전지 시스템이 제시된다. 본 발명의 과제는, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내에 제공되어 있는 센서 장치를 통해 컴프레서 서지의 직접적인 검출을 가능하게 하며, 그에 따라 추가의 센서들 없이 컴프레서 서지의 방지와 관련하여 급기 압력 제어가 개선되도록 하는 것이다. 그에 따라, 기본 사상은, 컴프레서의 작동을 위해 제공되어 있는 센서들을 이용하여 전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하는 것이다.
전기 구동형 컴프레서의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법으로서, 컴프레서는 컴프레서를 구동하기 위한 전기 구동 장치를 포함하고, 구동 장치의 제어부는 구동 토크를 생성하도록 구성되며, 제어부는 구동 장치에 작용하는 부하 토크에 구동 토크를 매칭시키도록 구성되는, 상기 방법은, 컴프레서의 설정 회전속도를 기반으로 구동 장치의 구동 토크를 결정하는 결정 단계와, 컴프레서의 설정 회전속도를 기반으로 구동 장치의 설정 전류를 결정하는 결정 단계와, 설정 전류를 기반으로 구동 장치를 구동하기 위한 전압을 생성하는 생성 단계와, 구동 장치의 실제 전류 및 컴프레서의 실제 회전속도를 결정하는 결정 단계로서, 컴프레서의 실제 회전속도가 구동 토크 및 부하 토크의 결과로 발생한, 구동 장치의 토크를 기반으로 결정되는, 상기 결정 단계와, 결과로 발생한 토크의 변화를 기반으로, 그리고 설정 회전속도 및 설정 전류를 기반으로 컴프레서 서지를 검출하는 검출 단계를 포함한다.
컴프레서 서지는 설정 회전속도 및 설정 전류의 변화의 임계값을 하회할 때 검출될 수 있다.
설정 회전속도 및 설정 전류의 변화의 임계값은 실질적으로 0일 수 있다.
그 밖에, 본원의 방법의 경우, 단위 시간당 설정 전류 및 설정 회전속도의 시간에 따른 변화가 결정될 수 있다.
설정 전류는 설정 3상 교류일 수 있다.
설정 3상 교류에 의해, 위상 전압들이 설정될 수 있다. 또한, 실제 3상 교류들이 검출될 수 있다.
제어부는, 컴프레서의 샤프트의 부하 토크에 구동 토크를 매칭시키도록 구성될 수 있다.
설정 회전속도는 외부 제어 파라미터를 기반으로 사전 설정될 수 있다. 외부 제어 파라미터는 예컨대 컴프레서를 통과하는 설정 유체 질량 유량일 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 컴프레서와, 컴프레서를 전기 구동하기 위한 구동 장치와, 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 구성된다.
연료 전지는, 자동차의 구동 장치를 구동하도록 구성될 수 있다.
제어 장치는, 설정 공기 질량 유량을 기반으로 컴프레서의 설정 회전속도를 사전 설정할 수 있다.
설정 공기 질량 유량은, 자동차의 구동 장치의 출력 요구를 기반으로 결정될 수 있다.
컴프레서는, 연료 전지의 배기가스 질량 유량으로 구동될 수 있는 배기가스 터빈과 연결될 수 있다.
연료 전지란, 본 발명의 범위에서, 연속적으로 또는 비연속적으로도 공급되는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 셀을 의미한다. 연료 전지는 통상적으로, 멤브레인 또는 전해질(이온 전도체)에 의해 서로 분리되어 있는 전극들로 구성된다. 전극들은 대개 금속 또는 탄소 나노튜브들로 구성되고, 예컨대 백금 또는 팔라듐과 같은 촉매로 코팅된다. 전해질로서, 예컨대 용해된 알칼리 또는 산, 알칼리 카보네이트 용융물, 세라믹 또는 멤브레인이 사용될 수 있다. 에너지는, 예컨대 수소, 또는 예컨대 메탄 또는 메탄올과 같은 유기 화합물일 수 있는 연료와 산소의 반응에 의해 공급된다. 두 상대 반응물은 전극들을 통해 연속해서 공급된다.
컴프레서의 압력 비란, 본 발명의 범위에서 컴프레서 유입구 압력에 대한 컴프레서 유출구 압력의 몫을 의미하며, 다시 말하면 주변에서 컴프레서 내로 유입되는 공기의 압력에 대한, 컴프레서로부터 연소실로 향하는 방향으로 흐르는 공기의 압력의 몫을 의미한다.
한계 압력비란, 본 발명의 범위에서, 그 이상에서 서지를 통해 컴프레서에 손상이 발생할 수 있는 압력비를 의미한다. 이 경우, 한계 압력비는, 정확히 서지 한계에 상응하도록, 다시 말하면 그 이상에서 컴프레서의 서지가 발생하게 되는 한계에 상응하도록 결정될 수 있을 뿐 아니라, 서지 한계에 대한 안전 여유도에 의해 결정될 수도 있다.
설정 전류 및/또는 설정 회전속도의 시간에 따른 변화란, 본 발명의 범위에서, 특정 시간 내에 상기 신호들의 변화의 절대값, 및 기울기, 다시 말해 시간에 따른 신호의 도함수를 의미한다.
기준 압력이란, 본 발명의 범위에서, 해발 고도와 관련된 공기 압력을 의미한다. 기준 압력은 일반적으로 약 1bar이다.
기준 온도란, 본 발명의 범위에서, 연료 전지 시스템의 주변 온도를 의미한다. 상기 기준 온도는 일반적으로 약 20℃이다.
컴프레서의 서지, 또는 간단하게는 컴프레서 서지라고도 하는 상기 서지는, 본 발명의 범위에서, 컴프레서의 구조적 무결성에 대해 잠재적으로 위험한 작동 상태를 의미한다. 컴프레서 내에서, 본 발명의 분야에서 공기일 수 있는 유입되는 작동 매체의 압력이 복수의 컴프레서 단(compressor stage)에 의해 단계별로 증가된다. 이제, 컴프레서의 컴프레서 블레이드들에서 유동이 실속(stall)되고 난류가 발생하는 것이 나타날 수 있다. 이 경우, 컴프레서 출력은 감소된다. 컴프레서의 하류, 또는 그 후방에서 형성되는 압력이 컴프레서가 생성하는 압력을 초과하는 경우, 공기의 유동이 반전되는 효과가 발생한다. 이런 역류의 경우, 컴프레서 유출구 후방의 압력은 감소하고, 유동은 다시 반대 방향으로 향하면서 다시 본래의 방향으로 컴프레서 유출구로부터 유출된다. 이러한 공기 질량 유량들의 상호작용을 서지라하며, 상기 서지는 컴프레서의 상당한 주기적 부하를 초래하고 컴프레서의 파괴를 야기할 수 있다. 상기 거동을 줄이기 위한 조치들은 서지 방지책이라 한다.
구동 토크란, 본 발명의 범위에서, 구동 장치에 의해 생성된 토크를 의미한다. 예컨대 구동 토크는 구동 장치의 샤프트 상에서 측정될 수 있다. 구동 장치는, 본 발명의 의미에서, 예컨대 교류 전동기와 같은 전기 모터일 수 있다.
부하 토크란, 본 발명의 의미에서, 컴프레서에 의해 생성된 구동장치에 대항하는 토크를 의미하며, 카운터 토크라고도 한다.
결과로 발생한 토크란, 본 발명의 범위에서, 구동 토크와 부하 토크의 차이에 상응하는, 예컨대 샤프트에서와 같은 구동 장치의 토크를 의미한다. 부호에 따라, 결과로 발생한 토크는 전기 구동 장치의 로터 또는 컴프레서의 가속 또는 감속이 이루어지게 한다.
본 발명에 따라서, 전기 구동형 컴프레서의 전자 출력 장치 내에 제공되어 있는 센서 장치를 이용하여 컴프레서 서지가 검출된다. 그에 따라, 컴프레서 서지의 방지의 관점에서, 추가의 센서들을 장착하지 않으면서, 급기 압력 제어가 실질적으로 개선될 수 있다. 장점은, 손상의 위험 없이, 컴프레서의 작동 범위의 활용이 개선되는 것이다. 회전속도가 제어되는 컴프레서는 캐스케이드형 제어부를 포함하며, 외부 제어 회로는 회전속도를 제어하고 내부 제어 회로는 전류 및 그에 따라 토크를 제어한다. 상기 유형의 컴프레서는 예컨대 연료 전지 시스템에 사용될 수 있다. 컴프레서는 예컨대 연료 전지에 공급될 공기 또는 산소를 압축하도록 구성된다.
상기 유형의 컴프레서의 경우, 전류 제어 장치는 위상 전압들을 이용하여 위상 전류들, 다시 말해 실제 위상 전류들을 설정한다. 위상들 내의 전류는, 이 경우 컴프레서에 의해 생성되는 부하 토크를 저지하는 샤프트에서의 토크를 생성한다. 모터 토크와 부하 토크의 차이에 상응하는 샤프트에서의 결과로 발생한 토크는 부호에 따라서 로터 또는 컴프레서의 가속 또는 제동이 이루어지게 한다. 상위의 회전 속도 제어 장치는, 하위의 제어부에 전류와 그에 따른 토크를 사전 설정함으로써, 소정 회전속도 설정 값을 제어하고자 한다.
이른바 컴프레서 서지의 경우, 압력에도 영향을 미치는 질량 유량의 매우 강한 변화가 발생한다. 또한, 상기 변화는 부하 토크에 직접적인 영향을 미친다. 부하 토크는 일정한 회전속도에 불구하고 서지 영역에서 특히 강하게 변동한다. 이런 점이 컴프레서 서지의 직접적인 영향이다.
전기 구동형 터보 컴프레서의 내부 회전 속도 제어부는, 부하 토크에 모터 토크를 매칭시킴으로써, 소정 회전속도를 제어하고자 한다. 전류의 작은 시상수로 인해, 이를 위해 수 밀리 초만이 소요된다. 그와 반대로, 서지 현상은 훨씬 더 느린 다이내믹을 갖는다. 끝으로, 전자 출력 장치 내에서, 설정 회전속도 및 설정 전류의 정보로부터, 토크의 강한 변동이 회전속도 변동에, 또는 컴프레서 서지에 근거하는지의 여부에 대한 타당성이 검사될 수 있다. 끝으로, 상위의 제어 장치들로 상응하는 메시지 공급을 통해, 예컨대 시스템 바이패스의 개방과 같은 대책이 강구될 수 있다.
따라서 본 발명의 실질적인 장점은 예컨대 손상의 위험 없이 컴프레서의 작동 범위의 활용이 개선되는 것이다.
본 발명의 다른 선택적 세부 사항들 및 특징들은 도들에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예들의 하기 설명에 제시된다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어부의 개략도이다.
도 3은 컴프레서 서지 동안 질량 유량의 개략적 그래프이다.
도 4는 컴프레서 서지 동안 컴프레서 전방 및 후방의 압력의 개략적 그래프이다.
도 5는 컴프레서 서지 동안 컴프레서 출력의 개략적 그래프이다.
도 6은 컴프레서 서지 동안 부하 토크의 개략적 그래프이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(10)이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(12)와, 공기 공급 라인(14)과, 배기가스 라인(16)과, 컴프레서(18)와, 배기가스 터빈(20)과, 압력 감소를 위한 바이패스 밸브(22)와, 연료 전지(12)로 향하는 연료를 위한 상세하게 도시되지 않은 공급 라인을 포함한다. 바이패스 밸브(22)는 예컨대 버터플라이 밸브일 수 있다. 바이패스 밸브(22)로서는 예컨대 웨이스트게이트 밸브가 사용될 수 있다. 연료 전지(12)는 미도시된 연료 공급 라인을 통해 공급되는 연료와 여기에 도시된 실시예의 경우 공기 공급 라인(14)을 통해 연료 전지(12)에 공급되는 흡입 공기인 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 셀이다. 연료는 수소이거나 메탄이거나 메탄올일 수 있다. 그에 상응하게, 배기가스로서 수증기가 발생하거나, 또는 수증기 및 이산화탄소가 발생한다. 연료 전지(12)는 예컨대, 자동차의 구동 장치를 구동하도록 구성된다. 예컨대 연료 전지(12)를 통해 생성된 전기 에너지는 자동차의 전기 모터를 구동한다.
컴프레서(18)는 공기 공급 라인(14) 내에 배치된다. 배기가스 터빈(20)은 배기가스 라인(16) 내에 배치된다. 컴프레서(18)와 배기가스 터빈(20)은 샤프트(24)를 통해 기계적으로 연결된다. 샤프트(24)는 구동 장치(26)에 의해 전기 구동될 수 있다. 배기가스 터빈(20)은 컴프레서(18)를 구동하기 위한 구동 장치(26)의 지원에 사용된다. 또한, 공기 공급 라인(14) 내에는 추가로 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서(30)가 컴프레서(18)의 상류에 배치되고, 그리고/또는 압력 센서(32)가 컴프레서(18)의 하류에 배치된다. 공기 질량 센서(28) 및 압력 센서(30)는 순수 선택 사양이며, 그럼으로써 하기에서 상세하게 기술되는 방법은 상기 공기 질량 센서 및 압력 센서 없이 구현될 수 있다. 컴프레서(18), 샤프트(24) 및 배기가스 터빈(20)은 함께 터보차저(34)를 형성한다. 또한, 연료 전지 시스템(10)은 제어 장치(36), 또는 간단하게는 제어부(36)도 포함한다. 제어 장치(36)는, 하기에서 상세하게 기술되는, 컴프레서(18)의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 구성된다.
도 2에는, 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지 내에서 질량 유량의 본 발명에 따른 제어부의 기본 원리가 도시되어 있다. 외부 제어 파라미터를 기반으로, 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)가 사전 설정된다. 예컨대 외부 제어 파라미터는 컴프레서(18)를 통과하는 설정 유체 질량 유량이다. 자동차 내에 연료 전지 시스템(10)을 사용한, 도시된 실시예의 경우, 제어 장치(36)는 설정 공기 질량 유량을 기반으로 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 사전 설정할 수 있다. 설정 공기 질량 유량은 연료 전지(12)의 요구되는 출력을 기반으로 결정될 수 있다. 자동차가 예컨대 가속되어야 한다면, 출력 요구가 증가한다. 연료 전지(12)가 상기 상승된 전기 출력을 공급할 수 있도록 하기 위해, 연료 전지(12)는 더 높은 공기 질량 유량을 필요로 한다. 더 높은 공기 질량 유량은 예컨대 컴프레서(18)의 더 높은 회전속도를 통해 공급될 수 있다.
설정 회전속도(n*)는 제어 장치(36)의 속도 제어 섹션(38) 내에서 컴프레서(18)의 구동 장치(26)를 위한 설정 전류(I*)를 결정하기 위한 근거로서 사용된다. 이 경우, 설정 전류(I*)는 설정 3상 교류로서 주어질 수 있다. 설정 3상 교류는 예컨대 설정 위상 전류들(I a *, I b *, I c *)을 포함할 수 있다. 설정 위상 전류들(I a *, I b *, I c *)은 제어 장치(36)의 전류 제어 섹션(40) 내에서, 컴프레서(18)의 샤프트(24)를 구동하기 위한 구동 장치(26)에 인가되는 상응하는 위상 전압들(U a , U b , U c )에 할당된다. 전기 구동 장치(26)에서는, 제어 장치(36)의 구동 섹션(42) 내에서 실제 위상 전류들(I a , I b , I c )이 검출되며, 이들 실제 위상 전류는 다시 입력 파라미터로서 전류 제어 섹션(40)에 공급된다. 달리 말하면, 전류 제어 섹션(40)은 위상 전압들(U a , U b , U c )을 이용하여 실제 위상 전류들(I a , I b , I c )을 설정한다. 그에 따라, 설정 회전속도(n*)를 기반으로, 구동 장치(26)가 샤프트(24) 상에 공급하는 설정 토크가 결정된다. 위상 전압들(U a , U b , U c )의 위상들 내 전류는 구동 장치(26)의 샤프트(24) 상으로 공급되는 구동 토크(M M )를 생성한다. 샤프트(24)는 요구되는 구동 토크(M M )에 대하여 부하 토크(M L L)를 제공한다. 제어부는 구동 장치(26)에 작용하는 부하 토크(M L )에 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성된다. 특히 제어부는, 컴프레서(18)의 샤프트(24)의 부하 토크(M L )에 구동 토크(M M )를 매칭시키도록 구성된다. 매칭은, 구동 장치가, 설정 회전속도(n*)를 유지하기 위해, 부하 노트(M L )에 상응하는 구동 토크(M M )를 설정하는 것을 의미한다. 그 다음, 구동 토크(M M )뿐 아니라 부하 토크(M L )는, 샤프트(24)를 회전시키는 결과로 발생한 토크(M R )를 생성하기 위해 고려된다. 결과로 발생한 토크(M R )는 구동 토크(M M )와 부하 토크(M L )의 차이로부터 발생한다. 결과로 발생한 토크(M R )의 부호에 따라서, 구동 장치(26)의 로터의 가속 또는 제동이 이루어진다. 따라서 결과로 발생한 토크(M R )는 특정 실제 회전속도(n)로 샤프트(24)를 회전시킨다. 그에 따라, 컴프레서(18)는 샤프트(24)와 연결되어 있기 때문에, 컴프레서(18)도 실제 회전속도(n)로 회전한다. 실제 회전속도(n)는 다시 제어 장치(36)의 속도 검출 섹션(44)에서 검출된다. 그 다음, 검출된 실제 회전속도(n)는 다시 제어 장치(36)의 속도 제어 섹션(38)으로 공급된다. 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지(12)의 질량 유량을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법의 경우, 컴프레서 서지는, 하기에 설명되는 것처럼, 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 기반으로, 그리고 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)를 기반으로 검출된다. 그러나 우선, 본 발명의 범위에서, 추가의 센서들을 필요로 하지 않으면서, 단지 전기 구동형 컴프레서(18)의 작동 중에 사용되는 센서들만으로 컴프레서 서지를 검출할 수 있는 이유가 설명된다. 그러므로 우선, 다양한 센서들의 신호들에 작용하는 컴프레서 서지의 현상이 예시적으로 설명된다. 분명하게 강조할 사항은, 도 3 내지 도 6에 도시된 곡선들은 예시이며 단지 컴프레서 서지만을 그 자체로서 설명하기는 하지만, 필연적으로 본 발명에 따른 방법의 구성 요소일 필요는 없다는 점이다.
도 3에는, 본보기로서, 예컨대 공기 질량 센서(28)에 의해 검출되는 바와 같은, 공기 질량 유량을 나타내는 유동 신호가 도시되어 있다. 도 3에서, X 축(46) 상에는 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(48) 상에는 g/s 단위의 보정된 공기 질량 유량(W*)이 표시되어 있다. 공기 질량 유량(W)은, 보정된 공기 질량 유량(W*)을 형성하기 위해, 기준 온도(TREF) 및 기준 압력(PREF)과 관련하여 보정될 수 있다. 이는 예컨대 하기 식에 의해 수행될 수 있다.
Figure 112013116306892-pat00001
파라미터 TIN 및 PIN은 컴프레서(18)의 유입구에서 공기의 온도 및 압력을 각각 나타낸다. 기준 온도(TREF)는 앞서 언급한 것처럼 보통의 주변 온도의 범위에 놓이고, 기준 압력(PREF)은 해발고도와 관련된 공기 압력이다. 도 3의 그래프에서, 보정된 공기 질량 유량(W*)은 g/s 단위로 표시되어 있다.
도 3에 나타나는 바와 같이, 컴프레서 서지 동안 공기 질량 유량(W)의 매우 강한 변동이 발생할 수 있다. 서지 중 컴프레서(18)의 작동 동안, 공기 질량 센서(26)의 유동 신호는, 예컨대 도 3에서 50으로 표시된 위치에서 알 수 있는 것처럼, 흡입 공기의 방향 변경으로 인해 즉각적으로 급하강하며, 이는 보정된 공기 질량 유량(W*)에서도 나타난다.
예컨대 압력 센서들(30 또는 32)에 의해 검출되는 압력 신호에서도, 도 4를 참고로 하기에서 설명되는 것처럼, 상기 유형의 컴프레서 서지가 나타난다. 도 4에서 X 축(52) 상에는 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(54) 상에는 파스칼 단위의 압력이 표시되어 있다. 이 경우, 곡선(56)은 압력 센서(30)에 의해 컴프레서(18)의 상류에서 검출된 압력을 나타내고, 곡선(58)은 압력 센서(32)에 의해 컴프레서(18)의 하류에서 검출된 압력을 나타낸다. 서지에 대한 예는 각각 60으로 표시된 위치에서 확인할 수 있다.
이제, 본 발명에 따라서, 컴프레서 서지의 검출을 위해, 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서들(30, 32)이 사용되지 않아도 되고, 다시 말하면 이들이 대체물 없이 생략될 뿐만 아니라, 앞서 기술한 제어부에 의해 컴프레서 서지가 분명하게 식별될 수 있다. 그러므로 컴프레서 서지가 제어부에 어떻게 작용하는지가 설명된다.
컴프레서 출력(P)에서도, 하기에서 도 5를 참고로 설명되는 것처럼, 상기 유형의 컴프레서 서지가 나타난다. 도 5에서, X 축(62) 상에 초 단위의 시간이 표시되고 Y 축(64) 상에는 와트 단위의 컴프레서 출력(P)이 표시되어 있다. 도 5에는, 등엔트로피의 컴프레서 출력(P)이 더욱 정확하게 도시되어 있다.
예시로서, 여기서는 무손실 경로가, 다시 말해 발생하는 효율의 고려 없이 도시되어 있다. 측정 데이터로부터 등방성 컴프레서 출력(P)이 하기 식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112013116306892-pat00002
상기 식에서, cp는 정압(constant pressure)에서 공기의 비열 용량이고, Tin은 컴프레서의 유입구에서의 공기의 온도이며, pout는 컴프레서(18)의 하류에서의 압력이고, pin은 컴프레서(18)의 상류에서의 압력이며, W는 여기서도 공기 질량 유량이고, k는 공기의 등엔트로피 계수, 다시 말해 cp와 cv의 몫이며, 여기서 cv는 정온(constant temperature)에서 공기의 비열 용량이다. 공기의 경우, k = 1.4이다. 도 5에는, 예시로서, 컴프레서 출력의 곡선에서 컴프레서 서지를 나타내는 위치(66)가 표시되어 있다. 컴프레서 서지 동안, 공기 질량 유량(W)은, 앞서 예시로서 도 3을 참고로 설명했던 것처럼, 변동한다. 그러므로 컴프레서 서지의 경우, 전기 구동 장치(26)의 출력(P)도 변동한다.
구동 장치(26)의 로터의 각 주파수(ω)를 이용해서, 하기 식에 따라서 컴프레서(18)의 무손실 부하 토크(M L )가 주어진다:
Figure 112013116306892-pat00003
상기 식에서, n은 컴프레서(18)의 실제 회전속도이며, 이 실제 회전속도는 구동 장치(26)의 로터의 회전속도와 동일한데, 그 이유는 컴프레서와 구동 장치가 샤프트(24)를 통해 연결되어 있기 때문이다.
컴프레서(18)의 부하 토크(M L )의 곡선을 참고로, 도 6에 따라 설명되는 것처럼, 컴프레서 서지가 확인될 수 있다. 도 6에서, X 축(68)에 초 단위의 시간이 표시되고, Y 축(70)에는 Nm 단위로 컴프레서(18)의 부하 토크(M L )가 표시되어 있다. 도 6에는, 예시로서, 컴프레서(18)의 부하 토크(M L )의 곡선에서 컴프레서 서지를 나타내는 위치(72)가 표시되어 있다.
상기 식들로부터, 부하 토크(M L )의 강한 변동은 설정 회전속도(n*)의 변동의 결과로, 또는 컴프레서 서지의 결과로 발생할 수 있다는 결론에 도달하게 된다. 이런 결론은 2개의 변수, 즉 공기 질량 유량(W)에 의해 변동할 수 있는 컴프레서 출력(P)과, 마찬가지로 제어부로 인해 변동할 수 있는 회전속도(n)에 따라 결정된다. 끝으로, 전자 출력 장치 내에서, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 정보로부터, 부하 토크(M L )의 강한 변동이 회전속도 변화에, 또는 컴프레서 서지에 근거하는지의 여부에 대한 타당성 검사가 수행될 수 있다. 따라서, 부하 토크(M L )의 변화는 결과로 발생한 토크(M R )의 변화를 발생시킨다. 이제, 본 발명에 따른 방법의 경우, 컴프레서 서지는, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 변화의 임계값을 하회할 때 검출된다. 예컨대 단위 시간당 설정 전류(I*) 및 설정 회전속도(n*)의 시간에 따른 변화가 결정된다. 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)의 변화의 임계값은 예컨대 실질적으로 0이다. 여기서 실질적으로 0이란, 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)가 거의 일정하고 기술적으로 불가피한 변화 또는 변동만을 겪는 것 의미한다. 0의 변화는, 고정된 작동점이 설정되는 것을 의미한다. 이제 결과로 발생한 토크(M R )의 변화가 발생하면, 이런 변화는 분명하게 컴프레서 서지에 할당될 수 있는데, 그 이유는 설정 회전속도(n*) 및 설정 전류(I*)가 변화되지 않았고 그에 따라 상기 제어부에 따라서 결과로 발생한 토크(M R )의 변화에 대한 영향 변수로서 고려되지 않기 때문이다. 달리 말하면, 부하 토크(M L )와 그에 따른 결과로 발생한 토크(M R )는 일정한 설정 회전속도(n*)와 그에 따른 일정한 설정 전류(I*)에도 불구하고 강하게 변동한다. 그에 따라, 변동하는 부하 토크(M L )에 대한 영향 변수로서, 컴프레서 서지에 의해 야기된 변동하는 공기 질량 유량(W)에 따라 변동하는 출력(P)만이 고려된다. 컴프레서 서지가 상기 방법에 따라 검출되면, 제어 장치(36)에 의해 더 낮은 설정 회전속도(n*)가 사전 설정된다. 추가로 바이패스 밸브(22)가 개방될 수 있다.
컴프레서(18)의 제어 장치(36)와의 통신은 상기 실시예에서 예컨대 CAN(Controller Area Network)과 같은 자동차에서 유용한 인터페이스에 의해 수행될 수 있다. 전자 출력 장치에 의해 제공되는 데이터는 컴프레서 서지 동안 기록되고 평가될 수 있다. 예컨대 공기 질량 센서(28) 및/또는 압력 센서들(30, 32)과 같은 다른 센서들의 데이터와의 비교를 통해, 컴프레서 서지의 정보는 더 정확하게 식별될 수 있다.
분명하게 강조되는 사항은, 본 발명에 따른 방법이 연료 전지 시스템(10)의 전기 구동형 컴프레서(18)에 적용으로 국한되지 않는다는 점이다. 예컨대 전기 구동형 컴프레서(18)는 내연기관에서도 사용할 수 있다. 앞서 기술한 제어도 공기 질량 유량의 제어로 국한되지 않는다. 대안으로서, 유사하게, 압력 제어, 컴프레서(18)의 유입구에서의 공기 질량 유량/압력의 특성 곡선을 이용한 순수 제어, 또는 이산식 부하 레벨 사전 설정이 고려된다.
10 연료 전지 시스템
12 연료 전지
18 컴프레서
20 배기가스 터빈
26 구동 장치
34 터보차저
36 제어부, 제어 장치
I 실제 전류
I* 설정 전류
M L 부하 토크
M M 구동 토크
M R 결과로 발생한 토크(resulting torque)
n 실제 회전속도
n* 설정 회전속도
U 전압

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  10. 연료 전지(12)와, 컴프레서(18)와, 상기 컴프레서(18)에 포함되고 상기 컴프레서(18)를 전기 구동하기 위한 구동 토크(MM )를 생성하도록 구성되는 구동 장치(26)와, 상기 컴프레서(18)의 컴프레서 서지를 검출하기 위한 제어 장치(36)를 포함하는 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
    상기 제어 장치(36)는 상기 구동 장치(26)에 작용하는 부하 토크(ML )에 상기 구동 토크(MM )를 매칭시키도록 구성되고, 상기 구동 장치(26)의 상기 구동 토크(MM )는 상기 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정되고, 상기 구동 장치(26)의 설정 전류(I*)는 상기 컴프레서(18)의 상기 설정 회전속도(n*)를 기반으로 결정되고, 상기 설정 전류(I*)를 기반으로 상기 구동 장치(26)를 구동하기 위한 전압(U)이 생성되고, 상기 구동 장치(26)의 실제 전류(I) 및 상기 컴프레서(18)의 실제 회전속도(n)가 검출되고, 상기 컴프레서(18)의 상기 실제 회전속도(n)는 상기 구동 토크(MM ) 및 상기 부하 토크(ML )의 결과로 발생한, 상기 구동 장치(26)의 토크(MR )를 기반으로 결정되며, 상기 컴프레서 서지는 상기 결과로 발생한 토크(MR )의 변화를 기반으로, 그리고 상기 설정 회전속도(n*) 및 상기 설정 전류(I*)를 기반으로 검출되는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 연료 전지(12)는 자동차의 구동 장치(26)를 구동하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어 장치는 설정 공기 질량 유량을 기반으로 상기 컴프레서(18)의 설정 회전속도(n*)를 사전 설정하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 설정 공기 질량 유량은 자동차의 구동 장치의 출력 요건을 기반으로 결정되는, 연료 전지 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 컴프레서(18)는 상기 연료 전지(12)의 배기가스 질량 유량으로 구동될 수 있는 배기가스 터빈(20)과 연결되는, 연료 전지 시스템.
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