KR102468382B1 - 연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소 압력의 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하는 단계; 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계; 수소공급밸브의 개도 또는 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하는 단계; 및 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계;를 포함하는 연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템{CONTROL METHOD AND SYSTEM OF SUPPLYING HYDROGEN FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템으로, 구체적으로 연료전지 스택에 공급하는 수소의 압력을 제어하는 수소공급밸브의 개도를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
특히 그 중에서 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치에 관하여, 운전자의 입력에 따라 요구되는 출력에 따라 수소를 공급하는 수소공급라인에 마련된 수소공급밸브(Fuel Supply Valve, FSV)의 개도를 제어하여 연료전지 스택에 수소를 공급한다.
구체적으로, 고압으로 저장된 수소탱크에서 액압력 조절밸브(Head Pressure Control Valve, HPR)을 통해 1차로 감압하고, 수소공급밸브 전단까지 중압의 수소를 공급한다. 수소공급밸브는 중압의 수소를 On/Off 제어(PWM 제어)하는 방식으로 스택에 최종적으로 공급한다.
이러한 수소공급밸브를 제어함에 있어서 수소공급라인의 수소공급압을 실측하기 위한 2개의 센서가 마련될 수 있다. 일반적으로, 2개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균을 이용하여 측정 수소공급압을 산출한다.
그러나 수소공급압을 실측하는 2개의 센서 중 1개에 옵셋, 수분 유입 또는 측정 중단 등의 문제가 생기거나, 단선 또는 단락은 아니나 센서가 잘못된 값을 센싱하는 경우 등에는 측정 수소공급압에 심각한 오차가 발생할 수 있다.
이는 수소공급량의 보정값에 오차가 발생하여 수소공급밸브의 개도가 잘못 수정되거나 제어 값이 과도하게 오실레이션 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이에 따라 연료전지 스택에 공급하는 수소공급압력이 과압되거나 저압되어 심각하게는 연료 공급이 중단될 수도 있는 문제가 있었다.
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 10-2014-0083823 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택에 공급하는 수소의 압력을 제어 모드에 따라 측정 수소공급압을 산출하는 방법을 차별화시켜 측정 수소공급압의 신뢰성이 향상된 연료전지 수소 공급 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 제어방법은 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소 압력의 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하는 단계; 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계; 수소공급밸브의 개도 또는 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하는 단계; 및 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계;를 포함한다.
목표 수소공급압을 산출하는 단계는 연료전지에 요구되는 출력에 기반하여 필요한 수소량을 산출하고, 산출된 필요 수소량에 기반하여 목표 수소공급압을 산출할 수 있다.
수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계는 기설정된 맵을 기반으로 목표 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도를 산출하고, 수소공급밸브의 개도를 산출된 개도로 제어할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 구간 이내인 경우 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압들을 평균하여 측정 수소공급압으로 산출할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상인 경우 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압은 기설정된 맵을 기반으로 산출할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우, 복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압을 선택하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압은 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압 중 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압에 가장 근접한 실측 수소공급압을 선택하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상이고 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우, 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 목표 수소공급압의 변화량과 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량을 기반으로 산출한 수소압력 변화율(FpPrsRat)의 크기를 기준으로 모드를 구분할 수 있다.
수소압력 변화율(FpPrsRat)은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure 112017084883698-pat00001
여기서,
Figure 112017084883698-pat00002
은 목표수소공급압의 변화량이고,
Figure 112017084883698-pat00003
은 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량이다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제1 변화율 이상인 경우에는 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제2 변화율 이상인 경우에는 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 제어시스템은 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소공급라인에 마련되어 연료전지 스택으로 공급하는 수소공급압을 제어하는 수소공급밸브; 수소공급라인에 마련되어 수소공급압을 실측하는 복수 개의 센서; 및 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소의 압력 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하고, 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하며, 수소공급밸브의 개도 또는 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하며, 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 제어기;를 포함한다.
수소공급라인의 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도의 맵을 기저장하는 메모리;를 더 포함하고, 제어기는 메모리에 기저장된 맵을 이용하여 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템에 따르면, 복수의 센서 사이에 오차가 크게 발생한 경우 잘못된 센서의 실측 수소공급압을 제거하여 정상적인 수소 공급이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 높은 수소공급압으로 제어하는 구간에서 센서의 실측값에 오실레이션이 발생하더라도 수소공급압의 최종 제어값을 안정적으로 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 수소 공급에 대한 Fail-Safe의 완성도를 높여, 센서가 오작동하는 상황에 제어적으로 대처하여 연료전지 차량의 신뢰성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어시스템의 구성도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어방법은 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소의 압력 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하는 단계(S300); 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계(S400, S500); 수소공급밸브의 개도 또는 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하는 단계(S700); 및 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계(S900);를 포함한다.
구체적으로, 연료전지의 시동이 On 되거나 운전자가 연료전지가 작동하도록 조작하는 등의 운전자 입력이 있으면(S100), 제어기는 이에 따라 요구되는 출력을 계산하고, 필요한 수소량을 계산할 수 있다(S200). 제어기는 계산된 필요한 수소량을 기반으로 수소탱크에서 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 통로인 수소공급라인의 목표 수소공급압을 계산할 수 있다(S300).
즉, 목표 수소공급압을 산출하는 단계(S300)는 연료전지에 요구되는 출력에 기반하여 필요한 수소량을 산출하고, 필요한 수소량에 기반하여 목표 수소공급압을 산출할 수 있다. 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도(FSV Duty)를 결정할 수 있다(S400). 제어기는 상기 결정된 수소공급밸브의 개도로 수소공급밸브가 개방되도록 제어할 수 있다(S500).
여기서, 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계(S400, S500)는 기설정된 맵을 기반으로 제어기가 목표 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도를 산출하고(S400), 제어기는 산출된 개도로 수소공급밸브를 제어할 수 있다(S500). 즉, 메모리에는 목표 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도가 맵으로 기저장되어 있을 수 있고, 제어기는 산출된 목표 수소공급압과 메모리의 기저장된 맵을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 산출할 수 있다.
수소공급밸브가 결정된 개도로 개방되도록 제어된 후, 수소공급라인에 마련된 센서는 수소공급라인의 수소공급압을 실측할 수 있다(S600). 센서는 복수 개로 마련되어 수소공급라인의 수소공급압을 각각 실측할 수 있다.
본 실시예에서는 센서가 2개(FP10, FP11)로 마련되는 경우를 예로 들었다. 2개의 센서에서 실측된 수소공급압을 기반으로 측정 수소공급압을 계산한다(S700). 여기서, 수소공급밸브의 개도 또는 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 다르게 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
수소공급밸브의 개도를 기준으로 모드를 구분할 수 있다. 연료전지 스택으로 공급되는 수소는 수소탱크에서 고압으로 저장되어 있는 상태에서 1차 감압을 하여 중압이 되고, 수소공급밸브는 중압의 수소를 On/Off 제어(PWM 제어)하여 연료전지 스택에 최종 공급한다. 따라서, 수소공급밸브가 스택에 공급하는 수소공급량을 직접적이면서 즉각적으로 제어하는 수소공급제어의 핵심인자이므로 수소공급밸브의 개도(FSV Duty)를 기준으로 수소공급 제어의 모드를 구분할 수 있다.
구체적으로, 수소공급밸브의 개도가 기설정된 구간 이내인 경우에는 Normal 모드로 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값을 측정 수소공급압으로 산출할 수 있다. 예를 들면, 수소공급밸브의 개도가 완전 개방된 개도의 25% 이상이고, 65% 미만인 경우에는 일반적인 상태로 판단하여 2개(FP10, FP11)의 센서에서 실측한 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압으로 산출할 수 있다.
반면, 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상인 경우에는 High Current 모드로 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 예를 들면, 수소공급밸브의 개도가 완전 개방된 개도의 65% 이상인 경우에는 수소의 공급량 및 공급압이 높은 상태로 2개(FP10, FP11)의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값에 현재 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압은 메모리에 기설정된 맵을 기반으로 도출될 수 있다. 즉, 메모리에는 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압의 맵이 기저장될 수 있고, 제어기는 이를 기반으로 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 도출할 수 있다. 이러한 맵은 목표 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도를 산출하는 단계에서 이용할 수 있는 맵과 동일할 수 있고, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압은 목표 수소공급압과 동일할 수도 있으나, 후술하는 개도 수정에 따라 상이할 수도 있다.
High Current 모드는 수소공급압이 높게 유지되는 모드로 측정 수소공급압을 산출하는데 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 더 이용함으로써, 센서에서 실측한 수소공급압이 흔들려도 최종 수소공급밸브의 제어값의 오버슛을 방지하여 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분할 수 있다. 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우에는 Error 모드로 복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압을 선택해서 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 예를 들어, 2개(FP10, FP11)의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차의 크기(
Figure 112017084883698-pat00004
)가 어느 하나의 센서에서 실측한 수소공급압(FP10 또는 FP11)의 35% 이상이 되는 경우에는 Error 모드로 판단할 수 있다.
즉, 2개의 센서에서 각각 실측한 수소공급압의 오차가 큰 경우에는 적어도 어느 하나의 센서가 오작동하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 둘 중 어느 하나의 실측 수소공급압을 선택해서 측정 수소공급압을 산출하는 것이 실제 수소공급압을 더 정확하게 측정하는 것이다.
여기서, 복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압은 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압 중 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압에 가장 근접한 실측 수소공급압을 선택하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압은 기설정된 맵을 기반으로 산출될 수 있다.
또한, 수소공급밸브의 개도 및 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분할 수 있다. 측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상이고 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우에는 High Current Error 모드로 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다.
예를 들어, 수소공급밸브의 개도가 수소공급밸브의 개도가 완전 개방된 개도의 65% 이상이면서 2개(FP10, FP11)의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차의 크기(
Figure 112017084883698-pat00005
)가 어느 하나의 센서에서 실측한 수소공급압(FP10 또는 FP11)의 10% 이상이 되는 경우에 High Current Error 모드로 판단할 수 있다.
High Current Error 모드에서는 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 목표 수소공급압은 필요한 수소량에 기반하여 산출되는 것으로, 기설정된 맵을 통해 수소공급밸브의 개도를 산출하는데 이용되는 값일 수 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 목표 수소공급압의 변화량과 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량을 기반으로 산출한 수소압력 변화율의 크기에 기반하여 모드를 구분할 수 있다. 즉, 수소압력 변화율을 산출하고, 이에 따라 모드를 구분하여 구분된 모드별로 다르게 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 수소압력 변화율(FpPrsRat)은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure 112017084883698-pat00006
여기서,
Figure 112017084883698-pat00007
은 목표 수소공급압의 변화량이고,
Figure 112017084883698-pat00008
은 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량이다.
목표 수소공급압의 변화량(
Figure 112017084883698-pat00009
)은 제어부에서 요구 출력에 기반한 필요 수소량으로부터 산출된 목표 수소공급압이 변화하는 양을 이용할 수도 있고, 수소공급밸브의 개도로부터 메모리에 기저장된 맵을 통해 산출된 변화량을 이용할 수도 있다. 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량(
Figure 112017084883698-pat00010
)은 복수의 센서에서 각각 실측한 수소공급압 중 일부의 실측 수소공급압을 이용하여 산출할 수도 있고, 복수의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균을 이용하여 산출할 수도 있다.
측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제1 변화율 이상인 경우에는 High Current 모드로 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 제1 변화율은 예를 들어 0.5로 정할 수 있다.
또한, 측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제2 변화율 이상인 경우에는 High Current Error 모드로 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출할 수 있다. 제1 변화율은 예를 들어 0.8로 정할 수 있다.
High Current 모드 및 High Current Error 모드에 관하여는 상기 설명한 것과 동일하여 중복 설명을 생략한다.
제어기는 계산된 측정 수소공급압과 목표 수소공급압의 차이를 산출하고(S800), 산출된 측정 수소공급압과 목표 수소 공급압의 차이에 기반하여 수소의 공급량을 얼마나 보정할지를 결정하여 이에 따라 수소공급밸브의 개도를 수정할 수 있다(S900). 구체적으로, 목표 수소공급압에 따라 수소공급밸브의 개도를 제어하였으나, 이러한 목표 수소공급압과 측정 수소공급압의 차이를 산출하여 이를 기반으로 제어의 오차를 산출하여 수소공급밸브의 개도를 수정하는 것으로 오차에 기반한 일종의 피드백 제어이다.
더 구체적으로는, 목표 수소공급압에 따른 필요한 수소량과 측정 수소공급압에 따른 실제 스택에 공급하는 수소량의 차이를 계산하여 연료전지 스택에 공급하는 수소 공급량의 보정값을 결정한다.
즉, 측정 수소공급압이 목표 수소공급압보다 높은 경우에는 수소공급밸브의 개도를 줄이도록 제어할 것이고, 반대로 측정 수소공급압이 목표 수소공급압보다 낮은 경우에는 수소공급밸브의 개도를 더 크게하도록 제어할 것이다. 또한, 측정 수소공급압과 목표 수소공급압의 차이가 클수록 수소공급량의 보정값도 크게 결정될 것이고, 결국 수소공급밸브 개도도 크게 수정될 것이다.
수소공급밸브의 개도는 수소의 공급량의 보정값을 반영하고 이에 따라 개도를 다시 결정하고 보정된 개도로 수소공급밸브를 제어한다. 즉, 수소공급밸브의 개도는 필요한 수소량을 기반으로 계산된 목표 수소공급압을 기반으로 측정 수소공급압을 반영하여 결정되고, 결정된 개도대로 수소공급밸브를 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 수소 공급 제어시스템은 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하는 수소공급라인(30)에 마련되어 수소공급압을 제어하는 수소공급밸브(FSV, 20); 수소공급라인(30)에 마련되어 수소공급압을 실측하는 복수 개의 센서(40); 및 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택(10)에 공급하는 수소의 압력 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하고, 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브(20)의 개도를 제어하며, 수소공급밸브(20)의 개도 또는 센서(40)에서 실측한 수소공급압을 기반으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하며, 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브(20)의 개도를 수정하는 제어기(60);를 포함한다.
도 2에서 실선은 수소 또는 산소 등의 가스가 이동되는 관을 의미하는 것이고, 점선은 제어신호가 전달되는 전선을 의미할 수 있다.
수소공급라인(30)은 연료탱크(FUEL TANK, 50)에서 연료전지 스택(10)의 ANODE 측으로 수소를 공급하는 라인일 수 있다. 수소공급라인(30)에는 재순환을 위한 블로워, 이젝터 등이 마련될 수 있으나 이들은 생략하였다. 수소공급밸브(20)는 수소공급라인(30)에 마련되고, 개도의 제어를 통해 연료전지 스택(10)에 공급하는 수소의 압력을 조절할 수 있다.
복수 개의 센서(40)는 압력센서로 수소공급라인(30)의 동일한 위치에 마련되어 동일한 위치의 압력을 실측하는 것이 적절할 것이나, 관의 두께가 동일한 다른 위치의 압력을 실측할 수도 있다. 본 실시예에서는 FP10(41) 및 FP11(42)로 2개의 센서를 예로 들어 설명하였다. 이들은 수소공급라인(30)의 수소공급압을 실측한 값을 제어기(60)로 전송할 수 있다.
수소공급밸브(20)의 개도와 수소공급라인(30)의 수소공급압 사이의 맵을 기저장하는 메모리(70);를 더 포함하고, 제어기(60)는 메모리(70)에 기저장된 맵을 이용하여 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브(20)의 개도를 제어할 수 있다.
이하, 연료전지 수소 공급 제어시스템에 관하여는 상기 연료전지 수소 공급 제어방법과 유사하여 중복되는 설명은 생략한다.
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 : 운전자 입력 단계
S200 : 요구 출력 및 필요 수소량을 계산하는 단계
S300 : 목표 공급압을 계산하는 단계
S400 : 수소공급밸브의 개도를 산출하는 단계
S500 : 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계
S600 : 센서가 수소공급압을 실측하는 단계
S700 : 측정 수소공급압을 산출하는 단계
S800 : 목표 수소공급압과 측정 수소공급압의 차이를 산출하는 단계
S900 : 수소공급량의 보정값을 산출하고, 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계
10 : 연료전지 스택 20 : 수소공급밸브
30 : 수소공급라인 40 : 센서
50 : 연료탱크(FUEL TANK) 60 : 제어기
70 : 메모리

Claims (15)

  1. 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소 압력의 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하는 단계;
    산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계;
    센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 측정 수소공급압을 산출하는 단계; 및
    산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계;를 포함하고,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서는, 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상인 경우 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    목표 수소공급압을 산출하는 단계는 연료전지에 요구되는 출력에 기반하여 필요한 수소량을 산출하고, 산출된 필요 수소량에 기반하여 목표 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계는 기설정된 맵을 기반으로 목표 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도를 산출하고, 수소공급밸브의 개도를 산출된 개도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 구간 이내인 경우 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압들을 평균하여 측정 수소공급압으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서는 수소공급밸브의 개도를 기반으로 수소공급압을 산출하되, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압은 기설정된 맵을 기반으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우, 복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압을 선택하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    복수 개의 센서 중 일부의 실측 수소공급압은 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압 중 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압에 가장 근접한 실측 수소공급압을 선택하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상이고 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 오차가 기설정된 범위 이상인 경우, 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  10. 요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소 압력의 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하는 단계;
    산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 단계;
    목표 수소공급압의 변화량과 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량을 기반으로 산출한 수소압력 변화율(FpPrsRat)의 크기를 기준으로 모드를 구분하고, 구분된 모드별로 측정 수소공급압을 산출하는 단계; 및
    산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 단계;를 포함하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    수소압력 변화율(FpPrsRat)은 아래와 같은 수식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
    Figure 112017084883698-pat00011

    여기서,
    Figure 112017084883698-pat00012
    은 목표수소공급압의 변화량이고,
    Figure 112017084883698-pat00013
    은 센서에서 실측한 수소공급압의 변화량이다.
  12. 청구항 10에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제1 변화율 이상인 경우에는 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    측정 수소공급압을 산출하는 단계에서 수소압력 변화율이 제2 변화율 이상인 경우에는 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값, 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압 및 목표 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어방법.
  14. 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소공급라인에 마련되어 연료전지 스택으로 공급하는 수소공급압을 제어하는 수소공급밸브;
    수소공급라인에 마련되어 수소공급압을 실측하는 복수 개의 센서; 및
    요구 출력에 기반하여 연료전지 스택에 공급하는 수소의 압력의 목표 값인 목표 수소공급압을 산출하며, 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하고, 센서에서 실측한 수소공급압을 기반으로 측정 수소공급압을 산출하며, 산출된 목표 수소공급압과 측정 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 수정하는 제어기;를 포함하고,
    제어기는, 수소공급밸브의 개도가 기설정된 값 이상인 경우 복수 개의 센서에서 실측한 수소공급압의 평균값과 수소공급밸브의 개도에 따른 수소공급압을 평균하여 측정 수소공급압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    수소공급라인의 수소공급압에 따른 수소공급밸브의 개도의 맵을 기저장하는 메모리;를 더 포함하고,
    제어기는 메모리에 기저장된 맵을 이용하여 산출된 목표 수소공급압을 기반으로 수소공급밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소 공급 제어시스템.
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