KR102540935B1 - 연료전지시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

연료전지시스템의 운전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로, 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge) 및 운전자 요구 출력을 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어함으로써, 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙을 방지할 수 있는 연료전지시스템의 운전 제어 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 있어서, 운전자로부터 난방 요구를 입력받는 단계; 및 연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge)를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지시스템의 운전 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING DRIVING OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 차량에 탑재된 연료전지시스템의 운전을 제어하는 기술에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로서 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.
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.
연료전지를 구동하기 위한 공기 블로워, 수소 재순환 블로워, 워터 펌프 등의 구성들은 메인 버스단에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이들과, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 다이오드가 연결될 수 있다.
공기 블로워를 통해 공급된 건조한 공기는 가습기를 통해 가습된 뒤, 연료전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기에 전해져 공기 블로워에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용될 수 있다.
한편, 연비 향상을 위해 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]이 중요하게 고려되어야 한다.
특히, 운전자로부터 난방 요구가 있을 때 연료전지시스템을 연료전지 정지 불가 모드 및 냉각수 공급 펌프(Coolant Supply Pump) 정지 불가 모드로 동작시킴으로써 발생하는 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙 등과 같은 문제들을 종합적으로 고려해야 할 필요가 있다.
대한민국등록특허 제10-1567645호
본 발명은 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge) 및 운전자 요구 출력을 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어함으로써, 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙을 방지할 수 있는 연료전지시스템의 운전 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 있어서, 운전자로부터 난방 요구를 입력받는 단계; 및 연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge)를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 미만이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제1 기준치(S1) 미만이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허하고, 상기 고전압배터리의 충전을 제어할 수 있다. 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면, 전압 상한 제어를 수행하고 저유량 제어는 수행하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 미만이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제1 기준치(S1) 이상이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허하고, 연료전지의 열관리시스템을 제어할 수 있다. 즉, COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 동작시키고, CBV(Coolant Bypass Valve)의 개도량과 CSP(Coolant Supply Pump)의 개도량을 증가시키며, CTV(Coolant Temperature control Valve)의 개도량을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제2 기준치(S2) 미만이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허할 수 있다. 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면, 전압 상한 제어를 수행하고 저유량 제어는 수행하지 않을 수 있다.
또한, 상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제2 기준치(S2) 이상 제3 기준치(S3) 미만이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허할 수 있다. 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면, 전압 상한 제어와 저유량 제어를 모두 수행할 수 있다.
또한, 상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제3 기준치(S3) 이상이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 허가하고, 전압 상한 제어와 저유량 제어를 모두 수행하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법은, 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge) 및 운전자 요구 출력을 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어함으로써, 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙을 방지할 수 있다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 연료전지시스템의 파워넷 구성을 나타내는 일예시도,
도 2 는 본 발명이 적용되는 연료전지시스템의 구성을 나타내는 일예시도,
도 3 은 본 발명이 적용되는 연료전지시스템이 구비하는 열관리시스템에 대한 일예시도,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 CBV 개도를 제어하는 방식에 대한 일예시도,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 대한 흐름도,
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 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. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 연료전지시스템의 파워넷 구성을 나타내는 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지시스템의 파워넷은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압배터리(메인배터리)(20), 고전압배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(BHDC: Bidirectional High voltage DC/DC Converter)(21), 연료전지(10)와 고전압배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 상기 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 전자부하(33), 저전압배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 전자부하(41), 저전압배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 전력변환장치(LDC: Low voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함한다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(21)가 연료전지(10)의 출력측 메인버스(11)에 접속되어, 상기 양방향 전력변환장치(21)의 전압(메인버스로의 출력전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지 단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 상기 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행중 뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키 오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스(11)를 통해 연료전지(10) 및 고전압배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료전지(10) 및/또는 고전압배터리(20)에서 공급되는 전원을 상(phase) 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.
구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 연료전지 모드, 고전압배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료전지(10)의 출력을 고전압배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 하이브리드(HEV) 모드로 이루어진다.
특히, 연료전지시스템에서 소정의 아이들 스탑 조건을 만족하는 경우 공기 공급을 중지하여 연료전지(10)의 발전을 정지하는 아이들 스탑 제어가 수행되고, 연료전지(10)가 재시동되어 정상적인 연료전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지는 고전압배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드의 주행이 이루어진다.
이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 된 상태 및 연료전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(21)의 부스트 제어를 통해 고전압배터리(20)의 전압을 부스팅하여 고전압배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.
또한 상기와 같이 연료전지시스템의 아이들 스탑시 공기의 공급을 중지하였다가 소정의 재시동 조건을 만족하는 경우에는 공기 공급을 재개하여 연료전지를 재시동하고, 재시동 후 연료전지시스템의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 전력변환장치(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 연료전지시스템(200)의 구성을 나타내는 일예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지시스템(200)은 연료전지 스택(210), 입구측 공기차단밸브(220), 출구측 공기차단밸브(225), 공기 블로워(230), 3-way 밸브(240), 바이패스 배관(250), 가습기(260), 워터 트랩(270), 수소 재순환기(275), 수소공급밸브(280) 및 제어부(290)를 포함할 수 있다. 또한, 입구측 공기차단밸브(220) 전단에는 필터(미도시)가, 입구측 공기차단밸브(220)의 출구와 공기 블로워(230) 입구 사이에는 소음기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 애노드(연료극) 출구측에는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 연료전지시스템(200)의 구성들 중 일부는 당업계에 일반적으로 알려진 구성들인 바, 구성들 각각에 관한 설명은 생략하기로 한다.
연료전지 스택(210)은 공기극과 연료극을 포함하며, 공기블로워(230)는 공기극(캐소드) 측에 공기를 공급할 수 있다. 밸브(240)는 3-way 밸브이며, 공기 블로워의 출구, 일측이 가습기(260)의 출구측과 연결되는 바이패스 배관(250)의 타측 및 가습기(260)에 연결될 수 있다. 바이패스 배관(250)은 가습기(260)의 출구측과 밸브(240) 사이에 형성될 수 있고, 또는 공기차단밸브(225)와 밸브(240) 사이에 위치할 수 있다. 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 연료전지 스택(210) 내의 공기극 채널들을 거치지 않고, 연료전지 스택(210) 후단의 공기극 배관 중 하나를 통해 출구측 공기차단밸브(225) 쪽으로 이동할 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 외부의 대기와 바로 연결될 수도 있다. 따라서 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 대기중으로 바로 방출될 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 필요에 따라 공기극 출구측, 즉 가습기(260)의 출구측이 아니고, 출구측 공기 차단 밸브(225)와 연결될 수도 있으며, 이때 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 출구측 공기차단밸브(225)의 개도 조절에 의해 외부로 배기될 수 있다.
이러한 밸브(224)를 이용한 공기 공급 패스의 조절은 연료전지 차량의 시동 정지 상태에서 이루어지는 것이며, 밸브(224)의 개도 조절을 통하여 연료전지 스택(210)으로 공급될 공기와 바이패스 배관(250)으로 공급될 공기의 양을 자유롭게 제어할 수 있다.
한편, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)이 드라이 아웃 즉, 건조한 상태인지 플러딩(flooding) 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 이러한 상태 판단은 스택 출구 공기의 RH 추정기(대한민국 공개특허공보 10-2010-0125324 참조)를 이용하거나, 실시간 전류-전압 곡선을 모니터링하여, 전류-전압 곡선의 기울기를 이용하여 판단할 수 있다.
제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태를 판단하여, 판단 결과에 따라 밸브(240)를 조정하여 배관들, 즉 밸브(240)와 공기극을 연결하는 배관, 공기 블로워(230)와 밸브(240)를 연결하는 배관 및 가습기(260) 출구측과 밸브(240)를 연결하는 바이패스 밸브(250)의 연결 상태를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(290)는 건조 상태 판단 결과 연료전지 스택(210)이 건조한 상태인 경우, 밸브(240)에 연결된 배관들 중 가습기(260)의 출구측으로 연결된 바이패스 배관(250)을 통해 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다.
또한 바이패스 배관(250)이 공기극 출구단이 아니라 곧바로 대기와 연결된 경우, 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태가 플러딩 상태인 경우를 제외하고는, 공기극 측으로의 공기 공급을 차단하여 공기 블로워(230) 감속시 불필요하게 발생할 수 있는 공기 과급 조건을 최소화시켜 연료전지 스택(210)이 건조해지는 것을 방지할 수 있다.
공기극 측에 공기 공급하는 것을 차단하기 위해서, 제어부(290)는 공기극 입구로 연결된 배관에 장착된 3-way 밸브(240)를 통해 연료전지 발전 정지 중에 공기극에 공급되는 공기를 즉시 차단하여 공기극 발전 정지 시간을 최소화시킬 수 있다. 연료전지시스템(200)의 경우 3-way 밸브(240)와 이에 연결된 바이패스 배관(250)을 별도로 구비함으로써, 제어부(290)는 공기극 측으로 공급되는 공기와 공기 블로워(230)를 통해 공급하는 유량을 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서, 공기 블로워(230)의 회생제동량 또한 가변적으로 조절이 가능하여 에너지 회수율 극대화를 통해 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 빈번한 가감속 구간에서 주행 응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 밸브(240)를 조정하여 연료전지 스택(210)에 공급되는 공기의 유량 및 공기 블로워(230)를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 연료전지 발전 정지 상태뿐만 아니라 공기 블로워(230) 감속 구간에서도 공기극 공급 유량을 제어하고 회생 제동 정지 운전을 함으로써 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 회생 제동 정지시 모터(32) 회생 제동량과 공기 블로워(230) 회생 제동량을 유기적으로 제어하지 못하는 경우 연비 손실이 발생할 우려가 높았으나 공급 공기 유량과 공기 블로워 회생 제동 정지에 대한 독립적인 제어가 가능하게 되어 회생제동 회수율을 최대화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 공기 블로워(230)의 회생제동량은 고전압배터리(20)의 최대 충전 가능 에너지량에서 모터(32)에 의한 회생제동량을 뺀 값에 전자 부하들(33, 41)이 사용하는 에너지 량을 더한 값보다 작게 설정될 수 있다.
제어부(290)는 공급되는 공기를 외부로 배출한 이후, 고전압배터리(20)의 정상 동작 여부 및 충전상태(SOC)와, 고전압배터리(20)와 연료전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력 변환 장치(21)의 정상 동작 여부에 따라 공기 블로워(230)를 상이한 방식으로 정지시킬 수 있다.
제어부(290)는 고전압배터리(20)와 전력변환장치(21)가 정상 동작하며, 고전압배터리(20)의 충전상태가 기설정된 기준 상태보다 더 낮은 경우, 공기 블로워(230)를 회생 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 고전압배터리(20) 및 전력변환장치(21)가 정상이면 공기 블로워(230)를 회생 제동 운전시켜 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 고전압배터리(20)가 동작하지 않거나 고전압배터리(20)의 충전상태가 기설정된 기준 상태보다 더 높거나 또는 배터리(20)와 연료전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력변환장치(21)가 고장인 경우 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 건조 상태 판단 결과 연료전지 스택(210)이 플러딩(flooding) 상태인 경우, 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료전지 스택(210)의 상태가 플러딩 상태이면, 공기 블로워(230)를 정지하되, 회생제동 운전을 하지 않고 관성으로 공기 블로워(230)가 정지되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 공기 블로워(230)의 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 기설정된 기준값을 만족하면 연료전지시스템(200)의 운전을 정지시킬 수 있다. 즉, 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 연료전지 발전 정지 프로세스를 종료시키는 기준 공기 유량보다 더 작은 경우, 제어부(290)는 연료전지 스탑 모드로 진입시킬 수 있다.
한편, 제어부(290)는 연료전지(10) 가동시 연료전지(10)에 의해 생성되는 에너지(전류)를 이용하여 고전압배터리(20)를 충전할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 운전자 요구 출력에 기초하여 전압 상한 제어와 저유량 제어를 수행할 수 있다. 참고로, 전압 상한 제어는 연료전지 스택의 I-V 특성 곡선에서 OCV(Open Circuit Voltage)에 가까운 상황에서 운전될수록 내구에 악영향을 미치는 것을 고려하여, BHDC를 이용한 스택 버스단 전압 제어를 일정 전압 이상으로 운전되지 않도록 해주는 제어를 의미한다. 또한, 저유량 제어는 전압 상한 제어 상황에서 운전자의 요구 출력이 상한이 적용되는 영역 이하로 떨어질 때, 불필요하게 많은 전류를 생성하지 않기 위하여 공기의 유량을 떨어뜨리는 제어로서, I-V 곡선상 아래로 쳐지는 효과가 있다.
또한, 제어부(290)는 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택(210)의 온도와 고전압배터리(20)의 SOC(State Of Charge) 및 운전자 요구 출력을 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어함으로써, 고전압배터리의 과충전, 난방 성능의 저하, 연료전지 스택의 내구성 저하 및 결빙을 방지할 수 있다.
이하, 제어부(290)가 운전자의 난방 요구시 연료전지 스택(210)의 온도와 고전압배터리(20)의 SOC를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 방식에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
1) 연료전지 스택(210)의 온도가 기준치(T1) 미만이면서 고전압배터리(20)의 SOC가 기준치(S1) 미만인 경우는, 연료전지 스택(210)의 온도가 낮고 고전압배터리(20)의 SOC가 부족한 상태로서, 운전자가 요구한 난방을 정상적으로 제공할 수 없는 상태를 의미한다.
이러한 저온 상태가 심화될 경우, 난방 성능 불만족은 물론이고 연료전지 스택(210)에 잔존하는 물이 결빙되어 스택에 치명적인 데미지(MEA 손상(셀 손상))를 줄 가능성이 존재한다. 또한, 고전압배터리(20)의 SOC가 부족하여 정상적인 어시스트 기능을 제공할 수 없으며, 심지어 차량의 시동이 꺼진 후에 재시동이 어려울 수 있다.
따라서 이러한 상황에서는 연료전지 스택(210)을 동작시켜 난방 성능을 확보하는 것이 필수적이다. 이때, 생성된 에너지를 이용하여 고전압배터리(20)의 낮은 SOC를 충전하는 것이 전체 시스템 효율 관점에서 유리하다.
요약하면 아래와 같은 제어 전략을 수립한다.
① 연료전지 Stop 진입 불가: 연료전지 스택의 승온 및 폐열 활용 목적
② 고전압배터리 충전: 전압 제어를 수행하여 스택 전류를 발생시키고 이 전류를 이용하여 고전압배터리를 충전한다.
③ 운전자 요구 출력 < 기준치(P1) 시: 전압 상한 제어 ON, 저유량 제어 OFF, 전압 상한 제어시 발생하는 전류는 고전압배터리의 충전에 사용
결국, CASE 1)에서는 연료전지 스택(210)을 가동하여 열을 발생시키고 이를 통해 발생된 에너지는 고전압배터리(20)의 충전에 활용한다.
여기서, 기준치(T1)는 기본적으로 스택 냉각수에 저장된 폐열이 난방에 효과를 주지 못하는 온도로 설정하고, 기준치(S1)는 고전압배터리(20)의 전력분배 관점에서 정상 운전시 충전 허용 가능한 SOC 상한값으로 설정한다. 즉, 시스템 효율 관점에서 저온 상황에서도 최대한 CASE 1) 상황(발열을 위한 에너지를 고전압배터리에 축적시키기 위한 의도)을 오래 유지할 수 있도록 하는 의도이다. 또한, 기준치(P1)는 차량 관점에서 연료전지 Stop 진입이 가능한 출력(요구 출력이 미미한 상태)으로 설정한다.
2) 연료전지 스택(210)의 온도가 기준치(T1) 미만이면서 고전압배터리(20)의 SOC가 기준치(S1) 이상인 경우는, 연료전지 스택(210)의 승온이 필요하지만 고전압배터리(20)의 SOC가 높아 고전압배터리(20)의 충전이 불가한 상황으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 고전압배터리(20)의 충전 대신 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 가동시켜 연료전지 스택(210) 및 냉각수의 승온 제어를 수행한다. 즉, COD 히터를 가동하여 연료전지 스택(210)을 승온시키고 아울러 고전압배터리(20)의 과충전을 방지한다.
① 연료전지 Stop 진입 불가 : 스택 승온 및 폐열 활용 목적
② COD 히터 동작 : 스택 승온 및 스택 냉각수 승온 목적
③ CBV(Coolant Bypass Valve)/CSP(Coolant Supply Pump) 유량 제어 : 스택 및 COD 히터 과열 방지 목적 구동
④ CTV(Coolant Temperature control Valve) 개도 제어 : 승온 효율성 향상 목적으로 라지에이터(RAD) 측 냉각수 유입량 제어
여기서, CBV/CSP를 활용한 유량제어는 스택과 COD 양측 모두 유량확보를 위해 동작 되어야 한다. 즉, 저온 및 고 SOC 상황에서 CBV 개도 제어의 컨셉은 스택 냉각수 자체 온도 상승에 있다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같은 CBV 개도 제어를 실시한다.
즉, 온도가 아주 낮을 때에는 스택의 냉각에 필요한 유량 확보를 위한 최소 개도(A1)를 유지하고, 나머지 유량은 COD측으로 보내 냉각수 온도의 상승을 유도한다. 냉각수의 온도가 일정 온도 이상이 되면 폐열을 이용한 난방 성능이 서서히 확보되므로, 스택의 과열을 방지하기 위해 COD 히터의 냉각에 필요한 유량 확보를 위한 최소 개도(A2)로 변경한다. 이때 T1이상이 되면 해당 CASE에서 다른 CASE로 천이(고온시 발생 가능 상황)하게 되어 별도 제어를 시행한다.
CTV는 RAD측으로부터의 상대적으로 온도가 낮은 냉각수의 유입을 막기 위해서 스택 냉각수 타겟 온도를 T1보다 높게 설정하여 개도 제어를 수행한다.
CSP RPM은 하기의 [수학식 1]과 같이 스택과 COD를 함께 냉각 시켜줄 수 있는 유량 확보를 컨셉으로 제어한다.
[수학식 1]
CSP RPM = 스택 온도별 필요 유량 + COD 히터 냉각 필요 유량 + a
여기서, a는 마진으로서 (a ≥ 0)를 만족한다.
3) 연료전지 스택(210)의 온도가 기준치(T1) 이상이면서 고전압배터리(20)의 SOC가 기준치(S2) 미만인 경우는, 고온 및 저 SOC 상황으로 스택 냉각수의 폐열을 이용한 난방 가능 상황이다. 이때는 폐열을 적극적으로 활용하고 요구 출력이 적을시에는 내구 확보를 위한 전압 상한 제어를 실시한다. 이때, 잉여 발생 에너지는 고전압배터리의 충전에 사용하여 전체 시스템 효율을 향상시키도록 전압 제어를 수행할 수도 있다.
① 연료전지 Stop 진입 불가 : 스택 승온 및 폐열 활용 목적
② 운전자 요구 출력 < P1 시 : 전압 상한 제어 ON, 저유량 제어 OFF - 전압 상한 제어시 발생하는 전류는 고전압배터리(20)의 충전에 사용
여기서, 요구 출력이 P1이하에서는 스택 내구 저하를 방지하기 위한 전압 상한 제어를 시행하면서 저유량 제어를 수행하지 않는다. 즉, 전압 상한 제어를 수행하면서 전류는 고전압배터리(20)의 충전에 사용하여 에너지 관점에서 효율 향상은 물론 스택 발열에 의한 난방 성능을 지속적으로 확보 가능하도록 한다.
4) 연료전지 스택(210)의 온도가 기준치(T1) 이상이면서 고전압배터리(20)의 SOC가 기준치(S2) 이상 기준치(S3) 미만인 경우는, 고온으로 스택 폐열을 이용한 난방이 가능하고 고전압배터리(20)의 SOC 기준으로 운전하는데 충분한 에너지를 보유하고 있는 상황이다. 이때는 기본적으로 내구 확보를 위한 전압 상한 제어를 시행하나, SOC 과충전을 방지하기 위하여 요구 출력이 낮을시에는 저유량 제어를 함께 수행하여 발생 전류를 최소화하도록 한다.
① 연료전지 Stop 진입 불가 : 스택 승온 및 폐열 활용 목적
② 운전자 요구 출력 < P1 시 : 전압 상한 제어 ON, 저유량 제어 ON - 전압 상한 제어시 발생하는 전류는 고전압배터리(20)의 충전에 사용
여기서, 고전압배터리(20)의 SOC가 상대적으로 높은 상태로 추가적인 충전이 불필요한 상태이다. 따라서 스택 내구 확보를 위한 전압 상한 제어와 동시에 저유량 제어를 시행하여 최대한 추가적인 전류의 발생을 막아서 추가적인 충전을 막는 제어를 시행한다. 즉, 저유량 제어를 실시함으로써 실시하지 않을 때보다 작은 전류가 발생되나 그 전류는 CSP 구동, ACP 구동 등의 보기류 구동에 사용할 수 있다.
참고로, S2는 S1과 유사하게 고전압배터리(20)의 전력분배 관점에서 허용 가능한 SOC 상한값으로 설정한다. S1과 동일한 값 설정도 가능하나 제어의 자유도와 마진 확보를 위하여 S1보다 다소 낮은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. S3는 고전압배터리(20)의 과충전 기준으로 더 이상의 충전이 배터리시스템에 부정적인 영향을 주는 값으로 설정한다. S1값과 비교하여 높은 값으로 설정한다.
5) 연료전지 스택(210)의 온도가 기준치(T1) 이상이면서 고전압배터리(20)의 SOC가 기준치(S3) 이상인 경우는, 고온 및 고 SOC 상황이며 과충전 우려가 큰 상황으로 더 이상의 충전을 회피하는 전략이 필수적이다. 즉, 고온 상황이므로 폐열을 이용한 난방 성능 확보 가능하다.
① 연료전지 Stop 진입 허용
② 운전자 요구 출력 < P1 시 : 전압 상한 제어 OFF, 저유량 제어 OFF - 과충전 방지
여기서, 스택 냉각수 폐열을 이용한 난방 성능은 확보 가능 하지만 더 이상의 충전시 고전압배터리(20)의 성능 저하 및 파손이 우려되는 상황이다. 따라서 일차적으로는 CASE 4)에서의 제어 방법에서 CASE 5)로 천이되지 않도록 하는 전략이 우선되어야 한다. 하지만 불가피하게 위 상황이 발생했을 때에는 난방 성능이 확보 가능한 상태이므로, 고전압배터리(20)의 과충전을 방지하는 전략을 우선으로 시행하도록 한다. 이때, 요구출력이 낮을시 전압 상한 제어를 시행하지 못하지만 일반적으로 연료전지 Stop에 진입하게 되어 장시간 OCV 상황을 피할 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 운전자로부터 난방 요구가 있으면(501), 연료전지 스택(210)의 온도가 제1 기준온도(T1) 미만인지 확인한다(502).
상기 확인결과(502), 제1 기준온도(T1) 미만이면 고전압배터리(20)의 SOC가 제1 기준치(S1) 미만인지 확인한다(503).
상기 확인결과(503), 제1 기준치(S1) 미만이면 연료전지 Stop 모드로의 진입 불허하고, 고전압배터리(20)의 충전을 제어한다. 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면 전압 상한 제어를 수행하고 저유량 제어는 수행하지 않는다(505. 506).
상기 확인결과(503), 제1 기준치(S1) 이상이면 연료전지 Stop 모드로의 진입 불허하고 연료전지의 열관리시스템을 제어한다(507). 즉, COD 히터를 동작시키고, CBV와 CSP의 개도량을 증가시키며, CTV의 개도량은 감소시킨다.
상기 확인결과(502), 제1 기준온도(T1) 이상이면 고전압배터리(20)의 SOC가 제2 기준치(S2) 미만인지 확인한다(508).
상기 확인결과(508), 제2 기준치(S2) 미만이면 연료전지 Stop 모드로의 진입 불허한다(509). 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면 전압 상한 제어를 수행하고 저유량 제어는 수행하지 않는다(510. 511).
상기 확인결과(508), 제2 기준치(S2) 이상이면 제3 기준치(S3) 미만인지 확인한다(512).
상기 확인결과(512), 제2 기준치(S2) 이상이면서 제3 기준치(S3) 미만이면 연료전지 Stop 모드로의 진입 불허한다(513). 이때, 운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면 전압 상한 제어와 저유량 제어를 수행한다(514. 515).
상기 확인결과(512), 제3 기준치(S3) 이상이면 연료전지 Stop 모드로의 진입을 허가하고, 운전자 요구 출력에 상관없이 전압 상한 제어와 저유량 제어를 모두 수행하지 않는다(516).
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive), 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20; 고전압배터리
210: 연료전지 스택
290: 제어부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 운전자로부터 난방 요구를 입력받는 단계; 및
    연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge)를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 미만이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제1 기준치(S1) 이상이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허하고, 연료전지의 열관리시스템을 제어하고, COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 동작시키고, CBV(Coolant Bypass Valve)의 개도량과 CSP(Coolant Supply Pump)의 개도량을 증가시키며, CTV(Coolant Temperature control Valve)의 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  6. 운전자로부터 난방 요구를 입력받는 단계; 및
    연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge)를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제2 기준치(S2) 미만이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는,
    운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면, 전압 상한 제어를 수행하고 저유량 제어는 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  8. 운전자로부터 난방 요구를 입력받는 단계; 및
    연료전지 스택의 온도와 고전압배터리의 SOC(State Of Charge)를 고려하여 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상이고 상기 고전압배터리의 SOC가 제2 기준치(S2) 이상 제3 기준치(S3) 미만이면, 연료전지 정지 모드로의 진입 불허하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지시스템의 운전을 제어하는 단계는,
    운전자 요구 출력이 기준치(P1) 미만이면, 전압 상한 제어와 저유량 제어를 모두 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  10. 삭제
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