KR102541875B1 - 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 재기동시 일시적으로 저효율 운전을 수행하여 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피하여 수소소모를 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법에 관한 것이다.

Description

자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법{Control method for preventing over supply at the time of re-starting of fuelcell use for a car}

본 발명은 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 재기동시 일시적으로 저효율 운전을 수행하여 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피하여 수소소모를 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이러한 화학 반응은 촉매층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.

수소 연료전지는　수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.

연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 고효율이며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 변환 가능하다.

이러한 연료전지는 천연 가스, 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료가 이용가능하기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉬우며, 연료를 태우지 않기 때문에 친환경적이다.

또한, 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전보다 적으며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다.

따라서, 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있는 가능성이 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 자동차의 전원 공급원으로 적용될 수 있다. 특히, 연료전지를 전원으로 이용하는 자동차는 이미 시판중이다.

그런데, 연료전지를 전원으로 이용하는 자동차에서 연료전지 정지후 재기동시 정확한 요구출력을 만족하는 연료전지의 전압 예측이 어렵기 때문에 재기동 과정에서 불필요한 배터리 충전이 발생하게 되는데, 이러한 현상으로 말미암아 불필요한 수소 소모로 인하여 연비가 악화되는 단점이 발생한다.

또한, 연료전지의 급격한 전류증가가 발생하면 셀전압 저하로 인하여 비상퍼지가 발생하고 이로 인한 수소 소모로 연비가 악화되기도 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 연료전지 재기동시 연료전지 내구성능 확보를 위한 전압 상한치를 목표전압으로 설정하고 일시적인 저효율 운전을 통한 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피함으로써 연비향상을 도모하는데 본 발명의 기술적 과제가 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법은, 연료전지 재기동시 일시적으로 저효율 운전을 수행하여 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피하여 수소소모를 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법의 구성을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법은, 연료전지 재기동시 일시적으로 저효율 운전이 수행되므로, 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피하여 수소소모를 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 발현하게 된다.

도 1 은 본 발명의 제어방법을 수행하는 자동차의 연료전지 구동 시스템의 블럭다이어그램,
도 2 는 본 발명의 제어방법의 플로우챠트,
도 3 은 본 발명의 제어방법의 저효율 운전영역을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법의 구성 및 작동을 상세하게 설명한다.

단, 도시된 도면들은 당업자에게 본 발명 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.

또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1 은 본 발명의 제어방법을 수행하는 자동차의 연료전지 구동 시스템의 블록다이어그램이다.

본 발명은 본 발명은 연료전지 정지후 재기동 과정에서 불필요한 배터리 충전 현상 및 연료전지의 급격한 출력 증가로 인한 비상퍼지를 방지하여 연비를 향상하고자 하는 제어방법으로서, 도 1 에 도시된 바와 같은 연료전지 구동 시스템에 의하여 수행된다.

연료전지 구동 시스템의 제어부(10)는 연료전지(30)를 제어하기 위하여 공기공급부(20)와, 보조출력부(60), 구동부(40), 전력조정부(50), 공기출구밸브(80), 및 퍼지밸브(70)와 통신을 수행하여 이들 각 부의 작동을 제어한다.

상기 공기공급부(20)는 연료전지(30)로 투입되는 공기의 유량을 조절하는 부분이다.

상기 보조출력부(60)는 연료전지(30)와 함께 출력을 발생하는 부분으로서 요구되는 출력을 만족시키기 위하여 사용되는 부분이다.

또한, 상기 보조출력부(60)는 연료전지(20) 또는 구동부(40)에서 발생하는 에너지를 흡수하는 기능도 가질 수 있다.

상기 전력조정(50)는 연료전지(30)와 보조출력부(60) 사이의 출력 레벨을 조정하는 부분이다.

상기 공기출구밸브(80)은 공기유량 및 공기극 압력을 조절하는 밸브이며, 상기 퍼지밸브(70)는 연료전지 내부의 불순물 제거를 위하여 기설정된 타이밍을 가지고 개폐되는 밸브이다.

다음으로, 상기와 같은 연료전지 구동 시스템에 의하여 수행되는 본 발명의 자동차의 연료전지 재기동시 과다출력 방지를 위한 제어방법을 설명한다.

도 2 는 본 발명의 제어방법의 플로우챠트이고, 도 3 은 본 발명의 제어방법의 저효율 운전영역을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 제어방법은 도 1 에 도시된 연료전지 구동시스템의 제어부(10)에 의하여 수행되며, 연료전지 정지후 재기동 과정에서 수행되는 방법이다.

먼저, 연료전지 정상운전상태(S10)에서 연료전지 정지 상태인지 모니터링하고(S20), 연료전지가 정지상태이면, 연료전지의 재기동 여부를 결정하는 단계(S30)를 수행한다.

상기 S30 단계에서 연료전지를 재기동하기로 결정되면, 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정 변수(γ)를 산출한다(S40).

상기 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정변수(γ)는 하기의 식 1 에 의하여 산출된다.

(식 1)

γ = P_req/(P_bat,max + P_fc,min)

P_req : 전체 요구출력

P_bat,max : 배터리 최대출력

P_fc,min : 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력

연료전지 성능을 결정하는 많은 요인이 있지만, 공기공급량의 경우 SR(공기과급비)를 이용해 조절할 수 있다.

즉, SR 을 높이면 공기축압력이 높아져서 도 3 에 도시된 바와 같은 I(전류) 대 V(전압) 곡선이 상승 증가세를 나타내면서 성능이 좋아지지만, 압축기(또는 블로워)의 소모전력이 커져서 실제 얻을 수 있는 출력이 감소될 수 있다.

그러므로, 시험이나 해석을 통하여 효율이 좋은 기본적인 SR(SR_base)을 결정한다. 따라서, 이 SR_base값에 대한 연료전지 I(전류) 대 V(전압) 성능을 얻을 수 있고, 전압제어를 통해 연료전지 출력을 바꿔줄 수 있다.

하지만 내구성 확보를 위해 연료전지전압의 상한치를 제한할 경우 연료전지 출력을 어느값 이하로 줄일 수 없게 된다. 따라서, 전압상한치에서는 공기공급량을 SR_base보다 줄여줌으로써 저효율 운전을 유도하여 연료전지 출력을 감소시킨다.

따라서, 전압상한치에서 SR_base로 운전할 경우의 연료전지 출력을 저효율 운전영역의 출력최대치로 결정한다.

도 3 의 그래프와 같이 연료전지의 I(전류) 대 V(전압) 곡선에서 전압상한값으로 유지되는 구간을 저효율 운전영역으로 결정할 수 있다.

이때의 전류 및 출력 최대치는 도 3 에 나타낸 바와 같이 I_{fc ,min} 및 P_{fc ,min}이 되게 된다.

다음으로, 상기 S40 단계에서 산출된 결정변수(γ)의 크기에 따라 저효율 운전모드 진입 또는 정상 운전모드 진입을 결정한다(S50).

본 발명의 실시예는 상기 결정변수(γ)의 크기가 1 미만이면 저효율 운전모드로 진입하고, 1 이상일 경우에는 저효율 운전모드의 진입없이 바로 재기동 하는 S10 단계로 리턴하여 연료전지 정상운전 상태로 진입한다.

상기 S50 단계에서 저효율 운전모드저효율 운전모드 진입이 결정되면, 저효율 운전모드로 진입하여(S60), 연료전지가 저효율 운전모드로 작동한다.

이때, 본 발명 실시예는 저효율운전모드로 작동시 공기유량을 결정하기 위한 공기과급비(SR)를 하기의 식 2 에 의하여 산출한다.

(식 2)

SR = γ×SR_base

* SR_base : 기본 공기과급비

이때, 저효율 운전모드에서 연료전치 출력은 SR 에 의해서 변동되며, 전체 요구출력은 배터리 출력을 조절하여 수행하는데, 여기서, 상기 저효율 운전판단단계에서 γ 를 계산하는 단계(S40) 수행시, 상기 식 3 에 의하여 P_{bat , max} 를 배터리 충전상태(SOC:State of Charge)값에 따라 가변적으로 결정할 수 있다.

(식 3)

γ = P_req/(P_bat,max(SOC)+ P_fc,min)

또한, 상기 S60 단계의 저효율 운전모드에서 작동시 공기과급비(SR)는 상술한 식 2 이외에도 하기의 식 4 에 의해서도 산출될 수 있다.

(식 4)

SR = α×γ×SR_base

상기 α는 weighting factor 로서, 저효율 운전의 정도를 결정하는 요소이다. 그러므로, 배터리 SOC 에 따라 α=f(SOC) 함수로 구현할 수 있다.

SOC가 크면 α를 감소시켜서 연료전지 효율이 더 떨어지게 운전할 수 있고, 따라서, 배터리 출력이 커질 수 있다.

반대로 SOC가 작으면 α를 증가시켜서 저효율 영역에서 연료전지 출력이 커질 수 있기 때문에 상대적으로 배터리 출력이 작아질 수 있다.

다음으로, 상기 저효율 운전중 연료전지요구출력(P_{fc , req})이 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력(P_{fc ,min} )보다 큰지 판단하여(S70), 연료전지요구출력(P_fc,req)이 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력(P_{fc ,min} ) 보다 더 크면 연료전지 정상 운전모드(S10)로 리턴하여 연료전지 정상운전 상태로 입한다.

따라서, 상술한 바와 같이 작동하는 본 발명의 제어방법에 의하여 연료전지 재기동시 일시적으로 저효율 운전이 수행되므로, 불필요한 배터리 충전 및 비상퍼지 회피하여 수소소모를 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 발현하게 된다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 제어부
20; 공기공급부
30; 연료전지
40; 구동부
50; 전력조정부
60; 보조출력부
70; 퍼지밸브
80; 공기출구밸브

Claims (6)

1. 삭제
2. 자동차용 연료전지의 제어방법에 있어서,
   연료전지 정상운전상태(S10)에서 연료전지 정지 상태인지 모니터링하는 단계(S20);
   연료전지가 정지상태이면, 연료전지의 재기동 여부를 결정하는 단계(S30);
   연료전지를 재기동하기로 결정되면, 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정 변수(γ)를 산출하는 단계(S40);
   상기 결정변수(γ)의 크기에 따라 저효율 운전모드 진입 또는 정상 운전모드 진입을 결정하는 단계(S50);
   저효율 운전모드저효율 운전모드 진입이 결정되면, 연료전지가 저효율 운전모드로 작동하는 단계(S60);
   상기 저효율 운전모드 작동중 연료전지요구출력(P_fc,req)이 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력(P_fc,min ) 보다 큰지 판단하여, 더 크면 연료전지를 정상운전 상태로 작동시키는 단계(S70);
   를 포함하여 구성되고,
   상기 S40 단계에서 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정변수(γ)는 하기의 식 1 에 의하여 산출되고,
   (식 1)
   γ = P_req/(P_bat,max + P_fc,min)
   P_req : 전체 요구출력
   P_bat,max : 배터리 최대출력
   P_fc,min : 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력
   상기 S60 단계에서 저효율운전모드로 작동시 공기유량을 결정하기 위한 공기과급비(SR)는 하기의 식 2 에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 제어방법.
   (식 2)
   SR = γ×SR_base
   * SR_base : 기본 공기과급비
   
3. 자동차용 연료전지의 제어방법에 있어서,
   연료전지 정상운전상태(S10)에서 연료전지 정지 상태인지 모니터링하는 단계(S20);
   연료전지가 정지상태이면, 연료전지의 재기동 여부를 결정하는 단계(S30);
   연료전지를 재기동하기로 결정되면, 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정 변수(γ)를 산출하는 단계(S40);
   상기 결정변수(γ)의 크기에 따라 저효율 운전모드 진입 또는 정상 운전모드 진입을 결정하는 단계(S50);
   저효율 운전모드저효율 운전모드 진입이 결정되면, 연료전지가 저효율 운전모드로 작동하는 단계(S60);
   상기 저효율 운전모드 작동중 연료전지요구출력(P_fc,req)이 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력(P_fc,min ) 보다 큰지 판단하여, 더 크면 연료전지를 정상운전 상태로 작동시키는 단계(S70);
   를 포함하여 구성되고,
   상기 S40 단계에서 저효율 운전진입을 판단하기 위한 결정변수(γ)는 하기의 식 3 에 의하여 산출되고,
   (식 3)
   γ = P_req/(P_bat,max(SOC)+ P_fc,min)
   P_req : 전체 요구출력
   P_bat,max : 배터리 최대출력
   P_fc,min : 저효율 운전영역에서의 연료전지 최대출력
   SOC: 배터리 충전상태(SOC:State of Charge)값
   상기 S60 단계에서 저효율운전모드로 작동시 공기유량을 결정하기 위한 공기과급비(SR)는 하기의 식 2 에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 제어방법.
   (식 2)
   SR = γ×SR_base
   * SR_base : 기본 공기과급비
   
4. 삭제
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 S60 단계에서 저효율운전모드로 작동시 공기유량을 결정하기 위한 공기과급비(SR)는 하기의 식 4 에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 제어방법.
   
   (식 4)
   SR = α×γ×SR_base
   * SR_base : 기본 공기과급비
   α: weighting factor
   
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 결정변수(γ)의 크기에 따라 저효율 운전모드 진입 또는 정상 운전모드 진입을 결정하는 단계(S50)는,
   상기 결정변수(γ)의 크기가 1 미만이면 저효율 운전모드로 진입하고,
   상기 결정변수(γ)의 크기가 1 이상일 경우에는 저효율 운전모드의 진입없이 연료전지 정상운전 상태로 진입하는 구성을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 제어방법.

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