KR102579352B1 - 연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 연료전지의 공기 공급 제어방법에 있어서, 연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계; 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하는 단계; 및 수정한 공기공급량을 기반으로 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 공기 공급 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템{CONTROL METHOD AND CONTROL SYSTEM OF AIR SUPPLYING TO FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 연료전지의 저유량 제어시 고전압 배터리의 충전량의 변화율을 기반으로 연료전지의 공기 공급을 제어하는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
그중 연료전지 차량은 연료전지에서 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 생성한다. 생성된 전기에너지는 연료전지 차량에서 자체 모터를 구동하여 차량의 동력원으로 사용하거나 또는 외부 전력 공급망에 연결하여 전기에너지를 가정집 또는 사무실, 공장 등에 제공하는 발전기능에 사용될 수 있다.
연료전지 시스템은 공기와 수소를 반응시키는 화학반응이 필요한 것으로, 공기의 습도와 양에 의하여 매우 민감하게 시스템의 성능 및 특성이 변하는 특징을 갖는다. 따라서, 변화하는 연료전지 스택의 상태, 외부 온도, 차량의 고도, 운전자의 운전 습관 등의 내부 또는 외부 요인에 의해 시스템의 성능 및 특성이 민감하게 변하므로, 내부 또는 외부 요인에 따른 적절한 제어가 필요하다.
특히, 연료전지 시스템의 연비 손실을 최소화하고 시스템 안정성을 확보하기 위한 저유량 제어조건에서 연료전지 스택으로 유입되는 공기는 매우 미세하게 조절되어야 한다. 저유량 제어 조건에서 연료전지 시스템은 연료전지에서 발생하는 전력의 일부는 모터의 출력에 의해 소모되고, 나머지는 고전압 배터리를 충전한다.
그러나 연료전지 차량은 연료전지의 상태(SOH: State of Health), 외기 온도, 차량이 위치한 고도 등 내부 또는 외부 요인이 발생하는데, 일률적인 제어 로직으로는 내부 또는 외부 요인에 적절하게 대응할 수 없고, 이에 따라 연료전지 시스템의 안정성 및 연비 최적화를 유지할 수 없는 문제가 있다.
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.
JP 2014-56771 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저유량 제어시 연료전지 차량의 내부 또는 외부 환경 변화에 따른 다양한 주행 조건에서 최적화되도록 환경에 따른 조건을 피드백 제어하는 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법은 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 연료전지의 공기 공급 제어방법에 있어서, 연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계; 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하는 단계; 및 수정한 공기공급량을 기반으로 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통을 제어하는 단계;를 포함한다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계 이전에, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 단계;를 더 포함하고, 공기공급량을 수정하는 단계에서는, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵을 수정할 수 있다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시할 수 있다.
공기공급량을 수정하는 단계에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값 사이의 차이가 기설정된 크기 값보다 크기가 큰 경우에 공기공급량을 수정할 수 있다.
공기공급량을 수정하는 단계에서는, 전력저장장치의 충전량이 증가하는 경우에 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다.
공기공급량을 수정하는 단계에서는, 전력저장장치의 충전량이 감소하는 경우에 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다.
공기공급량을 수정하는 단계에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 수정하고, 공기 공급 계통을 제어하는 단계에서는, 수정한 공기 공급 밸브의 개도에 따라 공기 공급 밸브를 제어할 수 있다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계 이전에, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치의 충전량을 감시할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 제어시스템은 수소와 산소의 반응을 통하여 발전한 전력을 출력하는 연료전지; 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통; 연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치; 및 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하되, 전력저장장치의 충전량을 감시하고, 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하며, 수정한 공기공급량을 기반으로 공기 공급 계통을 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.
제어기는 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량이 증가하는 경우에 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다.
제어기는 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량이 감소하는 경우에 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다.
공기 공급 계통은 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브를 포함하고, 제어기는 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 공기 공급 밸브의 개도를 수정하고, 수정한 공기 공급 밸브의 개도에 따라 공기 공급 밸브를 제어할 수 있다.
제어기는 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하고, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치의 충전량을 감시할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지 스택의 상태를 비롯한 내부조건 또는 외부조건의 변화에도 불구하고, 연료전지 시스템의 최적화 제어 로직을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 연료전지 시스템의 최적의 연비를 구현할 수 있고, 일관적인 시스템 안정성을 유지함으로써 상품성이 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 시스템을 구성하는 부품들의 내구성이 향상되고, 기타 환경의 변화에 따른 고장 발생 가능성이 감소하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법의 순서도이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 밸브의 개도맵을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구동 상태를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구동 상태를 도시한 것이다.
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.
먼저, 연료전지 차량의 주행중 연료전지 시스템의 제어는 크게 아이들 스탑 제어, 저유량 제어 및 일반 주행 제어로 분류될 수 있다. 아이들 스탑 제어는 차량의 시동 온 상태에서 연료전지의 스택의 전력 발전을 차단하는 제어로, 연비 손실을 최소화하기 위하여 연료전지 스택으로 공급하는 공기를 차단하는 것이다.
일반 주행 제어는 연료전지 스택으로부터 일정한 크기 이상의 출력이 발전 요구되는 경우에 연료전지 스택 내부의 모든 셀들이 활성화될 수 있는 정도로 연료전지 스택에 공기를 공급한다. 저유량 제어는 연료전지 스택으로부터 일정한 크기 미만의 출력이 발전 요구되는 경우로, 매우 낮은 정도의 전력 발전이 요구되는 상태에서 연료전지 스택의 모든 셀이 활성화되진 않지만 미세한 전력 발생은 가능한 상태이다. 저유량 제어시에는 소량의 공기만이 연료전지 스택으로 공급된다.
저유량 제어는 모터 및 블로워 등이 큰 전력을 요구하지 않고 고전압 배터리의 충전량이 충분한 경우에 고전압 배터리의 충전 전력과 연료전지 스택의 발전 전력을 동시에 소모하면서 차량을 구동하는 정전류 운전이 포함되고, 정차 중에 모터에서 소모하는 전력은 없는 상태에서 고전압 배터리를 충전하는 제어가 포함될 수 있다. 추가로, 요구되는 전력은 적으나, 이후에 연료전지 스택의 요구 전력이 증가하는 상황이 예상되는 경우에는 연료전지 스택의 빠른 활성화를 위하여 저유량 제어를 수행할 수 있다.
일반적으로, 저유량 제어시에는 공기블로워는 일정한 회전속도로 구동한다. 일정한 회전속도는 에어블로워의 최소 회전속도일 수 있다. 또한, 연료전지 스택에서 요구되는 전류에 따라 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 제어하여 연료전지 스택으로 공급하는 공기의 양을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법은 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 연료전지의 공기 공급 제어방법에 있어서, 연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계(S300); 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하는 단계(S400); 및 수정한 공기공급량을 기반으로 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통을 제어하는 단계(미도시);를 포함한다.
즉, 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하고 이에 따라, 공기 공급 계통을 제어함에 따라, 연료전지 스택의 상태를 비롯한 내부조건 또는 외부조건의 변화에도 불구하고, 연료전지 시스템의 최적화 제어 로직을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계(S300) 이전에, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하는 단계(S200);를 더 포함하고, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치의 충전량을 감시할 수 있다.
즉, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하여 연료전지 시스템의 제어 상태가 저유량 제어인지 먼저 판단하고, 저유량 제어 상태인 경우에 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하고, 전력저장장치의 충전량을 감시하여 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정할 수 있다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계(S300) 이전에, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 단계(S100);를 더 포함하고, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵을 수정할 수 있다.
즉, 기존에 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵이 기설정되고, 기설정된 공기공급량 맵에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하면서 전력저장장치의 충전량을 감시하는 것이며, 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 기설정된 공기공급량 맵을 수정하면서 기설정된 공기공급량 맵을 수정할 수 있다.
전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계(S300)에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량()을 감시할 수 있다. 구체적으로, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값 사이의 차이를 감시할 수 있다. 전력저장장치의 충전량 변화량()은 일정한 주기를 간격으로 측정할 수 있고, 일정한 주기를 간격으로 측정하되 저유량 제어에 진입한 때부터 누적하여 측정할 수도 있다.
공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 아래와 같이 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값() 사이의 차이가 기설정된 크기 값(C)보다 크기가 큰 경우(S410)에 공기공급량을 수정할 수 있다(S430, S440).
반대로, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값() 사이의 차이가 기설정된 크기 값(C) 이하인 매우 작은 경우에는 외부 또는 내부의 상태 변화가 크지 않은 것으로 공기공급량을 수정할 필요가 없는 것으로 판단하고, 공기공급량을 수정하지 않도록 제어할 수 있다(S450).
또한, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 전력저장장치의 충전량이 감소하는 경우에는 공기공급량이 증가되도록 수정하고, 전력저장장치의 충전량이 증가하는 경우에는 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다. 구체적으로, 전력저장장치의 충전량의 이전 값()과 전력저장장치의 충전량의 현재 값()을 비교할 수 있다(S420). 전력저장장치의 충전량의 이전 값()이 현재 값()보다 큰 경우에는 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다(S430).
반대로, 전력저장장치의 충전량의 이전 값()이 현재 값()보다 작거나 같은 경우에는 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다(S440). 즉, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 전력저장장치의 충전량 변화량이 증가하는 경우(S420)에 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다(S440).
다른 실시예로, 아래 수식과 같이 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값과 현재 값을 비교하여 공기공급량이 증가 또는 감소하도록 수정할 수 있다. 구체적으로, 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값() 사이의 차이가 기설정된 크기 값(C)보다 크기가 크고, 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()이 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값()보다 작은 경우에는 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다.
반대로, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량이 감소하는 경우(S420)에 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다(S430). 즉, 아래 수식과 같이 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값() 사이의 차이가 기설정된 크기 값(C)보다 크기가 크고, 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값()이 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값()보다 큰 경우에는 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다.
공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 수정하고(S430, S440, S450), 공기 공급 계통을 제어하는 단계(미도시)에서는, 수정한 공기 공급 밸브의 개도에 따라 공기 공급 밸브를 제어할 수 있다.
상기 설명한 것과 같이 저유량 제어시에 에어블로워는 일정한 회전속도로 구동할 수 있고, 연료전지로 공급하는 공기공급량은 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 제어함으로써 제어될 수 있다.
즉, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵은 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 공기 공급 밸브의 개도 맵이고, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 증가 또는 감소하도록 수정하거나, 유지하여 공기공급량을 수정할 수 있다. 공기 공급 계통을 제어하는 단계(미도시)에서는 수정한 공기 공급 밸브의 개도가 되도록 공기 공급 밸브를 제어할 수 있다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 밸브의 개도맵을 도시한 것이다.
도 2 내지 3을 참조하면, 공기공급량을 수정하는 단계(S400)에서 공기 공급 밸브의 개도는 일정 비율([x]%)만큼 증가하도록 수정하거나(S430), 일정 비율([x]%)만큼 감소하도록 수정할 수 있다(S440).
구체적으로, 도 2와 같이 공기 공급 밸브를 일정 비율([x]%)만큼 증가하도록 수정하거나(S430), 도 3과 같이 공기 공급 밸브를 일정 비율([x]%)만큼 감소하도록 수정할 수 있다(S440).
이에 따라, 공기 공급 밸브의 개도를 급격하게 수정하여 연료전지로 공급되는 공기공급량에 큰 외란이 발생하는 상황이 발생하지 않도록 일정한 정도만 수정하여 제어의 안정성을 유지할 수 있다.
공기 공급 계통을 제어하는 단계(미도시) 이후에는, 전력저장장치의 충전량 변화량()을 감시하는 시간을 리셋(Reset)할 수 있다. 즉, 공기공급량을 수정한 후에 다시 저유량 제어를 리셋하여 수정한 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 공기 공급 밸브의 개도 맵에 따라 공기 공급 밸브를 제어할 수 있고, 이후에 다시 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하여 공기 공급 밸브의 개도 맵을 수정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 수소와 산소의 반응을 통하여 발전한 전력을 출력하는 연료전지(10); 연료전지(10)에 공기를 공급하는 공기 공급 계통(30); 연료전지(10)에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치(40); 및 연료전지(10)에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지(10)로 공급하는 공기공급량을 제어하되, 전력저장장치(40)의 충전량을 감시하고, 감시한 전력저장장치(40)의 충전량을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기공급량을 수정하며, 수정한 공기공급량을 기반으로 공기 공급 계통(30)을 제어하는 제어기(50);를 포함한다.
구체적으로, 제어기(50)는 단위 시간당 전력저장장치(40)의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치(40)의 충전량 변화량이 증가하는 경우에 공기공급량이 감소되도록 수정할 수 있다.
또는, 제어기(50)는 단위 시간당 전력저장장치(40)의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치(40)의 충전량 변화량이 감소하는 경우에 공기공급량이 증가되도록 수정할 수 있다.
연료전지(10)에는 연료전지(10) 스택의 애노드(Anode)로 수소를 공급하는 수소 공급 계통(20) 및 연료전지(10) 스택의 캐소드(Cathode)로 공기를 공급하는 공기 공급 계통(30)을 포함한다.
구체적으로, 공기 공급 계통(30)은 에어블로워(32)에서 연료전지(10)로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브(31)를 포함하고, 제어기(50)는 감시한 전력저장장치(40)의 충전량을 기반으로 공기 공급 밸브(31)의 개도를 수정하고, 수정한 공기 공급 밸브(31)의 개도에 따라 공기 공급 밸브(31)를 제어할 수 있다. 이 때, 제어기(50)는 에어블로워(32)는 고정된 RPM으로 회전하도록 제어할 수 있다.
제어기(50)는 연료전지(10)에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하고, 연료전지(10)에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치(40)의 충전량을 감시할 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지 시스템의 구동 상태를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구동 상태를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 종래 기술에 따르는 경우에는 저유량 제어시 연료전지 내부의 상태 또는 외부 조건 등이 변경되더라도, 연료전지 스택의 요구전류(스택전류)에 따라 공기 공급 밸브의 개도(APC Angle)가 기설정된 맵에 따라 고정적으로 제어된다. 이에 따른 결과로, FC Stop 모드의 진입과 해제가 반복되다가 약 2hrs 동안 FC Stop에 진입하지 않게되는 문제가 발생한다. 저유량 제어시 FC Stop 모드에 진입하지 않는 경우에는 지속적으로 연료를 소모하여 연비가 악화되는 문제가 발생한다.
반면, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법 또는 제어시스템을 적용한 경우에는 저유량 제어시 연료전지 내부의 상태 또는 외부 조건 등이 변경되는 경우 전력저장장치의 충전량(SOC)을 감시하고 이에 따라 공기 공급 밸브의 개도(APC Angle) 맵을 가변하는 제어를 수행함에 따라, FC Stop 모드의 진입과 해제가 정상적으로 반복되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지의 공기 공급 제어방법 또는 제어시스템을 적용한 경우, 연료전지 시스템의 최적화 제어 로직을 최적의 상태로 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
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.
10 : 연료전지 20 : 수소 공급 계통
30 : 공기 공급 계통 40 : 전력저장장치
50 : 제어기

Claims (13)

  1. 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 연료전지의 공기 공급 제어방법에 있어서,
    연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계;
    감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하는 단계; 및
    수정한 공기공급량을 기반으로 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통을 제어하는 단계;를 포함하며,
    전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하고,
    공기공급량을 수정하는 단계에서는, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값 사이의 차이가 기설정된 크기 값보다 크기가 큰 경우에 공기공급량을 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계 이전에, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    공기공급량을 수정하는 단계에서는, 기설정된 연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따른 연료전지로 공급하는 공기공급량 맵을 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    공기공급량을 수정하는 단계에서는, 전력저장장치의 충전량이 증가하는 경우에는 공기공급량이 감소되도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    공기공급량을 수정하는 단계에서는, 전력저장장치의 충전량이 감소하는 경우에는 공기공급량이 증가되도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    공기공급량을 수정하는 단계에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브의 개도를 수정하고,
    공기 공급 계통을 제어하는 단계에서는, 수정한 공기 공급 밸브의 개도에 따라 공기 공급 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    전력저장장치의 충전량을 감시하는 단계 이전에, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치의 충전량을 감시하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어방법.
  9. 수소와 산소의 반응을 통하여 발전한 전력을 출력하는 연료전지;
    연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급 계통;
    연료전지에서 출력된 전력을 저장하는 전력저장장치; 및
    연료전지에서 발전이 요구되는 출력에 따라 연료전지로 공급하는 공기공급량을 제어하되, 전력저장장치의 충전량을 감시하고, 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기공급량을 수정하며, 수정한 공기공급량을 기반으로 공기 공급 계통을 제어하는 제어기;를 포함하며,
    제어기는 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 이전 값과 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량의 현재 값 사이의 차이가 기설정된 크기 값보다 크기가 큰 경우에 공기공급량을 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어기는 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량이 증가하는 경우에 공기공급량이 감소되도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    제어기는 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량을 감시하고, 단위 시간당 전력저장장치의 충전량 변화량이 감소하는 경우에 공기공급량이 증가되도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    공기 공급 계통은 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 형성된 공기 공급 밸브를 포함하고,
    제어기는 감시한 전력저장장치의 충전량을 기반으로 공기 공급 밸브의 개도를 수정하고, 수정한 공기 공급 밸브의 개도에 따라 공기 공급 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    제어기는 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인지 판단하고, 연료전지에서 발전이 요구되는 출력이 기설정된 출력 값 미만인 경우에 전력저장장치의 충전량을 감시하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 공급 제어시스템.
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