KR102692274B1 - 연료전지 시스템의 ｃｏｄ히터의 과열 방지 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템의 COD 히터의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 COD 히터가 과열되는 것을 방지할 수 있는 제어 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따르면, COD 히터가 오프된 이후에 추가 냉각을 실시함으로써, COD 히터가 과열되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 COD 히터의 제어 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템의 열 관리 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열 관리 시스템에 포함된 COD 히터가 과열되는 것을 방지할 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템의 주된 구성 중 연료 전지 스택은 일종의 발전 장치로서, 공기 중의 산소와 외부에서 공급된 수소를 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
이러한 연료전지 시스템은 산업용, 가정용으로 사용될 수 있으며, 특히 차량 구동용 전력을 공급하기 위한 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 제어기를 포함한다.
통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크), 레귤레이터, 수소압력제어밸브, 수소재순환장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 냉각수 펌프, 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
한편, 연료전지 시스템은 냉시동, 장강판 COD 회생제동 제어, 시동/셧다운 COD 등의 제어를 위해 COD 히터가 요구된다.
구체적으로, 저온 시동시 정상 운전 가능한 상태의 스택을 만들기 위해 COD 히터를 이용한 스택 발열 제어를 시행한다. 냉시동 시간 단축은 차량 상품성과 직결되는 부분으로 최대한 짧은 시간에 시동을 완료시키는 것이 유리하다.
또한, 강판시 발생하는 회생제동 에너지를 통해 배터리를 충전을 하게 된다. 하지만 강판 상황이 길어질 경우 과충전된 배터리를 보호하기 위해 발생하는 회생제동 에너지를 COD 히터를 통해 사용하는 제어를 수행한다. 해당 제어를 하지 않을 경우 운전자는 강판 상황에서 유압식 브레이크를 계속적으로 사용하여야 하므로 상품성 저하의 원인이 되며 심화될 경우 제동성능 저하로 이어질 수 있다.
한편, 시동/셧다운 시의 경우, 스택 내 산소와 수소가 잔존하지만 전류 요구가 없을시 OCV(Open Circuit Voltage) 상황에 노출되게 된다. 이러한 경우 스택 캐소드(산소극) 측 카본 부식이 일어나 영구적으로 스택 내구를 저하시키게 된다. 이러한 상황에서 빠르게 스택 내 산소 제거를 위해서 COD 히터 제어를 수행한다. 그러나 이와 같이 시동 혹은 셧다운시 COD 히터 제어를 실시할 경우, 전류 요구가 없는 상황에서 COD 히터 제어를 실시하게 되므로, 제어 수행 상황이 길어질 경우 내구 뿐만 아니라 시동/셧다운 시간이 길어지는 문제가 존재하였다.
특히, 냉시동 시간 단축, 큰 회생제동량 소모, 시동/셧다운 COD 시간 단축과 같은 목적을 달성하기 위해서는 높은 발열량을 가지는 COD 히터가 요구된다. 하지만 이러한 발열량이 큰 COD 히터 동작에 의하여 과열 가능성이 증대된다. 비록 종래 COD 히터 동작시 냉각수를 COD 히터측으로 동작시키는 제어 방식이 적용되고 있으나, 여전히 COD 히터 동작 후 잠열 우려에 따른 히터 과열 발생 가능성이 존재한다. 이와 같이 COD 히터가 과열 상황에 방치되게 되며, 과열이 심화될 경우 히터 소손 및 파손, 냉각수 유출, 화염에 의한 시스템 데미지 등의 위험성이 크다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에서는 COD 히터 오프 직후 상황에서 활용 가능한 추가 냉각 제어 방식을 제공하는 것에 목적이 있다. 또한, 본 발명에서는 COD 히터 오프 직후 CSP/CBV/CTV 제어를 통한 추가 냉각 제어 방식을 제안함과 동시에 COD 히터 과열 센서를 기반으로 한 과열 방지 제어를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 의도치 않은 고장에 의한 COD 히터 동작 상황을 방지하기 위한 신규 릴레이 융착 진단 방식 및 그에 따른 대응 전략을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성함에 있어서, 본 발명에서는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법에 있어서, COD 히터 온(ON) 이후 COD 히터의 오프(OFF)를 확인하는 단계; COD 히터 온 동안의 COD 히터 누적 발열량을 확인하는 단계; 상기 COD 히터 누적 발열량이 미리 설정된 제1 히터발열량을 초과하는 경우, 연료전지 시스템의 시동 또는 셧다운 상황인지를 확인하는 단계; 및 시동 또는 셧다운 상황인 경우, 냉각수 바이패스 밸브를 COD 히터 방향으로 완전 개방하고, 냉각수 공급 펌프를 COD 히터 냉각 요구 최소 RPM으로 운전하는 COD 히터 추가 냉각 제어 단계;를 포함하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 누적 발열량이 미리 설정된 제1 히터발열량을 초과하더라도, 시동 또는 셧다운 상황이 아닌 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 스택 냉각 최소 유량 확보 개도로 개방되고, 상기 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하는 스택 최소 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 또는 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고, 상기 스택 발열량 또는 상기 냉각수 출구 온도가 각각 제1 스택 발열량과 제1 기준온도 미만인 경우에만 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 및 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고, 상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량 미만이고, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 미만인 경우에만, 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량 이상이거나, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 이상인 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 냉각 최소 유량 확보로 개방되고, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM"과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 동작하는 스택 우선 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 누적 발열량이 상기 제1발열량 이하인 경우, 셧다운 상황인지 여부를 판단하고, 셧다운 상황이아닌 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브를 스택 방향으로 완전 개방하고, 상기 냉각수 공급 펌프를 스택 냉각 요구 유량에 따른 RPM으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 누적 발열량이 상기 제1발열량 이하이면서, 셧다운 상황인 경우, 연료전지 시스템의 미리 설정된 셧다운 시퀀스를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, COD 히터 온도 센서에 의해, COD 히터 과열 여부를 판정하는 단계; COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 방향으로 완전 개방하고, 상기 냉각수 공급 펌프는 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하며, 상기 냉각수 온도 제어 밸브는 타겟 온도 하향 개도 운전을 실시하는 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계에서는 연료전지 스택의 출력 전류를 제1 기준치 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 또는 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고, 상기 스택 발열량 또는 상기 냉각수 출구 온도가 각각 제2 스택 발열량과 제2 기준온도 미만인 경우에만 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 및 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고, 상기 스택 발열량이 제2 스택 발열량 미만이고, 상기 냉각수 출구 온도가 제2 기준온도 미만인 경우에만, 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 스택 발열량이 제2 스택 발열량 이상이거나, 상기 냉각수 출구 온도가 제2 기준온도 이상인 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 온도 변화량 기반 가변 제어를 실시하고, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제2 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 동작하는 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계에서는 상기 냉각수 바이패스 밸브의 개도가 미리 설정된 제1 밸브 개도 이상이거나, 상기 냉각수 공급 펌프가 최대 RPM으로 구동되는 경우, 연료전지 스택의 출력 전류를 제2 기준치 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 고전압 전력 변환기(HDC)의 하이사이드(high side) 전압 및 연료전지 스택 전압을 확인하는 단계; 상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압이 미리 설정된 제1 기준전압 보다 크고, 상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압과 스택 전압의 차가 미리 설정된 제2 기준전압 보다 큰 경우, COD 히터의 오프 상태에서 고전압 배터리 소모 파워 및 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합을 산출하는 단계; 및 상기 고전압 배터리 소모 파워와 상기 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합의 차가 미리 설정된 기준치 보다 더 큰 경우, COD 히터 릴레이 융착으로 판단하는 단계;를 더 포함하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, COD 히터가 오프된 이후, 추가 냉각을 통해 COD 히터의 과열을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 추가 냉각시, 펌프, 밸브 등 열 관리 시스템 내의 구성들의 동작을 유기적으로 제어함으로써 스택과 COD 히터를 동시에 냉각 제어할 수 있으므로, 스택의 내구성이 악화되지 않는 범위에서 COD 히터의 과열을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, COD 히터의 과열을 감지하고, 과열 감지 시 스택 전류 제한 및 펌프 및 밸브들의 제어를 통해 COD 히터의 사전 냉각 제어를 실시함으로써, COD 히터 과열이 발생하더라도 효과적으로 COD 히터 냉각 제어를 실시하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 의도치 않은 고장에 의하여 COD 히터가 지속적으로 동작됨에 따라 COD 히터가 과열되는 것을 모니터링할 수 있으며, 고장을 통해 COD 히터가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 COD 히터를 포함하는 연료전지 시스템의 열 관리 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 따른 추가 냉각 제어가 실시되는 시간이 가변적으로 설정되는 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 따른 추가 냉각 제어가 실시되는 시간이 가변적으로 설정되는 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법은 COD 히터의 동작이 종료된 이후, 즉 COD 히터가 오프된 이후, COD 히터의 과열을 방지하기 위한 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. 특히, COD 히터는 연료전지 시스템의 TMS(Thermal Management System) 냉각 라인에 설치되며, 이 COD 히터와 함께 설치되는 냉각수 바이패스 밸브(Coolant Bypass Valve: CBV), 냉각수 공급 펌프(Coolant Suply Pump: CSP) 및 냉각수 온도 제어 밸브(Coolant Temperature-control Valve: CTV)의 제어를 통해, COD 히터의 추가 냉각을 실시함으로써 COD 히터의 과열을 방지하게 된다.
본 발명에서는 세가지 제어 전략에 의해 COD 히터의 과열을 방지하도록 구성되는 바, (1) COD 히터의 오프 이후 추가 냉각 제어, (2) COD 히터 과열 발생 시 냉각 제어, (3) COD 히터 릴레이 융착에 따른 고장 진단 및 대응 전략을 포함한다.
도 1은 COD 히터를 포함하는 연료전지 시스템의 열 관리 시스템(TMS)을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, COD 히터(50)는 열 관리 시스템의 냉각 라인에 설치되며, 바람직하게는 연료전지 스택(10)에 대한 바이패스 라인 상에 설치된다. 이러한 COD 히터(50)는 캐소드 측에 잔존하는 산소를 소진시키기 위한 히터로, 냉시동, 장강판 COD 회생제동 제어 및 셧다운 시 캐소드 산소 소진 등에 사용될 수 있다.
COD 히터(50) 및 스택(10) 후단에는 냉각수를 COD 히터(50) 측으로 바이패스시키기 위한 냉각수 바이패스 밸브(CBV, 60)이 설치된다. 이러한 냉각수 바이패스 밸브(60)는 스택(10) 또는 COD 히터(50) 측으로 유량을 결정할 수 있도록 구성된다. 또한, 스택(10)으로 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 공급 펌프(20)가 열 관리 시스템 내에 설치된다.
냉각수 온도 제어 밸브(CTV, 30)는 3웨이 밸브라고도 하며, 스택 온도 제어를 위해 개도 제어를 수행하여 라디에이터(40)로 유입되는 냉각수량을 제어 하도록 구성된다. 또한 냉각수 온도 제어 밸브(30)는 이온 필터(70) 및 공조 히터 코어(80)가 설치된 냉각수 라인 측에 연결될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 냉각수 공급 펌프(20), 냉각수 온도 제어 밸브(30) 및 냉각수 바이패스 밸브(60)을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
도 1에서와 같은 열 관리 시스템을 통해 연료전지 시스템의 COD 히터의 과열 발생을 방지하는 열 관리 시스템의 제어 방법은 도 2에 상세하게 도시되어 있다.
도 2는 COD 히터 오프(OFF) 이후 추가 냉각 제어 방식에 대한 제어 흐름도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법은 COD 히터 온(ON) 이후 COD 히터의 오프(OFF)를 확인하는 단계(S201)로부터 시작된다.
본 실시예의 경우, COD 히터가 동작된 이후, COD 히터가 오프된 상태에서 잠열 등에 의해 발생할 수 있는 히터 과열 현상을 방지하기 위해 제공되는 바, COD 히터가 오프 상태인지 여부를 확인하게 된다. 도시되지는 않았으나, COD 히터 온 상황에서는 공지된 제어 방법에 따라 COD 히터를 제어하는 방식, 예를 들어 장강판 시 COD 히터의 동작 및 냉각 제어를 수행하는 방식이 적용될 수 있다.
이후, COD 히터 온 동안의 COD 히터 누적 발열량을 확인하고, 상기 COD 히터 누적 발열량을 미리 설정된 제1발열량과 비교하여(S202), 후속 제어 전략을 결정하게 된다.
구체적으로, 히터 오프(OFF) 직후 온(ON) 상태에서 실제 COD 히터의 누적 발열량을 계산하여, COD 히터의 누적 발열량이 제1 히터발열량(P1) 이하에서는 과열의 우려가 없다고 판단한다. 따라서, 연료전지 시스템의 시동 또는 셧다운 상황인지를 확인하여(S210), 시동/셧다운 COD가 아닌 상황일때는 냉각수 바이패스 밸브는 스택 방향으로 완전(Full) 개방, 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 요구 RPM으로 동작하는 제어를 실시한다(S213). 즉, 단계 S213의 경우, COD 히터 추가 냉각이 불필요한 정상 주행 상황시 제어를 의미하고, 일반적인 주행 상태에서의 스택 온도 제어를 의미한다. 여기서, 냉각수 바이패스 밸브가 스택 방향으로 완전 개방된다는 것은 도 1에서 냉각수 바이패스 밸브가 COD 히터 측 유량을 완전히 차단하고, 연료전지 스택 측 유량을 최대로 하여 개방되는 상태를 의미한다.
한편, 상기 COD 히터 누적 발열량이 상기 제1발열량 이하이면서, 셧다운 COD 수행 상황으로 판단된 경우(S211), 연료전지 시스템에 대하여 미리 설정된 셧다운 프로세스를 지속한다(S212).
이와 관련, 제1 히터발열량(P1)은 COD 히터의 누적 발열 정도를 판단하는 기준값으로, COD 히터 OFF 직후 ON 상태에서 측정된 누적 발열량과 비교하여 COD 히터의 과열 가능성을 판단하기 위하여 설정되는 값이다. 따라서, 제1 히터발열량을 너무 큰 값으로 설정하게 되면, P1 이하의 값에서도 잠열이 많이 존재하게 되어 과열에 우려가 있다. 따라서, 제1 히터발열량은 잠열 우려가 없을 정도의 작은 값으로 설정하여야 하며, 이는 연료전지 시스템의 기동 데이터로부터 얻어진 값일 수 있다. 또한, COD 히터의 잦은 ON/OFF 제어가 이루어지는 경우, COD 히터의 누적 발열량을 COD 히터 온(ON) 상태에서만 적산하지 않고, 온/오프가 반복되는 상황에서도 COD 히터의 누적 발열량을 계속 누적하여 설정할 수 있다. 가령, COD 히터가 일정 시간 미만 동안만 오프된 이후, 다시 히터 온되는 경우라면, COD 히터 오프 상태를 무시하고, COD 히터의 발열량을 계속 누적시켜 COD 히터 누적 발열량을 산출하도록 구성할 수 있다.
한편, 단계 S202를 통해, COD 히터의 누적 발열량이 제1 히터발열량 보다 큰 것으로 판단된 경우라면, 잠열로 인한 과열 우려가 있는 상황으로 판단한다. 이 경우, COD 히터 과열 방지를 위해 COD 히터 추가 냉각 제어 단계(S206)를 실시하도록 구성한다.
이와 관련, 스택의 발열 상태를 고려하여, 스택 냉각 제어와 COD 히터 추가 냉각 제어를 선택적으로 실시할 수 있다. 따라서, 도 2에서와 같이, 스택 발열량을 확인하거나(S203), 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계(S204)를 더 포함할 수 있다. 스택 발열량을 확인하고 기준값과 비교하는 단계와 냉각수 출구 온도를 확인하고 그 기준값과 비교하는 단계는 택일적으로 실시되거나 또는 함께 실시될 수 있다.
두 단계(S203, S204)를 택일적으로 실시하는 경우, 상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량(P2) 미만이거나, 또는 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도(A1) 미만인 경우, 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계(S206)를 실시하도록 구성할 수 있다.
마찬가지로, 두 단계(S203, S204)를 모두로 실시하는 경우라면, 제1 스택 발열량(P1) 미만이고, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 미만(A1)인 경우, 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계(S206)를 실시하게 된다.
이때 스택 발열량은 COD 히터 온 상태 동안, 연료전지 스택의 발열량이고, 냉각수 출구 온도는 연료전지 스택 출구단에서의 냉각수 온도(스택 온도)이다. 따라서, 스택 발열량이 P2 이하이고 냉각수 출구 온도가 A1 이하인 상황에서, 시동/셧다운 COD 상황이라면, 스택 부하가 없는 상황이고 스택의 과열 우려도 없는 상황이라 할 수 있다. 따라서, 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 방향으로 완전(Full) 개방되고, 냉각수 공급 펌프는 COD 히터 냉각 요구 최소 RPM으로 운전하는 COD 히터 추가 냉각 제어 단계(S206)가 수행된다. 이 때, COD 히터 냉각 요구 최소 RPM은 COD 히터를 냉각하기 위하여 요구되는 냉각수 공급 펌프의 최소 RPM을 의미하고, 이러한 COD 히터 냉각 요구 최소 RPM은 제어기에 미리 설정된 값일 수 있다.
반면, 시동/셧다운 COD 상황이 아니라면 현재 스택은 과열의 우려가 없으나 운전자 요구가 발생 가능한 상황이므로, COD 히터 추가 냉각을 우선으로 하고 스택 냉각은 최소화 하는 스택 최소 냉각 제어 단계(S208)가 실시된다.
이러한 스택 최소 냉각 제어 단계(S208)에서, 냉각수 바이패스 밸브는 스택 냉각 최소 유량 확보 개도 운전로 운전하게 된다. 또한, 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보할 수 있는 운전 RPM으로 작동하도록 제어된다.
이와 관련, 설계상 요구되는 스택 유량이 결정되면 시험적으로 냉각수 바이패스 밸브 개도와 냉각수 공급 펌프의 운전 RPM을 결정 할 수 있다.
한편, 상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량 이상이거나, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 이상인 경우, 스택 우선 냉각 제어 단계(S209)가 실시된다.
상기 스택 우선 냉각 제어 단계(S209)에서는 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 냉각 최소 유량을 확보하기 위한 개도로 개방되고, 냉각수 공급 펌프는 스택의 냉각 요구량과 COD 히터의 냉각 최소 유량을 감안하여 결정될 수 있다.
바람직하게는 도 2의 단계 S209에서와 같이, 냉각수 공급 펌프의 회전수는 "스택 냉각 최소 유량 + COD 히터 냉각 최소 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 설정될 수 있다.
여기서, 냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량)은 기존 기술로 냉각수 온도에 따른 스택 요구 RPM 결정 제어 방식에 따라 결정되는 냉각수 공급 펌프의 운전 RPM을 뜻한다. 따라서, 냉각 온도 단계 기반 결정 RPM은 스택의 냉각 요구량에 따른 냉각수 공급 펌프의 운전 RPM이다. 또한, COD 히터 냉각 최소 유량은 앞서 단계 S208에서 설명된 것과 동일한 것이다. 또한, 제1 오프셋 RPM은 냉각수 공급 펌프의 RPM 마진을 확보하기 위한 것으로, 바람직하게는 고정값(ex. 200 RPM)으로 설정될 수 있다.
한편, 도 2의 예에서는 냉각수 공급 펌프의 회전수가 "스택 냉각 최소 유량 + COD 히터 냉각 최소 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 설정되어 있으나, 일반적으로는 후자, 즉, "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 이 "스택 냉각 최소 유량 + COD 히터 냉각 최소 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM 보다는 더 크기 때문에, "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 을 냉각수 공급 펌프의 회전수로 설정할 수도 있다.
다만, 연료전지 정지 시와 같이, 요구 출력이 매우 낮고 냉각수 온도 또한 낮은 상태에서는 냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량)이 스택 냉각 최소 유량 RPM 보다 낮아지는 경우가 발생할 수 있으므로, 도 2의 단계 S209에서와 같이, "스택 냉각 최소 유량 + COD 히터 냉각 최소 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 중 최대값으로 설정되도록 함이 보다 바람직하다.
아울러, 냉각수 바이패스 밸브의 COD 히터 냉각을 위한 최소 유량 확보 개도란, COD 히터 냉각을 위해 요구되는 최소한의 유량이 바이패스되도록 냉각수 바이패스 밸브의 개도가 제어되는 상태를 의미하고, 따라서 스택으로의 냉각수 유량을 충분히 확보하면서, 최소한으로 COD 히터 냉각을 실시할 수 있는 밸브 개도를 의미한다.
그러므로, 스택 우선 냉각 제어 단계(S209)에서, 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 냉각 최소 유량 확보 개도로 제어되고, 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하게 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법에 따르면, 누적 발열량을 계산하여 일정 수준 이상에서는 스택 발열량과 스택 온도에 따라 COD 히터 추가 냉각 제어, 스택 최소 냉각 제어, 또는 스택 우선 냉각 제어 방식을 선택적으로 수행할 수 있고, 이러한 유기적인 냉각 제어 조합을 통해, 스택 온도 제어 및 COD 히터의 과열 방지가 효과적으로 수행될 수 있다.
한편, 이러한 COD 히터 추가 냉각 제어(S206), 스택 최소 냉각 제어(S208), 또는 스택 우선 냉각 제어(S209)는 각각 COD 히터가 오프된 이후 미리 설정된 추가 냉각 수행 시간(T1) 시간동안 지속적으로 수행하도록 구성할 수 있다(S207). 이와 관련, 추가 냉각 수행 시간(T1)을 설정함에 있어서, 도 3에서와 같이 누적 발열량이 클 수록 T1을 늘려 오래 수행하도록 할 수 있다. 즉, 도 3에서와 같이, 누적 발열량에 비례하여 추가 냉각 수행 시간(T1)이 증가하도록 설정할 수 있으며, 또한 총 추가 냉각 수행 시간(T1)은 일정한 시간으로 정해두고 COD 히터 추가 냉각 제어(S206), 스택 최소 냉각 제어(S208), 및 스택 우선 냉각 제어(S209) 방식에 대하여 각각 누적 발열량에 따른 가중치를 적용하여 추가 냉각을 가변적으로 실시할 수도 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따른 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법을 도시한 것으로, 도 4의 예는 COD 히터의 과열이 이미 발생한 경우의 제어를 의미한다. 따라서, 도 4의 실시예의 경우, 도 2의 실시예와 병렬적으로 실시될 수 있으며, 바람직하게는 COD 히터의 과열로 판정된 경우, 도 2에 따른 제어 대신 도 4에 따른 제어가 실시되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, COD 히터 과열 발생은 COD 히터 ON 동작 후 추가 냉각 부족, 냉각 라인 불량에 의한 냉각 부족, 의도치 않은 고장에 의한 COD 히터 동작 등의 상황이 원인이 되어 연료전지 시스템 운전중 언제라도 발생이 가능하다. 본 구현예에서는 이를 진단하고자 COD 히터 온도센서 기반 과열 진단을 수행하고 진단이 되었을때는 다음과 같이 냉각수 바이패스 밸브/냉각수 공급 펌프/냉각수 온도 제어 밸브 제어를 수행한다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, COD 히터 온도 센서에 의해, COD 히터 과열 여부를 판정하는 단계(S401)가 포함된다. COD 히터 온도 센서는 COD 히터의 온도를 검출하기 위한 센서로, 본 단계(S401)에서는 COD 히터 온도 센서의 출력값을 검출하여, 이 출력값이 미리 설정된 기준 온도 이상인 경우, COD 히터 과열 상태로 판정한다. 이와 관련, 과열 발생 진단 기준은 COD 히터 자체의 특성과 온도 센서 위치에 따라 결정될 수 있다.
이후, COD 히터 과열로 판정된 경우, 단계 S404에서와 같이 COD 히터를 냉각하는 것에 최대한 집중하기 위한 냉각 단계를 수행한다. 따라서, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 방향으로 완전 개방하고, 상기 냉각수 공급 펌프는 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하며, 상기 냉각수 온도 제어 밸브는 타겟 온도 하향 개도 운전을 실시하는 COD 히터 과열 방지 제어 단계가 실시될 수 있다. 다만, 스택 내구를 감안하여, 스택 발열량 및/또는 냉각수 출구 온도를 감안하여 후속 제어를 실시할 수 있다.
예를 들어, 단계 S402, S403을 통해, COD 히터 과열 발생시 스택 발열량이 제2 스택 발열량(P3) 미만이고 냉각수 출구 온도(스택 온도)가 제2 기준온도(A2) 미만으로 확인되면, 스택 부하가 없는 상황이고 스택의 과열 우려도 없는 상황이므로 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 방향으로 완전(Full) 개방되고, 냉각수 공급 펌프는 "COD 히터 냉각 요구 유량을 확보하기 위한 RPM + 제2 오프셋(Offset) RPM"으로 운전된다(S404). 이 때, 냉각수 온도 제어 밸브는 타겟 온도 하향 개도 운전을 실시하며, 바람직하게는 연료전지 전류제한(L1 이하)가 적용된다. 이러한 COD 히터 과열 방지 제어 단계(S404)는 COD 히터 과열 해소에 중점을 둔 제어 방식이며, 전류제한을 통해서 운전자의 갑작스러운 발진 요구시 스택의 과열을 사전에 방지한다.
여기서, 냉각수 바이패스 밸브가 COD 히터 방향으로 완전히 개방된다는 것은 스택으로 유입되는 유량이 최소화되도록 냉각수 바이패스 밸브가 제어되는 것을 의미한다. 또한, 본 단계 S404에서, 냉각수 공급 펌프는 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하게 되는데, 이는 COD 히터 과열 기준 온도에 따른 기준 유량에 해당하는 COD 히터 과열 시 최소 냉각 유량에 과열 정도를 반영한 오프셋 유량을 합산한 냉각 유량을 확보하기 위한 냉각수 공급 펌프의 운전 RPM을 의미한다.
여기서, 냉각수 공급 펌프의 제2 오프셋(Offset) RPM을 결정함에 있어서, COD 과열 기준 온도와 현재 온도의 차이가 클수록 제2 오프셋 RPM을 큰 값으로 결정하여 과열 상황이 빠르게 해소하도록 설정할 수 있다.
한편, 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계(S404)에서는 연료전지 스택의 출력 전류를 제1 기준치 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시할 수 있다. 이와 관련, 스택의 전류 제한치에 해당하는 제1 기준치(L1)은 후술할 단계 S405에서의 스택 전류 제한치에 해당하는 제2 기준치(L2)보다 높은 값으로 설정될 수 있으며, 이러한 제1 기준치는 운전자의 갑작스러운 큰 요구 출력을 막아줄 정도의 값으로 결정한다.
또한, 단계 S404에서는 냉각수 온도 제어 밸브의 타겟 온도 하향 개도 운전를 실시하게 되는데, 타겟 온도 하향 개도 운전 제어를 통해 상대적으로 저온의 라디에이터 냉각수가 빠르게 유입하여 COD 히터 과열을 효과적으로 해소하도록 구성한다.
한편, 단계 S402에서 상기 스택 발열량이 제2 스택 발열량(P3) 이상이거나, 단계 S403에서 상기 냉각수 출구 온도가 제2 기준온도(A2) 이상인 경우, COD 히터 과열 뿐만 아니라 스택의 냉각도 요구되는 상황이다. 따라서, 이러한 경우에는 단계 S405에서와 같이 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계가 실시된다. 즉, 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계(S405)는 스택 냉각을 위한 최소 유량은 확보하는 상태에서, COD 히터 과열에 대한 냉각을 함께 수행하는 과정이다.
따라서, 이와 같은 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계(S405)의 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 온도 변화량 기반으로 가변 제어되고, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 과열 시 최소 냉각 유량에 과열 정도를 반영한 오프셋 유량을 합산한 냉각 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM, 즉, "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제2 오프셋 RPM" 중 큰 값의 운전 RPM으로 동작하도록 구성될 수 있다.
여기서, "스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 과열 시 최소 냉각 유량에 과열 정도를 반영한 오프셋 유량을 합산한 냉각 유량은 스택 냉각 요구량을 반영한 냉각 유량과 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량의 합을 의미하는 바, 바람직하게는 단계 S405에서 상기 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하도록 구성할 수 있다.
또한, 앞서 도 2의 예에서 설명한 바와 같이, 연료전지 정지 시와 같이, 요구 출력이 매우 낮고 냉각수 온도 또한 낮은 상태에서는 냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량)이 스택 냉각 최소 유량 RPM 보다 낮아지는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 도 4의 단계 S405에서와 같이, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 과열 시 최소 냉각 유량에 과열 정도를 반영한 오프셋 유량을 합산한 냉각 유량"을 확보하기 위한 운전 RPM 중 최대값으로 운전 RPM이 설정되도록 함이 바람직하다.
다만, 일반적으로는 후자, 즉, "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제2 오프셋 RPM" 이 "스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합"을 확보하기 위한 운전 RPM 보다는 더 크기 때문에, "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제2 오프셋 RPM" 을 냉각수 공급 펌프의 회전수로 설정할 수 있다.
한편, 상기 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계에서는 상기 냉각수 바이패스 밸브의 개도가 미리 설정된 제1 밸브 개도 이상이거나, 상기 냉각수 공급 펌프가 최대 RPM으로 구동되는 경우, 연료전지 스택의 출력 전류를 제2 기준치(L2) 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시하도록 구성함으로써, 더 이상의 과열을 방지하는 제어를 시행한다. 이와 관련, 전류제한에 대한 제2 기준치(L2)를 결정함에 있어서, 해당 상황은 과열 해소를 위한 제어를 통해 냉각수 바이패스 밸브, 냉각수 공급 펌프가 최대 구동 가능 상태가 되는 상황이기 때문에, 사전에 스택의 추가적인 발열을 방지하기 위한 값으로 L2를 결정하여야 한다.
또한, 냉각수 바이패스 밸브의 COD 히터 온도 변화량 기반 가변 제어 방식은 다음과 같은 방식에 따라 냉각수 바이패스 밸브의 개도를 결정하도록 설정될 수 있다.
(i) COD 히터 온도가 이전 대비 상승시 : CBV 개도 = 이전 CBV 개도 + a (a: 온도 상승 변화량이 클 수록 크게 설정)
(ii) COD 히터 온도가 이전 대비 하강시 : CBV 개도 = 이전 CBV 개도 - b (b: 온도 하강 변화량이 클 수록 크게 설정)
다만, 최초 과열 진단시 냉각수 바이패스 밸브의 개도량에 대한 기준값을 설정하여 진단 직후 과열의 가속화를 막아주어야 한다.
한편, COD 히터 과열로 판정되지 않는 경우에는 연료전지 정상 운전을 실시하게 된다.
다음으로, 도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 구현예에 따른 연료전지 시스템의 COD 히터의 제어 방법으로, COD 히터 릴레이 융착으로 인한 고장을 진단하고, 이에 따른 대응 전략을 실시하는 것을 도시한 것이다.
도 5는 COD 히터 릴레이 융착 진단/리액션에 대한 제어 흐름도를 나타낸다. 차량에서 진단의 결과는 정비와 직결되기 때문에 오진단은 필히 회피하여야 하며 특정 부품의 고장을 특정할 수 있어야 한다. 따라서 본 실시예에서는 고전압 전력 ㅂ변환기(High Voltage DCDC Converter; 이하 HDC)의 하이사이드(High Side) 전압과 고전압 소모 파워를 이용한 COD 히터 릴레이 융착 진단 기술을 제공한다. 도 5의 COD 히터 릴레이 융착 진단/리액션 로직은 도 2 및 도 4의 실시예와 병렬적으로 실시될 수 있으며, 바람직하게는 COD 히터 릴레이 융착으로 진단된 경우, 비상 EV 모드로 천이하여 비상 구동이 이루어질 수 있도록 조치한다.
본 실시예와 관련, 기존에는 COD 히터 명령 회로 단선/단락 진단 등을 실시하고 있었으나, 본 실시예의 경우 회로 단선/단락에 의한 의도치 않은 동작이 아닌 릴레이 융착 고장 진단을 위한 제어 단계들이 포함되어 있다.
도 5를 참조하여 본 실시예를 구체적으로 살피면, 먼저, 단계 S501에서와 같이 제어기 간 통신 및 COD 히터 회로가 정상인지 여부를 확인하는 단계가 진행된다.
이와 관련, 단계 S501의 제어기간 통신 및 COD 히터 회로 정상 조건은 진단을 위해 신뢰성 있는 정보 수집이 가능한지를 뜻한다. 따라서, 본 단계 S501에서 제어기 간 통신 오류 EH는 COD 히터 회로 이상이 발견된 경우, 단계 S507로 이동하여 시간(t)를 "0"으로 하고, 본 제어 로직을 다시 수행한다.
반면, 단계 S501을 통해 제어기간 통신 및 COD 히터 회로 정상 조건으로 확인된 경우, 고전압 전력 변환기(HDC)의 하이사이드(high side) 전압 및 연료전지 스택 전압을 확인하는 단계가 실시된다.
이와 관련, HDC 하이사이드(High Side) 전압이 제1 기준전압(V1)이상인지를 확인하고(S502), "HDC 하이사이드(High Side) 전압 > 스택 전압 + 제2 기준전압(V2)" 조건을 만족하는지를 추가적으로 확인하게 된다(S503). 특히, 본 실시예에 따르면, COD 히터 릴레이 융착 여부를 판정하는 로직은 스택에서의 전류가 발생하지 않는 구간으로 한정하여 적용된다. 그 이유는 스택의 전류 발생시 소모 파워 기반으로 COD 히터 릴레이 융착 여부를 진단할 경우, 그 정확도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 이는 스택의 경우, 운전 상황에 따라 전류 발생 차이가 고전압 배터리에 비해 크기 때문이다.
따라서, 단계 S502 및 S503을 거침으로써, 진단의 정확성을 확보할 수 있다.
제1 기준저압(V1)의 경우, 고전압 보기류 동작 가능 최소 전압 보다 약간 높게 설정하며, 바람직하게는, 280V 정도로 설정될 수 있다.
또한, 제2 기준전압(V2)의 경우, 스택 측 전류 발생 방지 조건으로 스택 전압이 HDC 하이사이드(High Side) 전압에 비해 얼마나 낮은지에 대한 마진값이다. 따라서, 너무 작을 시에는 스택 전류의 발생 가능성이 있고, 너무 클때는 진단 범위가 축소될 우려가 있음을 감안하여 적절한 값으로 설정하여야 하며, 바람직하게는 30V 정도의 값으로 설정될 수 있다.
도 5에서와 같이, 상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압이 미리 설정된 제1 기준전압 보다 크고(S502), 상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압과 스택 전압의 차가 미리 설정된 제2 기준전압 보다 큰 경우(S503)에만 COD 히터 릴레이 융착을 판정하기 위한 후속 단계가 수행된다.
한편, 도 5의 예에서는 수소 공급 이후부터 셧다운 이전인지를 확인하는 단계(S504)가 실시되고 있으며, 이는 연료전지 스택의 기동 여부를 확인하기 위함이며, 바람직하게는 단계 S504의 경우, 생략되거나 다른 단계 이전에 판정되도록 구성할 수 있다. 또한, 단계 S505에서는 COD 히터의 오프 명령이 있었는지를 판단하게 되는데, 이는 COD 히터 오프 상태에서, COD 히터 릴레이 융착으로 인해 COD 히터가 동작하게 되면서 고전압 보기류 소모 파워의 차이가 발생하는 것을 검출할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, COD 히터의 오프 상태임을 전제로 하는 경우, 예를 들어, 도 2의 실시예에 따른 제어 로직이 수행되는 경우라면 본 단계 S505는 필요하지 않다.
한편, 단계 S506에서는, COD 히터 오프 동작 명령시를 전제로, 의도치 않게 COD 히터가 동작하는 상황에서의 소모 파워를 비교하는 방식으로 COD 히터 릴레이 융착 여부를 진단한다. 이때 S 502, S503의 조건을 충족한 상황에서 스택 전류가 차단된 상태이므로, 융착이 발생했다면 소모 파워는 고전압 배터리의 파워일 것이고 이때 고전압단 보기류의 소모파워를 뺀 값을 이용하여 진단을 확정한다.
따라서, 본 단계(S506)에서는 COD 히터의 오프 상태에서 고전압 배터리 소모 파워 및 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합을 산출하고, 상기 고전압 배터리 소모 파워와 상기 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합의 차가 미리 설정된 기준치(P4) 보다 더 큰 경우, COD 히터 릴레이 융착으로 판단하게 된다. 여기서, 고전압 보기류는 LDC, Aircon, PTC 등일 수 있으며, 상기 기준치(P4) 값은 COD 히터의 소모 파워보다 작은 값으로 설정해야 하며, P4를 너무 작은 값으로 설정할 경우, 해당 소모 파워 계산을 위한 정보의 오차에 의한 오진단이 가능함을 고려해야 한다. 예를 들어, COD 히터 소모 파워가 10kW라면 P4값은 7kW 정도로 설정할 수 있다.
이때 오진단 방지를 위한 진단 시간(T2)를 적용할 수 있으며(S509), 단계 S508에서와 같이 시간을 적산하여, 미리 설정된 진단 시간(T2) 이상 검출이 이루어진 경우에만 COD 히터 릴레이 융착으로 진단하고, 비상 EV 모드로 천이하도록 구성할 수 있다(S510).
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 연료전지 스택 20: 냉각수 공급 펌프(CSP)
30: 냉각수 온도 제어 밸브(CTV) 40: 라디에이터
50: COD 히터 60: 냉각수 바이패스 밸브(CBV)
70: 이온필터 80: 공조 히터 코어
30: 냉각수 온도 제어 밸브(CTV) 40: 라디에이터
50: COD 히터 60: 냉각수 바이패스 밸브(CBV)
70: 이온필터 80: 공조 히터 코어
Claims (14)
- COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법에 있어서,
COD 히터 온(ON) 이후 COD 히터의 오프(OFF)를 확인하는 단계;
COD 히터 온 동안의 COD 히터 누적 발열량을 확인하는 단계;
상기 COD 히터 누적 발열량이 미리 설정된 제1 히터발열량을 초과하는 경우, 연료전지 시스템의 시동 또는 셧다운 상황인지를 확인하는 단계; 및
시동 또는 셧다운 상황인 경우, 냉각수 바이패스 밸브를 COD 히터 방향으로 완전 개방하고, 냉각수 공급 펌프를 COD 히터 냉각 요구 최소 RPM으로 운전하는 COD 히터 추가 냉각 제어 단계;를 포함하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 COD 히터 누적 발열량이 미리 설정된 제1 히터발열량을 초과하더라도, 시동 또는 셧다운 상황이 아닌 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 스택 냉각 최소 유량 확보 개도로 개방되고, 상기 냉각수 공급 펌프는 스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하는 스택 최소 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 또는 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 스택 발열량 또는 상기 냉각수 출구 온도가 각각 제1 스택 발열량과 제1 기준온도 미만인 경우에만 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 및 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량 미만이고, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 미만인 경우에만, 상기 COD 히터 추가 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 스택 발열량이 제1 스택 발열량 이상이거나, 상기 냉각수 출구 온도가 제1 기준온도 이상인 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 냉각 최소 유량 확보로 개방되고, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 요구 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합을 확보하기 위한 운전 RPM"과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM(스택 냉각 요구량) + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제1 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 동작하는 스택 우선 냉각 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 COD 히터 누적 발열량이 상기 제1 히터발열량 이하인 경우, 셧다운 상황인지 여부를 판단하고, 셧다운 상황이아닌 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브를 스택 방향으로 완전 개방하고, 상기 냉각수 공급 펌프를 스택 냉각 요구 유량에 따른 RPM으로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 COD 히터 누적 발열량이 상기 제1 히터발열량 이하이면서, 셧다운 상황인 경우, 연료전지 시스템의 미리 설정된 셧다운 시퀀스를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
COD 히터 온도 센서에 의해, COD 히터 과열 여부를 판정하는 단계;
COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 방향으로 완전 개방하고, 상기 냉각수 공급 펌프는 COD 히터 과열 시 냉각 요구 유량을 확보하기 위한 운전 RPM으로 동작하며, 냉각수 온도 제어 밸브는 타겟 온도 하향 개도 운전을 실시하는 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계에서는 연료전지 스택의 출력 전류를 제1 기준치 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 또는 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 스택 발열량 또는 상기 냉각수 출구 온도가 각각 제2 스택 발열량과 제2 기준온도 미만인 경우에만 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 COD 히터 과열로 판정된 경우, 상기 COD 히터 온 동안의 스택 발열량 및 현재의 냉각수 출구 온도를 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 스택 발열량이 제2 스택 발열량 미만이고, 상기 냉각수 출구 온도가 제2 기준온도 미만인 경우에만, 상기 COD 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 스택 발열량이 제2 스택 발열량 이상이거나, 상기 냉각수 출구 온도가 제2 기준온도 이상인 경우, 상기 냉각수 바이패스 밸브는 COD 히터 온도 변화량 기반 가변 제어를 실시하고, 상기 냉각수 공급 펌프는 "스택 냉각 최소 유량과 COD 히터 냉각 최소 유량의 합"을 확보하기 위한 운전 RPM과 "냉각 온도 단계 기반 결정 RPM + COD 히터 냉각 최소 유량 확보 RPM + 제2 오프셋 RPM" 중 큰 값으로 동작하는 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 12에 있어서,
상기 스택 우선 히터 과열 방지 제어 단계에서는 상기 냉각수 바이패스 밸브의 개도가 미리 설정된 제1 밸브 개도 이상이거나, 상기 냉각수 공급 펌프가 최대 RPM으로 구동되는 경우, 연료전지 스택의 출력 전류를 제2 기준치 이하로 제한하는 전류 제한 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
고전압 전력 변환기(HDC)의 하이사이드(high side) 전압 및 연료전지 스택 전압을 확인하는 단계;
상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압이 미리 설정된 제1 기준전압 보다 크고, 상기 고전압 전력 변환기의 하이사이드 전압과 스택 전압의 차가 미리 설정된 제2 기준전압 보다 큰 경우, COD 히터의 오프 상태에서 고전압 배터리 소모 파워 및 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합을 산출하는 단계; 및
상기 고전압 배터리 소모 파워와 상기 COD 히터를 제외한 고전압 보기류의 소모 파워 총합의 차가 미리 설정된 기준치 보다 더 큰 경우, COD 히터 릴레이 융착으로 판단하는 단계;를 더 포함하는 COD 히터를 포함하는 열 관리 시스템의 제어 방법.
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