KR20040001639A

KR20040001639A - 연료 전지 스택 모니터링 장치

Info

Publication number: KR20040001639A
Application number: KR1020020036921A
Authority: KR
Inventors: 구재승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-07

Abstract

연료 전지 하이브리드 전기자동차에서 연료 전지 스택의 전압을 모니터링하여 연료 전지 제어기측에 피드백 정보로 제공하며, 모니터링 정보를 운전자에게 제공하도록 한 것으로,

공기와 수소의 화학적 반을 통해 전기를 생산하는 주 동력원인 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택의 전압을 소정의 블록 단위별로 분할 모니터링하여 전압을 검출한 다음 블록간 전압의 최대, 최소 및 평균전압을 추출하여 그에 대한 정보를 출력하는 모니터링 수단과, 연료 전지 스택을 순환하는 냉각수 온도와 압력, 산소의 공급을 위해 주입되는 공기의 풍량과 압력, 수소량과 압력 등을 검출한 다음 액츄에이터의 제어를 통해 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 냉각수의 양 등을 조정하며, 상기 모니터링 수단에서 인가되는 정보에 따라 블록 단위별 전기 에너지 출력을 조정하는 FCC와, 모니터링 수단에서 인가되는 제어신호에 따라 연료 전지 스택의 블록 단위 정보를 표시하는 표시수단을 포함한다.

Description

연료 전지 스택 모니터링 장치{FUEL CELL STACK MONITORING SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료 전지 스택의 전압을 모니터링하여 연료 전지 제어기측에 피드백 정보로 제공하며, 모니터링 정보를 운전자에게 제공하도록 한 연료 전지 스택 모니터링 장치에 관한 것이다.

연료 전지와 배터리의 전기 에너지를 이용하는 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주 동력원으로서 다수개의 셀이 스택 구조를 갖는 연료 전지(1)와, 연료 전지(1)에서 출력되는 전압을 정류하는 다이오드(D)와, 다이오드(D)를 통해 공급되는 전압을 3상 전압으로 처리하여 모터(3)의구동 전압으로 공급하여 주는 인버터(2)와, 모터(3)의 구동 속도를 설정된 비로 감속하여 구동휠에 전달하는 감속기(4)와, 상기 연료 전지(1)의 냉각수 온도와 압력, 공기풍량과 압력 및 수소량 및 압력, 스택의 셀 전압 등을 검출한 다음 최적의 전기 에너지 발생을 위하여 공기량 제어 액츄에이터와 수소량 제어 액츄에이터 및 냉각수 제어 액츄에이터를 제어하는 FCC(Fuel Cell Controller ; 5), 모터(3)에 구동전압을 공급하는 배터리(6)와, 상기 배터리(6)의 제반적인 상태, 즉 전류, 전압, 온도, 충전상태(SOC) 등을 모니터링한 한 다음 배터리(6)의 파손이 발생되지 않도록 충반전 전류 및 전압 제어 등 배터리(6)의 제반적인 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System ; 7)와, 연료 전지(1)에서 출력되는 전압이 모터(3)의 구동 후 잉여전압이 존재하는 경우 배터리(6)에 충전전압으로 공급하고, 초기 시동시 혹은 연료 전지(1)의 출력이 정상 상태에 도달하기까지 배터리(6)의 전압을 모터(3)측에 공급하며, 모터(2)의 회생 제동시 발생되는 전기 에너지를 배터리(6)측에 충전전압으로 공급하는 양방향 DC/DC컨버터(8)와, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(8)의 동작을 제어하여 출력 제어 및 동력 전달을 제어하는 DC/DC컨버터 제어기(9)와, 인버터(2)의 IGBT 스위칭을 제어하여 모터(3) 구동과 토크 및 속도를 제어하는 MCU(Motor Control Unit ; 10)로 이루어진다.

상기에서 FCC(5)와 BMS(7), DC/DC컨버터 제어기(9) 및 MCU(10)는 CAN 통신으로 연결되어 상호 정보의 교환을 수행함으로써 최적의 제어 및 운행이 유지될 수 있도록 한다.

상기한 FCC(5)는 연료 전지(1)에 수소와 공기의 공급을 제어하여 필요한 전기 에너지를 생성하고 현재 사용할 수 있는 전류를 계산하여 CAN 통신을 통해 MCU(10)측에 통지함으로써 모터(3)의 토크 및 속도가 조정되도록 한다.

전술한 바와 같이 연료 전지 하이브리드 전기자동차는 연료 전지로부터 냉각수의 온도 및 압력과 공기의 풍량 및 압력, 수소량 및 압력 등을 입력받아 연료 전지의 출력을 조정하는 FCC는 다수개, 대략 200개 정도의 셀로 구성되는 연료 전지의 스택을 각 블럭(Cell Block)단위로 분할하여 전압 범위를 조정하고 그 출력을 제어하여야 하나, 현재 셀 스택을 블록으로 분할하여 전압을 판독하는 수단과 셀 스택의 블록 단위로 출력 전압을 처리수단이 구비되어 있지 않아 전압에 대한 제어에 있어 불안정성을 내포하고 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료 전지의 각 셀 스택의 전압을 블록 단위의 분할하여 모니터링한 다음 최적의 전기 에너지 출력을 위한 공기 및 산소의 공급을 제어하여 최적의 활성화 상태를 유지하도록 한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 모니터링 장치에 대한 개략적인 구성도.

도 2는 도 1에서 모니터링부의 상세 구성을 도시한 도면.

도 3은 일반적인 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 동력 제어 시스템에 대한 구성도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 연료 전지 하이브리드 전기자동차에 있어서, 공기와 수소의 화학적 반을 통해 전기를 생산하는 주 동력원인 연료 전지 스택과; 상기 연료 전지 스택의 전압을 소정의 블록 단위별로 분할 모니터링하여 전압을 검출한 다음 블록간 전압의 최대, 최소 및 평균전압을 추출하여 그에 대한 정보를 출력하는 모니터링 수단과; 상기 연료 전지 스택을 순환하는 냉각수 온도와 압력, 산소의 공급을 위해 주입되는 공기의 풍량과 압력, 수소량과 압력 등을 검출한 다음 액츄에이터의 제어를 통해 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 냉각수의 양 등을 조정하며, 상기 모니터링 수단에서 인가되는 정보에 따라 블록 단위별 전기 에너지 출력을 조정하는 FCC와; 상기 모니터링 수단에서 인가되는 제어신호에 따라 연료 전지 스택의 블록 단위 정보를 표시하는 표시수단을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택 모니터링 장치는 연료 전지(20)와, FCC(40), 모니터링부(60) 및 표시부(80)로 구성되는데, 연료 전지(20)는 다수개, 대략 200개의 셀이 스택 구조로 이루어지는 연료 전지 하이브리드 전기자동차의 주동력원이며, 공기와 수소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산한다.

FCC(40)는 연료 전지(20)의 냉각수 온도와 압력, 주입되는 공기의 풍량과 압력, 수소량과 압력 등을 검출한 다음 연료 전지(20)측에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 냉각수의 양 등을 조정하는 도시되지 않은 각각의 액츄에이터를 제어하여 전압 출력을 조정하며, 블록 단위의 스택 셀 전압에 따라 블록별 전압의 출력을 조정한다.

모니터링부(60)는 연료 전지(20)의 셀 스택의 전압을 소정의 블록 단위별로 모니터링하여 블록 단위의 스택 전압을 검출한 다음 블록간 전압의 최대, 최소 및평균전압을 추출하여 그에 대한 정보를 FCC(40)측에 피드백 공급하여 블록별 출력 전압의 제어에 사용하도록 하고, 표시부(80)를 통해 모니터링 전압의 상태를 지시하여 준다.

상기의 모니터링부(60)는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지(20)에서 셀 스택의 블록 단위로부터 검출되는 전압을 설정된 소정의 주기로 샘플링한 다음 일시 지연하는 샘플링부(61)와, 샘플링된 아날로그 상태의 전압신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(62)와, 상기 디지털 변환된 연료 전지(20)의 셀 스택 블록 단위의 전압을 설정된 소정 대역, 바람직하게는 저역 통과필터를 통해 검출 전압에 포함되어 있는 노이즈 성분을 필터링 한 다음 CAN 통신을 통해 FCC(40)측에 제공함과 동시에 표시부(80)를 통해 디스플레이하는 필터부(63)로 구성된다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작은 다음과 같다.

연료 전지 하이브리드 전기자동차의 시동 온에 의하여 연료 전지(20)가 활성화되면 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 FCC(40)는 연료 전지(20)의 냉각수 온도와 압력, 주입되는 공기의 량과 압력, 공급되는 수소의 양과 압력 및 스택의 셀 전압을 검출한 다음 최적의 전압 출력을 위하여 도시되지 않은 각각의 액츄에이터를 제어하여 열교환기를 순환하는 냉각수의 순환 제어와 주입되는 공기량 및 압력의 제어, 공급되는 수소의 양과 압력의 제어를 수행한다.

이때, 모니터링부(60)는 연료 전지(20)의 각 스택을 소정 단위의 블록별로 그룹핑하여 스택 블록별 전압을 검출한 다음 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 샘플링부(61)를 통해 설정된 소정의 주기로 샘플링하며, 샘플링 전압을 일시 지연한다.

이후, 샘플링된 아날로그 상태의 스택 블록별 전압을 A/D 변환부(62)를 통해 디지털 전압으로 변환하고, 저역필터인 필터부(63)를 통과시켜 설정된 대역으로의 추출과 동시에 검출신호에 포함되어 있는 노이즈 성분을 제거한다.

상기와 같은 동작에 따라 연료 전지(20)의 스택 블록별 전압이 검출되면 검출된 전압을 CAN 통신을 통해 FCC(40)측에 피드백 정보로 제공함과 동시에 RS-232C의 시리얼 통신을 통해 표시부(80) 제공하여 현재 연료 전지(20)의 스택 블록별 전압이 표시되도록 한다.

상기에서 모니터링부(60)는 바람직하게는 8개의 셀을 하나의 블록으로 설정하여 모니터링하도록 함으로써 대략 200개의 셀로 구성되는 연료 전지(20)의 경우 모니터링부(60)를 대략 25개 구성한다.

상기와 같이 연료 전지(20)의 스택 그룹별 전압이 FCC(40)에 피드백 정보로 검출되면 FCC(40)는 스택 그룹별로 최적의 전압이 출력될 수 있도록 하기 위하여 도시되지 않은 각각의 액츄에이터를 제어하여 열교환기를 순환하는 냉각수의 순환 제어와 주입되는 공기량 및 압력의 제어, 공급되는 수소의 양과 압력의 제어를 수행한다.

상기한 동작은 순환 루프로 동작되도록 하여 연료 전지(20)의 각 스택들은 항상 최적의 전압이 출력될 수 있도록 하며, 정상적인 전압이 출력되지 않은 스택의 모니터링으로 수리 교환에 편리성을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연료 전지 스택의 블록 단위 셀 전압으로 모니터링하여 공기 및 산소의 공급을 제어함으로서 연료 전지 활성화 제어에 신뢰성이 제공된다.

Claims

연료 전지 하이브리드 전기자동차에 있어서,

공기와 수소의 화학적 반을 통해 전기를 생산하는 주 동력원인 연료 전지 스택과;

상기 연료 전지 스택의 전압을 소정의 블록 단위별로 분할 모니터링하여 전압을 검출한 다음 블록간 전압의 최대, 최소 및 평균전압을 추출하여 그에 대한 정보를 출력하는 모니터링 수단과;

상기 연료 전지 스택을 순환하는 냉각수 온도와 압력, 산소의 공급을 위해 주입되는 공기의 풍량과 압력, 수소량과 압력 등을 검출한 다음 액츄에이터의 제어를 통해 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 양, 수소의 양, 냉각수의 양 등을 조정하며, 상기 모니터링 수단에서 인가되는 정보에 따라 블록 단위별 전기 에너지 출력을 조정하는 FCC와;

상기 모니터링 수단에서 인가되는 제어신호에 따라 연료 전지 스택의 블록 단위 정보를 표시하는 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 모니터링 장치.
제1항에 있어서,

상기 모니터링 수단과 FCC는 CAN 통신으로 연결되어 정보의 송수신이 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 모니터링 장치.
제1항에 있어서,

상기 모니터링 수단은 연료 전지의 8개의 스택을 하나의 블록 단위로 전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 모니터링 장치.
제1항에 있어서,

상기 모니터링 수단은 연료 전지 스택의 전압을 블록 단위로부터 검출하여 설정된 주기로 샘플링하는 샘플링부와;

상기 샘플링된 아날로그 상태의 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와;

상기 디지털 변환된 블록 단위의 전압을 설정된 소정 대역으로 필터링하여 포함되어 있는 노이즈 성분을 제거한 다음 상기 FCC측에 제공하는 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 모니터링 장치.