KR20050006916A - 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법 - Google Patents

Abstract

개시된 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법은, 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법에 있어서, (a) 연료 전지 스택 출력 전류값을 제어기로 입력하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 입력된 출력 전류값이 그 이전의 출력 전압과 동일한지 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 연료 전지 스택으로 유입되어야 할 적정 공기 유량과, 상기 에어 블로어의 속도를 계산하는 단계와; (d) 상기 단계 (c)에서 계산한 값을 초기 세팅값으로 설정하는 단계와; (e) 상기 에어 블로어 속도를 제어하고, 상기 스택 전압을 모니터링 하는 단계와; (f) 상기 스택 전압 강하와 셀 전압 편차가 발생되었는지 판단하는 단계와; (g) 상기 단계 (f)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 단계 (d)에서 설정된 세팅값이 유지되었는지 판단하는 단계와; (h) 상기 단계 (g)의 조건을 만족하는 경우, 제어값을 감소시키고, 본 알고리즘을 재 수행하는 단계;를 포함하는 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 온도, 고도 및 압력에 무관한 연료 전지 스택에 적절한 공기를 항상 공급이 가능함으로 안정된 성능을 구현할 수 있고, 사용자의 요구에 빠른 응답이 가능한 이점이 있다.

Description

연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법{METHOD OF CONTROLLING SPEED OF AIR BLOWER IN FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고도에 관계없이 능동적인 에어 블로어 속도를 제어하기 위한 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법에 관한 것이다.

도 1에는 연료 전지의 단위 셀(cell)이 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 촉매가 코팅된 맴브레인(MEA; Membrane Electrode Assembly)을 사이에 두고 일측에는 수소를, 다른 일측에는 산소(혹은 공기)를 유입시킨다. 이때 애노드(Anode)단자에서는 수소가 맴브레인 표면의 촉매작용으로 수소 양이온과 전자로 분해된다.

이때 전자는 양극 플레이트(Bi-polar Plate)를 통해 흘러가고, 수소 양이온은 맴브레인을 통해서 캐소드(cathode)쪽으로 흘러가게 된다. 상기 맴브레인은 수소 양이온만을 통과시키고, 이렇게 흘러간 수소 양이온은 캐소드의 산소 음이온과 결합하여 물이 생성되어 출구 쪽으로 배출된다.

도 1에서는 편의상 모든 각 부재간에 이격되어 도시되어 있으나, 실제는 수소와 산소의 통로를 제외하고는 밀착되어 있다.

그리고 전기를 생산하기 위해서는 수소 양이온이 맴브레인을 거쳐 캐소드 쪽으로 이동을 하는 것이 필수인데, 이를 위해서 맴브레인은 항상 촉촉히 젖어 있어야 한다. 그러나 수소 양이온이 캐소드 쪽으로 이동할 때는 물분자를 가지고서 이동을 하게 되므로 적절한 맴브레인의 습도를 맞추어주기 위해서는 유입되는 수소 및 산소를 항상 일정하게 가습해 주는 것이 필요하다.

그런데, 연료 전지 차량에는 도 1에서와 같이 수소와 산소가 공급된다. 이를 위해서 연료 전지 차량은 수소 공급을 위해서 수소탱크와 공기 공급(공기중 20%는 산소임)을 위해서 에어 블로어(Air Blower)를 사용하고 있다.

수소는 수소탱크의 압력을 적절히 감압 또는 승압하여 연료 전지에 공급하고 있으며, 외부 대기압이나 공기 밀도에는 전혀 영향을 받지 않으나, 공기의 경우는 다르다. 공기는 에어 블로어를 사용하고 있으며, 현재는 스택에서 빠져나가는 전류의 양을 토대로 이에 필요한 전자의 개수를 역으로 계산하여 필요한 산소의 양을 계산할 수 있다. 이에 따라 현재 스택으로 흘러 들어가야 할 공기의 양을 계산할 수 있다.

또한 현재는 이러한 계산에서 나온 소요 공기량에 1.2정도를 곱하여 연료 전지에 공급해야 할 공기의 양을 계산하고, 이에 맞는 에어 블로어 속도를 결정한다. 즉, 현재 빠져나가는 전류를 알면 에어 블로어 속도는 자동적으로 계산이 되어 이에 따른 실 시간적 제어가 되고 있다(약간의 지연시간(Delay time)은 존재할 수 있음). 그러나 여기에는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기와 같은 실험에 의해서 현재 빠져나가는 전류를 통해 소요 공기량을 계산해 주고, 이 값을 토대로 에어 블로어 속도를 제어해 줄 경우, 대기압의 변화에 따른 공기밀도의 변화에는 대응을 할 수가 없는 문제점이 생기게 된다.

실제로 차량을 가지고 대관령 등의 고지시험을 할 경우, 정상으로 올라갈수록 대기압이 낮아지게 되고, 공기의 밀도 또한 낮아진다. 그렇다면 같은 에어 블로어 속도에 의해서 스택에 공급될 수 있는 산소의 양 또한 줄어들게 되는 것이다.

이로 인한 문제점을 살펴보면, 우선, 공기 밀도가 저하되면, 스택에 공급되는 공기량이 감소하며, 셀에 충분한 공기 공급이 불가능하다. 그리고 스택 스타베이션 (Starvation) 현상이 발생한다. 이에 따라 셀 전압 편차가 커지고, 파워 제한(Power Limit)이 발생하고, 그리고 엑셀(Accel) 페달을 밟아도 차가 진행하지 않는 현상이 발생하며, 결국에는 연료 전지 시스템이 정지(Shutdown)된다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하고자 다음과 같은 방법들이 제안되어 있다.

첫째, 에어 블로어 속도를 높여준다. 그러나 이는 많은 공기가 유입이 되겠으나 공기가 많이 흐르게 되면서 가습을 위한 가습수를 또한 많이 사용하게 되어, 점차적으로 시스템에 물이 부족해지는 현상을 야기한다.

둘째, 기압계를 달아서 기압에 따른 공기밀도를 계산하여 에어 블로어 제어시 보정해준다. 그러나 이를 위해서는 기압계를 차량에 장착해야 하며, 기압 조건에 따른 에어 블로어 속도와 유입 산소량의 관계와 고도에 따른 영향에 대한 실험이 다양하게 이루어져야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 알고리즘의 수정으로 고도나 압력의 변화에 상관없이 스택에 적절한 공기를 항상 공급 가능하고, 사용자의 요구에 빠른 응답이 가능하며, 기압보정을 위해 추가적인 압력센서를 부착할 필요가 없도록 한 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 연료 전지의 단위 셀을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법이 적용되는 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 연료 전지 스택

22. 제어기

23. 에어 블로어

24. 가속페달

25. 모터

26. 모터 제어기

27. 셀 전압 모니터링 장치

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법은, (a) 연료 전지 스택 출력 전류값을 제어기로 입력하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 입력된 출력 전류값이 그 이전의 출력 전압과 동일한지 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 연료 전지 스택으로 유입되어야 할 적정 공기 유량과, 상기 에어 블로어의 속도를 계산하는 단계와; (d) 상기 단계 (c)에서 계산한 값을 초기 세팅값으로 설정하는 단계와; (e) 상기 에어 블로어 속도를 제어하고, 상기 스택 전압을 모니터링 하는 단계와; (f) 상기 스택 전압 강하와 셀 전압 편차가 발생되었는지 판단하는 단계와; (g) 상기 단계 (f)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 단계 (d)에서 설정된 세팅값이 유지되었는지 판단하는 단계와; (h) 상기 단계 (g)의 조건을 만족하는 경우, 제어값을 감소시키고, 본 알고리즘을 재 수행하는 단계;를 포함하는 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명이 적용되는 연료 전지 시스템이 도시되어 있다.

도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법은, 우선, 연료 전지 스택(21) 출력 전류값을 제어기(22)로 입력한다.(단계 110)

상기 단계 110에서 입력된 출력 전류값이 그 이전의 출력 전압과 동일한지 판단한다.(단계 120)

상기 단계 120에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 연료 전지 스택(21)으로 유입되어야 할 적정 공기 유량과, 에어 블로어(23)의 속도를 계산한다.(단계 130,140)

그리고 상기 단계 130,140에서 계산한 값을 초기 세팅값으로 설정(t=0) 한다.(단계 150)

이어서, 상기 에어 블로어(23) 속도를 제어하고, 연료 전지 스택(21)의 전압을 모니터링(monitoring)한다.(단계 160,170)

그리고 연료 전지 스택의 전압 강하와, 셀 전압 편차가 발생되었는지 판단한다.(단계 180)

상기 단계 180에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 단계 150에서 설정(t=0)된 초기 세팅값이 유지되었는지 판단한다.(단계 190)

상기 단계 190의 조건을 만족하는 경우, 제어값을 감소시키고, 본 알고리즘을 처음부터 재 수행한다.(단계 200)

한편, 상기 단계 120에서의 조건을 만족하는 경우, 상기 단계 160부터 알고리즘을 재 수행하고, 상기 단계 190의 조건을 만족하지 못하는 경우에는 본 알고리즘을 처음부터 재 수행한다.

그리고 상기 단계 180에서의 조건을 만족하는 경우, 설정된 초기 세팅값을변경 설정(t=t+1)하고, 제어값을 증가시킨다.(단계 210,220)

다른 한편으로, 도 3에서 설명되지 않은 참조부호 27은 셀 전압 모니터링 장치(SVM; Sub-Stack Voltage Monitor)로, 상기한 바와 같이, 연료 전지 스택(21)의 출력 전류를 통한 에어 블로어(23)의 속도를 세팅한 후, 상기한 셀 전압 모니터링 장치(27)를 모니터링 하여 공기가 부족하여 셀 전압의 편차가 심해질 경우 에어 블로어(23)의 속도를 실질적으로 튜닝(tuning)해 준다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법은, 기존의 시스템을 이용하여 고도 및 압력 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 최적의 에어 블로어(23)의 속도를 제어하기 위한 알고리즘이다. 이를 보다 구체적으로 설명한다.

우선, 사용자가 차량의 가속페달(24)을 밟게 되면 제어기(22)는 그 밟힌 가속페달(24)의 각도를 인식하여, 그에 따르는 적절한 출력 파워를 뽑아가도록 모터(25)를 제어하는 모터 제어기(26)에 제어신호를 보낸다. 이때 연료 전지 스택(21)에서 뽑혀져 나가는 전류값은 센서에 의해서 모니터링 되어 제어기(22)로 들어간다. 현재는 이 전류값을 이용해서 에어 블로어(23)의 속도를 조절한다.

본 발명에서는 여기에 셀 전압 편차를 이용한 에어 블로어(23)의 속도 로직을 더 추가한다.

이를 설명하면, 사용자의 가속페달(24)을 입력한다. 그리고 소요파워를 계산하고, 상기 모터 제어기(26)가 파워를 뽑아간다. 또한 상기 연료 전지 스택(21)의 출력 전류값이 제어기(22)로 입력된다.

그런 후, 연료 전지 스택(21)에 공급되어야 할 적정 공기 유량을 계산하고, 에어 블로어(23)의 속도를 계산한다. 만일, 상기 연료 전지 스택(21)의 내부 셀 전압 편차가 발생했다면 즉, 고도가 높아져서 또는 기압이 낮아서 충분한 산소가 공급되지 않았다면, 제어값을 증가시킨다. 즉, 에어 블로어(23)의 속도를 증가시킨다. 또한 상기한 셀 전압 편차가 발생하지 않을 때까지 공기량을 증가시키고, 계속적으로 전류값을 모니터링 하여 적절한 에어 블로어(23)의 속도를 맞추어 준다.

상기와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법을 이용하면, 압력이나 고도에 상관없이 어떠한 조건에서도 에어 블로어(23)의 속도를 능동적으로 제어할 수 있도록 프로그램을 구성할 수 있다. 또한 알고리즘의 약간의 수정을 통해서 추가 장치 없이 성능향상을 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

추가 장치 없이 알고리즘의 수정만으로 온도, 고도 및 압력에 무관한 연료 전지 스택에 적절한 공기를 항상 공급이 가능함으로 안정된 성능을 구현할 수 있고, 사용자의 요구에 빠른 응답이 가능하다. 그리고 기압보정을 위해 추가적인 압력센서를 부착할 필요 없다.

또한 무리한 에어 블로어의 속도 상승으로 인한 가습수의 부족 현상이나, 에어 블로어의 가혹 조건에서의 운전을 방지할 수 있다.

또한 절전(Power saving)이 가능하여 주행거리를 늘릴 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법에 있어서,

   (a) 연료 전지 스택 출력 전류값을 제어기로 입력하는 단계와;

   (b) 상기 단계 (a)에서 입력된 출력 전류값이 그 이전의 출력 전압과 동일한지 판단하는 단계와;

   (c) 상기 단계 (b)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 연료 전지 스택으로 유입되어야 할 적정 공기 유량과, 상기 에어 블로어의 속도를 계산하는 단계와;

   (d) 상기 단계 (c)에서 계산한 값을 초기 세팅값으로 설정하는 단계와;

   (e) 상기 에어 블로어 속도를 제어하고, 상기 스택 전압을 모니터링 하는 단계와;

   (f) 상기 스택 전압 강하와 셀 전압 편차가 발생되었는지 판단하는 단계와;

   (g) 상기 단계 (f)에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 단계 (d)에서 설정된 세팅값이 유지되었는지 판단하는 단계와;

   (h) 상기 단계 (g)의 조건을 만족하는 경우, 제어값을 감소시키고, 본 알고리즘을 재 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (b)에서의 조건을 만족하는 경우, 상기 단계 (e)부터 재 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (f)에서의 조건을 만족하는 경우, 초기 세팅값 설정을 변경하고, 제어값을 증가시키는 단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (g)의 조건을 만족하지 못하는 경우, 본 알고리즘을 재 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 에어 블로어 속도 제어방법.