KR20050059222A - 개질기를 이용하는 연료 전지를 구비한 차량에서 에너지를회수하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 전기 모터(10)에 의해 구동되는 차량에서 전기 에너지를 회수하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 상기 전기 모터(10)에 전력을 공급하는 연료 전지(14)를 포함하는 유형의 것이고, 상기 전기 모터(10)에는 개질기(42)를 통해서 연료가 공급되며, 상기 개질기(42)에서 연료의 유량은 전기 모터(10)의 전기 소모량(P모터)의 함수로서 제어되고, 상기 개질기는 전기 모터(10)의 소모량(P모터)이 감소할 경우에 일시적으로 과량의 연료를 생성하며, 또한 상기 방법은 에너지 저장 수단(16, 76, 78, 80)을 포함하는 유형의 것이다. 본 발명의 방법은, 구체적으로, 상기 연료 전지(14)에 의해 생성될 수 있는 과량의 전력(P회수)을 계산하는 단계 (b), 및 상기 과량의 연료를 저장하는 단계 (d)와 분배하는 단계 (e)를 포함하고, 상기 단계가 진행되는 동안에 상기 과량의 전력(P회수)을 상기 저장 수단(16, 76, 78, 80)에 저장하는 것을 특징으로 한다.

Description

개질기를 이용하는 연료 전지를 구비한 차량에서 에너지를 회수하는 방법 및 장치{ENERGY-RECOVERY METHOD AND DEVICE USED ON BOARD A VEHICLE COMPRISING A REFORMER FUEL CELL}
본 발명은 하나 이상의 전기 모터를 구비한 차량에서 전기 에너지를 회수하는 방법에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 전기 모터에 의해 구동되는 차량에서 전기 에너지를 회수하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 상기 전기 모터 및 전기 설비에 전력을 공급하는 연료 전지를 포함하는 유형의 것이고, 상기 연료 전지에는 연료, 구체적으로 수소가 개질기를 통해서 공급되며, 상기 개질기에서 연료의 유량은 상기 전기 모터의 전기 소모량의 함수로서 제어되고, 상기 개질기는 상기 전기 모터의 소모량이 저하될 경우에 일시적으로 과량의 연료를 생성하며, 또한 상기 방법은 에너지 저장 수단을 포함하는 유형의 것인 방법에 관한 것이다.
하나 이상의 전기 모터에 의해 구동되는 차량에는, 구체적으로 연료 전지에 의해서 전기 에너지가 공급된다.
연료 전지는 주로 2개의 전극, 즉 전해질에 의해 분리된 하나의 양극과 하나의 음극으로 구성된다. 이러한 유형의 전지에 의하면, 다음과 같은 산화환원 반응에 의해서 생성된 에너지를 전기 에너지로 직접 전환시킬 수 있다.
- 양극에 연속적으로 공급되는 가연성 물질, 즉 연료의 산화 반응; 및
- 음극에 연속적으로 공급되는 연소제의 환원 반응.
차량에서 전기 에너지를 공급하는데 사용되는 연료 전지는 일반적으로 고체 전해질, 구체적으로 중합체 전해질 유형의 것이다. 이와 같은 전지는 구체적으로, 연료 및 연소제로서 각각 수소(H2)와 산소(O2)를 사용한다.
이와 같은 유형의 전지에 의하면, 전반적으로 차량을 추진시키기 위해 전기 모터에 전기를 공급하는데 충분한 생산성, 반응 시간 및 작동 온도를 동시에 얻을 수 있다.
배기 가스와 함께 무시할 수 없는 양의 오염 물질을 배출하는 열에너지 모터와는 달리, 연료 전지는 특히 음극에서의 환원 반응에 의해 생성되는 물만을 배출한다는 장점을 제공한다. 또한, 전술한 바와 같은 유형의 전지는 산소(O2)를 환원시키기 위해서 주위 공기를 사용할 수 있다.
일반적으로, 음극은 산소(O2) 또는 공기를 연속적으로 공급할 수 있는 주입구, 및 과잉량의 공기 또는 산소(O2)를 배출시키고 산소(O2)가 환원될 때에 생성되는 물을 배출시키기 위한 배출구를 포함한다. 통상적으로, 양극은 수소(H2)를 주입시키기 위한 주입구를 포함한다.
그러나, 실용 기술 수준에서, 차량에서 순수한 수소(H2)를 저장하고자 할 경우에는, 안정된 운행 거리를 얻기 위해서 매우 큰 용적이 필요하다. 또한, 수소(H2)를 배급하기 위한 유통 과정도 지리학적으로 적합하지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 탄화수소, 구체적으로 정유 또는 천연 가스와 같은 가연성 탄화수소를 출발 물질로 하여 차량에서 직접 수소(H2)를 생성하는 방법이 알려져 있다. 수소(H2)는 개질기(reformer)라고 하는 장치를 필요로 하는 소위 개질 작업 과정에서 정유로부터 추출된다.
정유는 물 및 공기와 함께 개질기에 주입된다. 개질 단계로부터 얻어지는 생성물은 개질휘발유(reformate)라고 명명되는 가스로서, 주로 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 및 질소(N2)로 이루어진다. 일반적으로, 개질기는 개질기를 작동 온도로 유지시키는데 필요한 발열 에너지를 공급하는 보일러(boiler)를 포함한다. 따라서, 전지의 양극에는 개질기를 통해서 직접 개질휘발유가 공급된다.
연료 전지에 의해 생성되는 전력은 음극과 양극에 각각 주입되는 연소제와 연료의 유량에 비례한다. 따라서, 전지가 전기 모터에 공급하게 되는 전력을 제어하기 위해서, 전지에 공급되는 연소제와 연료의 유량을 변화시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 양극에 주입되는 연료의 유량은 개질기를 제어함으로써 조절된다.
그렇지만, 연료 전지의 전류 생산량을 변화시키기 위해 연료의 유량 변화가 필요한 순간과 연료의 유량이 효율적으로 변화하는 순간 사이의 개질기 응답 시간은 수 초 정도이다.
따라서, 전기 모터가 보다 큰 전력을 필요로 할 경우, 전지는 수 초의 응답 시간, 즉 개질기가 적절한 개질휘발유 유량을 생성하는데 소요되는 시간이 경과한 후에만 비로소 필요한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 모터가 보다 작은 전력을 필요로 할 경우, 개질기는 몇 초 동안 계속 연료 전지에 의해 소모되지 않는 과잉량의 개질휘발유 유량을 생성한다.
모터가 신속한 전기량의 증가를 필요로 할 때 개질기의 잠복 시간으로 인하여 일시적으로 전력이 불충분한 문제점을 해결하기 위해서, 하나 이상의 보조 배터리에 의해서 전기 모터에 일시적으로 전기를 공급하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 비용, 차지하는 용적 및 중량에 관한 이유로, 보조 배터리는 가능한한 작아야 한다.
차량에 내장되는 배터리의 수를 제한하기 위해서, 차량의 감속 기간 동안 에너지를 회수하고 그 회수된 에너지를 배터리에 저장하는 방법이 알려져 있다. 이와 같은 해결 수단의 한가지가 유럽 특허 EP-A-0.640.503호 공보에 개시되어 있다.
상기 유럽 특허 공보에는, 모터가 전류를 발생시키는 기능을 하는 동안에, 즉 차량이 감속되고 상기 모터에 더 이상 전기가 공급되지 않는 기간 동안에, 구동 모터에 의해 생성된 에너지를 회수하는 방법이 제안되어 있다.
또한, 배터리가 전류를 더 이상 저장하지 않을 경우에, 상기 특허 공보에 개시된 방법은 축열 장치와 같은 저장 수단에 의해서 과잉량의 회수된 에너지를 저장하는 기술을 제안하고 있다.
그러나, 전기 모터가 발전기로서 기능한다는 것은 차량에 대해서는 모터 브레이크(motor brake)처럼 작용한다. 통행자의 안전성과 운전의 편안함을 위해서, 모터 브레이크는 제어 가능한 것이어야 하며, 그 작동도 제한되어야 한다.
그러므로, 이와 같은 조건하에 회수된 에너지는 전술한 바와 같이 차량으로부터의 통행자의 안전을 이유로 반드시 제어되어야만 한다. 따라서, 이와 같은 조건에서는 모터가 생성할 수 있는 에너지를 전부 회수하기는 불가능하다.
또한, 모터의 전기 수요가 낮은 기간 동안에 개질기에 의해 생성되는 과잉량의 개질휘발유에 의해서 연료 전지에 공급될 수 있는 에너지에 관해서는 연구되어 있지 않다.
이하에서는, 본 발명을 용이하게 파악할 수 있도록 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다른 특징과 장점을 더욱 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 전기 모터에 의해서 구동되고, 본 발명의 실시예에 따라 전기 발생 장치 및 에너지 저장 수단을 구비하는 차량을 도시한 개요도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 전기 발생 장치를 상세히 도시한 개요도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 방법의 주요 단계들을 도시한 다이어그램이다.
앞에서 말한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 전술한 바와 같은 유형의 방법에 있어서, 하기 단계 (a) 내지 (e) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
(a) 연료 전지가 순간적으로 공급할 수 있는 잠재적인 전력을 개질기에 의해 생성되는 연료의 유량의 함수로서 계산하고, 전기 모터 및 기타 설비에 의해 순간적으로 소모되는 전력을 추정하는 평가 단계;
(b) 상기 잠재적인 전력과 상기 추정된 소모 전력의 합계 사이의 차이로부터 얻어지는 과잉량의 전력을 계산하는 단계;
(c) 상기 과잉량의 전력이 정확히 양의 값인 경우에 시동되는 저장 수단의 순간 전력 저장 용량을 결정하는 단계;
(d) 상기 순간 저장 용량이 상기 과잉량의 전력보다 크거나 같을 경우에 개시되는 저장 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지에는 과량의 연료를 전부 공급하고, 상기 과잉량의 전력은 상기 저장 수단에 의해 저장하는 단계; 및
(e) 상기 저장 용량이 상기 과잉량의 전력보다 작거나 같을 경우에 개시되는 과량의 연료의 분배 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지에는 상기 저장 수단의 에너지 보유량을 재구성하는데 필요한 과량의 연료 중 일부를 공급하는 단계.
본 발명의 또 다른 특징은 다음과 같다.
- 상기 방법은, 상기 계산 단계 (b)와 상기 결정 단계 (c) 사이에, 상기 전기 모터에 의해 소모되는 전력이 0이고 상기 전기 모터가 전류의 발전기로서 작용할 수 있는 경우에 개시되는 중간 회수 제동 단계 (b')를 포함하며, 상기 단계 (b') 동안에는 상기 전기 모터에 의해 생성될 수 있는 전력을 추정한 후에 상기 과잉량의 전력과 합산을 한다.
- 상기 저장 단계 (d) 및 상기 분배 단계 (e) 동안에는, 상기 전기 모터에 의해 생성되는 전력을 상기 연료 전지에 의해 생성되는 과잉량의 전력에 대하여 우선적으로 상기 저장 수단에 저장한다.
- 상기 과량의 연료 중 나머지 부분은 가열한다.
- 상기 과량의 연료 중 나머지 부분은 저장기에 저장한다.
- 상기 저장 수단은 전기 배터리를 포함한다.
- 상기 저장 수단은 축열기를 포함하고, 상기 축열기에는 과잉량의 전력이 압축 냉장 장치에 의해서 발열 에너지의 형태로 저장된다.
- 상기 저장 수단은 유체를 함유하는 용기를 포함하고, 상기 용기에는 상기 유체의 압력을 조절하는 펌프를 통해서 상기 에너지가 기계적인 에너지의 형태로 저장된다.
이외에도, 본 발명은 하나 이상의 전기 모터에 의해 구동되는 차량에서 전기 에너지를 회수하는 장치로서, 상기 장치는 전기 모터 및 전기 설비에 전기를 공급하는 연료 전지를 포함하고, 상기 연료 전지에는 연료, 구체적으로 수소(H2)가 개질기를 통해서 공급되며, 상기 개질기에서 연료의 유량은 상기 전기 모터의 전기 소모량(P모터 -)의 함수로서 제어되고, 상기 개질기는 상기 전기 모터의 소모량(P모터 -)이 감소하는 동안에 일시적으로 과량의 연료를 생성하며, 또한 상기 장치는 에너지 저장 수단을 포함하는 유형의 것인 장치에 있어서, 상기 구동 모터에 의해 생성되는 과잉량의 회수된 에너지 및 상기 개질기에 의해서 생성되는 과잉량의 개질휘발유를 이용하여 연료 전지에 의해 공급되는 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.
도 1에는 차량에 장착되는 전기 발생 장치(12)에 의해서 주로 전기가 공급되는 전기 모터(10)에 의해 구동되는 차량의 개요도가 도시되어 있다. 상기 전기 발생 장치(12)는 도 2에 도시된 연료 전지(14)를 포함한다.
또한, 상기 차량은 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같은 차량의 작동 상태에서 전기 발생 장치(12)에 전기를 공급하도록 보조 구동 배터리(16)를 더 포함한다.
도 2에 도시된 전기 발생 장치(12)에 관해서는 이하에서 상세히 설명하고자 한다.
상기 연료 전지(14)는 그것에 연료와 연소제가 공급될 경우에 전기를 공급한다. 상기 연료 전지(14)는 양극(18) 및 음극(20)을 포함하며, 도시된 실시예에서 이들은 전해질을 형성하는 중합체 막(22)에 의해 분리되어 있다.
상기 음극(20)은 음극 주입구(24)를 포함하는데, 이 주입구를 통해서 연소제, 이 경우에는 공기가 공급된다.
마찬가지로, 상기 양극(18)은 양극 주입구(26)을 포함하며, 이 주입구를 통해서 연료, 즉 도시된 실시예에서는 구체적으로 수소(H2)로 이루어진 개질휘발유가 공급되고, 또한 상기 양극은 양극 배출구(28)를 포함하고, 이 배출구를 통해서 잔류하는 연료 또는 개질휘발유가 배출된다.
상기 장치(12)는 음극(20)에 연소제, 구체적으로 공기를 공급하기 위한 제1 회로(30)을 포함하고, 또한 양극(18)에 연료, 구체적으로 수소(H2)를 공급하기 위한 제2 회로(32)를 포함한다.
상기 음극(20)의 제1 공급 회로(30)는, 구체적으로 대기중의 공기를 주입하기 위한 모듈(34)을 포함하며, 대기중의 공기는 주입 라인(36)을 통해서 주입되며, 또한 상기 회로(30)는 상기 음극 공급 오리피스(24)에 연결된 음극 공급 도관(38)을 통해서 음극(20)에 공기를 공급한다. 상기 공기 주입 모듈(34)은 구체적으로 음극(20)에 유입되는 공기의 유량을 조절하는 데 적합한 것이다.
상기 양극(18)의 제2 공급 회로(32)는 주로 정유와 같은 탄화수소를 함유하는 저장기(40) 및 개질기(42)로 이루어진다.
탄화수소 공급 도관(44)은 제1 단부에서 저장기(40)에 연결되고, 제2 단부에서는 상기 개질기(42)의 주입 오리피스(45)에 연결된다. 상기 탄화수소 공급 도관(44)에 개재된 탄화수소 펌프(46)는 상기 저장기(40)에 함유된 탄화수소를 개질기(42)를 향해 흡출하는 기능을 갖는다. 공기 공급 라인(48)은 제1 단부에서 공기 주입 모듈(34)에 연결되고, 제2 단부에서는 상기 개질기(42)의 공기 주입 오리피스(50)에 연결된다.
본 실시예에서, 상기 개질기(42)는 탄화수소에 함유된 수소(H2)를 추출하도록 되어 있다. 이러한 목적을 위해서, 상기 개질기(42)에는 구체적으로 공기 공급 라인(48)을 통해서 개질기(42)까지 급송된 공기가 공급되어야 한다.
수소(H2)를 추출한 후에, 개질기는 배출 오리피스(52)를 통해서, 음극의 공급 오리피스(26)에 연결된 음극(18)의 공급 도관(54)에 수소(H2)를 함유하는 연료, 또는 개질휘발유를 배출한다.
연료 전지(14)가 작동하는 동안에, 양극(18)은 상기 개질휘발유에 함유된 수소(H2)의 일부분을 소모하고, 잔류하는 개질휘발유는 양극의 배출 오리피스(28)를 통해 배출된다.
상기 양극의 배출 오리피스(28)는 양극의 배출 도관(56)과 통하게 되어 있고, 상기 도관(56)은 잔류하는 개질휘발유를 상기 개질기(42)에 통합된 보일러(도시 생략함)의 공급 오리피스(58)까지 급송한다. 상기 보일러는 구체적으로, 잔류하는 개질휘발유를 개질기(42)의 작동에 필요한 열을 공급하는 방식으로 소모하도록 되어 있다.
또한, 상기 전기 발생 장치(12)는 차량의 전기 회로(60)에 전기 에너지를 공급하고, 상기 회로(60)는 구체적으로 전기 수신기(62)를 통해서 상기 전기 모터(10)에 전기를 공급한다. 상기 전기 회로(60)는 도 1에 연속적인 화살표로 도시하였다.
이와 같이 전기가 공급된 전기 모터(10)는 수용된 전력을 구동 우력으로 전환시키고, 이어서 구동 우력은 전동 기구(66)을 통해서 차량의 바퀴(64)에 전달된다.
또한, 상기 전기 발생 장치(12)는 차량의 전기 설비(68), 예를 들면 라이트 또는 와이퍼에도 전기를 공급한다.
상기 연료 전지(14)에 의해 공급되고 상기 전기 모터(10) 및/또는 전기 설비(68)에 필요한 전력은 회전 상태에 따라서 및/또는 차량의 운전자의 수준에 따라서 변화할 수 있다. 운전자는 가속 페달과 같은 차량의 가속 제어 장치(70)에 영향을 미친다.
상기 연료 전지(14)에 의해 공급되는 전력은 양극(18) 및 음극(20)에 주입되는 연료 및 연소제의 유량에 비례한다. 그런데, 양극(18)에 주입되는 연료의 유량은 개질기(42)에 의해 생성된다.
차량은 전자 제어 유닛(72)을 포함하는데, 이는 한편으로는 공기 주입 모듈(34)을 통해 음극(20)에 주입되는 공기의 유량을 제어하고, 다른 한편으로는 탄화수소 펌프(46)를 통해서 양극(18)에 주입되는 탄화수소의 유량을 조절함으로써 양극에 대한 연료의 유량을, 그리고 개질기(42)에 주입되는 공기의 유량과 물의 유량을 제어한다.
상기 전자 제어 유닛(72)과 차량의 다양한 기관들 사이의 연결은 도 1 및 도 2에 점선으로 도시하였다.
또한, 운전자가 전기 모터(10)에 대하여 보다 큰 전력을 필요로 하는 경우에, 상기 전자 제어 유닛(72)은 연소제와 연료의 유량을 필요한 전력 생산량에 맞도록 변경하는 방식으로, 상기 공기 주입 모듈(34)과 탄화수소 펌프(46)를 제어한다.
그렇지만, 개질기(42)는 무시할 수 없는 잠복 시간, 예컨대 수 초 정도의 시간이 경과한 후에야 비로소 이와 같은 제어에 응답을 할 수가 있다. 실제로, 상기 전자 제어 유닛(72)은 개질기에 주입되는 탄화수소, 공기 및 물의 유량을 제어한다. 잠복 시간은 개질기(42)가 탄화수소, 공기 및 물을 개질휘발유로 전환시키는데 필요한 시간이다. 따라서, 전자 제어 유닛(72)에 의한 탄화수소 유량의 변화는 잠복 시간이 1회 경과한 후에만 개질기(42)의 배출구에서 연료의 유량에 영향을 미칠 뿐이다. 이와 같은 잠복 기간 동안에, 그리고 상기 전자 제어 유닛(72)이 보다 낮은 연료의 유량을 필요로 하는 동안에는, 상기 개질기(42)가 계속해서 과잉량의 연료를 생성하게 된다.
그러므로, 상기 전기 발생 장치(12)는 과잉량의 연료에 대한 우회 도관(74)을 포함하는데, 상기 도관(74)은 제1 단부에서 상기 음극의 공급 도관(38)에 연결되어 있고, 제2 단부에서는 개질기(42)의 보일러에 연결되어 있다. 상기 우회 도관(74)은 구체적으로 과잉량의 연료를 가열할 수 있도록 과잉량의 연료를 직접 보일러를 향해 우회시키도록 되어 있다.
또한, 상기 보조 구동 배터리(16)는, 전기 모터(10)가 전력 상승을 필요로 하는 경우에 상기 전력 발생 장치(12)에 일시적으로 전기를 공급하도록 되어 있다. 상기 보조 배터리(16)는 상기 전기 모터(10)에, 그리고 전기 설비(68)에 전기 회로(60)을 통해서 전기적으로 연결된다.
통상적으로, 전기 발생 장치(12)에 의해서 차량에 전기 에너지가 거의 순간적으로 공급되는것 이외에도, 차량에는 과잉량의 전기 에너지가 일시적으로 공급될 수 있다.
따라서, 차량의 전기 모터(10)는, 차량이 감속 단계에 있거나 전기 모터(10)에 전류가 공급되지 않을 경우에는, 전류 발생기로서 작용할 수 있다. 따라서, 전동 기구(66)을 통해서 바퀴(64)에 의한 회전을 수반하는 상기 모터가 전류를 공급할 수 있다.
그러나, 전기 모터(10)에 의한 전기 에너지의 생성은 차량에 대해서는 제동 기구로서 작용하게 된다. 따라서, 운전자를 놀라게 하지 않거나 차량의 감속을 예측 가능하게 만들기 위해서, 전기 모터(10)의 발전기로서의 기능은 전자 제어 유닛(72)에 의해서 제어해야만 한다.
모터에 필요한 전력이 낮은 경우에 개질기(42)에 의해서 생성되는 과잉량의 연료는, 통상적으로 직접 개질기(42)에 재주입되어 가열되도록 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 연료 전지(14)가 과잉량의 연료를 이용해서 공급할 수 있는 에너지의 적어도 일부분을 회수하기 위한 방법을 제안한다.
본 명세서에서, 차량에 공급될 수 있지만 전기 모터(10) 및/또는 전기 설비(68)에 의해서 순간적으로 소모될 수 없는 전력을 "회수되는" 전력으로서 언급하였다.
차량은 회수되는 전기 에너지를 다양한 형태로 축적할 수 있는 다양한 장치를 포함한다.
도시된 실시예에서, 차량은 구체적으로 축열기(76), 축압기(78), 진공 축적기(80) 및 보조 구동 배터리(16)를 포함한다.
축열기(76)에 전기 에너지를 저장하는 방법은 프랑스 특허 출원 제01-01720호에 상세히 설명되어 있다. 본 실시예에서 축열기(76)는 차량의 공기 조절 장치(도시 생략)의 일부분을 구성한다. 회수된 전기 에너지는, 구체적으로 차체를 냉각시키는 대신에 축열기(76)를 냉각시키는 공기 조절 장치의 압축기(82)를 작동시키는데 사용된다. 이와 같이 저장된 냉기는 궁극적으로 공기 조절 장치에 의해 사용되므로, 공기 조절 장치를 작동시키기 위한 전기 에너지가 보다 적게 필요하다.
상기 축압기(78)는 본 실시예에서 구체적으로 유압 전자 펌프 그룹(84)을 포함하는 지원 조종 장치(도시 생략)에 통합되어 있다. 이 경우에, 회수된 전기는 축압기(78)에 함유된 유체를 압축하는 전자 펌프(84)를 작동시키는 데 사용된다. 이어서, 이와 같은 전기 에너지는 기계적인 에너지로 전환되어 축압기(78)에 저장된다.
본 실시예에서, 진공 축적기(80)는 진공 펌프(86)를 포함하는 차량의 브레이크 지원 장치(도시 생략)에 통합되어 있다. 회수된 전기는 진공 펌프(86)에 전기를 공급하는데 사용되며, 상기 진공 펌프는 진공 축적기(80)에 함유된 유체를 흡출한다. 이어서, 전기 에너지는 기계적인 에너지로 전환되어 진공 축적기(80)에 저장된다.
또한, 회수된 전기는 보조 구동 배터리(16)에 직접 저장될 수도 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 또한 전술한 바와 같은 차량의 기관들에 관한 상세한 설명과 관련하여, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 회수 및 저장 방법에 관해서 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 방법은 주로 하기 단계 (a) 내지 (e)를 포함한다.
(a) 연료 전지(14)가 순간적으로 공급할 수 있는 잠재적인 전력(P전지 +)을 개질기(42)에 의해 생성되는 연료의 유량의 함수로서 계산하고, 전기 모터(10) 및 기타 설비에 의해 순간적으로 소모되는 전력(P모터 - 및 P설비 -)을 추정하는 평가 단계;
(b) 상기 잠재적인 전력(P전지 +)과 상기 추정된 소모 전력의 합계(P모터 - + P설비 -) 사이의 차이로부터 얻어지는 과잉량의 전력, 또는 회수 가능한 전력(P회수)을 계산하는 단계;
(b') 상기 전기 모터(10)에 의해 소모되는 전력(P모터 -)이 0이고, 상기 전기 모터(10)가 전류의 발전기로서 작용할 수 있는 경우에 개시되는 중간 회수 제동 단계로서, 상기 전기 모터(10)에 의해 생성될 수 있는 전력(P제동 +)을 추정한 후에 상기 회수 가능한 전력(P회수)과 합산하는 단계;
(c) 상기 과잉량의 전력(P회수)이 정확히 양의 값인 경우에 시동되는 상기 저장 수단의 순간 전력 저장 용량(C)을 결정하는 단계;
(d) 상기 순간 저장 용량(C)이 상기 과잉량의 전력(P회수)보다 크거나 같을 경우에 개시되는 저장 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지(14)에는 과량의 연료를 전부 공급하고, 상기 과잉량의 전력(P회수)은 상기 저장 수단에 의해 저장하는 단계; 및
(e) 상기 저장 용량(C)이 상기 과잉량의 전력(P회수)보다 작거나 같을 경우에 개시되는 과량의 연료의 분배 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지(14)에는 상기 저장 수단의 에너지 보유량을 재구성하는데 필요한 과량의 연료 중 일부를 공급하는 단계.
상기 방법의 단계 (a)가 진행되는 동안에, 개질기(42)에 의해 공급되는 연료의 순간적인 유량으로부터 연료 전지(14)가 산출할 수 있는 순간적인 전력(P전지 +)은 전자 제어 수단(72)에 의해 추정되고 기억된다. 예를 들면, 상기 연료의 유량은 상기 개질기(42)의 배출구에 배치된 적합한 포착기에 의해서 측정되며, 이어서 그 측정값은 전자 제어 유닛(72)으로 전송된다.
또한, 전기 모터(10)에 의해 순간적으로 소모되는 전력(P모터 -)도 전자 제어 유닛(72)에 의해서, 예컨대 운전자에 의해 작동되는 가속 페달(70)의 위치에서부터 추정되고 기억된다.
마지막으로, 차량의 전기 설비(68)에 의해서 순간적으로 소모되는 전력(P설비 -)은 다양한 포착기(도시 생략)에 의해서 측정된 후에 전기 연결부를 통해서 전자 제어 유닛(72)로 전송된 측정값으로부터 전자 제어 유닛(72)에 의해 추정되고 기억된다.
이어서, 상기 방법의 계산 단계 (b) 동안에는, 상기 잠재적인 전력(P전지 +)과 상기 추정된 소모 전력의 합계(P모터 - + P설비 -) 사이의 차이로부터 얻어지는 회수 가능한 전력 또는 과잉량의 전력(P회수)을 전자 제어 유닛(72)에 의해서 상기 세가지 유형의 기억된 수치들로부터 계산한다.
실제로, 과잉량의 전력(P회수)은 개질기(42)에 의해 생성되는 과량의 연료로부터 차량이 회수할 수 있는 전력이 된다.
상기 계산된 값이 0보다 작거나 같을 경우에는, 개질기(42)가 더 이상 연료를 과량으로 공급하지 않으므로, 연료 전지(14)는 회수 가능한 전기 에너지를 더 이상 공급할 수 없다.
역으로, 상기 계산된 수치가 0보다 클 경우에는, 개질기(42)가 연료를 과량으로 공급하므로, 연료 전지(14)에 의해서 차량에 과잉량의 전기 에너지가 공급될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 어느 정도는 상기 단계 (b)의 결과로서, 차량이 에너지 회수 제동에 의해서 에너지를 생성할 수 있는지 여부를 결정할 필요가 있다.
상기 전기 모터(10)에 의해 소모되는 전력(P모터 -)이 0이고, 상기 차량의 속력(V)이 정확히 0보다 클 경우에는, 차량은 에너지 회수성 제동 상태로 존재하게 된다. 그러므로, 중간 단계 (b')를 전자 제어 유닛(72)에 의해 개시함으로써, 상기 회수 가능한 전력(P제동 +)을 에너지 회수성 제동 상태에서 추정한다.
그렇지 않을 경우에는, 차량은 에너지 회수성 제동 단계로 존재하지 않는 것으로 간주되고, 전자 제어 유닛(72)에 의해서 상기 단계 (c)가 바로 개시된다.
상기 중간 단계 (b') 동안에는, 에너지 회수성 제동시에 전기 모터(10)가 공급할 수 있는 전력(P제동 +)이 전자 제어 유닛(17)에 의해 추정된다. 이와 같은 계산에는 차량의 속력(V), 즉 통행자의 안전과 인간 공학적 특징이 고려된다. 이어서, 이와 같이 추정된 압력(P제동 +)을 앞서 계산된 회수 가능한 전력(P회수)에 합산한다. 그 합계가 차량에 의해 회수 가능한 새로운 전력값(P회수)을 이루게 된다.
이어서, 상기 단계 (c) 동안에는, 차량에서 전기 에너지를 회수할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 전자 제어 유닛(72)으로 테스트를 수행한다. 이어서, 회수 가능한 전력(P회수)이 정확히 한계값, 본 실시예에서는 0보다 큰 경우라면, 전자 제어 유닛(72)은 단계 (c)의 절차를 개시한다. 그렇지 않은 경우라면, 회수될 에너지가 없으므로, 전자 제어 유닛(72)은 상기 방법을 중단하고 재개시하게 된다.
차량에서 에너지의 순간 저장 용량(C)은 전자 제어 유닛(72)에 의해 결정된다.
상기 단계 동안에, 보조 구동 배터리(16)에서 충전될 수 있는 전력(C1)은 예컨대 배터리(16)의 충전 상태 및 그 온도에 기초하여 전자 제어 유닛(72)에 의해 계산된다.
운전자가 공기 조절 장치를 작동시켰지만 공기 조절 압축기가 정지된 경우, 그리고 축열기(76)가 최저 온도 한계에 도달하지 않은 경우라면, 최저 온도 한계까지 축열기(76)를 냉각시키기 위해서 공기 조절 장치의 압축기(82)에 의해 소요되는 전력(C2)이 전자 제어 유닛(72)에 의해서 계산된다.
진공 축적기(80)의 내부 압력이 최대 압력 한계보다 큰 경우라면, 진공 축적기(80)의 압력을 최저 압력 한계까지 하강시키기 위해서 진공 펌프(86)에 의해 소요되는 전력(C3)이 전자 제어 유닛(72)에 의해 계산된다.
축압기(78)의 내부 압력이 최저 압력 한계보다 낮은 경우에는, 축압기(78)의 내부 압력을 최대 압력 한계까지 상승시키기 위해서 진공 펌프(84)에 의해 소요되는 전력(C4)이 전자 제어 유닛(72)에 의해서 계산된다.
따라서, 차량에서 에너지의 순간 저장 용량(C)은 전력(C1+C2+C3+C4)의 합계와 같다.
마지막으로, 순간적으로 회수 가능한 전력(P회수)을 전자 제어 유닛(72)에 의해서 순간 저장 용량(C)과 비교한다.
상기 저장 용량(C)이 회수 가능한 전력(P회수)보다 클 경우에는, 저장 단계 (d)가 시작된다. 전자 제어 유닛(72)은 전기 모터(10)에 의해 공급되는 전기 에너지를 이용함으로써, 또한 연료 전지(14)에 과량의 연료를 전부 공급함으로써 에너지 저장 영역(16, 76, 78, 80)을 충전시키도록 제어한다.
그렇지 않다면, 상기 분배 단계 (e)가 개시된다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 전자 제어 유닛(72)은 전기 모터(10)에 의해 공급된 전력(P제동 +)을 차량의 다양한 에너지 저장 영역(16, 76, 78, 80)에 분배하도록 제어한다.
이어서, 상기 순간 저장 용량(C)이 항상 0보다 큰 경우, 전자 제어 유닛(72)은 연료 전지(14)에 에너지 보유량을 완전하게 재충전시키는데 필요한 양의 연료를 공급하도록 제어하고, 나머지 과량의 연료는 보일러에 급송할 목적으로 우회 도관(74)을 통해서 개질기(42)를 향해 직접 우회 공급한다.
그렇지 않다면, 과량의 연료를 전부 보일러에 급송할 목적으로 우회 도관(74)을 통해서 개질기(42)를 향해 직접 우회 공급한다.
본 발명의 방법의 사이클의 최종 단계에서, 모든 값들은 0으로 다시 초기화되고, 본 발명의 방법은 차량 전체가 정지될 때까지 반복된다.
도시되지 않은 본 발명의 다른 실시예에서, 우회 도관(74)를 통해 우회되는 과량의 연료는, 연료를 일시적으로 저장하는 저장기까지 전달된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 하나 이상의 전기 모터를 구비한 차량에서 전기 에너지를 회수하는 방법을 제공한다.

Claims (9)

  1. 하나 이상의 전기 모터(10)에 의해 구동되는 차량에서 전기 에너지를 회수하는 방법에 관한 것으로서,
    상기 방법은 전기 모터(10) 및 전기 설비(68)에 전력을 공급하는 연료 전지(14)를 포함하는 유형의 것이고, 상기 연료 전지(14)에는 수소(H2)와 같은 연료가 개질기(reformer)(42)를 통해서 공급되며, 상기 개질기(42)에서 연료의 유량은 상기 전기 모터(10)의 전기 소모량의 함수로서 제어되고, 상기 개질기(42)는 상기 전기 모터(10)의 소모량(P모터 -)이 저하될 경우에 일시적으로 과량의 연료를 생성하며, 또한 상기 방법은 에너지 저장 수단(16, 76, 78, 80)을 포함하는 유형의 것인 방법에 있어서,
    (a) 연료 전지(14)가 순간적으로 공급할 수 있는 잠재적인 전력(P전지 +)을 개질기(42)에 의해 생성되는 연료의 유량의 함수로서 계산하고, 전기 모터(10) 및 기타 설비에 의해 순간적으로 소모되는 전력(P모터 -; P설비 -)을 추정하는 평가 단계;
    (b) 상기 잠재적인 전력(P전지 +)과 상기 추정된 소모 전력의 합계(P모터 - + P설비 -) 사이의 차이로부터 얻어지는 과잉량의 전력(P회수)을 계산하는 단계;
    (c) 상기 과잉량의 전력(P회수)이 정확히 양의 값인 경우에 시동되는 상기 저장 수단(16, 76, 78, 80)의 순간 전력 저장 용량(C)을 결정하는 단계;
    (d) 상기 순간 저장 용량(C)이 상기 과잉량의 전력(P회수)보다 크거나 같을 경우에 개시되는 저장 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지(14)에는 과량의 연료를 전부 공급하고, 상기 과잉량의 전력(P회수)은 상기 저장 수단(16, 76, 78, 80)에 의해 저장하는 단계; 및
    (e) 상기 저장 용량(C)이 상기 과잉량의 전력(P회수)보다 작거나 같을 경우에 개시되는 과량의 연료의 분배 단계로서, 그 동안에 상기 연료 전지(14)에는 상기 저장 수단(16, 76, 78, 80)의 에너지 보유량을 재구성하는데 필요한 과량의 연료 중 일부를 공급하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계산 단계 (b)와 상기 결정 단계 (c) 사이에, 중간 회수 제동 단계 (b')를 더 포함하며, 상기 단계 (b')는 상기 전기 모터(10)에 의해 소모되는 전력(P모터 -)이 0이고, 상기 전기 모터(10)가 전류의 발전기로서 작용할 수 있는 경우에 개시되며, 상기 단계 (b') 동안에는 상기 전기 모터(10)에 의해 생성될 수 있는 전력(P제동)을 추정한 후에 상기 회수 가능한 전력(P회수)과 합산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저장 단계 (d) 및 상기 분배 단계 (e) 동안에는, 상기 전기 모터(10)에 의해 생성되는 전력(P제동)을 상기 연료 전지(14)에 의해 생성되는 과잉량의 전력(P전지 +-P모터 --P설비 -)에 대하여 우선적으로 상기 저장 수단(16, 76, 78, 80)에 저장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과량의 연료 중 나머지 부분은 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 과량의 연료 중 나머지 부분은 저장기에 저장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 수단은 전기 배터리(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 수단은 축열기(76)를 포함하고, 상기 축열기에는 과잉량의 전력(P회수)이 압축 냉장 장치(82)에 의해서 발열 에너지의 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 수단은 유체를 함유하는 용기(78, 80)를 포함하고, 상기 용기에는 상기 유체의 압력을 조절하는 펌프(84, 86)를 통해서 상기 에너지가 기계적인 에너지의 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 하나 이상의 전기 모터(10)에 의해 구동되는 차량에서 전기 에너지를 회수하는 장치로서,
    상기 장치는 전기 모터(10) 및 전기 설비(68)에 전기를 공급하는 연료 전지(14)를 포함하고, 상기 연료 전지에는 수소(H2)와 같은 연료가 개질기(42)를 통해서 공급되며, 상기 개질기(42)에서 연료의 유량은 상기 전기 모터의 전기 소모량(P모터 -)의 함수로서 제어되고, 상기 개질기(42)는 상기 전기 모터(10)의 소모량(P모터 -)이 감소하는 동안에 일시적으로 과량의 연료를 생성하며, 또한 상기 장치는 에너지 저장 수단(16, 76, 78, 80)을 포함하는 유형의 것인 장치에 있어서,
    상기 구동 모터에 의해 생성되는 과잉량의 회수된 에너지 및 상기 개질기에 의해서 생성되는 과잉량의 개질휘발유를 이용하여 연료 전지에 의해 공급되는 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
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