KR20120053137A - 연료전지 시스템의 온도제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 온도제어방법에 관한 것으로서, 스택 온도 제어를 위해 스택 냉각수 출구온도, 차속, 스택 발열량 등의 조건에 따라 냉각수 펌프 및 냉각팬의 회전속도를 제어하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 냉각팬과 냉각수 펌프의 운전 최적화를 통해 소모 동력을 최소화하면서 플러딩과 드라이아웃 발생을 방지하고 스택 성능 및 물 제거 특성의 개선할 수 있는 펌프 및 팬의 제어방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 스택 냉각수 출구온도에 대해 단계별 구간 및 출구온도 단계별 회전속도 목표치가 설정된 상태에서, 수온센서로부터 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 입력받는 동시에, 상기 수온센서에 의해 검출된 현재의 스택 냉각수 출구온도에 따라 출구온도 단계별 설정된 목표치로 냉각수 펌프 및 냉각팬의 회전속도를 PI 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법이 개시된다.

Description

연료전지 시스템의 온도제어방법{Method for controlling temperature in fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각팬과 냉각수 펌프의 운전 최적화를 통해 소모 동력을 최소화하면서 플러딩과 드라이아웃 발생을 방지하고 스택 성능 및 물 제거 특성의 개선할 수 있는 펌프 및 팬의 제어방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키고 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 스택 온도를 적정 온도로 유지하기 위한 시스템 구성이 필수적이다.
통상 차량용 연료전지 시스템에서 스택 온도를 제어하기 위한 시스템(온도제어시스템/냉각시스템)으로는 스택 내 분리판 채널을 통해 물을 순환시켜 제어하는 방식이 이용되고 있다.
이러한 연료전지 시스템의 온도제어시스템을 도 1에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 온도제어시스템은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(20) 및 냉각팬(21)과, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(10)과 라디에이터(20) 사이에 구성되는 냉각수 라인(31), 라디에이터(20)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인(32) 및 3-웨이(3-way) 밸브(40), 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인(31)을 통해 압송하기 위한 냉각수 펌프(50)를 주된 구성으로 한다.
여기서, 바이패스라인(32)은 라디에이터 상, 하류측 냉각수 라인에서 분기되어 라디에이터(20)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키는 냉각수 라인이고, 3-웨이 밸브(40)는 라디에이터를 통과하는 메인 라인과 라디에이터를 통과하지 않는 바이패스라인(32) 사이에서 냉각수의 흐름을 선택적으로 제어하는 역할을 하게 된다.
한편, 연료전지 시스템은 외부에서 수소와 공기를 공급받아 스택 내부에서 전기와 물을 발생시키는 단순한 시스템이지만, 실제적으로는 전기화학 반응의 부산물인 물이 온도와 압력 등의 실시간 운전조건에 따라 수증기, 포화액, 얼음 등의 형태로 변동되어 물의 전달 특성이 변하고, 또한 이 물이 분리판의 채널, 기체확산층, 촉매층, 전해질막을 통과하는 가스와 전자의 전달 특성에도 영향을 미친다.
이에 스택에서 소위 물이 넘치는 플러딩(Flooding) 현상과 물이 부족한 드라이아웃(Dry-out) 현상이 양립하고 있다.
이를 개선하기 위해서는 스택의 온도 제어가 가장 핵심적인 이슈이며, 냉각수 펌프와 냉각팬의 운전 최적화를 통해 소모 동력을 최소화하면서 플러딩과 드라이아웃을 개선할 수 있는 제어로직 개발이 필수적이다.
선행 특허로 US 6,087,028에는 스택 전후단의 냉각수 온도차를 측정하는 스택온도분포측정기와 부하상태측정기를 이용하여 스택 입출구의 온도차를 특정 온도 이내로 유지하기 위한 펌프 및 팬 제어 방법이 개시되어 있다.
여기서, 스택 전후단의 온도차가 설정치보다 클 경우 펌프의 작동전압을 증가시키며, 흡입공기상태측정기의 유량이 설정치보다 클 경우 라디에이터로 들어오는 외부 공기를 제한한다(팬을 역으로 회전시킴).
그러나, 스택 전후단의 온도차를 설정치 이내로 유지하는 방식은 펌프와 팬을 과도하게 운전해야만 구현 가능하므로 연비 측면에서 분리해지는 문제점이 있다.
또한 저온 운전시에는 스택 전후단의 온도차를 오히려 키울 경우 스택 내 물 제거 측면에서 유리하므로 동력을 과도하게 소모하면서 전후단의 온도차를 제한하는 것은 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 냉각팬과 냉각수 펌프의 운전 최적화를 통해 소모 동력을 최소화하면서 플러딩과 드라이아웃 발생을 방지하고 스택 성능 및 물 제거 특성의 개선할 수 있는 펌프 및 팬의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 스택 냉각수 출구온도에 대해 단계별 구간이 설정되고 출구온도 단계별 회전속도 목표치가 설정된 상태에서, 수온센서로부터 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 입력받는 동시에, 상기 수온센서에 의해 검출된 현재의 스택 냉각수 출구온도에 따라 출구온도 단계별 설정된 목표치로 냉각수 펌프 및 냉각팬의 회전속도를 PI 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 PI 제어 과정에서 스택 냉각수 출구온도가 설정된 하한 온도 이하인 저온 조건에서는 냉각수 펌프의 회전속도를 최소 회전속도로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 차속에 대해 단계별 구간이 설정되고 차속 단계별 기준온도가 설정된 상태에서, 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 냉각수 펌프를 먼저 구동시켜 회전속도를 단계별 PI 제어한 뒤, 스택 냉각수 출구온도가 현재의 차속이 해당하는 차속 단계의 기준온도 이상이 될 경우 냉각팬의 구동을 개시하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 냉각팬의 구동 개시를 결정하기 위한 기준온도를 차속 단계별로 달리 설정하고, 차속이 증가할수록 높은 기준온도를 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한 미리 설정된 지속시간 동안 스택 발열량이 설정된 기준값 이상이면서 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 이상인 상태가 지속되면 피드포워드 제어 조건으로 판정하여 상기 PI 제어값과 설정된 피드포워드 제어값 중 최대값을 명령치로 하여 펌프 및 팬의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 스택 발열량이 기준값 미만이거나 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 미만인 상태가 미리 설정된 지속시간 동안 지속되면 피드포워드 제어 해제 조건으로 판정하여 냉각수 펌프 및 냉각팬의 PI 제어가 수행되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 온도제어방법에서는, 연료전지 스택의 냉각수 출구온도 단계에 따라 PI 제어를 수행함과 더불어, 스택 저온 상태에서 펌프를 먼저 구동한 뒤 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 각 차속 단계별 설정된 기준온도 이상인 조건에서 팬의 구동을 개시하고, 차속이 증가할수록 팬의 구동 개시를 위한 높은 기준온도를 적용함으로써, 주행풍을 최대한 활용할 수 있게 되는 바, 팬의 구동 시간 및 소모 동력을 줄여 연비를 개선할 수 있게 된다.
또한 저온 운전시 펌프 회전속도를 최소 회전속도로 제어하여 스택 입출구 온도차 활용을 통한 스택 성능 및 물 제거 특성의 개선을 기대할 수 있다(플러딩 및 냉시동시 유리).
또한 스택 운전상태에 따라 펌프 및 팬의 피드포워드 제어가 수행되도록 함으로써 발진/추월 등의 고출력시 온도 피크에 의한 스택 내 드라이아웃 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 온도제어시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 온도제어방법을 나타내는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 온도제어방법에서 냉각수 펌프 및 냉각팬이 제어되는 상태를 예시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 제어방법 적용시 얻을 수 있는 효과를 보여주는 시험 데이터이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 시스템의 스택 온도를 적정 온도로 제어하기 위한 온도제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택 온도 제어를 위해 스택 냉각수 출구온도, 차속, 스택 발열량 등의 조건에 따라 냉각수 펌프 및 냉각팬(라디에이터 팬)의 회전속도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 냉각수 펌프 및 냉각팬의 효율적인 제어를 통해 이들의 소모 동력을 최소화하면서 스택 내 플러딩 현상 및 드라이아웃 현상을 효과적으로 개선할 수 있는 방법에 주안점을 둔 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 온도제어방법을 나타내는 도면이고, 도 3과 도 4는 본 발명에 따른 온도제어방법에서 냉각수 펌프 및 냉각팬이 제어되는 상태를 예시한 도면이다.
이하, 본 명세서에서 스택 냉각수 출구온도는 연료전지 스택의 냉각수 출구측에서 수온센서에 의해 검출되는 냉각수 온도를 의미하며, 냉각수 펌프와 냉각팬은 각각 펌프와 팬으로 약칭하여 설명한다.
또한 본 발명에 따른 제어 과정의 주체는 통상의 연료전지 차량에서 펌프와 팬의 구동 제어를 담당하는 제어기가 될 수 있으며, 차량 제어기, 연료전지 시스템 제어기, 전력분배 제어기 등 연료전지 차량에 구비되는 제어기 중 어느 하나에 의해, 또는 복수의 제어기 간 협조 제어에 의해 수행될 수 있음을 밝혀둔다.
예컨대, 상기 제어기가 수온센서 및 차속센서의 검출값을 입력받아 후술하는 바의 제어 과정을 수행하며, 또한 스택 운전상태로부터 계산된 스택 발열량을 활용한 제어 과정을 수행한다.
스택 발열량 계산과 관련해서는 다양한 방식의 계산 과정이 알려져 있고 당해 기술분야에서 널리 알려진 기술적 사항이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 펌프 및 팬의 제어방법은 다음과 같은 특징을 가진다.
1) 정상 조건 제어
스택 냉각수 출구온도에 대해 단계별 구간이 설정된 상태에서(예, TH1 ~ TH6), 정상 조건(피드포워드 제어 조건 미충족)시 펌프 및 팬의 회전속도(rpm)에 대해 현재의 스택 냉각수 출구온도 단계에 따른 단계별 PI(Proportional Integral) 제어를 수행한다. 정상 조건시 수행되는 PI 제어는 스택 온도(스택 냉각수 출구온도)를 일정 수준(예, 70℃) 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. 또한 팬의 경우 온/오프를 결정하는 기준온도를 차속에 따라 가변시켜 제어한다.
2) 스택 발열량 기반 펌프 및 팬 피드포워드(Feed Forward) 제어
스택 발열량과 스택 냉각수 출구온도, 지속시간에 기초하여 현재의 스택 운전상태가 피드포워드 제어 조건에 해당하는지를 판정하고, 피드포워드 제어 조건을 만족하면 정상 조건의 PI 제어값과 피드포워드 제어값 중 최대값을 명령치로 하여 펌프 및 팬의 회전속도를 제어한다.
3) 펌프 및 팬 사용의 최소화
차량 주행시 발생하는 주행풍을 최대한 활용하기 위해 선 펌프 제어 및 후 팬 제어가 적용된다. 즉, 스택 냉각수 출구온도의 저온 상태에서 펌프를 먼저 구동시켜 제어한 뒤 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 팬 제어를 수행하는 것이다. 또한 스택 냉각수 출구온도가 설정된 하한 온도 이하인 저온 조건에서는 펌프 회전속도를 최소 회전속도로 제어한다.
상기와 같은 본 발명의 제어방법에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 예시한 바와 같이, 스택 냉각수 출구온도에 대해 미리 설정된 단계별 구간(TH1<TH2<TH3<TH4<TH5<TH6)이 나타나 있다.
먼저, 정상 조건 제어 과정에 대해 설명하면, 스택 냉각수 출구온도에 대해 단계별 구간이 설정되고 출구온도 단계별 회전속도 목표치가 설정된 상태에서, 수온센서로부터 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 입력받는 동시에, 스택 냉각수 출구온도를 일정 수준 온도 이하(출구온도≤70℃)로 유지하기 위해, 상기 수온센서에 의해 검출된 현재의 스택 냉각수 출구온도에 따라 출구온도 단계별 설정된 목표치로 펌프 및 팬의 회전속도를 PI 제어하게 된다.
이러한 PI 제어에서 스택 냉각수 출구온도가 설정된 하한 온도(TH1) 이하인 저온 조건에서는 펌프 회전속도를 최소 회전속도로 제어하고, 또한 기본적으로 스택 냉각수 출구온도가 설정된 상한 온도(TH4) 이상인 고온 조건에서는 펌프 회전속도를 최대 회전속도로 제어하게 된다.
또한 정상 조건시 낮은 온도에서 펌프를 먼저 구동시켜 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 펌프 회전속도를 단계별 PI 제어하되, 차속에 대해 단계별 구간을 설정한 상태에서(차속<L / L≤차속<H / H≤차속) 스택 냉각수 출구온도가 현재의 차속(차속센서의 검출값)이 해당하는 차속 단계의 설정된 기준온도 이상이 될 경우 냉각팬의 구동을 개시한다.
이때, 팬의 구동 개시를 결정하는 기준온도가 차속 단계별로 각각 달리 설정하여 적용되되, 차속이 증가할수록 높은 기준온도가 적용된다.
예컨대, 현재의 차속이 L 미만인 저속 상태인 경우(차속<L) 현재의 스택 냉각수 출구온도가 기준온도 TH3 이상인 조건에서 팬의 구동을 개시하고, L 이상이면서 H 미만인 경우(L≤차속<H) 스택 냉각수 출구온도가 기준온도 TH4 이상인 조건에서 팬의 구동을 개시한다.
또한 팬이 구동되는 상태에서 스택 냉각수 출구온도가 기준온도 TH5 미만인 조건이면서 현재의 차속이 H 이상인 고속 상태인 경우(H≤차속) 팬의 구동을 중지시킨다.
물론, 팬의 구동시 전술한 바와 같이 현재의 스택 냉각수 출구온도에 기초하여 팬의 회전속도를 출구온도 단계별 목표치로 PI 제어한다.
이와 같이 본 발명에서는 스택 저온 상태에서 펌프를 먼저 구동한 뒤 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 각 차속 단계별 설정된 기준온도 이상인 조건에서 팬의 구동을 개시하고, 특히 차속이 증가할수록 팬의 구동 개시를 위한 높은 기준온도를 적용함으로써, 주행풍을 최대한 활용할 수 있게 되는 바, 팬의 구동 시간 및 소모 동력을 줄여 연비를 개선할 수 있게 된다.
상기한 PI 제어가 수행됨에 있어서 출구온도 단계(TH1 ~ TH6) 및 차속 단계(L,H) 기준에 히스테리시스(Hysteresis)가 적용될 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 PI 제어가 수행되는 상술한 정상 조건과 피드포워드 제어가 수행되는 피드포워드 제어 조건을 구분하여, 현재의 스택 운전상태가 정해진 피드포워드 제어 조건을 충족하면, 정상 조건의 PI 제어값과 피드포워드 제어값 중 최대값을 명령치로 하여 펌프 및 팬의 회전속도를 제어한다.
여기서, 펌프 피드포워드 제어는 고출력시(차량 발진/추월시) 스택 내부 온도가 순간 상승하는 피크 발생으로 인해 드라이아웃 현상이 발생하는 것을 미연에 방지할 목적으로 수행된다.
피드포워드 제어 조건에 대해 설명하면, 펌프 및 팬의 구동 제어에 있어서 제어기가 현재의 스택 발열량과 스택 냉각수 출구온도에 기초하여 피드포워드 제어 조건을 충족하는지를 판정하게 되는데, 미리 설정된 지속시간 동안 스택 발열량이 설정된 기준값 이상이면서 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 이상이면 피드포워드 제어 조건을 충족하는 것을 판정한다.
예컨대, 펌프에 대하여 스택 발열량이 기준값 P1(kW) 이상이면서 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 T1(℃) 이상이고 이 상태가 설정된 지속시간 S1 동안 지속되는 경우 펌프 피드포워드 제어 조건을 충족하는 것으로 판정하게 된다.
또한 팬에 대하여 스택 발열량이 기준값 P2(kW) 이상이면서 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 T2(℃) 이상이고 이 상태가 설정된 지속시간 S3 동안 지속되는 경우 팬 피드포워드 제어 조건을 충족하는 것으로 판정하게 된다.
반면, 피드포워드 제어 해제 역시 스택 운전상태로부터 판정하는데, 동일한 변수가 적용될 수 있는 바, 미리 설정된 지속시간 동안 스택 발열량과 스택 냉각수 출구온도 중 어느 하나가 상기한 피드포워드 제어 조건을 벗어나면 피드포워드 제어를 해제하게 된다.
즉, 펌프에 대하여 스택 발열량이 기준값 P1(kW) 미만이거나 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 T1(℃) 미만인 상태가 설정된 지속시간 S2 동안 지속되는 경우 펌프 피드포워드 제어를 해제하게 된다.
또한 팬에 대하여 스택 발열량이 기준값 P2(kW) 미만이거나 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 T2(℃) 미만인 상태가 설정된 지속시간 S4 동안 지속되는 경우 펌프 피드포워드 제어를 해제하게 된다.
상기한 피드포워드 제어 조건을 만족하는 경우라면, 펌프 및 팬의 회전속도 명령치를 상술한 정상 조건의 PI 제어값과 피드포워드 제어값 중 최대값으로 하여 펌프 및 팬을 구동 제어하게 된다.
여기서, 피드포워드 제어값은 선행 테스트를 통해 획득된 스택 발열량, 출구온도 등에 따른 맵 데이터 값 또는 상수치가 될 수 있다.
도 3은 PI 제어가 수행되는 정상 조건시의 펌프 및 팬 명령치를, 도 4는 피드포워드 제어 조건시 펌프 및 팬 명령치를 예시한 것으로, 스택의 운전상태가 상술한 피드포워드 제어 조건을 만족하는 경우 두 명령치(PI 제어값, 피드포워드 제어값) 중 최대값이 실제 명령치가 된다.
도 3을 참조하면, 현재의 스택 냉각수 출구온도가 설정된 하한 온도(TH1) 이하인 저온 조건에서 펌프 회전속도가 최소 회전속도로 제어됨을 볼 수 있고, 설정된 상한 온도(TH4) 이상인 고온 조건에서 펌프 회전속도가 최대 회전속도로 제어됨을 볼 수 있다.
또한 현재의 스택 냉각수 출구온도에 따라 펌프와 팬의 회전속도가 PI 제어되고 있고, 특히 저온 상태에서 펌프가 먼저 구동된 후 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 출구온도가 기준온도 이상일 때 팬이 구동되어 PI 제어됨을 볼 수 있다.
즉, 차속이 저속 조건(차속<L)이면서 출구온도가 기준온도 TH3 미만인 경우 팬이 구동되지 않으면서 펌프만 구동되고, 차속 조건에 따라 출구온도가 차속 단계별 기준온도(도 3의 예에서 TH4) 이상일 때 팬이 구동되어 PI 제어된 뒤, 차속이 고속인 조건(차속≥H)이 되면 팬의 구동이 중지된다.
또한 도 4에서는 펌프 및 팬의 피드포워드 제어 시작을 위한 스택 발열량 및 스택 냉각수 출구온도 조건을 만족한 상태(상술한 바와 같이 P1,T1 이상 / P2,T2 이상)가 일정 지속시간(S1,S3) 동안 지속되어, 회전속도의 피드포워드 제어가 시작될 수 있는 시점을 보여주고 있다.
이와 더불어, 펌프 및 팬의 피드포워드 제어 해제를 위한 스택 발열량 또는 스택 냉각수 출구온도가 해제 조건을 만족한 상태(상기 조건을 벗어나는 P1 미만이거나 T1 미만 / P2 미만이거나 T2 미만)가 일정 지속시간(S2,S4) 동안 지속되어, 회전속도의 피드포워드 제어가 해제되는 시점을 보여주고 있다.
본 발명에서 팬의 경우 전술한 바와 같이 차속 조건 및 기준온도에 따라 팬 속도가 가변되고, 특히 차속 조건에 따라 팬 작동 시점이 변경된다. 또한 도 2 및 도 3에서 팬 속도가 차속과 무관하게 Y1 ~ Y2(TH4에서 TH5 구간), Y2 ~ Y3(TH5에서 TH6 구간)로 구동되는 것으로 예시하였으나, 차속에 따라 각기 다른 범위로 설정될 수도 있다.
예를 들어, 도 2에서 차속<L인 경우 'Y2_L ~ Y3_L'로 , L≤차속<H인 경우 'Y2_M ~ Y3_M'로, H≤차속인 경우 'Y2_H ~ Y3_H'로 설정하는 것이 가능하다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 펌프 및 팬의 제어방법을 상세히 설명하였으며, 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 제어방법 적용시 얻을 수 있는 효과를 보여주는 시험 데이터(0→100kph 연속 발진 차량 시험 결과)이다.
도 5 내지 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에서는 종래에 비해 팬의 사용을 최소로 줄이면서(주행풍 최대 활용), 고출력시 전류-전압 특성이 개선될 수 있고, 스택 냉각수 출구온도 피크도 저하됨을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 제어방법에서는 주행풍을 최대한 활용하여 펌프 및 팬의 사용을 최소화할 수 있으므로 연비 개선의 이점이 있게 되고, 저온 운전시 펌프 회전속도를 최소 회전속도로 제어하여 스택 입출구 온도차 활용을 통한 스택 성능 및 물 제거 특성의 개선을 기대할 수 있으며(플러딩 및 냉시동시 유리), 발진/추월 등의 고출력시 온도 피크에 의한 스택 내 드라이아웃 현상을 미연에 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 20 ; 라디에이터
21 : 냉각팬(라디에이터팬) 31 : 냉각수 라인
32 : 바이패스라인 40 : 3-웨이 밸브
50 : 냉각수 펌프

Claims (6)

  1. 스택 냉각수 출구온도에 대해 단계별 구간이 설정되고 출구온도 단계별 회전속도 목표치가 설정된 상태에서, 수온센서로부터 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 입력받는 동시에, 상기 수온센서에 의해 검출된 현재의 스택 냉각수 출구온도에 따라 출구온도 단계별 설정된 목표치로 냉각수 펌프 및 냉각팬의 회전속도를 PI 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 PI 제어 과정에서 스택 냉각수 출구온도가 설정된 하한 온도 이하인 저온 조건에서는 냉각수 펌프의 회전속도를 최소 회전속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    차속에 대해 단계별 구간이 설정되고 차속 단계별 기준온도가 설정된 상태에서, 스택 냉각수 출구온도가 상승함에 따라 냉각수 펌프를 먼저 구동시켜 회전속도를 단계별 PI 제어한 뒤, 스택 냉각수 출구온도가 현재의 차속이 해당하는 차속 단계의 기준온도 이상이 될 경우 냉각팬의 구동을 개시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각팬의 구동 개시를 결정하기 위한 기준온도를 차속 단계별로 달리 설정하고, 차속이 증가할수록 높은 기준온도를 적용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    미리 설정된 지속시간 동안 스택 발열량이 설정된 기준값 이상이면서 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 이상인 상태가 지속되면 피드포워드 제어 조건으로 판정하여 상기 PI 제어값과 피드포워드 제어값 중 최대값을 명령치로 하여 펌프 및 팬의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    스택 발열량이 기준값 미만이거나 스택 냉각수 출구온도가 설정온도 미만인 상태가 미리 설정된 지속시간 동안 지속되면 피드포워드 제어 해제 조건으로 판정하여 냉각수 펌프 및 냉각팬의 PI 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 온도제어방법.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101449165B1 (ko) * 2012-12-14 2014-10-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉각수 온도 제어 방법
KR20160007828A (ko) * 2014-07-02 2016-01-21 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
KR20160022028A (ko) 2014-08-19 2016-02-29 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 오토크루즈 모드시 제어 방법
KR20160054070A (ko) * 2014-11-05 2016-05-16 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 온도 제어 방법
DE102015209242A1 (de) 2014-12-15 2016-06-16 Hyundai Motor Company System und verfahren zum regeln der leistung einer brennstoffzelle
US9770999B2 (en) 2015-12-14 2017-09-26 Hyundai Motor Company Control method of cooling water pump of fuel cell vehicle
US10243225B2 (en) 2015-07-09 2019-03-26 Hyundai Motor Company Cooling system and operating method of cooling system
KR20220105529A (ko) * 2021-01-20 2022-07-27 현대모비스 주식회사 연료전지 시스템에서 성능의 최적화를 위한 방법
KR20220146968A (ko) * 2021-04-26 2022-11-02 현대모비스 주식회사 연료전지 시스템에서 효율 개선을 위한 방법

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6071388B2 (ja) * 2012-09-28 2017-02-01 ダイハツ工業株式会社 燃料電池システムの冷却制御装置
CN103677001B (zh) * 2013-12-02 2015-10-14 长沙中联重科环卫机械有限公司 电动车制冷控制方法、装置及系统、电动车
US10059222B2 (en) 2014-04-15 2018-08-28 Ford Global Technologies, Llc Battery temperature estimation system
US20150291054A1 (en) * 2014-04-15 2015-10-15 Ford Global Technologies, Llc Traction Battery Air Thermal Management Control System
NO3136728T3 (ko) * 2014-06-30 2018-07-28
CN104795580B (zh) * 2014-12-15 2017-02-22 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池系统的冷却子系统启动方法
KR101905951B1 (ko) * 2016-04-18 2018-10-08 현대자동차주식회사 연료전지차량의 시동 제어 방법
US10367215B2 (en) * 2016-05-23 2019-07-30 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with variable auxiliary bus voltage and method of operating thereof
CN108116244B (zh) * 2016-11-28 2021-07-16 民航协发机场设备有限公司 散热系统及具有该散热系统的车辆
KR102324752B1 (ko) 2017-03-03 2021-11-10 현대자동차주식회사 연료전지의 냉각 제어방법 및 제어시스템
CN107132865B (zh) * 2017-04-07 2020-03-27 上海蔚来汽车有限公司 试验车辆的储能单元的主动冷却功率标定方法及系统
KR102502174B1 (ko) * 2018-04-11 2023-02-21 한온시스템 주식회사 자동차의 통합 열관리 시스템
CN110239383A (zh) * 2019-05-31 2019-09-17 南京康尼机电股份有限公司 新能源汽车大功率充电冷却系统及其监测方法
JP7382184B2 (ja) * 2019-09-06 2023-11-16 株式会社Subaru 燃料電池システム、制御装置および制御方法
JP7163897B2 (ja) * 2019-11-05 2022-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN112909308A (zh) * 2019-12-03 2021-06-04 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池的温度控制方法
CN111082107B (zh) * 2019-12-31 2021-08-20 潍柴动力股份有限公司 一种热管理方法及相关装置
CN111600052B (zh) * 2020-05-29 2022-04-26 风氢扬氢能科技(上海)有限公司 一种燃料电池的电堆温度控制方法及控制装置
JP7463955B2 (ja) 2020-12-02 2024-04-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN113013441B (zh) * 2021-02-08 2022-09-06 一汽解放汽车有限公司 燃料电池系统温度控制方法
CN113359411B (zh) * 2021-05-14 2022-06-14 湘潭大学 一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统及控制方法
CN113903946B (zh) * 2021-09-29 2023-02-24 北京亿华通科技股份有限公司 一种车载燃料电池的散热控制方法及装置
CN113903950B (zh) * 2021-12-08 2022-03-08 国家电投集团氢能科技发展有限公司 分布式空冷燃料电池系统和航天器
CN114447366A (zh) * 2021-12-28 2022-05-06 东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司 一种抑制燃料电池冷却液温度过冲方法、系统及其控制器
CN114864995A (zh) * 2022-05-20 2022-08-05 上海捷氢科技股份有限公司 一种燃料电池散热方法、装置及系统

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3769882B2 (ja) * 1997-06-06 2006-04-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池装置および燃料電池装置の温度調整方法
JP2004288516A (ja) * 2003-03-24 2004-10-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの冷却制御装置
US7465508B2 (en) * 2004-07-23 2008-12-16 General Motors Corporation Fuel cell stack temperature control system and method
DE102004037901B4 (de) * 2004-08-05 2018-07-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage
JP4496975B2 (ja) 2005-01-31 2010-07-07 日産自動車株式会社 冷却ファン制御装置
JP2006228631A (ja) 2005-02-18 2006-08-31 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの冷却制御装置
JP2006230143A (ja) 2005-02-18 2006-08-31 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池車両の冷却制御装置
JP2006228629A (ja) 2005-02-18 2006-08-31 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の冷却制御装置
JP4977956B2 (ja) 2005-02-18 2012-07-18 日産自動車株式会社 燃料電池システムの冷却制御装置
JP4407589B2 (ja) * 2005-07-29 2010-02-03 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の冷却装置
JP5083587B2 (ja) * 2005-11-21 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその温度調整方法
JP4984534B2 (ja) * 2006-01-11 2012-07-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4978037B2 (ja) * 2006-03-30 2012-07-18 株式会社日立製作所 燃料電池システム
US20080124596A1 (en) * 2006-11-03 2008-05-29 Gm Global Technology Operations, Inc. Feedback-based control of a PEM fuel cell for high temperature protection
US9437884B2 (en) * 2008-05-13 2016-09-06 GM Global Technology Operations LLC Self-tuning thermal control of an automotive fuel cell propulsion system

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101449165B1 (ko) * 2012-12-14 2014-10-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉각수 온도 제어 방법
KR20160007828A (ko) * 2014-07-02 2016-01-21 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
US10511041B2 (en) 2014-07-02 2019-12-17 Hyundai Motor Company Method of controlling operation of fuel cell system
KR20160022028A (ko) 2014-08-19 2016-02-29 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 오토크루즈 모드시 제어 방법
KR20160054070A (ko) * 2014-11-05 2016-05-16 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 온도 제어 방법
US9865888B2 (en) 2014-11-05 2018-01-09 Hyundai Motor Company System and method for controlling temperature of fuel cell stack
DE102015209242A1 (de) 2014-12-15 2016-06-16 Hyundai Motor Company System und verfahren zum regeln der leistung einer brennstoffzelle
US10243225B2 (en) 2015-07-09 2019-03-26 Hyundai Motor Company Cooling system and operating method of cooling system
US9770999B2 (en) 2015-12-14 2017-09-26 Hyundai Motor Company Control method of cooling water pump of fuel cell vehicle
KR20220105529A (ko) * 2021-01-20 2022-07-27 현대모비스 주식회사 연료전지 시스템에서 성능의 최적화를 위한 방법
US11791487B2 (en) 2021-01-20 2023-10-17 Hyundai Mobis Co., Ltd. Method for optimizing performance in fuel cell system
KR20220146968A (ko) * 2021-04-26 2022-11-02 현대모비스 주식회사 연료전지 시스템에서 효율 개선을 위한 방법

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US9722266B2 (en) 2017-08-01
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