KR20150129946A

KR20150129946A - 연료전지 과급 방법

Info

Publication number: KR20150129946A
Application number: KR1020140056666A
Authority: KR
Inventors: 이규일; 김지태; 정재원
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-23
Also published as: US20150321579A1; DE102014219118A1; US9365130B2; KR101637647B1

Abstract

가속 페달의 속도를 계산하는 연산단계; 상기 계산된 속도의 크기에 따라서 연료전지 스택의 제1출력 지령값 또는 상기 제1출력 지령값보다 작은 제2출력 지령값을 설정하는 설정단계; 및 상기 설정된 제1출력 지령값 또는 제2출력 지령값에 대응하도록 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어단계;를 포함하는 연료전지 과급 방법이 소개된다.

Description

연료전지 과급 방법{METHOD FOR FUEL CELL SUPERCHARGING}

본 발명은 연료전지 과급 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전자의 가속의지를 반영하여 과급하는 공기의 유량을 제어하는 연료전지 과급 방법에 관한 것이다.

연료전지차량은 연료전지의 파워를 통하여 모터를 구동하며, 연료전지의 파워는 수소와 산소의 반응으로 발생되는데, 산소공급은 공기블로워를 이용하여 대기 중의 공기로 공급한다. 이 때, 연료전지 스택에서의 출력은 공급된 수소와 산소에 의해 결정되며, 설정된 출력을 뽑기 위해서는 필요한 산소, 곧 대기 중의 공기가 미리 공급되어야 한다.

공기가 충분히 공급되지 않은 상태라면, 수소와 산소간의 충분한 반응이 일어나지 않아 필요한 출력을 뽑을 수 없으며, 이러한 경우 가속성능에 제한을 받게되어 상품성이 저하된다.

가속성능을 만족시키기 위해, 운전자가 가속페달을 밟을 때 공기블로워를 빠르게 구동시키면 연료전지로부터 파워를 빨리 뽑을 수 있으나, 이런 경우, 공기과급으로 인한 에너지 손실과 연료전지 스택내부의 건조를 발생시켜 스택성능이 떨어지게 되는 문제점이 있었던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2011-0036448

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 운전자의 가속의지를 판단하고, 판단된 가속 의지에 따라 연료전지 스택에 요구하는 요구전력을 다르게 설정하여 과급되는 공기의 양을 조절함으로써, 공기과급에 따른 에너지 손실 및 스택성능저하를 방지하는

연료전지 과급 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 과급 방법은 가속 페달의 속도를 계산하는 연산단계; 상기 계산된 속도의 크기에 따라서 연료전지 스택의 제1출력 지령값 또는 상기 제1출력 지령값보다 작은 제2출력 지령값을 설정하는 설정단계; 및 상기 설정된 제1출력 지령값 또는 제2출력 지령값에 대응하도록 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어단계;를 포함한다.

상기 연산단계는 계산된 속도와 미리 설정된 기준 속도를 비교하고, 계산된 속도가 상기 기준 속도보다 클 경우 현재 가속의도상태인 것으로 판단하는 가속인지단계;를 더 포함할 수 있다.

가속 페달의 답입량을 더 검출하고, 상기 가속인지단계는 검출된 가속 페달의 답입량을 미리 설정된 기준 답입량과 비교하며, 검출된 가속 페달의 답입량이 미리 설정된 기준 답입량 보다 더 작을 경우 상기 가속의도상태를 해지하는 리셋단계;를 더 포함할 수 있다.

현재 가속의도상태일 경우, 상기 설정단계는 연료전지 스택의 상기 제1출력 지령값을 설정할 수 있다.

상기 제1출력 지령값은 운전자의 요구출력값에 대응되는 값일 수 있다.

현재 가속의도상태가 아닌 경우, 상기 설정단계는 연료전지 스택의 상기 제2출력 지령값을 설정할 수 있다.

상기 제2출력 지령값은 현재 공급되는 공기 유량에 대응되는 연료전지 스택의 가용 출력값과 현재 배터리의 가용 출력값을 더한 전체 가용 출력값에 대응되는 값일 수 있다.

현재 가속의도상태가 아닌 경우, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값 보다 큰지 여부를 비교하고, 큰 경우, 상기 설정단계는 상기 제2출력 지령값을 설정할 수 있다.

현재 가속의도상태가 아닌 경우, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값 보다 큰지 여부를 비교하고, 크지 않은 경우, 상기 설정단계는 상기 제1출력 지령값을 설정할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 과급 방법에 따르면, 운전자의 가속의지판단을 통해 스택요구전류가 이원화됨에 따라 운전자 요구토크를 통해 스택요구전류를 계산할 때 발생하는 공기과급 및 스택 내부 건조에 의한 성능저하를 방지하며, 가용제한토크를 통해 스택요구전류를 계산할 때 문제가 되는 가속성능 저하를 동시에 해결하여 연료전지차량의 연비향상 및 가속성능을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 과급 방법의 흐름도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 과급 방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 과급 방법의 흐름도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 과급 방법은 가속 페달의 속도를 계산하는 연산단계(S130); 상기 계산된 속도의 크기에 따라서 연료전지 스택의 제1출력 지령값 또는 상기 제1출력 지령값보다 작은 제2출력 지령값을 설정하는 설정단계(S230,S280-1,S280-2); 및 상기 설정된 제1출력 지령값 또는 제2출력 지령값에 대응하도록 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어단계(S310,S320);를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 과급 방법에 대해 더 상세하게 설명하자면, 우선 가속 페달이 입력(S100)되면 상기 연산단계(S130)가 수행되는데, 상기 가속 페달의 속도는 상기 가속 페달의 답입량의 미분값으로서, 가속 페달이 답입되는 속도를 말한다. 즉, 연산단계(S130) 수행 전, 가속페달의 답입량을 검출(S110)하고, 검출된 답입량을 미분하여 상기 가속 페달의 속도를 산출(S130)하는 것이다. 본 실시예에서는 연산단계에서 속도를 계산하는 경우에 대하여 설명하고 있으나, 또 다른 실시예로서 속도 대신 가속도를 계산할 수도 있을 것이다.

상기 연산단계(S130)가 수행된 이후 상기 연산단계(S130)에서 계산된 속도와 미리 설정된 기준 속도를 비교(S150)하고, 계산된 속도가 상기 기준 속도보다 클 경우 현재 운전자가 가속의도상태인 것으로 판단하는 가속인지단계(S170);가 수행될 수 있다.

상기 기준 속도는 운전자가 가속의지가 있다고 판단할 수 있는 속도값으로서, 설계자의 설계 의도에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 또한, 상기 가속의도상태인 것으로 판단한다 함은 현재 페달이 가속상태인 것으로 설정됨을 의미한다.

운전자가 페달을 밟는 속도를 비교(S150)함으로써, 실제로 운전자가 가속을 위해 페달을 밟고 있는 상태인지 또는 정속주행을 위해 페달을 밝고 있는 상태인지 등을 판별할 수 있고, 이로서 운전자가 가속할 때에만 선택적으로 공기과급량을 순간적으로 증대시킬 수 있게 되어, 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry-out) 및 스택의 내부 손상등을 방지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 가속인지단계(S170) 이후, 검출된 가속 페달의 답입량을 미리 설정된 기준 답입량과 비교(S180)하며, 검출된 가속 페달의 답입량이 미리 설정된 기준 답입량 보다 더 작을 경우 상기 가속의도상태를 해지하는 리셋단계(S190);가 더 수행될 수 있다.

상기 가속의도상태를 해지한다 함은 설정된 가속의도상태를 해지한다는 의미이다.

따라서 가속 페달의 속도뿐만 아니라, 가속 페달의 답입량을 함께 고려함으로서, 가속 의지를 가지고 페달을 밟는 것이 아닌 차량 진동 또는 기타 외부 요인에 의해 페달이 순간적으로 답입되는 경우를 구별할 수 있게 되어 운전자 가속 의지를 명확히 판단할 수 있다.

한편, 현재 가속의도상태일 경우, 상기 설정단계(S230)는 연료전지 스택의 상기 제1출력 지령값을 설정하게 되는데, 여기서 상기 제1출력 지령값은 운전자의 요구출력값이 됨이 바람직하다.

상기 제1출력 지령값 또는 제2출력 지령값을 설정하는 것은 연료전지 스택에 요구하는 출력값을 지정하는 것으로서, 상기 제어단계(S310,320)는 상기 제1출력 지령값 또는 상기 제2출력 지령값 중 설정된 지령값에 따라 연료전지 스택의 출력, 즉 연료전지 스택이 발생시켜야 할 전류값을 산출(S300)하고 필요한 공기유량을 결정(S310)한 뒤 블로워를 구동(S320)시켜 공기유량을 제어하게 된다.

따라서, 상기 제1출력 지령값을 설정(S230)하기 위하여, 현재 가속의도상태가 설정된 경우, 가속 페달의 가속도 및 답입량을 기반으로 운전자의 요구출력값을 계산(S210)하고, 계산된 운전자의 요구출력값, 즉 상기 제1출력 지령값을 설정하여 상기 제어단계(S310,320)를 수행하는 것이다. 이때, 상기 운전자의 요구출력값은 운전자의 요구토크값이 됨이 바람직하다

상기 운전자의 요구출력값은 반드시 가속의도상태가 설정된 이후에 계산될 필요는 없으며, 상기 가속 페달의 답입량이 검출된 이후 가속 페달의 속도 산출 시기와 유사하게 또는 답입량 검출 이후에 미리 계산될 수도 있다. 계산 시기는 다양하게 설정될 수 있다.

상기 요구토크값은 실험에 의해 미리 설정된 맵데이터 방식으로 산출될 수 도 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다.

한편, 현재 가속의도상태가 아닌 경우, 상기 설정단계(S280-2)는 연료전지 스택의 상기 제2출력 지령값을 설정하게 되는데, 상기 제2출력 지령값은 현재 공급되는 공기 유량에 대응되는 연료전지 스택의 가용 출력값과 현재 배터리의 가용 출력값을 더한 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값이 됨이 바람직하다.

상기 연료전지 스택의 가용 출력값은 상기 제1출력 지령값 및 상기 제2출력 지령값에 의해 상기 제어단계가 수행되기 이전의 공기 공급 상태에 따른 가용 출력값으로서, 현재 상태에서 연료전지 스택이 낼 수 있는 출력값, 즉 출력 전류값이 될 수 있다. 또한, 현재 배터리의 가용 출력값은 현재 배터리에 남아있는 잔류 전류량이 될 수 있다.

따라서, 현재 가속의도상태가 아닌 경우, 상기 전체 가용 출력값을 계산(S220)하고, 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값을 산출(S240)하며, 운전자의 요구출력값이 산출된 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값 보다 큰지 여부를 비교(S260)하고, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값 보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택에 요구할 출력값으로 상기 제2출력 지령값을 설정(S280-2)하는 것이다.

상기 전체 가용 출력값은 반드시 현재 가속의도상태 유무가 판단된 이후에 산출될 필요는 없으며, 어느 시기에라도 산출될 수 있다. 상기 대응되는 토크값의 산출은 미리 설정된 맵데이터에 의해 결정될 수 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다.

또한, 현재 가속의도상태가 아닌 경우, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값 보다 큰지 여부를 비교(S260)하고, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값 보다 크지 않은 경우, 상기 연료전지 스택에 요구할 출력값으로 상기 제1출력 지령값을 설정(S280-1)할 수 있다.

한편, 상기 제1출력 지령값, 제2출력 지령값 및 운전자의 요구출력값들은 모두 전류값으로 별도로 운전자의 요구토크나 상기 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값을 계산(S240)한 뒤 이에 대응되는 연료전지 스택에 요구되는 전류값을 산출(S300)할 필요가 없이, 운전자의 요구출력값이 연료전지 스택에 요구되는 전류값으로 산출되고 전류값으로 산출되는 상기 전체 가용 출력값이 그대로 연료전지 스택에 요구되는 전류값으로 사용되어 상기 제어단계(S310,S320)가 수행되도록 할 수도 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 과급 방법에 따르면, 운전자의 가속의지판단을 통해 스택요구전류가 이원화됨에 따라, 운전자 요구토크를 통해 스택요구전류를 계산할 때 발생하는 공기과급 및 스택 내부 건조에 의한 성능저하를 방지하며, 가용제한토크를 통해 스택요구전류를 계산할 때 문제가 되는 가속성능 저하를 동시에 해결하여 연료전지차량의 연비향상 및 가속성능을 개선할 수 있다.

더 상세히 설명하자면, 운전자의 가속시에는 가속성을 위해 순간적으로 공기 유량을 증가시켜 운전자가 요구하는 토크를 발생시키도록 하지만, 운전자가 가속하지 않으면서 운전자가 요구하는 토크값이 전체 가용 출력값에 대응되는 토크값보다 큰은 경우에는 공기 유량을 증가시키기보다 현재 공급되고 있는 공기유량에 대응되는 연료전지 스택의 출력과 배터리의 가용 출력을 합한 범위 내에서만 출력을 내도록 함으로서 과도하게 공기유량을 증가시킴에 따라 발생될 수 있는 에너지 손실 및 스택성능저하를 방지하여 연비개선효과를 얻고자 하는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S130 : 연산단계
S170 : 가속인지단계
S190 : 리셋단계
S230,S280-1,S280-2 : 설정단계
S310,S320 : 제어단계

Claims

가속 페달의 속도를 계산하는 연산단계;
상기 계산된 속도의 크기에 따라서 연료전지 스택의 제1출력 지령값 또는 상기 제1출력 지령값보다 작은 제2출력 지령값을 설정하는 설정단계; 및
상기 설정된 제1출력 지령값 또는 제2출력 지령값에 대응하도록 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 제어하는 제어단계;를 포함하는
연료전지 과급 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 연산단계는 계산된 속도와 미리 설정된 기준 속도를 비교하고, 계산된 속도가 상기 기준 속도보다 클 경우 현재 가속의도상태인 것으로 판단하는 가속인지단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 2에 있어서,
가속 페달의 답입량을 더 검출하고, 상기 가속인지단계는 검출된 가속 페달의 답입량을 미리 설정된 기준 답입량과 비교하며, 검출된 가속 페달의 답입량이 미리 설정된 기준 답입량 보다 더 작을 경우 상기 가속의도상태를 해지하는 리셋단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 2 또는 3에 있어서,
현재 가속의도상태일 경우, 상기 설정단계는 연료전지 스택의 상기 제1출력 지령값을 설정하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1출력 지령값은 운전자의 요구출력값에 대응되는 값인 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 2 또는 3에 있어서,
현재 가속의도상태가 아닌 경우, 상기 설정단계는 연료전지 스택의 상기 제2출력 지령값을 설정하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 제2출력 지령값은 현재 공급되는 공기 유량에 대응되는 연료전지 스택의 가용 출력값과 현재 배터리의 가용 출력값을 더한 전체 가용 출력값에 대응되는 값인 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 7에 있어서,
현재 가속의도상태가 아닌 경우, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값 보다 큰지 여부를 비교하고, 큰 경우, 상기 설정단계는 상기 제2출력 지령값을 설정하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.
청구항 7에 있어서,
현재 가속의도상태가 아닌 경우, 운전자의 요구출력값이 상기 전체 가용 출력값 보다 큰지 여부를 비교하고, 크지 않은 경우, 상기 설정단계는 상기 제1출력 지령값을 설정하는 것을 특징으로 하는
연료전지 과급 방법.