KR20160055288A - 연료전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템의 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 고전압 배터리를 충전시켜 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제1 단계, 및 전압 제거에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준전압보다 낮아지면, 상기 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결하여 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제2 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 제어 방법{CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 열화를 방지할 수 있으며, 연료전지 스택의 잔존 전압 제거를 위한 부하의 고장을 진단할 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 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 시스템을 포함하여 구성된다.
도 1은 전반적인 연료전지 시스템을 도식화한 도면이다. 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10), 연료전지 부하장치(20), 공기블로워(30), 가습기(40), 입구측과 출구측 공기차단밸브(35, 45), 드레인 밸브(42), 퍼지 밸브(44),워터트랩(50), 수소재순환기(55), 수소공급밸브(57), 라디에이터(60) 및 써모스탯(65)을 포함할 수 있다.
입구측과 출구측 공기차단밸브(35, 45)는 연료전지 차량의 시동 정지 이후에 공기가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 드레인 밸브(42)는 수소 출구 라인에 마련되어 애노드 측에 쌓인 생성수를 제거하며, 퍼지 밸브(44)는 애노드 측의 수소 농도를 조정하며, 공기 출구측에 공기와의 희석 목적으로 수소를 배출할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 전압을 낮춰 제거하기 위한 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 차량의 시동 정지 중 그리고 정지 이후에 연료전지 스택(10) 내부의 산소를 제거하기 위해 연료전지 스택(10)과 상시 연결된다. 연료전지 스택(10)에 유입된 산소는 연료전지 부하장치(20)를 통해 전류가 소모되면서 애노드의 잔존 수소와 함께 제거된다. 애노드에 수소가 부족한 경우에 산소 소모가 불가하므로 이를 막기 위해 주기적으로 애노드에 수소를 공급하는 Wakeup 기술이 이용된다.(대한민국 공개특허 제10-2010-0060478호)
즉, 연료전지 시스템(100)의 경우, 내연기관 차량과 달리 시동 오프 이후 연료전지 스택(10) 내부의 잔존 공기를 제거하여 연료전지 스택(10)의 전압을 낮추는 별도의 후처리 과정이 필요하다. 이는 연료전지 스택(10)의 열화를 막고, 고전압에 대한 위험에 노출되는 것을 방지하기 위함이다. 애노드에 산소가 존재한 상태에서 전압이 형성되면 캐소드 측의 카본 부식 열화가 발생되므로 연료전지 스택(10) 내부의 산소를 제거하고, 추가적인 산소 유입을 방지하며, 유입이 되더라도 유입된 산소를 제거하는 과정이 필요한 것이다.
따라서 시동 오프시 산소의 공급을 중단하고, 강제적으로 연료전지 부하장치(20)를 이용하여 잔존 산소를 부하 전류로 소모하고 동시에 전압을 낮추게 된다.
본 발명은 배터리와 연료전지 부하장치를 통해 연료전지 스택의 전압을 낮추며, 연료전지 부하장치의 고장 여부를 진단할 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 고전압 배터리를 충전시켜 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제1 단계; 및 전압 제거에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준전압보다 낮아지면, 상기 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결하여 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제2 단계를 포함할 수 있다.
상기 고전압 배터리의 충전이 불가능한 경우, 연료전지 차량의 충돌이 감지된 경우 또는 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준 전압에 도달하는데 소요되는 시간이 기설정된 제1 시간 이상인 경우, 상기 고전압 배터리의 충전을 중단하고 상기 제2 단계만 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고전압 배터리의 충전이 불가능한 경우는, 상기 고전압 배터리가 고장 상태인 경우, 상기 고전압 배터리에 연결된 전력변환장치가 고장 상태인 경우, 상기 고전압 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 상태 이상인 경우 또는 상기 고전압 배터리를 충전할 수 있는 파워가 부족한 상태인 경우를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결시킴에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준 전압(V2) 이하로 떨어진 경우, 상기 제2 단계를 종료하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 단계 이후, 상기 연료전지 부하장치의 연결에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준 전압(V2)이 될 때까지 상기 연료전지 부하장치 이외의 부하로 상기 연료전지 스택의 출력이 제공되지 않도록 상기 연료전지 스택과 인버터 사이의 메인 버스단 전압을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 버스단 전압을 조정하는 단계는, 상기 메인 버스단의 전압이 초기값으로 유지되도록 조정하고, 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 기설정된 제2 기준 전압(V2)에 도달하면, 상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 메인 버스단 전압을 조정하는 단계는, 상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하며, 연료전지 스택의 전압보다는 높게 유지시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 메인버스단 전압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 부하장치를 연결하기 이전에 메인 릴레이를 오프시킴에 의해 상기 연료전지 스택과 상기 메인 버스단의 연결을 차단하고 상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 허용가능한 최소치(V3)는 상기 제1 기준 전압 이하이고, 상기 고전압 배터리에 연결된 전력변환장치나 상기 메인 버스단에 연결된 고전압 부품들이 작동가능한 최소 전압 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 단계 이전에 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하여 상기 연료전지 스택의 전압을 상기 제1 기준 전압보다 크게끔 상승시킨 후, 상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 중단시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 단계 이전에 메인 릴레이를 오프시킴에 의해 상기 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택과 인버터 사이의 메인 버스단의 연결을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결시키는 단계; 및 상기 연결된 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계를 포함하며, 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전류, 상기 연료전지 부하장치에 흐르는 전류 또는 상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도 중 적어도 하나에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압 및 상기 연료전지 부하장치의 저항값에 기반하여 연산된 설정 전류값과 상기 부하장치에 흐르는 전류값 또는 상기 설정 전류값과 상기 연료전지 스택의 출력 전류값 간의 오차가 각각에 대해 기설정된 오차값을 초과하는 경우 상기 부하장치가 고장이라고 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 각각에 대해 기설정된 오차값은 상기 부하장치에 흐르는 전류값을 센싱하는 센서와 상기 연료전지 스택의 출력 전류값을 센싱하는 센서의 레졸루션에 따라 기설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 경우, 상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결한 이후, 상기 연료전지 스택의 전압이 특정 전압에 도달되는데 소요된 시간과 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 특정 전압에 도달하는데에 소요되는 기준 시간에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시간은 상기 연료전지 부하장치가 상기 연료전지 스택에 연결될 시의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 경우, 상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결한 이후 특정 시간 경과시 연료전지 스택의 전압과 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 특정 시간 경과시 도달하게 되는 기준 전압에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 전압은 상기 연료전지 부하장치가 상기 연료전지 스택에 연결될 시의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 큰 경우 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전류 또는 상기 연료전지 부하장치에 흐르는 전류 중 적어도 하나에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결시키는 단계는 고전압 배터리를 충전시켜 연료전지 스택의 전압을 제거함에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준전압보다 낮아지면 수행되고, 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준전압 이하로 떨어지면 종료되는 것을 특징으로 한다.
상기 기설정된 전압은 상기 기설정된 제2 기준전압보다 크고, 상기 기설정된 제1 기준전압보다 작을 수 있다.
상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택의 전압 및 상기 연료전지 부하장치의 저항값에 기반하여 연산된 설정 전류값과 상기 부하장치에 흐르는 전류값 또는 상기 설정 전류값과 상기 연료전지 스택의 출력 전류값 간의 오차가 각각에 대해 기설정된 오차값을 초과하는 경우 상기 부하장치가 고장이라고 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우, 상기 진단하는 단계의 시작시부터 상기 연료전지 스택의 전압이 특정 전압에 도달되는데까지 소요된 시간과, 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 특정 전압에 도달되는데까지 소요되는 기준 시간에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 시간은 상기 진단하는 단계를 시작할 때의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 기설정된 전압은 상기 특정 전압보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우, 상기 진단 시작시부터 특정 시간 경과시 연료전지 스택의 전압과, 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우의 상기 특정 시간 경과시 도달하게 되는 기준 전압에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 전압은 상기 진단하는 단계를 시작할 때의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 한다.
상기 기설정된 전압은 상기 기준 전압보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계의 종료시, 진단 종료에 따른 결과를 메모리에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법에 따르면, 연료전지 스택의 잔존 산소를 제거함으로써 연료 전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 전압을 낮춰 고전압에 노출될 수 있는 위험을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 재시동시 안정성을 확보하고, 연료전지 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 전반적인 연료전지 시스템을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 고전압 배터리(220)를 통해 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 과정과 고전압 배터리(220)를 통해 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 과정을 디스에이블시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 연료전지 셧다운 시 시간에 따라 변하는 전압과 전류에 대한 그래프이다.
도 9은 도 5에 도시된 제1 전류 센서(27)에서 센싱된 전류값을 이용하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 도 6에 도시된 제2 전류 센서(29)에서 센싱된 전류값을 이용하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 11a 및 도 11b는 초기 연료전지 스택의 전압 변화에 따라 연료전지 부하장치 정상 동작시와 고장시의 특정 전압 도달 시간 및 특정 시간 후 도달 전압을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다. 도시된 바와 같이, 차량용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은, 메인버스단(211)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(220), 고전압 배터리(220)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(220)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(221), 연료전지(10)와 고전압 배터리(220)의 출력측인 메인버스단(211)에 연결된 인버터(231), 인버터(231)에 연결된 구동모터(232), 인버터(231) 및 구동모터(232)를 제외한 차량 내 고전압 부하(233), 저전압 배터리(보조배터리)(240) 및 저전압 부하(241), 저전압 배터리(240)와 메인버스단(211) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(242) 및 연료전지 부하장치(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(220)가 메인버스단(211)을 통해 인버터(231)/구동모터(232) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(221)가 연료전지(10)의 출력측인 메인버스단(211)에 접속되어, 양방향 DC/DC 컨버터(221)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(220)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지(10)의 출력단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(213)가 설치된다. 연료전지(10)를 메인버스단(211)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(214)가 설치될 수 있다. 도 2의 파워넷 구성도에는 릴레이(214)가 구비되어 있으나, 도 3의 파워넷 구성도에는 릴레이(214)가 구비되어 있지 않다. 도 2의 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다. 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 시동 및 셧다운시 연료전지의 전압 제거를 위한 부하이다. 연료전지(10)와 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 부하 릴레이(25)를 통해 연결될 수 있다.
도 3의 연료전지 시스템에는 릴레이(214)가 포함되어 있지 않고, 따라서 단가를 줄일 수 있고, 릴레이(214) 동작시의 소음을 줄일 수 있다. 대신에, 기존의 도 2의 릴레이(214)의 목적인 연료전지의 출력 차단을 위하여 양방향 DC/DC 컨버터(221)의 전압을 연료전지 스택의 개회로 전압 이상으로 유지하는 것과 고전압 부하(233) 및 저전압 부하(241)에 대해 고전압 배터리(220)의 허용 출력 범위 내로 부하 제한하는 것을 릴레이(214) 없이 가능하도록 제어해야 한다. 또한, 셧다운시 고전압의 형성시간을 감소시키기 위해 연료전지(10)의 전압 제거가 확실히 이루어져야 한다. 릴레이(214)가 존재한다면, 릴레이(214) 차단을 통해 버스단에 고전압이 형성되는 것을 막을 수 있기 때문이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다. 도 4a의 순서도와 도 4b의 순서도에서의 차이는 도 4a의 경우 연료전지 스택의 출력이 메인 버스단에 공급되는 것을 차단하는 메인 릴레이(214)가 연료전지 시스템에 포함되었을 때의 제어 방법을 도시한 것이고, 도 4b의 경우는 메인 릴레이(214)가 포함되어 있지 않은 경우의 제어 방법을 도시한 것이다. 순서도에 도시된 각 단계들의 수행 주체는 연료전지 제어기(FCU)일 수 있고, 연료전지 제어기(FCU)와 통신하는 연료전지 시스템 내부의 각 컴포넌트들에 대한 복수의 제어기들일 수 있다.
도 4a와 도 4b를 참조하면, 먼저 연료전지 시스템(100)이 시동 오프되었을 때(S401), 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압(V1)보다 작은지 여부를 판단한다(S403). 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압(V1)보다 작다면 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하여(S405), 연료전지 스택(10)의 전압이 제1 기준 전압(V1)보다 커질 때까지 승압한다(S407). 이후, 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 중단시킨다(S409). 만약에 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압(V1)보다 크다면 공기를 공급하지 않고, 공기 공급을 중단시킨다(S409).
즉, 공기 공급을 바로 중단시켜도 되나, 이미 연료전지 스택(10)의 전압이 낮을 경우, 공기를 공급하여 제1 기준 전압(V1) 이상으로 상승시킨 후에 공기 공급을 중단시키는 것이다. 연료전지 아이들 스탑 상황에서 시동 오프된 경우, 이미 연료전지 스택(10)의 전압이 낮은 상태이므로, 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하기 어렵기 때문이다. 연료전지 부하장치(20)의 동작 여부를 판단하기 위해서는 연료전지 스택(10)의 전압이 어느정도 높은 상태에서 연료전지 부하장치(20)를 동작시켜야하므로 초기 전압을 높여주기 위한 정도까지만 공기를 공급한 이후 다시 공기 공급을 중단시킨다.
공기 공급 중단 이후, 고전압 배터리(220)가 충전 가능 상태에 있는지 여부를 판단한다. 또는 연료전지 차량의 충돌이 없는 상태인지 여부를 판단한다(S411). 고전압 배터리(220)가 충전 가능 상태에 있는지 여부는 고전압 배터리(220) 자체가 고장 상태인지, 고전압 배터리(220)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(221)가 고장 상태인지, 고전압 배터리(220)의 충전 상태(SOC; State Of Charge)가 기설정된 충전 상태 이상인지 또는 고전압 배터리(220)를 충전시킬 수 있는 파워가 부족한 상태인지 중 적어도 하나에 따라 판단될 수 있다.
고전압 배터리(220)가 충전 가능 상태에 있다고 판단되면, 고전압 배터리(220)를 충전함으로써 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하여, 연료전지 스택(10)의 전압을 하강시킨다(S413). 연료전지 스택(10)의 전압의 하강 제어에 따라 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압(V1)보다 낮아지게 되거나, 고전압 배터리(220)의 충전 시간이 기설정된 시간(T1)을 초과하는지 여부를 판단하여(S415), 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압(V1)보다 낮아지게 되거나, 고전압 배터리(220)의 충전 시간이 기설정된 시간(T1)을 초과한다면, 고전압 배터리(220)의 충전을 중단시킨다(S417).
도 4b에 도시된 바와 같이, 메인 릴레이(214)가 있는 경우, 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 제1 기준 전압보다 낮아지게 되거나, 고전압 배터리(220)의 충전 시간이 기설정된 시간(T1)을 초과한다면, 메인 릴레이(214)를 오프시켜 연료전지 스택(10)과 메인 버스단(211)의 연결을 차단시키고(S416), 메인 버스단(211)의 전압을 제1 기준 전압(V1)보다 작거나 같게 기설정된 제3 기준 전압(V3)까지 하강시킨다(S417). 고전압 배터리(220)의 충전을 중단시키는 것은 메인 버스단(211)의 전압과 고전압 배터리(220)의 충전에 기인한 연료전지 스택(10)의 전압 제거의 최대치 등에 따라 결정되는 것이며, 고전압 배터리(220)의 충전에 기인한 연료전지 스택(10)의 전압 제거와 연료전지 부하장치(20)의 동작에 기인한 연료전지 스택(10)의 전압 제거는 동시에 행해지지 않는다.
더욱 구체적으로 설명하면, 메인버스단(211)의 전압을 기설정된 제3 기준 전압까지 하강시킴으로써, 연료전지 스택(10)의 출력이 연료전지 부하장치(20) 이외의 부하(고전압 배터리, 보기류 등)에 출력되지 않도록 하는 것이다.
이후, 연료전지 스택(10)에 연료전지 부하장치(20)를 연결한다(S419). 연료전지 부하장치(20)를 연결한 상태에서 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단한다(S421). 즉, 연료전지 부하장치(20)가 원래 설계목적대로 고장없이 동작하고 있는지 여부를 진단하는 것이다.
연료전지 전압이 기설정된 제2 기준전압(V2) 이하로 떨어지면(S423), 진단을 종료하고, 진단 결과를 메모리에 저장한다(S425). 이후, 양방향 DC/DC 컨버터(221)인 전력변환장치의 전압을 제어하여 메인 버스단(211)의 전압을 기설정된 제3 기준 전압(V3)까지 하강시킨다(S427). S427 단계에서 메인 버스단(211)의 전압을 기설정된 제3 기준 전압까지 하강시키는 이유는 시동 오프 이후 다음 시동시 연료전지 부하장치(20)의 진단 결과를 메모리로부터 읽어 고장 상태인지 여부에 따라 경고등을 점등하는 등을 결정하는 것을 용이하게 하기 위함이다.
기설정된 제1 기준전압(V1)은 전력변환장치(221)의 전압 작동 범위 내에 있도록 기설정되며, 연료전지 차량의 연비를 위해서는 상대적으로 더 낮은 값으로, 그리고 연료전지 부하장치(20)의 고장 진단의 용이를 위해서는 상대적으로 더 높은 값으로 기설정될 수 있다.
기설정된 제3 기준전압(V3)은 재시동 안정성 확보를 위해 메인 버스단(211) 전압을 하강시키기 위해 기설정된 기준전압이며, 전력변환장치 전압 작동 범위 내에서 연료전지 시스템(100) 내의 부하들(보기류 등)을 구동시킬 수 있는 허용가능한 최소 전압으로 기설정될 수 있다. 제1 기준전압(V1)은 제3 기준전압(V3)보다 크거나 같을 수 있다. 또한, 제3 기준전압(V3)은 고전압 배터리(220)에 연결된 전력변환장치(221)나 메인 버스단(211)에 연결된 고전압 부품들이 작동가능한 최소 전압 이상이다.
메인 릴레이(214)를 구비하지 않는 연료전지 시스템(100)에 있어서 고전압 배터리(220)의 충전을 중단시키기 전에 메인 버스단(211) 전압의 하강 제어(S417)를 수행하지 않거나, 혹은 수행하더라도 연료전지 스택(10)의 전압을 고려하여 고전압 배터리(220)를 포함한 연료전지 부하장치(20) 이외의 부하로 연료전지 스택(10)의 출력이 제공되지 않도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다. 도 3에 도시하고, 설명한 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 5를 참조하면, 도 5에 도시된 연료전지 시스템은 연료전지 부하장치(20)로 흐르는 전류의 크기를 센싱하는 제1 전류 센서(27)를 더 포함하고 있다. 제1 전류 센서(27)는 연료전지 부하장치(20)로 흐르는 전류 범위에 적합한 전류 센서가 사용될 수 있다. 도 6에 도시된 연료전지 시스템은 연료전지 부하장치(20)로 흐르는 전류를 센싱하는 제1 전류 센서(27) 대신에 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 센싱하는 제2 전류 센서(29)를 포함할 수 있다. 이 경우, 연료전지 스택(10)의 출력 전류는 연료전지 부하장치(20)로 흐르는 전류에 비해 그 전류의 크기 범위가 크기 때문에 전류 센서의 레졸루션(resolution)이 크다.
도 7a 및 도 7b는 각각 고전압 배터리(220)를 통해 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 과정과 고전압 배터리(220)를 통해 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 과정을 디스에이블시키는 과정을 도시한 도면이다.
고전압 배터리(220)를 통한 연료전지 스택(10)의 전압 제거는 도 7a에 도시된 바와 같이 기설정된 제3 기준 전압(V3)까지 밖에 수행될 수 없다. 시간에 따라서 메인버스단(211)의 전압을 감소시키되, 허용가능한 최소 제한치는 제3 기준 전압(V3)으로 제한한다. 제3 기준 전압(V3)은 양방향 DC/DC 컨버터(221)의 최소 작동 전압과 고전압 부하(233)의 구동 최소 전압 중에 최소치로 기설정될 수 있다.
도 7b의 경우, 시간에 따라서 메인 버스단(211)의 전압을 감소시키지 않거나, 감소시키더라도 메인 버스단(211)의 최소 전압 제한치를 가변하여 감소시키는 경우에 관한 것이다. 최소 전압 제한치는 연료전지 스택(10)의 전압과 제3 기준 전압(V3) 중 큰 값으로 설정한다. 이는 연료전지 스택(10)의 출력이 연료전지 부하장치(20) 이외의 부하로 제공되지 않도록 메인버스단(211)의 전압을 연료전지 스택(10)의 출력 전압보다 높게 유지시키기 위함이다.
도 8은 연료전지 셧다운 시 시간에 따라 변하는 전압과 전류에 대한 그래프이다. 구간 1은 고전압 배터리(220)의 충전을 통하여 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 구간이며, 구간 2는 연료전지 부하장치(20)를 이용하여 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 구간이다. 구간 2에서는 연료전지 부하장치(20)의 동작 진단도 수행될 수 있다. 또한 구간 2에서는 연료전지 스택(10)에 의해 고전압 배터리(220)가 충전되거나 다른 보기류로 출력이 제공되지 않도록 메인 릴레이(214)를 오프(Off)시킬 수 있다. 양방향 DC/DC 컨버터(221)에 의한 메인버스단(211)의 전압 하강을 디스에이블시키며, 도 7b에 도시된 전압 제어 2를 수행한다.
도 9는 도 5에 도시된 제1 전류 센서(27)에서 센싱된 전류값을 이용하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다. 또한, 도 8은 도 6에 도시된 제2 전류 센서(29)에서 센싱된 전류값을 이용하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 연료전지 스택(10)에 연결된 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계를 포함하며, 이러한 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계는 연료전지 스택(10)의 전압 및 연료전지 부하장치(20)의 저항값에 기반하여 설정 전류값(Iest)을 연산하는 단계를 포함할 수 있다(S701, S801). 그리고 설정 전류값(Iest)과 연료전지 부하장치(20)에 흐르는 전류값(Ireal_부하) 또는 연료전지 스택(10)의 출력 전류값 (Ireal_연료전지)간의 오차가 기설정된 오차값(K, M)을 초과하는 경우(S703, S803) 연료전지 부하장치(20)가 고장이라고 진단할 수 있다(S705, S805). 기설정된 오차값(K, M)은 연료전지 부하장치(20)의 제1 전류 센서(27)와 연료전지 스택(10)의 제2 전류 센서(29)의 레졸루션에 따라 상이하게 설정될 수 있다
도 11a 및 도 11b는 초기 연료전지 스택의 전압 변화에 따라 연료전지 부하장치 정상 동작시와 고장 시의 특정 전압 도달 시간 및 특정 시간 후 도달 전압을 도시한 그래프이다.
도 11a를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 전압 하강 속도에 기반하여 연료전지 부하장치(10)의 동작을 진단하는 경우에, 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 이후 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달되는데까지 소요된 시간과 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는 경우의 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달하는데에 소요되는 기준 시간(T_f)에 기반하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 것이다.
도 11b를 참조하면, 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 경우에, 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 이후 특정 시간(T11) 경과시 연료전지 스택(10)의 전압과 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는 경우의 특정 시간(T11) 경과시 도달하게 되는 기준 전압(V_f)에 기반하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 것이다.
즉, 연료전지 부하장치(20)의 동작 이후, 특정 전압(V11) 도달하는 데에 소요되는 시간이 기준 시간을 넘었는지, 특정 시간(T11) 이후 연료전지 스택의 전압이 기준 전압을 넘었는지를 판단하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 것이다. 연료전지 부하장치(20)의 동작 초기 전압(연료전지 부하장치(20)로 연료전지 스택(10)의 출력이 공급되기 시작하는 때의 연료전지 스택(10)의 전압)에 따라 소요되는 시간과, 도달될 수 있는 전압은 상이할 수 있으며, 고장 판단의 기준도 상이할 수 있다. 소요되는 시간과 도달되는 전압은 차속이 높을수록, 공기 유량이 감지될 경우, 연료전지 스택(10)의 가습이 부족한 드라이아웃 상태(연료전지 내부 저항 증가)에서 증가하며, 수소 크로스 오버의 경우에는 감소한다. 따라서, 외부 환경과 연료전지 스택(10)의 열화 정도를 고려하여 기준 전압과 기준 시간은 가변될 수 있다. 혹은 차속, 유량, 드라이 아웃, 수소 크로스 오버가 모두 증가하는 특수한 경우에는 연료전지 부하장치(20)의 동작 진단을 디스에이블 시킬 수 있다.
도 11a와 도 11b에는 각각 연료전지 스택(10)의 초기 전압(진단 시작시의 전압)에 따라 특정 전압에 도달하는 시간 또는 특정 시간에 도달하는 전압의 크기에 따라 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는지 고장인지 여부를 진단할 수 있는 것이다. 정상 기준과 고장 기준은 L1, L2 만큼의 오프셋을 가질 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 12와 도 13의 경우, 도 9 및 도 10에서 전류 센서의 센싱값을 이용하여 연료전지 부하장치(20)의 고장을 진단한 것과는 상이하게 전류 센서들(27, 29)을 포함하지 않고 연료전지 부하장치(20)의 고장을 진단하는 방법에 대해 도시하고 있다. 즉, 전류 센서들(27, 29)이 없는 경우, 연료전지 스택(10)의 전압 하강 속도를 통하여 연료전지 부하장치(20)의 고장을 진단할 수 있다.
즉, 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결시킨 이후, 연료전지 스택의 전압이 특정 전압(V11)에 도달될 때까지 경과된 시간이 기준 시간을 넘었는지, 또는 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결시키고 특정 시간이 경과된 이후, 연료전지 스택(10)의 전압이 기준 전압을 넘었는지를 판단하여 연료전지 부하장치(20)의 고장 여부를 진단할 수 있다.
도 12를 참조하면, 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계는 연료전지 부하장치(20)의 연결 이후 경과된 시간이 특정 시간을 초과하였는지를 판단하는 단계(S901) 및 경과된 시간이 특정 시간을 초과한 경우 연료전지 스택(10)의 실제 전압이 기준 전압(V_f)보다 큰 지 여부를 판단하여(S903), 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계(S905, S907)를 포함할 수 있다. 경과 시간이 특정 시간을 초과한 경우 연료전지 스택(10)의 실제 전압이 정상 상태에서의 기준 전압(V_f)보다 크다면, 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하지 않고 고장 상태라고 진단되며(S905), 경과 시간이 특정 시간을 초과한 경우 연료전지 스택(10)의 실제 전압이 기준 전압(V_f)보다 작다면, 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작 중으로 진단할 수 있다(S907).
또한, 도 12를 참조하면, 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계는 연료전지 부하장치(20)의 연결 이후, 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11, V12)에 도달하였는지 판단하는 단계(S901), 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11, V12)에 도달하기까지 경과된 시간이 기준 시간(T_f)보다 큰 지 여부를 판단하여(S903), 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계(S905, S907)를 포함할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달된 경우 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달하기까지 경과된 시간이 정상 상태에서의 기준 시간(T_f)보다 길다면 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하지 않고, 고장 상태라고 진단할 수 있다(S905). 반대로 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달하기까지 경과된 시간이 기준 시간(T_f)보다 짧다면 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작 중이라고 진단할 수 있다(S907).
도 13을 참조하면, 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계는 연료전지 부하장치(20)의 정상동작시, 연료전지 부하장치(20)의 연결 이후 특정 시간(T11) 경과시 도달가능한 연료전지 스택(10)의 기준 전압(V_f)을 설정하는 단계(S1001) 및 연료전지 부하장치(20)의 연결 이후 특정 시간 경과시(S1003), 연료전지 부하장치(20) 연결 이후 특정 시간(T11) 경과시 연료전지 스택(10)의 전압과 기준 전압(Vf)과의 오차에 따라(S1005) 부하장치의 동작을 진단하는 단계(S1007, S1009)를 포함할 수 있다.
즉, 먼저 연료전지 스택(10)에 연료전지 부하장치(20)를 연결하여 연료전지 부하장치(20)가 정상적으로 동작함으로써 연료전지 부하장치(20)를 연결한 후 어느 정도 시간(특정 시간, T11)이 흘렀을 때 연료전지 스택(10)의 전압 하강에 따라 도달해야하는 정상 기준 전압을 미리 설정하며(S1001), 특정 시간(T11)이 경과하였는지를 판단하고(S1003), 특정 시간(T11) 경과 후에 센싱된 연료전지 스택(10)의 전압과 정상 기준 전압을 비교하여(S1005), 실제 센싱된 전압과 정상 기준 전압 간의 오차가 오프셋(L2)보다 더 크면, 연료전지 부하장치(20)가 고장이라고 진단할 수 있는 것이다(S1007).
또는 도 13을 참조하면, 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 단계는 연료전지 부하장치(20)의 정상동작시, 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달하기까지 소요되는 정상 기준 시간(T_f)을 설정하는 단계(S1001), 및 연료전지 부하장치(20)의 전압이 특정 전압(V11)에 도달하였는지를 판단하는 단계(S1003), 연료전지 스택(10)이 특정 전압(V11)에 도달하기까지 소요된 실제 시간과 정상 동작시에 소요될 것으로 예상되는 정상 기준 시간과의 오차에 따라(S1005) 상기 부하장치의 동작을 진단하는 단계(S1007, S1009)를 포함할 수 있다.
즉, 먼저 연료전지 스택(10)에 연료전지 부하장치(20)를 연결하여 연료전지 부하장치(20)가 정상적으로 동작함으로써 연료전지 부하장치(20)를 연결한 후 도달해야하는 특정 전압까지 연료전지 스택(10)의 전압을 하강시키는 데에 소요되는 기준 시간(T_f)을 미리 설정하며(S1001), 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 이후 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압까지 하강되었는지를 판단하고(S1003), 특정 전압까지 하강되는데에 소요된 시간과, 정상 동작시 소요될 기준 시간의 크기를 비교하여(S1005), 실제로 특정 전압까지 연료전지 스택(10)의 전압이 하강될때까지 소요된 시간과 정상 동작시 소요되는 기준 시간과의 오차가 기설정된 오차(L1)보다 더 크면 연료전지 부하장치(20)가 고장이라고 진단할 수 있는 것이다(S1007). 반대로 특정 전압까지 연료전지 스택(10)의 전압이 하강될때까지 소요된 시간과 정상 동작시 소요되는 기준 시간과의 오차가 기설정된 오차(L1)보다 더 작으면 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작 중이라고 진단할 수 있다(S1009).
이러한 특정 시간 경과 후 도달하게 되는 기준 전압과 특정 전압까지 하강되는데에 소요되는 기준 시간은 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 시점에 연료전지 스택(10)의 전압에 따라 상이할 수 있다. 또한, 기준 시간과 기준 전압은 연료전지 차량의 차속이 높을수록 길고 크며, 공기 유량이 감지되거나, 연료전지 가습이 부족한 드라이 상태일수록 더 길고 클 수 있다. 반면에 연료전지 스택(10)을 구성하는 연료전지의 멤브레인 수소 크로스 오버가 증가할수록 더 짧고, 작을 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 14의 S1103 내지 S1107 단계와 도 15의 S1203 내지 S1207 단계는 도 10의 S801 내지 S805 단계와 동일하며, 도 14의 S1109 내지 S1113 단계와 도 15의 S1209 내지 S1215 단계는 각각 도 12의 S901 내지 S907 단계 및 도 13의 S1003 내지 S1009 단계와 동일하므로 해당 단계들에 대한 설명은 생략한다.
도 14와 도 15에 도시된 제어 방법의 특징은 연료전지 부하장치(20)의 동작 진단 시작시, 먼저 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 전압(V4)보다 크고 작음에 따라 연료전지 부하장치(20)의 동작 진단 방법을 가변한다는 것이다. 즉, 연료전지 스택(10)의 전압을 측정하여 기설정된 전압(V4)의 크기와 비교한 후(S1101, S1201), 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 전압(V4)보다 큰 상태인 경우, 연료전지 스택(10)의 전압 및 연료전지 부하장치(20)의 저항값에 기반하여 설정 전류값(Iest)을 연산하고(S1103, S1203), 설정 전류값(Iest)과 연료전지 스택(10)의 출력 전류값(Ireal_연료전지) 간의 오차가 기설정된 오차값(K)을 초과하는 경우(S1105, S1205), 연료전지 부하장치(20)가 고장이라고 진단할 수 있다(S1107, S1207).
반면에, 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 전압(V4)보다 작은 경우, 도 12 또는 도 13에 도시된 방법으로 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단한다. 즉, 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 전압(V4)보다 작은 경우, 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 이후 특정 전압에 도달되는데 소요된 시간(소요 시간)과 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는 경우의 연료전지 스택(10)의 전압이 특정 전압에 도달하는데에 소요되는 기준 시간(T_f)에 기반하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(10)의 전압이 기설정된 전압(V4)보다 작은 경우, 연료전지 부하장치(20)를 연료전지 스택(10)에 연결한 이후 특정 시간 경과시 연료전지 스택(10)의 전압과 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는 경우 특정 시간 경과시 도달하게 되는 기준 전압(V_f)에 기반하여 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단할 수 있다.
시간에 따른 전압 하강 정도에 따라 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 것보다 전류 센서를 통해 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하는 것이 상대적으로 더 정확하지만, 전류 센서가 측정할 수 있는 범위를 고려하여 연료전지 부하장치(20)에 흐르는 전류의 크기가 큰 경우에는 전류 센서를 통해 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단하며, 연료전지 부하장치(20)에 흐르는 전류가 상대적으로 작아 전류 센서를 통해 센싱하기 부적절한 경우 시간에 따른 전압 하강 정도에 따라 연료전지 부하장치(20)의 동작을 진단한다.
기설정된 전압(V4)은 특정 전압(V11) 및 연료전지 부하장치(20)가 정상 동작하는 경우의 특정 시간(T11) 경과시 도달하게 되는 연료전지 스택(10)의 기준 전압(V_f)보다 크게 기설정된다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 기준전압(V1)과 제2 기준전압(V2) 사이의 값을 가진다. 또한, 기설정된 전압(V4)은 오차(오프셋)인 L2 전압보다 큰 값을 갖는 것이 바람직하다. 기설정된 전압(V4)은 전류 측정 방식이 전압 하강 속도를 측정하는 방식보다 더 정확하므로 전압 하강 속도 측정 방식을 사용하는 것을 의미있게 하는 측정 방식 변경 기준 전압일 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료전지 20 : 연료전지 부하장치
30 : 공기 블로워 40 : 가습기
50 : 워터트랩 60 : 라디에이터
220 : 고전압 배터리 221 : 양방향 DC/DC 컨버터
231 : 인버터 232 : 모터
233 : 고전압 부하 240 : 저전압 배터리 241 : 저전압 부하 242 : 저전압 DC/DC 컨버터

Claims (30)

  1. 고전압 배터리를 충전시켜 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제1 단계; 및
    전압 제거에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준전압(V1)보다 낮아지면, 상기 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결하여 연료전지 스택의 전압을 제거하는 제2 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 충전이 불가능한 경우, 연료전지 차량의 충돌이 감지된 경우 또는 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준 전압에 도달하는데 소요되는 시간이 기설정된 제1 시간 이상인 경우, 상기 고전압 배터리의 충전을 중단하고 상기 제2 단계만 수행하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 충전이 불가능한 경우는,
    상기 고전압 배터리가 고장 상태인 경우, 상기 고전압 배터리에 연결된 전력변환장치가 고장 상태인 경우, 상기 고전압 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 상태 이상인 경우 또는 상기 고전압 배터리를 충전할 수 있는 파워가 부족한 상태인 경우를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결시킴에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준 전압(V2) 이하로 떨어진 경우, 상기 제2 단계를 종료하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계 이후, 상기 연료전지 부하장치의 연결에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준 전압(V2)이 될 때까지 상기 연료전지 부하장치 이외의 부하로 상기 연료전지 스택의 출력이 제공되지 않도록 상기 연료전지 스택과 인버터 사이의 메인 버스단 전압을 조정하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 버스단 전압을 조정하는 단계는,
    상기 메인 버스단의 전압이 초기값으로 유지되도록 조정하고, 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 기설정된 제2 기준 전압(V2)에 도달하면, 상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 메인 버스단 전압을 조정하는 단계는,
    상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하며, 연료전지 스택의 전압보다는 높게 유지시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 메인버스단 전압을 조정하는 단계는,
    상기 연료전지 부하장치를 연결하기 이전에 메인 릴레이를 오프시킴에 의해 상기 연료전지 스택과 상기 메인 버스단의 연결을 차단하고 상기 메인 버스단의 전압을 허용가능한 최소치(V3)로 하강 조정하는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제5항 내지 제8항에 있어서,
    상기 허용가능한 최소치(V3)는 상기 제1 기준 전압 이하이고, 상기 고전압 배터리에 연결된 전력변환장치나 상기 메인 버스단에 연결된 고전압 부품들이 작동가능한 최소 전압 이상인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계 이전에 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하여 상기 연료전지 스택의 전압을 상기 제1 기준 전압보다 크게끔 상승시킨 후, 상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 중단시키는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계 이전에 메인 릴레이를 오프시킴에 의해 상기 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택과 인버터 사이의 메인 버스단의 연결을 차단하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  12. 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결시키는 단계; 및
    상기 연결된 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계를 포함하며,
    상기 부하장치의 동작을 진단하는 단계는,
    상기 연료전지 스택에서 출력되는 전류, 상기 연료전지 부하장치에 흐르는 전류 또는 상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도 중 적어도 하나에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부하장치의 동작을 진단하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 전압 및 상기 연료전지 부하장치의 저항값에 기반하여 연산된 설정 전류값과 상기 부하장치에 흐르는 전류값 또는 상기 설정 전류값과 상기 연료전지 스택의 출력 전류값 간의 오차가 각각에 대해 기설정된 오차값을 초과하는 경우 상기 부하장치가 고장이라고 진단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각각에 대해 기설정된 오차값은 상기 부하장치에 흐르는 전류값을 센싱하는 센서와 상기 연료전지 스택의 출력 전류값을 센싱하는 센서의 레졸루션에 따라 기설정되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 경우,
    상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결한 이후, 상기 연료전지 스택의 전압이 특정 전압에 도달되는데 소요된 시간과 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 특정 전압에 도달하는데에 소요되는 기준 시간에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준 시간은 상기 연료전지 부하장치가 상기 연료전지 스택에 연결될 시의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 경우,
    상기 연료전지 부하장치를 상기 연료전지 스택에 연결한 이후 특정 시간 경과시 연료전지 스택의 전압과 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 특정 시간 경과시 도달하게 되는 기준 전압에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기준 전압은 상기 연료전지 부하장치가 상기 연료전지 스택에 연결될 시의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 큰 경우 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전류 또는 상기 연료전지 부하장치에 흐르는 전류 중 적어도 하나에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 하강 속도에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에 연료전지 부하장치를 연결시키는 단계는 고전압 배터리를 충전시켜 연료전지 스택의 전압을 제거함에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제1 기준전압보다 낮아지면 수행되고,
    상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 제2 기준전압 이하로 떨어지면 종료되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기설정된 전압은 상기 기설정된 제2 기준전압보다 크고, 상기 기설정된 제1 기준전압보다 작은,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 큰 경우,
    상기 연료전지 스택의 전압 및 상기 연료전지 부하장치의 저항값에 기반하여 연산된 설정 전류값과 상기 부하장치에 흐르는 전류값 또는 상기 설정 전류값과 상기 연료전지 스택의 출력 전류값 간의 오차가 각각에 대해 기설정된 오차값을 초과하는 경우 상기 부하장치가 고장이라고 진단하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우,
    상기 진단하는 단계의 시작시부터 상기 연료전지 스택의 전압이 특정 전압에 도달되는데까지 소요된 시간과, 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우에 상기 연료전지 스택의 전압이 상기 특정 전압에 도달되는데까지 소요되는 기준 시간에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 기준 시간은 상기 진단하는 단계를 시작할 때의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 기설정된 전압은 상기 특정 전압보다 큰 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압이 기설정된 전압보다 작은 경우,
    상기 진단 시작시부터 특정 시간 경과시 연료전지 스택의 전압과, 상기 연료전지 부하장치가 정상 동작하는 경우의 상기 특정 시간 경과시 도달하게 되는 기준 전압에 기반하여 상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 기준 전압은 상기 진단하는 단계를 시작할 때의 연료전지 스택의 전압, 차속, 공기 유입량, 연료전지 스택의 수분 함량, 또는 연료전지 스택 내부의 크로스오버 상태에 따라 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 기설정된 전압은 상기 기준 전압보다 큰 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  30. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 부하장치의 동작을 진단하는 단계의 종료시, 진단 종료에 따른 결과를 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
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