KR20170070953A - 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법 - Google Patents

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Abstract

제어부에서 연료전지의 냉각수온도 또는 연료전지 스택의 예측온도로 구성된 온도도출값을 미리 설정된 온도기준과 비교하는 온도비교단계; 제어부에서 연료전지스택의 요구출력값을 미리 설정된 출력기준과 비교하는 출력비교단계; 온도도출값이 온도기준보다 높거나 요구출력값이 출력기준보다 높은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하는 노멀제어단계; 및 온도도출값이 온도기준보다 낮고, 동시에 요구출력값이 출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 정지제어단계;를 포함하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법{CONTROL METHOD OF COOLING PUMP FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 차량의 스택온도 및 요구출력에 따라 냉각수펌프의 온/오프 및 RPM을 정밀하게 제어하여 연료전지 차량의 플러딩을 방지하고, 스택의 가속 응답성 및 셀 온도 균일화를 가능케 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가스인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 전기를 발생시키는 장치로 기존 발전방식과 비교하여 상대적으로 높은 효율과 공해물질의 배출이 없어, 차세대 발전장치로 주목 받고 있다. 이러한 연료전지는 일반적으로 연료극에 수소를 공급하고 공기극에 산소를 포함하는 산화가스를 공급하게 되고 전해질막을 통한 반응으로 전자가 이동하게 되어 전기를 얻게 된다. 이때의 반응은 발열 반응으로 연료전지에서 반응 생성열이 발생한다.
위와 같은 방식을 통하여 발생된 발열량에 의해 연료전지 모듈의 온도가 증가하게 되며, 연료전지 셀의 열화로 인한 성능저하가 될 수 있다. 특히, 연료전지 중 중소형 용량에 적용되고 있는 PEM(Proton Exchange Membrane)형 연료전지의 경우 동작 온도가 약 60~80℃ 정도로 연료전지 효율 및 안정성을 유지하게 위해 냉각과 열 배출을 하며, 과량의 열을 회수하거나 시동 시에 열을 공급하기도 하는 온도제어를 위한 냉각 장치가 요구된다. 이러한 연료전지 냉각장치는 공냉식 냉각장치를 구비하거나 또는 냉각수를 공급하여 연료전지 모듈에서 발생하는 열을 식혀주는 수냉식 냉각장치를 구비하고 있다.
그러나 이러한 경우, 연료전지 모듈로부터 발생되는 생성열을 능동적으로 제어할 수 없기 때문에 연료전지의 부하변동으로 온도변화가 발생하는 경우에는 효과적으로 대응하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 냉각수를 냉각하기 위한 열교환시가 장착된 시스템의 경우에는 열고환기의 성능 저하시, 안정적인 냉각 시스템의 구동이 어려운 문제점이 있다. 따라서 연료전지의 안정적인 구동을 위해서는 연료전지 모듈의 온도변화에 효과적으로 대응할 수 있는 냉각장치가 요구된다.
따라서 이러한 연료전지 차량의 냉각을 효율적으로 할 수 있는 다양한 방법들이 제시되고 있는데 공개특허공보 2015-0077695 "연료전지 차량의 열 관리 시스템 및 방법"에서도 스택의 온도가 상승하는 경우, 차량 전류 제한 도달 시간을 증대시켜 스택의 출력 안정성을 개선하는 한편, 고온의 냉각수가 유입되는 이온 필터의 내구성을 개선할 수 있는 방법을 제공하고 있다.
그러나 이에 따르더라도 여전히 연료전지차량의 냉각시스템의 비효율성에 따른 플러딩현상이 존재하였으며, 연료전지차량의 저온상태에서는 연료전지 스택의 온도가 정확하게 도출되지 않아 연료전지 냉각시스템 제어의 효율이 떨어진다는 문제점이 존재하였다.
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 2015-0077695 A
본 발명은 연료전지 차량 주행 중 연료전지 온도가 하강하는 것은 방지하고 연비의 손실을 최소화하면서 연료전지 스택 온도를 운전 목표 온도로 상승 유지할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법은 제어부에서 연료전지의 냉각수온도 또는 연료전지 스택의 예측온도로 구성된 온도도출값을 미리 설정된 온도기준과 비교하는 온도비교단계; 제어부에서 연료전지스택의 요구출력값을 미리 설정된 출력기준과 비교하는 출력비교단계; 온도도출값이 온도기준보다 높거나 요구출력값이 출력기준보다 높은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하는 노멀제어단계; 및 온도도출값이 온도기준보다 낮고, 동시에 요구출력값이 출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 정지제어단계;를 포함한다.
온도비교단계와 출력비교단계에서는 제어부에서 온도기준과 출력기준을 각각 복수로 마련하며 온도도출값과 요구출력값을 복수의 온도기준 및 출력기준과 비교하고, 노멀제어단계 및 정지제어단계에서는 제어부에서 온도도출값 또는 요구출력값이 높을수록 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하고 온도도출값과 요구출력값이 낮을수록 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 것을 특징으로 한다.
온도비교단계에서는 제어부에서 온도도출값을 제1온도기준 및 그보다 작은 제2온도기준과 비교하고, 출력비교단계에서는 요구출력값을 제1출력기준 및 그보다 작은 제2출력기준과 비교하는 것을 특징으로 한다.
노멀제어단계에서는 온도도출값이 제1온도기준보다 높은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 높고 요구출력값이 제2출력기준보다 높은 경우 또는 요구출력값이 제1출력기준보다 높은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하는 것을 특징으로 한다.
정지제어단계에서는 온도도출값이 제1온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 낮은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제1출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 것을 특징으로 한다.
정지제어단계는, 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 높으며 제1출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 최소RPM모드로 제어하는 최소제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1출력기준은, 연료전지의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 경우 또는 연료전지의 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 경우의 출력인 것을 특징으로 한다.
제2출력기준은, 연료전지가 아이들 스탑시 공급할 수 있는 최대출력인 것을 특징으로 한다.
정지제어단계 이후에는, 연료전지가 펌프 재기동 조건을 만족하는 경우 제어부에서 연료전지 냉각수펌프를 재기동모드로 제어하는 재기동제어단계;를 포함한다.
펌프 재기동 조건은, 연료전지 스택의 예측온도가 제1온도기준보다 높은 제3온도기준을 초과하는 것을 특징으로 한다.
펌프 재기동 조건은, 연료전지 차량의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 것을 특징으로 한다.
펌프 재기동 조건은, 연료전지 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 것을 특징으로 한다.
펌프 재기동 조건은, 연료전지 스택의 요구출력값이 제2출력기준보다 높고 연료전지 스택의 예측온도가 제2온도기준보다 높은 제4온도기준을 초과하는 것을 특징으로 한다.
펌프 재기동 조건은, 냉각수 펌프의 정지모드 유지시간이 미리 설정된 펌프기동기준시간을 초과하는 것을 특징으로 한다.
펌프기동기준시간은, 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 셀 전압 편차의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
펌프기동기준시간은, 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 전류의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
펌프기동기준시간은, 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 고전압 노출의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
재기동모드는, 제어부에서 연료전지 출력을 미리 설정된 출력제한값으로 제한하는 모드인 것을 특징으로 한다.
재기동모드는, 제어부에서 연료전지의 냉각수온도와 연료전지 스택의 예측온도 중 큰 값을 이용하여 냉각수펌프를 제어하는 모드인 것을 특징으로 한다.
재기동 제어단계 이후에는, 연료전지가 펌프 노멀모드 진입조건을 만족하는 경우 제어부에서 연료전지 냉각수펌프를 노멀모드로 진입시키는 노멀모드진입단계;를 포함한다.
노멀모드 진입조건은, 냉각수펌프 RPM이 미리 설정된 노멀RPM기준 이상이고, 냉각수온도가 미리 설정된 노멀온도기준 이상인 것을 특징으로 한다.
노멀모드는, 제어부에서 연료전지 출력제한을 해제시키는 모드인 것을 특징으로 한다.
노멀모드는, 제어부에서 연료전지의 냉각수온도를 이용하여 냉각수펌프를 제어하는 모드인 것을 특징으로 한다.
스택의 예측온도는, 하기의 수식을 이용하여 연료전지 스택의 온도를 예측하는 것을 특징으로 한다.
T=
Figure pat00001
+Tinit , Q=(Vihv*셀수-Vs)*Ifinal+q
T: 연료전지 스택 온도 추정값, Q: 발열량, M: 열용량, Tint: 연료전지 스택 초기온도, Vihv: Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압, Vs: 연료전지 전체 전압값, Ifinal: 연료전지 전류값, q: 수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량
연료전지 전류값은, 연료전지 전압과 연료전지 버스단 전압의 차이가 미리 설정된 전압오차기준을 초과하는 경우에는 연료전지 전류 측정값에 오프셋 전류를 합산하여 도출하고, 연료전지 전압과 연료전지 버스단 전압의 차이가 전압오차기준 이하인 경우에는 연료전지 전류 측정값을 연료전지 전류값으로 도출하는 것을 특징으로 한다.
수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량은, 연료전지 전압이 미리 설정된 X-over전압기준을 초과하는 경우에는 셀수, Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압과 X-over전류를 곱하여 도출하고, 연료전지 전압이 X-over 전압기준 이하인 경우에는 0으로 도출하는 것을 특징으로 한다.
연료전지 전체 전압값은, 연료전지 스택 셀전압편차가 미리 설정된 편차기준을 초과하는 경우에는 셀최소전압과 셀수를 곱하여 도출하고, 셀전압편차가 편차기준 이하인 경우에는 연료전지 전체 전압 측정값을 연료전지 전체 전압값으로 도출하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 냉각수 펌프를 오프하였을 경우 스택 예측온도의 신뢰성 확보를 통해 연료전지 스택의 국부적 과열을 방지할 수 있다.
둘째, 연료전지 냉각수 펌프 오프 기준 부하를 온도 단계별로 차별화하여 저온 운전 회피뿐만 아니라, 고전압 펌프 보기류 감소 빈도 증대를 통하여 연료전지 차량의 연비향상이 가능하다.
셋째, 연료전지 펌프 오프 모드시 냉각수 펌프 RPM 이원화를 통하여 연료전지 가속 응답성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 스택 셀 온도 사전 균일화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지차량의 온도도출값과 요구출력에 따른 냉각수펌프 기동모드
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명 실시에 따른 연료전지 차량의 냉각수펌프(200) 제어방법은 도1에서 도시한 바와 같이 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수온도 또는 연료전지(100) 스택의 예측온도로 구성된 온도도출값을 미리 설정된 온도기준과 비교하는 온도비교단계(S100); 제어부(300)에서 연료전지(100)스택의 요구출력값을 미리 설정된 출력기준과 비교하는 출력비교단계(S200); 온도도출값이 온도기준보다 높거나 요구출력값이 출력기준보다 높은 경우 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 제어하는 노멀제어단계(S500); 및 온도도출값이 온도기준보다 낮고, 동시에 요구출력값이 출력기준보다 낮은 경우 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수펌프(200)를 정지모드로 제어하는 정지제어단계(S400);를 포함한다.
연료전지(100) 냉각수펌프(200) 제어는 연료전지(100) 스택에 발생하는 열을 감소시키기 위함(또는 저온상태에서 연료전지를 승온)이므로 본 발명에서는 냉각수펌프(200)의 제어를 위한 기준으로 연료전지(100)스택 온도와 요구출력값을 제시하고 있는 것이다. 일반적인 연료전지차량 제어에서 연료전지(100)스택의 온도를 도출하는 경우에는 냉각수온도를 활용하는데, 경우에 따라 냉각수온도가 연료전지(100) 스택의 온도를 정확하게 반영하지 못하는 상황이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 이러한 상황에서 연료전지(100) 냉각수온도를 이용하지 않고 본 발명에서 제시하고 있는 연료전지(100) 스택의 온도를 예측할 수 있는 방법을 해 냉각수펌프(200) 제어를 정밀하게 수행하여 연료전지 차량의 효율을 높일 수 있게 된다.
구체적으로 연료전지(100) 스택의 예측온도를 도출하는 방법을 살펴보면 하기의 수식을 이용한다.
T=
Figure pat00002
+Tinit , Q=(Vihv*셀수-Vs)*Ifinal+q
T: 연료전지(100) 스택 온도 추정값, Q: 발열량, M: 열용량, Tint: 연료전지(100) 스택 초기온도, Vihv: Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압, Vs: 연료전지(100) 전체 전압값, Ifinal: 연료전지(100) 전류값, q: 수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량
T는 본 발명에서 얻고자 하는 연료전지(100) 스택 온도 추정값으로 그 단위는 ℃이다. Low heating value는 연료전지(100)의 저위발열량이므로 Vihv는 연료전지(100)가 저위발열량에 해당할 때 연료전지(100) 단위 셀 전압을 의미한다. 또한 수소 X-over는 연료전지(100)에서 애노드측의 수소가 오버되어 캐소드측으로 이동하여 캐소드측의 산소와 반응하는 것을 의미한다. 이 경우 많은 크기는 아니지만 수소와 산소의 결합으로 인하여 열이 발생하게 되므로 이를 스택의 예측온도에 반영하는 것이다.
보다 세부적으로 수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량은 연료전지(100) 전압이 미리 설정된 X-over전압기준을 초과하는 경우에는 셀수, Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압과 X-over전류를 곱하여 도출하고, 연료전지(100) 전압이 X-over 전압기준 이하인 경우에는 0으로 도출한다. X-over 전압기준은 연료전지(100) 전압이 높아져 애노드측의 수소가 캐소드측으로 넘어갈 가능성이 있는 전압으로 연료전지(100) 종류에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
또한 상기 수식에서 연료전지(100) 전류값은 연료전지(100)에서 출력되는 전류값을 의미하는데, 본 발명에서는 연료전지(100) 출력 전류값을 그대로 이용하는 것이 아니라 연료전지(100) 전압과 연료전지(100) 버스단 전압차이로 인하여 발생할 수 있는 오프셋 전류를 고려하는 방법을 제시하고 있다. 구체적으로는 연료전지(100) 전압과 연료전지(100) 버스단 전압의 차이가 미리 설정된 전압오차기준을 초과하는 경우에는 연료전지(100) 전류 측정값에 오프셋 전류를 합산하여 도출하고, 연료전지(100) 전압과 연료전지(100) 버스단 전압의 차이가 전압오차기준 이하인 경우에는 연료전지(100) 전류 측정값을 연료전지(100) 전류값으로 도출하게 되는 것이다. 본 단계에서 전압오차기준은 연료전지(100)와 버스단 사이의 전압차이로 인해 전류가 발생하는 최소의 전압차이를 의미하며, 이 값은 연료전지(100)의 종류에 따라 다양한 크기로 제어부(300)에 미리 설정되어 있는 값이다.
이외에도 상기 수식에서 연료전지(100) 전체 전압값은 스택 내에 마련되는 복수개의 셀전압편차에 따라 오차가 존재할 수 있으므로, 이러한 오차를 보정하기 위하여 본 발명에서는 수식에서의 연료전지(100) 전체 전압값을 연료전지(100) 스택 셀전압편차가 미리 설정된 편차기준을 초과하는 경우에는 셀최소전압과 셀수를 곱하여 도출하고, 셀전압편차가 편차기준 이하인 경우에는 연료전지(100) 전체 전압 측정값을 연료전지(100) 전체 전압값으로 도출하도록 한다. 여기서의 편차기준은 스택 셀전압편차가 과도하여 연료전지(100) 전체 전압값의 크기에 영향을 줄 수 있을 정도의 편차기준을 의미하며, 이 값은 연료전지(100)의 종류에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
그러므로 이와 같은 방식을 통하여 도출된 스택의 예측온도는 연료전지(100) 스택에서 발생할 수 있는 다양한 변수를 모두 고려하고 있으므로, 기존의 스택 예측온도 방법보다 더 정확한 온도를 도출할 수 있게 되고, 이를 기반으로 더 효율적인 연료전지(100) 시스템 제어가 가능해지게 된다.
위와 같은 방법으로 정밀하게 스택의 온도가 도출이 가능하다면, 도출된 스택의 온도를 이용하여 냉각수펌프(200)를 효율적으로 제어하는 방법을 살펴볼 필요가 있다. 따라서 본 발명의 온도비교단계(S100)와 출력비교단계(S200)에서는 제어부(300)에서 온도기준과 출력기준을 각각 복수로 마련하며 온도도출값과 요구출력값을 복수의 온도기준 및 출력기준과 비교하고 노멀제어단계 및 정지제어단계에서는 제어부(300)에서 온도도출값 또는 요구출력값이 높을수록 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 제어하고 온도도출값과 요구출력값이 낮을수록 냉각수펌프(200)를 정지모드로 제어하도록 한다. 즉, 냉각수펌프(200)의 기동여부를 앞서 도출한 온도도출값과 연료전지 차량의 요구출력값을 이용하여 결정하는 것이다. 여기서의 온도기준과 출력기준은 냉각수펌프(200)의 성능 및 연료전지차량의 특성에 따라 다양하게 존재할 수 있을 것이다.
따라서 지금부터는 냉각수펌프(200)의 기동(본 발명에서의 노멀모드) 또는 정지를 위한 온도기준 및 출력기준을 어떻게 설정하고 이를 기반으로 어떻게 제어하는지에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에서 제시하고 있는 기준은 온도기준으로써 제1온도기준과 제1온도기준보다 값이 작은 제2온도기준을 제시하고 있으며 출력기준으로써도 제1출력기준과 제1출력기준보다 값이 작은 제2출력기준을 마련하고 있다. 그러므로 본 발명에 따를 경우 앞서 언급한 온도비교단계(S100)에서는 제어부(300)에서 온도도출값을 제1온도기준 및 그보다 작은 제2온도기준과 비교하고, 출력비교단계(S200)에서는 요구출력값을 제1출력기준 및 그보다 작은 제2출력기준과 비교하게 된다.
여기서 제1온도기준과 제2온도기준은 연료전지 차량의 상태에 따라 다양한 값으로 존재할 수 있을 것이나, 이를 지나치게 높게 설정하거나 낮게 설정할 경우 연료전지 차량의 효율이 낮아지는 역효과가 발생할 수 있으므로 적절하게 선택하는 것이 중요한바 제1온도기준은 50℃내외로, 제2온도기준은 58℃ 내외로 설정하는 것이 바람직할 것이다. 제1출력기준과 제2출력기준도 연료전지(100)의 종류에 따라 다양한 값을 가질 수 있으나, 이도 어느 정도의 제한이 필요한바, 본 발명에서는 연료전지(100)의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 경우 또는 연료전지(100)의 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 경우의 출력을 제1출력기준으로 보고, 연료전지(100)가 아이들 스탑시 공급할 수 있는 최대출력을 제2출력기준으로 보고 있다.
종래에 연료전지 차량의 냉각수펌프(200) 제어는 단순히 냉각수 온도에 따라 냉각수펌프(200)의 기동 온/오프만을 제어하였다. 그러므로 냉각수의 온도가 낮더라도 연료전지 차량의 요구출력이 높아 연료전지(100)의 기동을 필요로 하는 경우에는 냉각수펌프(200)가 기동되어 연료전지(100)가 승온되도록 해야하는바 냉각수펌프(200)의 기동이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 이러한 점을 해결하기 위해 앞서 구분한 온도기준 및 출력기준을 이용하여, 온도도출값이 제1온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 낮은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제1출력기준보다 낮은 경우 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수펌프(200)를 정지모드로 제어하도록 하고 있는 것이다. 즉, 이에 따를 경우 도3에서 도시하고 있는 바와 같이 온도도출값이 제1온도기준과 제2온도기준사이에 있는 값으로 낮은 값이더라도 요구출력이 제2출력기준을 초과한다면 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 기동하여 연료전지(100)의 효율을 극대화 시킬 수 있는 것이다.
또한, 도3에서 보는 바와 같이 본 발명에서는 냉각수펌프(200) 기동모드가 노멀모드가 아니라고 하더라도 온도도출값과 요구출력에 따라 냉각수펌프(200)의 오프모드를 이원화하고 있다. 이는 오프모드 상태에서도 연료전지차량의 필요에 따라 최소한의 냉각수펌프(200) 기동이 필요하다고 판단되는 경우에는 냉각수펌프(200)를 기동하여 연료전지(100) 가속 응답성을 확보하고 스택 셀 온도를 균일화하기 위함이다. 이를 도3을 통하여 확인을 하여보면 노멀모드를 제외한 냉각수펌프(200) 오프상태에서의 냉각수펌프(200) 제어모드가 정지모드와 최소RPM모드로 구분되어 있음을 확인할 수 있다. 즉, 연료전지(100) 스택의 온도가 매우 낮고 연료전지 차량의 요구출력이 현저히 낮아 연료전지(100) 스택의 온도상승 가능성이 없어 냉각수펌프(200)를 기동할 우려가 없다면 정지모드로 기동을 하고, 요구출력과 연료전지(100) 스택 온도관계가 냉각수펌프(200)의 기동 가능성이 있다고 판단된다면 최소RPM모드로 냉각수펌프(200)를 기동하는 것이다.
이에 대한 제어방법을 구체적으로 살펴보자면, 도3에서 도시한 바와 같이 노멀모드를 제외한 영역중에서 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 높으며 제1출력기준보다 낮은 경우(S410) 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수펌프(200)를 최소RPM모드로 제어하는 최소제어단계(S420)를 수행하게 되는 것이다.
냉각수펌프(200)의 모드가 정지모드이든, 최소RPM모드이든간에 냉각수펌프(200)가 노멀모드일때보다는 현저히 낮은 기동RPM을 가지고 있고, 낮은 연료전지(100) 출력제한을 하고 있는 상태이다. 따라서 일정조건을 만족하여 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 기동하기에 앞서 연료전지(100)의 효율 향상 측면에서 냉각수재기동을 위한 준비단계가 필요하다. 따라서 본 발명에서는 도1에서 보는 바와 같이 최소제어단계(S420)와 노멀모드진입단계(S460) 사이에 펌프재기동과 관련된 단계를 두어 연료전지차량의 효율 향상을 도모하고자 한다.
이를 위한 단계가 도1에서 도시한 바와 같이 연료전지(100)가 펌프 재기동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계(S430)와 재기동 조건을 만족하는 경우 연료전지(100) 냉각수펌프(200)를 재기동모드로 제어하는 재기동 제어단계(S440)이다. 여기서 재기동 조건은 사용자의 성향 및 연료전지차량의 종류에 따라 다양하게 설정이 가능한데 본 발명에서는 대표적인 재기동 조건으로 다섯 가지를 제시하고자 한다.
그 첫 번째는 연료전지(100) 스택의 예측온도가 제1온도기준보다 높은 제3온도기준을 초과하는 경우이다. 연료전지(100) 스택 예측온도가 노멀모드조건의 판단기준인 제1온도기준보다 높은 제3온도기준을 초과하는 경우에는 차량의 요구출력과 관계없이 연료전지(100) 스택의 과온으로 인하여 냉각수펌프(200)가 기동되어야 하는 상황이므로 이 경우에는 제어부(300)에서 냉각수펌프(200)의 구동이 필요하다고 판단하여 재기동모드로 제어하는 것이다. 제3온도기준은 연료전지차량 종류 및 상태에 따라 다양하게 설정이 가능할 것이다.
두 번째 재기동 조건은 연료전지 차량의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 것이다. 연료전지 차량의 요구토크가 크다는 것은 연료전지(100) 출력이 그만큼 커져야 한다는 것을 의미하므로 높아진 출력만큼 연료전지(100) 스택에서 발생하는 발열량도 커질 것이므로 냉각수펌프(200)의 기동이 필요해지는 것이다. 제한토크도 연료전지 차량의 종류 및 상태에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이며, 운전자의 성향에 따라서도 그 값이 바뀔 수 있을 것이다.(운전자의 성향이 가감속을 자주 한다면 제한토크를 낮게, 가감속을 자주 하지 않는다면 제한토크를 높게 설정하는 것이 바람직할 것이다)
세 번째 재기동 조건은 연료전지(100) 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 것이다. 발열량은 물체의 온도변화량에 따른 기준값이 될 수 있으므로 본 발명에서는 이를 이용한 재기동 조건을 제시하고 있는 것이다. 구체적으로 연료전지(100) 발열량은 Q=CmT 공식을 이용하여 도출할 수 있을 것이다. 여기에서 Q가 발열량이며 C는 냉각수비열, m은 냉각수유량이며 T는 연료전지(100) 스택 온도 변화량을 의미한다. 또한 제한발열량은 연료전지(100) 발열량이 냉각수펌프(200) 기동을 필요로 하는 수준일 때의 연료전지(100) 발열량을 의미하며, 이는 연료전지(100) 종류 및 상태에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다.
네 번째 재기동 조건은 연료전지(100) 스택의 요구출력값과 예측온도를 모두 고려한 조건으로 연료전지(100) 스택의 요구출력값이 제2출력기준보다 높고 연료전지(100) 스택의 예측온도가 제2온도기준보다 높은 제4온도기준을 초과하는 것이다. 온도와 요구출력이 둘 다 일정수준이 이상이 된다면, 곧 냉각수펌프(200) 구동을 할 확률이 높으므로 이에 대비하여 미리 냉각수 펌프를 재기동모드로 제어하는 것이다. 여기서의 제4온도기준도 연료전지(100) 종류 및 상태에 따라 다양한 값으로 설정할 수 있을 것이다.
마지막으로 다섯 번째 재기동 조건은 냉각수 펌프의 정지모드 유지시간이 미리 설정된 펌프기동기준시간을 초과하는 것이다. 즉, 온도와 연료전지(100) 요구출력 조건을 만족하지 않더라도 냉각수펌프(200)의 정지모드 유지시간이 펌프기동기준시간을 초과하면 바로 재기동 모드로 돌입하여 냉각수펌프(200)의 노멀모드로 진입이 용이하도록 제어하는 것이다. 그러므로 본 단계에서는 펌프기동기준시간을 어떻게 설정할 것인지가 중요한 요소가 된다. 이를 신중하게 설정하지 않으면 냉각수펌프(200)의 구동이 에너지 낭비가 되어 연료전지 차량의 에너지 효율이 떨어지는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 본 단계에서는 펌프기동기준시간을 설정하는 기준으로 세 가지 방법을 제시하고 있다.
그 중 첫 번째 기준은 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지(100) 셀 전압 편차의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지도록 펌프기동기준시간을 설정하는 것이다. 연료전지(100) 셀전압 편차의 빈도수가 적다는 것은 그만큼 스택 셀 온도가 균일화되어 있다는 것을 의미하는바 냉각수펌프(200)를 기동할 가능성이 낮아지므로 이 경우에는 펌프기동기준시간을 길게 설정하여 가능한 냉각수펌프(200)의 기동을 늦추는 것이 바람직한 것이다. 반면에 셀전압 편차 빈도수가 크다면 스택 셀 온도의 편차도 커지므로 이를 균일화시키기 위하여 냉각수펌프(200)의 기동을 필요로 하게 되므로 이 경우에는 펌프기동기준시간을 짧게 설정하여 냉각수펌프(200)가 빠른 시간 내에 재기동 모드로 진입하게 한다.
이와 다르게 두 번째 기준은 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지(100) 전류의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지도록 펌프기동기준시간을 설정하는 것이다. 앞선 경우와 유사하게 연료전지(100) 전류 발생 빈도수가 증가할수록 발생 전류에 따른 발열로 인하여 연료전지(100) 스택의 온도는 상승하게 되므로 이러한 온도 상승을 방지하기 위해 펌프기동기준시간을 작게 설정해 냉각수펌프(200)가 빠른 시간 내에 재기동 모드로 진입할 수 있도록 하는 것이다.
마지막으로 세 번째 기준은 냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지(100) 고전압 노출의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지도록 펌프기동기준시간을 설정하는 것이다. 본 기준도 앞서 설명한 두 가지의 기준과 동일하게 고전압 노출의 빈도수가 증가할수록 연료전지(100) 스택 온도가 상승할 우려가 있는바 펌프기동기준시간을 작게 설정하여 냉각수펌프(200)가 빠른 시간 내에 재기동 모드로 진입할 수 있도록 한다.
연료전지차량의 상태가 앞서 언급한 다섯 가지의 펌프재기동 조건을 만족하게 되면 연료전지(100) 냉각수펌프(200)를 재기동모드로 제어하는 재기동 제어단계(S440)를 수행하게 되는데, 여기서의 재기동모드는 최소RPM모드 상태에 있는 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 유연하게 동작천이 할 수 있도록 본 발명에서 제시하고 있는 냉각수펌프(200) 제어모드이다.
재기동모드에서의 냉각수펌프(200) 제어방식은 연료전지 차량의 종류 및 상태에 따라 다양하게 설정할 수 있을 것이나, 본 발명에서는 연료전지(100) 출력을 미리 설정된 출력제한값으로 제한하여 제어하는 방식과 연료전지(100)의 냉각수온도와 연료전지(100) 스택의 예측온도 중 큰 값을 이용하여 냉각수펌프(200)를 제어하는 방식을 제시하고 있다.
재기동모드상태에서는 아직 연료전지 차량의 승온이 충분히 이루어지지 않아 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 동작시킬 필요가 없는 상황이므로, 이 같은 상태에서 정상적인 출력으로 연료전지(100)를 동작시키는 것은 연료전지(100) 스택에 과부하를 주게 된다. 따라서 이와 같은 경우를 방지하기 위해 본 발명에서는 재기동모드에서 출력제한을 하고 있는 것이다. 상기 출력제한값은 연료전지 차량의 종류 및 상태에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.
더불어, 재기동모드에서의 냉각수펌프(200) 제어의 가장 큰 기준값이 되는 것은 앞서 살펴본 바와 같이 냉각수온도이다. 그러나 노멀모드인 경우와 달리 오프모드 또는 재기동모드의 경우에는 냉각수펌프(200)가 정상적으로 구동되고 있지 않는 상황이므로 냉각수의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 냉각수온도가 균일하지 않게 된다. 따라서 단순히 한 지점은 냉각수온도만을 이용하여 냉각수펌프(200)를 제어하는 것은 비효율적인바, 본 발명에서는 앞서 언급한 스택의 예측온도를 도출하는 방식도 함께 고려하여 냉각수펌프(200)를 제어할 수 있는 방법을 제시하고 있는 것이다.
도1에서 도시하고 있는 바와 같이 재기동제어단계(S440) 이후에는 연료전지(100)가 펌프 노멀모드 진입조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계(S450)를 수행하게 되고 해당단계에서 노멀모드 진입조건을 만족하는 경우 제어부(300)에서 연료전지(100) 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 진입시키는 노멀모드진입단계(S460);를 수행하게 된다. 여기서의 노멀모드 진입조건은 연료전지 차량의 종류 또는 사용자의 요구에 따라 다양하게 설정이 가능할 것이나 냉각수펌프(200) 기동에 있어서 가장 중요한 인자는 RPM과 냉각수온도일 것 인바, 본 발명에서는 노멀모드 진입조건으로써 냉각수펌프(200) RPM이 미리 설정된 노멀RPM기준 이상이고, 냉각수온도가 미리 설정된 노멀온도기준 이상일 것을 제시하고 있다. 노멀RPM기준과 노멀온도기준은 연료전지 차량 상태 및 종류에 따라 다양하게 설정이 가능할 것이나 일반적으로 냉각수펌프(200) 기동이 노멀모드일 때의 냉각수펌프(200)RPM 및 냉각수온도로 설정하는 것이 바람직할 것이다.
앞서 말한 단계를 통하여 냉각수펌프(200)가 노멀모드로 기동하게 되는 경우도 있으나, 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 온도비교단계(S100)와 출력비교단계(S200)를 통한 온도도출값이 제1온도기준보다 높은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 높고 요구출력값이 제2출력기준보다 높은 경우 또는 요구출력값이 제1출력기준보다 높은 경우에도 제어부(300)에서 연료전지(100)의 냉각수펌프(200)를 노멀모드로 제어하게 된다. 즉, 본 발명에서는 도3에서 도시하고 있는 정지모드와 최소RPM모드가 아닌 경우의 상태를 냉각수펌프(200) 노멀모드 기동 조건으로 보고 있는 것이다.
노멀모드의 경우에는 앞서 언급한 재기동모드와는 다르게 연료전지차량이 정상상태에 있는 경우이므로 출력제한을 할 필요가 없는바 본 발명은 냉각수펌프(200)의 노멀모드 상태에서는 제어부(300)에서 연료전지(100) 출력제한을 해제시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 노멀모드 상태에서는 냉각수가 원활하게 순환하고 있는 상태이므로 복잡한 연산을 통하여 도출되는 스택의 예측온도를 이용할 필요 없이 연료전지(100) 냉각수온도를 이용하여 냉각수펌프(200)를 제어하여도 될 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.
S100: 온도비교단계 S200: 출력비교단계
S400: 정지제어단계 S420: 최소제어단계
S440: 재기동제어단계 S460: 노멀모드 진입단계
S500: 노멀제어단계 100: 연료전지
200: 냉각수펌프 300: 제어부

Claims (27)

  1. 제어부에서 연료전지의 냉각수온도 또는 연료전지 스택의 예측온도로 구성된 온도도출값을 미리 설정된 온도기준과 비교하는 온도비교단계;
    제어부에서 연료전지스택의 요구출력값을 미리 설정된 출력기준과 비교하는 출력비교단계;
    온도도출값이 온도기준보다 높거나 요구출력값이 출력기준보다 높은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하는 노멀제어단계; 및
    온도도출값이 온도기준보다 낮고, 동시에 요구출력값이 출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 정지제어단계;를 포함하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    온도비교단계와 출력비교단계에서는 제어부에서 온도기준과 출력기준을 각각 복수로 마련하며 온도도출값과 요구출력값을 복수의 온도기준 및 출력기준과 비교하고,
    노멀제어단계 및 정지제어단계에서는 제어부에서 온도도출값 또는 요구출력값이 높을수록 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하고 온도도출값과 요구출력값이 낮을수록 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    온도비교단계에서는 제어부에서 온도도출값을 제1온도기준 및 그보다 작은 제2온도기준과 비교하고, 출력비교단계에서는 요구출력값을 제1출력기준 및 그보다 작은 제2출력기준과 비교하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    노멀제어단계에서는 온도도출값이 제1온도기준보다 높은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 높고 요구출력값이 제2출력기준보다 높은 경우 또는 요구출력값이 제1출력기준보다 높은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 노멀모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    정지제어단계에서는 온도도출값이 제1온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 낮은 경우 또는 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제1출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 정지모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    정지제어단계는, 온도도출값이 제2온도기준보다 낮고 요구출력값이 제2출력기준보다 높으며 제1출력기준보다 낮은 경우 제어부에서 연료전지의 냉각수펌프를 최소RPM모드로 제어하는 최소제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  7. 청구항 3내지 6에 있어서,
    제1출력기준은,
    연료전지의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 경우 또는 연료전지의 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 경우의 출력인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  8. 청구항 3내지 6에 있어서,
    제2출력기준은,
    연료전지가 아이들 스탑시 공급할 수 있는 최대출력인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  9. 청구항 3에 있어서,
    정지제어단계 이후에는,
    연료전지가 펌프 재기동 조건을 만족하는 경우 제어부에서 연료전지 냉각수펌프를 재기동모드로 제어하는 재기동제어단계;를 포함하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    펌프 재기동 조건은,
    연료전지 스택의 예측온도가 제1온도기준보다 높은 제3온도기준을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    펌프 재기동 조건은,
    연료전지 차량의 요구토크가 미리 설정된 제한토크를 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    펌프 재기동 조건은,
    연료전지 발열량이 미리 설정된 제한발열량을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    펌프 재기동 조건은,
    연료전지 스택의 요구출력값이 제2출력기준보다 높고 연료전지 스택의 예측온도가 제2온도기준보다 높은 제4온도기준을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    펌프 재기동 조건은,
    냉각수 펌프의 정지모드 유지시간이 미리 설정된 펌프기동기준시간을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    펌프기동기준시간은,
    냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 셀 전압 편차의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    펌프기동기준시간은,
    냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 전류의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    펌프기동기준시간은,
    냉각수 펌프의 정지모드중 발생하는 연료전지 고전압 노출의 빈도수 증가에 따라 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  18. 청구항 9에 있어서,
    재기동모드는,
    제어부에서 연료전지 출력을 미리 설정된 출력제한값으로 제한하는 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  19. 청구항 9에 있어서,
    재기동모드는,
    제어부에서 연료전지의 냉각수온도와 연료전지 스택의 예측온도 중 큰 값을 이용하여 냉각수펌프를 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  20. 청구항 9에 있어서,
    재기동 제어단계 이후에는,
    연료전지가 펌프 노멀모드 진입조건을 만족하는 경우 제어부에서 연료전지 냉각수펌프를 노멀모드로 진입시키는 노멀모드진입단계;를 포함하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    노멀모드 진입조건은,
    냉각수펌프 RPM이 미리 설정된 노멀RPM기준 이상이고, 냉각수온도가 미리 설정된 노멀온도기준 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  22. 청구항 1 또는 20에 있어서,
    노멀모드는,
    제어부에서 연료전지 출력제한을 해제시키는 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  23. 청구항 1 또는 20에 있어서,
    노멀모드는,
    제어부에서 연료전지의 냉각수온도를 이용하여 냉각수펌프를 제어하는 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  24. 청구항 1 또는 10 또는 19중 어느 하나에 있어서,
    스택의 예측온도는,
    하기의 수식을 이용하여 연료전지 스택의 온도를 예측하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
    T=
    Figure pat00003
    +Tinit , Q=(Vihv*셀수-Vs)*Ifinal+q
    T: 연료전지 스택 온도 추정값, Q: 발열량, M: 열용량, Tint: 연료전지 스택 초기온도, Vihv: Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압, Vs: 연료전지 전체 전압값, Ifinal: 연료전지 전류값, q: 수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량
  25. 청구항 24에 있어서,
    연료전지 전류값은,
    연료전지 전압과 연료전지 버스단 전압의 차이가 미리 설정된 전압오차기준을 초과하는 경우에는 연료전지 전류 측정값에 오프셋 전류를 합산하여 도출하고, 연료전지 전압과 연료전지 버스단 전압의 차이가 전압오차기준 이하인 경우에는 연료전지 전류 측정값을 연료전지 전류값으로 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    수소 X-over를 통한 캐소드 수소/산소 직접 반응 발열량은,
    연료전지 전압이 미리 설정된 X-over전압기준을 초과하는 경우에는 셀수, Low heating value에 해당하는 단위 셀 전압과 X-over전류를 곱하여 도출하고, 연료전지 전압이 X-over 전압기준 이하인 경우에는 0으로 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
  27. 청구항 24에 있어서,
    연료전지 전체 전압값은,
    연료전지 스택 셀전압편차가 미리 설정된 편차기준을 초과하는 경우에는 셀최소전압과 셀수를 곱하여 도출하고, 셀전압편차가 편차기준 이하인 경우에는 연료전지 전체 전압 측정값을 연료전지 전체 전압값으로 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법.
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