KR20170119831A - 연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법 - Google Patents

연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법에 관한 것으로, 연료 전지의 전력이 충분히 높은 전압에 도달하지 않은 상태에서도 보조 배터리의 높은 전압을 이용하여 절연 저항의 크기를 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하고, 절연 저항을 측정하기 위한 별도의 추가 장치 없이 기존의 전류 센서만으로도 절연 저항을 측정할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 연료 전지 자동차는, 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하는 연료 전지와; 미리 설정된 제 2 전압으로 충전되는 배터리와; 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 배터리에서 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 제어부를 포함한다.

Description

연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법{FUEL CELL VEHICLE AND INSULATION RESISTANCE MEASURING METHOD THEREOF}
본 발명은 자동차에 관한 것으로, 연료 전지를 동력으로 사용하는 연료 전지 자동차에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 연료 전지의 기본적인 구조는, 전해질을 사이에 두고 음극(수소극)와 양극(산소극)이 전극을 이루는 단위 셀을 기본으로 한다. 수소를 연료로 사용하는 연료 전지의 경우에는 음극에 수소를 공급하고 양극에 산소를 공급함으로써 이온화된 물질의 화학적 반응을 통해 전기와 열이 생성된다. 이와 같은 단위 셀들을 여러 개 적층하여 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack)을 구성할 수 있다.
연료 전지는 화석 연료의 연소(산화) 과정을 거치지 않기 때문에 NOx나 SOx, HC, CO 등의 유해 물질을 배출하지 않는다. 또한 발전 효율이 매우 높아서 미래의 발전 기술로도 평가 받고 있다. 이로 인해 에너지 절약과 환경 보호, 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제에 대응하기 위하여 자동차의 화석 연료를 대체할 새로운 동력원으로서 적용되고 있다.
이와 같은 연료 전지가 적용된 연료 전지 자동차에서는 연료 전지 스택에서 생산된 전력이나 보조 배터리의 전력을 승압한 고전압을 사용하기 때문에, 전력 전달 계통과 접지 사이의 절연이 충분히 확보되어야 한다. 따라서 전력 전달 계통과 접지 사이의 절연 저항을 지속적으로 모니터링할 필요가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 연료 전지의 전력이 충분히 높은 전압에 도달하지 않은 상태에서도 보조 배터리의 높은 전압을 이용하여 절연 저항의 크기를 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본원 발명의 또 다른 측면에 따르면 절연 저항을 측정하기 위한 별도의 추가 장치 없이 기존의 전류 센서만으로도 절연 저항을 측정할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 연료 전지 자동차는, 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하는 연료 전지와; 미리 설정된 제 2 전압으로 충전되는 배터리와; 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 배터리에서 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 제어부를 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차는, 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 연료 전지가 기동을 시작하는 초기에 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 이전 시점에서 절연 저항의 측정이 이루어진다.
상술한 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압과 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정한다.
상술한 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차에서, 제어부는, 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하고; 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법은, 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하기 위한 연료 전지가 기동하도록 제어하는 단계와; 연료 전지의 기동 시 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 배터리의 미리 설정된 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 배터리에서 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 단계를 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법에서, 연료 전지의 기동은 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 이루어진다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법은, 배터리의 제 2 전압과 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법에서 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법은, 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하는 단계와; 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법에서, 배터리의 전압이 약 180V이다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 연료 전지 자동차의 또 다른 절연 저항 측정 방법은, 절연 저항 측정 명령을 수신하는 단계와; 절연 저항 측정 명령의 수신에 응답하여 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 배터리에서 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 단계를 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법은, 배터리의 제 2 전압과 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법에서 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법은, 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하는 단계와; 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 연료 전지 자동차는, 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하는 연료 전지와; 미리 설정된 제 2 전압으로 충전되는 배터리와; 연료 전지의 전력과 배터리의 전력 가운데 적어도 하나를 전기 부하로 공급하도록 마련되는 전력 분배부와; 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 배터리의 제 2 전압의 전력을 전력 분배부를 통해 전기 부하로 공급하면서 배터리에서 전력 분배부를 통해 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 제어부를 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차는, 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 연료 전지가 기동을 시작하는 초기에 연료 전지의 전력이 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 이전 시점에서 절연 저항의 측정이 이루어진다.
상술한 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압과 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정한다.
상술한 연료 전지 자동차는, 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차에서, 제어부는, 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하고; 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 연료 전지의 전력이 충분히 높은 전압에 도달하지 않은 상태에서도 보조 배터리의 높은 전압을 이용하여 절연 저항의 크기를 측정할 수 있도록 함으로써, 연료 전지의 기동이 완료되지 않은 상태에서도 절연 저항의 크기를 빠르게 측정할 수 있다.
본원 발명의 또 다른 측면에 따르면 절연 저항을 측정하기 위한 별도의 추가 장치 없이 기존의 전류 센서만으로도 절연 저항을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 자동차를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료 전지의 원리를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정이 이루어지는 타임라인을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 또 다른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 자동차를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차(100)는, 연료 전지 자동차(100)의 외관을 형성하는 본체(110), 탑승자에게 연료 전지 자동차(100) 전방의 시야를 제공하면서 바람으로부터 탑승자를 보호하기 위한 윈드쉴드(windshield)(112), 탑승자에게 연료 전지 자동차(100)의 측면 및 측후방의 시야를 제공하는 아웃사이드 미러(114), 연료 전지 자동차(100) 내부를 외부로부터 차폐시키는 도어(190), 통신을 위한 안테나(152) 및 연료 전지 자동차(100)의 전방에 위치하는 앞바퀴(122), 연료 전지 자동차(100)의 후방에 위치하는 뒷바퀴(124)를 포함할 수 있다.
윈드쉴드(112)는 본체(110)의 전방 상측에 마련되어 연료 전지 자동차(100) 내부의 탑승자가 연료 전지 자동차(100) 전방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다. 또한, 아웃사이드 미러(114)는 좌측과 우측의 도어(190) 각각에 하나씩 마련될 수 있다. 연료 전지 자동차(100)의 탑승자는 아웃사이드 미러(114)를 통해 연료 전지 자동차(100)의 측면 및 측후방의 시각 정보를 획득할 수 있다.
도어(190)는 본체(110)의 좌측 및 우측에 회동 가능하도록 마련된다. 도어(190)의 개방 시에는 탑승자의 출입이 가능하며, 도어(190)의 폐쇄 시에 연료 전지 자동차(100)의 내부를 외부로부터 차폐시킬 수 있다. 도어(190)는 도어 시건 장치(192)를 이용하여 잠금/해제할 수 있다. 도어 시건 장치(192)의 잠금/해제는 사용자가 연료 전지 자동차(100)에 접근하여 도어 시건 장치(192)의 버튼이나 레버를 직접 조작하는 방법과 연료 전지 자동차(100)로부터 떨어진 위치에서 원격 제어기(Remote Controller) 등을 이용하여 원격으로 잠금/해제하는 방법이 있다.
안테나(152)는 텔레매틱스와 DMB, 디지털 TV, GPS 등의 방송/통신 신호 등을 수신하기 위한 것으로서, 다양한 종류의 방송/통신 신호를 수신하는 다기능 안테나이거나 또는 어느 하나의 방송/통신 신호를 수신하기 위한 단일 기능 안테나일 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 배치를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 연료 전지 자동차(100)는 플랫 플로어 타입(Flat Floor Type)이지만, 플랫 플로어 타입 이외의 다른 형태의 연료 전지 자동차에도 본 발명이 적용될 수 있다.
연료 전지 자동차(100)에는 연료 전지 모듈과 여러 가지 전장품이 탑재된다. 연료 전지 모듈 및 전장품들은 엔진 룸과 언더 플로어, 러기지 룸의 하부에 분산 배치된다. 연료 전지 자동차(100)에서, 연료 전지 스택(220)과 에어 블로어(202b), 가습기(210), 수소 공급 장치(230), 고전압 배터리(240), 수소 탱크(250) 등이 연료 전지 모듈을 구성한다. 또한 연료 전지 자동차(100)에서 전장품은, 모터(260)와 전자 제어부 (270), 고전압 정션 박스(전력 분배부)(280), TMS(Temperature Management System) 모듈(290)을 포함한다.
도 3은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에는 앞서 도 2에서 언급한 구성 요소들 외에 에어 클리너(202a)와 쿨링 모듈(202c), 펌프(202d), 충전부(242), 고전압 양방향 직류-직류 컨버터(High Voltage Bidirectional DC-DC Converter)(282)를 추가로 도시하였다.
연료 전지 스택(220)은 복수의 단위 연료 전지 셀(Unit Fuel Cell)(도 4 참조)이 적층된(Stack) 것으로서, 쿨링 모듈(202c)(예를 들면 라디에이터)에 의해 냉각된다. 쿨링 모듈(202c)의 제어는 온도 관리를 담당하는 TMS 모듈(290)에 의해 이루어진다. 연료 전지 스택(220)이 생산하는 전력은 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)를 통해 고전압 정션 박스(280)로 공급되고, 고전압 정션 박스(280)를 통해 전자 제어부(270)와 모터(260) 등의 고전압을 필요로 하는 전기 부하로 제공된다.
에어 블로어(202b)는 연료 전지 스택(220)에 공기(산소)를 공급하도록 마련된다. 공기(산소)를 공급하는 목적은 연료 전지 스택(220)에 산소를 공급하여 수소와 반응하도록 하기 위함이다. 연료 전지 스택(220)에서는 수소와 산소의 반응에 의해 전력이 생산된다.
연료 전지 스택(220)에 공기가 공급되기까지의 경로는 에어 클리너(202a)와 에어 블로어(202b), 가습기(210)를 거쳐 연료 전지 스택(220)에 이른다. 에어 클리너(202a)는 연료 전지 스택(220)에 공급할 공기를 정화하도록 마련된다. 에어 클리너(202a)에 의해 정화된 공기는 에어 블로어(202b)의 송풍 작용에 의해 가습기(210)까지 전달된다. 가습기(210)는 연료 전지 스택(220)에 공급되는 공기를 가습하도록 마련된다. 이와 같은 가습기(210)의 작용에 의해 습윤한 상태로 전환된 공기가 연료 전지 스택(220)에 공급될 수 있다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 수소와 산소가 너무 건조하면 연료 전지 스택(220)의 성능이 저하될 수 있다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 반응 가스의 상대 습도가 너무 낮으면 고분자 막인 전해질이 충분히 수화되지 않아서 이온 전도도가 낮아지고, 결국 연료 전지 스택(220)의 발전 성능이 저하된다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 공기를 가습하면 연료 전지 스택(220)에서 수소 이온의 이동을 담당하는 전해질의 건조 현상(Dry-out)이 초래되지 않도록 할 수 있어서 연료 전지 스택(220)의 성능 저하를 방지할 수 있다. 반대로, 연료 전지 스택(220)에 함유된 수분의 양이 과도하게 많으면 반응이 일어나는 촉매 층과 전해질 층 삼상 계면에서의 플러딩 현상(Flooding)이 초래되고, 이 플러딩 현상에 의해 물질 전달이 방해를 받아서 연료 전지 스택(220)의 성능이 저하될 수 있다. 따라서 연료 전지 스택(220)에서는 적절한 수준의 물 관리가 이루어져야 한다.
수소 공급 장치(230)는 연료 전지 스택(220)에 연료인 수소를 공급하도록 마련된다. 고체 고분자형 연료 전지에서는 전해질인 고분자 막을 항상 습한 상태로 유지할 필요가 있기 때문에 반응 가스인 산소를 가습하여 공급한 것처럼 연료인 수소 역시 가습하여 연료 전지 스택(220)에 공급한다. 수소의 가습을 위해 막 가습기(미도시)가 사용된다. 막 가습기는 수분만이 통과하는 반투막의 한쪽에는 수소를 반대쪽에는 물을 흘려 수소를 가습하는 원리이다. 막 가습기는 연료 전지 스택(220)과 그 구조가 유사하며, 연료 전지 스택(220)과 일체로 결합될 수 있다.
고전압 배터리(240)는 연료 전지 스택(220)과는 별개의 보조 배터리로서 고전압(예를 들면 180V)의 전력을 제공하도록 마련된다. 고전압 배터리(240)에서 제공되는 전압은 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(도 3의 282 참조)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(도 5의 502 참조)로 공급된다. 고전압 배터리(240)는 기존의 플러그-인에 대응하는 대용량의 리튬 이온 배터리로서, 연료 전지 자동차(100)의 전기 자동차 모드(Electric Vehicle Mode, EV 모드)에서 고전압 배터리(240)의 전력만으로 연료 전지 자동차(100)가 운행되도록 할 수 있다. 따라서 연료 전지 자동차(100)의 구동을 위한 동력 공급원으로서 수소를 이용하는 연료 전지 스택(220) 외에 가정용 전기와 같은 2차 재원을 고전압 배터리(240)에 직접 충전함으로써 연료 전지 자동차(100)를 구동하기 위한 동력원을 다양화할 수 있다. 고전압 배터리(240)는 외부 전원을 이용하는 충전부(242)에 의해 충전될 수도 있다.
수소 탱크(250)는 연료 전지 자동차(100)의 연료인 수소를 저장하도록 마련된다. 수소 탱크(250)는 수소 흡장 합금 탱크나 고압 용기, 액체 수소 탱크가 사용될 수 있다.
모터(260)는 앞바퀴(122) 또는 뒷바퀴(124)를 구동하도록 마련된다. 모터(260)는 연료 전지 스택(220) 또는 고전압 배터리(240)로부터 제공되는 전기 에너지에 의해 동작한다. 모터(260)는 전자 제어부(270)에 의해 그 속도가 제어될 수 있다. 모터(260)는 100kw급으로 엘 타입(L Type) 감속기와 함께 설치될 수 있다.
전자 제어부(Electronic Control Unit, ECU)(270)는 연료 전지 자동차(100)의 동작 전반을 제어한다. 예를 들면 전자 제어부(270)는 연료 전지 자동차(100)의 주행을 위해 모터(260)의 회전과 정지 등을 제어하고, 또 모터(260)의 회전 시에는 모터(260)의 회전 속도를 제어한다. 전자 제어부(270)에 의한 모터(260)의 제어는 운전자의 가속과 제동, 변속기의 조작에 응답하여 이루어진다. 또한 전자 제어부(270)는 전기 부하(도 5의 502 참조)로의 전력 공급에 관여한다. 또한 전력 생산을 위해 연료 전지 스택(220)으로의 수소 및 산소의 공급, 냉각 등의 제어에도 관여한다.
고전압 정션 박스(280)는 고전압(예를 들면 최고 250-400V)을 필요로 하는 전기 부하에 고전압을 분배하도록 마련된다. 고전압 정션 박스(280)는 엔진 룸 내의 전력 공급(분배)에 관련된 부품들을 하나로 모듈화한 것이다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)의 모듈화된 고전압 정션 박스(280)는 부품 사이즈 및 고전압 와이어링을 최소화할 수 있다. 도 3에는 고전압 정션 박스(280)와 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)가 별도의 구성 요소로 분리되어 있는데, 필요에 따라 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)를 고전압 정션 박스(280) 내에 포함시켜서 일체화할 수도 있다.
TMS 모듈(290)은 연료 전지 자동차(100)의 각 부분의 온도 관리를 수행하도록 마련된다. TMS 모듈(290)을 적용함으로써 열 관리 시스템을 단순화할 수 있고, 열 관리 시스템의 배관을 최소화함으로써 레이아웃 설계가 유리해지고 열관리 시스템의 성능이 개선될 수 있다.
이 밖에도 엔진 룸에는 펌프(202d)가 더 설치된다. 연료 전지 스택(220)은 쿨링 모듈(202c)로부터 펌프(202d)를 통해 냉각수를 공급받아 냉각됨으로써 온도가 제어된다. 또한, 연료 전지 스택(220)에서 반응에 사용된 공기와 물은 연료 전지 자동차(100)의 외부로 배출되거나, 연료 전지 스택(220)으로 순환하여 연료 전지 스택(220)에서 수소와 반응하는 용도로 재사용될 수도 있다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료 전지의 원리를 나타낸 도면이다. 도 4에는 특히 대표적인 연료 전지인 고체 고분자형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PDMFC)의 원리를 나타내었다. 수소를 연료로 사용하는 연료 전지는 물을 전기 분해하면 수소와 산소로 분리되는 전기 분해의 원리를 역으로 이용한 것이다. 즉, 수소와 산소를 반응시켜서 발생하는 전자의 이동으로부터 전력을 얻는다.
연료 전지 스택(220)은 단위 셀이 여러 개 적층된 구조인데, 도 4에 나타낸 연료 전지 셀은 연료 전지 스택(220)을 구성하는 복수의 단위 셀들 가운데 하나를 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 것처럼, 음극(수소극)과 양극(산소극) 사이에 전해질이 채워지고, 음극(수소극)과 양극(산소극) 사이에서 전력을 얻을 수 있다.
연료 전지 스택(220)에서 전력을 생산하기 위해서는 도 4에 나타낸 단위 셀의 음극(수소극)에 수소(H2)를 공급하고 양극(산소극)에 산소(O2)를 공급한다. 단위 셀의 음극(수소극)에서는 공급된 수소(H2)가 산화 반응을 일으켜 2H++2e-로 변환된다. 이렇게 수소(H2)로부터 분리된 전자(2e-)가 전기 부하(예를 들면 모터)로 이동하면서 전류가 형성된다. 물론 전류의 방향은 전자의 이동 방향의 반대인 양극(산소극)에서 음극(수소극)으로 향한다. 전자를 잃은 수소 이온(H+)은 전해질을 통해 양극(산소극)으로 이동하여 산소(1/2 O2) 및 전자(2e-)와 결합하면서 산소의 환원 반응이 일어나 물(H2O)과 열로 변환된다.
이와 같이 연료 전지에서 발생하는 물과 열은 외부로 배출되거나 또는 재생 에너지로 활용되기도 한다. 특히 열 에너지는 연료 전지의 에너지 효율을 높이는데 크게 작용한다. 열 에너지 활용 이전의 연료 전지의 에너지 효율은 약 40-60% 정도인데, 열 에너지를 활용하면 연료 전지의 에너지 효율을 약 80%까지 높일 수 있다.
도 5는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정을 나타낸 도면이다. 절연 저항(Insulation Resistance)은 절연된 두 물체 사이에 전압을 인가했을 때 절연된 두 물체 사이 또는 접지 사이에 흐르는 전류와 전압의 비(Ratio)를 의미한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)에서의 절연 저항(504)은 연료 전지 스택(220)이나 고전압 배터리(240)로부터 제공되는 고전압이 전기 부하(502)에 인가되기까지의 고전압 인가 경로와 접지(예를 들면 자동차의 샤시) 사이의 절연 저항을 의미한다. 접지는 연료 전지 자동차(100)의 샤시의 전위를 0전위로 하여 정할 수 있다. 연료 전지 자동차(100)에서는 연료 전지 스택(220)에서 생산된 전력이나 고전압 배터리(240)의 전력을 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)를 통해 250-400V로 승압한 고전압을 사용하기 때문에, 전력 전달 계통과 접지(샤시) 사이의 절연이 충분히 확보되어야 한다. 따라서 전력 전달 계통과 접지(샤시) 사이의 절연 저항(504)을 지속적으로 모니터링할 필요가 있다.
전기 부하(502)에 고전압의 전력을 공급하는 경로는 두 가지이다. 첫 번째 경로에서는, 연료 전지 자동차(100)의 시동 후 연료 전지 스택(220)이 동작하여 전력이 생산되면, 연료 전지(220)에서 생산되는 전력이 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 공급된다. 두 번째 경로에서는, 고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 전력이 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 공급된다. 고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 전력은 연료 전지 스택(220)의 전력을 이용하지 않고 연료 전지 자동차(100)를 운행하거나 전기 부하를 구동할 때 사용될 수 있다.
절연 저항(504)을 측정하기 위해서는 전기 부하(502)로 매우 높은 전압을 인가해야 한다. 만약 연료 전지 자동차(100)의 시동 초기에 연료 전지 스택(220)에서 생산되는 고전압 전력을 이용하여 절연 저항(504)의 크기를 측정하고자 한다면, 연료 전지 스택(220)이 기동을 시작한 후 충분한 고전압의 전력이 생산될 때까지 기다려야 하기 때문에 그만큼 대기 시간이 발생할 수 있다. 그리고 절연 저항을 측정하기 위해서는 별도의 절연 저항 측정 장치가 요구되기도 한다. 이 문제를 해결하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)에서는 키 스타트에 따른 시동 초기에, 비록 연료 전지 스택(220)에서 고전압이 생산되기 전이라 하더라도, 이미 충전되어 있는 고전압 배터리(240)의 전력을 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282) 및 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)에 인가하면서 그 때의 전류량을 통해 절연 저항(504)의 크기를 측정한다. 이미 충전되어 있는 고전압 배터리(240)의 고전압 전력을 이용하면 연료 전지 스택(220)의 기동이 완료되지 않아 미처 고전압이 생성되기 전이라 하더라도 전기 부하(502)로 고전압의 전력을 인가할 수 있다. 고전압 배터리(240)에서 출력되는 180V의 고전압 전력만으로도 절연 저항(504)의 크기를 충분히 측정할 수 있기 때문에 절연 저항(504)의 측정을 위해 고전압 배터리(240)의 전력을 전기 부하(502)로 인가할 때에는 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)의 승압 작용 없이 입력된 180V의 전력이 그대로 출력되도록 한다.
도 5에서, 전자 제어부(270)는 연료 전지 자동차(100)의 시동 초기(예를 들면 키 스타트 직후)에, 아직 연료 전지 스택(220)에서 충분히 높은 고전압 전력이 생산되기 전에, 고전압 배터리(240)에 이미 충전되어 있는 고전압의 전력이 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282) 및 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 인가되도록 한다. 이 때 전자 제어부(270)는 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 인가되는 전류를 검출하고, 인가된 전압과 검출된 전류의 비(Ratio)로부터 절연 저항(504)의 크기를 측정할 수 있다. 예를 들면, 충분히 만족할만한 수준의 절연 상태에서 전기 부하(502)에 180V의 전압을 인가했을 때 고전압 공급 경로와 접지(샤시) 사이에 3A 이하의 전류가 흐른다고 가정할 때, 만약 절연 상태가 약화되어 절연 저항의 크기가 감소하면 인가되는 전류의 양은 증가하여 3A를 초과하게 될 것이고, 절연 저항의 크기가 감소할수록 인가되는 전류의 양은 더욱 증가하게 될 것이다. 따라서 허용 가능한 최소 절연 저항에서의 전류의 양(예를 들면 7.6A)을 실험을 통해 측정하여 저장해 두고, 절연 저항(504)의 측정을 위해 180V의 전력을 인가했을 때 흐르는 측정 전류의 양이 7.6A를 초과하면 절연 저항(504)이 허용 가능한 최소 크기 이하인 것으로 판단하여 안전을 위해 필요한 조치를 취하는 것이 바람직하다.
절연 저항의 측정을 위한 전류 검출은 고전압 정션 박스(280) 내에 마련되는 전류 센서(미도시)를 이용할 수 있다. 또는 인가되는 전류량이 최대 허용 임계 값을 초과할 때 퓨즈가 개방되어 전기 부하(502)로의 전력 공급이 자동으로 차단되도록 할 수도 있다. 또한 이와 같은 퓨즈의 개방에 응답하여 경보를 발생시킬 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정이 이루어지는 타임라인을 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)에서는 키 스타트(시동) 직후부터 연료 전지 스택(220)의 출력 전압이 충분히 고전압에 도달하기 직전의 시점 사이에 고전압 배터리(240)를 이용하여 절연 저항(504)을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)에서 달성하고자 하는 목적 가운데 하나가 연료 전지 스택(220)의 출력 전압이 충분히 고전압에 도달하기 전에 가능하면 신속하게 절연 저항(504)을 측정하는 것이므로, 키 스타트 후 연료 전지 스택(220)의 출력 전압이 충분히 고전압에 도달하기 전까지의 구간에서 고전압 배터리(240)를 이용한 절연 저항(504)의 크기의 측정이 가능하다. 단, 가능하면 빠른 시간 내에 절연 저항(504)의 크기를 측정하기 위해 키 스타트 직후에 고전압 배터리(240)를 이용한 절연 저항(504)의 측정을 시도하는 것이 바람직하다. 즉, 키 스타트 시점과 절연 저항 측정 시점 사이의 간격이 짧을수록 좋다.
도 7은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다. 운전자가 연료 전지 자동차(100)를 운행하기 위해 스타트 버튼을 조작하면 키 스타트 신호가 발생하여 전자 제어부(270)에 전달되고, 전자 제어부(270)가 키 스타트 신호에 응답하여 연료 전지 자동차(100)의 운행을 위해 필요한 일련의 제어를 수행한다. 키 스타트에 응답하여 이루어지는 제어 가운데 하나가 연료 전지 스택(220)의 기동이다(702).
키 스타트 직후, 전자 제어부(270)는 고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 180V의 전력이 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282) 및 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 인가되도록 제어한다(704). 키 스타트 이후, 고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 180V의 전력을 전기 부하(502)로 인가하는 시점이 빠를수록 절연 저항(502)의 크기를 측정하는 시점을 그만큼 앞당길 수 있어 더 안전하다.
고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 180V의 전력을 전기 부하(502)로 인가하면서 전자 제어부(270)는 고전압 정션 박스(280)를 통해 흐르는 전류량을 측정한다(706). 이 전류는 절연 저항(504)을 통해서도 흐르게 되므로, 이 때의 전류량을 통해 절연 저항(504)의 크기를 측정할 수 있다.
이어서 전자 제어부(270)는 측정 전류와 기준 전류를 비교한다(708). 측정 전류와 기준 전류의 비교는 측정 전류의 크기로부터 절연 저항의 크기를 추정하기 위함이다. 즉, 충분히 만족할만한 수준의 절연 상태에서 전기 부하(502)에 180V의 전압을 인가했을 때 고전압 공급 경로와 접지(샤시) 사이에 3A 이하의 전류가 흐른다고 가정할 때, 만약 절연 상태가 약화되어 절연 저항의 크기가 감소하면 인가되는 전류의 양은 증가하여 3A를 초과하게 될 것이고, 절연 저항의 크기가 감소할수록 인가되는 전류의 양은 더욱 증가하게 될 것이다. 따라서 허용 가능한 최소 절연 저항에서의 전류의 양(예를 들면 7.6A)을 실험을 통해 측정하여 저장해 두고, 절연 저항(504)의 측정을 위해 180V의 전력을 인가했을 때 흐르는 측정 전류의 양이 7.6A를 초과하면 절연 저항(504)이 허용 가능한 최소 크기 이하인 것으로 판단하여 안전을 위해 필요한 조치를 취하는 것이 바람직하다. 이 경우 7.6A가 기준 전류가 된다.
만약 측정 전류가 기준 전류인 7.6A 이하이면(708의 '예') 절연 저항(504)이 정상 범위 내의 크기인 것으로 판정하고 연료 전지 자동차(100)의 시동 및 구동을 계속 진행한다(710). 반대로, 측정 전류가 기준 전류인 7.6A를 초과하면(708의 '아니오') 절연 저항(504)이 정상 범위의 상한을 벗어나 비정상인 것으로 판정하고, 연료 전지 자동차(100)의 전기 부하(502)로의 전력 공급을 차단하고 경보를 발생시켜서 운전자의 주의를 환기시킨다(712).
도 8은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 또 다른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다. 절연 저항의 측정은 연료 전지 자동차(100)의 키 스타트 시 이외에 연료 전지 자동차(100)의 유지 보수를 위해 언제든지 실시될 수 있다. 예를 들면 연료 전지 자동차(100)의 주기적/비주기적 검사를 실시할 때 외부의 측정 장비를 연결하여 절연 저항 측정 명령을 발생시킴으로써 필요할 때마다 절연 저항을 측정할 수 있다. 외부의 측정 장비로부터 절연 저항 측정 명령이 발생하면 연료 전지 자동차(100)의 전자 제어부(270)가 절연 저항 측정 명령을 수신한다(802).
전자 제어부(270)는 절연 저항 측정 명령의 수신에 응답하여 고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 180V의 전력이 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282) 및 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(502)로 인가되도록 제어한다(804).
고전압 배터리(240)에 충전되어 있는 180V의 전력을 전기 부하(502)로 인가하면서 전자 제어부(270)는 고전압 정션 박스(280)를 통해 흐르는 전류량을 측정한다(806). 이 전류는 절연 저항(504)을 통해서도 흐르게 되므로, 이 때의 전류량을 통해 절연 저항(504)의 크기를 측정할 수 있다.
이어서 전자 제어부(270)는 측정 전류와 기준 전류를 비교한다(808). 측정 전류와 기준 전류의 비교는 측정 전류의 크기로부터 절연 저항의 크기를 추정하기 위함이다. 즉, 충분히 만족할만한 수준의 절연 상태에서 전기 부하(502)에 180V의 전압을 인가했을 때 고전압 공급 경로와 접지(샤시) 사이에 3A 이하의 전류가 흐른다고 가정할 때, 만약 절연 상태가 약화되어 절연 저항의 크기가 감소하면 인가되는 전류의 양은 증가하여 3A를 초과하게 될 것이고, 절연 저항의 크기가 감소할수록 인가되는 전류의 양은 더욱 증가하게 될 것이다. 따라서 허용 가능한 최소 절연 저항에서의 전류의 양(예를 들면 7.6A)을 실험을 통해 측정하여 저장해 두고, 절연 저항(504)의 측정을 위해 180V의 전력을 인가했을 때 흐르는 측정 전류의 양이 7.6A를 초과하면 절연 저항(504)이 허용 가능한 최소 크기 이하인 것으로 판단하여 안전을 위해 필요한 조치를 취하는 것이 바람직하다. 이 경우 7.6A가 기준 전류가 된다.
만약 측정 전류가 기준 전류인 7.6A 이하이면(808의 '예') 절연 저항(504)이 정상 범위 내의 크기인 것으로 판정하고 연료 전지 자동차(100)의 시동 및 구동을 계속 진행한다(810). 반대로, 측정 전류가 기준 전류인 7.6A를 초과하면(808의 '아니오') 절연 저항(504)이 정상 범위의 상한을 벗어나 비정상인 것으로 판정하고, 연료 전지 자동차(100)의 전기 부하(502)로의 전력 공급을 차단하고 경보를 발생시켜서 운전자의 주의를 환기시킨다(812).
위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 연료 전지 자동차
202a : 에어 클리너
202b : 에어 블로어
202c : 쿨링 모듈
202d : 펌프
210 : 가습기
220 : 연료 전지 스택
230 : 수소 공급 장치
240 : 고전압 배터리
242 : 충전부
250 : 수소 탱크
260 : 모터
270 : 전자 제어부(ECU)
280 : 고전압 정션 박스
282 : 고전압 양방향 DC-DC 컨버터
290 : TMS 모듈
502 : 전기 부하
504 : 절연 저항

Claims (19)

  1. 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하는 연료 전지와;
    미리 설정된 제 2 전압으로 충전되는 배터리와;
    상기 연료 전지의 전력이 상기 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 상기 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 제어부를 포함하는 연료 전지 자동차.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 상기 연료 전지가 기동을 시작하는 초기에 상기 연료 전지의 전력이 상기 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 이전 시점에서 상기 절연 저항의 측정이 이루어지는 연료 전지 자동차.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압과 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 상기 전기 부하와 상기 접지 사이의 상기 절연 저항의 크기를 측정하는 연료 전지 자동차.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 상기 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 연료 전지 자동차.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하고;
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 연료 전지 자동차.
  6. 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하기 위한 연료 전지가 기동하도록 제어하는 단계와;
    상기 연료 전지의 기동 시 상기 연료 전지의 전력이 상기 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 배터리의 미리 설정된 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 상기 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 단계를 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 기동은 상기 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 이루어지는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압과 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 상기 전기 부하와 상기 접지 사이의 상기 절연 저항의 크기를 측정하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 상기 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하는 단계와;
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  11. 절연 저항 측정 명령을 수신하는 단계와;
    상기 절연 저항 측정 명령의 수신에 응답하여 상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 전기 부하로 공급하면서 상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 상기 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 단계를 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압과 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 상기 전기 부하와 상기 접지 사이의 상기 절연 저항의 크기를 측정하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 상기 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하는 단계와;
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 자동차의 절연 저항 측정 방법.
  15. 미리 설정된 제 1 전압의 전력을 생산하는 연료 전지와;
    미리 설정된 제 2 전압으로 충전되는 배터리와;
    상기 연료 전지의 전력과 상기 배터리의 전력 가운데 적어도 하나를 전기 부하로 공급하도록 마련되는 전력 분배부와;
    상기 연료 전지의 전력이 상기 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 전에 상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 상기 전력 분배부를 통해 상기 전기 부하로 공급하면서 상기 배터리에서 상기 전력 분배부를 통해 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 양으로부터 상기 전기 부하와 접지 사이의 절연 저항의 크기를 측정하는 제어부를 포함하는 연료 전지 자동차.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 전기 자동차의 키 스타트에 응답하여 상기 연료 전지가 기동을 시작하는 초기에 상기 연료 전지의 전력이 상기 미리 설정된 제 1 전압에 도달하기 이전 시점에서 상기 절연 저항의 측정이 이루어지는 연료 전지 자동차.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압과 상기 전기 부하로 흐르는 전류의 비(Ratio)로부터 상기 전기 부하와 상기 접지 사이의 상기 절연 저항의 크기를 측정하는 연료 전지 자동차.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 2 전압의 전력을 상기 전기 부하로 인가하기 위한 양방향 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 연료 전지 자동차.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 미리 설정된 기준 전류 이하이면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위인 것으로 판단하고;
    상기 배터리에서 상기 전기 부하로 흐르는 상기 전류의 양이 상기 미리 설정된 기준 전류를 초과하면 상기 절연 저항의 크기가 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하는 연료 전지 자동차.
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