KR20170128681A - 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템 - Google Patents

연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20170128681A
KR20170128681A KR1020160058348A KR20160058348A KR20170128681A KR 20170128681 A KR20170128681 A KR 20170128681A KR 1020160058348 A KR1020160058348 A KR 1020160058348A KR 20160058348 A KR20160058348 A KR 20160058348A KR 20170128681 A KR20170128681 A KR 20170128681A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
air blower
condition
constant voltage
control
Prior art date
Application number
KR1020160058348A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101878033B1 (ko
Inventor
김대종
김기창
이중재
염상철
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160058348A priority Critical patent/KR101878033B1/ko
Priority to US15/297,899 priority patent/US10622648B2/en
Priority to DE102016221385.7A priority patent/DE102016221385A1/de
Publication of KR20170128681A publication Critical patent/KR20170128681A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101878033B1 publication Critical patent/KR101878033B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • B60L11/1881—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L11/1885—
    • B60L11/1888—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • B60L2230/28—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/50—Charging stations characterised by energy-storage or power-generation means
    • B60L53/54—Fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/20—Energy converters
    • B60Y2400/202—Fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

제어부에서 연료전지 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우, 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 시작하는 단계; 상기 제어부에서 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하는 단계; 및 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 종료하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템{CONSTANT VOLTAGE CONTROL METHOD AND SYSTEM OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 스택의 온도 상승을 위하여 정전압 제어를 하는 경우 발생될 수 있는 플러딩 현상을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다. 여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극으로 공급된다.
이에 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 연료전지의 연료극에는 미반응된 수소와 공기극에서 넘어온 수분이 응축된 응축수를 배출하는데, 그 미반응된 수소는 수소 재순환장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되고, 응축수는 워터 트랩에 저장되며 외부로 배출된다.
그러나 완벽하게 응축수를 외부로 배출하는 것은 불가능하게 되는바 연료전지 차량이 영하의 온도에서 보관된 후 시동시에 연료전지 내부에 잔존해있던 응축수의 냉각으로 인해 상온 시동시에 비하여 전압 생성이 불량해질 수 있다. 이는 연료전지가 냉각되면 내부에 잔존해 있던 응축수의 냉각으로 인해 연료가스들이 생성된 얼음에 가로막혀 반응부에 도달하지 못하기 때문이다.
따라서 이러한 플러딩(Flooding) 현상을 방지하게 위하여 많은 기술들이 개발되고 있는데, 공개특허공보 2010-0056940 A "서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법"도 냉시동시에 퍼지밸브 및 수소 재순환 밸브의 신속한 해빙이 가능하고, 밸브 히팅을 위한 저전압 배터리의 에너지 소모 및 그에 따른 냉시동 신뢰도 저하의 문제점이 해결되며, 좀더 신속하고 효율적인 저온 시동이 가능한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법을 제공하고 있다.
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 2010-0056940 A
본 발명은 냉시동시 연료전지 온도 상승을 위하여 정전압 제어를 하는 경우 공기블로워에 의하여 공급되는 유량의 감소로 인하여 연료전지에 플러딩 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 정전압 제어방법은 제어부에서 연료전지 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우, 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 시작하는 단계; 상기 제어부에서 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하는 단계; 및 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 종료하는 단계;를 포함한다.
상기 저온시동조건은, 상기 차량 상태정보에 포함되어 있는 연료전지 스택 내부 온도가 기설정된 온도기준 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 정전압 제어 시작단계 이후에, 상기 제어부에서 차량 상태정보를 이용하여 최소 필요 발열량을 도출하는 단계; 및 차량 시동 후 연료전지 누적 발열량이 상기 최소 필요 발열량을 초과할 때까지 제어부에서 상기 정전압 제어를 유지하는 단계;를 더 포함한다.
상기 최소 필요 발열량은 차량 시동시 연료전지 온도, 전류와 전압을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하는 단계 이전에, 상기 제어부에서 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 유지제어조건과 비교하는 단계; 및 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 유지제어조건을 만족하는 경우 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 유지하는 단계;를 더 포함한다.
상기 정지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 기설정된 기준변화율 이상인 조건이며, 상기 유지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 상기 기준변화율 미만인 것을 특징으로 한다.
상기 정지제어조건은 감지된 공기블로워 RPM이 기설정된 기준RPM 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 정전압 제어 시스템은 연료전지; 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워; 및 연료전지 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 상기 차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 시작하며, 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교해, 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 종료하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하기 이전에 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 유지제어조건과 비교하고, 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 유지제어조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 정지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 기설정된 기준변화율 이상인 조건이며, 상기 유지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 상기 기준변화율 미만인 것을 특징으로 한다.
공기블로워의 공기 공급유량에 관계없이 정전압 제어를 하던 종래기술과는 달리 본 출원발명은 공기블로워의 공기 공급유량이 낮아 연료전지에 플러딩 현상이 발생할 가능성이 높은 경우에는 정전압 제어를 종료하므로 연료전지의 플러딩 현상을 사전에 방지할 수 있어 연료전지의 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 정전압 제어중 전압, 전류, 공기블로워 RPM 그래프
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 성능 변화 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 정전압 제어방법의 순서도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 차량의 정전압 제어 시스템의 구성도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
연료전지(10) 스택이 저온 상태에서 시동을 켜는 경우 연료전지(10) 스택에서 사용자가 원하는 파워를 출력하기 위해서는 연료전지(10) 스택 온도를 상승시키는 것이 필요하다. 따라서 연료전지(10) 차량은 저온상태에서 시동이 켜지는 경우 바로 정상운전모드로 차량을 동작시키는 것이 아니라 저온시동모드로 차량을 동작시켜 연료전지(10) 스택 온도를 상승시키도록 한다. 스택의 온도를 상승시키는 방법으로는 여러가지가 존재하는데 연료전지(10) 출력전압을 일정하게 유지하는 제어인 정전압 제어도 그 중 하나이다.
일반적으로 정전압 제어중에는 공기 공급 제어를 통해 특정 전압으로 연료전지(10)를 운전하게 되므로 연료전지(10)의 승온 상태를 정확하게 추정하기가 어렵다. 따라서 종래에는 여러 번 시험을 거쳐 적절하다고 판단되는 발열량 기준치를 초과하였다고 판단하는 경우 정전압 제어를 종료하였는바, 승온이 충분하지 못한 상태에서 정전압 제어를 종료하게 되는 경우가 존재하였을 뿐만 아니라, 오히려 정전압 제어의 종료가 늦어져 연료전지(10) 스택에 플러딩이 발생하는 경우도 존재하였다.
따라서 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 정전압 제어시 시간경과에 따른 공기블로워(20) RPM의 변화를 이용하여 정전압 제어를 종료하는 시점을 결정하는 방법을 제시하고 있는 것이다. 본 발명에서 정전압 제어의 종료를 위한 판단기준으로 공기블로워(20) RPM을 선택한 이유는 도1에 도시되어 있는 그래프를 통해 알 수 있다.
도1의 그래프는 정전압 제어중 연료전지(10) 전류, 전압, 공기블로워(20) RPM의 시간경과에 따른 변화를 도시한 그래프이다. 그래프를 통해 확인할 수 있듯이 연료전지(10) 전류와 전압은 특별한 변동이 없으나, 공기블로워(20) RPM은 정전압제어 초기(구간 ①)에는 공기블로워(20) RPM이 급격하게 감소하다가 중기(구간 ②)에는 공기블로워(20) RPM이 일정하게 유지되며 후기(구간 ③)에는 공기블로워(20) RPM이 상승되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 도1의 그래프를 통해서 공기블로워(20) RPM의 변화를 이용해 정전압 제어 중 상기 ①,②,③ 구간을 구분할 수 있음을 알 수 있다.
문제는 상기 ①,②,③ 구간이 연료전지(10) 스택 성능이 어떠한 상태에 있느냐 하는 것인데, 이는 도2의 연료전지(10) 스택 성능 변화 그래프를 통해 알 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 저온 시동 시 연료전지(10) 스택 성능에 영향을 주는 요인은 승온에 따른 연료전지(10) 성능 향상과 플러딩 현상에 따른 연료전지(10) 성능 하락이다. 따라서 도2에서는 승온에 따른 스택 성능 변화 그래프와 플러딩에 의한 스택 성능 변화 그래프를 모두 도시하고 있으며 양 요소를 모두 고려한 승온과 플러딩을 모두 고려한 스택 성능 변화 그래프도 도시하고 있다.
여기서 스택성능이 극대화 되는 점이 승온과 플러딩을 모두 고려한 스택 성능 변화 그래프에서 스택 성능이 가장 높은 경우로 연료전지(10) 스택의 정전압 제어의 효율성이 가장 극대화 되는 지점이다. 따라서 상기 ①,②,③ 구간 중 어느 시점이 상기 스택 성능이 극대화 되는 점이 되느냐가 문제가 되는데 플러딩에 의한 스택 성능 하락이 문제가 되는 경우 일반적으로 연료전지(10) 공기블로워(20) RPM을 상승시켜 스택 내의 수분을 제거하는 제어를 실시하므로 공기블로워(20) RPM이 상승하기 시작하는 지점인 ②구간과 ③구간 사이의 경계점이 스택 성능이 극대화 되는 지점이라고 추정할 수 있다.
따라서 본 발명은 이러한 이론에 기반하여 연료전지(10) 스택 성능을 최적화할 수 있는 연료전지(10) 차량의 정전압 제어방법을 소개하고 있는데, 이는 도3에서 도시하고 있는 바와 같이 제어부(30)에서 연료전지(10) 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하는 저온시동조건 판단단계(S10)를 통해 수행된다. 본 발명에 따른 정전압 제어는 저온시동조건에 해당하여 정전압 제어를 필요로 하는 경우의 제어방법이므로 정전압 제어를 시작하기 이전에 저온시동조건 판단단계(S10)를 통해 차량 상태 정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하는 것이다.
저온시동조건은 본 발명에 따를 경우 스택내부 온도가 기설정된 온도기준 이하인 경우를 볼 것인데, 스택 내부 온도를 직접적으로 추정하기는 어려우므로 스택 냉각수의 온도를 이용하여 간접적으로 추정하는 방법을 고려해 볼 수 있을 것이다. 다만, 차량이 시동 오프된 시간이 길수록 스택 냉각수 온도와 스택 내부 온도의 편차는 클 것이므로 상기 시동 오프 시간을 고려하여 스택 내부 온도를 추정하는 것이 바람직할 것이다. 여기서의 온도기준은 차량성능 및 설계자의 요구에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.
차량 상태정보가 저온시동조건을 만족한다면, 연료전지(10) 스택의 승온을 위하여 정전압 제어를 시작하는 정전압 제어 시작단계(S20)를 수행하게 된다. 정전압 제어가 시작되면 앞서 기재한 바와 같이 공기블로워(20) RPM을 이용하여 정전압 제어를 유지할지 또는 종료할지 여부를 결정하게 되는데, 본 발명은 공기블로워(20) RPM을 이용하여 정전압 제어를 종료하기에 앞서 연료전지(10) 스택의 승온으로 인한 누적 발열량이 최소한의 기준은 초과하도록 하고 있다.
왜냐하면 연료전지(10) 스택의 저온시동시에 가장 우선적으로 필요한 부분은 원하는 연료전지(10) 전력을 출력하기 위한 스택 승온에 있기 때문이다. 또한, 승온을 위해 공기블로워(20)의 RPM을 감소시켜 플러딩 현상이 촉진된다 하더라도 연료전지(10) 승온으로 인하여 플러딩 현상이 감소되는 점도 있으므로 저온시동 초기에는 우선적으로 연료전지(10) 스택을 승온시키는 것이 중요하다.
따라서 본 발명에서는 제어부(30)에서 차량 상태정보를 이용하여 최소 필요 발열량을 도출하고 차량 시동 후 연료전지(10) 누적 발열량이 상기 최소 필요 발열량을 초과할 때까지 제어부(30)에서 상기 정전압 제어를 유지하도록 하고 있는 것이다. 여기서의 최소 필요 발열량이 앞서 말한 누적 발열량의 최소한의 기준에 해당할 것이며 스택 누적 발열량은 스택 출력전류와 출력전압의 곱을 일정시간 동안 적분하여 도출할 수 있을 것이다. 여기서의 최소 필요 발열량은 연료전지(10) 스택의 온도 또는 차량 성능등에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.
누적 발열량이 최소 필요 발열량을 초과한다면, 최소한의 스택 출력을 위한 승온은 완료된 것이므로, 이후부터는 앞서 언급한 바와 같이 공기블로워(20) RPM을 이용하여 정전압 제어를 실시하면 된다. 구체적으로 본 발명에서는 제어부(30)에서 공기블로워(20) RPM 변화율이 기준변화율 이상인지 여부를 판단(S30)하게 된다. 왜냐하면 도1과 도2의 비교를 통해 살펴본 바와 같이 정전압 제어를 종료하기에 가장 적절한 시점은 도1에서의 ②구간과 ③구간의 경계점이므로 공기블로워(20) RPM이 어느정도의 기울기 값을 가지면서 상승하는 경우에 해당하기 때문이다. 즉 ① 구간에서의 공기블로워(20) RPM변화율은 음수값을 가지며 ② 구간에서의 공기블로워(20) RPM변화율은 0에 가까운 값을 가지고 ③ 구간에서의 공기블로워(20) RPM은 양수값을 가지므로 이러한 차이를 이용하여 ② 구간에서 ③ 구간으로 변경하는 시점을 포착하기 위해 공기블로워(20) RPM 변화율이 기설정된 기준변화율 이상이 되는 경우를 정전압 제어 종료를 위한 판단기준으로 보고 있는 것이다. 따라서 여기서의 기준변화율은 본 제어방법의 설계방식에 따라 다양한 값으로 존재가 가능할 것이나 기본적으로 양수값을 가져야 할 것이며 ② 구간에서의 공기블로워(20) RPM이 미세하게 변하는 양은 마진값으로 보상할 수 있을 정도의 값을 가지는 것이 바람직할 것이다.
따라서 상기 공기블로워(20) RPM변화율이 상기 기준변화율 이상이라면 정전압 제어중 도1의 ③ 구간에 돌입한 것이므로 스택성능이 극대화 되는 지점이 되었다고 판단하여 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 정전압 제어를 종료하는 정전압 제어 종료단계(S60)를 수행하게 되는 것이다.
반면에 공기블로워(20) RPM 변화율이 기준변화율 미만이라면 도1의 ① 구간이거나 ② 구간인 경우에 해당하므로 이 경우에는 아직 정전압 제어를 유지하여도 되는바 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 정전압 제어 유지단계(S40)를 수행하게 된다. 다만 이 경우에도 공기블로워(20) RPM의 절대량 즉 공기블로워(20) RPM이 지나치게 감소하여 기준 RPM 이하가 되는 경우에는 스택 성능이 극대화가 되는 시점이라고 판단할 수 있으므로 비록 공기블로워(20) RPM 변화율이 기준변화율 미만이라고 하더라도 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 정전압 제어 종료단계(S60)를 통해 정전압 제어를 종료하게 된다.
따라서 본 발명은 공기블로워(20) RPM을 이용하여 스택성능이 극대화 되는 지점에서 정전압 제어를 종료함으로써 스택 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 저온 시동 시에 스택 냉각수 미순환으로 인하여 연료전지(10) 스택 셀에 온도가 고르게 분포되지 못하게 되는데, 이러한 상황에서 지속적으로 정전압 제어를 유지해 연료전지(10) 스택의 내구성이 하락하는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
더불어 본 발명에 따른 연료전지(10) 차량의 정전압 제어 시스템은 도4에서 도시하고 있는 바와 같이 연료전지(10); 연료전지(10)에 공기를 공급하는 공기블로워(20); 및 연료전지(10) 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 상기 차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우 연료전지(10)의 정전압 제어를 시작하며, 상기 공기블로워(20) RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교해, 상기 공기블로워(20) RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 연료전지(10)의 정전압 제어를 종료하는 제어부(30);를 포함할 수 있을 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.
S10: 저온시동조건 판단단계 S20: 정전압 제어 시작단계
S30: 정전압 제어 종료단계 S40: 정전압 제어 유지단계
10: 연료전지 20: 공기블로워
30: 제어부

Claims (10)

  1. 제어부에서 연료전지 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우, 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 시작하는 단계;
    상기 제어부에서 연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하는 단계; 및
    상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 종료하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온시동조건은,
    상기 차량 상태정보에 포함되어 있는 연료전지 스택 내부 온도가 기설정된 온도기준 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전압 제어 시작단계 이후에,
    상기 제어부에서 차량 상태정보를 이용하여 최소 필요 발열량을 도출하는 단계; 및
    차량 시동 후 연료전지 누적 발열량이 상기 최소 필요 발열량을 초과할 때까지 제어부에서 상기 정전압 제어를 유지하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 최소 필요 발열량은 차량 시동시 연료전지 온도, 전류와 전압을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하는 단계 이전에,
    상기 제어부에서 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 유지제어조건과 비교하는 단계; 및
    상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 유지제어조건을 만족하는 경우 상기 제어부에서 연료전지의 정전압 제어를 유지하는 단계;를 더 포함하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 정지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 기설정된 기준변화율 이상인 조건이며, 상기 유지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 상기 기준변화율 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 정지제어조건은 감지된 공기블로워 RPM이 기설정된 기준RPM 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어방법.
  8. 연료전지;
    연료전지에 공기를 공급하는 공기블로워; 및
    연료전지 차량 시동시 차량 상태정보가 저온시동조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 상기 차량 상태정보가 상기 저온시동조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 시작하며, 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교해, 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 정지제어조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 종료하는 제어부;를 포함하는 연료전지 차량의 정전압 제어 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 정지제어조건과 비교하기 이전에 상기 공기블로워 RPM을 기설정된 유지제어조건과 비교하고, 상기 공기블로워 RPM이 상기 기설정된 유지제어조건을 만족하는 경우 연료전지의 정전압 제어를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 정지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 기설정된 기준변화율 이상인 조건이며, 상기 유지제어조건은 공기블로워 RPM변화율이 상기 기준변화율 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 정전압 제어 시스템.
KR1020160058348A 2016-05-12 2016-05-12 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템 KR101878033B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160058348A KR101878033B1 (ko) 2016-05-12 2016-05-12 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
US15/297,899 US10622648B2 (en) 2016-05-12 2016-10-19 Constant voltage control method and system of fuel cell vehicle
DE102016221385.7A DE102016221385A1 (de) 2016-05-12 2016-10-31 Konstantspannungs-regelungsverfahren und -system eines brennstoffzellenfahrzeugs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160058348A KR101878033B1 (ko) 2016-05-12 2016-05-12 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170128681A true KR20170128681A (ko) 2017-11-23
KR101878033B1 KR101878033B1 (ko) 2018-07-16

Family

ID=60163592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160058348A KR101878033B1 (ko) 2016-05-12 2016-05-12 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10622648B2 (ko)
KR (1) KR101878033B1 (ko)
DE (1) DE102016221385A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190108302A (ko) 2018-03-14 2019-09-24 현대자동차주식회사 연료전지의 가용출력 추정방법 및 추정시스템

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114256486A (zh) * 2020-09-25 2022-03-29 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆
DE102021211602A1 (de) * 2021-10-14 2023-04-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Betriebsstrategie zum Kurzschlussstart von Brennstoffzellen mit einem Luftüberschuss
CN116238391A (zh) * 2023-01-31 2023-06-09 中国第一汽车股份有限公司 燃料电池的控制方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100056940A (ko) 2008-11-20 2010-05-28 현대자동차주식회사 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법
KR20110062627A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉시동 제어장치 및 방법
KR20120006969A (ko) * 2010-05-27 2012-01-19 도요타 지도샤（주） 연료전지 시스템
KR20120059691A (ko) * 2010-12-01 2012-06-11 현대자동차주식회사 연료전지 시동 초기의 공기 블로워 ｒｐｍ 제어 방법
US20120171585A1 (en) * 2009-08-05 2012-07-05 Daimler Ag Method for Operation of a Fuel Cell System in a Vehicle
KR20140086698A (ko) * 2012-12-28 2014-07-08 현대자동차주식회사 연료 전지 차량의 냉 시동 방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007172951A (ja) 2005-12-21 2007-07-05 Yamaha Motor Co Ltd ハイブリッド電源システム
US8053122B2 (en) * 2008-04-11 2011-11-08 Bdf Ip Holdings Ltd. System and method of starting a fuel cell system
JP2010033900A (ja) 2008-07-29 2010-02-12 Toshiba Corp 燃料電池システム及び電子機器
KR101218282B1 (ko) 2010-08-30 2013-01-04 한국에너지기술연구원 직접 산화형 연료 전지 시스템의 저온 구동 방법
KR101755803B1 (ko) * 2015-07-07 2017-07-10 현대자동차주식회사 연료전지차량의 운전 제어 방법
KR101836611B1 (ko) * 2016-04-07 2018-03-09 현대자동차주식회사 연료전지차량의 시동 제어방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100056940A (ko) 2008-11-20 2010-05-28 현대자동차주식회사 서브 퍼지밸브를 구비한 연료전지 시스템 및 그 냉시동 방법
US20120171585A1 (en) * 2009-08-05 2012-07-05 Daimler Ag Method for Operation of a Fuel Cell System in a Vehicle
KR20110062627A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉시동 제어장치 및 방법
KR20120006969A (ko) * 2010-05-27 2012-01-19 도요타 지도샤（주） 연료전지 시스템
KR20120059691A (ko) * 2010-12-01 2012-06-11 현대자동차주식회사 연료전지 시동 초기의 공기 블로워 ｒｐｍ 제어 방법
KR20140086698A (ko) * 2012-12-28 2014-07-08 현대자동차주식회사 연료 전지 차량의 냉 시동 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190108302A (ko) 2018-03-14 2019-09-24 현대자동차주식회사 연료전지의 가용출력 추정방법 및 추정시스템
US11217802B2 (en) 2018-03-14 2022-01-04 Hyundai Motor Company Method and system for estimating available output of fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
US20170331125A1 (en) 2017-11-16
US10622648B2 (en) 2020-04-14
DE102016221385A1 (de) 2017-11-16
KR101878033B1 (ko) 2018-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6179560B2 (ja) 燃料電池システム
US8470484B2 (en) Fuel cell system
KR101878033B1 (ko) 연료전지 차량의 정전압 제어방법 및 시스템
KR100513248B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 이 시스템의 정지 방법
KR101836611B1 (ko) 연료전지차량의 시동 제어방법
JP4923551B2 (ja) 燃料電池システム
CA2740221A1 (en) Fuel cell with low-efficiency operation
JP5112642B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池システム
EP2158632B1 (en) Fuel cell system and method for operating the same
KR101822245B1 (ko) 연료전지 차량의 냉각수펌프 제어방법
KR20190067629A (ko) 연료전지 열관리 시스템 및 그 제어방법
JP4940569B2 (ja) 燃料電池システム
KR20040108740A (ko) 연료전지 스택 디프로스팅
JP2009070574A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP5074669B2 (ja) 燃料電池システム
KR102507226B1 (ko) 연료전지용 cod 제어방법 및 제어시스템
JP2018505519A (ja) 燃料電池の制御方法
US10381668B2 (en) Operation control method of fuel cell and operation control apparatus of fuel cell
KR101755803B1 (ko) 연료전지차량의 운전 제어 방법
KR101234663B1 (ko) 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법
JP2007122911A (ja) 燃料電池システム
KR101448764B1 (ko) 연료 전지 차량의 냉 시동 방법
KR100893431B1 (ko) 저온시동 개선용 연료전지장치 및 그 제어방법
JP5076293B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007042566A (ja) 燃料電池システムとその起動方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right