KR20180117979A - Apparatus for controlling operation of fuel cell and method thereof - Google Patents

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KR20180117979A KR1020170051235A KR20170051235A KR20180117979A KR 20180117979 A KR20180117979 A KR 20180117979A KR 1020170051235 A KR1020170051235 A KR 1020170051235A KR 20170051235 A KR20170051235 A KR 20170051235A KR 20180117979 A KR20180117979 A KR 20180117979A
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Abstract

The present invention relates to an apparatus for controlling an operation of a fuel cell and a method thereof. In a fuel cell-battery hybrid vehicle having a fuel cell serving as a main power source and an accumulation device (super cap or battery) serving as an auxiliary power source, there is provided an operation control apparatus and a method for a fuel cell that prevents a frequent state change for preventing the life span of the fuel cell from being shortened by setting a delay time during a state transition between a fuel cell stop and a fuel cell restart. The apparatus for controlling an operation of a fuel cell in a fuel cell-battery hybrid vehicle includes: a storage unit for storing a delay time corresponding to a vehicle speed and a delay time corresponding to a state of charge (SOC) of the battery; an information collecting unit for collecting vehicle speed information and SOC information of the battery; a control unit that calculates the delay time corresponding to the vehicle speed and the battery SOC collected by the information collecting unit based on the storage unit at the release time of the fuel cell stop, and controls a fuel cell driving unit to release the fuel cell stop after the calculated delay time elapses; and the fuel cell driving unit for transiting the state of the fuel cell.

Description

연료전지의 운전 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING OPERATION OF FUEL CELL AND METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an operation control apparatus for a fuel cell,

본 발명은 연료전지의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전정지(Fuel Cell Stop)와 재시동(Fuel Cell Restart) 간 빈번한 전환으로 인해 연료전지의 수명이 단축되는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an apparatus and method for controlling operation of a fuel cell, and more particularly to a fuel cell- The present invention relates to a technique for preventing the life of a fuel cell from being shortened due to frequent switching between a fuel cell stop and a fuel cell restart.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.Fuel cells are a kind of power generation system that converts chemical energy of fuel into electrical energy by reacting electrochemically in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It is not only supplying power for industrial, household and vehicle driving, It can also be applied to the electric power supply of electric / electronic products, especially portable devices.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 생성된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of such a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is the most studied as a power source for driving a vehicle, Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides, Gas Diffusion Layer (GDL) functioning to distribute reaction gas evenly and transfer generated electric energy, A gasket and a fastening mechanism for maintaining the airtightness of the reaction gases and the cooling water and proper tightening pressure, and a bipolar plate for moving the reaction gases and the cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. 상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant (air) are supplied to an anode and a cathode of a membrane electrode assembly through a flow path of a separator plate, respectively. The hydrogen is supplied to the anode Oxygen (air) "or" oxygen electrode "or" reduction electrode "), and oxygen (air) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H + ) and electrons (electron and e-) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Only hydrogen ions selectively pass through the electrolyte membrane And the electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer, which is a conductor, and the separator plate. In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supplying device to generate water. At this time, the flow of electrons through the external conductor occurs due to the movement of hydrogen ions, and a current is generated by the flow of electrons.

한편, 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.On the other hand, when only the fuel cell is used as the power source of the vehicle, the fuel cell takes charge of all the loads constituting the vehicle, so that there is a disadvantage that the performance deteriorates in the operation region where the efficiency of the fuel cell is low.

상기와 같은 단점들을 보완하기 위한 방안으로 연료전지 하이브리드 차량이 개발되고 있다. 이러한 연료전지 하이브리드 차량은 소형 차량뿐만 아니라 버스 등의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 축전수단인 고전압 배터리 또는 슈퍼커패시터(슈퍼캡)를 탑재한 시스템이다.In order to overcome such disadvantages, fuel cell hybrid vehicles have been developed. Such a fuel cell hybrid vehicle is a system in which not only a small-sized vehicle but also a large-sized vehicle such as a bus is equipped with a high-voltage battery or a supercap (supercap) as a power source as a separate power source for supplying power required for driving a motor in addition to a fuel cell as a main power source. to be.

주동력원인 연료전지와 보조동력원인 슈퍼캡(또는, 이차 전지인 고전압 배터리)을 포함하는 하이브리드 차량의 주행모드는 연료전지만을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 슈퍼캡을 동력원으로 하여 모터를 구동시키는 하이브리드 모드(HEV Mode)로 구분된다.A hybrid vehicle including a fuel cell as a main power source and a supercap (or a high-voltage battery as a secondary battery) as an auxiliary power source includes a fuel cell running mode (EV Mode) for driving the motor using only a fuel cell as a power source, And a hybrid mode (HEV mode) in which the motor is driven using the cap as a power source.

이러한 연료전지 하이브리드 차량은 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료전지-배터리, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]을 수행한다.Such a fuel cell hybrid vehicle is a fuel cell hybrid vehicle in which the process of stopping and restarting the fuel cell (fuel cell stop / fuel cell restart process), that is, fuel cell-battery, fuel cell- An idle stop / release control process (an on / off control process of the fuel cell) for temporarily stopping the generation of the fuel cell in the super-cap hybrid vehicle is performed.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서는 엑셀 신호가 차속에 따른 요구출력을 초과하지 않으면 곧바로 연료전지의 발전을 정지하고, 엑셀 신호가 차속에 따른 요구출력을 초과하면 곧바로 연료전지의 정지상태를 해제(연료전지 재시동)하기 때문에 운전자의 빈번한 엑셀 조작으로 인해 아이들 스탑(Idle Stop)/해제가 빈번하게 발생하여 연료전지의 내구성을 약화시키는 문제점이 있다.As shown in FIG. 1, in the conventional fuel cell-storage means hybrid vehicle, when the excel signal does not exceed the required output according to the vehicle speed, the power generation of the fuel cell is immediately stopped. When the excel signal exceeds the required output according to the vehicle speed There is a problem that idle stop / release frequently occurs due to frequent operation of the operator due to the operation of releasing the fuel cell from a stopped state (restarting the fuel cell) immediately, thereby weakening the durability of the fuel cell.

대한민국공개특허 제2010-0005768호Korean Patent Publication No. 2010-0005768

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서, 연료전지의 발전정지(Fuel Cell Stop)와 재시동(Fuel Cell Restart) 간 상태전환시 시간지연을 두어 빈번한 상태전환을 방지하여 연료전지의 수명이 단축되는 것을 방지하는 연료전지의 운전 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell-storage means hybrid vehicle including a fuel cell as a main power source and a storage means (supercap or battery) as an auxiliary power source, The object of the present invention is to provide a fuel cell operation control device and method for preventing the fuel cell from being shortened in life by preventing a frequent state change by providing a time delay when a state transition occurs between a fuel cell stop and a fuel cell restart have.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지-배터리 하이브리드 차량에서 연료전지의 운전을 제어하는 장치에 있어서, 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장하는 저장부; 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집하는 정보 수집부; 연료전지의 정지상태 해제시점에 상기 저장부에 기초하여, 상기 정보 수집부에 의해 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출하고, 상기 산출한 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제하도록 연료전지 구동부를 제어하는 제어부; 및 연료전지의 상태를 전이하는 상기 연료전지 구동부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling operation of a fuel cell in a fuel cell hybrid vehicle, the apparatus comprising: a delay time corresponding to a vehicle speed; a delay time corresponding to a state of charge (SOC) A storage unit for storing the data; An information collecting unit for collecting vehicle speed information and SOC information of the battery; Wherein the control unit calculates the delay time corresponding to the vehicle speed and the battery SOC collected by the information collecting unit based on the storage unit at the time when the fuel cell is stopped, A control unit for controlling the fuel cell driving unit to release the fuel cell; And the fuel cell driving unit for shifting the state of the fuel cell.

여기서, 상기 제어부는 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간을 합산하여 최종 지연시간을 산출할 수 있다.Here, the controller may calculate a final delay time by summing the delay time corresponding to the vehicle speed and the delay time corresponding to the SOC of the battery.

또한, 상기 차속에 상응하는 지연시간은 차속이 증가할수록 지연시간이 선형적으로 감소하는 그래프일 수도 있다.Also, the delay time corresponding to the vehicle speed may be a graph in which the delay time linearly decreases as the vehicle speed increases.

또한, 상기 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간은 배터리의 SOC가 증가할수록 지연시간이 선형적으로 증가하는 그래프일 수도 있다.Also, the delay time corresponding to the SOC of the battery may be a graph in which the delay time linearly increases as the SOC of the battery increases.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지-배터리 하이브리드 차량에서 연료전지의 운전을 제어하는 방법에 있어서, 저장부가 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장하는 단계; 정보 수집부가 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집하는 단계; 연료전지의 정지상태 해제시점에, 제어부가 상기 저장부에 기초하여 상기 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출하는 단계; 및 연료전지 구동부가 상기 산출된 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling operation of a fuel cell in a fuel cell hybrid vehicle, the method comprising: a storage unit storing a delay time corresponding to a vehicle speed and a state of charge (SOC) Storing a delay time; Collecting the information on the vehicle speed information and the SOC information of the battery; Calculating a delay time corresponding to the collected vehicle speed and the battery SOC based on the storage unit at a time point when the fuel cell is released from the stop state; And releasing the stopped state of the fuel cell after the calculated delay time has elapsed from the fuel cell driving unit.

여기서, 상기 지연시간을 산출하는 단계는 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간을 합산하여 최종 지연시간을 산출할 수 있다.Here, the step of calculating the delay time may calculate the final delay time by summing the delay time corresponding to the vehicle speed and the delay time corresponding to the SOC of the battery.

또한, 상기 차속에 상응하는 지연시간은 차속이 증가할수록 지연시간이 선형적으로 감소하는 그래프일 수 있다.Also, the delay time corresponding to the vehicle speed may be a graph in which the delay time linearly decreases as the vehicle speed increases.

또한, 상기 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간은 배터리의 SOC가 증가할수록 지연시간이 선형적으로 증가하는 그래프일 수 있다.Also, the delay time corresponding to the SOC of the battery may be a graph in which the delay time linearly increases as the SOC of the battery increases.

상기와 같은 본 발명은, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 축전수단(슈퍼캡 또는 배터리)을 구비한 연료전지-축전수단 하이브리드 차량에서, 연료전지의 발전정지(Fuel Cell Stop)와 재시동(Fuel Cell Restart) 간 상태전환시 시간지연을 두어 빈번한 상태전환을 방지하여 연료전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In the hybrid vehicle of the fuel cell-accumulating means provided with the fuel cell which is the main power source and the accumulating means (the super cap or the battery) which is the auxiliary power source, the fuel cell stop and the restart of the fuel cell Cell Restart), it is possible to prevent frequent switching of the state, thereby preventing the life of the fuel cell from being shortened.

도 1 은 종래의 연료전지의 운전 제어 과정을 나타내는 일예시도,
도 2 는 본 발명이 적용되는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성에 대한 일예시도,
도 3 은 본 발명에 이용되는 연료전지의 구성에 대한 일예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 5 는 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 장치의 일실시예 성능 분석도이다.1 is a diagram illustrating an operation control process of a conventional fuel cell,
FIG. 2 is an example of a power net configuration of a fuel cell-super-cap hybrid vehicle to which the present invention is applied,
3 is an example of a configuration of a fuel cell used in the present invention,
4 is a block diagram of an operation control apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart of an operation control method of a fuel cell according to the present invention,
6 is a performance analysis diagram of an operation control apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the difference that the embodiments of the present invention are not conclusive.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. Also, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in the present application Do not.

도 2 는 본 발명이 적용되는 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성에 대한 일예시도이다.2 is a diagram illustrating an example of a power net configuration of a fuel cell-super-cap hybrid vehicle to which the present invention is applied.

도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지-슈퍼캡 하이브리드 차량의 파워넷 구성은, 주동력원으로 사용되는 연료전지(2), 보조동력원으로 사용되는 슈퍼캡(10), 연료전지(2)의 출력측인 메인 버스단(3)과 슈퍼캡(10) 사이에 개재되는 슈퍼캡 초기충전 유닛(Supercap Precharge Unit)(9), 구동모터(8)를 회전시키기 위한 파워 모듈로 연료전지(2)와 슈퍼캡(10)의 출력 측에 연결되어 그로부터 직류전류를 입력받아 3상 PWM(Pulse Width Modulation)을 생성하고 모터 구동 및 회생제동을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(인버터를 포함하는 것임)(7)를 포함한다. 상기 슈퍼캡 초기충전 유닛(9)은 초기 시동시에만 방전된 슈퍼캡 전압을 충전시키는 용도로 사용된다.2, the power net configuration of the fuel cell-supercap hybrid vehicle includes a fuel cell 2 used as a main power source, a supercap 10 used as an auxiliary power source, A supercap precharge unit 9 interposed between the main bus terminal 3 and the supercap 10 and a power module for rotating the drive motor 8, A motor control unit (MCU) (including an inverter) connected to the output side of the motor 10 for generating a three-phase PWM (Pulse Width Modulation) by receiving a direct current therefrom and controlling motor driving and regenerative braking, (7). The super-cap initial charging unit 9 is used to charge the discharged super-cap voltage only at the initial start-up.

이러한 구성에서, 수소탱크(1)로부터 수소를 공급받고 공기블로워(도시하지 않음)로부터 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지(2)를 주동력원으로 사용한다. 구동모터(8) 및 MCU(7)는 연료전지(2)에 메인 버스단(3)을 통해 직접 연결되어 있으며, 동력 보조(파워 어시스트) 및 회생제동을 위해 슈퍼캡(10)이 초기충전 유닛(9)을 통해 연결되어 있다. 또한, 메인 버스단(3)에는 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 LDC(Low Voltage DCDC Converter, LV DCDC)(11)와 보기류 부품 구동을 위한 저전압 배터리(12V 보조 배터리)(12)가 연결되어 있으며, 이와 더불어 메인 버스단(3)을 통해 직접 고전압 전력을 공급받아 작동되는 에어컨(13) 및 히터(냉난방용)(14)가 연결되어 있다.In this configuration, the fuel cell 2 that receives hydrogen from the hydrogen tank 1 and receives air from an air blower (not shown) and generates electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in air is used as a main power source use. The drive motor 8 and the MCU 7 are directly connected to the fuel cell 2 through the main bus stage 3 and the supercap 10 is connected to the initial charging unit 3 for power assist and regenerative braking, (9). A low voltage DCDC converter (LDC) 11 for converting output between a high voltage and a low voltage and a low voltage battery (12V auxiliary battery) 12 for driving a current type component are connected to the main bus terminal 3 And an air conditioner 13 and a heater (for heating and cooling) 14, which are directly supplied with high voltage power through the main bus terminal 3, are connected.

연료전지(2)를 구동하기 위한 보기류 부품(Fuel Cell BOP, 공기블로워, 수소 재순환 블로워, 물펌프 등)(16)은 메인 버스단(3)에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단(3)에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이(4,5)와, 연료전지(2)로 역전류가 흐르지 않도록 하는 블로킹 다이오드(6)가 설치된다.(Fuel Cell BOP, air blower, hydrogen recirculation blower, water pump, etc.) 16 for driving the fuel cell 2 is connected to the main bus terminal 3 to facilitate starting of the fuel cell, The bus terminal 3 is provided with various relays 4 and 5 for facilitating power interruption and connection and a blocking diode 6 for preventing a reverse current from flowing through the fuel cell 2.

미설명부호 15는 연료전지 보기류(16)의 드라이버(Driver)를 나타내며, 17은 연료전지(2)의 냉시동을 용이하게 하기 위해 열을 공급해주는 히터를 나타낸다.Reference numeral 15 denotes a driver of the fuel cell stack 16, and 17 denotes a heater for supplying heat to facilitate the cold start of the fuel cell 2.

도 3 은 본 발명에 이용되는 연료전지의 구성에 대한 일예시도이다.3 is an example of a configuration of a fuel cell used in the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 연료전지는 공기공급부와 수소공급부를 포함하며, 공기블로워(28)를 통해 공급된 건조공기는 가습기(29)를 통해 가습된 뒤 연료전지 스택(2)의 캐소드(Cathode)에 공급되며, 캐소드의 배기가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기(29)에 전해져 공기블로워(28)에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용된다.3, the fuel cell used in the present invention includes an air supply unit and a hydrogen supply unit. The dry air supplied through the air blower 28 is humidified through the humidifier 29, 2, and the exhaust gas of the cathode is transferred to the humidifier 29 in a humidified state by the water component generated therein, and is used to humidify the dry air to be supplied to the cathode by the air blower 28 do.

수소공급부는 2개의 라인으로 구성되어 있는데, 첫 번째 라인은 저압 레귤레이터(LPR)(23)를 통해 연료전지 스택(2)의 애노드(Anode)로 수소를 공급하며, 수소 재순환 블로워(24)를 통해 애노드 출구단의 수소 중 일부가 재순환된다. 두 번째 라인은 고압의 수소를 밸브(25) 및 이젝터(26)를 통해 직접 애노드로 공급하며, 애노드 출구단의 일부 수소가 재순환되어 이젝터를 통해 공급된다.The hydrogen supply unit is composed of two lines, the first line supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack 2 through a low-pressure regulator (LPR) 23, and the hydrogen recycle blower 24 Some of the hydrogen at the anode outlet end is recycled. The second line supplies high-pressure hydrogen to the anode directly through the valve 25 and the ejector 26, and some hydrogen at the anode outlet end is recycled and supplied through the ejector.

또한, 애노드에 남아있는 잔존 수소가 전기 발생 없이 전해질막을 직접 통과하여 캐소드의 산소와 반응하는 현상을 수소 크로스오버(Crossover)라 하며, 이러한 수소 크로스오버 양을 줄이기 위해서 저출력 구간에서는 애노드 압력을 낮추고 스택 출력을 높이는 고출력 구간에서는 압력을 높여야 한다. 이는 저압력 요구시에는 저압 레귤레이터(23)를 단독 사용하고, 고압 요구시나 수소 퍼지시에는 고압 수소를 밸브(25)의 제어를 통해 공급하여 해결한다. 애노드 압력(수소압)이 커질수록 수소 크로스오버 양은 증가하며, 수소 크로스오버는 연비 및 연료전지 내구에 좋지 않은 영향을 미치므로 적절한 애노드 압력을 유지하는 것이 필요하다. 수소 퍼지 밸브(27)는 애노드단의 불순물 및 응축된 물을 배출하여 스택 성능을 확보하기 위한 용도이며, 애노드 출구단은 워터 트랩(31)과 연결되어 응축된 물을 저장 후 양이 일정수준에 도달하면 밸브(32)를 통해 배출한다.The phenomenon that the remaining hydrogen remaining in the anode passes through the electrolyte membrane directly without generating electricity and reacts with oxygen in the cathode is called a hydrogen crossover. To reduce the amount of hydrogen crossover, the anode pressure is lowered in the low output section, The pressure should be increased in the high-power section where the output is increased. This solves this problem by using the low-pressure regulator 23 solely in the case of a low pressure demand and by supplying the high-pressure hydrogen through the control of the valve 25 when a high pressure is required or when hydrogen is purged. As the anode pressure (hydrogen pressure) increases, the amount of hydrogen crossover increases, and hydrogen crossover has a negative effect on fuel consumption and fuel cell durability, so it is necessary to maintain proper anode pressure. The hydrogen purge valve 27 is used for discharging impurities at the anode end and condensed water to ensure stacking performance. The anode outlet end is connected to the water trap 31 to store the condensed water, And then discharged through the valve 32.

도 4 는 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 장치에 대한 일실시예 구성도이다.4 is a block diagram of an operation control apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 장치는, 저장부(41), 정보 수집부(42), 제어부(43), 및 연료전지 구동부(44)를 포함한다.4, the operation control apparatus for a fuel cell according to the present invention includes a storage unit 41, an information collecting unit 42, a control unit 43, and a fuel cell driving unit 44.

상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(41)는 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장한다. 즉, 저장부(41)는 일례로, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 차속에 상응하는 지연시간과, (b)에 도시된 바와 같이 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 저장한다.The storage unit 41 stores the delay time corresponding to the vehicle speed and the delay time corresponding to the SOC (State Of Charge) of the battery. That is, the storage unit 41 stores, for example, a delay time corresponding to the vehicle speed and a delay time corresponding to the battery SOC as shown in (b), as shown in FIG. 5 (a).

여기서, 차속에 상응하는 지연시간은 차속이 증가할수록 지연시간이 선형적으로 감소하는 그래프(a)이고, 배터리 SOC에 상응하는 지연시간은 배터리 SOC가 증가할수록 지연시간이 선형적으로 증가하는 그래프(b)이다.Here, the delay time corresponding to the vehicle speed is a graph (a) in which the delay time linearly decreases as the vehicle speed increases, and the delay time corresponding to the battery SOC is a graph in which the delay time linearly increases as the battery SOC increases b).

다음으로, 정보 수집부(42)는 연료전지-축전수단 하이브리드 차량으로부터 각종 정보를 수집한다.Next, the information collection unit 42 collects various information from the fuel cell-storage means hybrid vehicle.

특히, 정보 수집부(42)는 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집한다. 이때, 정보 수집부(42)는 클러스터로부터 차속 정보를 수집할 수 있고, BMS(Battery Management System)으로부터 배터리의 SOC 정보를 수집할 수 있다. 또한, 정보 수집부(42)는 차량 네트워크를 통해 차속정보와 배터리의 SOC 정보를 수집할 수도 있다. 이때, 차량 네트워크는 CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), 플렉스레이(FlexRay), MOST(Media Oriented System Transport) 등을 포함한다.In particular, the information collecting unit 42 collects vehicle speed information and SOC information of the battery. At this time, the information collecting unit 42 can collect the vehicle speed information from the cluster and collect the SOC information of the battery from the BMS (Battery Management System). Also, the information collecting unit 42 may collect the vehicle speed information and the SOC information of the battery through the vehicle network. At this time, the vehicle network includes a CAN (Controller Area Network), a LIN (Local Interconnect Network), a FlexRay, a MOST (Media Oriented System Transport), and the like.

다음으로, 제어부(43)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.Next, the control unit 43 performs overall control so that each of the components can perform the function normally.

특히, 제어부(43)는 연료전지의 정지상태 해제시점을 판단한다. 즉, 엑셀 신호(Signal from the Accel Position Sensor)가 차속에 따른 요구출력을 초과하는 경우를 연료전지의 정지상태 해제시점으로 판단한다. 이러한 연료전지의 상태 전이를 판단하는 기술은 상술한 방식에 한정되는 것은 아니며 일반적으로 널리 알려진 다양한 방식이 적용될 수 있다.In particular, the control unit 43 determines the point of time when the fuel cell is stopped. That is, the case where the excel signal (Signal from the Accel Position Sensor) exceeds the required output according to the vehicle speed is judged as the suspension state release point of the fuel cell. The technique for determining the state transition of the fuel cell is not limited to the above-described method, and various commonly known methods can be applied.

또한, 제어부(43)는 연료전지의 정지상태 해제시점에 곧바로 연료전지의 정지상태를 해제하지 않고, 본 발명에 따른 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제한다. 이렇게 함으로써, 빈번한 연료전지의 상태 전이를 방지할 수 있어 연료전지의 수명이 단축되는 것을 감소시킬 수 있다.In addition, the control unit 43 cancels the stop state of the fuel cell immediately after the stop time of the fuel cell is released, and cancels the stop state of the fuel cell after the delay time according to the present invention has elapsed. By doing so, it is possible to prevent frequent state transition of the fuel cell and to shorten the lifetime of the fuel cell.

즉, 제어부(43)는 연료전지의 정지상태 해제시점에 저장부(41)에 저장되어 있는 차속에 상응하는 지연시간과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간에 기초하여, 정보 수집부(42)에 의해 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출한 후 상기 산출한 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제하도록 연료전지 구동부(44)를 제어한다.That is, the control unit 43 controls the information collecting unit 42 based on the delay time corresponding to the vehicle speed stored in the storage unit 41 and the delay time corresponding to the battery SOC, Calculates the delay time corresponding to the collected vehicle speed and the battery SOC, and then controls the fuel cell driving unit 44 to release the stopped state of the fuel cell after the calculated delay time elapses.

예를 들어, 차속에 상응하는 지연시간이 10초이고, 배터리 SOC에 상응하는 지연시간이 30초이면 전체 지연시간은 40초(10초 + 30초)가 된다.For example, if the delay time corresponding to the vehicle speed is 10 seconds and the delay time corresponding to the battery SOC is 30 seconds, the total delay time is 40 seconds (10 seconds + 30 seconds).

다음으로, 연료전지 구동부(44)는 제어부(43)의 제어하에 연료전지의 상태(정지, 발전)를 전이한다.Next, the fuel cell drive unit 44 transits the state (stop, power generation) of the fuel cell under the control of the control unit 43. [

본 발명의 일실시 예에서는 연료전지의 운전을 제어하기 위해 별도의 구성요소로 구현된 예를 설명하였으나, 제어부(43)가 다른 구성요소의 기능을 일괄 수행하도록 구현할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the control unit 43 is implemented as a separate component for controlling the operation of the fuel cell.

도 5 는 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating an operation control method of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

먼저, 저장부(41)가 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장한다(501).First, the storage unit 41 stores the delay time corresponding to the vehicle speed and the delay time corresponding to the SOC (State Of Charge) of the battery (501).

이후, 정보 수집부(42)가 연료전지-배터리 하이브리드 차량으로부터 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집한다(502).Then, the information collecting unit 42 collects vehicle speed information and SOC information of the battery from the fuel cell-battery hybrid vehicle (502).

이후, 연료전지의 정지상태 해제시점에, 제어부(43)가 상기 저장부(41)에 기초하여 상기 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출한다(503). 이때, 연료전지의 정지상태 해제시점을 검출하는 기술은 주지 관용의 기술로서 차량 네트워크를 통해 획득한 차속과 요구출력 및 악셀신호 등에 기초하여 검출할 수 있다.Then, at the time point when the fuel cell is stopped, the control unit 43 calculates a delay time corresponding to the collected vehicle speed and the battery SOC based on the storage unit 41 (503). At this time, the technique of detecting the stopping state release point of the fuel cell can be detected based on the vehicle speed acquired through the vehicle network, the demanded output, the accelerator signal or the like as a well-known technique.

이후, 연료전지 구동부(44)가 제어부(43)에 의해 산출된 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제한다(504).Thereafter, the fuel cell driving unit 44 releases the suspended state of the fuel cell after the delay time calculated by the control unit 43 elapses (504).

이러한 과정을 통해 연료전지의 발전정지(Fuel Cell Stop)와 재시동(Fuel Cell Restart) 간 상태전환시 시간지연을 두어 빈번한 상태전환을 방지하여 연료전지의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다. 이는 도 6을 통해 확인할 수 있다.Through this process, it is possible to prevent the frequent switching of the state by delaying the time of switching between the fuel cell stop and the fuel cell restart, thereby preventing the life of the fuel cell from being shortened. This can be confirmed from FIG.

도 6에 도시된 바와 같이, 운전자에 의한 엑셀 신호에 의해 연료전지의 상태 전이가 빈번하게 발생해야 할 상황에서, 본 발명이 적용된 방식은 종래의 방식인 도 1에 비해 연료전지의 발전 정지상태와 발전 정지상태의 해제 사이의 전이가 빈번하게 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, in a situation where the state transition of the fuel cell frequently occurs due to the excel signal by the driver, the method of applying the present invention is different from the conventional method of FIG. It can be seen that the transition between the cancellation of the power generation stoppage state is not frequently performed.

도 6에서, '610'은 배터리의 SOC가 70% 이상인 경우의 전이 상태 그래프를 나타내고, '620'은 배터리의 SOC가 60%인 경우의 전이 상태 그래프를 나타내며, '630'은 배터리의 SOC가 50% 이하인 경우의 전이 상태 그래프를 나타낸다.In FIG. 6, '610' represents a transition state graph when the SOC of the battery is 70% or more, '620' represents a transition state graph when the SOC of the battery is 60%, '630' And 50% or less.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

41 : 저장부
42 : 정보 수집부
43 : 제어부
44 : 연료전지 구동부41:
42: Information collecting section
43:
44: fuel cell driving unit

Claims (10)

연료전지-배터리 하이브리드 차량에서 연료전지의 운전을 제어하는 장치에 있어서,
차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장하는 저장부;
차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집하는 정보 수집부;
연료전지의 정지상태 해제시점에 상기 저장부에 기초하여, 상기 정보 수집부에 의해 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출하고, 상기 산출한 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제하도록 연료전지 구동부를 제어하는 제어부; 및
연료전지의 상태를 전이하는 상기 연료전지 구동부
를 포함하는 연료전지의 운전 제어 장치.An apparatus for controlling operation of a fuel cell in a fuel cell-battery hybrid vehicle,
A storage unit for storing a delay time corresponding to a vehicle speed and a delay time corresponding to a state of charge (SOC) of the battery;
An information collecting unit for collecting vehicle speed information and SOC information of the battery;
Wherein the control unit calculates the delay time corresponding to the vehicle speed and the battery SOC collected by the information collecting unit based on the storage unit at the time when the fuel cell is stopped, A control unit for controlling the fuel cell driving unit to release the fuel cell; And
The fuel cell system according to claim 1,
And a control unit for controlling the operation of the fuel cell. 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간을 합산하여 최종 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 장치.The method according to claim 1,
Wherein,
Wherein a final delay time is calculated by summing a delay time corresponding to the vehicle speed and a delay time corresponding to the SOC of the battery. 제 1 항에 있어서,
상기 차속에 상응하는 지연시간은,
차속이 증가할수록 지연시간이 감소하는 그래프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 장치.The method according to claim 1,
The delay time corresponding to the vehicle speed is,
And the delay time decreases as the vehicle speed increases. 제 1 항에 있어서,
상기 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간은,
배터리의 SOC가 증가할수록 지연시간이 증가하는 그래프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 장치.The method according to claim 1,
The delay time corresponding to the SOC of the battery is determined by the following formula:
Wherein the delay time increases as the SOC of the battery increases. 제 1 항에 있어서,
상기 정보 수집부는,
차량 네트워크를 통해 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 장치.The method according to claim 1,
The information collecting unit,
And collects vehicle speed information and SOC information of the battery through the vehicle network. 제 5 항에 있어서,
상기 차량 네트워크는,
CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), 플렉스레이(FlexRay), MOST(Media Oriented System Transport) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 연료전지의 운전 제어 장치.6. The method of claim 5,
The vehicle network comprising:
Wherein at least one of a CAN (Controller Area Network), a LIN (Local Interconnect Network), a FlexRay, and a MOOS (Media Oriented System Transport) 연료전지-배터리 하이브리드 차량에서 연료전지의 운전을 제어하는 방법에 있어서,
저장부가 차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC(State Of Charge)에 상응하는 지연시간을 저장하는 단계;
정보 수집부가 차속 정보와 배터리의 SOC 정보를 수집하는 단계;
연료전지의 정지상태 해제시점에, 제어부가 상기 저장부에 기초하여 상기 수집된 차속과 배터리 SOC에 상응하는 지연시간을 산출하는 단계; 및
연료전지 구동부가 상기 산출된 지연시간이 경과 한 후에 연료전지의 정지상태를 해제하는 단계
를 포함하는 연료전지의 운전 제어 방법.A method of controlling operation of a fuel cell in a fuel cell-battery hybrid vehicle,
Storing a delay time corresponding to a vehicle speed and a delay time corresponding to a state of charge (SOC) of the battery;
Collecting the information on the vehicle speed information and the SOC information of the battery;
Calculating a delay time corresponding to the collected vehicle speed and the battery SOC based on the storage unit at a time point when the fuel cell is released from the stop state; And
The fuel cell driving unit releases the stop state of the fuel cell after the calculated delay time has elapsed
And controlling the operation of the fuel cell. 제 7 항에 있어서,
상기 지연시간을 산출하는 단계는,
차속에 상응하는 지연시간과 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간을 합산하여 최종 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 방법.8. The method of claim 7,
The step of calculating the delay time includes:
And calculating a final delay time by summing a delay time corresponding to the vehicle speed and a delay time corresponding to the SOC of the battery. 제 7 항에 있어서,
상기 차속에 상응하는 지연시간은,
차속이 증가할수록 지연시간이 감소하는 그래프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 방법.8. The method of claim 7,
The delay time corresponding to the vehicle speed is,
Wherein the graph is a graph in which the delay time decreases as the vehicle speed increases. 제 7 항에 있어서,
상기 배터리의 SOC에 상응하는 지연시간은,
배터리의 SOC가 증가할수록 지연시간이 증가하는 그래프인 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어 방법.8. The method of claim 7,
The delay time corresponding to the SOC of the battery is determined by the following formula:
Wherein the delay time increases as the SOC of the battery increases.
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