KR20190024278A - 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법을 제안한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면에 의한 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법에 의하면, 연료전지 시스템의 운전 중에 연료전지에서 비정상 전압이 발생하면 즉각적인 비상 퍼지를 수행하지 않고, 최소 전압 셀의 성능에 따른 최대 가용 전류 및 보조 출력부의 최대 가용 전류를 도출하여 시스템 사양에 기재된 최대 출력을 허용할 수 있는 범위에서 비상 퍼지를 회피함으로써 시스템 요구 성능을 만족할 수 있으며, 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.

Description

연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND VEHICLE COMPRISING THE SAME, CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전 장치이다. 대표적으로, 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
연료전지의 기본적인 구조는, 전해질을 사이에 두고 음극(수소극)과 양극(산소극)이 전극을 이루는 단위 셀을 기본으로 한다. 단위 셀에 산소와 수소가 공급되면, 전해질을 통해 물의 전기 분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생한다. 통상적으로 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 연료전지는 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택의 형태로 구성된다.
또한, 연료전지에서는 스택 내부의 전해질을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 불순물이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응 효율이 떨어진다. 따라서 정해진 시점에 맞추어 수소 퍼지를 실시한다. 수소 퍼지는 연료전지 스택의 수소극 출구측 라인에 퍼지 밸브를 설치하여 수소극의 수소를 주기적으로 배출시킴으로써 연료전지 스택으로부터 질소나 물 등의 불순물을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이는 것이다.
이러한 연료전지를 동력원으로 하는 연료전지 시스템에서 운전 중 비정상 전압이 발생하면, 역전압 방지를 위하여 비상 퍼지를 수행한다.
그러나, 이 경우 수소극으로부터 물과 함께 퍼지되는 수소는 수소 퍼지 라인을 따라 배출되므로, 불필요한 수소 소모가 발생하여 연비가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은, 연료전지에서 비정상 전압 발생 시, 사용자 요구 출력을 만족하면서 비상 퍼지를 최대한으로 회피하여 연비를 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의한 연료전지 시스템은, 연료전지; 연료전지의 스택 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부는, 연료전지의 스택 전압을 전달받아 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고, 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면 비상 퍼지의 수행 여부를 결정한다.
전압 모니터링부는, 연료전지의 모든 셀의 전압을 실시간으로 측정한다.
제어부는, 측정된 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부;를 더 포함하고, 전압 판정부는, 연료전지의 모든 셀 중 최소 전압을 가지는 셀의 최소 셀 전압(Vmin)을 정해진 비정상 전압(Vemg)과 비교하여, 연료전지의 전압 상태를 판정한다.
전압 판정부는, 최소 셀 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작으면, 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 연료전지 시스템은, 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부;를 더 포함하고, 보조 출력부는, 고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터를 포함한다.
제어부는, 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부; 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함한다.
최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)는, 최소 셀 전압(Vmin)이 발생한 전류값(Imin)을 기준으로 일정 전류값(ΔI)를 더하여 [수식 1]로 계산하고, [수식 1]에서 일정 전류값(ΔI)은 [수식 3]로 정의되고, [수식 3]에서, s는 (Imin,Vmin)점에서의 전압/전류 기울기이고, ΔV = Vemg - Vmin,sys 이고, Vmin,sys는 연료전지 시스템의 최소 허용 전압이고, Vemg는 비정상 전압이다.
Imin,avail = Imin + ΔI ……… [수식 1]
ΔI = s × ΔV ……… [수식 3]
보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)는, 고전압 배터리의 특성을 이용하여 [수식 4]로 계산하고, [수식 4]에서 Pmax는 배터리의 최대 파워이다.
Ibat,avail = Pmax / Vbat ……… [수식 4]
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 연료전지 시스템은, 연료전지 내부의 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 개방되는 퍼지 밸브;를 더 포함하고, 제어부는, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합을 정해진 최대 요구 전류(Imax)와 비교하여, 비상 퍼지의 수행 여부를 결정한다.
제어부는, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 최대 요구 전류(Imax)보다 작으면, 퍼지 밸브를 개방하여 비상 퍼지를 수행한다.
제어부는, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 최대 요구 전류(Imax)보다 작지 않으면, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail) 값으로 연료전지의 전류 제한을 수행한다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 의한 연료전지 시스템은, 연료전지; 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부; 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부는, 측정된 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부; 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압을 가지는 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부; 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의한 차량은, 연료전지 시스템; 및 연료전지 시스템으로부터 전원을 공급받아 회전력을 생성하는 구동부;를 포함하고, 연료전지 시스템은, 연료전지; 연료전지 외에 구동부에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부; 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부는, 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고, 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면 비상 퍼지의 수행 여부를 결정한다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 의한 차량은, 연료전지; 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부; 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부는, 측정된 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부; 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압을 가지는 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부; 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 측면은 연료전지와, 연료전지 외에 보조 동력원인 보조 출력부를 구비하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하고; 연료전지의 모든 셀 중 최소 전압을 가지는 셀의 최소 셀 전압(Vmin)을 모니터링하고; 최소 셀 전압(Vmin)과 정해진 비정상 전압(Vemg)과 비교하여, 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고; 최소 셀 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작으면, 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정하여 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 것;을 포함하고, 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 것은, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하고, 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하고, 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합을 정해진 최대 요구 전류(Imax)와 비교하여, 비상 퍼지의 수행 여부를 결정한다.
본 발명의 일 측면에 의한 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법에 의하면, 연료전지 시스템의 운전 중에 연료전지에서 비정상 전압이 발생하면 즉각적인 비상 퍼지를 수행하지 않고, 최소 전압 셀의 성능에 따른 최대 가용 전류 및 보조 출력부의 최대 가용 전류를 도출하여 시스템 사양에 기재된 최대 출력을 허용할 수 있는 범위에서 비상 퍼지를 회피함으로써 시스템 요구 성능을 만족할 수 있으며, 연비 향상을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀의 전기 발생 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 비상 퍼지 수행을 위한 제어부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 비상 퍼지 제어 방법을 설명하는 동작 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에서 최소 전압 셀의 최대 가용 전류를 도출하는 계산 방법을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에서 보조 출력부의 최대 가용 전류를 도출하는 계산 방법을 도시한 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 개시된 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 구성을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 차량(1)은 차량(100)을 이동시키는 차륜(51, 52), 차륜(51, 52)을 회전시키는 구동 장치(60), 차량(1) 내부를 외부로부터 차폐시키는 도어(71), 차량(1) 내부의 운전자에게 차량(1) 전방의 시야를 제공하는 전면 유리(30), 운전자에게 차량(1) 후방의 시야를 제공하는 사이드 미러(81, 82)를 포함할 수 있다.
전면 유리(30)는 차량(1)의 전방 상측에 마련되어 운전자가 차량(1) 전방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 하는 것으로서, 윈드쉴드 글래스(windshield glass)로 구현될 수 있다.
차륜(51, 52)은 차량의 전방에 마련되는 전륜(51), 차량의 후방에 마련되는 후륜(52)을 포함하며, 구동부(60)는 차량(1)이 전방 또는 후방으로 이동하도록 전륜(51) 또는 후륜(52)에 회전력을 제공할 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 전륜(51)에 회전력을 제공하는 전륜 구동 방식을 적용하여 도시하였다.
기존의 차량은 석유와 같은 화석 연료를 연소시켜 회전력을 생성하는 내연 기관을 구동부(60)로 채용하였으나, 일 실시예에 의한 차량(1)의 구동부(60)는 연료전지 시스템(100)으로부터 전원을 공급받아 회전력을 생성하는 모터(motor)를 채용할 수 있다.
또한, 사이드 미러(81, 82)는 차량(1)의 좌측에 마련되는 좌측 사이드 미러(81) 및 우측에 마련되는 우측 사이드 미러(82)를 포함하며, 차량(1) 내부의 운전자가 차량(1)의 측면 및 후방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다.
연료전지 시스템(100)은 연료가 저장된 연료 탱크(10)로부터 연료를 공급받고, 공기 공급기(20)로부터 공기를 공급받아 전기 에너지를 발생시킨다. 발생된 전기 에너지는 구동부(60)에 전달된다. 일 예로, 연료전지 시스템(100)에서 발생된 전기 에너지는 변환기(30)를 거치면서 직류 전원에서 교류 전원으로 변환되어 구동부(60)에 전달될 수 있다. 변환기(30)는 전압을 승압시키는 부스터와, 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키는 인버터를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템(100)이 수소를 연료로 사용하는 경우, 기존의 화석 연료를 사용하는 경우에 발생되는 일산화탄소나 질소산화물 등의 배기 가스가 아닌 수소와 산소의 반응에 의해 생성된 수증기(H2O)가 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀의 전기 발생 원리를 설명하는 도면이다.
도 3에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템(100)은 연료전지(110), 전압 모니터링부(120), 보조 출력부(130), 출력 조정부(140), 퍼지 밸브(150) 및 제어부(160)를 포함할 수 있다.
연료전지(110)는 연료 탱크(10)를 통해 연료(수소)가 공급되고, 공기 공급기(20)를 통해 산소가 공급되면, 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
연료전지(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, 단위 셀(110-1)이 복수 개, 예를 들어 수 내지 수백 개 적층되어 형성될 수 있는바, 도 4를 참조하여 단위 셀(110-1)에서 전기 에너지를 발생시키는 과정을 설명하도록 한다.
도 4에서, 단위 셀(110-1)의 양극(111)에 산소가 공급되고, 음극(113)에 수소가 공급되면, 물의 전기 분해 역반응이 진행되면서 전기 에너지가 발생될 수 있다.
구체적으로, 음극(113)에 수소 분자(H2)가 공급되면, 공급된 수소 분자(H2)는 촉매에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리될 수 있다. 수소 이온(H+)은 전해질(112)을 통과하는 반면, 전자(e-)는 전해질(112)을 통과하지 못할 수 있다. 대신에 전자(e-)는 외부 회로(114)로 흘러 들어가 직류 전기(DC)를 발생시킬 수 있다.
양극(111)에 산소 분자(O2)가 공급되면, 공급된 산소 분자(O2)는 전해질(122)을 통과한 수소 이온(H+) 및 전자(e-)와 결합하여 물(H2O)과 열을 발생시킬 수 있다.
이러한 단위 셀(110-1)은 하나의 MEA(Membrane Electrode Assembly)에 포함되고, 복수의 MEA는 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지(110) 스택을 구성할 수 있다. 따라서, 연료전지(110) 스택은 하나의 단위 셀(110-1)에 비하여 높은 전압을 생성할 수 있다.
도 3에서는 연료 탱크(10)와 공기 공급부(20)를 연료전지 시스템(100)의 구성에서 제외하였으나, 설계 사항에 따라 연료 탱크(10) 또는 공기 공급기(20)를 연료전지 시스템(100)의 구성에 포함시키는 것도 가능함은 물론이다.
한편, 도 3의 연료전지 시스템(100)에서는 연료전지(110)에 공급되는 연료로 수소를 채용할 수 있다. 따라서, 연료 탱크(10)에는 수소 자체가 저장될 수도 있으나, 경우에 따라 메탄올, 가솔린, LPG 등의 탄화수소 계열의 연료가 연료 탱크(10)에 저장되고, 연료 탱크(10)와 연료 공급 밸브(미도시) 사이에 탄화수소 계열의 연료를 분해하여 수소를 발생시키는 개질기(reformer)가 마련되는 것도 가능하다. 연료 공급 밸브를 통해 연료전지(110)에 수소가 공급되기만 하면 되고, 연료 탱크(10)에 저장되는 연료 또는 수소 공급원이 무엇인지에 대해서는 제한을 두지 않는다.
도 3에서, 전압 모니터링부(120)는 연료전지(110)의 스택 전압 즉, 모든 단위 셀(110-1)의 전압을 실시간으로 모니터링하는 SVM(Stack Voltage Monitor)이다.
전압 모니터링부(120)는 연료전지 시스템(100)의 운전 중에 연료전지(110)의 모든 단위 셀(110-1)의 전압을 측정하여 제어부(160)에 전달한다.
보조 출력부(130)는 차량(1)의 주 동력원인 연료전지(110) 외에 모터 구동에 필요한 출력(전력)을 제공하기 위한 보조 동력원으로 축전 수단, 예컨대 충/방전이 가능한 고전압 배터리(131) 또는 슈퍼캐패시터(슈퍼캡)를 적용할 수 있다.
고전압 배터리(131)는 연료전지(110)와는 별개의 보조 배터리로서 고전압(예를 들어, 180V)의 전력을 제공하도록 마련될 수 있다. 고전압 배터리(131)는 기존의 플러그-인에 대응하는 대용량의 리튬 이온 배터리로서, 연료전지 시스템(100)이 탑재된 차량(1)의 전기 자동차 모드(Electric Vehicle Mode, EV 모드)에서 고전압 배터리(131)의 전력만으로 차량(1)이 운행되도록 할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템(100)이 탑재된 차량(1)의 구동을 위한 동력 공급원으로서 수소를 이용하는 연료전지(110) 외에 가정용 전기와 같은 2차 재원을 고전압 배터리(131)에 직접 충전함으로써 차량(1)을 구동하기 위한 동력원을 다양화할 수 있다. 고전압 배터리(131)는 외부 전원을 이용하는 충전부(미도시)에 의해 충전될 수 있다.
이러한 보조 출력부(130)는 연료전지(110)와 함께 출력(전력)을 발생하여 사용자의 요구 출력을 만족하거나, 연료전지(110) 또는 구동부(60)에서 발생하는 에너지를 흡수할 수 있다.
출력 조정부(140)는 연료전지(110)와 보조 출력부(130) 사이의 출력(전력) 레벨을 조정할 수 있다.
퍼지 밸브(150)는 연료전지(110) 내부의 불순물을 제거하기 위해 제어부(160)의 제어 명령에 따라 정해진 시점에 주기적으로 개방하는 전자식 제어 밸브로서, 퍼지 밸브(150)를 열어줄 경우 연료전지(110) 내부의 질소나 물 등의 불순물을 외부로 배출 및 제거할 수 있다.
퍼지 밸브(150)는 자동으로 제어되는 다양한 종류의 밸브 중 하나를 채용할 수 있다. 일 예로, 퍼지 밸브(150)는 전자석을 이용한 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다.
제어부(160)는 차량(1)의 구동에 필요한 출력에 따라 연료전지(110)를 제어하기 위해 구동부(160), 전압 모니터링부(120), 보조 출력부(130), 출력 조정부(140) 및 퍼지 밸브(150)와 통신할 수 있다.
제어부(160)는 차량(1)의 CAN(Controller Area Network) 네트워크를 이용할 수 있다. CAN 네트워크는 차량(1)의 전자 장치(Electronic Control Unit, ECU)간의 데이터 전송 및 제어에 사용되는 네트워크 시스템을 의미한다. 구체적으로 CAN 네트워크는 꼬여 있거나 또는 피복에 의해 차폐되어 있는 2가닥 데이터 배선을 통해 데이터를 전송한다. CAN은 마스터/슬레이브 시스템에서 다수의 ECU가 마스터(master) 기능을 수행하는 멀티-마스터(multi-master) 원리에 따라 작동한다. 이외에도 제어부(160)는 차량(1)의 LIN(Local Interconnect Network), MOST(Media Oriented System Transport)등과 같은 차량 내 유선망 또는 블루투스(bluetooth) 등과 같은 무선망을 통해 통신할 수도 있다.
또한, 제어부(160)는 연료전지 시스템(100)의 제반 동작을 제어하는 마이크로 프로세서로서, 연료전지 시스템(100) 내에 내장된 각종 모듈, 기기 등의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어부(160)는 연료전지 시스템(100)에 내장된 프로세서에 의해 동작될 수 있으며, 연료전지 시스템(100) 내에 내장된 각종 모듈, 기기 등을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 각 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(160)는 전술 및 후술하는 동작을 수행하는 프로그램 및 이와 관련된 각종 데이터가 저장된 메모리와, 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서, 유압조정장치인 HCU(hydraulic control unit), MCU(Micro controller unit)등을 포함 할 수 있다. 또한 제어부(160)는 차량(1)에 내장된 시스템 온 칩(System On Chip, SOC)에 집적될 수 있으며, 프로세서(processor)에 의해 동작될 수 있다. 다만, 차량(1)에 내장된 시스템 온 칩이 하나만 존재하는 것은 아니고, 복수 개일 수도 있으므로, 하나의 시스템 온 칩에만 집적되는 것으로 제한되지 않는다.
제어부(160)는 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory: RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 통해 구현될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있다.
이외에도, 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부(160)는 전압 모니터링부(120)에서 모니터링된 모든 단위 셀(110-1)의 전압을 이용하여 연료전지(110) 전압의 비정상 여부를 판단하고, 비상 퍼지를 최대한으로 회피하기 위한 기술을 구현한다. 이를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 비상 퍼지 수행을 위한 제어부의 구성도이다.
도 5에서, 제어부(160)는 전압 모니터링부(120)에서 측정된 연료전지(110) 모든 셀(110-1)의 전압을 전달받아 연료전지(110)의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부(161)와, 연료전지(110)의 모든 셀(110-1) 중 하나 이상의 셀(110-1)에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류를 도출하는 제1전류 계산부(162)와, 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류를 도출하는 제2전류 계산부(163)를 포함할 수 있다.
따라서, 제어부(160)는 연료전지(110)의 모든 셀(110-1) 중 하나 이상의 셀(110-1)에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류의 합이 정해진 최대 전류보다 작은지를 판단하여 비상 퍼지의 회피 여부를 제어할 수 있다. 비정상 전압은 연료전지(110) 스택의 셀(110-1) 당 전압이 셀(110-1) 당 가용 전압 범위 이하로 낮아지는 전압이다. 즉, 셀(110-1) 당 전압이 정상적인 동작 전압에 비해 일정 전압 이하로 낮아지는 전압을 비정상 전압이라고 한다. 예를 들어, 파워 100W 기준으로 연료전지(110) 스택의 파워가 최대 80W이면, 연료전지(110) 스택이 열화되어 셀(110-1) 당 전압이 낮아지게 된다.
판단 결과, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류의 합이 최대 전류보다 작으면, 제어부(160)는 퍼지 밸브(150)를 개방하여 비상 퍼지를 수행할 수 있다.
판단 결과, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류의 합이 최대 전류보다 작지 않으면, 제어부(160)는 연료전지(110)의 역전압 방지를 위해 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류로 연료전지(110)의 전류 제한을 수행할 수 있다.
도 5에서는 전압 모니터링부(120)를 제어부(160)의 구성에서 제외하였으나, 설계 사항에 따라 전압 모니터링부(120)를 제어부(160)의 구성에 포함시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 차량, 연료전지 시스템의 제어 방법의 동작 과정 및 작용 효과를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템의 비상 퍼지 제어 방법을 설명하는 동작 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에서 최소 전압 셀의 최대 가용 전류를 도출하는 계산 방법을 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템에서 보조 출력부의 최대 가용 전류를 도출하는 계산 방법을 도시한 그래프이다.
도 6은 연료전지 시스템(100)이 동작하고 있는 경우에 제어부(160)에서 수행되는 제어 처리를 도시한 것이다.
도 6에서, 전압 모니터링부(120)는 연료전지(110)의 모든 셀(110-1)의 전압을 측정하여 최소 전압을 가지는 셀(110-1, 최소 전압 셀)의 최소 셀 전압(Vmin)을 모니터링한다(200).
전압 모니터링부(120)에서 모니터링된 최소 셀 전압(Vmin)은 제어부(160)에 전달된다.
따라서, 제어부(160)는 연료전지(110)의 전압 상태를 판단하기 위해 최소 셀 전압(Vmin)과 저장된 비정상 전압(Vemg; 연료전지 전압의 정상 상태를 판단하기 위한 기준값)을 비교하여, 최소 셀 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작은가를 판단한다(202).
단계 202의 판단 결과, 최소 셀 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작지 않으면, 제어부(160)는 연료전지(110)의 전압 상태가 정상이라고 판정하고, 단계 200으로 피드백하여 이후의 동작을 진행한다.
한편, 단계 202의 판단 결과, 최소 셀 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작으면, 제어부(160)는 연료전지(110)의 전압 상태가 비정상이라고 판정하고, 비상 퍼지의 수행 여부를 판단하기 위한 정보 도출 단계로 진행한다.
제어부(160)는 연료전지(110)의 모든 셀(110-1) 중 하나 이상의 셀(110-1)에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산한다(204).
최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail)는 도 7에 도시한 그래프를 이용하여 계산할 수 있다. 연료전지(110)의 모든 셀(110-1) 중 최소 전압을 가지는 셀(110-1)의 전압(Vmin)이 비정상 전압(Vemg)보다 작아지면, 해당 전압이 발생한 전류값(Imin)을 기준으로 일정 전류값(ΔI)를 더하여 아래와 같은 [수식 1]로 계산할 수 있다.
Imin,avail = Imin + ΔI ……… [수식 1]
이때, ΔI는 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다.
먼저, (Imin,Vmin)점에서의 전압/전류 기울기를 [수식 2]로 구할 수 있다.
s = -dv / di ……… [수식 2]
다음, S값을 바탕으로 연료전지 시스템(100)의 최소 허용 전압(Vmin,sys)과 비정상 전압(Vemg)dml 차이에 대한 ΔI 를 [수식 3]으로 구할 수 있다.
ΔI = s × ΔV ……… [수식 3]
[수식 3]에서, ΔV = Vemg - Vmin,sys 이다.
도 6에서, 제어부(160)는 연료전지(110)의 모든 셀(110-1) 중 하나 이상의 셀(110-1)에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 제2전류 계산부(163)를 이용하여 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산한다(206).
보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)는 도 8에 도시한 그래프를 이용하여 계산할 수 있다. 보조 출력부(130)로 고전압 배터리(131)를 이용하는 경우, 도 8의 배터리 특성 그래프를 이용하여 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 [수식 4]와 같이, 계산할 수 있다.
Ibat,avail = Pmax / Vbat ……… [수식 4]
이어서, 제어부(160)는 연료전지 시스템(100)의 사양으로 정해진 최대 요구 전류(Imax) 값을 기준으로 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이 최대 요구 전류(Imax) 보다 작은가를 판단한다(208).
단계 208의 판단 결과, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이 최대 요구 전류(Imax) 보다 작으면, 제어부(160)는 퍼지 밸브(150)를 개방하여 비상 퍼지를 수행한다(210).
한편, 단계 208의 판단 결과, 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 보조 출력부(130)의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이 최대 요구 전류(Imax) 보다 작지 않으면, 제어부(160)는 연료전지(110)의 역전압 방지를 위하여 최소 전압 셀(110-1)의 최대 가용 전류(Imin,avail) 값으로 연료전지(110)의 전류 제한을 행한다(212).
본 발명의 일 실시예들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아닌 설명적 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명이 아닌 특허청구 범위에 나타나며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 차량 10 : 연료 탱크
20 : 공기 공급기 100 : 연료전지 시스템
110 : 연료전지 120 : 전압 모니터링부
130 : 보조 출력부 140 : 출력 조정부
150 : 퍼지 밸브 160 : 제어부
161 : 전압 판정부 162 : 제1전류 계산부
163 : 제2전류 계산부

Claims (18)

  1. 연료전지;
    상기 연료전지의 스택 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및
    상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지의 스택 전압을 전달받아 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고, 상기 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면 상기 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부;를 더 포함하고,
    상기 전압 판정부는,
    상기 연료전지의 모든 셀 중 최소 전압을 가지는 셀의 최소 셀 전압(Vmin)을 정해진 비정상 전압(Vemg)과 비교하여, 상기 연료전지의 전압 상태를 판정하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부;를 더 포함하고,
    상기 보조 출력부는,
    고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터를 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부;
    상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)는,
    상기 최소 셀 전압(Vmin)이 발생한 전류값(Imin)을 기준으로 일정 전류값(ΔI)를 더하여 [수식 1]로 계산하고, 상기 [수식 1]에서 일정 전류값(ΔI)은 [수식 3]로 정의되고, 상기 [수식 3]에서, 상기 s는 (Imin,Vmin)점에서의 전압/전류 기울기이고, ΔV = Vemg - Vmin,sys 이고, 상기 Vmin,sys는 상기 연료전지 시스템의 최소 허용 전압이고, 상기 Vemg는 비정상 전압인 연료전지 시스템.
    Imin,avail = Imin + ΔI ……… [수식 1]
    ΔI = s × ΔV ……… [수식 3]
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)는,
    상기 고전압 배터리의 특성을 이용하여 [수식 4]로 계산하고, 상기 [수식 4]에서 Pmax는 배터리의 최대 파워인 연료전지 시스템.
    Ibat,avail = Pmax / Vbat ……… [수식 4]
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 내부의 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 개방되는 퍼지 밸브;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합을 정해진 최대 요구 전류(Imax)와 비교하여, 상기 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 상기 최대 요구 전류(Imax)보다 작으면, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 비상 퍼지를 수행하는 연료전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 상기 최대 요구 전류(Imax)보다 작지 않으면, 상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail) 값으로 상기 연료전지의 전류 제한을 수행하는 연료전지 시스템.
  10. 연료전지;
    상기 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부;
    상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및
    상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부;
    상기 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압을 가지는 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부;
    상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지 내부의 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 개방되는 퍼지 밸브;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 정해진 최대 요구 전류(Imax)보다 작으면, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 비상 퍼지를 수행하는 연료전지 시스템.
  12. 연료전지 시스템; 및
    상기 연료전지 시스템으로부터 전원을 공급받아 회전력을 생성하는 구동부;를 포함하고,
    상기 연료전지 시스템은,
    연료전지;
    상기 연료전지 외에 상기 구동부에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부;
    상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및
    상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고, 상기 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면 상기 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 차량.
  13. 연료전지;
    상기 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 출력을 제공하는 보조 출력부;
    상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하는 전압 모니터링부; 및
    상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하여 비상 퍼지를 수행하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 전달받아 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하는 전압 판정부;
    상기 연료전지의 모든 셀 중 하나 이상의 셀에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정되면, 최소 전압을 가지는 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하는 제1전류 계산부;
    상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하는 제2전류 계산부;를 더 포함하는 연료전지 시스템을 탑재한 차량.
  14. 연료전지와, 상기 연료전지 외에 보조 동력원인 보조 출력부를 구비하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 연료전지의 모든 셀의 전압을 측정하고;
    상기 연료전지의 모든 셀 중 최소 전압을 가지는 셀의 최소 셀 전압(Vmin)을 모니터링하고;
    상기 최소 셀 전압(Vmin)과 정해진 비정상 전압(Vemg)과 비교하여, 상기 연료전지의 전압 이상 여부를 판정하고;
    상기 최소 셀 전압(Vmin)이 상기 비정상 전압(Vemg)보다 작으면, 상기 연료전지에서 비정상 전압이 발생한 것으로 판정하여 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 것;을 포함하고,
    상기 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 것은,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)를 계산하고, 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)를 계산하고, 상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합을 정해진 최대 요구 전류(Imax)와 비교하여, 상기 비상 퍼지의 수행 여부를 결정하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)는,
    상기 최소 셀 전압(Vmin)이 발생한 전류값(Imin)을 기준으로 일정 전류값(ΔI)를 더하여 [수식 1]로 계산하고, 상기 [수식 1]에서 일정 전류값(ΔI)은 [수식 3]로 정의되고, 상기 [수식 3]에서, 상기 s는 (Imin,Vmin)점에서의 전압/전류 기울기이고, ΔV = Vemg - Vmin,sys 이고, 상기 Vmin,sys는 상기 연료전지 시스템의 최소 허용 전압이고, 상기 Vemg는 비정상 전압인 연료전지 시스템의 제어 방법.
    Imin,avail = Imin + ΔI ……… [수식 1]
    ΔI = s × ΔV ……… [수식 3]
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)는,
    상기 고전압 배터리의 특성을 이용하여 [수식 4]로 계산하고, 상기 [수식 4]에서 Pmax는 배터리의 최대 파워인 연료전지 시스템의 제어 방법.
    Ibat,avail = Pmax / Vbat ……… [수식 4]
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료전지 내부의 불순물을 제거하는 퍼지 밸브를 주기적으로 개방하고;
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 상기 최대 요구 전류(Imax)보다 작으면, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 비상 퍼지를 수행하는 것;을 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail)와 상기 보조 출력부의 최대 가용 전류(Ibat,avail)의 합이, 상기 최대 요구 전류(Imax)보다 작지 않으면, 상기 최소 전압 셀의 최대 가용 전류(Imin,avail) 값으로 상기 연료전지의 전류 제한을 수행하는 것;을 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
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