KR20190060593A - 연료전지용 cod 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터의 작동 여부를 판단하는 단계; COD 히터를 작동하는 경우, 발전전력과 소모전력을 각각 산출하는 단계; 및 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지용 COD 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지용 COD 제어방법 및 제어시스템{COD CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 COD 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 회생제동시 COD가 작동하는 경우에 고전압 배터리 에너지의 소모를 방지하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 전해질을 사이에 두고 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
현재 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하는 열관리 시스템 등을 포함한다.
연료전지의 수명과 성능을 유지하고 가장 안정된 출력상태를 얻기 위해서는
고분자 전해질 연료전지의 경우 그 온도를 대략 25℃(상온)에서 80℃ 이내의 온도범위에서 유지해야 한다. 이에 연료전지 시스템에서는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시켜야 하는 등 열관리 시스템이 필수적이다. 일반적으로 열관리 시스템은 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위하여 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 방식이 주로 이용되고 있다.
이와 같은 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)은 냉각수의 순환을 위하여 연료전지 스택과 라디에이터 사이에 연결되는 냉각수 라인, 라디에이터를 통과시키지 않고 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인 및 3-웨이 밸브, 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인을 통해 압송하기 위한 펌프, 냉각수 가열을 위한 히터 등을 포함한다. 또한, 냉각수 히터를 통하여 스택의 열화 방지 및 내구성 향상, 냉시동 개선, 회생제동의 확대 등의 효과를 얻을 수 있다.
연료전지 차량의 스타트업/셧다운(start up/shut down)시 스택의 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathode Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 물려 수소와 산소의 반응에 의한 전력생성을 열에너지로 소비하게 된다.
따라서, COD 외에도 차량 시동후 빙점이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속하게 가열할 수 있는 히터가 필요하였고, 냉각수 가열용 히터를 COD와 별도로 구성하는 경우에 차량의 부품원가를 증가시키고, 레이아웃 공간을 확보할 수 없는 단점이 있어, 연료전지차량의 냉시동성 확보를 위한 히터기능과 기존의 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능을 하나로 통합한 연료전지 차량용 COD 겸용 히터를 이용한다.
연료전지 차량은 제동시 회생되는 에너지를 고전압 배터리에 충전하는 회생제동 기능을 갖는다. 따라서, 연료전지 차량의 강판 주행시 회생제동에 의해 모터에서 전력이 회수되고 해당 에너지는 고전압 배터리의 충전에 이용된다. 그러나 강판 주행이 계속해서 이어지는 경우 등에는 고전압 배터리의 충전량(SOC)이 한계치를 넘어서게 되면 더이상 충전할 수 없어 회생제동이 불가능한 상황이 된다.
이러한 상황에 COD 히터를 가동하여 회생제동에 의해 회수된 에너지를 비롯한 잉여 전력을 소모시켜 회생제동을 최대한 유지할 수 있다. 또한, 냉각수 펌프 및 라디에이터의 방열팬 등을 포함하는 보기류의 소모출력을 최대로 유지하여 잉여 전력을 최대한 소모시키는 제어를 하였다.
다만, COD 히터를 가동하면 소모출력은 일정하게 유지되고 보기류의 소모출력도 최대한으로 유지되도록 제어함에 따라, COD 소모출력이 잉여 전력보다 큰 경우에는 고전압 배터리가 방전되어 오히려 충전량이 감소하게 되는 문제가 있었다.
도 1은 종래 기술에 의해 회생제동 중 COD 히터를 작동하는 경우에 배터리 충전량 및 출력을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 3단계 회생제동모드(CstRgn LV3)에서 1단계 회생제동모드(CstRgn LV1)로 가변되는 경우에 계속해서 COD 히터가 가동됨에 따라 고전압배터리의 SOC는 서서히 감소하였고, 그동안 배터리는 방전되면서 충전 에너지를 방전하면서 출력을 발생하였다.
도 2는 종래 기술에 의해 차속 및 회생제동모드에 따른 회생제동 에너지를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, COD 히터의 소모전력 일정하게 발생하므로, 회생제동모드로 운전하여 COD 히터가 가동되면, COD 히터는 계속해서 일정한 소모전력이 발생한다.
이에 따라, 3단계 회생제동모드(CstRgn LV3)에서는 차속이 37[kph] 이상이면 고전압 배터리를 충전할 수 있지만 차속이 37[kph]보다 작은 구간에서는 오히려 고전압 배터리의 충전량을 소모하면서 운전한다. 2단계 회생제동모드(CstRgn LV2)에서는 차속이 68[kph] 이상이면 고전압 배터리를 충전할 수 있지만 차속이 68[kph]보다 작은 구간에서는 고전압 배터리의 충전량을 소모하면서 운전하고, 1단계 회생제동모드(CstRgn LV1)에서는 전 차속 구간에서 고전압 배터리를 소모하게 된다.
배터리 충전량이 일정 수준 이하가 되면 COD 히터의 가동을 중단하여 다시 회생제동으로 고전압 배터리를 충전하겠지만, 그전에 강판 주행이 완료되어 회생제동 에너지가 더 이상 회수되지 않는다면 배터리의 충전 에너지만 낭비한 결과가 발생한다.
즉, 회생제동모드로 운전함에 따라 COD 히터를 가동함으로써 오히려 고전압 배터리가 방전하면서 충전된 에너지를 소모하게 되는 문제가 발생하여 전력의 낭비가 발생하고, 이에 따라 구동 효율이 떨어지는 문제가 발생하였다.
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 10-1417115 B KR 10-2009-0039892 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, COD 히터를 동작시키는 경우에 발전전력과 소모전력을 비교하여 고전압 배터리의 충전 에너지를 유지하는 제어방법 및 제어시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 COD 제어방법은 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터의 작동 여부를 판단하는 단계; COD 히터를 작동하는 경우, 발전전력과 소모전력을 각각 산출하는 단계; 및 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 단계;를 포함한다.
작동 여부를 판단하는 단계 이전에, 고전압 배터리의 충전량을 확인하는 단계;를 더 포함하고, 작동 여부를 판단하는 단계는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동할 수 있다.
작동 여부를 판단하는 단계 이전에, 회생제동 중인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 작동 여부를 판단하는 단계는 회생제동 중이고 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동할 수 있다.
산출하는 단계에서 발전전력은 회생제동에 의해 회수되는 전력을 포함하여 산출할 수 있다.
산출하는 단계에서 소모전력은 COD 히터에서 소모하는 전력과 냉각수 펌프 및 라디에이터를 냉각하는 방열팬에서 소모하는 전력을 포함하여 산출할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계는 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도를 가변하도록 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도는 기저장된 맵에 의해 가변제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 소모전력이 발전전력 이하인 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 증가하도록 제어하고, 소모전력을 제어하는 단계에서 소모전력이 발전전력을 초과한 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 감소하도록 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압을 가변하도록 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 COD 히터에 인가되는 전압은 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 기저장된 맵에 의해 가변제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압이 증가하도록 제어하고, 소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압이 감소하도록 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계에서 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 COD 히터에 인가되는 전압을 가변할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 COD 제어시스템은 연료전지 스택에 연결된 메인버스단의 전력을 소모하는 COD 히터; 및 COD 히터의 작동 여부를 판단하고, COD 히터를 작동하는 경우 발전전력과 소모전력을 각각 산출하며, 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 제어부;를 포함한다.
회생제동 상태인지 여부를 판단하는 회생제동 판단부; 및 메인버스단에 연결되고, 충전 또는 방전을 통하여 전력을 저장하거나 공급하는 고전압 배터리;를 더 포함하고, 제어부는 회생제동 판단부에서 회생제동 중인 것으로 판단되고 고전압 배터리에서 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우에 COD 히터를 작동시킬 수 있다.
제어부는 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도를 가변하여 소모전력을 제어할 수 있다.
제어부는 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압을 가변하도록 제어할 수 있다.
제어부는 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 COD 히터에 인가되는 전압을 가변함으로써 소모전력을 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 COD 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 불필요하게 고전압 배터리에 충전된 전력이 낭비되는 문제를 해결하여 구동 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 방열팬 및 펌프의 구동 RPM을 줄임으로써 소음 발생을 대폭 감소시키는 효과가 있다.
또한, 방열팬과 펌프의 구동을 감소하고, 고전압 배터리의 충방전을 최소화함에 따라 내구성이 증대되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의해 회생제동 중 COD 히터를 작동하는 경우에 배터리 충전량 및 출력을 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술에 의해 차속 및 회생제동모드에 따른 회생제동 에너지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어방법의 순서도이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전전력과 소모전력에 따른 제어맵을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어시스템의 구성도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어방법은 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터의 작동 여부를 판단하는 단계(미도시); COD 히터를 작동하는 경우(S100), 발전전력과 소모전력을 각각 산출하는 단계(S200); 및 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여(S300) 소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S610);를 포함한다.
작동 여부를 판단하는 단계(미도시) 이전에, 고전압 배터리의 충전량을 확인하는 단계(미도시);를 더 포함하고, 작동 여부를 판단하는 단계는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동할 수 있다(S100).
작동 여부를 판단하는 단계(미도시) 이전에, 회생제동 중인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 작동 여부를 판단하는 단계는 회생제동 중이고 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동할 수 있다(S100).
즉, COD 히터의 작동 여부를 판단하는 단계(미도시)는 구동모터에서 회생제동을 통해 에너지를 회수하는 회생제동모드로 운전하는지 판단하고, 고전압 배터리의 충전량을 확인하여, 회생제동 중이고 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동하는 것으로 판단할 수 있다.
기설정된 충전량은 고전압 배터리의 안전성을 고려하여 최대한 충전된 충전량으로 더이상 충전하지 않는 것이 바람직한 수준의 충전량일 수 있다. 다른 실시예로, 회생제동 중이 아니더라도, 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인지만 판단하여 COD 히터를 작동할 수도 있다.
종래에는 전력 소모를 위해 COD 히터를 작동하는 경우에는 동시에 냉각수 펌프 및 방열팬의 회전속도를 최대 RPM으로 제어하는 등 보기류의 소모 전력을 최대한으로 유지하는 제어를 하였다. 본 발명에서 COD 히터의 동작은 이러한 제어를 포함하는 것으로 가정한다.
발전전력을 산출하는 단계(S210)에서 발전전력은 회생제동에 의해 회수되는 전력을 포함하여 산출할 수 있다.
발전전력은 구동 모터에서 회생된 전력을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 스택이 가동 중인 경우에는 연료전지 스택에서 발전된 전력을 포함할 수 있고, 고전압 배터리의 충방전 에너지는 새롭게 발전되는 전력이 아니므로 포함하지 않는 것이 적절할 수 있다.
소모전력을 산출하는 단계(S220)에서 소모전력은 COD 히터에서 소모하는 전력과 냉각수 펌프 및 라디에이터를 냉각하는 방열팬에서 소모하는 전력을 포함하여 산출할 수 있다.
일반적으로 COD 히터는 동작하는 경우 소모 전력이 P=VI=V^2/R 계산식에 의해 결정되고, 내부의 코일 저항은 하드웨어적으로 정해지는 것이므로 메인 버스단의 전압이 일정한 경우 소모 전력이 일정할 수 있다. 또한, 냉각수 펌프 및 방열팬은 최대한의 소모 전력을 위해 최대 회전속도(RPM)으로 구동될 수 있다.
Figure pat00001
표 1은 방열팬이 400[V]로 입력된 경우 회전속도별 소모전력을 나타낸 것이다. 표 1을 참조하면, 방열팬은 최대 1120[W]의 전력을 소모할 수도 있으나, 회전속도를 가변함에 따라 소모전력을 29[W]로 줄일 수 있다. 따라서, 방열팬의 회전속도를 제어함에 따라 방열팬에서 소모하는 전력을 약 1100[W]의 범위에서 제어할 수 있다.
Figure pat00002
표 2는 냉각수 펌프가 400[V]로 입력된 경우 회전속도별 소모전력을 나타낸 것이다. 표 2를 참조하면, 냉각수 펌프는 최대 180[W]의 전력을 소모할 수 있으나, 회전속도를 가변함에 따라 소모전력을 11[W]로 줄일 수 있다. 따라서, 냉각수 펌프의 회전속도를 제어함에 따라 소모 전력을 170[W]의 범위에서 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)는 산출된 소모전력과 발전전력의 크기를 비교하고(S300), 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도를 가변하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)에서 소모전력이 발전전력 이하인 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 증가하도록 제어하고(S410), 소모전력을 제어하는 단계에서(S410, S420, S510, S520) 소모전력이 발전전력을 초과한 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 감소하도록 제어(S420)할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우(S500, S600), COD 히터에 인가되는 전압을 가변하도록 제어(S510, S610)할 수 있다.
Figure pat00003
표 3은 COD 히터의 입력전압을 가변함에 따라 COD 히터가 소모하는 전력을 나타낸 것이다. 표 3을 참조하면, 입력전압이 400[V]인 경우에는 18.2[kW]의 전력을 소모하지만, 입력전압을 300[V]로 낮추면 10.2[kW]의 전력만을 소비한다. 따라서, COD 히터의 입력 전압을 가변하는 제어에 따라 소모 전력을 제어할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값이 되는 경우(S500), COD 히터에 인가되는 전압이 증가하도록 제어하고(S510), 소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최솟값이 되는 경우(S510), COD 히터에 인가되는 전압이 감소하도록 제어할 수 있다(S520).
즉, 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 최댓값 또는 최솟값이 되도록 제어하는 경우에는 더 이상 냉각수 펌프와 방열팬의 회전속도 제어에 의해 소모전력을 제어할 수 없으므로 COD 히터에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
COD 히터에 인가되는 전압은 구동 모터, 보기류 등의 다양한 연료전지 시스템과 연관되어 있으므로, 독립적으로 제어 가능한 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도부터 먼저 제어하고, 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 최댓값 또는 최솟값이 되도록 제어하게되면 COD 히터에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
여기서는 냉각수 펌프 또는 방열팬의 제어로 소모전력의 제어가 힘든 경우에만 COD 히터에 인가되는 전압을 제어하는 것으로 설명되었지만, 이들의 제어를 동시에 수행하거나, COD 히터에 인가되는 전압 제어를 먼저 수행할 수도 있다. COD 히터에 인가되는 전압은 조금씩만 변경하더라도 소모전력이 크게 제어되는 점에서 COD 히터에 인가되는 전압을 제어하는 것이 응답성 및 제어범위 등의 측면에서 더 유리할 수 있다.
소모전력을 제어하는 단계(S410, S420, S510, S520)에서 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 COD 히터에 인가되는 전압을 가변할 수 있다. COD 히터에 인가되는 전압은 메인버스단의 전압과 동일하거나, 메인버스단의 전압에 의해 가변될 수 있고, 메인버스단의 전압은 양방향 DC/DC컨버터(BHDC: Bidirectional High-voltage DC/DC Converter)을 제어함에 따라 가변될 수 있다.
이후, COD 히터의 작동을 OFF하는 조건인지 판단할 수 있다(S700). 강판주행이 끝나서 회생 제동이 충분하게 발생되지 않는 상황이 되거나, 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이하로 떨어지는 경우 등의 상황이 되면 COD 히터의 작동을 OFF시킬 수 있다. 이 경우에는 양방향 DC/DC컨버터의 전압을 Base 전압으로 제어하고, 방열팬 및 냉각수 펌프가 별도의 온도센서 등에 의한 온도제어에 따르는 Normal 모드로 제어할 수 있다(S800).
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전전력과 소모전력에 따른 제어맵을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도는 기저장된 맵에 의해 가변제어할 수 있고, 도 5를 참조하면, 소모전력을 제어하는 단계에서 COD 히터에 인가되는 전압은 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 기저장된 맵에 의해 가변제어할 수 있다.
발전전력과 소모전력이 동일한 경우(G=C)에는 현재 RPM 또는 Base 전압으로 유지할 수 있고, 발전전력이 소모전력보다 큰 경우(G>C)에는 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도를 증가하도록 제어하고, COD 히터에 인가되는 전압을 증가하도록 제어하여 소모전력이 증가하도록 제어할 수 있다.
반대로, 발전전력이 소모전력보다 작은 경우(G<C)에는 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도를 감소하도록 제어하고, COD 히터에 인가되는 전압을 감소하도록 제어하여 소모전력이 감소하도록 제어할 수 있다.
발전전력과 소모전력 사이의 차이가 클수록 RPM 또는 입력 전압을 크게 변화시켜 소모전력 증가 또는 감소가 크게 제어되도록 할 수 있다. 냉각수 펌프 및 방열팬의 안정성 또는 소음 문제 등을 고려하여 회전속도의 최댓값 또는 최솟값을 설정하고 그 범위에서 제어할 수 있고, 메인버스단에 연결된 다른 장치들의 안정성을 고려하여 COD 히터에 인가되는 전압 또한 최댓값 또는 최솟값을 설정하고 그 범위에서만 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 COD 제어시스템은 연료전지 스택에 연결된 메인버스단의 전력을 소모하는 COD 히터(60); 및 COD 히터(60)의 작동 여부를 판단하고, COD 히터(60)를 작동하는 경우 발전전력과 소모전력을 각각 산출하며, 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 제어부(10);를 포함할 수 있다.
회생제동 상태인지 여부를 판단하는 회생제동 판단부(20); 및 메인버스단에 연결되고, 충전 또는 방전을 통하여 전력을 저장하거나 공급하는 고전압 배터리(30);를 더 포함하고, 제어부(10)는 회생제동 판단부(20)에서 회생제동 중인 것으로 판단되고 고전압 배터리(30)에서 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우에 COD 히터(60)를 작동시킬 수 있다.
제어부(10) 및 회생제동 판단부(20)는 별도의 제어기일 수도 있고, 연료전지 제어기(FCU)에 포함될 수도 있다.
제어부(10)는 냉각수 펌프(50) 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬(40)의 회전속도를 가변하여 소모전력을 제어할 수 있다.
제어부(10)는 냉각수 펌프(50) 또는 방열팬(40)의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우, COD 히터(60)에 인가되는 전압을 가변하도록 제어할 수 있다.
제어부(10)는 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터(70)를 제어하여 COD 히터(60)에 인가되는 전압을 가변함으로써 소모전력을 제어할 수 있다.
따라서, 제어부(10)는 회생제동 판단부(20) 및 고전압 배터리(30)의 정보를 받아 COD 히터(60)의 작동 여부를 판단하여 COD 히터(60)를 작동시킬 수 있고, 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하기 위해 방열팬(40) 및 냉각수 펌프(50)의 회전속도를 가변 제어하거나, BHDC(70)를 제어하여 COD 히터(60)에 인가되는 전압을 가변하도록 제어할 수 있다.
이하 구체적인 설명은 연료전지용 COD 제어방법과 동일하여 생략한다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 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.
10 : 제어부 20 : 회생제동 판단부
30 : 고전압 배터리 40 : 방열팬
50 : 냉각수 펌프 60 : COD 히터
70 : 양방향 DC/DC컨버터(BHDC)

Claims (17)

  1. COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터의 작동 여부를 판단하는 단계;
    COD 히터를 작동하는 경우, 발전전력과 소모전력을 각각 산출하는 단계; 및
    산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지용 COD 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    작동 여부를 판단하는 단계 이전에, 고전압 배터리의 충전량을 확인하는 단계;를 더 포함하고,
    작동 여부를 판단하는 단계는 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    작동 여부를 판단하는 단계 이전에, 회생제동 중인지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    작동 여부를 판단하는 단계는 회생제동 중이고 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우, COD 히터를 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    산출하는 단계에서 발전전력은 회생제동에 의해 회수되는 전력을 포함하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    산출하는 단계에서 소모전력은 COD 히터에서 소모하는 전력과 냉각수 펌프 및 라디에이터를 냉각하는 방열팬에서 소모하는 전력을 포함하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계는 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도를 가변하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도는 기저장된 맵에 의해 가변제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 소모전력이 발전전력 이하인 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 증가하도록 제어하고,
    소모전력을 제어하는 단계에서 소모전력이 발전전력을 초과한 경우, 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도가 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압을 가변하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 COD 히터에 인가되는 전압은 산출된 소모전력과 발전전력의 차이를 기반으로 기저장된 맵에 의해 가변제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압이 증가하도록 제어하고,
    소모전력을 제어하는 단계에서 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압이 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    소모전력을 제어하는 단계에서 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 COD 히터에 인가되는 전압을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어방법.
  13. 연료전지 스택에 연결된 메인버스단의 전력을 소모하는 COD 히터; 및
    COD 히터의 작동 여부를 판단하고, COD 히터를 작동하는 경우 발전전력과 소모전력을 각각 산출하며, 산출한 발전전력과 소모전력을 비교하여 소모전력을 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지용 COD 제어시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    회생제동 상태인지 여부를 판단하는 회생제동 판단부; 및
    메인버스단에 연결되고, 충전 또는 방전을 통하여 전력을 저장하거나 공급하는 고전압 배터리;를 더 포함하고,
    제어부는 회생제동 판단부에서 회생제동 중인 것으로 판단되고 고전압 배터리에서 충전량이 기설정된 충전량 이상인 경우에 COD 히터를 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    제어부는 냉각수 펌프 또는 라디에이터를 냉각하는 방열팬의 회전속도를 가변하여 소모전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    제어부는 냉각수 펌프 또는 방열팬의 회전속도가 기설정된 최댓값 또는 최솟값이 되는 경우, COD 히터에 인가되는 전압을 가변하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어시스템.
  17. 청구항 13에 있어서,
    제어부는 연료전지 스택이 연결된 메인버스단의 양방향 DC/DC컨버터를 제어하여 COD 히터에 인가되는 전압을 가변함으로써 소모전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 COD 제어시스템.
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