KR20190108303A - 연료전지의 시동 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 시동 요청시, 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계; 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하는 단계; 및 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 연료전지의 시동 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 시동 제어방법 및 제어시스템{START UP CONTROL METHOD AND CONTORL SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 시동 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고전압 배터리의 가용전력에 따라 공기압축기의 회전속도 및 공기 압력 제어 밸브의 개도를 제어함으로써 연료전지의 시동을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
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.
연료전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 생성한다. 생성된 전기에너지는 연료전지 차량에서 자체적으로 모터를 구동하여 차량의 동력원으로 사용하거나 또는 외부 전력 공급망에 연결하여 전기에너지를 가정집 또는 사무실, 공장 등에 제공하는 발전기능에 사용될 수 있다.
일반적으로, 연료전지의 시동이 Off 상태에서 시동 요청이 발생하면, 시동 순서는 고전압 배터리 및 고전압 컨버터의 부스팅 직후 저전압 컨버터를 동작하여 저전압 배터리를 충전하도록 제어한다.
그러나 저전압 배터리의 충전량이 충분하지 않거나, 저전압 배터리에 연결된 전장부품의 부하가 큰 조건에서는 저전압 배터리를 충전하는 저전압 컨버터에서 최대한의 전력을 사용하게 된다.
고전압배터리 가용전력이 낮은 상황에 저전압 배터리의 충전 전력이 큰 경우, 연료전지 시동시 구동되는 부품들 중 가장 큰 전력을 필요로 하는 공기압축기를 구동할 전력이 부족하여 연료전지의 시동을 실패할 수 있는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 연료전지 시동시 고전압 배터리의 가용전력이 저전압 배터리의 충전전력과 공기압축기의 구동전력의 합보다 작은 경우에는 공기압축기의 구동을 먼저 제어하고, 이후에 저전압 배터리를 충전하도록 시동제어 순서를 변경하는 제어를 개발하였다.
다만, 이러한 제어방법에 따르더라도 고정된 목표 회전속도에 따른 공기압축기의 구동전력이 고전압 배터리의 가용전력보다 큰 경우에는 연료전지의 시동을 실패할 가능성이 있고, 저전압 컨버터의 동작 지연으로 인하여 저전압 배터리가 방전될 가능성이 있었다.
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 10-2017-0122366 A US 2016-0181636 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고전압 배터리의 가용전력에 따라 공기압축기의 회전속도를 가변제어하고, 이에 따른 공기 공급 부족량은 공기 압력 제어 밸브의 개도를 가변하여 보상함으로써 연료전지의 시동 실패를 최소화하는 연료전지의 시동 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 시동 제어방법은 연료전지의 시동 요청시, 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계; 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하는 단계; 및 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 단계;를 포함한다.
공기압축기의 구동을 제어하는 단계 이전에, 산출한 고전압 배터리의 가용전력과 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력을 비교하는 단계;를 더 포함하고, 비교하는 단계에서 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기의 구동전력보다 작은 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 목표 회전속도를 가변하여 공기압축기의 구동을 제어할 수 있다.
비교하는 단계에서 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기의 구동전력과 같거나 큰 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 제어할 수 있다.
고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계에서는, 연료전지의 시동 요청시의 고전압 배터리의 온도 및 충전량(SOC)을 기반으로 고전압 배터리의 가용전력을 산출할 수 있다.
공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동하되, 공기압축기의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기에 의해 결정할 수 있다.
공기압축기의 회전속도 상승률은 고전압 배터리의 가용전력의 크기가 증가함에 따라 증가하도록 결정할 수 있다.
공기압축기의 구동을 제어하는 단계는, 결정된 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 결정하고, 압력제어밸브를 결정된 개도로 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
압력제어밸브의 개도는 공기압축기의 회전속도 상승률이 증가함에 따라 감소하도록 결정할 수 있다.
저전압 배터리를 충전하는 단계에서는, 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터를 제어하여 저전압 배터리를 충전할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 시동 제어시스템은 연료전지; 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기; 전장부품들에 전력을 공급하는 저전압 배터리; 공기압축기 또는 저전압 배터리로 저장된 전력을 공급하는 고전압 배터리; 및 연료전지의 시동 요청시 고전압 배터리의 가용전력을 산출하고, 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하며, 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 제어기;를 포함한다.
제어기는 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동하되, 공기압축기의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기에 의해 결정할 수 있다.
연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브;를 더 포함하고, 제어기는 결정된 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 결정하고, 압력제어밸브를 결정된 개도로 제어할 수 있다.
고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터;를 더 포함하고, 제어기는 저전압 컨버터를 제어하여 고전압 배터리의 전력으로 저전압 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 시동 제어방법에 따르면, 공기압축기의 목표 회전속도를 가변하여 연료전지의 시동 실패를 최소화하는 효과를 갖는다.
또한, 공기압축기의 회전속도의 저하를 보상하기 위하여 공기 압력 제어 밸브의 개도를 제어함으로써 연료전지 시동시 필요한 공기 유량을 확보하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 시동 시간의 지연을 방지하여 저전압 배터리가 방전되는 상황을 예방할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 시동 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 시동 제어시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 고전압 배터리의 가용전력과 공기압축기의 회전속도 상승률 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 시간에 따른 공기 압축기의 목표 회전속도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 공기압축기의 회전속도 상승률과 공기 압력 제어 밸브의 개도 사이의 관계를 도시한 것이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 시동 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 시동 제어방법은 연료전지의 시동 요청시, 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계(S100); 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S600, S700); 및 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 단계(S900);를 포함한다.
고전압 배터리의 가용전력이 충분한 경우, 정상 시동시퀀스로 진입(S310)하여 저전압 배터리를 먼저 충전하고(S320) 공기압축기를 구동(S330)하여 연료전지의 시동을 완료한다. 또는, 저전압 배터리의 충전과 동시에 공기압축기를 구동할 수도 있다.
다만, 본 발명의 연료전지의 시동 제어방법은 고전압 배터리의 가용전력이 충분하지 않은 문제로 정상적인 시동제어가 불가능하여 공기압축기를 먼저 구동하고, 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후 연료전지의 시동 저전압 배터리를 충전한다.
이에 따라, 고전압 배터리의 가용전력이 부족하여 정상적인 연료전지 시동 제어가 불가능하더라도 연료전지 시동에 실패하지 않는 상황을 최소화하는 효과를 갖는다.
연료전지의 시동 요청은 시동 Off 상태의 연료전지 시스템을 시동 On 하기 위한 사용자의 요청일 수 있다. 즉, 연료전지의 전력 발전을 위한 요청일 수 있다. 특히, 연료전지 차량의 경우, 운전자에 의한 차량의 시동 On 요청일 수 있다. 또는, 차량의 시동 On 상태에서 연료전지의 발전만 Off된 상태인 FC Stop 모드 상태에서 연료전지의 발전을 재개하는 제어기 자체의 요청일 수도 있다.
고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계(S100)에서는, 현재 고전압 배터리에서 방전 가능한 전력을 산출할 수 있다. 구체적으로, 고전압 배터리의 가용전력은 온도와 충전량(SOC: State of Charge)의 영향을 받는다. 특히, 동일한 충전량을 갖더라도 저온 상태에서의 가용전력은 현저하게 낮아진다.
따라서, 연료전지의 시동 요청시의 고전압 배터리의 온도 및 충전량(SOC)을 기반으로 고전압 배터리의 가용전력을 산출할 수 있다. 구체적으로, 온도와 충전량에 따라 가변되는 가용전력의 크기를 미리 맵으로 저장하고, 온도와 충전량에 따른 가용전력의 크기를 산출할 수 있다.
가장 먼저, 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계(S100) 이후에, 고전압 배터리의 가용전력을 저전압 배터리의 충전전력과 공기압축기의 구동전력의 합과 비교할 수 있다(S200). 고전압 배터리의 가용전력이 저전압 배터리의 충전전력과 공기압축기의 구동전력의 합 이상인 경우에는 정상적인 시동 순서로 제어할 수 있다(S310). 저전압 배터리를 먼저 충전하고(S320), 공기 압축기를 구동하는(S330) 순서로 시동을 완료할 수 있다.
다만, 본 발명의 연료전지의 시동 제어방법은 고전압 배터리의 가용전력이 저전압 배터리의 충전전력과 공기압축기의 구동전력의 합보다 작은 경우에 시동 순서를 변경하는 것(S400)을 전제로 한다. 구체적으로, 공기압축기를 먼저 구동하고(S600, S700), 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후 연료전지의 시동 저전압 배터리를 충전(S900)하는 순서로 제어한다.
공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S600, S700) 이전에, 산출한 고전압 배터리의 가용전력과 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력을 비교하는 단계(S500);를 더 포함할 수 있다.
고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력보다도 작은 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 목표 회전속도를 가변하여 공기압축기의 구동을 제어할 수 있다.
일반적으로, 연료전지 시동시 공기압축기는 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동 제어할 수 있다(S600). 그러나 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력보다도 작은 경우에는 공기압축기를 제어하는 목표 회전속도를 가변하여 공기압축기의 구동전력을 감소시키는 것이다(S700).
비교하는 단계(S500)에서 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기의 구동전력과 같거나 큰 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S600)에서는, 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 제어할 수 있다. 기설정된 고정 목표 회전속도는 시동 시간이 지연되어 저전압 배터리가 방전되지 않는 시간 이내에 연료전지에서 전력을 발전할 수 있도록 충분한 공기를 연료전지에 공급할 수 있는 회전속도로 정해질 수 있다.
이에 따라, 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력보다도 작은 경우에도 연료전지의 시동을 실패하지 않고 정상적으로 연료전지의 시동을 완료할 수 있는 효과를 갖는다.
도 3은 본 발명의 고전압 배터리의 가용전력과 공기압축기의 회전속도 상승률 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3를 더 참조하면, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S700)에서는, 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동하되, 공기압축기의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기에 의해 결정할 수 있다.
공기압축기의 회전속도 상승률은 고전압 배터리의 가용전력의 크기가 증가함에 따라 증가하도록 결정할 수 있다.
구체적으로, 도시한 것과 같이, 고전압 배터리의 가용전력이 A1과 A2 사이인 구간에서는 고전압 배터리의 가용전력의 크기가 증가함에 따라 공기압축기의 회전속도 상승률이 증가하는 정비례 관계를 갖도록 공기압축기의 회전속도 상승률을 결정할 수 있다.
고전압 배터리의 가용전력이 A2 이상인 경우에는 공기압축기의 회전속도 상승률을 R2로 결정할 수 있고, 고전압 배터리의 가용전력이 A1 이하인 경우에는 공기압축기의 회전속도 상승률을 R1으로 결정할 수 있다.
따라서, 고전압 배터리의 가용전력을 기반으로 공기압축기 회전속도 상승률을 가변함으로써 공기압축기의 소모전력을 최적화하여 연료전지의 시동 불가 상황을 최소화하는 효과를 갖는다.
도 4는 본 발명의 시간에 따른 공기 압축기의 목표 회전속도를 도시한 그래프이다.
도 4를 더 참조하면, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S700)에서는, 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동할 수 있다.
공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 공기압축기의 목표 회전속도는 도 3에 도시한 것과 같을 수 있다. 공기압축기를 목표 회전속도를 추종하도록 제어하되, 공기압축기의 목표 회전속도는 기설정된 최종 목표 회전속도까지 증가하도록 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변될 수 있다.
공기압축기의 목표 회전속도가 기설정된 최종 목표 회전속도에 수렴하면 공기압축기의 목표 회전속도를 고정된 최종 목표 회전속도로 제어할 수 있다.
구체적으로, 고전압 배터리의 가용전력이 A1 이하로 공기압축기의 회전속도 상승률이 R1으로 결정된 경우에는 공기압축기의 목표 회전속도는 상대적으로 작은 기울기를 가지면서 증가할 수 있다. 고전압 배터리의 가용전력이 A2 이상으로 공기압축기의 회전속도 상승률이 R2로 결정된 경우에는 공기압축기의 목표 회전속도는 상대적을 큰 기울기를 가지면서 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 공기압축기의 회전속도 상승률과 공기 압력 제어 밸브의 개도 사이의 관계를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계(S700)는, 결정된 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 결정하고, 압력제어밸브를 결정된 개도로 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
압력제어밸브의 개도는 공기압축기의 회전속도 상승률이 증가함에 따라 감소하도록 결정할 수 있다.
공기압축기의 목표 회전속도를 가변함에 따라 공기압축기가 연료전지로 공급하는 공기의 유량이 감소될 수 있으므로, 충분한 공기 유량을 확보하기 위하여 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 제어할 수 있다.
도 5에 도시한 것과 같이, 공기압축기의 회전속도 상승률이 증가함에 따라 압력제어밸브의 개도는 감소할 수 있다. 공기압축기의 회전속도 상승률이 R1과 R2 사이 구간에서는 압력제어밸브의 개도가 공기압축기의 회전속도 상승률과 반비례 관계를 가질 수 있다.
또한, 고전압 배터리의 가용전력이 A1 이하로 공기압축기의 회전속도 상승률이 R1으로 결정된 경우에는 압력제어밸브의 개도는 D2로 결정하고, 고전압 배터리의 가용전력이 A2 이상으로 공기압축기의 회전속도 상승률이 R2로 결정된 경우에는 압력제어밸브의 개도는 D1으로 결정할 수 있다.
이에 따라, 공기압축기의 회전속도 가변에 따른 연료전지로 공급하는 공기 유량의 감소를 압력제어밸브의 개도를 가변함으로써 보상할 수 있는 효과를 갖는다. 따라서, 연료전지의 시동 시간의 증가를 방지할 수 있게 되어 최소한의 저전압 컨버터의 동작 지연을 통해 저전압 배터리 방전을 방지할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 종래의 시동이 불가능한 상황에서도 연료전지 및 전장부품들의 성능 저하 없이 연료전지의 시동을 가능하게 하는 효과를 갖는다.
저전압 배터리를 충전하는 단계(S900)에서는, 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전할 수 있다. 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터(LDC)를 제어하여 저전압 배터리를 충전할 수 있다.
공기압축기의 구동 제어는 공기압축기의 회전속도가 기설정된 최종 목표 회전속도가 되면 완료된 것으로 판단할 수 있다. 또는, 연료전지에 공급되는 공기 공급 유량이 기설정된 기준값 이상이 되면 공기압축기의 구동 제어를 완료한 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예로는, 공기압축기가 연료전지로 공기를 공급함에 따라 연료전지에서는 전력 발전이 시작될 수 있다. 따라서, 연료전지에서 출력하는 전력이 발생하거나 기설정된 전력값 이상이 되는 시점에 공기압축기의 구동 제어를 완료한 것으로 판단할 수 있다.
공기압축기의 구동 제어를 완료한 후에는 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터의 동작을 허용하여 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하도록 제어할 수 있다(S900). 연료전지에서 출력하는 전력이 발생한 경우에는 연료전지의 출력 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 시동 제어시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 연료전지(10); 연료전지(10)에 공기를 공급하는 공기압축기(20); 전장부품들에 전력을 공급하는 저전압 배터리(40); 공기압축기(20) 또는 저전압 배터리(40)로 저장된 전력을 공급하는 고전압 배터리(30); 및 연료전지(10)의 시동 요청시 고전압 배터리(30)의 가용전력을 산출하고, 산출한 고전압 배터리(30)의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기(20)의 구동을 제어하며, 공기압축기(20)의 구동 제어를 완료한 후 고전압 배터리(30)의 전력을 이용하여 저전압 배터리(40)를 충전하는 제어기(70);를 포함한다.
연료전지(10)는 공급받은 수소와 산소를 이용하여 화학 반응을 통해 전력을 발전할 수 있다. 연료전지(10)는 메인버스단을 통하여 인버터 및 모터와 연결될 수 있다. 메인버스단에는 고전압 배터리(30)가 연결될 수 있고, 고전압 배터리(30)와 메인버스단 사이에는 양방향 컨버터(BHDC: Bidirectional High-voltage DC/DC Converter)가 마련될 수 있다. 제어기(70)는 양방향 컨버터를 제어하여, 연료전지(10)의 발전 전력을 고전압 배터리(30)로 충전하거나, 고전압 배터리(30)를 방전시켜 메인버스단으로 공급할 수 있다.
전장부품은 정격전압에 따라 공기압축기(20)와 같이 고전압이 필요한 부품은 고전압 배터리(30)에 연결될 수 있다. 또는, 일부 전장부품은 저전압 배터리(40)에 연결될 수 있다. 저전압 배터리(40)는 고전압 배터리(30)에 직접적으로 연결되거나, 메인버스단을 통하여 고전압 배터리(30)에 연결될 수 있다. 저전압 배터리(40)와 고전압 배터리(30) 사이 또는 저전압 배터리(40)와 메인버스단 사이에 저전압 컨버터(50)(LDC)가 마련될 수 있다. 제어기(70)는 저전압 컨버터(50)를 제어하여 저전압 배터리(40)에 전력을 공급하여 저전압 배터리(40)를 충전할 수 있다.
연료전지(10) 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급라인과 연료전지(10) 스택을 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출라인(60)이 형성될 수 있다. 공기 공급라인에는 공기를 연료전지(10) 스택으로 공급하는 공기압축기(20)가 형성될 수 있고, 공기 배출라인(60)에는 압력제어밸브(61)(APC: Air Pressure Control valve)가 형성될 수 있다. 압력제어밸브(61)는 개도의 조절을 통하여 공기 공급라인, 연료전지(10) 스택 내부 및 공기 배출라인(60)의 공기 압력을 조절할 수 있다.
제어기(70)는 연료전지 시스템에 포함된 제어기로, 연료전지 제어기(FCU)의 일부이거나, 별도로 분리되어 연료전지의 시동을 제어하는 제어기일 수 있다.
제어기(70)는 공기압축기(20)의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기(20)를 구동하되, 공기압축기(20)의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리(30)의 가용전력의 크기에 의해 결정할 수 있다.
연료전지(10)의 공기 배출라인(60)에 형성된 압력제어밸브(61);를 더 포함하고, 제어기(70)는 결정된 공기압축기(20)의 회전속도 상승률에 따라 연료전지(10)의 공기 배출라인(60)에 형성된 압력제어밸브(61)의 개도를 결정하고, 압력제어밸브(61)를 결정된 개도로 제어할 수 있다.
고전압 배터리(30)와 저전압 배터리(40) 사이에 마련된 저전압 컨버터(50);를 더 포함하고, 제어기(70)는 저전압 컨버터(50)를 제어하여 고전압 배터리(30)의 전력으로 저전압 배터리(40)를 충전할 수 있다.
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 : 연료전지 20 : 공기압축기
30 : 고전압 배터리 40 : 저전압 배터리
50 : 저전압 컨버터(LDC) 60 : 공기 배출라인
61 : 압력제어밸브(APC) 70 : 제어기

Claims (13)

  1. 연료전지의 시동 요청시, 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계;
    산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하는 단계; 및
    공기압축기의 구동 제어를 완료한 후, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 연료전지의 시동 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기압축기의 구동을 제어하는 단계 이전에, 산출한 고전압 배터리의 가용전력과 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 구동시 요구되는 구동전력을 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    비교하는 단계에서 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기의 구동전력보다 작은 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 목표 회전속도를 가변하여 공기압축기의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    비교하는 단계에서 고전압 배터리의 가용전력이 공기압축기의 구동전력과 같거나 큰 경우, 공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 공기압축기를 기설정된 고정 목표 회전속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 단계에서는, 연료전지의 시동 요청시의 고전압 배터리의 온도 및 충전량(SOC)을 기반으로 고전압 배터리의 가용전력을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    공기압축기의 구동을 제어하는 단계에서는, 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동하되, 공기압축기의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    공기압축기의 회전속도 상승률은 고전압 배터리의 가용전력의 크기가 증가함에 따라 증가하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    공기압축기의 구동을 제어하는 단계는, 결정된 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 결정하고, 압력제어밸브를 결정된 개도로 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    압력제어밸브의 개도는 공기압축기의 회전속도 상승률이 증가함에 따라 감소하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    저전압 배터리를 충전하는 단계에서는, 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터를 제어하여 저전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어방법.
  10. 연료전지;
    연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기;
    전장부품들에 전력을 공급하는 저전압 배터리;
    공기압축기 또는 저전압 배터리로 저장된 전력을 공급하는 고전압 배터리; 및
    연료전지의 시동 요청시 고전압 배터리의 가용전력을 산출하고, 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기를 기반으로 공기압축기의 구동을 제어하며, 공기압축기의 구동 제어를 완료한 후 고전압 배터리의 전력을 이용하여 저전압 배터리를 충전하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 시동 제어시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제어기는 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 가변되는 목표 회전속도로 공기압축기를 구동하되, 공기압축기의 회전속도 상승률은 산출한 고전압 배터리의 가용전력의 크기에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브;를 더 포함하고,
    제어기는 결정된 공기압축기의 회전속도 상승률에 따라 연료전지의 공기 배출라인에 형성된 압력제어밸브의 개도를 결정하고, 압력제어밸브를 결정된 개도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어시스템.
  13. 청구항 10에 있어서,
    고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 마련된 저전압 컨버터;를 더 포함하고,
    제어기는 저전압 컨버터를 제어하여 고전압 배터리의 전력으로 저전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 시동 제어시스템.
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