KR20200003850A - 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료 전지 시스템(22) 및 상기 연료 전지 시스템(22)의 하나 이상의 서브 시스템(30)을 작동시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이들은 차량(10) 내에 배치되며, 이 경우 차량(10)의 구동 트레인(12)을 위한 에너지는 연료 전지 시스템(22)뿐만 아니라 선택적 에너지 저장기(26)로부터도 끌어올 수 있다. 이 방법은 다음과 같은 공정 단계들을 포함한다: 먼저, 차량(10)의 셧다운 및/또는 정지 단계의 수 및 지속시간이 제1 차량 상태(86) 또는 제2 차량 상태(88)에서 차량 상태 특유의 학습 기능(90, 112)을 토대로 정의된 시간 간격으로 결정된다. 이어서, 차량(10)의 셧다운 및/또는 정지 단계의 결정된 수 및 지속시간에 따라, 연료 전지 시스템(22) 및 상기 연료 전지 시스템(22)의 하나 이상의 서브 시스템(30)의 작동 파라미터의 조정이 수행된다.

Description

연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 시스템
본 발명은, 차량 내에 배치된 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 차량의 구동 트레인을 위한 에너지는 연료 전지 시스템뿐만 아니라 선택적 에너지 저장기로부터도 끌어올 수 있다.
(FCS: fuel cell system이라고도 지칭되는) 연료 전지 시스템을 구비한 구동 시스템을 갖춘 차량에서는, 차량 셧다운 시 연료 전지 시스템의 스위치 오프 절차가 수행된다.
차량의 구동 트레인을 위한 에너지를 연료 전지 시스템뿐만 아니라 선택적 에너지 저장기로부터도 끌어올 수 있는, 차량 내에 배치된 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에서는, 제1 차량 상태에서 또는 제2 차량 상태에서 상태 특유의 학습 기능을 토대로 차량의 셧다운 및/또는 정지 단계의 수와 지속시간의 결정이 정의된 시간 간격으로 수행된다. 그에 이어서, 앞서 결정된, 차량의 셧다운 및/또는 정지 단계의 수 및 지속시간에 따라, 연료 전지 시스템 및 이 연료 전지 시스템의 하나 이상의 서브 시스템의 작동 파라미터의 조정이 실시되고, 마지막으로 선택적 에너지 저장기의 충전 상태(SOC)의 조정이 선택적으로 실시된다. 본 발명에 따라 제안된 해결책을 통해, 과거의 주행 목적지뿐만 아니라 미래의 주행 목적지와도 관련이 있는 차량의 작동 모드를 고려할 수 있는 가능성이 존재한다. 이를 위해, 연료 전지 시스템의 스위치 오프 및 서브 시스템인 공기 이송부의 스위치 오프를 지연시키는, 다시 말해 이들 시스템의 오버런(overrun)을 가능하게 하는 학습 기능이 구현된다. 부하 없이, 즉, 압력 제어 플랩이 완전히 개방된 상태에서 거의 무압력으로 이루어지는 상기 시스템의 추가 활성화에 의한 서브 시스템 공기 이송부의 오버런의 추가 지연이 가능하며, 이 경우 최소 공기 질량 흐름은 바이패스 플랩의 완전한 개방에 의해 실현되고, 최소 공기 질량 흐름은 연료 전지 스택 자체를 통과해서 안내되는 것이 아니라 연료 전지 스택 자체를 우회하게 된다. 선택적으로, 내비게이션 시스템을 통해 현재 주행 루트의 특수성이 고려될 수 있으며, 나아가 주변 온도 및 또 다른 작동 파라미터가 고려될 수 있다.
차량은 하이브리드 에너지원을 구비하며, 이는 차량의 전기 구동을 위한 에너지와 관련이 있다. 전기 구동을 위한 에너지는 연료 전지 시스템으로부터도 그리고 선택적 에너지 저장기로부터도 유래할 수 있다. 전기 구동 장치는 예를 들어 전기 기계, 파워 전자 장치 및 트랜스미션을 구비한 전기 구동 장치(powertrain)를 포함한다. 차량은 바람직하게 연료 전지 시스템을 갖는 (EV: electric vehicle이라고도 지칭되는) 전기 차량이다. 그 대안으로, 차량은 하이브리드 차량 또는 연료 전지 시스템을 구비한 플러그인 하이브리드 차량일 수도 있다. 단일 축의 구동 장치에 추가로 또 하나의 다른 구동 장치, 예컨대 전체 휠을 위한 2축 구동 장치가 설치될 수도 있다. 특히, 예를 들어 전기 기계, 파워 전자 장치 및 트랜스미션을 갖는 각각 하나의 전기 구동 장치가 하나의 축 상에 제공될 수 있다. 2개의 전기 구동 장치 모두 연료 전지 시스템 및 선택적 에너지 저장기와 결합될 수 있다. 또 다른 조합도 있을 수 있으며, 이와 같은 조합의 결과로 예컨대 전기 기계는 배터리로부터 전력을 공급받고 배터리로 회수한다. 또한, 여기서는 예를 들어 휠 허브 구동 장치와 같은 또 다른 변형예들도 가능하다.
차량의 선택적 에너지 저장기는 예를 들어 견인 배터리일 수 있거나 에너지 변환기를 갖는 또 다른 에너지 저장기일 수도 있다. 본 개시문에서, "배터리"라는 용어는 언어의 용법에서 일반화되어 있듯이 축전지로도 이해될 수 있다. 이하에서, "배터리"와 "전기 에너지 저장기"라는 용어는 편의상 거의 동의어로 사용된다. 바람직하게, 선택적 에너지 저장기는 견인 배터리 또는 (Supercap 또는 SC: supercapacitor라고도 지칭되는) 슈퍼 커패시터를 포함한다. 이 경우, 선택적 에너지 저장기는 차량 내에서 제동 에너지의 회수를 위해서도 사용될 수 있다.
연료 전지 시스템은, 전기 화학 에너지 변환기를 갖는 에너지 저장기, 예컨대 H2 탱크를 포함한다. (H2 탱크 없이) 전기 화학 에너지 변환기 단독으로도 연료 전지 시스템이라고 지칭될 수 있다. 연료 전지 시스템은 전형적으로, 공급된 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바니 전지를 포함한다. 연료 전지 시스템은 예를 들어 수소/산소 연료 전지 시스템일 수 있지만, 에탄올, 메탄올 또는 여타의 탄화수소에 기반할 수도 있다. 특히, 연료 전지 시스템은 PEMFC 멤브레인(Proton Exchange Membrane) 기술 또는 고체 산화물 연료 전지(SOFC: solid oxide fuel cell)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 예를 들어 스위치 오프 절차가 연료 전지 시스템의 캐소드 경로의 건조 단계를 포함하는 연료 전지 시스템에서 사용될 수 있다. 이 경우, 특히 스택을 갖는 캐소드 경로는, 캐소드 경로 내에 그리고 센서 장치 내에 남아 있는 물 또는 수증기의 동결을 피하기 위해, 공기 이송 유닛에 의해 송풍 건조된다.
연료 전지 시스템의 스위치 오프 절차는 예를 들어 다음과 같은 단계들을 포함하며, 이때 아래에 열거된 서브 시스템들이 스위치 오프되고, 유형 및 방식 그리고 시간 순서는 연료 전지 시스템의 개별 토폴로지에 좌우된다:
- 공기 시스템: 공기 이송 유닛에 의한 캐소드 경로의 선택적 제습/건조 이후: 공기 공급이 중단됨, 그 다음에는 수 분 및 수 초 이내에 잔류 용적 내에서 산소가 소산됨
- H2 공급 장치(예컨대 밸브)의 스위치 오프, H2 공급 유닛의 펌핑, 그에 따라 애노드 경로도 마찬가지로 차단됨
- 온도에 따라 냉각 시스템이 차단되며, 이 경우 냉각 시스템이 공기 제어부 및 H2 제어부에 결합될 수 있지만 필수적인 것은 아님
- 전기 시스템이 스위치 오프됨
특히, 상기 방법은 고도로 자동화된 또는 완전 자동화된 차량에서, 예컨대 자율 주행 시 사용될 수 있다. 상응하는 모니터링 기능은 충분한 정확도 및 신뢰도로 계속 능동적으로 수행된다. 이 경우, 상기 방법은 소프트웨어 파라미터에 의해 개별 시스템 설계 및 구성 요소 설계에 유연하게 매칭된다. 특히, 배터리의 크기 또는 하이브리드화 정도가 방법의 설정/적용 시 고려되거나, 이 방법에 의해 자동으로 구성 요소(예컨대 배터리 크기)에 매칭된다. 모니터링은 바람직하게 차량 제어 장치에서 전형적인 타임 프레임 내에서 수행된다. 이 경우, 높은 샘플링 속도가 반드시 필요하진 않으므로, 컴퓨팅 성능에 중대한 영향을 미치지 않으며, 상응하는 제어 장치에 대해 특별한 요건이 제기될 필요도 없다.
또한, 본 발명에 따라, 차량 내에 배치되고 선택적 에너지 저장기와 연결되어 있는 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 시스템이 제안되며, 이 경우 차량의 구동 트레인을 위한 에너지는 연료 전지 시스템과 선택적 에너지 저장기로부터 동시에 끌어올 수 있거나, 상기 에너지원들 중 하나로부터만 끌어올 수 있다. 이 시스템이 전술된 방법들 중 하나를 수행하도록 형성 또는 설계됨에 따라, 상기 방법을 참조하여 기술한 특징들은 상응하게 시스템에 대해서도 개시된 것으로서 간주되어야 하고, 그 반대의 경우도 마찬가지다.
바람직하게 본원 시스템은, 특정 주행 목적지 및 이 주행 목적지까지의 잔여 경로를 알려주는 내비게이션 시스템과 연결되어 있다.
모듈은 컴퓨터로 구현된 장치로서 형성될 수 있고, 바람직하게는 소프트웨어 구성 요소를 포함한다. 필요한 컴퓨터 코드는 임의의 데이터 매체에서 사용될 수 있고, 상기 방법의 구현을 위해 중대한 기여를 한다.
본 발명에 따르면, 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍 가능한 컴퓨터 장치에서 실행될 때 본원에 기술된 방법들 중 하나가 수행되게 하는 컴퓨터 프로그램도 제안된다. 이 컴퓨터 프로그램은, 전술한 시스템들 또는 서브 시스템들 중 하나가 전술한 방법들 중 하나의 상응하는 단계들을 실행하도록 하는 명령을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 예를 들어, 차량의 연료 전지 시스템 및/또는 배터리 관리 시스템을 위한 제어 시스템을 구현하기 위한 모듈일 수 있다. 본 발명은, 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 컴퓨터 판독 가능 매체도 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 예를 들어 영구적인 또는 재기록 가능한 저장 매체, CD-ROM, DVD, 블루레이 디스크 또는 USB 스틱에 저장될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 컴퓨터 프로그램은 예컨대 인터넷과 같은 데이터 네트워크 또는 예컨대 전화선 또는 무선 연결과 같은 통신 연결을 통한 다운로드를 위한 서버 또는 클라우드 컴퓨팅 시스템과 같은 컴퓨터 장치에 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라, 연료 전지 시스템 및 선택적 에너지 저장기를 구비한 차량이 제안되며, 이 경우 차량의 구동을 위한 에너지는 연료 전지 시스템과 선택적 에너지 저장기로부터 동시에 끌어오거나, 상기 두 에너지원 중 하나로부터만 끌어온다. 차량은 또한 선택적으로 내비게이션 시스템을 구비하거나 그와 연결되어 있음으로써, 특정 주행 목적지 및 주행 목적지까지의 잔여 경로가 안내된다. 한 바람직한 실시예에 따르면, 선택적 에너지 저장기는 하나 또는 복수의 견인 배터리 및/또는 슈퍼 커패시터를 포함한다.
본 발명에 따라 제안된 해결책에 의해, 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 서브 시스템을 갖는 차량의 스타트/스톱 과정의 수가 뚜렷하게 감소될 수 있다. 이로부터 도출되는 장점은, 다른 무엇보다 연료 전지 시스템 내 액추에이터에 대해 설정되는 그리고 특별히 서브 시스템인 공기 이송부 내의 액추에이터에 대해서도 설정되는 부하 프로파일이 최소화될 수 있다는 데 있다. 이로 인해 다시, 사용된 부품들의 마모 및 노후화 그리고 유지 보수 주기가 개선될 수 있다. 구성 요소의 고장 확률이 감소하고, 이로 인해 연료 전지 시스템 및 이 연료 전지 시스템의 서브 시스템인 공기 이송부의 더욱 견고한 작동이 달성될 수 있다. 이와 같은 시스템들 내부에 설치되는 액추에이터의 설계 시, 부하 프로파일의 하강이 사용될 수 있음으로써, 구성 요소들은 더욱 저렴하게 설계될 수 있다.
특히, 서브 시스템인 공기 이송부는 본 발명에 따라 제안된 해결책에서 시동 과정 및 정지 과정의 최소화에 의해 기계적으로 뚜렷하게 부하 경감된다. 서브 시스템인 공기 이송부는 발생하는 높은 회전수로 인해 가스 베어링을 구비하며, 이제 본 발명에 따라 제안된 방법의 구현 시 상기 가스 베어링에 대해 제기되는 요건이 현저히 감소할 수 있다. 이와 같은 시스템에서 스타트/스톱 과정은 매우 임계적인 작동점인데, 그 이유는 한계 회전수 미만의 가스 베어링에서는 샤프트를 무접촉 방식으로 센터링하기에 기체 정역학적 압력 쿠션이 더 이상 충분하지 않음으로써, 재료 마찰이 발생할 수 있고, 이는 마모에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 따라 제안된 해결책에서는, 발생하는 스타트/스톱 과정의 최소화를 통해 상기와 같은 임계적인 마모에 특히 유리한 영향이 미칠 수 있고, 가스 베어링의 사용이 우선적으로 가능해질 수 있다. 다른 타입의 축적부에서도 스타트/스톱 과정의 감소는 장점이 된다.
연료 전지 시스템 및 서브 시스템인 공기 이송부 내에 설치된 액추에이터의 구동 감소로 인해서는 소음 방출 감소 또는 소음 방출의 균일화 및 이로 인해 덜 방해되는 인지력도 달성될 수 있다. 더 나아가, 주행 주기의 전처리 및 후처리를 위한 시스템 작업도 덜 필요하며, 이로 인해 구현되는 기능이 더 적어짐으로써 에러 가능성이 현격하게 줄어든다.
본 발명에 따라 제안된 방법은, 차량에 의해 자율적으로 제어될 수 있으며, 예를 들어 차량 간 인프라 구조 또는 클라우드 링크 등으로의 연결을 필요로 하지 않는다. 특히 내비게이션 시스템과의 네트워킹을 통해, 본 발명에 따라 제안된 방법이 스타트/스톱 과정의 최소화를 위해 최적화될 수 있다. 제어에 필요한 데이터는 차량의 제어 장치 내에서, 다시 말해 직접 차량 내에서, 또는 차량 외부의 네트워킹된 시스템에서도 저장/처리될 수 있는데, 대개는 클라우드 접속만 고려된다.
본 발명에 따라 제안된 해결책을 통해, 요건의 감소, 다시 말해 스타트/스톱 과정의 수의 감소를 통해 가스 베어링의 사용이 우선적으로 가능해지는데, 이는 고속 압축기 또는 고속 유동 기계의 지나치게 많은 스타트/스톱 과정의 요구는 실현을 위한 배제 기준(criterion for exclusion)이 될 수 있기 때문이다. 더 나아가, 본 발명에 따른 해결책은, 소음 방출의 균일화 및 이로 인해 덜 방해받는 인지력도 가능하게 한다.
도면들을 토대로 이하에서 본 발명에 따른 방법 및 시스템을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 구비한 차량의 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 개략도이다.
도 1에 따른 도해에는, 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)를 갖는 연료 전지 시스템(22)의 단 하나의 가능한 토폴로지가 본원 방법을 설명하기 위한 예로서 도시되어 있다. 여기서 확실히 주지할 점은, 도 1에 도시된 차량 토폴로지 외에, 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)를 갖는 연료 전지 시스템(22)의 다른 많은 실시 가능성이 실현될 수 있다는 것이다.
도 1은, 연료 전지 시스템(22) 및 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)가 장착된 차량(10)을 보여준다. 연료 전지 시스템(22) 및 선택적 에너지 저장 기(26)는 각각 차량(10)의 구동 트레인(12)을 위해 전체 에너지 또는 그 에너지의 일부를 제공할 수 있다. 더 나아가, 선택적 에너지 저장기(26)는 전형적으로 에너지를 회수할 수도 있다. 일 축(18)의 구동 트레인(12)에 추가로, 도면에 도시되어 있지 않은 차량(10)의 또 다른 차축을 위한 또 다른 구동 트레인(12)이 더 설치될 수 있다.
연료 전지 시스템(22)은 제어 장치(80)와 연결되어 있으며, 이 경우 제어 장치에는 공지된 모니터링 기능 및 진단 기능이 구비되고, 특히 상기 제어 장치는 차량(10)의 구동 트레인(12)에 연료 전지 시스템(22)을 접속시키거나 접속 해제하도록 설계되며, 이 경우 제어 장치(80)는 연료 전지 시스템(22)의 스위치 오프 절차도 트리거하고 수행할 수 있다. 제어 장치(80) 내에는, 제1 학습 기능(90)을 수행하기 위한 제1 모듈(82) 및 제2 학습 기능(112)을 수행하기 위한 또 다른 제2 모듈(84)이 구현된다(도 2 참조).
하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26), 예컨대 견인 배터리 또는 슈퍼 커패시터는 또 다른 제어 장치와 연결되며, 이 경우 또 다른 제어 장치에는 공지된 모니터링 기능 및 진단 기능이 구비되고, 나아가 상기 또 다른 제어 장치는 차량(10)의 구동 트레인(12)에 선택적 에너지 저장기(26)를 접속시키거나 접속 해제하도록 설계된다. 이 추가 제어 장치는 배터리 관리 시스템으로서도 형성 및 지칭될 수 있다. 원칙적으로는, 추가 제어 장치를 절약하고, 제어 장치(80) 내의 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)를 위해 제어, 모니터링 및 진단 기능을 제공하는 것도 고려될 수 있다.
도 1에서는, 차량(10)의 구동 트레인(12)이 하나 이상의 전기 기계(16)를 갖는 트랜스미션(14)을 포함함을 알 수 있다. 전기 기계(16)는 피동 축(18)을 위한 구동부이다. 하나 이상의 전기 기계(16)에는 인버터(20)가 할당되어 있으며, 요컨대 위치(62)에 의해 양방향성이 지시되고, 다시 말해 하나 이상의 전기 기계(16)는 발전기 모드에서도 동작하고 엔진 모드에서도 동작한다. 차량(10)의 구동 트레인(12)의 구성 요소들은 도 1에 일점쇄선으로 표시되어 있다.
차량(10)은 연료 전지 시스템(22)을 더 포함한다. 이 연료 전지 시스템은, H2 탱크로서 형성된 하나 이상의 에너지 저장기(24)를 포함한다. 연료 전지 시스템(22)은 서브 시스템(30)인 공기 이송부를 더 포함한다. 서브 시스템 내에는, 공기 필터(38) 및 상기 공기 필터의 하류에 접속된 질량 흐름 센서(40)가 있다. 서브 시스템(30)인 공기 이송부는 또한 전기 구동부로서 형성된 압축기 구동부(44)에 의해 구동되는 압축기(42)를 포함한다. 더 나아가, 서브 시스템(30)인 공기 이송부 내에는 중간 냉각기(46)가 배치되며, 이 중간 냉각기에 의해, 가열된 공기가 연료 전지 시스템(22)의 중간 냉각기(46)를 통과한 후에 연료 전지 스택(50)으로 흘러가기 전에, 상기 가열된 공기가 압축기(42) 하류에서 다시 냉각된다. 연료 전지 스택(50)은 자신의 측에서 냉각 회로(52)에 의해 온도 조절되며, 이 냉각 회로의 구성 요소들은 도 1에 따른 도면에 개략적으로만 지시되어 있다. 연료 전지 스택(50)은 출력측에 양극(54) 및 음극(56)을 포함한다.
구동 트레인(12)의 인버터(20)는 연료 전지 변환기(64)와 전기적으로 연결되어 있다.
도 1에 따른 도시로부터 더 드러나는 사실은, 차량(10)이 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)를 포함한다는 것이다. 선택적 에너지 저장기(26)는 하나 이상의 고전압 배터리로서 또는 슈퍼 커패시터들의 어셈블리로서 구현될 수 있다. 도 1에 따른 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 선택적 에너지 저장기(26)는 고압 변환기(60)를 통해 구동 트레인(12)과도 그리고 서브 시스템(30)인 공기 이송부와도 전기적으로 연결되어 있다. 고전압 변환기(60)는 참조 부호 "62"로 표시되어 있듯이 양방향으로 작동 가능하다.
더 나아가, 차량(10)은, 저전압 변환기(58)를 통해 차량(10)의 구동 트레인(12)과 연결되어 있는 종래의 12볼트 차량 배터리(28)를 포함한다.
도시된 실시예들에서는 연료 전지 시스템(22)이 바이패스 플랩(32)을 구비한다는 사실을 명백히 알 수 있으며, 이 바이패스 플랩을 통해 서브 시스템(30)인 공기 이송부에 의해 공급되는 공기가 연료 전지 스택(50)을 우회할 수 있다. 더 나아가, 연료 전지 시스템(22) 내에서 하류측에는 압력 제어 플랩(34)이 있다. 연료 전지 스택(50)은 입력측에서 차단 밸브(36)와 연결된다. 도 1에서 그곳에 도시된 토폴로지로 형성된 연료 전지 시스템(22)이 바이패스 플랩(32)을 구비하기 때문에, 연료 전지 시스템의 개회로 제어 및 폐회로 제어를 위한 추가의 가능성이 제공될 수 있다. 하지만 이는 단지 하나의 실시 가능성일 뿐이며, 본 발명에 따라 제안된 방법은 바이패스 플랩(32) 없이 구현된 연료 전지 시스템(22)에서도 적용될 수 있다.
도 1에 따른 도시에서는 차량(10)의 구성 요소, 특히 구동 트레인(12)의 구성 요소가 연료 전지 시스템(22)의 구성 요소 및 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 구성 요소이고, 나아가 선택적 에너지 저장기(26) 등이 더 도시되어 있는 한편, 도 2의 흐름도의 도해를 기초해서는, 이동식 연료 전지 시스템(22) 및 하나 이상의 서브 시스템(30)인 공기 이송부에서 스타트/스톱 과정을 줄이기 위해 본 발명에 따라 제안된 방법이, 차량 상태 "off"[위치(86) 참조] 및 차량 상태 "on"[위치(88) 참조]에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 2에 따른 흐름도로부터 알 수 있는 바와 같이, 이전의 주행에 대해, 그리고 필요에 따라서는 또 다른 주행 목적지에 대한, 제1 학습 기능(90)에 의한 전망에서도 차량(10)의 작동 모드가 고려된다. 그 결과로, 제1 모듈(82) 내에서의 제1 학습 기능(90)은 연료 전지 시스템(22)의 스위치 오프 및 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 스위치 오프를 지연시킨다. 제1 학습 기능(90)은 특히, 차량(10)의 재출발이 수행될 때까지 개별 주행들 사이의 셧다운/정지 시간과 관련하여 차량(10)의 작동 모드를 결정한다. 이 경우, 제1 학습 기능(90)은 제어 장치(80) 내 또는 네트워킹된 데이터 교환기(92) 내 내부 타이머를 조작하며, 상기 데이터 교환기를 통해 데이터가 차량(10) 외부로부터 예를 들어 내비게이션 시스템 또는 클라우드를 통해 제1 학습 기능(90) 측으로 전달될 수 있고, 차량(10)의 작동 모드의 결정에 산입될 수 있다. 상응하는 데이터는 EEPROM 내에 로컬 저장될 수 있거나, 네트워킹된 차량의 경우에는 외부에, 예를 들어 클라우드에 저장될 수 있다. 제1 학습 기능(90)은, 차량(10)이 매우 빈번하게 잠시, 예를 들어 분 범위 내에서 정지하였다가 다시 출발하는지를 결정하며, 이는 배송 차량, 택시 운행 등을 위한 전형적인 작동 모드이다. 이하에서는, 빈번한 짧은 정지를 특징으로 하는 상기 작동 모드를 "배송 모드"(94)라고 지칭한다. 제1 학습 기능(90)은 더 짧은 타임 프레임, 예를 들어 수 시간 또는 수 일 이내의 차량(10)의 작동 모드뿐만 아니라 더 긴 시간 간격, 예를 들어 수 주 및 수 달에 걸친 차량(10)의 작동 모드까지도 평가할 수 있다.
제1 학습 기능(90) 측에서 결정된 데이터는, 추후 연료 전지 시스템(22) 또는 서브 시스템(30)인 공기 이송부 내에서 또는 추가 부하에서 상응하는 작업(action)을 조정하기 위해, 그리고 특히 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)를 매칭시키기 위해 이용될 수 있다. 차량(10)이 도 2의 도시에 상응하게 차량 상태 "온(on)"(88)(공회전)을 취하면, 제2 모듈(84) 내의 또 다른 제2 학습 기능(112)이 적용된다. 또 다른 제2 학습 기능(112) 측은, 현재 주행 사이클 동안 차량(10)의 작동 모드를 결정한다. 또 다른 제2 학습 기능(112) 측에서의 평가는, 하나의 주행 사이클의 평가뿐만 아니라 복수의 주행 사이클의 평가도 포함할 수 있다. 발생하고 있는 차량(10)의 스타트/스톱 단계가 결정되며, 이 경우 차량(10)은 정지되지 않는다. 이로부터, 차량(10)이 예를 들어 빈번한 스타트/스톱 단계를 수반하는 도심 교통에서는 얼마나 멀리 주행하는지 또는 이와 같은 상황이 차량(10)의 운행 중에는 더 드물게 발생하는지의 여부에 대한 정보가 도출된다.
또 다른 제2 학습 기능(112)의 범주에서 결정된 데이터도, 추후에 연료 전지 시스템(22) 내에서 서브 시스템(30)인 공기 이송부에서 그리고 경우에 따라서는 선택적 에너지 저장기(26)와 관련해서도 작업들을 개시하는 데 이용된다.
차량(10)이 정지되어 있는 차량 상태 "오프(off)"[위치(86) 참조]로부터 출발해서, 필요한 경우 네트워킹된 데이터 교환기(92)의 개입 하에 차량(10)의 작동 모드의 결정과 관련해서 외부 데이터를 고려하기 위해, 제1 학습 기능(90)이 활성화된다. 이 결정으로부터 "배송 모드"(94)가 존재하지 않는다는 결과가 나오면, 차량(10)의 연료 전지 시스템(22)을 위한 표준 정지 루틴(98)의 호출이 실시된다.
그와 달리, 차량(10)의 작동 모드의 결정 범주에서 제1 학습 기능(90)에서 "배송 모드"(94)의 존재가 검출되면, 하기와 같이 복수의 옵션이 존재하게 된다:
제1 작업으로서, 연료 전지 시스템(22)의 정지가 지연되어 실시될 수 있고, 연료 전지 시스템은 차량(10)의 정지 후에 소정의 시간 간격 동안 오버런 상태로 계속 작동된다. 연료 전지 시스템(22) 뿐만 아니라 서브 시스템(30)인 공기 이송부도 공회전 상태에서 계속 작동될 수 있고, 이때 전기 공회전 전력을 발생시킬 수 있다. 연료 전지 시스템(22)의 오버런 연장(100) 단계로부터, 충전 상태 질문(104) 단계로 분기가 이루어질 수 있으며, 이 단계 내부에서는 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)가 질의된다. SOC의 최대값에 도달하지 않는 한, 연료 전지 시스템(22)의 오버런 동안 발생하는 전기 공회전 전력은 완전히 또는 거의 완전히 찰 때까지 선택적 에너지 저장기(26) 내로 공급될 수 있다. 그 후에 비로소 추가 부하(110)의 스위치 온이 수행될 수 있게 되거나, 연료 전지 시스템(22)의 공회전 중에 발생하는 전기 공회전 전력이 분기될 수 없는 경우에는, 서브 시스템(30)인 공기 이송부가 스위치 오프되고, 잔존 산소가 연료 전지 스택(50)의 캐소드 측에서 소비되는 블리드 다운(Bleed Down) 작업(108)이 실시된다.
제1 학습 기능(90)의 범주에서 차량(10)의 차량 상태의 작동 모드와 관련하여 "배달 모드"(94)의 존재가 검출되면, 제2 작업이 개시될 수 있고, 그 후에 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 오버런 연장(102)이 개시된다. 여기에서, 서브 시스템(30)인 공기 이송부는 최소 전력에서 최소 회전수로 계속 작동된다. 최소 회전수는 바람직하게 사용된 가스 베어링에 대한 한계 회전수를 약간 상회한다. 사용된 가스 베어링의 제한 회전수는 기체 정역학적 압력 쿠션의 형성에 의해 결정되며, 상기 제한 회전수 아래에서는 일 샤프트가 더 이상 무접촉 방식으로 센터링될 수 없고, 다시 말하면 고체 접촉이 발생하는데, 이와 같은 고체 접촉은 반드시 피해야 한다. 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 오버런 시, 도 1에 도시된 압력 제어 플랩(34)이 완전히 개방됨으로써, 공기 공급이 매우 낮은 압력 및 최소 부하에서 이루어지며, 또한 공기 질량 흐름이 완전히 연료 전지 스택(50)을 우회하도록 하기 위해 바이패스 플랩(32)(도 1 참조)이 완전히 개방된다. 서브 시스템(30)인 공기 이송부는 예를 들어 선택적 에너지 저장기(26)로부터 인출될 수 있는 최소 손실 전력으로 특히 분 범위 이내의 수 시간 동안 계속 작동될 수 있고, 이로 인해 마찬가지로 오버런이 연장된다. 최소 부하에서, 다시 말해 오버런 시 행해지는 공회전에서는, 연료 전지 시스템(22)의 구성 요소 또는 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 구성 요소의 소음 방출도 최소화된다.
이와 관련하여, 유입측에서 연료 전지 스택(50)의 상류에 배치된 차단 밸브(36)의 개방 압력은, 이 개방 압력이 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 최소 공기 압축에 의해 발생하는 최소 압력보다 약간 더 높도록 설계된다는 점을 주지해야 한다. 각각의 경우, 상기 작동 상태에서 공기가 더 이상 연료 전지 스택(50) 내에 도달하지 않는 점이 보장되어야 한다.
연료 전지 스택(50) 둘레의 공기 경로 내에 바이패스가 없는 시스템의 경우에는, 공회전 작동에서의 공기 흐름이 연료 전지 스택(50)을 통과해서 가이드되어야 한다. 이와 같은 가이드 방식은 최적은 아니지만, 수자원 관리, 재시동 및 여타의 조건들과 관련하여 정해진 한계 내에서 고려될 수 있다. 바이패스의 존재는 스타트/스톱 과정을 줄이기 위해 본 발명에 따라 제안된 방법을 구현하기 위해 유리하긴 하나, 제안된 학습 방법을 위한 필수 전제 조건은 아니다.
차량 상태 "온"[위치(88)(공회전) 참조]으로부터 출발해서, 또 다른 제2 학습 기능(112)에서는 하나 이상의 주행 사이클 중에 또는 복수의 주행 사이클 중에도 차량(10)의 작동 모드가 스타트/스톱 단계의 발생과 관련하여 결정되지만, 이 경우 차량(10)은 정지되지 않는다. 또 다른 제2 학습 기능(112)의 범주에서는 정지 단계 결정(114)이 수행된다. 제1 학습 기능(90)과 유사하게, 또 다른 제2 학습 기능(112)은 네트워킹된 데이터 교환(92)을 통해서도, 주행 동안 차량(10)의 작동 모드의 결정 시 내비게이션 시스템 또는 클라우드의 데이터를 고려할 수 있다. 정지 단계 결정(114)의 범주에서 정지 단계가 빈번하게 발생하는 것으로 확인되면, 예를 들어 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)에 대한 범위의 매칭이 수행될 수 있다. 일시적인 정지 단계 동안 작동, 다시 말해 연료 전지 시스템(22)의 오버런이 연장될 수 있도록 하기 위하여, 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)에 대한 충전 상태 범위가 주행 범위 내에서 약간 감소할 수 있다.
차량 상태(88)에서 더 빈번한 정지 단계가 발생하면, 연료 전지 시스템(22)은 정지 단계가 발생할 때 먼저 최저 부하로 또는 공회전으로 계속 작동한다. 연료 전지 시스템(22)의 공회전의 범주에서 발생한 공회전 전력은 -가능하다면- 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)가 아직 최대값에 도달하지 않은 한, 상기 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)에 공급될 수 있다. 그와 달리, 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)의 최대값에 도달하면, 블리드 다운 작업(108), 즉, 연료 전지 시스템(22)의 공기 공급의 차단이 실시될 수 있고, 캐소드 내에 남아있는 산소가 소산될 수 있다. 대안적으로, 차량(10)의 정지 단계에서 연료 전지 시스템(22)의 오버런(106) 시 발생하는 공회전 전력을 감소시키기 위하여, 추가 부하(110)의 스위치 온으로 전환할 수 있는 가능성도 존재한다.
전술한 바와 같이, 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 오버런(106)은 제2 작업 옵션(option for action)을 나타내는 한편, 제3 작업 옵션은 추가 부하(110)의 스위치 온을 수행하는 것이다. 이는, 예를 들어 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC)가 작업 옵션 "1"의 범주에서 자신의 최대값에 도달한 경우, 즉, 에너지 저장기가 완전히 또는 거의 완전히 충전된 경우에 제공된다. 이 경우, 추가 부하(110)가 유용한 방식으로 사용될 수 있는 한, 상기 추가 부하(110)의 스위치 온을 수행할 수 있는 가능성이 존재하다. 예를 들어, 가능한 추가 부하(110)의 스위치 온의 범주에서 종래의 12볼트 차량 배터리(28)의 충전이 수행될 수 있으며, 나아가 타당성 검증 및 테스트 기능을 위한 액추에이터 제어도 수행될 수 있다. 이와 같은 제3 작업, 즉, 추가 부하(110)의 스위치 온에 의해 연료 전지 시스템(22)의 오버런 단계가 재차 연장될 수 있다.
또 다른 작업 옵션은, 바이패스가 없는 연료 전지 시스템(22)의 토폴로지에서 바로 그 바이패스가 존재하지 않아야 하는 경우에, 바이패스를 통한 또는 연료 전지 스택(50)에 의한 공기 시스템의 공회전 작동이다.
네트워킹된 데이터 교환(92)의 범주에서는, 전술한 두 가지 학습 기능(90 또는 112)에서 내비게이션 시스템의 내비게이션 데이터 또는 네트워킹된 차량[차량과 차량 간(Car to Car), 차량과 도로 인프라 간(Car to Infrastructure)]의 내비게이션 데이터가 상응하게 세부화되고 더욱 최적화될 수 있다. 예를 들어, 특정 스타트/스톱 단계가 예측 단계에서 이미, 예컨대 두드러진 정체 상황과 같은 스타트/스톱 과정을 줄이기 위한 작동 전략에 함께 관여될 수 있다. 마찬가지로, 내비게이션 시스템의 내비게이션 데이터의 범주 내에 존재하는 설정된 주행 목적지도 고려될 수 있다. 목적지에 도달 시, 연료 전지 시스템(22) 또는 서브 시스템(30)인 공기 이송부가 완전히 셧다운될 수 있다. 그와 달리 주행 목적지에 아직 도달하지 않았다면, 연료 전지 시스템(22) 및/또는 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 오버런 단계가 약간 연장될 수 있다. 이동 연료 전지 시스템(22) 및 하나 이상의 선택적 에너지 저장기(26)를 구비한 차량(10)을 위한 작동 전략을 결정하는 경우에는, 예를 들어 주변 온도, 습도 등과 같은 또 다른 입력 파라미터가 고려될 수 있다. 또한, 차량(10)이 "배송 모드"(94)에서 작동되는 경우, 외부 온도가 낮으면 연료 전지 시스템(22) 또는 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 공회전 시 발생하는 공회전 전력의 일부가 쾌적(comfort) 기능의 범주에서 객실의 난방을 위해 이용될 수 있다고도 말할 수 있다.
이들 기능은 대안적으로 차량(10) 외부에 있는 서버상에서도 수행될 수 있으며, 상응하는 차량과 도로 인프라 간 인터페이스를 통해 액추에이터 제어 및 센서 값만 교환될 수 있다.
본 발명은, 본원에 기술된 실시예들에 한정되지 않으며, 본원에서 강조된 양태들에 한정되지 않는다. 오히려, 청구항들에 의해 명시된 범위 내에서, 전문가적인 행위의 범주 내에 속하는 다수의 변형이 가능하다.

Claims (18)

  1. 차량(10)의 구동 트레인(12)을 위한 에너지를 연료 전지 시스템(22)뿐만 아니라 선택적 에너지 저장기(26)로부터도 끌어올 수 있는, 차량(10) 내에 배치된 연료 전지 시스템(22) 및 상기 연료 전지 시스템(22)의 하나 이상의 서브 시스템(30)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    a) 제1 차량 상태(86)에서 또는 제2 차량 상태(88)에서 차량 상태 특유의 학습 기능(90, 112)을 토대로, 차량(10)의 셧다운 및/또는 정지 단계의 수 및 지속시간을 결정하는 단계,
    b) 차량(10)의 셧다운 및/또는 정지 단계의 결정된 수 및 지속시간에 따라, 연료 전지 시스템(22) 및 상기 연료 전지 시스템(22)의 하나 이상의 서브 시스템(30)의 작동 파라미터를 조정하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 방법 단계 a) 및 b)에 추가로, 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태(SOC = State of Charge)의 조정(96)이 수행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 선택적 에너지 저장기(26)의 충전 상태의 조정이 최소/최대 한계치의 조정을 포함하고, 그리고/또는 충전 상태의 개회로 제어/폐회로 제어의 조정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 차량 상태(86)에 할당된 제1 학습 기능(90)에서, 재시동까지의 개별 주행들 사이에서의 차량(10)의 셧다운 및/또는 정지 단계와 관련하여 차량(10)의 작동 모드가 실행되며, 이를 위해 제어 장치(80) 내의 내부 타이머, 네트워킹된 데이터 교환(92), 로컬 EEPROM에서의 데이터 저장 및 작동 모드의 평가가 시간 단위로 그리고/또는 일 단위로 그리고/또는 더 긴 시간 간격 단위로 실행되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제2 차량 상태(88)에 할당된 제2 학습 기능(112)에서, 차량(10)의 미정지 시 하나 이상의 주행 사이클 동안 스타트/스톱 단계의 발생과 관련하여 차량(10)의 작동 모드가 결정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 학습 기능(90) 및/또는 제2 학습 기능(112)이 차량(10)의 현재 주행 루트를 고려하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 학습 기능(90) 및/또는 제2 학습 기능(112)이 주변 온도 및 또 다른 작동 파라미터, 예컨대 전력 공급 시스템 내 현재 부하, 주변 공기의 습도, 배터리의 노후화, 연료 전지 스택(50)의 노후화, 차량 공기 조절 상태를 고려하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  8. 제1항에 있어서, 규정된 시간 간격 내에서 결정된 정지 단계의 수가 제1 임계값을 초과하고 정지 단계의 평균 지속시간이 제2 임계값을 초과하는 경우, 연료 전지 시스템(22)의 제1 작동 상태 또는 제2 작동 상태가 설정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 연료 전지 시스템(22)의 제1 작동 상태는, 연료 전지 시스템(22)이 공회전으로 작동되고, 발생하는 에너지가 선택적 에너지 저장기(26) 내에 저장되고 그리고/또는 추가 부하(110)로 전달되는, 연료 전지 시스템(22)의 지연된 스위치 오프 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  10. 제1항에 있어서, 규정된 시간 간격 내에서 결정된 정지 단계의 수가 제3 임계값을 초과하고 정지 단계의 평균 지속시간이 제4 임계값을 초과하는 경우, 연료 전지 시스템(22)의 제2 작동 상태 또는 제3 작동 상태가 설정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서, 연료 전지 시스템(22)의 제2 작동 상태가, 최소 부하 및 최소 회전수에서 연료 전지 시스템(22)의 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 작동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 연료 전지 시스템(22)의 제2 작동 상태는, 질량 흐름이 개방된 바이패스 플랩(32)에 의해 연료 전지 시스템(22)의 연료 전지 스택(50)을 우회하는 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  13. 제10항에 있어서, 연료 전지 시스템(22)의 제3 작동 상태에서는, 선택적 저장기(26)의 SOC가 최대값에 도달한 경우, 추가 부하(110)의 스위치 온이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템 및 그의 서브 시스템의 작동 방법.
  14. 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍 가능 컴퓨터 장치에서 실행될 때, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법들 중 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램.
  15. 차량(10)의 구동 트레인(12)을 위한 에너지를 연료 전지 시스템(22)으로부터 또는 선택적 에너지 저장기(26)로부터 끌어올 수 있는, 차량(10) 내에 배치된 연료 전지 시스템(22)을 작동시키기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템이 제1 학습 기능(90)을 수행하기 위한 제1 모듈(82)을 구비하고, 제2 학습 기능(112)을 수행하기 위한 제2 모듈(84)을 구비하며, 상기 모듈들에서는 재시동 시까지 개별 주행들 사이의 셧다운/일시 정지 시간과 관련된 차량(10)의 작동 모드 또는 하나의 주행 사이클 동안 스타트/스톱 단계의 발생과 관련된 차량(10)의 작동 모드가 결정되며,
    연료 전지 시스템(22)이 하나 이상의 서브 시스템(30)을 포함하고, 상기 서브 시스템에서는, 서브 시스템(30)인 공기 이송부의 최소 부하에서 발생하는 공기 질량 흐름이 연료 전지 스택(50)을 우회하도록 하기 위해, 최소 부하 및 매우 작은 압력에서 공기를 이송하기 위한 압력 제어 플랩(34) 및 바이패스 플랩(32)이 완전히 개방되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 작동 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 연료 전지 스택(50)의 상류에 차단 밸브(36)가 배치되며, 상기 차단 밸브의 개방 압력은, 서브 시스템(30)인 공기 이송부에 의한 최소 공기 압축에 의해 발생하는 최소 압력보다 약간 더 높은 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 작동 시스템.
  17. 제15항 및 제16항에 있어서, 특정 주행 목적지 및 이 주행 목적지까지의 잔여 경로를 알려주는 내비게이션 시스템과 연결된, 연료 전지 시스템의 작동 시스템.
  18. 선택적 에너지 저장기(26)가 하나 또는 복수의 고전압 배터리 및/또는 슈퍼 커패시터를 포함하는, 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 구비한 차량(10).
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