KR20200055287A - 연료전지의 냉시동 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

시동 On시, 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 냉시동 조건을 만족한 경우, 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하는 단계; 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하는 단계; 및 현재 고전압 배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우, 고전압 배터리에서 전력을 공급받은 히터를 이용하여 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수 라인 내부의 냉각수를 가열하는 단계;를 포함하는 연료전지의 냉시동 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 냉시동 제어시스템 및 제어방법{CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF COLD START FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 냉시동 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 냉각수 히터를 이용하여 연료전지의 냉각수를 가열함으로써 연료전지 스택의 내부에 존재하는 빙결된 수분을 해빙시키는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지 스택의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
연료전지 스택의 내부에는 반응에 의해 발생된 수분이 존재하고, 이에 따라 연료전지 스택의 발전이 중단된 상태로 영하의 온도에 노출되면 연료전지 스택 내부의 수분이 빙결되는 문제가 발생한다.
이에 따라, 연료전지 스택의 냉시동 제어에 관한 전략들이 요구되는데, 종래 기술에 따른 냉시동 제어는 연료전지 스택에서 저효율 운전을 통하여 발열량을 최대화하도록 발전함으로써 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙하였다.
다만, 종래 기술에 따른 냉시동 제어에 따르면 발열량을 최대화하기 위한 저효율 운전에 따라 불필요하게 수소를 소모함으로써 연비가 저하되고, 내부에 빙결된 수분이 존재하는 상태로 운전하게 되면 연료전지 스택의 내구성에 치명적인 문제가 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 10-1610392 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고전압 배터리의 전력을 이용하여 히터를 작동시킴으로써 연료전지의 냉각수를 가열하여 연료전지 스택의 내부에 존재하는 빙결된 수분을 해빙시키는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉시동 제어시스템은 연료전지 스택; 내부에 냉각수가 순환되면서 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수 라인; 냉각수 라인에 위치되고, 고전압 배터리의 전력을 공급받아 냉각수를 가열하는 히터; 및 시동 On시 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하며, 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하고, 현재 고전압 배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우에 히터로 냉각수를 가열하도록 제어하는 제어기;를 포함한다.
냉각수 라인에 위치되어 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 냉각수 펌프;를 더 포함하고, 제어기는, 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 냉각수의 온도를 기반으로 냉시동 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
냉각수 라인에 위치되어 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 냉각수 펌프;를 더 포함하고, 제어기는, 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 히터로 냉각수를 가열함에 따른 냉각수의 온도 변화량을 기반으로 해빙 에너지를 추정할 수 있다.
히터와 연료전지 사이의 냉각수 라인에서 분기되어 히터를 바이패스하여 합류하도록 히터와 병렬로 연결된 방열기; 및 냉각수 라인 중 히터와 방열기 사이의 분기된 지점 또는 합류된 지점에 위치되어 히터 또는 방열기에 흐르는 냉각수 유량을 제어하는 제어밸브;를 더 포함하고, 제어기는, 히터의 냉각수 가열이 종료될 때까지 냉각수가 방열기로 흐르지 않도록 제어밸브를 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉시동 제어방법은 시동 On시, 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 냉시동 조건을 만족한 경우, 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하는 단계; 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하는 단계; 및 현재 고전압 배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우, 고전압 배터리에서 전력을 공급받은 히터를 이용하여 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수 라인 내부의 냉각수를 가열하는 단계;를 포함한다.
냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계에서는, 냉각수 라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 냉각수의 온도를 기반으로 냉시동 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
해빙 에너지를 추정하는 단계에서는, 냉각수 라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 고전압 배터리의 전력을 공급받아 히터로 냉각수를 가열함에 따른 냉각수의 온도 변화량을 기반으로 해빙 에너지를 추정할 수 있다.
해빙 에너지를 추정하는 단계에서는, 히터의 가열에 따른 냉각수의 온도 변화량 대비 히터의 소모 전력량에 현재 냉각수의 온도와 해빙 완료 온도 사이의 온도차를 곱하여 해빙 에너지를 추정할 수 있다.
고전압 배터리의 해빙 제어 SOC를 산출하는 단계에서는, 연료전지의 발전이 요구되는 고전압 배터리의 기준 SOC에 추정한 해빙 에너지에 따른 고전압 배터리의 SOC 변화량을 합산하여 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC를 산출할 수 있다.
냉각수를 가열하는 단계에서는, 히터는 추정한 해빙 에너지가 소모될 때까지 냉각수를 가열할 수 있다.
냉각수를 가열하는 단계에서는, 히터의 냉각수 가열이 종료될 때까지 연료전지의 전력 발전을 차단하도록 제어할 수 있다.
냉각수를 가열하는 단계 이후에는, 현재 냉각수의 온도와 해빙 완료 온도를 비교하여 해빙이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 냉시동 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 연료전지 스택의 내부에 빙결된 수분을 해빙시킨 이후에 연료전지를 발전시킴으로써 저효율 운전에 따른 연비 저하를 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 저효율 운전에 따른 내구성 악화를 방지하여 연료전지 스택의 내구성이 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 고전압배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우에 해빙 동작을 수행함으로써 불필요한 해빙 동작을 최소화하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 모드에 따른 고전압 배터리의 SOC를 도시한 그래프이다.
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 냉시동 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 제어시스템은 연료전지 스택(10); 내부에 냉각수가 순환되면서 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수 라인(40); 냉각수 라인(40)에 위치되고, 고전압 배터리(30)의 전력을 공급받아 냉각수를 가열하는 히터(60); 및 시동 On시 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 연료전지 스택(10) 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하며, 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리(30)의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하고, 현재 고전압 배터리(30)의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우에 히터(60)로 냉각수를 가열하도록 제어하는 제어기(90);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 수소와 공기를 공급받고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발전시킬 수 있다. 수소와 산소의 화학 반응에 의해 연료전지 스택(10) 내부에는 물이 발생하고, 연료전지 스택(10)의 발전이 중단된 상태로 영하의 온도에 노출되면 연료전지 스택(10) 내부에 잔존하는 수분이 빙결될 가능성이 있다.
연료전지 스택(10)은 메인버스단을 통하여 모터(20)로 전력을 공급할 수 있다. 메인버스단에는 고전압 배터리(30)가 연결될 수 있다. 고전압 배터리(30)는 충전된 에너지를 모터(20)로 공급할 수 있다. 고전압 배터리(30)는 연료전지의 발전 전력을 이용하여 충전되거나, 외부의 충전 장치를 통하여 충전될 수 있다.
고전압 배터리(30)는 양방향 DC 컨버터(BHDC: Bidiretional High-voltage DC Converter) 또는 직류 변환기를 통하여 메인버스단에 연결될 수 있다.
또한, 고전압 배터리(30)의 충전량은 BMS(31, Battery Management System)에 의해 모니터링되고, 후술하는 것과 같이 BMS(31)와 연결된 제어기(90)가 고전압 배터리(30)의 충전량이 유지되도록 제어할 수 있다.
연료전지 스택(10)은 냉각수 라인(40)과 연결되어 냉각수 라인(40) 내부의 냉각수가 순환되면서 냉각된다. 냉각수는 물, 공기 등 다양한 냉매가 이용될 수 있다. 연료전지 스택(10)의 내부에서는 화학 반응에 의해 열이 발생하므로, 냉각수 라인(40)을 통하여 냉각수를 순환시켜 연료전지 스택(10)을 냉각시킨다.
냉각수 라인(40)에는 냉각수를 가열하는 히터(60)가 포함된다. 히터(60)는 고전압 배터리(30)의 전력을 공급받아 냉각수 라인(40)의 냉각수를 가열할 수 있다. 특히, 연료전지 스택(10)은 적절한 온도 범위에서 효율이 높고, 냉시동 조건에서 연료전지의 전력 발전시 저효율으로 운전됨은 물론 내구성이 악화되는 문제가 있어, 냉각수의 온도를 가열할 필요가 있다.
냉각수 라인(40)에 위치되어 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 냉각수 펌프(50);가 더 포함될 수 있다. 냉각수 펌프(50)는 냉각수 라인(40) 내부의 냉각수가 연료전지 스택(10)을 순환하도록 냉각수를 펌핑할 수 있다.
히터(60)와 연료전지 사이의 냉각수 라인(40)에서 분기되어 히터(60)를 바이패스하여 합류하도록 히터(60)와 병렬로 연결된 방열기(70); 및 냉각수 라인(40) 중 히터(60)와 방열기(70) 사이의 분기된 지점 또는 합류된 지점에 위치되어 히터(60) 또는 방열기(70)에 흐르는 냉각수 유량을 제어하는 제어밸브(80);가 더 포함될 수 있다.
방열기(70)는 히터(60)와 병렬로 연결되어 연료전지 스택(10)에서 배출된 냉각수가 히터(60)와 방열기(70) 중 어느 하나로 공급될 수 있다. 방열기(70)는 냉각수를 냉각시키고, 히터(60)는 냉각수를 가열시켜 서로 반대 작용을 하는 점에서 서로 병렬로 연결될 수 있다.
방열기(70)는 외부의 공기 등과 열교환하는 라디에이터일 수 있고, 라디에이터 외부에서 라디에이터로 외부의 공기를 공급하는 방열팬이 더 포함될 수 있다.
제어밸브(80)는 냉각수 라인(40) 중 히터(60)와 방열기(70) 사이의 분기된 지점 또는 합류된 지점에 위치된 3-way 밸브일 수 있고, 냉각수 라인(40)의 냉각수를 히터(60)로 공급하거나 방열기(70)로 공급하도록 제어될 수 있다.
제어기(90)는, 히터(60)의 냉각수 가열이 종료될 때까지 냉각수가 방열기(70)로 흐르지 않도록 제어밸브(80)를 제어할 수 있다. 즉, 냉각수가 방열기(70)로 공급되지 않고 히터(60)로만 공급되도록 제어밸브(80)를 제어할 수 있다.
제어기(90)의 구체적인 제어에 관하여는 제어방법과 관련하여 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 제어방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 제어방법은 시동 On시, 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계(S200); 냉시동 조건을 만족한 경우, 연료전지 스택(10) 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하는 단계(S300); 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리(30)의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하는 단계(S400); 및 현재 고전압 배터리(30)의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우, 고전압 배터리(30)에서 전력을 공급받은 히터(60)를 이용하여 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수 라인(40) 내부의 냉각수를 가열하는 단계(S500);를 포함한다.
이에 따라, 고전압 배터리(30)의 전력을 이용하여 히터(60)로 냉각수를 가열한 이후에 연료전지를 발전할 수 있다. 특히, 연료전지의 발전 이전까지는 고전압 배터리(30)의 전력만으로 모터(20)를 구동시켜야 하는 점에서, 본 발명의 고전압 배터리(30)는 외부 의 충전장치를 이용하여 충전이 가능한 PHEV(Plug-in Hybrid Electronic Vehicle) 타입일 수 있다.
고전압 배터리(30)의 SOC(State Of Charge)는 고전압 배터리(30)의 충전량으로, 완전히 충전된 상태에서 1이고, 완전히 방전된 상태에서 0의 값을 가지도록 0과 1 사이에서 충전량의 비율을 나타내는 값일 수 있다.
냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계(S200)에서는, 연료전지 차량 또는 연료전지 시스템의 시동이 On 신호가 발생된 경우 냉시동 조건을 판단할 수 있다. 냉시동 조건은 연료전지 스택(10)의 온도를 이용하여 판단하는 것이 적절하다. 다만, 연료전지 스택(10)의 내부 온도를 직접 측정하는 대신 연료전지 스택(10)에서 배출된 연료전지 스택(10)의 출구에서 냉각수의 온도를 측정하여 간접적으로 연료전지 스택(10)의 온도를 측정할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 출구 측 냉각수 라인(40)에 온도센서가 마련될 수 있다.
특히, 냉각수 라인(40) 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(50)를 구동시킨 상태에서(S100) 냉각수의 온도를 기반으로 냉시동 조건을 만족하는지 판단할 수 있다. 냉각수 펌프(50)에 의해 연료전지 스택(10)으로 냉각수를 순환시킨 상태에서 냉각수의 온도를 이용하여 연료전지 스택(10) 내부에 수분이 빙결되었는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(10)의 출구 측 냉각수 온도가 0℃ 이하라면 냉시동 조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택(10)의 빙결된 수분이 존재하는지 여부를 판단하여 냉시동 조건을 정확하게 판단할 수 있는 효과를 갖는다. 더 정확한 판단을 위하여, 냉각수 펌프(50)를 구동시키고 일정한 시간(예를 들어, 5초)이 지난 후에 냉시동 조건을 판단할 수 있다.
해빙 에너지를 추정하는 단계(S300)에서는, 냉각수 라인(40) 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(50)를 구동시킨 상태에서 고전압 배터리(30)의 전력을 공급받아 히터(60)로 냉각수를 가열함에 따른 냉각수의 온도 변화량을 기반으로 해빙 에너지를 추정할 수 있다.
히터(60)를 기설정된 일정시간 동안으로 작동시키거나 기설정된 전력량을 공급하여 히터(60)를 작동시켜 냉각수를 가열시킬 수 있다. 또한, 냉각수 펌프(50)를 구동시킨 상태에서 냉각수의 온도 변화량을 측정할 수 있다. 특히, 연료전지 스택(10)의 출구 측에서 냉각수의 온도 변화량을 측정할 수 있다.
특히, 히터(60)의 가열에 따른 냉각수의 온도 변화량(
Figure pat00001
) 대비 히터(60)의 소모 전력량(
Figure pat00002
)에 현재 냉각수의 온도(T)와 해빙 완료 온도(
Figure pat00003
) 사이의 온도차를 곱하여 해빙 에너지를 추정할 수 있다. 즉, 아래와 같은 수식으로 해빙 에너지를 추정할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, E는 해빙 에너지, P는 히터(60)의 소모 전력, t는 히터(60)의 가열 시간,
Figure pat00005
는 냉각수의 온도 변화량,
Figure pat00006
는 해빙 완료 온도, T는 현재 냉각수 온도(히터(60)의 냉각수 가열 이후)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 모드에 따른 고전압 배터리(30)의 SOC를 도시한 그래프이다.
도 3을 더 참조하면, 연료전지 시스템의 운전모드는 SOC 소모 운전 모드와 SOC 유지 운전 모드를 포함할 수 있다. SOC 소모 운전 모드는 고전압 배터리(30)가 방전되면서 SOC를 소모하여 모터(20) 등에 전력을 공급하는 모드로, 연료전지에서는 전력을 발전하지 않을 수 있다.
SOC 유지 운전 모드는 고전압 배터리(30)의 SOC를 유지하는 모드로, 고전압 배터리(30)의 충방전이 반복되는 모드이다. SOC 유지 운전 모드에 진입하면 연료전지에서 발전한 전력을 이용하여 고전압 배터리(30)를 충전할 수 있다. SOC 유지 운전 모드에서는 고전압 배터리(30)와 연료전지 모두에서 모터(20) 등에 전력을 공급할 수 있다.
제어기(90)는 BMS(31)에서 고전압 배터리(30)의 SOC를 모니터링하면서 연료전지 시스템을 제어할 수 있다. 특히, 고전압 배터리(30)의 SOC가 기준 SOC가 되면 SOC 유지 운전 모드로 제어할 수 있다. 즉, 고전압 배터리(30)의 SOC가 기준 SOC가 되면 연료전지를 가동하여 연료전지에서 전력을 발전하도록 제어할 수 있다.
기준 SOC는 고전압 배터리(30)가 일부 충전 및 방전이 방전되면서 연료전지의 발전 전력을 보조할 수 있을 정도로 충전된 충전량으로, 고전압 배터리(30)의 용량을 고려하여 제어기(90)에 기설정된 값일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 고전압 배터리(30)의 해빙 제어 SOC를 산출하는 단계(S400)에서는, 연료전지의 발전이 요구되는 고전압 배터리(30)의 기준 SOC에 추정한 해빙 에너지에 따른 고전압 배터리(30)의 SOC 변화량을 합산하여 고전압 배터리(30)의 해빙 제어 SOC를 산출할 수 있다.
고전압 배터리(30)의 해빙 제어 SOC는 아래의 수식과 같이 고전압 배터리(30)의 기준 SOC에 추정한 해빙 에너지에 따른 고전압 배터리(30)의 SOC 변화량을 합산하여 산출할 수 있다. 이에 따라, 연료전지를 가동하기 이전에 연료전지 스택(10)의 해빙을 완료할 수 있는 효과를 갖는다.
해빙 제어 SOC = 기준 SOC +
Figure pat00007
구체적으로, 추정한 해빙 에너지(E)에 따른 고전압 배터리(30)의 SOC 변화량(
Figure pat00008
)은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 고전압 배터리(30)의 SOC 변화량, Q는 배터리의 용량, E는 해빙 에너지,
Figure pat00011
는 고전압 배터리(30)의 전압이다.
고전압 배터리(30)의 전압(
Figure pat00012
)은 고전압 배터리(30)의 SOC 변화가 적은 구간에서 거의 변화하지 않으므로, 고정된 값으로 계산할 수 있다. 배터리의 용량은 전류량[C]일 수 있다.
냉각수를 가열하는 단계(S500)에서는, 현재 고전압 배터리(30)의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우에 히터(60)를 이용하여 냉각수를 가열하도록 제어할 수 있다. 즉, 현재 고전압 배터리(30)의 SOC가 충분히 높은 상태로 연료전지의 가동이 불필요한 조건에서는 해빙 동작을 수행하지 않을 수 있다. 이에 따라, 불필요한 해빙 동작을 방지하여 전력 소모를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.
냉각수를 가열하는 단계(S500)에서, 히터(60)는 추정한 해빙 에너지가 소모될 때까지 냉각수를 가열할 수 있다. 즉, 히터(60)에서 추정한 해빙 에너지를 모두 소모할 때까지 냉각수를 가열하고, 해빙 에너지를 모두 소모하면 해빙 동작을 중단할 수 있다.
특히, 냉각수를 가열하는 단계(S500)에서는, 히터(60)의 냉각수 가열이 종료될 때까지 연료전지의 전력 발전을 차단하도록 제어할 수 있다. 즉, 연료전지는 히터(60)의 냉각수 가열이 종료된 이후에 발전을 시작하는 것으로, 연료전지의 해빙 동작이 완료되기 전까지 연료전지를 발전하지 않도록 제어하는 것이다. 이에 따라, 연료전지의 저효율 운전을 방지하고, 연료전지 스택(10)의 내구성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
냉각수의 가열은 추정한 해빙 에너지를 모두 소모할 때까지 히터(60)를 작동하고, 히터(60)에서 추정한 해빙 에너지를 소모하고 나면 연료전지 스택(10)의 해빙을 완료한 것으로 판단할 수 있다.
추가로, 냉각수를 가열하는 단계(S500) 이후에는, 현재 냉각수의 온도와 해빙 완료 온도를 비교하여 해빙이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계(S600);를 더 포함할 수 있다.
해빙이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계(S600)에서는, 히터(60)의 가열이 종료된 상태에서 현재 냉각수의 온도를 해빙 완료 온도와 비교하여 해빙의 완료 여부를 재확인할 수 있다. 이에 따라, 외부의 환경적 요인 등에 따라 연료전지 스택(10)의 해빙이 완료되지 않을 가능성을 고려하여 해빙 완료 여부를 재확인하는 것이다.
해빙 완료 온도는 냉각수 라인(40) 등의 시스템 특성에 따라 영상의 온도로 기설정될 수 있다. 연료전지의 출구측 냉각수 온도가 해빙 완료 온도 이상이면 연료전지 스택(10)의 해빙이 완료된 것으로 판단하여 냉시동 제어를 종료할 수 있다.
냉시동 제어가 종료된 이후에 제어기(90)는 연료전지 스택(10)의 발전이 시작되도록 제어할 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 스택 20 : 모터
30 : 고전압 배터리 40 : 냉각수 라인
50 : 냉각수 펌프 60 : 히터
70 : 방열기 80 : 제어밸브
90 : 제어기

Claims (12)

  1. 연료전지 스택;
    내부에 냉각수가 순환되면서 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수 라인;
    냉각수 라인에 위치되고, 고전압 배터리의 전력을 공급받아 냉각수를 가열하는 히터; 및
    시동 On시 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하고, 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하며, 추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하고, 현재 고전압 배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우에 히터로 냉각수를 가열하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 냉시동 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    냉각수 라인에 위치되어 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 냉각수 펌프;를 더 포함하고,
    제어기는, 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 냉각수의 온도를 기반으로 냉시동 조건을 만족하는지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    냉각수 라인에 위치되어 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 냉각수 펌프;를 더 포함하고,
    제어기는, 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 히터로 냉각수를 가열함에 따른 냉각수의 온도 변화량을 기반으로 해빙 에너지를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    히터와 연료전지 사이의 냉각수 라인에서 분기되어 히터를 바이패스하여 합류하도록 히터와 병렬로 연결된 방열기; 및
    냉각수 라인 중 히터와 방열기 사이의 분기된 지점 또는 합류된 지점에 위치되어 히터 또는 방열기에 흐르는 냉각수 유량을 제어하는 제어밸브;를 더 포함하고,
    제어기는, 히터의 냉각수 가열이 종료될 때까지 냉각수가 방열기로 흐르지 않도록 제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어시스템.
  5. 시동 On시, 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    냉시동 조건을 만족한 경우, 연료전지 스택 내부의 빙결된 수분을 해빙시키는데 요구되는 해빙 에너지를 추정하는 단계;
    추정한 해빙 에너지를 기반으로 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC(State Of Charge)를 산출하는 단계; 및
    현재 고전압 배터리의 SOC가 해빙 제어 SOC 이하인 경우, 고전압 배터리에서 전력을 공급받은 히터를 이용하여 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수 라인 내부의 냉각수를 가열하는 단계;를 포함하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계에서는, 냉각수 라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 냉각수의 온도를 기반으로 냉시동 조건을 만족하는지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    해빙 에너지를 추정하는 단계에서는, 냉각수 라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프를 구동시킨 상태에서 고전압 배터리의 전력을 공급받아 히터로 냉각수를 가열함에 따른 냉각수의 온도 변화량을 기반으로 해빙 에너지를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    해빙 에너지를 추정하는 단계에서는, 히터의 가열에 따른 냉각수의 온도 변화량 대비 히터의 소모 전력량에 현재 냉각수의 온도와 해빙 완료 온도 사이의 온도차를 곱하여 해빙 에너지를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    고전압 배터리의 해빙 제어 SOC를 산출하는 단계에서는, 연료전지의 발전이 요구되는 고전압 배터리의 기준 SOC에 추정한 해빙 에너지에 따른 고전압 배터리의 SOC 변화량을 합산하여 고전압 배터리의 해빙 제어 SOC를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    냉각수를 가열하는 단계에서는, 히터는 추정한 해빙 에너지가 소모될 때까지 냉각수를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    냉각수를 가열하는 단계에서는, 히터의 냉각수 가열이 종료될 때까지 연료전지의 전력 발전을 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.
  12. 청구항 5에 있어서,
    냉각수를 가열하는 단계 이후에는, 현재 냉각수의 온도와 해빙 완료 온도를 비교하여 해빙이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 제어방법.



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