KR20210012412A - 연료전지 스택의 출력 제어 방법 - Google Patents

연료전지 스택의 출력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 관한 것으로, 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택의 출력을 효율적으로 제어함으로써, 각 연료전지 스택의 출력 성능 간 차이가 커지는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 출력 제어 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 있어서, 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택이 출력해야 하는 총 요구 전류값을 산출하는 단계; 및 각 연료전지 스택의 전압에 기초하여 상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 스택의 출력 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING OUTPUT OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택의 출력을 효율적으로 제어하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 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.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
최근, 고출력이 안정적으로 요구되는 대형 차종(버스, 트럭 등)에는 복수의 연료전지 스택이 병렬로 연결된 연료전지시스템이 탑재되고 있는데, 각 연료전지 스택은 그 구조상 성능 차이가 있고, 아울러 내구 열화 또는 성능 열화의 차이가 있어 연료전지 스택 간 전압 차가 발생할 수 있다.
이렇게 복수의 연료전지 스택이 구비된 FCEV에서 각 연료전지 스택의 출력을 제어하는 종래의 기술은, 전압이 높은 연료전지 스택에는 낮은 전류를 요구하고 전압이 낮은 연료전지 스택에는 높은 전류를 요구하기 때문에 전압이 낮은 연료전지 스택의 열화를 가속시키고, 아울러 연료전지시스템의 출력 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택의 출력을 효율적으로 제어함으로써, 각 연료전지 스택의 출력 성능 간 차이가 커지는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 있어서, 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택이 출력해야 하는 총 요구 전류값을 산출하는 단계; 및 각 연료전지 스택의 전압에 기초하여 상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계는, 각 연료전지 스택에 할당할 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 비율에 상응하는 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는, 각 연료전지 스택의 전압 차가 최소가 되도록 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 총 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는 주기적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 각 연료전지 스택에 전류를 할당하는 단계는, 복수의 연료전지 스택 중 적어도 하나의 연료전지 스택에 할당한 요구 전류값이 해당 연료전지 스택의 최대 가용 전류값을 초과하는 경우, 이전 시점에 산출된 할당 비율이 적용된 요구 전류값과 최대 가용 전류값 중 작은 값을 해당 연료전지 스택에 할당할 수 있다.
또한, 상기 산출된 총 요구 전류값을 할당하는 단계는, 각 연료전지 스택의 출력 전류값이 기준값을 초과하는 경우에 수행될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은, 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 있어서, 제1 연료전지 스택과 제2 연료전지 스택을 구비한 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 요구되는 총 요구 전류값을 산출하는 단계; 각 연료전지 스택의 전압 차가 최소가 되도록 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 할당 비율에 따라 제1 연료전지 스택과 제2 연료전지 스택에 각각 요구 전류값을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 요구 전류값을 할당하는 단계는, 상기 제2 연료전지 스택에 비해 전압이 높은 상기 제1 연료전지 스택에 더 높은 요구 전류값을 할당하는 단계; 및 상기 제1 연료전지 스택에 비해 전압이 낮은 상기 제2 연료전지 스택에 더 낮은 요구 전류값을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는 주기적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 요구 전류값을 할당하는 단계는, 제1 연료전지 스택 및 제2 연료전지 스택에 각각 할당된 요구 전류값이 해당 연료전지 스택의 최대 가용 전류값을 초과하는 경우, 이전 시점에 산출된 할당 비율이 적용된 요구 전류값과 최대 가용 전류값 중 작은 값을 해당 연료전지 스택에 할당할 수 있다.
또한, 상기 요구 전류값을 할당하는 단계는, 제1 연료전지 스택의 출력 전류값과 제2 연료전지 스택의 출력 전류값이 모두 기준값을 초과하는 경우에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법은, 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택의 출력을 효율적으로 제어함으로써, 각 연료전지 스택의 출력 성능 간 차이가 커지는 것을 방지할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지 차량의 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 제1 연료전지 스택(FC1, 111)의 전압 그래프(210)과 제2 연료전지 스택(FC2, 121)의 전압 그래프(220)를 나타내는 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 요구 전류값 조절 팩터를 나타내는 도면,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 대한 흐름도,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지 차량의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지 차량(FCEV)은, 제1 연료전지 모듈(110), 제2 연료전지 모듈(120), 제1 모터(Motor1, 130), 제1 모터 제어기(INV1, 140), 제2 모터(Motor2, 150), 제2 모터 제어기(INV2, 160), 고전압배터리(BAT, 170), 차량 부하(180), 및 차량 제어기(VCU, 190)를 포함할 수 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 제1 연료전지 모듈(110)은 FCEV에 구동력을 제공하는 모듈로서, 수소와 산소를 이용하여 전기에너지를 생산하는 제1 연료전지 스택(111), 연료전지 스택(111)의 운전을 보조하는 제1 보조부(BOP1, 112), 제1 연료전지 스택(111)의 운전을 제어하는 연료전지 제어기(FCU1, 113), 제1 연료전지 스택(111)의 출력을 조절하는 제1 DC-DC 컨버터(CNV1, 114)를 구비할 수 있다.
제2 연료전지 모듈(120)은 FCEV에 구동력을 제공하는 모듈로서, 수소와 산소를 이용하여 전기에너지를 생산하는 제2 연료전지 스택(121), 연료전지 스택(121)의 운전을 보조하는 제2 보조부(BOP2, 122), 제2 연료전지 스택(121)의 운전을 제어하는 연료전지 제어기(FCU2, 123), 제2 연료전지 스택(121)의 출력을 조절하는 제2 DC-DC 컨버터(CNV2, 124)를 구비할 수 있다.
제1 모터(130)는 FCEV의 좌측 휠을 구동시킨다. 이때, 제1 모터 제어기(140)는 제1 모터(130)를 제어한다.
제2 모터(150)는 FCEV의 우측 휠을 구동시킨다. 이때, 제2 모터 제어기(160)는 제2 모터(150)를 제어한다.
고전압배터리(170)는 연료전지의 초기 구동에 전원을 공급하거나 연료전지의 발전 전력을 충전할 수 있고, 제1 모터(130) 및 제2 모터(150)의 회생제동 에너지를 저장할 수 있다.
차량 부하(180)는 FCEV에 구비된 전기장치(에어컨, 난방장치 등)로서, 고전압배터리(170)와 연결되어 있다.
차량 제어기(190)는 연료전지 차량을 제어하는 상위 제어기로서, 제1 모터 제어기(140)와 제2 모터 제어기(160)를 제어하는 것은 물론, 제1 연료전지 스택(111)의 출력을 조절하기 위해 제1 DC-DC 컨버터(114)와 연료전지 제어기(FCU1, 113)를 제어하고, 제2 연료전지 스택(121)의 출력을 조절하기 위해 제2 DC-DC 컨버터(124)와 연료전지 제어기(123)를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법은 차량 제어기(190)에 의해 수행되며, 이러한 차량 제어기(190)는 연료전지 스택의 출력을 제어하는데 요구되는 각종 로직과 알고리즘 및 프로그램이 기록된 메모리(미도시)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
또한, 차량 제어기(190)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다. 이러한 차량 제어기(190)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있고, 물론 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로도 구현될 수 있다. 바람직하게는, 차량 제어기(190)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 차량 제어기(190)는 각 모터(130, 150)의 소모 출력, 회생제동 출력, 각종 부하 출력을 종합하여 전체 요구 출력을 산출할 수 있다. 즉, 차량 제어기(190)는 각 연료전지 스택(111, 121)이 출력해야 하는 총 요구 전류값(전류량)을 산출할 수 있다.
차량 제어기(190)는 고전압 배터리(170)로 충당 가능한 출력 이외의 분량을 연료전지 모듈(110, 120)을 통해 충당한다. 이때, 차량 제어기(190)가 각 FCU(113, 123)에 요구하는 전류값(전류량)은 각 FCU(113, 123)가 예상하는 최대 가용 전류값(전류량)을 초과하지 않는다. 이때, 차량 제어기(190)는 각 FCU(113, 123)로부터 현재 전압값과 전류값 및 최대 가용 전류값을 제공받을 수 있다.
이하, 도 2와 도 3a 및 도 3b를 참조하여 차량 제어기(190)가 제1 연료전지 스택(111)의 출력과 제2 연료전지 스택(121)의 출력을 제어하는 과정에 대해 상세히 살펴보도록 한다. 이때, 차량 제어기(190)는 제1 연료전지 스택(111)과 제2 연료전지 스택(121)이 정상 발전 상태이고, 각 연료전지 스택(111, 121)이 최소 전류값 이상 출력하는 경우에 각 연료전지 스택(111, 121)의 출력을 조절하는 것이 바람직하다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 이용되는 제1 연료전지 스택(FC1, 111)의 전압 그래프(210)과 제2 연료전지 스택(FC2, 121)의 전압 그래프(220)를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 성능 차이 및 내구 열화 또는 성능 열화의 차이에 따라 제1 연료전지 스택(FC1, 111)과 제2 연료전지 스택(FC2, 121) 간 전압 차가 발생하는 것을 알 수 있다.
도 2에서, i_R10는 제1 연료전지 스택(FC1, 111)에 대한 초기 요구 전류값을 나타내고, i_R20는 제2 연료전지 스택(FC2, 121)에 대한 초기 요구 전류값을 나타낸다. 이때, i_R10와 i_R20는 일례로 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 총 요구 전류값은 i_R10와 i_R20를 합한 값이 된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, 0.5는 초기 요구 비율, V1은 제1 연료전지 스택(FC1, 111)의 전압, V2는 제2 연료전지 스택(FC2, 121)의 전압, Pfc는 차량의 요구 전력을 각각 나타낸다.
또한, i_R1는 제1 연료전지 스택(FC1, 111)과 제2 연료전지 스택(FC2, 121) 간 전압 차가 고려된 제1 연료전지 스택(FC1, 111)에 대한 요구 전류값을 나타내고, i_R2는 제1 연료전지 스택(FC1, 111)과 제2 연료전지 스택(FC2, 121) 간 전압 차가 고려된 제2 연료전지 스택(FC2, 121)에 대한 요구 전류값을 나타낸다. 이때, i_R1과 i_R2는 일례로 하기의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, K1은 요구 비율을 나타낸다.
결국, 차량 제어기(190)는 전압이 높은 제1 연료전지 스택(FC1, 111)이 더 높은 전류를 출력하도록 제어하고, 전압이 낮은 제2 연료전지 스택(FC2, 121)이 더 낮은 전류를 출력하도록 제어한다. 즉, 차량 제어기(190)는 하기의 [수학식 3]이 0이 되도록 제1 연료전지 스택(FC1, 111)의 출력 전류와 제2 연료전지 스택(FC2, 121)의 출력 전류를 제어한다. 이때, [수학식 3]에는 노이즈 제거를 위한 이동평균(Moving Average)이 적용될 수도 있다.
[수학식 3]
Figure pat00005
ΔV가 0에 가까워지는 방향으로 제1 연료전지 스택(FC1, 111)의 출력 전류와 제2 연료전지 스택(FC2, 121)의 출력 전류를 제어하기 위해, 차량 제어기(190)는 하기의 [수학식 4]를 이용할 수 있다.
[수학식 4]
K1n = K1n-1 + (α×β)
여기서, α와 β는 조절 팩터(factor)로서 α는 부호를 나타내고, β는 조절값을 나타낸다.
도 3a에 도시된 바와 같이, ΔV < -D 이면 α= -1, -D≤ΔV≤D 이면 α=0, ΔV > D이면 α=1과 같이 α의 부호를 결정할 수 있다. 이때, D는 임계치로서 일례로 5~10 사이의 값으로 설정될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, β는 ΔV의 미분값(
Figure pat00006
)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 차량 제어기(190)는 ΔV의 미분값이 양의 영역에서 커질수록 β도 증가시켜 결국 K1이 커지도록 조절하여 제1 연료전지 스택(111)에 더 큰 전류를 요구하고, ΔV의 미분값이 음의 영역에서 커질수록 β도 증가시켜 결국 K1이 작아지도록 조절하여 제1 연료전지 스택(111)에 더 작은 전류를 요구한다.
결국, V1과 V2의 차이가 커질수록 ΔV가 D보다 커지므로, α=1, β>0를 만족하여 K1이 증가한다. 즉, i_R1는 증가하고 i_R2는 감소한다.
또한, V1과 V2의 차이가 작아질수록 ΔV가 -D보다 작아지므로, α= -1, β>0를 만족하여 K1이 작아진다. 즉, i_R1는 감소하고 i_R2는 증가한다.
차량 제어기(190)는 도 2에 도시된 바와 같이 ΔV가 0에 가까워지는 방향, 즉 V1과 V2가 같아지도록 제1 연료전지 스택(111)과 제 연료전지 스택(121)에 요구하는 전류를 조절한다.
한편, 차량 제어기(190)는 제1 연료전지 스택(111)의 최대 가용 전류값(i_max1)을 초과하는 요구 전류값을 제1 연료전지 스택(111)에 요구하지 않고, 제2 연료전지 스택(121)의 최대 가용 전류값(i_max2)을 초과하는 요구 전류값을 제2 연료전지 스택(121)에 요구하지 않는다.
차량 제어기(190)는 i_R1 > i_max1 이거나 i_R2 > i_max2 이면, 이전 시점에 산출된 K1이 적용된 i_R1과 i_max1 중 최소값을 제1 연료전지 스택(111)에 대한 요구 전류값으로 결정하고, 이전 시점에 산출된 K1이 적용된 i_R2과 i_max2 중 최소값을 제2 연료전지 스택(121)에 대한 요구 전류값으로 결정한다.
이상에서는 연료전지 스택이 2개인 경우를 예로 들어 설명했으나, 연료전지 스택의 수는 본 발명에 아무런 영향을 미치지 않는다.
이하, 연료전지 스택이 3개인 경우에 대해 간략히 살펴도록 한다.
제1 연료전지 스택에 요구되는 전류값(i_R1)과, 제2 연료전지 스택에 요구되는 전류값(i_R2), 및 제3 연료전지 스택에 요구되는 전류값(i_R3)은 하기의 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, K1,K2,K3는 각각 요구 비율을 나타내며, 초기값은 모두 1/3이 되며, K1+K2+K3=1의 관계를 만족한다.
아울러, ΔV1과 ΔV2 및 ΔV3는 하기의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
ΔV1 = V1 - (V1+V2+V3)/3
ΔV2 = V2 - (V1+V2+V3)/3
ΔV3 = V3 - (V1+V2+V3)/3
또한, K1와 K2 및 K3는 하기의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
K1n = K1n-1 + α1 × β1
K2n = K2n-1 + α2 × β2
K3n = 1 - K1n - K2n
연료전지 스택이 2개인 경우와 동일한 방식으로, α1와 β1은 ΔV1와 d(ΔV1)/dt 의 관계로, α2와 β2는 ΔV2와 d(ΔV2)/dt 의 관계로 각각 연산된다.
ΔV1 < -D 이면 α1= -1, -D≤ΔV1≤D 이면 α1= 0, ΔV1 > D이면 α1= 1과 같이 α1의 부호를 결정할 수 있다. 이때, D는 임계치로서 일례로 5~10 사이의 값으로 설정될 수 있다.
β1는 ΔV1의 미분값(
Figure pat00010
)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 차량 제어기(190)는 ΔV1의 미분값이 양의 영역에서 커질수록 β1도 증가시켜 결국 K1이 커지도록 조절하여 제1 연료전지 스택(111)에 더 큰 전류를 요구하고, ΔV1의 미분값이 음의 영역에서 커질수록 β1도 증가시켜 결국 K1이 작아지도록 조절하여 제1 연료전지 스택(111)에 더 작은 전류를 요구한다.
α2와 β2도 상기와 동일한 방식으로 결정될 수 있다.
이렇게 3개의 연료전지 스택이 적용된 경우에도 차량 제어기(190)는 각 연료전지 스택에 최대 가용 전류값을 초과하는 전류값을 요구하지 않는다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 차량 제어기(190)가 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택이 출력해야 하는 총 요구 전류값을 산출한다(401).
이후, 차량 제어기(190)가 각 연료전지 스택의 전압에 기초하여 상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당한다(402).
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 제어 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive), 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 제1 연료전지 모듈
120: 제2 연료전지 모듈
130: 제1 모터(Motor1)
140: 제1 모터 제어기(INV1)
150: 제2 모터(Motor2)
160: 제2 모터 제어기(INV2)
170: 고전압배터리(BAT)
180: 차량 부하
190: 차량 제어기(VCU)

Claims (11)

  1. 복수의 연료전지 스택이 장착된 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 각 연료전지 스택이 출력해야 하는 총 요구 전류값을 산출하는 단계; 및
    각 연료전지 스택의 전압에 기초하여 상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계
    를 포함하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출된 총 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계는,
    각 연료전지 스택에 할당할 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 비율에 상응하는 요구 전류값을 각 연료전지 스택에 할당하는 단계
    를 포함하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는,
    각 연료전지 스택의 전압 차가 최소가 되도록 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 총 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는,
    주기적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 연료전지 스택에 전류를 할당하는 단계는,
    복수의 연료전지 스택 중 적어도 하나의 연료전지 스택에 할당한 요구 전류값이 해당 연료전지 스택의 최대 가용 전류값을 초과하는 경우, 이전 시점에 산출된 할당 비율이 적용된 요구 전류값과 최대 가용 전류값 중 작은 값을 해당 연료전지 스택에 할당하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산출된 총 요구 전류값을 할당하는 단계는,
    각 연료전지 스택의 출력 전류값이 기준값을 초과하는 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  7. 제1 연료전지 스택과 제2 연료전지 스택을 구비한 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)에서 요구되는 총 요구 전류값을 산출하는 단계;
    각 연료전지 스택의 전압 차가 최소가 되도록 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 할당 비율에 따라 제1 연료전지 스택과 제2 연료전지 스택에 각각 요구 전류값을 할당하는 단계
    를 포함하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 요구 전류값을 할당하는 단계는,
    상기 제2 연료전지 스택에 비해 전압이 높은 상기 제1 연료전지 스택에 더 높은 요구 전류값을 할당하는 단계; 및
    상기 제1 연료전지 스택에 비해 전압이 낮은 상기 제2 연료전지 스택에 더 낮은 요구 전류값을 할당하는 단계
    를 포함하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 총 요구 전류값의 할당 비율을 산출하는 단계는,
    주기적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 요구 전류값을 할당하는 단계는,
    제1 연료전지 스택 및 제2 연료전지 스택에 각각 할당된 요구 전류값이 해당 연료전지 스택의 최대 가용 전류값을 초과하는 경우, 이전 시점에 산출된 할당 비율이 적용된 요구 전류값과 최대 가용 전류값 중 작은 값을 해당 연료전지 스택에 할당하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 요구 전류값을 할당하는 단계는,
    제1 연료전지 스택의 출력 전류값과 제2 연료전지 스택의 출력 전류값이 모두 기준값을 초과하는 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 출력 제어 방법.
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