KR20210074712A - 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법 - Google Patents

차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법에 관한 것으로, 차량의 운행 중에 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정할 수 있는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법을 제공하는데 목적이 있다.

Description

차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법 {Method for measuring impedance of fuel cell stack in vehicle}
본 발명은 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법에 관한 것으로, 상세하게는 차량의 운행 중에 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 임피던스 측정은 연료전지 스택의 상태를 파악하는 방법 중 하나이다. 여러 주파수 대역별로 연료전지 스택의 임피던스를 측정함에 의해 연료전지 스택의 내부 상태의 물리현상을 파악할 수 있다.
고주파 영역에서는 연료전지 스택 내부의 물량을 추정하여 오믹(ohmic) 손실을 판단할 수 있고, 저주파 영역에서는 연료전지 셀의 캐소드 촉매층과 기체 확산층에서의 물질전달 손실 특성을 추정할 수 있고, 상기 고주파 영역과 저주파 영역 사이의 주파수 영역에서는 연료전지 셀의 다공체 촉매층에서의 수소이온 이동 및 전기화학 반응 특성을 포함하는 활성화 손실의 판단이 가능하다.
통상 임피던스는, 연료전지 스택의 정상 상태(steady state)의 운전점(예를 들어, 정전류 또는 정전압)에서 주파수 대역별로 미소의 교류신호를 연료전지 스택의 전압단(출력단)에 인가한 후 그에 대한 응답신호의 진폭과 위상차를 이용하여 측정된다.
그런데, 차량의 운행 중에는 임피던스 측정을 위한 소정의 운전점에서 연료전지 스택의 출력이 정상 상태에 도달하기 어려운 문제가 있으며, 정상 상태에 도달하더라도 그 정상 상태를 지속하는 것이 어려운 문제가 있다.
또한 소정 운전점에서 연료전지 스택의 출력이 정상 상태에 도달하더라도, 연료전지 스택에 연결되어 있는 다양한 주변 부품의 임피던스가 존재하기 때문에, 연료전지 스택의 임피던스 값을 정확하게 측정하기 어려운 문제가 있으며, 그에 따라 연료전지 스택의 임피던스 측정 정확도가 저하되는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 운행 중에 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정할 수 있는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 연료전지 스택의 전력을 이용하여 구동되는 차량의 운행 중에 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 요구되는지를 판단하는 제1단계; 상기 임피던스 측정이 요구되면 상기 연료전지 스택과 배터리를 연결하는 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환시켜서 상기 연료전지 스택의 출력전류가 DC-DC 컨버터를 통해 상기 배터리쪽으로 흐르는 것을 차단하는 제2단계; 상기 임피던스 측정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 제1 전류값을 결정하는 제3단계; 상기 연료전지 스택의 출력전류를 소모하는 COD 가변저항의 저항값을 상기 제1 전류값에 따라 제어하는 제4단계; 상기 연료전지 스택의 출력전류가 상기 제1 전류값을 유지하는 동안 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제5단계;를 포함하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 제1단계에서 연료전지 스택의 임피던스 측정이 요구되는 것으로 판단되면, 상기 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환시키기 전에, 연료전지 스택을 이용한 충전을 통해 배터리의 충전량(SOC, state of charge)을 정해진 제1기준값 이상으로 상승시킨다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 작동될 때, 상기 연료전지 스택은 COD 가변저항과 스택 주변 장치의 요구전류에 따른 전류를 출력하도록 운전된다.
따라서, 상기 제5단계에서 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 중에 스택 주변 장치의 구동을 위한 요구전류가 변경되면, 상기 가변저항의 저항값을 변경시켜서 연료전지 스택의 출력전류를 상기 제1 전류값으로 유지시킨다.
그리고, 상기 제5단계에서 상기 연료전지 스택의 임피던스를 정해진 주파수 대역별로 측정하는 동안 상기 배터리의 충전량을 모니터링한다. 모니터링 결과, 상기 배터리의 충전량이 상기 제1기준값보다 일정치 작은 제2기준값 이하가 되면, 연료전지 스택의 임피던스 측정을 중단하고, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환시켜서 연료전지 스택의 출력이 DC-DC 컨버터를 통해 차량 구동용 모터로 공급되도록 한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 제5 단계에서 연료전지 스택의 임피던스 측정이 완료되면, 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 재요구되는지를 판단한다. 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 재요구되면 임피던스 측정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 제2 전류값을 결정하고, 상기 제2 전류값에 따라 COD 가변저항의 저항값을 제어하며, 상기 연료전지 스택의 출력전류가 상기 제2 전류값을 유지하는 동안 상기 연료전지 스택의 임피던스를 재측정한다. 이때 상기 제2 전류값은 상기 제1 전류값과 다른 전류값이다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은, 연료전지 스택의 임피던스 측정이 요구될 때 연료전지 스택의 출력전류를 원하는 일정 전류값으로 제어할 수 있으며, 그에 따라 원하는 운전점(전류값)에서 연료전지 스택의 임피던스를 측정할 수 있으며, 또한 다양한 운전점에서 연료전지 스택의 임피던스를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 연료전지 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 연료전지 스택의 임피던스 측정이 가능한 전류영역을 일례로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정을 위한 제어 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 연료전지 스택이 운전되는 다양한 전류값에서 측정된 주파수 영역대별 임피던스를 일례로 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
일반적으로 차량용 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 위해서는, 연료전지 스택의 출력이 일정 전류 또는 일정 전압의 정상 상태(steady state)에 도달하는 것이 필요하다.
다시 말해, 차량에 설치되어 있는 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 위해서는, 연료전지 스택의 출력이 일정 전류 값으로 유지되는 정전류 상태 또는 일정 전압 값으로 유지되는 정전압 상태에 도달하는 것이 필요하다.
즉, 연료전지 스택의 전력을 이용하여 구동되는 차량의 운행 중에 상기 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정하기 위해서는, 연료전지 스택에서 일정 전류 또는 일정 전압이 출력되는 상태를 일정 시간 동안 유지하는 것이 필요하다.
그리고 상기와 같은 연료전지 스택의 임피던스 측정 조건이 만족될 때 연료전지 스택의 주파수 영역대별 임피던스 측정이 가능하다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(1)은, 차량에 설치될 때, 연료전지 스택(1)의 출력전류에 의해 충전될 수 있는 배터리(2)와, 상기 배터리(2)의 충전시 전력 변환을 수행할 수 있는 DC-DC 컨버터(5)와, 상기 배터리(2)를 동력원(전력공급원)으로 이용하여 구동되는 차량 구동용 모터(3)와, 상기 연료전지 스택(1)의 운전시 사용되는 스택 주변 장치(7) 등이 연결된다. 상기 스택 주변 장치(7)는 연료전지 스택(1)에 공기를 공급하는 공기압축기(7a)와 연료전지 스택(1)에 냉각수를 순환시켜 공급하는 냉각수펌프(7b) 등이 있다. 참고로, 상기 스택 주변 장치(7)는 BOP(Balance of Plant)라고도 한다.
연료전지 스택(1)은 차량에서 상기와 같이 여러 부품들이 연결되기 때문에, 차량의 운행 중에 연료전지 스택(1)의 임피던스를 정확하게 측정하기가 쉽지 않다. 또한 연료전지 스택(1)의 출력이 일정 전류 또는 일정 전압의 정상 상태에 도달한 후 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하더라도, 측정된 임피던스 값에 연료전지 스택(1)과 연결된 부품들의 임피던스도 포함되어 측정되기 때문에 임피던스의 측정 정확도가 저하된다.
따라서, 연료전지 스택(1)의 임피던스를 정확하게 측정하기 위해서는, 연료전지 스택(1)에서 일정 전류가 출력되는 정상 상태(steady state)에서 연료전지 스택(1)만의 임피던스를 측정해야 한다.
그리고, 저주파 대역에서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하기 위해서는 시간이 비교적 많이 걸리므로, 연료전지 스택(1)의 임피던스를 주파수 대역별로 측정하기 위해서는 연료전지 스택(1)에서 일정 전류가 출력되는 정상 상태를 일정 시간 동안 유지하는 것이 필수적이다.
또한, 연료전지의 내부 상태의 물리현상을 전류영역대별로 파악하기 위해서는, 연료전지 스택(1)의 임피던스를 정확하게 측정하는 것은 물론이고, 연료전지 스택(1)의 다양한 전류영역대에서 임피던스를 측정하는 것이 필요하다.
이에 본 발명에서는 연료전지 스택(1)의 출력전류를 일정시간 동안 정상 상태로 유지시켜서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 정확하게 측정하는 동시에, 연료전지 스택(1)의 출력전류를 원하는 전류값으로 제어하여서 연료전지 스택(1)의 다양한 전류영역대에서 임피던스를 측정할 수 있도록 한다.
도 1을 보면, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 스택(1)의 출력전력을 변환하여 배터리(2)에 공급할 수 있는 DC-DC 컨버터(5)와, 연료전지 시스템의 정지시 연료전지 스택(1)의 전력을 소진시킬 수 있는 저항체를 포함하여 구성된다.
상기 DC-DC 컨버터(5)는 제1 정션박스(9)를 통해 연료전지 스택(1)과 전기적으로 연결되고 제2 정션박스(10)를 통해 배터리(2)와 전기적으로 연결된다. 즉, 연료전지 스택(1)은 DC-DC 컨버터(5)를 통해 배터리(2)와 연결된다.
상기 제1 정션박스(9)는, 연료전지 스택(1)과 DC-DC 컨버터(5)를 전기적으로 연결하는 동시에, 연료전지 스택(1)과 스택 주변 장치(7)를 전기적으로 연결하고, 연료전지 스택(1)과 COD 가변저항(6)을 전기적으로 연결한다.
상기 제2 정션박스(10)는, 배터리(2)와 DC-DC 컨버터(5)를 연결하는 동시에, 배터리(2)와 모터(3)를 연결하고, 배터리(2)와 전장부품(4)을 연결한다. 상기 전장부품(4)은 배터리(2)의 전력을 소모하여 구동되는 차량내 전장부품이다. 상기 모터(3)는 차량의 주행 구동력을 발생하는 장치이다.
상기 저항체는 연료전지 제어기(11)의 지령에 의해 변동되는 저항값을 가지게 되는 가변저항이며, 구체적으로 상기 저항체는 COD 가변저항(6)이다.
상기 COD 가변저항(6)은 차량의 냉시동 시 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수를 급속 가열하여 승온시키는 기능과, 차량의 시동 시나 셧다운 시 연료전지 스택(1)의 내부 잔여 산소를 제거하는 기능을 수행할 수 있다.
연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)의 전류영역대 중 선정된 2개 이상의 전류값에서 연료전지 스택(1)의 운전이 가능하도록 하기 위해 상기 COD 가변저항(6)의 저항값을 변경 제어할 수 있다.
연료전지 스택(1)의 전류영역대는 연료전지 스택(1)의 운전 중 연료전지 스택(1)이 출력할 수 있는 전류영역이다. 첨부된 도 2는 연료전지 스택의 운전점을 일례로 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(1)은 소정 범위의 운전점에서 작동될 수 있으며 각 운전점에 해당하는 전압 및 전류를 출력할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(1)은 300V를 기준으로 0~100A 범위의 전류를 출력할 수 있고 250V를 기준으로 0~120A 범위의 전류를 출력할 수 있다.
좀더 말하면, 상기 연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)의 전류영역대 중 임피던스를 측정하고 싶은 전류값에서 연료전지 스택(1)의 운전이 수행되도록 하기 위해 상기 COD 가변저항(6)의 저항값을 제어한다.
상기 COD 가변저항(6)은 연료전지 제어기(11)로부터 전달되는 지령에 의해 저항값이 변경되도록 구성된 가변저항장치이다. 따라서 상기 COD 가변저항(6)의 저항값을 제어함에 의해 연료전지 스택(1)의 출력전류를 제어할 수 있다.
상기 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정할 때 제2 정션박스(10)를 통해 DC-DC 컨버터(5)에 연결되는 부품들(모터 및 전장부품 등)의 영향을 제거하고 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정 정확도를 확보하기 위해, 연료전지 제어기(11)는 DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시킨다.
상기 DC-DC 컨버터(5)는, 벅 모드로 작동되는 경우, 연료전지 스택(1)에서 발생한 전류가 배터리(2)쪽으로 흐르는 것을 차단한다. 상기 DC-DC 컨버터(5)는 벅 모드로 작동시 연료전지 스택(1)의 출력전류를 제2 정션박스(10)로 통전시키는 내부회로가 차단된다. 다시 말해, 상기 DC-DC 컨버터(5)는 벅 모드로 작동시 연료전지 스택(1)의 출력전류가 제2 정션박스(10)측으로 인가되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 내부회로를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서, 상기 DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 전환되는 경우, 연료전지 스택(1)의 출력전류는 DC-DC 컨버터(5)를 통해 배터리(2)쪽으로 흐르는 것이 차단된다.
상기 DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 전환되지 않으면, 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정시 제2 정션박스(10)에 연결된 배터리(2)와 모터(3) 등에 의해 임피던스 측정 정확도가 저하될 수 있다. 따라서 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 요구될 때 상기 DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시키는 것이 필요하다.
연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)로부터 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 수행하기 위한 요청신호를 전송받을 수 있다. 상기 임피던스 측정기(8)는 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 수행하기 전에 상기 임피던스 측정을 위한 시스템의 조건 조성을 연료전지 제어기(11)에 요구할 수 있다. 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)로부터 상기 요청신호를 수신하는 경우 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 요구되는 것으로 판단할 수 있다.
이에 연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 요구하는 신호가 수신되면 DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시킨다.
상기 연료전지 제어기(11)는, 배터리(2)의 전력을 이용하여 구동되는 모터(3)와 전장부품(4)의 정상적인 작동을 위해, 상기 배터리(2)의 충전량(SOC, state of charge)이 정해진 제1기준값(α) 이상인 경우에 DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시킨다.
따라서 연료전지 제어기(11)는, 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 요청신호가 수신될 때 배터리(2)의 충전량이 상기 제1기준값(α) 미만이면, DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시키기 전에 배터리(2)의 충전량을 제1기준값(α) 이상으로 상승시킨다.
연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)을 이용한 배터리(2)의 충전을 실행시켜 배터리(2)의 충전량을 증가시킬 수 있다. 이때 연료전지 제어기(11)는 DC-DC 컨버터(5)를 이용하여 배터리(2)에 공급되는 연료전지 스택(1)의 출력전력을 변환시킬 수 있다.
또한 연료전지 제어기(11)는 DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 전환된 이후에 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하이면 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시시킨다. 상기 제2기준값(β)은 제1기준값(α)보다 일정치만큼 작은 충전량으로 설정된다.
연료전지 제어기(11)는 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하이면 배터리(2)의 전력을 이용한 모터(3)의 구동 안정성이 저하되는 것으로 판단하고, 차량의 주행 안전성을 확보하기 위해 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시킨다. 상기 배터리(2)는 과도한 방전으로 인해 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하로 감소될 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터(5)는 부스트 모드로 작동시 연료전지 스택(1)의 전력을 모터(3)가 사용가능한 전력 레벨로 변환시켜 모터(3)에 직접 인가할 수 있다. 이를 위해 상기 DC-DC 컨버터(5)는 부스트 모드로 작동시 연료전지 스택(1)의 출력을 모터(3)의 구동전압 레벨로 승압시킬 수 있도록 하는 내부회로를 포함하여 구성된다.
즉, 연료전지 제어기(11)는 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하로 감소되면 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시켜서 연료전지 스택(1)의 출력을 차량 구동에 사용하도록 한다.
상기 연료전지 제어기(11)는 DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 전환된 이후 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β)보다 크면 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 전류값(제1 전류값)을 결정한다.
이때 상기 제1 전류값은 연료전지 스택(1)의 전류영역대에 포함되는 전류값중에서 선정되는 전류값이며, 상기 제1 전류값은 연료전지 스택(1)의 내부 상태의 물리현상을 파악하기에 적절한 전류값으로 결정될 수 있다.
상기 제1 전류값을 결정한 다음, 상기 제1 전류값을 기초로 COD 가변저항(6)의 저항값(제1 저항값)을 결정 제어할 수 있다.
DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 작동되는 경우, 연료전지 스택(1)의 출력전류는 스택 주변 장치(7)와 COD 가변저항(6)의 요구전류(사용전류)에 따라 결정된다. 다시 말해, 상기 DC-DC 컨버터(5)가 벅 모드로 작동될 때, 상기 연료전지 스택(1)은 COD 가변저항(6)과 스택 주변 장치(7)의 요구전류에 따른 전류를 출력하도록 운전된다.
따라서 상기 제1 전류값에서 스택 주변 장치(7)의 요구전류 값을 차감하여 COD 가변저항(6)의 사용전류를 산출할 수 있으며, 상기 COD 가변저항(6)의 사용전류에 따라 COD 가변저항(6)의 제1 저항값을 결정할 수 있다.
상기 COD 가변저항(6)의 저항값은 연료전지 제어기(11)의 지령에 따라 제1 저항값으로 제어될 수 있다. COD 가변저항(6)이 상기 제1 저항값으로 제어되는 경우, 연료전지 스택(1)은 제1 전류값에서의 운전이 가능하다. 다시 말해, COD 가변저항(6)의 저항값이 상기 제1 저항값으로 제어되는 경우, 연료전지 스택(1)은 제1 전류값에 해당하는 전류를 출력하는 상태로 운전된다.
상기 COD 가변저항(6)은 사용전력이 정해지는 부품이기 때문에 그 저항값이 상기 제1 저항값으로 제어되면 상기 제1 저항값에 따라 소정의 전류를 소모하게 된다.
따라서, 상기 연료전지 제어기(11)의 지령에 따라 COD 가변저항(6)의 저항값을 제1 저항값으로 제어함으로써 연료전지 스택(1)의 운전점을 제1 전류값으로 제어할 수 있다.
임피던스 측정기(8)는, 상기 제1 저항값에 따라 COD 가변저항(6)이 구동되고 연료전지 스택(1)의 운전을 위해 스택 주변 장치(7)가 구동된 다음, 연료전지 스택(1)의 출력전류가 정상 상태로 안정화되면 연료전지 스택(1)의 임피던스를 주파수 대역별로 측정한다.
상기 임피던스 측정기(8)는 연료전지 스택(1)의 출력전류가 제1 전류값을 유지하는 동안 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정한다. 상기 임피던스 측정기(8)가 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정할 때, 연료전지 스택(1)의 출력전압은 일정하게 제어된다.
임피던스 측정시 연료전지 스택(1)의 출력전류가 일정 범위 이내의 진폭을 형성하도록 하기 위해, 공기압축기(7a)는 연료전지 스택(1)에 일정 유량의 공기를 공급하도록 구동될 수 있다. 상기 연료전지 스택(1)의 출력전류가 일정 범위의 진폭을 벗어나면, 상기 연료전지 스택(1)에 공급되는 공기의 유량을 조절함에 의해 상기 연료전지 스택(1)의 출력전류의 진폭을 일정 범위 이내로 제어할 수 있다.
연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)가 정해진 주파수 대역별로 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하는 동안 배터리(2)의 충전량을 모니터링한다.
연료전지 제어기(11)는, 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하는 중에 상기 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하가 되면, 차량의 주행 안전성을 확보하기 위해 임피던스 측정을 즉시 중단하고 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시킨다.
상기 DC-DC 컨버터(5)가 부스트 모드로 작동될 때, 연료전지 스택(1)의 출력은 차량의 구동에 사용된다.
한편, 상기 스택 주변 장치(7)는 연료전지 스택(1)의 운전 및 발전에 관련된 공기압축기(7a) 및 냉각수펌프(7b) 등을 포함하므로, 연료전지 스택(1)의 상태에 따라 스택 주변 장치(7)의 구동을 위한 요구전류가 변동될 수 있다.
따라서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하는 중에 상기 스택 주변 장치(7)의 요구전류가 변동되면, COD 가변저항(6)의 저항값을 변경시켜서 연료전지 스택(1)의 출력이 제1 전류값을 유지하도록 한다.
좀더 말하면, 상기 스택 주변 장치(7)의 요구전류가 변동되는 경우 연료전지 스택(1)의 출력전류가 변경될 수 있으며, 이 경우 연료전지 스택(1)의 임피던스를 주파수 대역별로 측정하는 것이 불가능하게 된다.
따라서 스택 주변 장치(7)의 요구전류가 변동되는 경우 상기 제1 전류값에서 스택 주변 장치(7)의 변동된 요구전류를 차감하여 COD 가변저항(6)의 요구전류를 재산출하고, COD 가변저항(6)의 재산출된 요구전류에 따라 COD 가변저항(6)의 저항값을 재결정한다. 이때 상기 재결정된 COD 가변저항(6)의 저항값은 제1-1 저항값이 된다.
연료전지 제어기(11)가 상기 제1-1 저항값으로 COD 가변저항(6)의 저항값을 제어함에 의해 연료전지 스택(1)의 출력전류는 제1 전류값을 유지하게 된다.
상기 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 완료되면, 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정이 필요한지를 재판단한다. 즉, 제1 전류값에서의 임피던스 측정이 완료되면, 연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 더 요구되는지를 판단한다.
이를 위해 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)로부터 임피던스 측정을 위한 요청신호가 재전송되는지를 모니터링한다. 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)로부터 요청신호가 재전송되면 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 다른 전류값(제2 전류값)을 재결정한다.
다시 말해, 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)의 재요청에 따라 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 상기 제2 전류값을 결정한다. 상기 제2 전류값은 연료전지 스택(1)의 운전영역에 포함되는 전류값이며 상기 제1 전류값과 다른 전류값으로 결정된다.
연료전지 제어기(11)는 상기 제2 전류값을 기초로 COD 가변저항(6)의 저항값을 제어하고, 임피던스 측정기(8)는 상기 제2 전류값을 출력하도록 운전되는 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하게 된다. 이때 상기 COD 가변저항(6)의 저항값은 제2 저항값으로 제어될 수 있다.
아울러, 연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)이 제1 전류값을 출력하도록 운전될 때와 동일한 제어 과정을 재수행할 수 있다.
상기 제2 전류값에서 운전되는 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정한 다음, 또 다른 전류값을 선정하고 상기 선정한 전류값에서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정할 수 있으며, 이러한 과정을 반복함에 의해 다양한 운전점(전류값)에서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정할 수 있다.
이하, 첨부된 도 3을 참조하여 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 제어 과정을 설명하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 연료전지 제어기(11)는 차량의 운행 중에 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 요구되는지를 판단한다(S10). 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)로부터 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 요청신호가 수신되면 상기 임피던스 측정이 요구되는 것으로 판단한다.
연료전지 제어기(11)는 상기 요청신호가 수신되면, 배터리(2)의 충전량이 정해진 제1기준값(α) 이상인지를 판단한다(S11). 배터리(2)의 충전량이 제1기준값(α) 미만이면 연료전지 스택(1)을 이용하여 배터리(2)의 충전을 수행하고(S12), 배터리(2)의 충전량이 제1기준값(α) 이상이면 DC-DC 컨버터(5)를 벅 모드로 전환시킨다(S13).
다음, 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β)을 초과하는지를 판단한다(S14). 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β)을 초과하면 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 위한 제1 전류값을 선정하고, 상기 제1 전류값을 기준으로 COD 가변저항(6)의 저항값을 제1 저항값으로 제어한다(S15).
그 다음, 연료전지 스택(1)의 운전이 가능하도록 스택 주변 장치(7)를 구동시키고 COD 가변저항(6)을 동작시킨다(S16).
이어서, 임피던스 측정기(8)를 이용하여 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정한다(S17).
상기 임피던스 측정기(8)는, 연료전지 스택(1)의 제1 전류값(운전점)에서 주파수 대역별로 미소의 교류신호를 연료전지 스택(1)의 전압단(출력단)에 인가한 후 그에 대한 응답신호의 진폭과 위상차를 이용하여 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정한다.
상기 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하는 동안 배터리(2)의 충전량을 모니터링한다. 즉, 배터리(2)의 충전량이 정해진 제2기준값(β)을 초과하는지를 판단하고(S18), 그 판단 결과 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β)을 초과하면 계속 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하고, 그 판단 결과 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하이면 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시킨다(S19).
또한 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하는 동안 스택 주변 장치(7)의 요구전류가 변동되는지를 모니터링하여 판단한다(S20).
스택 주변 장치(7)의 요구전류가 변경된 것으로 판단되면 COD 가변저항(6)의 저항값을 재결정하여 연료전지 스택(1)의 출력이 제1 전류값을 유지하도록 한다 (S21).
스택 주변 장치(7)의 요구전류가 미변경된 것으로 판단되면 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 지속한다.
연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 수행되는 동안, 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)가 상기 제1 전류값에서 운전되는 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 완료하는지를 판단한다(S22).
한편, 상기 S14에서 배터리(2)의 충전량이 제2기준값(β) 이하인 것으로 판단되면, 연료전지 제어기(11)는 DC-DC 컨버터(5)를 부스트 모드로 전환시킨다(S19). DC-DC 컨버터(5)가 부스트 모드로 작동될 때 연료전지 스택(1)의 출력은 DC-DC 컨버터(5)를 통해 차량 구동을 위한 모터(3)에 공급된다.
상기 S22 단계에서 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 완료된 것으로 판단되면, 연료전지 제어기(11)는 임피던스 측정기(8)가 다시 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 요청하는지를 판단한다(S10).
연료전지 제어기(11)는 연료전지 스택(1)의 내부 상태의 물리현상을 파악할 때 필요한 임피던스 값을 다양한 전류값(운전점)에서 확보하기 위해 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 더 요구되는지를 판단한다.
연료전지 제어기(11)는, 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 재요청되는 것으로 판단되면, 상기 S11 내지 S22의 단계를 재수행하게 된다.
이때 상기 S15 단계에서 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정을 수행하기 위한 전류값을 상기 제1 전류값과 다른 전류값(제2 전류값)으로 재선정하고 상기 제2 전류값에 따라 COD 가변저항(6)의 저항값을 제어하며, 상기 S17 단계에서 연료전지 스택(1)의 출력전류가 상기 제2 전류값을 유지하는 동안 연료전지 스택(1)의 임피던스를 재측정한다.
연료전지 제어기(11)는, 연료전지 스택(1)의 임피던스 측정이 요청되는 경우 상기 S11 내지 S22의 단계를 반복해서 수행할 수 있으며, 그에 따라 다양한 전류값(운전점)에서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하여 획득할 수 있다.
이와 같이 다양한 전류값에서 측정된 연료전지 스택(1)의 임피던스를 이용하여 연료전지 스택(1)의 내부 상태의 물리현상을 분석하는 경우, 1개의 전류값에서 연료전지 스택(1)의 임피던스를 측정하여 획득할 때보다 더 정확하게 분석하는 것이 가능하다.
첨부된 도 4는 연료전지 스택이 운전되는 다양한 전류값에서 측정된 주파수 영역대별 임피던스를 일례로 나타낸 그래프이다. 도 4를 보면, 연료전지 스택이 운전되는 각각의 전류값에서 측정된 임피던스의 그래프가 다양한 양상을 나타낸다.
따라서, 여러 전류값(운전점)에서 연료전지 스택의 임피던스를 측정하여 획득하는 경우, 연료전지 스택의 내부 물리현상을 보다 정확하게 파악하는 것이 가능하다.
1 : 연료전지 스택
2 : 배터리
3 : 모터
4 : 전장부품
5 : DC-DC 컨버터
6 : COD 가변저항
7 : 스택 주변 장치
7a : 공기압축기
7b : 냉각수펌프
8 : 임피던스 측정기
9 : 제1 정션박스
10 : 제2 정션박스
11 : 연료전지 제어기

Claims (11)

  1. 연료전지 스택의 전력을 이용하여 구동되는 차량의 운행 중에 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 요구되는지를 판단하는 제1단계;
    상기 임피던스 측정이 요구되면 상기 연료전지 스택과 배터리를 연결하는 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환시켜서 상기 연료전지 스택의 출력전류가 DC-DC 컨버터를 통해 상기 배터리쪽으로 흐르는 것을 차단하는 제2단계;
    상기 임피던스 측정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 제1 전류값을 결정하는 제3단계;
    상기 연료전지 스택의 출력전류를 소모하는 COD 가변저항의 저항값을 상기 제1 전류값에 따라 제어하는 제4단계;
    상기 연료전지 스택의 출력전류가 상기 제1 전류값을 유지하는 동안 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제5단계;
    를 포함하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계에서 연료전지 스택의 임피던스 측정이 요구되는 것으로 판단되면, 상기 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환시키기 전에, 연료전지 스택을 이용한 충전을 통해 배터리의 충전량(SOC, state of charge)을 정해진 제1기준값 이상으로 상승시키는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제5단계에서 상기 연료전지 스택의 임피던스를 정해진 주파수 대역별로 측정하는 동안 상기 배터리의 충전량을 모니터링하고, 상기 배터리의 충전량이 상기 제1기준값보다 일정치 작은 제2기준값 이하가 되면, 연료전지 스택의 임피던스 측정을 중단하고 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환시켜서 연료전지 스택의 출력이 DC-DC 컨버터를 통해 차량 구동용 모터로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 작동될 때, 상기 연료전지 스택은 COD 가변저항과 스택 주변 장치의 요구전류에 따른 전류를 출력하도록 운전되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제5단계에서 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 중에 스택 주변 장치의 구동을 위한 요구전류가 변경되면, 상기 가변저항의 저항값을 변경시켜서 연료전지 스택의 출력전류를 상기 제1 전류값으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 전환된 이후 상기 배터리의 충전량이 상기 제1기준값보다 일정치 작은 제2기준값 이하이면 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환시켜서 연료전지 스택의 출력이 DC-DC 컨버터를 통해 차량 구동용 모터로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제5단계에서 연료전지 스택의 임피던스 측정이 완료되면, 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 재요구되는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 임피던스 측정이 재요구되면 임피던스 측정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 제2 전류값을 결정하고, 상기 제2 전류값에 따라 COD 가변저항의 저항값을 제어하며, 상기 연료전지 스택의 출력전류가 상기 제2 전류값을 유지하는 동안 상기 연료전지 스택의 임피던스를 재측정하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 전류값은 상기 제1 전류값과 다른 전류값인 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 COD 가변저항은 연료전지 스택과 DC-DC 컨버터를 연결하는 제1 정션박스를 통해 연료전지 스택과 전기적으로 연결되고, 상기 스택 주변 장치는 상기 제1 정션박스를 통해 연료전지 스택과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 모터는 배터리와 DC-DC 컨버터를 연결하는 제2 정션박스를 통해 배터리와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
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