KR20220068673A - 연료전지의 제어 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
연료가스와 산화가스를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지의 요구전류를 기반으로 연료전지에서 출력되는 출력전류를 제어하는 전류제어부; 및 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하고, 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 제한제어부;를 포함하는 연료전지의 제어 시스템 및 방법이 소개된다.
Description
본 발명은 연료전지의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지 차량의 주행 안정성을 향상시키기 위한 연료전지 스택의 전력 제어에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다. 최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치가 포함된다. 즉, 연료전지 스택의 공기극(Cathode)에는 산소가 포함된 공기를 공급하고, 연료전지 스택의 수소극(Anode)에는 수소를 공급하는 것이다.
연료전지 시스템은 전류-전압 곡선(I-V Curve)에 따라 전류가 증가되면서 전압이 감소되며, 연료전지 스택의 열화가 진행됨에 따라 전류-전압 곡선은 점차적으로 하향되어 동일한 전류의 출력시에 전압은 점차적으로 감소된다.
종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료전지에서 출력되는 전류가 급격하게 증가함에 따라 연료전지의 전압이 감소되어 하한 전압 이하로 감소되며, 이에 따라 연료전지에서 출력되는 전류를 제한한다. 다만, 이러한 전류 제한이 빈번하게 발생됨에 따라 연료전지를 탑재한 차량의 주행 안정성이 저하되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 출력하는 전류의 제한 기준을 가변하면서 연료전지의 전력을 제어하는 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 제어 시스템은 연료가스와 산화가스를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지의 요구전류를 기반으로 연료전지에서 출력되는 출력전류를 제어하는 전류제어부; 및 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하고, 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 제한제어부;를 포함한다.
제한제어부는, 연료전지의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 출력전류가 제1제한전류 이하로 제한되도록 전류제어부를 제어하며, 기설정된 횟수에 따른 기설정된 전압에서 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정할 수 있다.
제한제어부는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정할 수 있다.
제한제어부는, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한할 수 있다.
제한제어부는, 연료전지의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지의 요구전류가 연료전지의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한할 수 있다.
제2제한전류는 연료전지의 출력이 안정된 상태에서 연료전지가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정될 수 있다.
연료전지의 출력이 안정된 상태는 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이하로 지속되는 상태일 수 있다.
제한제어부는, 연료전지의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 제어 방법은 연료전지에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지의 요구전류를 기반으로 연료전지에서 출력되는 출력전류를 제어하는 단계; 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하는 단계; 및 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 단계;를 포함한다.
추정하는 단계에서는, 기설정된 전압에서 기설정된 횟수에 따른 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정하고, 제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한할 수 있다.
제한하는 단계에서는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정할 수 있다.
제한하는 단계 이전에, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고, 제한하는 단계에서는, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한할 수 있다.
제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지의 요구전류가 연료전지의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한할 수 있다.
제2제한전류는 연료전지의 출력이 안정된 상태에서 연료전지가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정될 수 있다.
제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 제어 시스템 및 방법에 따르면, 연료전지의 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 제어하기 위하여 출력전류를 순간적으로 제한하면서 발생하는 구동장치의 토크 제한 또는 울컥거림 등의 발생이 방지되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류-전압 곡선(I-V Curve) 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어 시스템의 제한전류를 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류-전압 곡선(I-V Curve) 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어 시스템의 제한전류를 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어 방법의 순서도이다.
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 연료전지(10)의 제어 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류-전압 곡선(I-V Curve) 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어 시스템의 제한전류를 도시한 그래프이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어 시스템은 연료가스와 산화가스를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지(10)의 요구전류를 기반으로 연료전지(10)에서 출력되는 출력전류를 제어하는 전류제어부(20); 및 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하고, 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한하는 제한제어부(30);를 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전류제어부(20) 및 제한제어부(30)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
연료전지(10)는 복수 개의 셀로 구성된 연료전지(10) 스택을 의미할 수 있다. 연료전지(10)는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)를 통해 연료가스와 산화가스를 각각 공급받을 수 있다.
구체적으로, 연료전지(10)는 애노드로 연료가스인 수소를 공급받을 수 있고, 캐소드로 산화가스인 산소가 포함된 공기를 공급받을 수 있다. 특히, 연료전지(10)는 후술하는 공기압축기(70)에서 압축된 공기가 캐소드로 공급될 수 있다.
연료전지(10)는 모터를 포함한 구동장치(60), 공기압축기(70)를 포함한 보기류(BOP: Balance Of Plant) 및 고전압배터리(50)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 연료전지(10)에서 발전한 전력은 메인버스단(11)을 통해 구동장치(60), 보기류 및 고전압배터리(50)로 공급될 수 있다.
메인버스단(11)에는 공기압축기(70) 및 모터가 전기적으로 연결되며, 연료전지(10) 또는 고전압배터리(50)에서 제공되는 전력이 공급될 수 있다. 고전압배터리(50)는 연료전지(10)에서 발전된 전력에 의해 충전되거나, 방전되면서 연료전지(10)의 발전 전력을 보조할 수 있다.
메인버스단(11)의 전압은 연료전지(10)와 고전압배터리(50)의 사이 또는 메인버스단(11)과 고전압배터리(50)의 사이에 위치된 양방향 컨버터(40)(BHDC: Bidirectional High-voltage DC/DC converter)에 의해 가변될 수 있다.
전류제어부(20)는 연료전지(10)의 요구전류를 기반으로 연료전지(10)에서 출력되는 출력전류를 제어할 수 있다. 연료전지(10)의 요구전류는 상위제어기(예를 들어, FCU(Fuelcell Control Unit))에 의해 설정될 수 있고, 전류제어부(20)는 입력 받은 연료전지(10)의 요구전류를 기반으로 양방향 컨버터(40)를 제어함으로써 연료전지(10)의 출력전류를 제어할 수 있다.
구체적으로, 연료전지(10)의 요구전류는 연료전지(10)와 연결된 구동장치(60) 및 보기류의 요구전류 또는 요구전력에 의해 설정될 수 있고, 고전압배터리(50)의 충전상태(SOC: State Of Charge)가 반영됨에 따라 설정될 수 있다.
또한, 전류제어부(20)는 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이상으로 유지되도록 연료전지(10)의 출력전류를 제어할 수 있다.
여기서, 기설정된 전압은 메인버스단(11)에 연결된 보기류 또는 구동장치(60)의 정격 전압을 고려하여 기설정될 수 있고, 보기류 또는 구동장치(60)의 동작을 보장할 수 있는 전압으로 기설정될 수 있다.
도 2에 도시한 것과 같이, 연료전지(10)의 출력전압은 출력전류와 반비례하는 관계를 가지며, 출력전류가 증가함에 따라 감소되는 경향을 갖는다. 따라서, 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이상으로 유지되기 위해서 연료전지(10)의 출력전류의 크기가 더이상 증가되지 않도록 제한할 수 있다.
추가로, 연료전지(10)의 전류-전압 곡선은 연료전지(10)의 열화에 의해 점차적으로 하향되는 경향을 가지므로, 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압인 상태에서 출력전류 또한 점차적으로 감소될 수 있다.
제한제어부(30)는 전류제어부(20)를 제어하거나, 또는 양방향 컨버터(40)를 제어함으로써 연료전지(10)의 출력전류가 더이상 증가되지 않도록 제한할 수 있다.
구체적으로, 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다. 전류제어부(20)가 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이상이 되도록 연료전지(10)의 출력전류를 제어하지만, 연료전지(10)의 출력전류가 급격하게 증가되는 등의 상황에 따라 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 하강할 수 있다.
제한제어부(30)는 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정할 수 있고, 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다.
즉, 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 출력전압이 저하됨에 따라 전류제어부(20)가 연료전지(10)의 출력전류를 제어함에 있어서 출력전류의 제한을 선제적으로 적용할 수 있다.
따라서, 연료전지(10)의 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 제어하기 위하여 출력전류를 순간적으로 제한하면서 발생하는 구동장치(60)의 토크 제한 또는 울컥거림 등의 발생이 방지되는 효과를 갖는다.
일 실시예로 제한제어부(30)는, 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 출력전류가 제1제한전류 이하로 제한되도록 전류제어부(20)를 제어하며, 기설정된 전압에서 기설정된 횟수에 따른 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정할 수 있다.
기설정된 횟수는 제어의 안정성을 위해 기설정된 것으로, 3회 또는 5회 등으로 기설정될 수 있다. 제한제어부(30)는 기설정된 횟수 이상 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 출력전류가 제1제한전류 이하로 제한되도록 전류제어부(20)를 제어할 수 있다.
또한, 제한제어부(30)는 기설정된 횟수에 따른 기설정된 전압에서 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정할 수 있다. 즉, 제한제어부(30)는 기설정된 전압 이하로 진입함에 따라 출력전류가 제한되는 전류의 평균으로 최대 전류를 추정할 수 있다.
제한제어부(30)는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정할 수 있다.
팩터는 일 실시예로 0.9 또는 0.8 등의 1 보다 작은 값으로 기설정될 수 있다.
제한제어부(30)는, 제1제한전류를 설정함에 있어서 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용함으로써 연료전지(10)의 출력전류가 최대 전류를 발생시킴으로써 출력전압이 기설정된 전압 이하로 하강하지 않도록 사전에 방지할 수 있다.
제한제어부(30)는, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다.
연료전지(10)의 요구전력 또는 요구전류가 증가되면 연료전지(10)에서 발전하는 전력의 크기가 증가된다. 연료전지(10)의 발전 전력은 공기압축기(70)에 의해 연료전지(10)로 공급되는 공기량에 비례할 수 있다.
즉, 연료전지(10)의 요구전류가 증가됨에 따라 연료전지(10)로 공급되는 공기량은 증가되며, 공기 공급량이 증가되면서 공기압축기(70)의 회전속도가 증가될 수 있다.
특히, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 급격하게 증가되는 경우 공기압축기(70)의 회전속도 또한 급격하게 증가되며, 이를 위해 공기압축기(70)에서 소모하는 전류 소모량이 증대된다.
또한, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 급격하게 증가되는 경우 연료전지(10)로 공급되는 공기량이 증대되더라도 연료전지(10)의 전력발전이 증대되는데 지연시간이 발생될 수 있다.
이에 따라, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 급격하게 증가되는 경우 출력전류가 후술하는 제2제한전류 이하인 상태에서도 연료전지(10)의 출력전압이 급격하게 하강되어 기설정된 전압 이하로 진입될 수 있다.
따라서, 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다.
제한제어부(30)는, 연료전지(10)의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지(10)의 요구전류가 연료전지(10)의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다(전류제한 1구간 -> 전류제한 2구간).
기설정된 제한 구간은 제1제한전류를 포함하도록 제1제한전류에 인접한 구간일 수 있다. 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 출력전류가 제1제한전류 또는 제1제한전류에 인접한 구간인 경우 연료전지(10)의 출력전류가 제1제한전류로 제한되는 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 요구전류가 연료전지(10)의 출력전류 이상으로 지속되는지 판단할 수 있다. 또는, 제한제어부(30)는 가속페달 답입량에 의해 운전자로부터 입력된 구동장치(60)의 요구토크가 현재토크 이상으로 지속되는지 판단할 수 있다.
즉, 제한제어부(30)는 기설정된 시간 이상 동안 지속적으로 연료전지(10)의 출력전류이 제1제한전류 이하로 제한되는 경우에는 연료전지(10)의 요구전류는 지속적으로 제1제한전류 이상 요구될 수 있다. 이러한 경우, 제한제어부(30)는 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다(전류제한 1구간 -> 전류제한 2구간).
이에 따라, 연료전지(10)의 출력전류가 제1제한전류로 제한되는 상태에서 연료전지(10)의 출력전류가 지속적으로 증가되도록 요구되는 경우에는 연료전지(10)의 출력전류를 증대시킴으로써 구동장치(60)의 구동 성능을 향상시킬 수 있고, 연료전지(10) 차량의 가속 성능을 확보할 수 있다.
구체적으로, 제2제한전류는 연료전지(10)의 출력이 안정된 상태에서 연료전지(10)가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정될 수 있다.
즉, 제2제한전류는 연료전지(10)의 전류-전압 곡선에서 기설정된 전압에 해당하는 연료전지(10)의 출력전류일 수 있다.
여기서, 연료전지(10)의 출력이 안정된 상태는 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이하로 지속되는 상태일 수 있다.
즉, 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 급격하게 증가되는 상황이 아니라, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 서서히 증가되는 상황 등에 제1제한전류보다 큰 제2제한전류로 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다.
추가로, 제2제한전류는 연료전지(10)의 열화 등에 따른 성능이 반영되며, 특히 제2제한전류는 연료전지(10)에 가역적 열화 또는 비가역적 열화가 발생됨에 따라 연료전지(10)의 전류-전압 곡선이 하향되면서 감소될 수 있다.
제한제어부(30)는, 연료전지(10)의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지(10)의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다(전류제한 2구간 -> 전류제한 1구간).
안정전류는 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용하여 설정될 수 있다. 일 실시예로, 팩터는 0.9 또는 0.8 등으로 기설정될 수 있다.
제한제어부(30)는, 연료전지(10)의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지(10)의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다(전류제한 2구간 -> 전류제한 1구간).
구체적으로, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다(전류제한 2구간 -> 전류제한 1구간).
다른 실시예로, 제한제어부(30)는 가속페달 답입량에 의해 운전자로부터 입력된 구동장치(60)의 요구토크가 현재토크 이하로 지속되는지 판단할 수 있다. 제한제어부(30)는 연료전지(10)의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 구동장치(60)의 요구토크가 현재토크 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다.
추가로, 제1제한전류 및 제2제한전류는 불활성메모리에 저장될 수 있고, 연료전지(10)의 시동 오프 이후 재시동시에 적용될 수 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료전지(10)의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 출력전류 및 출력전압을 도시한 그래프이다.
도 5 내지 6을 더 참조하면, 종래 기술에 따르면, 악셀(가속페달)의 개도가 급격하게 증가되면서 연료전지(10)의 출력전류가 급격하게 증가되는 경우 출력전압이 급격하게 감소된다. 이러한 경우에는 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이상으로 유지되도록 연료전지(10)의 출력전류를 급격하게 제한하였다.
따라서, 연료전지(10)의 출력전류가 제한됨으로써 연료전지(10)의 출력전류가 급격하게 감소되고, 이에 따라 모터토크가 급격하게 가변되면서 연료전지(10)를 탑재한 차량의 울컥거림이 발생되어 주행 안정성을 저하시키는 문제가 있었다.
이에 대비하며, 본 발명에 따르는 경우 연료전지(10)의 출력전류를 제1제한전류 이하로 유지하도록 제한함으로써 연료전지(10)를 탑재한 차량의 울컥거림이 방지되는 효과를 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어 방법의 순서도이다.
도 7을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어 방법은 연료전지(10)에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지(10)의 요구전류를 기반으로 연료전지(10)에서 출력되는 출력전류를 제어하는 단계(S100); 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하는 단계(S300); 및 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한하는 단계(S400,S500);를 포함한다.
추정하는 단계(S300)에서는, 기설정된 전압에서 기설정된 횟수에 따른 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정하고, 제한하는 단계(S400,S500)에서는, 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다.
제한하는 단계(S400,S500)에서는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정할 수 있다(S400).
제한하는 단계(S400,S500) 이전에, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되는지 여부를 판단하는 단계(S200);를 더 포함하고, 제한하는 단계(S400,S500)에서는, 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지(10)의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다(S400).
제한하는 단계(S400,S500)에서는, 연료전지(10)의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지(10)의 요구전류가 연료전지(10)의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지(10)의 출력전류를 제한할 수 있다(S500).
제2제한전류는 연료전지(10)의 출력이 안정된 상태에서 연료전지(10)가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정될 수 있다.
제한하는 단계(S400,S500)에서는, 연료전지(10)의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지(10)의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지(10)의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한할 수 있다(S400).
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
11 : 메인버스단
20 : 전류제어부 30 : 제한제어부
40 : 양방향 컨버터 50 : 고전압배터리
60 : 구동장치 70 : 공기압축기
20 : 전류제어부 30 : 제한제어부
40 : 양방향 컨버터 50 : 고전압배터리
60 : 구동장치 70 : 공기압축기
Claims (15)
- 연료가스와 산화가스를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지;
연료전지에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지의 요구전류를 기반으로 연료전지에서 출력되는 출력전류를 제어하는 전류제어부; 및
연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하고, 추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 제한제어부;를 포함하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 1에 있어서,
제한제어부는, 연료전지의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 출력전류가 제1제한전류 이하로 제한되도록 전류제어부를 제어하며, 기설정된 횟수에 따른 기설정된 전압에서 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 1에 있어서,
제한제어부는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 1에 있어서,
제한제어부는, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 1에 있어서,
제한제어부는, 연료전지의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지의 요구전류가 연료전지의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 5에 있어서,
제2제한전류는 연료전지의 출력이 안정된 상태에서 연료전지가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 5에 있어서,
연료전지의 출력이 안정된 상태는 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이하로 지속되는 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 청구항 5에 있어서,
제한제어부는, 연료전지의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 시스템. - 연료전지에서 출력되는 출력전압을 기설정된 전압 이상으로 유지하면서 연료전지의 요구전류를 기반으로 연료전지에서 출력되는 출력전류를 제어하는 단계;
연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우 기설정된 전압에서의 출력전류를 최대 전류로 추정하는 단계; 및
추정한 최대 전류를 기반으로 설정된 제1제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 단계;를 포함하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 9에 있어서,
추정하는 단계에서는, 기설정된 전압에서 기설정된 횟수에 따른 출력전류의 평균값을 평균한 전류값으로 최대 전류를 추정하고,
제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전압이 기설정된 횟수 이상 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 9에 있어서,
제한하는 단계에서는, 추정한 최대 전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 값을 제1제한전류로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 9에 있어서,
제한하는 단계 이전에, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
제한하는 단계에서는, 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 기설정된 변화율 이상으로 급격하게 증가되면서 연료전지의 출력전압이 기설정된 전압 이하로 진입하는 경우에 연료전지의 출력전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 9에 있어서,
제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전류가 제1제한전류를 포함하도록 기설정된 제한 구간 이내로 기설정된 시간 이상 지속되거나, 또는 연료전지의 요구전류가 연료전지의 출력전류 이상으로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 제1제한전류보다 크게 설정된 제2제한전류 이하로 연료전지의 출력전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 13에 있어서,
제2제한전류는 연료전지의 출력이 안정된 상태에서 연료전지가 기설정된 전압에서 출력하는 출력전류의 크기로 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법. - 청구항 13에 있어서,
제한하는 단계에서는, 연료전지의 출력전류가 제2제한전류 이하로 제한되는 상태에서 연료전지의 요구전류 또는 출력전류가 제2제한전류에 1 보다 작은 팩터를 적용한 안정전류 이하로 기설정된 시간 이상 지속되는 경우 연료전지의 출력전류를 다시 제1제한전류 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어 방법.
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