KR20220086380A - 탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법 - Google Patents

탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법 Download PDF

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KR20220086380A
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권우중
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Abstract

본 발명은 탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법에 관한 것으로서, 탱크 충전 시스템은, 소정의 유체가 각각 충전되게 마련되는 복수 개의 탱크들, 상기 복수 개의 탱크들과 각각 연통되게 결합되는 매니폴드, 상기 매니폴드의 제1 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제1 유로, 상기 매니폴드의 제1 유입구에서 소정거리 이격되는 상기 매니폴드의 제2 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제2 유로 및 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법{TANK FILLING SYSTEM AND TANK FILLING METHOD}
본 발명은 탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법에 관한 것이다.
일반적인 연료전지 차량은 수소와 공기의 반응에 의한 역전기분해 현상에 의해 전기 에너지를 생성한다. 이때 수소는 수소 저장 시스템의 수소 충전 라인을 따라 수소 저장 탱크에 저장된다. 최근에는 이러한 수소 저장 탱크를 소형화 한 소구경 수소 저장 탱크를 복수 개로 구비하여 하나의 매니폴드에 연결한 형태가 개발되고 있다.
이러한 소구경 탱크 시스템은, 각각의 소구경 탱크가 연결된 단일 매니폴드를 통해 한 개의 유입구로 수소가 주입되게 된다. 이 경우, 매니폴드 내부 유로에서 발생하는 차압으로 인해, 탱크 간의 충전량 및 온도 편차가 유입구와의 거리 순으로 발생한다. 이때, 제일 가까운 탱크의 압력이 목표 충전 압력에 도달하게 되면, 물리적으로 추가 수소 공급이 불가능해지고, 충전 프로세스가 종료된다. 이후, 시간이 지나고, 탱크들의 충전량이 평형을 이루면, 시스템 전체의 압력은 목표 충전 압력보다 낮아지게 되는 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 탱크들의 충전량 편차를 밸런싱할 수 있는 탱크 충전 시스템 및 탱크 충전 방법을 제공하는 것이다.
일 예에서 탱크 충전 시스템은, 소정의 유체가 각각 충전되게 마련되는 복수 개의 탱크들, 상기 복수 개의 탱크들과 각각 연통되게 결합되는 매니폴드, 상기 매니폴드의 제1 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제1 유로, 상기 매니폴드의 제1 유입구에서 소정거리 이격되는 상기 매니폴드의 제2 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제2 유로 및 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는 제어부를 포함할 수 있다.
다른 예에서 상기 제어부는, 상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량에 기초해서 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고, 상기 충전량이 획득된 탱크들 중 상기 충전량이 최대인 탱크를 최대 충전 탱크라고 할 때, 상기 제1 및 제2 유입구 중 상기 최대 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하고 먼 유입구와 연결된 유로를 개방하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고, 상기 충전량이 획득된 탱크들 중 상기 충전량이 최소인 탱크를 최소 충전 탱크라고 할 때, 상기 제1 및 제2 유입구 중 상기 최소 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 개방하고 먼 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 제1 유로를 개방하고 상기 제2 유로를 폐쇄하여 상기 제1 유입구를 통한 상기 유체의 공급을 개시하고, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 제1 유입구에 가장 가까운 최대 근접 탱크의 충전량을 획득하고, 상기 최대 근접 탱크의 충전량이 기준 충전량에 도달하면, 상기 제1 유로를 폐쇄하고 상기 제2 유로를 개방하여 상기 제2 유입구를 통한 상기 유체의 공급을 개시하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 제1 유입구를 통한 상기 유체의 공급이 개시됐을 때의 상기 최대 근접 탱크의 충전량과, 상기 최대 근접 탱크의 목표 충전량 사이의 차이에 기초해서 상기 기준 충전량을 결정하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 복수 개의 탱크들은, 소정의 기준 방향을 따라 배열되고, 상기 제1 유입구는, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 먼저 배치되는 제1 탱크에 인접하게 배치되고, 상기 제2 유입구는, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크에 인접하게 배치될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제1 및 제2 유로의 개폐를 결정하는 밸브부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 밸브부를 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2 유로는, 상기 제1 유로에 연결되고, 상기 밸브부는, 상기 제1 및 제2 유로의 연결지점에 마련되어 상기 밸브부로 공급되는 유체를 상기 제1 및 제2 유로 중의 적어도 어느 하나로 보내도록 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 최대 근접 탱크 내의 압력에 기초하여 상기 최대 근접 탱크의 충전량을 산출할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 복수 개의 탱크 중 소정의 기준 방향을 따라서 가장 먼저 배치되는 제1 탱크의 충전량인 제1 충전량에 관한 정보, 및 상기 복수 개의 탱크 중 상기 기준 방향을 따라서 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크의 충전량인 제2 충전량에 관한 정보의 비교에 기초하여, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐 상태의 전환 여부를 결정하고, 상기 제1 유입구는, 상기 제1 탱크에 인접하게 배치되고, 상기 제2 유입구는, 상기 제2 탱크에 인접하게 배치될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 제2 유로를 통한 상기 유체의 공급으로 상기 제2 충전량이 상기 제1 충전량 이상이 된 경우, 폐쇄 상태의 상기 제1 유로를 개방하고, 개방 상태의 상기 제2 유로를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 제1 충전량을 상기 제1 탱크의 온도에 기초하여 산출하고, 상기 제2 충전량을 상기 제2 탱크의 온도에 기초하여 산출할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 탱크 충전 시스템은, 관형으로 형성되어 소정의 유체가 충전되게 마련되는 탱크, 상기 탱크의 제1 입구에 연결되어, 상기 유체를 상기 탱크로 공급하게 마련되는 제1 유로, 상기 탱크의 제1 입구에서 소정거리 이격되는 상기 탱크의 제2 입구에 연결되어, 상기 유체를 상기 탱크로 공급하게 마련되는 제2 유로 및 상기 탱크를 복수 개의 영역들로 구획할 때, 상기 복수 개의 영역들 중 적어도 일부 영역의 충전량에 기초해서 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는 제어부를 포함할 수 있다.
일 예로 탱크 충전 방법은, 소정의 기준 방향을 따라 배열되게 매니폴드에 결합되는 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 먼저 배치되는 제1 탱크의 충전량에 기초하여, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제1 탱크에 인접한 제1 유로에서, 상기 제1 탱크에서 이격되게 상기 매니폴드에 연결되는 제2 유로로 전환하는 조건을 전환 조건이라 할 때, 상기 제1 유로를 통해 상기 복수 개의 탱크들로 상기 수소를 주입하는 단계, 상기 전환 조건이 달성된 것으로 판단되면, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제1 유로에서 상기 제2 유로로 전환하는 단계 및 상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 어느 하나가 목표 충전량만큼 충전된 것으로 판단되면, 모든 유로를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 예에서 탱크 충전 방법은, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제2 유로에서 상기 제1 유로로 재전환하는 조건을 재전환 조건이라 할 때, 상기 모든 유로의 폐쇄 전에 상기 재전환 조건이 달성된 것으로 판단되면, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제2 유로에서 상기 제1 유로로 재전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제2 유로는, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크에 인접한 유로일 수 있다.
본 발명에 의하면, 매니폴드에 유체를 주입하는 유로가 전환될 수 있으므로, 복수 개의 탱크들의 충전량 편차를 밸런싱할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 제1 유로를 통하여 복수 개의 탱크들에 유체를 충전시킬 때, 유체 충전량의 분포 및 온도를 그래프로 도시한 것이다.
도 3은 복수 개의 탱크들에 유체를 충전시키는 유로를 제1 유로에서 제2 유로로 전환 시킨 후의 유체 충전량 분포 및 온도를 그래프로 도시한 것이다.
도 4는 도 2와 도 3의 유체 충전량 그래프를 합친 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 유체가 계속하여 제2 유로를 통해 유입됨에 따라, 제1 유로에서 먼 탱크의 온도가 제1 유로에서 가까운 탱크의 온도보다 높은 경우를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 시스템은, 연료전지 차량의 연료전지 스택에 공급될 유체를 저장하게 마련되는 유체저장탱크를 위한 탱크 충전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 시스템은, 복수 개의 탱크들(10), 매니폴드(20), 제1 유로(30), 제2 유로(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다. 여기서 리셉터클(1), 레귤레이터(2) 및 연료전지(3)는 연료전지 차량에서 일반적으로 쓰이는 구성요소이므로, 자세한 설명은 생략한다.
복수 개의 탱크들(10)에는 소정의 유체가 각각 충전되게 마련될 수 있다. 소정의 유체는 수소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 연료로 사용될 수 있는 유체라면 구애받는지 않는다. 이때 복수 개의 탱크들(10)은 소정의 기준 방향(D)을 따라 배열될 수 있다.
매니폴드(20)는 복수 개의 탱크들(10)과 각각 연통되게 결합될 수 있다. 매니폴드(20)는 유체가 유입될 수 있는 일종의 배관과 같은 형태로 이해될 수 있다. 매니폴드(20)는 제1 유입구(21) 및 제2 유입구(22)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 유입구(21)는 제1 탱크(11)에 인접하게 배치될 수 있다. 제1 탱크(11)는 복수 개의 탱크들(10) 중 기준 방향(D)을 따라 가장 먼저 배치되는 탱크일 수 있다. 또, 일 예로 제2 유입구(22)는 제2 탱크(12)에 인접하게 배치될 수 있다. 제2 탱크(12)는 복수 개의 탱크들(10) 중 기준 방향(D)을 따라 마지막에 배치되는 탱크일 수 있다.
다만 제1 유입구(21) 및 제2 유입구(22)의 위치는 전술한 바에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적인 탱크별 충전량 편차 해소의 필요에 의해 위치가 조정될 수 있다.
제1 유로(30)는 매니폴드(20)의 제1 유입구(21)에 연결될 수 있다. 제1 유로(30)는 복수 개의 탱크들(10)에 충전될 유체를 매니폴드(20)로 공급하게 마련될 수 있다.
제2 유로(40)는 매니폴드(20)의 제2 유입구(22)에 연결될 수 있다. 제2 유입구(22)는 매니폴드(20)의 제1 유입구(21)에서 소정 거리 이격된 유입구일 수 있다. 제2 유로(40)는 복수 개의 탱크들(10)에 충전될 유체를 매니폴드(20)로 공급하게 마련될 수 있다.
제어부(50)는 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐를 제어하게 마련될 수 있다. 제어부(50)는 프로세서와 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서는 FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), CPU(Central Processing Unit) 등의 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 메모리는 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐 여부를 판단하기 위한 명령 등을 프로세서에서 생성함에 있어서 기초가 되는 제어명령들(instructions)을 저장할 수 있다. 메모리는 HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 휘발성 매체, 비휘발성 매체 등의 데이터 스토어일 수 있다.
예를 들어, 제1 유로(30)만을 포함하는 탱크 충전 시스템을 생각해볼 수 있다. 도 2는 제1 유로(30)를 통하여 복수 개의 탱크들(10)에 유체를 충전시킬 때, 복수 개의 탱크들(10)에 유체가 충전되는 양(이하 '유체 충전량')의 분포 및 온도를 그래프로 도시한 것이다. 유체 충전량의 분포 그래프는 꺾은선 그래프로 도시되어 있고, 온도 그래프는 막대 그래프도 도시되어 있다. 이때, X축은 탱크 번호, 왼쪽 Y축은 유체 충전량 분포, 오른쪽 Y축은 탱크 온도를 의미한다. 탱크 번호는 제1 유로(30)에 가까운 순서대로 복수 개의 탱크들(10)에 부여되는 각각의 번호를 말한다. 참고로, 이 내용은 후술할 도 3 내지 도 5에도 그대로 적용될 수 있다. 또한, 그래프 에서 T1은 제1 탱크의 온도, T2는 제2 탱크의 온도를 의미한다.
도 2를 참고하면, 제1 유로(30)에 인접한 탱크일수록 충전량 및 온도가 높고, 제1 유로(30)에서 먼 탱크일수록 충전량 및 온도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 제1 유로(30)만을 통해 탱크에 유체를 충전하면 탱크별 충전량에 편차가 발생할 수 있다. 이는 일부 탱크들에는 유체가 충분히 충전되지 않음을 의미할 수 있다.
본 발명에 의하면, 매니폴드(20)에 제1 유로(30)와 제2 유로(40)가 연결되어 있으므로, 유로의 전환을 통해 복수 개의 탱크들(10)의 충전량 편차를 밸런싱할 수 있다. 이를 도 3 및 도 4를 참고하여 상술한다. 도 3은 복수 개의 탱크들(10)에 유체를 충전시키는 유로를 제1 유로에서 제2 유로(40)로 전환 시킨 후의 유체 충전량 분포 및 온도를 그래프로 도시한 것이다. 즉, 도 3은 소정 시점 까지는 제1 유로(30)를 통해 복수 개의 탱크들(10)로 유체가 유입되다가, 유체가 유입되는 유로가 제1 유로(30)에서 제2 유로(40)로 전환되어 제2 유로(40)를 통해 복수 개의 탱크들(10)로 유체가 유입된 후의 일 시점에서의 그래프를 의미할 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1 유로(30)에서 먼 탱크일수록 유체 충전량이 높고, 제1 유로(30)에서 가까운 탱크일수록 유체 충전량이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이때, 제1 유로(30)에서 먼 탱크는 제2 유로(40)와 가까운 탱크일수 있고, 제1 유로(30)에서 가까운 탱크는 제2 유로(40)와 먼 탱크일 수 있다. 또한, 도 3을 참고하면 도 2에 비해 온도 격차가 줄어 들었음을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2와 도 3의 유체 충전량 그래프를 합친 그래프를 도시한 것이다. 도 4에서 상측에 표시된 꺾은선은 각 탱크별 유체 충전량의 합을 나타낸다.
도 4에 도시되어 있듯이, 본 발명에 의하면 각 탱크별 유체 충전량의 편차가 줄어들 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 모든 탱크들을 고르게, 그리고 충분히 충전시킬 수 있음을 의미할 수 있다.
도 5는 유체가 계속하여 제2 유로(40)를 통해 유입됨에 따라, 제1 유로(30)에서 먼 탱크의 온도가 제1 유로(30)에서 가까운 탱크의 온도보다 높은 경우를 그래프로 도시한 것이다. 탱크의 온도는 유체 충전량과 비례한다. 즉, 도 5는 제2 유로(40)에서 제1 유로(30)로 유로의 재역전이 필요해지는 시점에서의 제1 유로(30)에서 먼 탱크의 온도와 제1 유로(30)에서 가까운 탱크의 온도를 도시한 것으로 볼 수 있다.
본 발명에 의하면, 도 5와 같은 시점에서, 유체가 유입되는 유로를 제2 유로(40)에서 다시 제1 유로(30)로 변경하여, 복수 개의 탱크들(10)의 유체 충전량을 밸런싱할 수 있다.
<제어부(50)>
제어부(50)는, 복수 개의 탱크들(10) 중 적어도 일부의 충전량에 기초해서 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐를 제어하게 마련될 수 있다. 더 자세하게는, 제어부(50)는 복수 개의 탱크들(10) 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고, 제1 유입구(21) 및 제2 유입구(22) 중 최대 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하고 먼 유입구와 연결된 유로를 개방하게 마련될 수 있다. 최대 충전 탱크는 충전량이 획득된 탱크들 중 충전량이 최대인 탱크를 의미할 수 있다.
또는 제어부(50)는, 복수 개의 탱크들(10) 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고, 제1 및 제2 유입구(22) 중 최소 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 개방하고 먼 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하게 마련될 수 있다. 최소 충전 탱크는 충전량이 획득된 탱크들 중 충전량이 최소인 탱크를 최소 충전 탱크를 의미할 수 있다.
이하에서는 시간의 흐름에 따라, 제어부(50)가 제1 유로(30)와 제2 유로(40)를 개폐하는 제어를 더 상세히 설명한다. 제어부(50)는 제1 유로(30)를 개방하고 제2 유로(40)를 폐쇄하여 제1 유입구(21)를 통한 유체의 공급을 개시할 수 있다.
이후, 제어부(50)는 복수 개의 탱크들(10) 중 제1 유입구(21)에 가장 가까운 최대 근접 탱크(13)의 충전량을 획득한다. 제어부(50)는 최대 근접 탱크(13) 내의 압력에 기초하여 최대 근접 탱크(13) 내의 충전량을 산출할 수 있다. 최대 근접 탱크 내의 압력은 후술할 압력 센서(60)가 획득할 수 있다. 최대 근접 탱크(13)는 제1 탱크(11)일 수 있다.
이후 제어부(50)는, 최대 근접 탱크(13)의 충전량이 기준 충전량에 도달하면, 제1 유로(30)를 폐쇄하고 제2 유로(40)를 개방하여 제2 유입구(22)를 통한 유체의 공급을 개시하게 마련될 수 있다. 즉, 유체가 공급되는 유로가 제1 유로(30)에서 제2 유로(40)로 전환된다.
제어부(50)는, 제1 유입구(21)를 통한 유체의 공급이 개시됐을 때의 최대 근접 탱크(13)의 충전량과, 최대 근접 탱크(13)의 목표 충전량 사이의 차이에 기초해서 기준 충전량을 결정할 수 있다. 일 예로, 기준 충전량은 제1 유입구(21)를 통한 유체의 공급이 개시됐을 때의 최대 근접 탱크(13)의 충전량과 목표 충전량의 중간 값일 수 있다.
이하에서는, 제어부(50)가 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)의 개폐 상태의 전환 여부를 결정하는 또 다른 방법에 관하여 상술한다. 제어부(50)는, 제1 충전량에 관한 정보 및 제2 충전량에 관한 정보의 비교에 기초하여, 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐 상태의 전환 여부를 결정하게 마련될 수 있다. 제1 충전량은 제1 탱크(11)의 충전량일 수 있다. 제2 충전량은 제2 탱크(12)의 충전량일 수 있다.
이하에서는, 제어부(50)가 유로의 전환 시점을 판단하는 일 방법으로 압력센서를 활용하는 방법에 관하여 상술한다.
압력 센서(60)는 최대 근접 탱크(13) 내의 압력을 측정하게 마련될 수 있다. 제어부(50)는, 압력 센서(60)가 획득한 최대 근접 탱크(13) 내의 압력이 소정의 기준 압력 미만인 경우, 제1 유로(30)를 개방하고 제2 유로(40)를 폐쇄하도록 결정할 수 있다. 또, 제어부(50)는 압력 센서(60)가 획득한 최대 근접 탱크(13) 내의 압력이 소정의 기준 압력 이상인 경우, 제1 유로(30)를 폐쇄하고 제2 유로(40)를 개방하도록 결정할 수 있다.
압력과 가스의 충전량은 비례하는 관계이므로 압력의 측정을 통해 충전량을 산출할 수 있다. 기준 압력은 기준 충전량만큼 유체가 충전되었을 때의 압력일 수 있다. 일 예로, 기준 압력은 유체가 유입되기 전의 최대 근접 탱크(13) 내의 압력과 최종적으로 달성하고자 하는 최대 근접 탱크(13) 내의 목표 압력의 중간 값일 수 있다.
이하에서는, 제어부(50)가 유로의 전환 시점을 판단하는 일 방법으로 온도센서를 활용하는 방법에 관하여 상술한다.
제어부(50)는, 제1 온도에 관한 정보 및 제2 온도에 관한 정보에 기초하여, 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐 상태의 전환 여부를 결정할 수 있다. 제1 온도는 제1 탱크(11)에 연결된 제1 온도 센서(71)가 획득한 제1 탱크(11)의 온도일 수 있다. 제2 온도는 제2 탱크(12)에 연결된 제2 온도 센서(72)가 획득한 제2 탱크(12)의 온도일 수 있다.
제어부(50)는 전술한 제1 충전량을 제1 온도에 기초하여 산출할 수 있고, 제2 충전량을 제2 온도에 기초하여 산출할 수 있다.
이때의 전환은 재전환일 수 있다. 재전환의 일 예는, 개방된 상태에서 폐쇄된상태가 되었던 제1 유로(30)를 다시 개방하고, 폐쇄된 상태에서 개방된 상태가 되었던 제2 유로(40)를 다시 폐쇄하는 것일 수 있다.
일 예로, 도 5에 도시되어 있듯이, 제2 유로(40)를 통한 유체의 공급으로 제2 온도가 제1 온도보다 높은 경우 제어부(50)는, 개방된 상태에서 폐쇄된상태가 되었던 제1 유로(30)를 다시 개방하고, 폐쇄된 상태에서 개방된 상태가 되었던 제2 유로(40)를 다시 폐쇄하도록 결정할 수 있다.
여기서는 일 예로, 온도 센서를 활용하여 탱크들의 온도를 비교하여 재전환 시점을 판단하는 내용에 관하여 기술하였으나, 재전환 시점을 판단하는 방법은 온도의 비교에 국한되는 것이 아니라, 압력 센서를 활용한 탱크들의 압력을 비교하는 방법 또는 탱크들의 충전량을 직접 비교하는 방법 등 다양한 예시가 존재할 수 있음은 물론이다.
<밸브부(80)>
본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 시스템은 밸브부(80)를 더 포함할 수 있다. 밸브부(80)는 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)의 개폐를 결정할 수 있다. 일 예로 밸브부(80)는 삼방 밸브일 수 있다. 제어부(50)는 밸브부(80)를 제어하게 마련될 수 있다. 즉 제어부(50)는 밸브부(80)를 제어하여 제1 유로(30)를 개방하고 제2 유로(40)를 폐쇄하거나, 제1 유로(30)를 폐쇄하고 제2 유로(40)를 개방할 수 있다.
제2 유로(40)는 제1 유로(30)에 연결될 수 있다. 즉, 제2 유로(40)는 제1 유로(30)가 분기되어 형성되는 것으로 이해될 수 있다. 밸브부(80)는 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)의 연결지점에 마련될 수 있다. 밸브부(80)는 밸브부(80)로 공급되는 유체를 제1 유로(30) 및 제2 유로(40) 중의 적어도 어느 하나로 보내도록 마련될 수 있다. 또 다른 예로, 밸브부(80)는 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)에 각각 하나씩 배치되어, 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)를 각각 개폐할 수도 있다.
<탱크 충전 방법>
이하에서는, 도 6을 참고하여 탱크 충전 방법에 관하여 상술한다. 도 6은본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 방법을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 방법은 연료전지 차량의 연료전지 스택에 공급될 수소를 저장하게 마련되는 수소저장탱크를 위한 탱크 충전 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 방법은 아래와 같은 순서로 이루어 질 수 있다.
첫 번째로, 제어부(50)는 제1 탱크(11)의 최초 충전량을 획득한다(S100).
두 번째로, 제어부(50)는 제1 탱크(11)의 최초 충전량에 기초하여, 수소가 유입되는 유로를 제1 탱크(11)에 인접한 제1 유로(30)에서 제2 유로(40)로 전환하는 전환 조건을 결정할 수 있다(S200). 제2 유로(40)는 제2 탱크(12)와 인접할 수 있다. 단 이 단계는 후술할 세 번째 단계(S300)와 순서가 바뀔 수 있다.
세 번째로, 제어부(50)는 제1 유로(30)를 통해 복수 개의 탱크들(10)로 수소를 주입할 수 있다(S300).
네 번째로, 제어부(50)는 전환 조건의 달성여부를 판단하여 유로의 전환 여부를 결정할 수 있다(S400). 일 예로, 전환 조건은 제1 탱크(11) 내의 압력이 소정의 기준 압력 이상인지의 여부일 수 있다. 구체적으로, 전환 조건이 달성되면 제1 유로(30)에서 제2 유로(40)로 유로가 전환되고(S410), 전환 조건이 달성되지 않는 경우, 제1 유로(30)를 통해 계속해서 수소를 주입한다(S420). 이하에서는, 전환 조건이 달성되어, 제1 유로(30)에서 제2 유로(40)로 유로가 전환된 경우를 가정하고, 상술한다.
다섯 번째로, 제어부(50)는 제1 유로(30) 또는 제2 유로(40) 중 수소가 유입되는 유로를 폐쇄하고, 제1 유로(30) 또는 제2 유로(40) 중 폐쇄되어 있던 유로를 개방하여 유로를 재전환하는 재전환 조건의 달성여부를 판단하여 유로의 재전환 여부를 결정한다(S500). 일 예로, 재전환 조건은 제2 온도가 제1 온도 이상인지의 여부일 수 있다. 이 경우, 재전환 조건이 달성되면, 제2 유로(40)에서 제1 유로(30)로 유로를 재전환하고(S510), 재전환 조건이 달성되지 않는 경우, 제2 유로(40)를 통해 계속해서 수소를 주입한다(S520).
여섯 번째로, 제어부(50)는 복수 개의 탱크들(10)이 목표 충전량만큼 채워졌는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다(S600). 일 예로 제어부(50)는 매니폴드(20) 내의 압력이 목표 압력에 도달 했는지 여부를 판단할 수 있다. 제어부(50)는, 복수 개의 탱크들(10)이 목표 충전량만큼 채워졌다고 판단되는 경우, 모든 유로를 폐쇄하고, 수소의 주입을 중단할 수 있다. 만일, 복수 개의 탱크들(10)이 목표 충전량만큼 채워지지 못했다고 판단되는 경우, 유로의 재전환 여부를 결정하는 단계(S500)로 다시 돌아갈 수 있다. 이 때, 재전환 조건은 새롭게 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 탱크 충전 방법에 의하면, 유로의 전환 및 재전환을 통해 복수 개의 탱크들(10)의 충전량 밸런싱을 진행할 수 있으므로, 복수 개의 탱크들(10)의 충전량 편차를 밸런싱할 수 있다.
실시예 2
이하에서는 도 7을 참고하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 탱크 충전 시스템에 관하여 상술한다. 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예 2에 따른 탱크 충전 시스템은 탱크(10')의 형상에 있어 전술한 실시예 1의 탱크 충전 시스템과 차이가 있다. 실시예 1과 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하거나 생략하고, 구체적인 설명은 생략한다.
도 7에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예 2에 따른 탱크 충전 시스템의 탱크(10')는 관형으로 형성되어 소정의 유체가 충전되게 마련될 수 있다. 더욱 자세하게는 도 7에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예 2에 따른 탱크 충전 시스템의 탱크(10')는 u자 형태의 관과 n자 형태의 관이 반복적으로 연결되어 형성되는 형태일 수 있다.
제1 유로(30)는 탱크(10')의 제1 입구(10a')에 연결되어 유체를 탱크(10')로 공급하게 마련될 수 있다. 제2 유로(40)는 탱크(10')의 제2 입구(10b')에 연결되어, 유체를 탱크(10')로 공급하게 마련될 수 있다. 제2 입구(10b')는 제1 입구(10a')에서 소정거리 이격되는 입구일 수 있다. 일 예로 제1 입구(10a')는 탱크(10')의 일 단부일 수 있고, 제2 입구(10b')는 탱크(10')의 타 단부일 수 있다.
제어부(50)는 탱크(10')를 복수 개의 영역들로 구획할 때, 복수 개의 영역들 중 적어도 일부 영역의 충전량에 기초해서 제1 유로(30)와 제2 유로(40)의 개폐를 제어하게 마련될 수 있다. 예를 들어 제어부(50)는 제1 유로(30)에 인접한 영역의 충전량이 기준 충전량 이상인 경우, 제1 유로(30)를 폐쇄하고 제2 유로(40)를 개방하게 제어할 수 있다.
실시예 3
이하에서는 도 8을 참고하여, 본 발명의 실시예 3에 따른 탱크 충전 시스템에 관하여 상술한다. 도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예 3에 따른 탱크 충전 시스템은 제3 유로의 존재에 있어 전술한 실시예 1의 탱크 충전 시스템과 차이가 있다. 실시예 1과 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하거나 생략하고, 구체적인 설명은 생략한다.
도 8에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예 3에 따른 탱크 충전 시스템은 제3 유로(90)를 더 포함할 수 있다. 제3 유로(90)는 매니폴드(20)의 제1 유입구(21)와 제2 유입구(22)의 사이에 형성되는 제3 유입구(23)에 연결되어, 매니폴드(20)로 유체를 공급할 수 있다. 제어부(50)는, 제1 유로(30), 제2 유로(40) 및 제3 유로(90)의 개폐를 결정하게 마련될 수 있다.
일 예로, 제어부(50)는, 기준 시점 이전에는 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)를 개방하고 제3 유로(90)를 폐쇄하고, 기준 시점 이후에는 제1 유로(30) 및 제2 유로(40)를 폐쇄하고 제3 유로(90)를 개방할 수 있다. 이때 밸브부(80')는 제1 유로와 제3 유로의 분기점에 배치될 수 있다.
제어부(50)는, 제1 온도, 제2 온도 및 제3 온도에 관한 정보에 기초하여, 제1 유로(30), 제2 유로(40) 및 제3 유로(90)의 개폐 상태의 전환 여부를 결정할 수 있다. 제3 온도는 제3 탱크(14)에 연결된 제3 온도 센서(73)가 획득한 제3 탱크(14) 내의 온도일 수 있다. 제3 탱크(14)는 제3 유입구(23)에 인접하게 위치한 탱크일 수 있다.
본 발명의 실시예 3에 따른 탱크 충전 시스템의 경우, 제3 유로(90)가 더 존재하므로, 더 능동적인 충전량 밸런싱을 수행할 수 있다. 이때, 추가될 수 있는 유로의 개수는 한 개에 한정되는 것이 아니라, 필요에 따라 제4 유로, 제5 유로 등으로 확장될 수 있음은 물론이다.
실시예 4
이하에서는 도 9를 참고하여, 본 발명의 실시예 4에 따른 탱크 충전 시스템에 관하여 상술한다. 도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예 4에 따른 탱크 충전 시스템은 복수 개의 탱크 밸브(100)의 존재에 있어 전술한 실시예 1의 탱크 충전 시스템과 차이가 있다. 실시예 1과 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하거나 생략하고, 구체적인 설명은 생략한다.
도 9에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예 4에 따른 탱크 충전 시스템은 복수 개의 탱크 밸브(100)를 더 포함할 수 있다. 복수 개의 탱크 밸브(100)는 복수 개의 탱크들(10)과 매니폴드(20)의 각 연결 지점에 배치되어, 복수 개의 탱크들(10)과 매니폴드(20) 사이의 연통 여부를 각각 결정할 수 있다.
제어부(50)는 복수 개의 탱크 밸브(100)를 각각 제어하여, 각각의 탱크에서 발생할 수 있는 충전량의 편차를 해소할 수 있다. 예를 들어, 제1 탱크(11)에 충전량이 제2 탱크(12)의 충전량에 비해 기준 값 이상 많은 경우, 제어부(50)는 제1 탱크(11)에 연결된 탱크 밸브는 잠그고, 제2 탱크(12)에 연결된 탱크 밸브는 열 수 있다.
실시예 5
이하에서는 도 10을 참고하여, 본 발명의 실시예 5에 따른 탱크 충전 시스템에 관하여 상술한다. 도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 차량 충전 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예 5에 따른 탱크 충전 시스템은 외부의 충전 노즐(4)로부터 목표 충전량을 전달 받는 점에 있어 전술한 실시예 1의 탱크 충전 시스템과 차이가 있다. 실시예 1과 동일하거나 상당한 구성에 대해서는 동일하거나 상당한 도면부호를 부여하거나 생략하고, 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예 5에 따른 탱크 충전 시스템의 제어부(50)는 리셉터클(1)로부터 목표 충전량을 전달받을 수 있다. 이때, 리셉터클(1)은 외부의 충전 노즐(4)로부터 목표 충전량을 전달받을 수 있다. 리셉터클(1)은 송수신이 가능한 IR 에미터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예 5에 따른 탱크 충전 시스템은, 외부의 충전 노즐(4)로부터 목표 충전량을 전달 받을 수 있으므로, 반드시 탱크의 최대 충전량이 아닌 원하는 충전량만큼 복수 개의 탱크들(10)을 충전하는 것이 가능해질 수 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 기술사상의 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.
1: 리셉터클
2: 레귤레이터
3: 연료전지
4: 충전 노즐
10: 복수 개의 탱크들
10': 탱크
10a': 제1 입구
10b': 제2 입구
11: 제1 탱크
12: 제2 탱크
13: 최대 근접 탱크
14: 제3 탱크
20: 매니폴드
21: 제1 유입구
22: 제2 유입구
23: 제3 유입구
30: 제1 유로
40: 제2 유로
50: 제어부
60, 60': 압력 센서
70, 70': 온도 센서
71, 71': 제1 온도 센서
72, 72': 제2 온도 센서
73: 제3 온도 센서
80, 80': 밸브부
90: 제3 유로
100: 복수 개의 탱크 밸브
D: 기준 방향

Claims (17)

  1. 연료전지 차량의 연료전지 스택에 공급될 유체를 저장하게 마련되는 유체저장탱크를 위한 탱크 충전 시스템에 있어서,
    소정의 유체가 각각 충전되게 마련되는 복수 개의 탱크들;
    상기 복수 개의 탱크들과 각각 연통되게 결합되는 매니폴드;
    상기 매니폴드의 제1 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제1 유로;
    상기 매니폴드의 제1 유입구에서 소정거리 이격되는 상기 매니폴드의 제2 유입구에 연결되어, 상기 복수 개의 탱크들에 충전될 상기 유체를 상기 매니폴드로 공급하게 마련되는 제2 유로; 및
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는 제어부를 포함하는, 탱크 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량에 기초해서 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고,
    상기 충전량이 획득된 탱크들 중 상기 충전량이 최대인 탱크를 최대 충전 탱크라고 할 때, 상기 제1 및 제2 유입구 중 상기 최대 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하고 먼 유입구와 연결된 유로를 개방하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 일부의 충전량을 획득하고,
    상기 충전량이 획득된 탱크들 중 상기 충전량이 최소인 탱크를 최소 충전 탱크라고 할 때, 상기 제1 및 제2 유입구 중 상기 최소 충전 탱크에 가까운 유입구와 연결된 유로를 개방하고 먼 유입구와 연결된 유로를 폐쇄하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 유로를 개방하고 상기 제2 유로를 폐쇄하여 상기 제1 유입구를 통한 상기 유체의 공급을 개시하고,
    상기 복수 개의 탱크들 중 상기 제1 유입구에 가장 가까운 최대 근접 탱크의 충전량을 획득하고,
    상기 최대 근접 탱크의 충전량이 기준 충전량에 도달하면, 상기 제1 유로를 폐쇄하고 상기 제2 유로를 개방하여 상기 제2 유입구를 통한 상기 유체의 공급을 개시하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 유입구를 통한 상기 유체의 공급이 개시됐을 때의 상기 최대 근접 탱크의 충전량과, 상기 최대 근접 탱크의 목표 충전량 사이의 차이에 기초해서 상기 기준 충전량을 결정하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 탱크들은, 소정의 기준 방향을 따라 배열되고,
    상기 제1 유입구는, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 먼저 배치되는 제1 탱크에 인접하게 배치되고,
    상기 제2 유입구는, 상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크에 인접하게 배치되는, 탱크 충전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로의 개폐를 결정하는 밸브부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 밸브부를 제어하게 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 유로는, 상기 제1 유로에 연결되고,
    상기 밸브부는, 상기 제1 및 제2 유로의 연결지점에 마련되어 상기 밸브부로 공급되는 유체를 상기 제1 및 제2 유로 중의 적어도 어느 하나로 보내도록 마련되는, 탱크 충전 시스템.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최대 근접 탱크 내의 압력에 기초하여 상기 최대 근접 탱크의 충전량을 산출하는, 탱크 충전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수 개의 탱크 중 소정의 기준 방향을 따라서 가장 먼저 배치되는 제1 탱크의 충전량인 제1 충전량에 관한 정보, 및 상기 복수 개의 탱크 중 상기 기준 방향을 따라서 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크의 충전량인 제2 충전량에 관한 정보의 비교에 기초하여, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐 상태의 전환 여부를 결정하고,
    상기 제1 유입구는, 상기 제1 탱크에 인접하게 배치되고,
    상기 제2 유입구는, 상기 제2 탱크에 인접하게 배치되는, 탱크 충전 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 유로를 통한 상기 유체의 공급으로 상기 제2 충전량이 상기 제1 충전량 이상이 된 경우, 폐쇄 상태의 상기 제1 유로를 개방하고, 개방 상태의 상기 제2 유로를 폐쇄하도록 제어하는, 탱크 충전 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 충전량을 상기 제1 탱크의 온도에 기초하여 산출하고,
    상기 제2 충전량을 상기 제2 탱크의 온도에 기초하여 산출하는, 탱크 충전 시스템.
  14. 관형으로 형성되어 소정의 유체가 충전되게 마련되는 탱크;
    상기 탱크의 제1 입구에 연결되어, 상기 유체를 상기 탱크로 공급하게 마련되는 제1 유로;
    상기 탱크의 제1 입구에서 소정거리 이격되는 상기 탱크의 제2 입구에 연결되어, 상기 유체를 상기 탱크로 공급하게 마련되는 제2 유로; 및
    상기 탱크를 복수 개의 영역들로 구획할 때, 상기 복수 개의 영역들 중 적어도 일부 영역의 충전량에 기초해서 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 개폐를 제어하게 마련되는 제어부를 포함하는, 탱크 충전 시스템.
  15. 연료전지 차량의 연료전지 스택에 공급될 수소를 저장하게 마련되는 수소저장탱크를 위한 탱크 충전 방법에 있어서,
    소정의 기준 방향을 따라 배열되게 매니폴드에 결합되는 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 먼저 배치되는 제1 탱크의 충전량에 기초하여, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제1 탱크에 인접한 제1 유로에서, 상기 제1 탱크에서 이격되게 상기 매니폴드에 연결되는 제2 유로로 전환하는 조건을 전환 조건이라 할 때,
    상기 제1 유로를 통해 상기 복수 개의 탱크들로 상기 수소를 주입하는 단계;
    상기 전환 조건이 달성된 것으로 판단되면, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제1 유로에서 상기 제2 유로로 전환하는 단계; 및
    상기 복수 개의 탱크들 중 적어도 어느 하나가 목표 충전량만큼 충전된 것으로 판단되면, 모든 유로를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 탱크 충전 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제2 유로에서 상기 제1 유로로 재전환하는 조건을 재전환 조건이라 할 때,
    상기 모든 유로의 폐쇄 전에 상기 재전환 조건이 달성된 것으로 판단되면, 상기 매니폴드로 상기 수소를 공급하는 유로를 상기 제2 유로에서 상기 제1 유로로 재전환하는 단계를 더 포함하는, 탱크 충전 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 유로는,
    상기 복수 개의 탱크들 중 상기 기준 방향을 따라 가장 마지막에 배치되는 제2 탱크에 인접한 유로인, 탱크 충전 방법.
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