KR20220125750A - 차량 충전 시스템 - Google Patents

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KR20220125750A
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최봉원
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 차량 충전 시스템에 관한 것으로서, 수소 탱크를 구비하며, 수소를 공급하기 위한 공급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 공급 노즐, 상기 공급 노즐과 일단이 연결되는 충전 호스 및 상기 충전 호스의 타단에 연결되고, 상기 공급 차량으로부터 수소를 공급 받기 위한 수급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 수급 노즐을 포함하는 충전 커넥터를 포함할 수 있다.

Description

차량 충전 시스템{CHARGING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 주 연료로 사용하는 연료전지 차량의 경우에 있어 수소 충전소 인프라의 구축은 필수적이다. 그러나, 이러한 수소 충전소 인프라는 연료전지 차량의 보급 속도에 비해 충분히 확보되지 못하고 있다.
한편, 현재 전기차의 경우, 충전 방법의 일 예시로 차량 간 충전 기술이 개발되고 있다. 차량 간 충전 기술이라 함은, 하나의 차량의 배터리로부터 다른 차량의 배터리를 충전하는 것을 의미한다.
이러한 차량 간 충전 기술을 연료전지 차량에 적용하는 경우, 부족한 수소 충전소 인프라로 인한 문제의 해결에 도움을 줄 수 있을 것이다. 그러나, 연료전지 차량의 경우, 전기차와 달리 기체를 사용하므로 수소 충전에 대한 안전성을 확보할 수 있는 기술과 주행 성능에 영향을 미치는 수소의 농도를 제어하여 주행 성능을 확보할 수 있는 기술이 추가로 필요한 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 공급 차량으로부터 수급 차량으로 수소를 공급할 수 있으며, 안전성이 확보되고, 주행 성능이 확보되는 차량 충전 시스템을 제공하는 것이다.
일 예에서 차량 충전 시스템은, 수소 탱크를 구비하며, 수소를 공급하기 위한 공급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 공급 노즐, 상기 공급 노즐과 일단이 연결되는 충전 호스 및 상기 충전 호스의 타단에 연결되고, 상기 공급 차량으로부터 수소를 공급 받기 위한 수급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 수급 노즐을 포함하는 충전 커넥터를 포함할 수 있다.
다른 예에서 상기 충전 커넥터는, 상기 충전 호스에 결합되어, 상기 충전 호스 내의 유로를 개폐하게 마련되는 커넥터 밸브를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 충전 커넥터는, 상기 충전 호스에 결합되고, 상기 공급 차량의 수소 충전량에 관한 정보 및 상기 공급 차량의 탱크 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련되는 제1 리시버를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 충전 호스에 결합되고, 상기 수급 차량의 수소 충전량에 관한 정보 및 상기 수급 차량의 탱크 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련되는 제2 리시버를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 충전 커넥터는, 상기 충전 호스에 결합되어, 상기 충전 호스 내의 수소 농도에 관한 정보를 획득하게 마련되는 수소 농도 센서를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 공급 차량으로부터 배출된 수소가 상기 충전 커넥터를 통해 상기 수급 차량으로 유입되는 방향을 기준 방향이라 할 때, 상기 커넥터 밸브는, 상기 수소 농도 센서의 상기 기준 방향 측에 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 차량 충전 시스템은, 상기 수소 농도 센서가 획득한 상기 충전 호스 내의 수소 농도가 기준 농도 이상인 경우, 상기 커넥터 밸브를 개방하도록 제어하게 마련되는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 차량 충전 시스템은 상기 공급 차량, 상기 수급 차량 및 상기 충전 커넥터와 전기적으로 연결되어, 각각을 제어하게 마련되는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 충전 커넥터가 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량을 서로 연결하도록 상기 공급 차량과 상기 수급 차량에 결합된 경우, 상기 제어부는, 상기 공급 차량의 탱크를 개방시켜, 상기 충전 커넥터로 상기 공급 차량 내의 수소를 공급하도록 상기 공급 차량을 제어하는 수소 공급 단계를 수행하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 공급 차량으로부터 배출된 수소를 상기 충전 커넥터를 통해 상기 수급 차량으로 유입시켜 상기 수급 차량에 수소를 충전하는 일련의 과정을 수소 충전 과정이라 할 때, 상기 제어부는, 상기 수소 공급 단계의 이전에, 상기 공급 차량의 수소 충전량에 기초하여, 상기 수소 충전 과정의 개시 여부를 결정하는 단계를 수행하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 수소 공급 단계의 이전에, 상기 공급 차량의 탱크를 폐쇄하고, 상기 공급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키며, 상기 수급 차량의 탱크를 폐쇄하고, 상기 수급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키는 수소 배출 단계를 수행하도록 상기 공급 차량과 상기 수급 차량을 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 충전 커넥터 내의 수소 농도가 소정의 기준 농도 이상이 되는 경우, 상기 충전 커넥터를 개방하여, 상기 충전 커넥터 내의 수소를 상기 수급 차량으로 유입시키는 수소 유입 단계를 수행하도록 상기 충전 커넥터를 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 수소 유입 단계 중 상기 공급 차량으로부터 목표한 수소 공급량이 상기 수급 차량으로 공급되었거나, 상기 공급 차량의 수소 압력과 상기 수급 차량의 수소 압력의 차이가 없어진 지 소정 시간이 지났거나, 상기 수급 차량의 탱크 내 온도가 기준 온도 이상인 경우, 상기 수소 유입 단계를 종료하도록, 상기 공급 차량, 상기 수급 차량 및 상기 충전 커넥터를 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 수소 유입 단계의 종료가 결정된 경우, 상기 제어부는, 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량의 탱크를 폐쇄한 후, 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키도록 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량을 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 제어부는, 상기 수소 공급 단계 후, 상기 충전 커넥터 내의 수소 농도가 소정의 기준 농도 미만인 경우, 상기 공급 차량의 탱크를 폐쇄한 후, 상기 공급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시킨 후 상기 공급 차량의 탱크를 개방하는 퍼지 단계를 수행하도록, 상기 공급 차량을 제어하게 마련될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 공급 노즐은 상기 공급 차량의 리셉터클에 연결될 때, 상기 공급 차량의 리셉터클의 체크 밸브를 개방시키도록 마련될 수 있다.
본 발명에 의하면, 공급 차량과 수급 차량을 서로 연결하는 충전 커넥터를 통해 공급 차량의 수소를 수급 차량으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수소가 고농도인 경우에 커넥터 밸브가 개방될 수 있으므로, 고농도의 수소를 수급 차량에 공급할 수 있게 되어, 수급 차량의 주행 성능이 확보될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 공급 차량 및 수급 차량의 고압 수소로 인한 안전성이 확보된 후에 충전 커넥터가 연결될 수 있으므로, 충전 과정에서의 안전성이 확보될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템의 충전 커넥터를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 공급 노즐과 공급 차량의 리셉터클의 일 예시를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 공급 노즐이 공급 차량의 리셉터클에 연결될 때의 일 예시를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 통해 공급 차량으로부터 수급 차량에 수소를 주입하는 과정을 도시한 순서도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 1에서 점선은 전기적인 연결을 의미할 수 있다. 이는 유선 연결과 무선 연결을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템은, 연료를 공급하기 위한 공급 차량(1)의 연료를, 공급 차량(1)으로부터 연료를 공급 받기 위한 수급 차량(2)에 공급할 수 있는 차량 충전 시스템이다. 일 예에서 연료는 수소일 수 있다. 이하에서는 연료가 수소인 경우에 관하여 작성한다. 다만, 연료의 범위가 수소에만 한정되는 것은 아니고 통상의 기술자에게 용이한 범위에서 변경될 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 설명하기에 앞서, 차량 충전 시스템이 적용될 수 있는 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 일 예시에 관하여 상술한다.
공급 차량(1) 및 수급 차량(2)은 고압의 수소를 저장하기 위한 탱크(3, 3')를 각각 포함할 수 있다. 이때, 각각의 탱크(3, 3')에는 수소의 출입을 위한 탱크 밸브(4, 4')가 구비될 수 있다. 일 예로, 탱크 밸브(4, 4')는 전자기적 신호에 의해 개폐가 가능한 솔레노이드 밸브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 탱크 밸브(4, 4')는 온도 센서를 구비하고 있어 탱크(3, 3') 내부의 온도를 측정할 수 있다.
공급 차량(1) 및 수급 차량(2)은 수소를 유입시키거나 배출시키는 통로로 기능할 수 있는 리셉터클(7, 7')을 각각 포함할 수 있다. 리셉터클(7, 7')은 내부 수소의 역류를 방지 하기 위한 체크밸브(12, 도 3)를 포함할 수 있다. 리셉터클(7, 7')을 통해 주입된 수소는 각각의 탱크(3, 3')에 연결된 매니폴드(5, 5')를 통해 각각의 탱크(3, 3')로 분기되어 저장될 수 있다. 매니폴드(5, 5')에는 탱크(3, 3') 내부의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(6, 6')가 구비될 수 있다.
추후 차량 내에 수소를 공급할 때에는 탱크(3, 3')로부터 매니폴드(5, 5')를 거쳐 수소공급배관(8, 8')을 통해 차량에 수소를 공급할 수 있다. 이러한 수소공급배관(8, 8')은 차량 내의 연료전지 스택과 연결될 수 있다.
또한, 수소공급배관(8, 8')은 차량의 외부와도 연통될 수 있다. 더욱 자세하게는, 수소공급배관(8, 8')은 연료전지 스택을 통해 차량의 외부와 연통될 수 있다. 이때, 탱크(3, 3')로부터 배출된 수소가스는 수소공급배관(8, 8'), 수소차단밸브, 수소공급밸브, 드레인 밸브 및 퍼지 밸브를 순차적으로 거쳐, 차량의 외부로 배출될 수 있다. 수소차단밸브, 수소공급밸브, 드레인 밸브 및 퍼지 밸브는 일반적인 연료전지 차량에 탑재되는 구성요소이므로, 자세한 설명은 생략한다.
공급 차량(1) 및 수급 차량(2)은 고압의 압력을 견디도록 설계된 내부 배관(11, 11')을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 각 부품들은 내부 배관(11, 11') 상에 배치될 수 있다.
공급 차량(1) 및 수급 차량(2)은, IR 에미터(9, 9') 및 HMU(Hydrogen storage system Manage Unit)(10, 10')를 포함할 수 있다. IR 에미터(9, 9')는 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 수소 충전량 및 탱크(3, 3')의 온도 등의 정보 등을 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 외부로 전송할 수 있다.
HMU(10, 10')는 탱크 밸브(4, 4')와 전기적으로 연결되어 탱크 밸브(4, 4')의 개폐를 제어할 수 있다. 또한, HMU(10, 10')는 탱크 밸브(4, 4')의 온도 센서가 측정한 탱크(3, 3')의 온도와 압력 센서(6, 6')가 측정한 탱크(3, 3') 내의 압력에 기초하여 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 수소 충전량을 연산할 수 있고, 그 정보를 IR 에미터(9, 9')를 통해 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 외부로 전송할 수 있다. 일 예로서, 후술할 제어부(200)假 탱크 밸브(4, 4')를 개폐하도록 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 제어하는 것은, 제어부(200)가 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 HMU(10, 10')에 신호를 보내어 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 HMU(10, 10')가 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 탱크 밸브(4, 4')를 개폐하게 하는 것으로 이해될 수 있다.
이외 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)에 대한 자세한 구성에 대한 내용은 통상의 연료전지 차량과 같으므로 자세한 내용은 생략한다. 이하에서는 전술한 내용에 기초하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템에 관하여 상술한다.
<충전 커넥터(100)>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템의 충전 커넥터를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 2에서 점선은 전기적인 연결을 의미할 수 있다. 이는 유선 연결과 무선 연결을 모두 포함하는 개념일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템은 충전 커넥터(100)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시되어 있듯이, 충전 커넥터(100)는 공급 노즐(101), 충전 호스(103) 및 수급 노즐(102)을 포함할 수 있다.
공급 노즐(101)은, 공급 차량(1)의 리셉터클(7)에 연결되게 마련될 수 있다. 도 3은 공급 노즐과 공급 차량의 리셉터클의 일 예시를 개념적으로 도시한 도면이다. 공급 노즐(101)은 공급 차량(1)의 리셉터클(7)에 연결될 때, 공급 차량(1)의 리셉터클(7)의 체크 밸브(12)를 개방시키도록 마련될 수 있다. 도 4는 공급 노즐이 공급 차량의 리셉터클에 연결되었을 때의 일 예시를 개념적으로 도시한 도면이다.
일 예로, 공급 차량(1)의 체크 밸브(12)는 외부로부터의 수소 유입은 허용하되, 외부로의 수소 배출은 허용하지 않도록, 일 방향으로만 가압되고 있는 밸브 디스크(13) 및 밸브 디스크(13)를 가압하는 탄성부재(14)를 포함하는 형태일 수 있다. 탄성부재(14)는 용수철일 수 있다.
도 3 및 도 4를 기준으로 일 방향은 오른쪽일 수 있다. 이때, 도 4에 도시되어 있듯이, 공급 노즐(101)이 공급 차량(1)의 리셉터클(7)에 삽입되며, 밸브 디스크(13)를 일 방향의 반대 방향, 즉 도 3 및 도 4를 기준으로 왼쪽으로 밀어 체크 밸브(12)를 개방시킬 수 있다. 더욱 자세하게는 공급 노즐(101)의 팁(101')이 밸브 디스크(13)를 일 방향의 반대 방향으로 밀게 되면, 그로 인해 체크 밸브(12)가 개방되어, 체크 밸브(12)로부터 수소가 배출될 수 있게 된다.
한편, 도 4에 도시되어 있듯이, 개방된 체크 밸브(12)는 공급 노즐(101)과 연통될 수 있으므로, 공급 차량(1)의 수소가 공급 노즐(101)로 배출될 수 있다.
충전 호스(103)는 공급 노즐(101)과 일단이 연결될 수 있다. 수급 노즐(102)은 충전 호스(103)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 수급 노즐(102)은 수급 차량(2, 도 1)의 리셉터클(7', 도 1)에 연결되게 마련될 수 있다.
본 발명에 의하면, 공급 차량(1)과 수급 차량(2)을 서로 연결하는 충전 커넥터(100)를 통해 공급 차량(1)의 수소를 수급 차량(2)으로 공급할 수 있다. 따라서, 수급 차량(2)의 수소 충전량이 부족한 경우, 공급 차량(1)으로부터 수소를 공급 받을 수 있게 되어, 연료의 부족으로 인해 발생할 수 있는 시동의 꺼짐과 같은 문제를 근처에 수소 충전소가 없는 경우에도 공급 차량(1)을 통해 해소할 수 있게 된다.
<커넥터 밸브(104)>
충전 커넥터(100)는, 커넥터 밸브(104)를 더 포함할 수 있다. 커넥터 밸브(104)는 충전 호스(103)에 결합되어, 충전 호스(103) 내의 유로를 개폐하게 마련될 수 있다. 일 예로, 커넥터 밸브(104)를 폐쇄하면, 충전 호스(103) 내의 유로가 폐쇄되고, 커넥터 밸브(104)를 개방하면, 충전 호스(103) 내의 유로가 개방될 수 있다. 커넥터 밸브(104)는 다양한 조건에 따라 개폐가 결정될 수 있다. 이하에서는 이러한 내용에 관해 자세히 상술한다.
<제어부(200)>
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템은 제어부(200)를 더 포함할 수 있다. 도 1에 도시되어 있듯이, 제어부(200)는 공급 차량(1), 수급 차량(2) 및 충전 커넥터(100)와 전기적으로 연결되어, 각각을 제어하게 마련될 수 있다.
제어부(200)는, 일 예로 커넥터 밸브(104)와 연결되어, 충전 호스(103) 내의 유로의 개폐 상태가 조절되도록 커넥터 밸브(104)를 제어할 수 있다. 제어부(200)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 커넥터 밸브(104)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.
일 예로, 제어부(200)는 스마트 폰 등의 모바일 기기에 어플리케이션을 설치하는 형태로 구현될 수 있다. 또는, 제어부(200)는 별도의 단말기일 수 있다. 이러한 경우, 제어부(200)는 차량과 소정 거리 이내에 위치하여야 한다. 또는, 제어부(200)는 공급 차량(1) 또는 수급 차량(2) 중 어느 하나에 탑재된 단말기일 수 있다.
제어부(200)는, 충전 커넥터(100)가 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 서로 연결하도록 공급 차량(1)과 수급 차량(2)에 결합된 경우, 공급 차량(1)의 탱크(3)를 개방시켜, 충전 커넥터(100)의 내부로 공급 차량(1) 내의 수소를 공급하도록 공급 차량(1)을 제어할 수 있다. 충전 커넥터(100)가 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 서로 연결하도록 공급 차량(1)과 수급 차량(2)에 결합된 때라 함은, 공급 노즐(101, 도 2)이 공급 차량(1, 도 1)의 리셉터클(7, 도 1)에 연결되게 마련되고, 수급 노즐(102, 도 2)이 수급 차량(2, 도 1)의 리셉터클(7', 도 1)에 연결된 때를 의미할 수 있다.
<제1 리시버(105)>
도 2에 도시되어 있듯이, 충전 커넥터(100)는, 제1 리시버(105)를 더 포함할 수 있다. 제1 리시버(105)는 충전 호스(103)에 결합되고, 공급 차량(1, 도 1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 공급 차량(1)의 탱크(3) 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련될 수 있다. 더욱 자세하게는 제1 리시버(105, 도 2)는 공급 차량(1, 도 1)의 IR 에미터(9)로부터 공급 차량(1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 공급 차량(1)의 탱크(3) 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득할 수 있다. 제1 리시버(105)는 획득된 정보를 제어부(200)에 전달할 수 있다.
제어부(200)는 제1 리시버(105, 도 2)가 획득한 공급 차량(1, 도 1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 공급 차량(1)의 탱크(3) 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여 커넥터 밸브(104, 도 2)를 제어하여, 충전 호스(103) 내의 유로의 개폐를 결정하게 마련될 수 있다.
다른 예로, 제어부(200)는 공급 차량(1, 도 1)의 IR 에미터(9)로부터 공급 차량(1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 공급 차량(1)의 탱크(3) 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련될 수도 있다. 이러한 경우, 충전 커넥터(100)에는 제1 리시버(105)가 포함되지 않을 수 있다.
<제2 리시버(106)>
도 2에 도시되어 있듯이, 충전 커넥터(100)는, 제2 리시버(106)를 더 포함할 수 있다. 제2 리시버(106)는 충전 호스(103)에 결합되고, 수급 차량(2, 도 1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 수급 차량(2)의 탱크(3') 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련될 수 있다. 더욱 자세하게는 제2 리시버(106, 도 2)는 수급 차량(2, 도 1)의 IR 에미터(9')로부터 수급 차량(2)의 수소 충전량에 관한 정보 및 수급 차량(2)의 탱크(3') 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득할 수 있다. 제2 리시버(106)는 획득 된 정보를 제어부(200)에 전달할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 제2 리시버(106, 도 2)가 획득한 수급 차량(2, 도 1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 수급 차량(2)의 탱크(3') 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여 커넥터 밸브(104, 도 2)를 제어하여, 충전 호스(103) 내의 유로의 개폐를 결정하게 마련될 수 있다.
다른 예로, 제어부(200)는 수급 차량(2, 도 1)의 IR 에미터(9)로부터 수급 차량(1)의 수소 충전량에 관한 정보 및 수급 차량(2)의 탱크(3') 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련될 수도 있다. 이러한 경우, 충전 커넥터(100)에는 제2 리시버(106)가 포함되지 않을 수 있다.
<수소 농도 센서(107)>
또한, 도 2에 도시되어 있듯이, 충전 커넥터(100)는, 수소 농도 센서(107)를 더 포함할 수 있다. 수소 농도 센서(107)는 충전 호스(103)에 결합되어, 충전 호스(103) 내의 수소 농도에 관한 정보를 획득하게 마련될 수 있다.
도 2에 도시되어 있듯이, 커넥터 밸브(104)는, 수소 농도 센서(107)의 기준 방향(D) 측에 마련될 수 있다. 기준 방향(D)이라 함은, 공급 차량(1, 도 1)으로부터 배출된 수소가 충전 커넥터(100)를 통해 수급 차량(2)으로 유입되는 방향일 수 있다. 일 예로, 수소 농도 센서(107)가 수소 농도에 관한 정보를 획득하고, 제어부(200)는 그 획득한 정보에 기초하여 커넥터 밸브(104)를 제어하여, 충전 호스(103) 내의 유로의 개폐를 결정하게 마련될 수 있다.
더욱 자세하게는, 제어부(200)는 수소 농도 센서(107)가 획득한 충전 호스(103) 내의 수소 농도가 기준 농도 이상인 경우, 커넥터 밸브(104)를 개방하도록 제어하게 마련될 수 있다. 일 예로, 기준 농도는 99.97%일 수 있다.
충전 커넥터(100)가 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 서로 연결하도록 공급 차량(1)과 수급 차량(2)에 결합된 경우 충전 호스(103) 내에는 수소와 공기가 섞여있을 수 있다. 이 경우, 커넥터 밸브(104)를 열게 되면 낮은 농도의 수소가 수급 차량(2)으로 유입되게 되고, 이는 주행 성능을 악화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템에 의하면, 커넥터 밸브(104)가 수소가 고농도인 경우에 개방될 수 있으므로, 고농도의 수소를 수급 차량(2)에 공급할 수 있게 되어, 수급 차량(2)의 주행 성능이 확보될 수 있다.
<충전과정>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 통해 공급 차량으로부터 수급 차량에 수소를 주입하는 과정을 도시한 순서도이다. 이하에서는, 도 5를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 충전 시스템을 통해 공급 차량(1, 도 1)으로부터 수급 차량(2, 도 2)에 수소를 주입하는 과정에 관하여 상술한다. 또한, 전반적인 이해를 위해 도 1 및 도 2를 참고할 수 있다.
첫 번째로, 수소 충전 과정의 개시를 위해 공급 차량(1)의 충전모드를 활성화시킨다(S201). 충전모드가 활성화되는 경우, 공급 차량(1)의 시동은 종료될 수 있다. 또한, 충전 모드가 활성화되는 경우, 연료전지 스택에 연결되는 수소차단밸브가 폐쇄될 수 있다.
이때, 제어부(200)는, 공급 차량(1)의 수소 충전량을 확인하고, 공급 차량(1)의 수소 충전량에 기초하여, 수소 충전 과정의 개시 여부를 결정하는 단계(S202)를 수행할 수 있다. 일 예로, 제어부(200)는, 공급 차량(1)의 수소 충전량이 기준량 이상인 경우, 수소 충전 과정을 개시하는 것으로 결정할 수 있다. 이때, 기준량은 공급 차량(1)에 충전할 수 있는 최대 수소 양의 30%일 수 있다.
한편, 이때, 제어부(200)는, 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 수소 충전량을 확인하고, 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 수소 충전량에 기초하여, 수소 충전 과정의 개시 여부를 결정하는 단계(S202)를 수행할 수 있다. 이때, 기준량은 공급 차량(1)이 수급 차량(2)에 수소를 최대로 공급한 후, 공급 차량(1)이 소정 거리의 주행을 할 수 있게 하는 수소 충전량일 수 있다. 소정 거리는 100km일 수 있다. 단, 소정 거리는 100km에 국한되는 것은 아니라, 충전소까지 이동이 가능한 거리의 일 예시라고 보아야 할 것이다.
또, 제어부(200)는 공급 차량(1)의 수소 충전량이 기준량 미만인 경우, 공급 차량(1)의 수소 충전량이 부족한 것으로 판단하여, 수소 충전 과정의 개시가 불가하다는 내용을 사용자에게 송출할 수 있다.
수소 충전 과정 개시의 또 다른 조건으로, 공급 차량(1)의 수소 충전량이수급 차량(2)의 수소 충전량보다 많은 경우, 수소 충전 과정이 개시될 수 있다. 만일, 공급 차량(1)의 수소 충전량이 수급 차량(2)의 수소 충전량보다 작은 경우, 압력 차로 인해, 공급 차량(1)의 수소가 수급 차량으로 유입되지 않을 수 있다. 따라서, 공급 차량(1)의 수소 충전량이 수급 차량(2)의 수소 충전량보다 작은 경우, 제어부(200)는 수소 충전 과정의 개시가 불가하다는 내용을 사용자에게 송출할 수 있다.
수소 충전 과정의 개시에 관하여 예시를 들어 자세히 상술한다. 설명의 편의를 위해, 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 동일한 탱크 용량을 가진 차량이라고 가정한다. 일 예로, 공급 차량(1)은 250km를 주행 가능한 수소가 충전되어 있고, 수급 차량(2)은 50km를 주행 가능한 수소가 충전되어 있다고 가정한다.
이러한 경우, 공급 차량(1)에 250km를 주행 가능한 수소가 충전되어 있고, 공급 차량(1)의 수소 충전량이 수급 차량(2)의 수소 충전량보다 많으므로, 수소 충전 과정이 개시될 수 있다. 자세하게는, 공급 차량(1)이 수급 차량(2)에 수소를 최대로 공급하는 경우, 공급 차량(1) 및 수급 차량(1)에 각각 150km를 주행 가능한 수소가 충전될 수 있으므로, 공급 차량(1)이 수급 차량(2)에 수소를 최대로 공급한 후, 공급 차량(1)은 100km 이상을 주행할 수 있다.
두 번째로, 제어부(200)는 수소 배출 단계(S203, S204)를 수행하도록 공급 차량(1, 도 1)과 수급 차량(2)을 제어할 수 있다. 수소 배출 단계(S203, S204)는 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 탱크(3, 3')를 폐쇄(S203)하고, 공급 차량(1)의 내부 배관(11) 및 수급 차량(2)의 내부 배관(11')의 수소를 외부로 배출(S204) 시키는 단계일 수 있다. 더욱 자세하게는, 제어부(200)는 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 탱크 밸브(4, 4')를 잠그고, 수소공급배관(8, 8')을 통해 수소를 외부로 배출시킬 수 있다.
수소 배출 단계(S203, S204)는 공급 차량(1) 및 수소 차량의 내부에 형성되어 있는 고압을 해소하는 과정으로 이해될 수 있다. 일반적인 연료전지 차량의 내부 배관(11, 11')에서 수소는 매우 고압일 수 있다. 따라서, 이러한 고압을 해소하지 않고 연료전지 차량의 리셉터클(7, 7')을 개방하는 것은 위험할 수 있다. 따라서, 수소 배출 단계(S203, S204)를 통해 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 내부의 고압을 해소할 수 있다. 본 발명에 의하면, 충전 커넥터(100)가 안전성이 확보된 후에 연결될 수 있으므로, 충전 과정에서의 안전성이 확보될 수 있다.
세 번째로, 충전 커넥터(100)의 공급 노즐(101)을 공급 차량(1)의 리셉터클(7)에 연결시키고, 수급 노즐(102)을 수급 차량(2)의 리셉터클(7')에 연결시킨다(S205).
네 번째로, 제어부(200)는, 수소 공급 단계(S206)를 수행하도록 공급 차량(1)을 제어하게 마련될 수 있다. 수소 공급 단계(S206)는 공급 차량(1)의 탱크(3)를 개방시켜, 충전 커넥터(100)로 공급 차량(1) 내의 수소를 공급하도록 공급 차량(1)을 제어하는 단계일 수 있다. 단, 이때는 충전 커넥터(100)의 커넥터 밸브(104)에 의해 충전 호스(103)의 내부 유로가 막혀 있으므로, 공급 차량(1)으로부터 공급된 수소가 수급 차량(2)으로 유입되지는 않는다.
다섯 번째로, 제어부(200)는 수소 유입 단계(208)를 수행하도록, 충전 커넥터(100)를 제어할 수 있다. 수소 유입 단계(S208)는 충전 커넥터(100) 내의 수소 농도가 소정의 기준 농도 이상이 되는지를 판단(S207)하고, 소정의 기준 농도 이상인 경우, 충전 커넥터(100)를 개방하여, 충전 커넥터(100) 내의 수소를 수급 차량(2)으로 유입시키는 단계일 수 있다. 이때 기준 농도는 99.97% 일 수 있다.
이때, 수소 농도가 기준 농도 미만인 경우가 있을 수 있다. 이 경우, 제어부(200)는, 퍼지 단계(S214, S215, S216)를 수행하도록 공급 차량(1)을 제어할 수 있다. 퍼지 단계(S214, S215, S216)는 수소 공급 단계(S206) 후, 충전 커넥터(100) 내의 수소 농도가 기준 농도 미만인 경우, 공급 차량(1)의 탱크(3)를 폐쇄(S214)한 후, 공급 차량(1)의 내부 배관(11)의 수소를 외부로 배출(S215)시킨 후 공급 차량(1)의 탱크(3)를 개방(S216)하는 단계일 수 있다. 수소의 외부로의 배출은 전술한 수소 배출 단계(S203, S204)와 같은 과정을 거쳐 일어날 수 있다. 이러한 과정을 통해 공급 차량(1)의 내부 배관(11)의 수소의 농도가 높아질 수 있다.
여섯 번째로, 제어부(200)는, 목표한 수소 공급량이 달성되었거나, 수소 유입 단계(S208) 중 공급 차량(1)의 수소 압력과 수급 차량(2)의 수소 압력의 차이가 없어진 지 소정 시간이 지났거나, 수급 차량(2)의 탱크(3') 내 온도가 기준 온도 이상인지 여부를 판단(S209)할 수 있다. 이때, 공급 차량(1)의 수소 압력과 수급 차량(2)의 수소 압력의 차이가 없어진 지 소정 시간이 지났거나, 수급 차량(2)의 탱크(3') 내 온도가 기준 온도 이상인 경우, 수소 유입 단계를 종료하도록, 공급 차량(1), 수급 차량(2) 및 충전 커넥터(100)를 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(200)는 수소 유입 단계의 종료 조건 달성 여부를 판단하고, 그에 기초하여 수소 유입 단계의 종료 여부를 결정할 수 있다.
더욱 자세하게는, 공급 차량(1)으로부터 목표한 수소 공급량이 수급 차량(2)으로 이동된 경우, 제어부(200)는 수소 유입 단계(S208)를 종료하도록 공급 차량(1), 수급 차량(2) 및 충전 커넥터(100)를 제어할 수 있다. 목표한 수소 공급량은 사용자에 의해 설정될 수 있다. 단, 목표한 수소 공급량은 공급 차량(1)의 총 수소 충전량에서 기준량을 뺀 값보다 작아야 하고, 공급 차량(1)의 총 수소 충전량과 수급 차량(2)의 총 수소 충전량의 평균값 이하일 수 있다.
또는, 제어부(200)는 공급 차량(1)의 압력 센서(6)가 측정한 공급 차량(1)의 수소 압력과 수급 차량(2)의 압력 센서(6')가 측정한 수급 차량(2)의 수소 압력의 차이가 없어진 지 소정 시간이 지난 경우, 수소 유입 단계(S208)를 종료하도록 공급 차량(1), 수급 차량(2) 및 충전 커넥터(100)를 제어할 수 있다. 소정 시간은 20초일 수 있다. 다만 이는 일 예시적인 값으로, 필요에 의해 변경될 수 있다.
또는, 제어부(200)는 공급 차량(1)의 탱크 밸브(4)가 측정한 공급 차량(1)의 탱크(3) 내 온도가 -40도 이하인 경우이거나, 수급 차량(2)의 탱크 밸브(4')가 측정한 수급 차량(2)의 탱크(3') 내 온도가 85도 이상인 경우 수소 유입 단계(S208)를 종료하도록 공급 차량(1), 수급 차량(2) 및 충전 커넥터(100)를 제어할 수 있다. 다만, 전술한 온도들은 예시적인 값으로 필요에 의해 변경될 수 있다.
이러한 기준 압력 및 기준 온도는 충전 효율 및 시스템 보호를 고려하여 설정될 수 있다.
일곱 번째로, 수소 유입 단계(S208)의 종료가 결정된 경우 제어부(200)는 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 탱크(3, 3')를 폐쇄(S210)한 후, 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 내부 배관(11, 11')의 수소를 외부로 배출(S211)시키도록 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)을 제어할 수 있다. 이러한 과정은 공급 노즐(101) 및 수급 노즐(102)을 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 리셉터클(7, 7')로부터 분리하기 전, 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)의 내부 배관(11, 11')의 고압을 해소하여, 안전을 확보하는 과정으로 이해될 수 있다. 이는 전술한 수소 배출 단계(S203, S204)와 유사한 과정으로 이해될 수 있다.
마지막으로, 공급 노즐(101) 및 수급 노즐(102)을 공급 차량(1) 및 수급 차량(2)으로부터 분리(S212)시키고, 활성화 되어 있던 충전모드를 종료(S213)할 수 있다. 충전모드가 종료되면, 차량은 재시동될 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: 공급 차량
2: 수급 차량
3, 3': 탱크
4, 4': 탱크 밸브
5, 5': 매니폴드
6, 6': 압력 센서
7, 7': 리셉터클
8, 8': 수소공급배관
9, 9': IR 에미터
10, 10': HMU
11, 11': 내부 배관
12: 체크 밸브
13: 밸브 디스크
14: 탄성부재
100: 충전 커넥터
101: 공급 노즐
102: 수급 노즐
103: 충전 호스
104: 커넥터 밸브
105: 제1 리시버
106: 제2 리시버
107: 수소 농도 센서
200: 제어부
D: 기준 방향

Claims (16)

  1. 수소 탱크를 구비하며, 수소를 공급하기 위한 공급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 공급 노즐;
    상기 공급 노즐과 일단이 연결되는 충전 호스; 및
    상기 충전 호스의 타단에 연결되고, 상기 공급 차량으로부터 수소를 공급 받기 위한 수급 차량의 리셉터클에 연결되게 마련되는 수급 노즐을 포함하는 충전 커넥터를 포함하는, 차량 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전 커넥터는,
    상기 충전 호스에 결합되어, 상기 충전 호스 내의 유로를 개폐하게 마련되는 커넥터 밸브를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전 커넥터는,
    상기 충전 호스에 결합되고, 상기 공급 차량의 수소 충전량에 관한 정보 및 상기 공급 차량의 탱크 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련되는 제1 리시버를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전 호스에 결합되고, 상기 수급 차량의 수소 충전량에 관한 정보 및 상기 수급 차량의 탱크 내부의 온도에 관한 정보 중 적어도 어느 하나를 획득하게 마련되는 제2 리시버를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전 커넥터는,
    상기 충전 호스에 결합되어, 상기 충전 호스 내의 수소 농도에 관한 정보를 획득하게 마련되는 수소 농도 센서를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공급 차량으로부터 배출된 수소가 상기 충전 커넥터를 통해 상기 수급 차량으로 유입되는 방향을 기준 방향이라 할 때,
    상기 커넥터 밸브는,
    상기 수소 농도 센서의 상기 기준 방향 측에 마련되는, 차량 충전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소 농도 센서가 획득한 상기 충전 호스 내의 수소 농도가 기준 농도 이상인 경우, 상기 커넥터 밸브를 개방하도록 제어하게 마련되는 제어부를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급 차량, 상기 수급 차량 및 상기 충전 커넥터와 전기적으로 연결되어, 각각을 제어하게 마련되는 제어부를 더 포함하는, 차량 충전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 충전 커넥터가 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량을 서로 연결하도록 상기 공급 차량과 상기 수급 차량에 결합된 경우,
    상기 제어부는,
    상기 공급 차량의 탱크를 개방시켜, 상기 충전 커넥터로 상기 공급 차량 내의 수소를 공급하도록 상기 공급 차량을 제어하는 수소 공급 단계를 수행하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 공급 차량으로부터 배출된 수소를 상기 충전 커넥터를 통해 상기 수급 차량으로 유입시켜 상기 수급 차량에 수소를 충전하는 일련의 과정을 수소 충전 과정이라 할 때,
    상기 제어부는,
    상기 수소 공급 단계의 이전에, 상기 공급 차량의 수소 충전량에 기초하여, 상기 수소 충전 과정의 개시 여부를 결정하는 단계를 수행하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수소 공급 단계의 이전에, 상기 공급 차량의 탱크를 폐쇄하고, 상기 공급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키며, 상기 수급 차량의 탱크를 폐쇄하고, 상기 수급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키는 수소 배출 단계를 수행하도록 상기 공급 차량과 상기 수급 차량을 제어하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 커넥터 내의 수소 농도가 소정의 기준 농도 이상이 되는 경우, 상기 충전 커넥터를 개방하여, 상기 충전 커넥터 내의 수소를 상기 수급 차량으로 유입시키는 수소 유입 단계를 수행하도록 상기 충전 커넥터를 제어하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수소 유입 단계 중 상기 공급 차량으로부터 목표한 수소 공급량이 상기 수급 차량으로 공급되었거나, 상기 공급 차량의 수소 압력과 상기 수급 차량의 수소 압력의 차이가 없어진 지 소정 시간이 지났거나, 상기 수급 차량의 탱크 내 온도가 기준 온도 이상인 경우, 상기 수소 유입 단계를 종료하도록, 상기 공급 차량, 상기 수급 차량 및 상기 충전 커넥터를 제어하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 수소 유입 단계의 종료가 결정된 경우,
    상기 제어부는,
    상기 공급 차량 및 상기 수급 차량의 탱크를 폐쇄한 후, 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시키도록 상기 공급 차량 및 상기 수급 차량을 제어하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수소 공급 단계 후, 상기 충전 커넥터 내의 수소 농도가 소정의 기준 농도 미만인 경우, 상기 공급 차량의 탱크를 폐쇄한 후, 상기 공급 차량의 내부 배관의 수소를 외부로 배출시킨 후 상기 공급 차량의 탱크를 개방하는 퍼지 단계를 수행하도록, 상기 공급 차량을 제어하게 마련되는, 차량 충전 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급 노즐은 상기 공급 차량의 리셉터클에 연결될 때, 상기 공급 차량의 리셉터클의 체크 밸브를 개방시키도록 마련되는, 차량 충전 시스템.
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