KR20220148656A - 연료전지 시스템에서 펌프를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

연료전지 시스템에서 펌프를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 복수의 전장부품, 상기 복수의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인, 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프, 및 상기 복수의 전장부품 및 상기 펌프와 연결되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정하고, 상기 측정된 값들을 신호 처리하고, 상기 복수의 전장부품 각각의 온도를 측정하고, 및 상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영함으로써 상기 펌프의 회전수를 결정하도록 설정될 수 있다.

Description

연료전지 시스템에서 펌프를 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING PUMP IN FUEL CELL SYSTEM}
본 문서에 개시되는 실시예들은 연료전지 시스템에서 펌프를 제어하기 위한 기술과 관련된다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(thermal management system, TMS)을 포함할 수 있다.
열 관리 시스템은, 냉각수 역할을 하는 부동액을 연료전지 스택으로 순환시켜 적정 온도(예를 들어, 60~70℃)를 유지시키는 냉각 장치의 일 종류로서, 냉각수가 순환하는 TMS 라인, 냉각수가 저장된 리저버, 냉각수를 순환시키는 펌프, 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 필터, 및 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터를 포함할 수 있다. 또한, 열 관리 시스템은 냉각수를 가열하는 히터, 및 냉각수를 이용하여 연료전지 시스템이 포함된 장치(예: 차량)의 내부를 냉난방하는 공조유닛(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택 뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.
연료전지 시스템은 전장부품의 냉각을 위하여 전장부품의 전압이나 전류를 모니터링할 필요가 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템은 DC-DC 컨버터(converter)의 전압 또는 전류를 모니터링하고, 모니터링 된 값에 기반하여 냉각수를 펌핑하기 위한 펌프의 회전수를 결정할 수 있다.
연료전지의 출력은 일정하지 않고 열손실 또한 발생할 수 있으며, 그로 인해 전장부품으로 흐르는 전류와 전압이 불안정해질 수 있다. 따라서 전장부품으로 흐르는 전류나 전압에 기반하여 펌프의 회전수를 제어하는 것은 연료전지 시스템의 냉각 제어 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 펌프를 제어하기 위한 입력 값이 불안정해지면 연료전지 시스템에 노이즈가 발생할 가능성이 높아진다.
본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 복수의 전장부품, 상기 복수의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인, 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프, 및 상기 복수의 전장부품 및 상기 펌프와 연결되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정하고, 상기 측정된 값들을 신호 처리하고, 상기 복수의 전장부품 각각의 온도를 측정하고, 및 상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영함으로써 상기 펌프의 회전수를 결정하도록 설정될 수 있다.
본 문서에 개시되는 일 실시 예에 따른 복수의 전장부품을 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법은, 상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정하는 동작, 상기 측정된 값들을 신호 처리하는 동작, 상기 복수의 전장부품 각각의 온도를 측정하는 동작, 및 상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영함으로써, 상기 복수의 전장부품을 경유하는 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프의 회전수를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 연료전지 시스템은 시스템이 불안정한 상황에서도 펌프를 독립적으로 제어함으로써 냉각 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 연료전지 시스템은 펌프의 안정적인 제어를 통해 시스템 내의 노이즈를 줄일 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 연료전지 시스템은 펌프의 최적 회전수를 결정함으로써 필요이상의 회전수 제어로 인한 전력 소모를 줄일 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4는 다양한 실시예들에 따라 신호를 처리하기 위한 필터를 도시한다.
도 5a 내지 5b는 다양한 실시예들에 따른 신호를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6은 다양한 실시예들에 따라 펌프의 회전수를 결정하기 위한 동작 흐름도를 나타낸다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서의 다양한 실시예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리 또는 외장 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 시스템은 차량의 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인(110)과 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인(120)을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기(300)를 더 포함할 수 있으나, 생략 가능하다.
연료전지 시스템은 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로, 또는 난방 루프)를 형성하거나, 또는 제1 냉각라인(110)과 냉각 라인을 형성하기 위하여 제1 연결라인(130), 제2 연결라인(150), 및 제3 연결라인(140)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수는 제1 연결라인(130), 제2 연결라인(150), 또는 제3 연결라인(140)을 순환하면서 냉각 또는 가열될 수 있다. 일 예로, 제1 냉각라인(110)은 차량의 초기 시동 상태에서는 냉간 시동 능력을 확보하기 위하여 제1 연결라인(130) 및 제3 연결라인(140)과 가열 루프를 형성하고, 주행 중에는 연료전지 스택(10)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 제1 냉각수가 제1 라디에이터(60)를 통과하는 냉각 루프를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 외기가 지정된 온도만큼 높은 경우, 제1 냉각라인(110)은 가열 루프를 형성하지 않으며 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 열을 통해 시동 능력을 확보할 수 있다. 제1 냉각수가 순환하는 제1 냉각라인(110) 상에는 연료전지 스택(10), 제1 밸브(20), 제1 펌프(30), 제2 밸브(40), 및 제1 라디에이터(60)가 배치될 수 있다.
연료전지 스택(10)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(10)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 제1 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 제1 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.
제1 밸브(20)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 히터(60)가 배치된 제1 연결라인(130) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 밸브(20)는 제1 냉각라인(110)상에서 제1 펌프(30)의 일단, 제1 연결라인(130)의 일단, 및 연료전지 스택(10)의 일단과 연결될 수 있다. 제1 밸브(20)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 밸브(20)는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 이 경우, 제1 밸브(20)는, 제1 펌프(30)에 의해 펌핑된 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제1 포트(21), 제1 밸브(20)를 통과하는 제1 냉각수가 연료전지 스택(10)으로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(22), 및 제1 연결라인(130)의 일단과 연결되는 제3 포트(23)를 포함할 수 있다. 제1 밸브(20)의 제2 포트(22) 및 제3 포트(23)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 연결라인(130)의 히터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. 즉, 제2 포트(22)가 개방되고 제3 포트(23)가 차단되면 제1 냉각수는 연료전지 스택(10)으로 유입되고, 이와 반대로 제3 포트(23)가 개방되고 제2 포트(22)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)을 통해 히터(60)로 유입될 수 있다.
제1 연결라인(130)은 제1 냉각수를 가열하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결라인(130)을 따라 유동하는 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)에 설치된 히터(60)를 통과하는 중에 가열될 수 있다. 제1 연결라인(130)의 일단은 제1 펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제1 지점에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제1 연결라인(130)의 다른 일단은 제1 펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제2 지점에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 펌프(30)의 입구는 제1 냉각수가 제1 펌프(30)에 유입되는 입구로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 출구는, 제1 펌프(30)를 통과한 제1 냉각수가 배출되는 출구로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이는, 제1 펌프(30)로부터 배출된 제1 냉각수가 연료전지 스택(10)의 제1 냉각수 유입구(미도시)까지 유동하는 구간으로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이는, 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구(미도시)로부터 배출된 제1 냉각수가 제1 펌프(30)의 입구까지 유동하는 구간으로 정의될 수 있다.
제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 강제적으로 유동시키도록 설정될 수 있다. 제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 펌핑할 수 있는 다양한 수단을 포함할 수 있으며 제1 펌프(30)의 종류 및 개수가 본 문서에서 제한되는 것은 아니다.
제2 밸브(40)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제2 밸브(40)는 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에 위치하도록 제1 냉각라인(110) 상에 제공되며, 제3 연결라인(140)의 일단 및 제1 라디에이터(60)의 출구에 연결될 수 있다. 제2 밸브(40)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 밸브(40)는 사방 밸브(four way valve) 또는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 삼방 밸브인 경우, 제2 밸브(40)는 제3 연결라인(140)과 연결되는 제1 포트(41), 제1 라디에이터(60)를 통과하는 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(42), 및 제1 냉각수가 제1 펌프(30)로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제3 포트(44)를 포함하며, 사방 밸브인 제2 밸브(40)는 제2 연결라인(150)의 일단에 연결되는 제3 포트(43)를 더 포함할 수 있다. 제2 밸브(40)의 제1 포트(41) 또는 제2 포트(42)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. 즉, 제1 포트(41)가 개방되고 제2 포트(42)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 라디에이터(60)를 거치지 않고 연료전지 스택(10)으로 유입되고, 이와 반대로 제2 포트(42)가 개방되고 제1 포트(41)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 라디에이터(60)를 거친 후 연료전지 스택(10)으로 유입될 수 있다.
제2 연결라인(150)은 공조유닛(HAVC UNIT)(90)을 가열 하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 난방 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제2 연결라인(150)은 공조유닛(90)의 난방용 히터(미도시)를 가열하는 루프를 형성할 수 있다. 제2 연결라인(150)의 일단은 제1 지점(제1 연결라인(130)의 일단이 제1 냉각라인(110)에 연결되는 지점)과 연료전지 스택(10)의 입구 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제1 냉각수 중 일부가 제2 연결라인(150)을 통해 순환할 수 있다. 제2 연결라인(150)의 다른 일단은 제1 펌프(30)와 제2 지점(제1 연결라인(130)의 다른 일단이 제1 냉각라인(110)에 연결되는 지점)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다.
제2 연결라인(150)에는 공조유닛(90)을 통과한 제1 냉각수의 이온을 필터링하는 이온 필터(95)가 구비될 수 있다. 시스템의 부식이나 용출(exudation) 등으로 인해 제1 냉각수의 전기전도도가 증가하면 제1 냉각수로 전기가 흐르게 되어 연료전지 스택(10)이 단락되거나 제1 냉각수 쪽으로 전류가 흐르게 되는 문제점이 발생하게 되므로, 제1 냉각수는 낮은 전기전도도를 유지할 수 있어야 한다. 이온 필터(95)는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 제1 냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 설정될 수 있다. 이와 같이, 연료전지 스택(10)으로 유동되는 제1 냉각수의 공급이 차단(제1 밸브(20)의 제2 포트(22) 차단)되는 냉시동 중에, 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)의 히터(60)를 경유하며 순환(승온 루프)함과 동시에, 제2 연결라인(150)을 따라서도 순환하도록 하는 것에 의하여 냉시동시에도 제2 연결라인(150)에 구비된 이온 필터(95)에 의한 필터링(제1 냉각수에 포함된 이온 제거)이 가능하다. 따라서, 냉시동 직후 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제3 연결라인(140)은 제1 냉각수를 냉각하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 냉각 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제3 연결라인(140)의 일단은 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제3 연결라인(140)의 다른 일단은 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다.
제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시키도록 설정될 수 있다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1 라디에이터(60)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수가 저장되는 제1 리저버(62)에 연결될 수 있다.
연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10)과 제1 지점(제1 밸브(20))의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제1 온도센서(112), 제1 연결라인(130)의 다른 일단과 제1 펌프(30)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도센서(114), 및 히터(60)에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제3 온도센서(116)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템은 제1 온도센서(112), 제2 온도센서(114), 및 제3 온도센서(116)에서 측정된 온도에 기초하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유입 유량을 제어할 수 있다. 일 예로, 제1 냉각라인(110)을 따라 순환하는 제1 냉각수의 측정 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 낮으면 제1 냉각수의 유입 유량을 미리 설정된 설정 유량보다 낮게 제어할 수 있다. 이와 같이, 제1 냉각수의 측정 온도가 낮으면 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유입 유량을 낮게 제어하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10) 내부에 정체된 제1 냉각수의 온도와 연료전지 스택(10)에 유입되는 제1 냉각수 온도 간 편차에 의한 열 충격 및 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2 냉각라인(120)은 차량의 전장부품(200)을 경유하도록 구성되며, 제2 냉각수는 제2 냉각라인(120)을 따라서 순환할 수 있다. 여기서, 차량의 전장부품(200)은, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 부품으로 이해될 수 있으며, 전장부품(200)의 종류 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 전장부품(200)은 연료전지 스택(10)과 차량의 고전압 배터리(미도시) 사이에 구비되는 BHDC(bi-directional high voltage DC-DC converter)(210), 연료전지 스택(10)의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로어(미도시)를 제어하는 BPCU(blower pump control unit)(220), 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(low-voltage DC-DC converter)(230), 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(air compressor, ACP)(240), 및 에어쿨러(air cooler)(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도 1 내지 2에 도시되지 않았지만, 전장부품(200)은 DC-DC 벅/부스트(buck/boost) 컨버터를 더 포함할 수 있다.
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 강제적으로 유동시키기 위한 제2 펌프(205)가 배치될 수 있다. 제2 펌프(205)는 제2 냉각수를 펌핑할 수 있는 펌핑 수단을 포함할 수 있으며, 제2 펌프(205)의 종류 및 특성이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터(70)가 배치될 수 있다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2 라디에이터(70)의 종류 및 구조가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수가 저장되는 제2 리저버(72)에 연결될 수 있다.
실시예에서, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 냉각팬(80)에 의해 동시에 냉각되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 나란하게 배치되고, 냉각팬(80)은 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)에 외기를 송풍하도록 설정될 수 있다. 하나의 냉각팬(80)에 의해 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 시스템의 구조는 간소화되고 설계자유도 및 공간활용성이 향상될 수 있으며, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 전력 소모가 최소화될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 라디에이터(60)를 냉각시키기 위한 제1 냉각팬(80)과 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 제2 냉각팬(85)이 별도로 배치될 수 있다. 이 경우, 연료전지 시스템은 제1 냉각팬(80)의 회전수를 제어할 때 전장부품(200)의 열부하와 관련된 파라미터를 배제할 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 도 1의 연료전지 시스템 구조에 기반하지만, 동일한 원리가 도 2의 연료전지 시스템 구조에 적용될 수 있다.
열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키기도록 설정될 수 있다. 열교환기(300)가 포함되는 경우, 제1 냉각라인(110) 및 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수 및 제2 냉각수가 열교환을 수행하면서 유동할 수 있는 TMS(thermal management system) 라인을 구성할 수 있으며, 이 경우 제1 냉각수 또는 제2 냉각수는 TMS 라인 상에서 냉매(cooling medium) 또는 열매(heat medium)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전장부품을 냉각하는 제2 냉각수의 온도가 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제1 냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되므로, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 것에 의해 제1 라디에이터(60) 및 냉각팬(80)의 용량을 증가시키지 않고도 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있고, 연료전지 스택(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 연료전지 시스템은 주행풍을 사용할 수 없는 차량(예를 들어, 건설기계)의 정차 중에 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 고출력 운전을 보장하고 안전성 및 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
실시 예에서, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제2 냉각라인(120)은 열교환기(300)를 경유하도록 제2 라디에이터(70)의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각수는 제1 냉각라인(110)에 연결된 열교환기(300)를 따라 유동될 수 있으며, 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수에 노출(예를 들어, 제1 냉각수가 제2 냉각라인(120)의 둘레를 따라 유동)되도록 열교환기(300)의 내부를 통과할 수 있다. 이와 같이, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 상호 열교환에 의해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있다. 제1 라디에이터(60)를 통과한 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 라디에이터(70)를 통과한 제2 냉각수의 제2 온도보다 높게 형성되고, 열교환기(300)를 통과한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 낮게 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 냉각수의 제2 온도보다 대략 10℃ 높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2 냉각수와 열교환)한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 1℃ 낮게 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 2에 따른 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)와 별도로 배치되지만, 다른 실시예에서 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 지정된 위치(좌측 상단부)에 연결될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
연료전지 시스템은 전장부품(200)의 요구 출력에 따라서 냉각 수준과 제어 정도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템은 ACP(240)의 발열을 줄이고 연료전지 스택(10)에 안정적인 공기를 공급하기 위하여 ACP(240)의 상태를 모니터링할 수 있다. 다른 예를 들어, 배터리 출력에 따라서 BHDC(210)가 제어되므로 연료전지 시스템은 BHDC(210)의 상태를 모니터링할 수 있다. 다른 예를 들어, 연료전지 시스템은 배터리와 연료전지 스택(10)의 출력을 제어하기 위하여 DC-DC 벅/부스트 컨버터의 상태를 모니터링할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 출력 불안정 또는 열손실에 의하여 전장부품(200)의 각 구성들의 출력(예: 전압 또는 전류)은 불안정할 수 있으며, 그로 인해 제2 펌프(205)의 회전수를 결정하기 위한 입력 값의 정확도가 떨어질 수 있다. 실시예들에 따른 연료전지 시스템은 제2 펌프(205)의 회전수 제어의 정확도를 높이기 위하여 전장부품(200) 각각의 소자의 온도를 이용할 수 있다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템은 전장부품(310), 펌프(320), 및 제어부(330)를 포함할 수 있다. 전장부품(310) 및 그에 포함된 구성들(312, 314, 316)은 각각 도 1 내지 2에서 설명된 전장부품(200)의 구성들에 대응될 수 있다. 펌프(320)는 도 1의 제2 펌프(205)에 대응될 수 있다.
제어부(330)는 펌프(320)의 회전수를 결정하는 동작을 수행하기 위한 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈일 수 있다. 예를 들어, 제어부(330)는 전류/전압 측정부(332), 신호 처리부(334), 온도 측정부(336), 및 펌프 제어부(338)를 포함할 수 있다. 전류/전압 측정부(332)는 전장부품(310) 각각의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 전류/전압 측정부(332)는 전장부품(310)의 각 구성들 마다 별도로 존재하거나, 하나의 통합된 모듈로 존재할 수 있다. 신호 처리부(334)는 측정된 값을 신호 처리할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(334)는 기 설계된 필터를 포함할 수 있다. 온도 측정부(336)는 전장부품(310) 각각의 소자의 온도를 측정할 수 있다. 온도 측정부(336)는 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 각 소자 별로 포함할 수 있다. 펌프 제어부(338)는 신호 처리된 값에 각 소자의 온도를 반영함으로써 펌프(320)의 회전수를 결정할 수 있다. 실시예들에 따르면, 전류/전압 측정부(332), 신호 처리부(334), 온도 측정부(336), 및 펌프 제어부(338)는 하나의 모듈로 통합되거나 또는 별도의 모듈로 구성될 수 있다.
도 4는 다양한 실시예들에 따라 신호를 처리하기 위한 필터를 도시하며, 도 5a 내지 5b는 신호를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 4를 참조하면, 필터는 아래의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
x n은 전장부품들에 대한 전압 및 전류의 합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템을 포함하는 차량이 지게차인 경우, BHDC, BPCU, 및 DC-DC 벅/부스트 컨버터에서 전력이 측정되므로, 도 4와 같이 세 구성에 대한 전압 및 전류가 이용될 수 있다. y n은 필터링된 값을 의미할 수 있다. a는 신호 처리에 대한 응답성을 반영한 튜닝 파라미터일 수 있다. 예를 들어 차량이 지게차인 경우, a는 0.01일 수 있다.
신호 처리부(334)는 전장부품들 각각의 전압 및 전류와 [수학식 1]에 따른 필터를 이용하여 신호를 처리하므로, 도 5a에 도시된 바와 같이 특정 전장부품(예: BHDC)의 전류 신호에 래틀(rattle)이 발생하면(501 그래프), 해당 전장부품의 출력 또한 불안정해지며(502 그래프), 결과적으로 전장부품의 출력을 반영한 펌프 제어 입력 신호 또한 불안정해질 수 있다(503 그래프). 예컨대, 503 그래프는 펌프 제어 입력 신호에서 최대 1000 rpm의 래틀이 발생함을 보여준다.
실시예들에 따른 제어부(330)는 아래의 [수학식 2]와 같이 온도 측정 값에 의하여 결정된
Figure pat00002
을 [수학식 1]에 가산(add) 또는 감산(subtract)함으로써 펌프 제어 입력 값의 정확도를 높일 수 있다.
Figure pat00003
b, c, d,..., p는 각각 온도 측정부(336)에 의하여 측정된 전장부품들의 소자의 온도 측정 값을 나타낼 수 있으며, 개수 및 종류는 제한되지 않는다. 예를 들어, BHDC(312)의 온도를 측정하기 위하여, 제어부(330)는 LDC 소자의 온도, HDC 인덕터 소자의 온도, 또는 HDC IGBT(insulated gate bipolar transistor) 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 다른 예를 들어, BPCU(314)의 온도를 측정하기 위하여, 제어부(330)는 ACP 모터의 온도 또는 ACP 인버터의 온도 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 다른 예를 들어, DC-DC 벅/부스터 컨버터의 온도를 측정하기 위하여, 제어부(330)는 인덕터 소자의 온도 또는 IGBT 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 차량이 지게차인 경우, 제어부(330)는 BHDC(312), BPCU(314), 및 DC-DC 벅/부스터 컨버터 각각의 소자의 온도를 [수학식 2]의 파라미터로 이용하여
Figure pat00004
을 산출할 수 있다. f 1, f 2, f 3, ..., f n(n은 자연수)은 각 소자의 온도 측정 값에 대한 가중치(factor)를 나타내며, 가중치는 실험에 의하여 결정될 수 있다.
도 5b는 신호 처리된 값에 온도 측정 값이 반영된 신호의 그래프를 나타낸다. 505 그래프에 도시된 바와 같이, 온도 측정 값이 반영된 펌프 제어 입력 신호의 래틀이 감소하고, 신호가 안정적으로 출력될 수 있다.
도 6은 다양한 실시예들에 따라 펌프의 회전수를 결정하기 위한 동작 흐름도를 나타낸다. 이하에서 설명되는 흐름도의 동작들은 제어부(330) 또는 제어부의 구성(예: 전류/전압 측정부(332), 신호 처리부(334), 온도 측정부(336), 및 펌프 제어부(338))에 의하여 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 동작 610에서, 제어부(330)는 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 연료전지 시스템이 지게차에 포함되는 경우, 전장부품은 BHDC(312), BPCU(314), 및 DC-DC 벅/부스터 컨버터를 포함할 수 있다.
동작 620에서, 제어부(330)는 측정된 값을 신호 처리할 수 있다. 예를 들어, 제어부(330)는 [수학식 1]에 따라서 측정된 값을 필터링할 수 있다.
동작 630에서, 제어부(330)는 전장부품 각각의 온도를 측정할 수 있다. 실시예에서, 동작 630은 동작 610 내지 620과 독립적으로 수행될 수 있으며, 구현 순서는 도 6에 제한되지 않을 수 있다.
동작 640에서, 제어부(330)는 신호 처리된 값에 온도를 반영함으로써 펌프 회전수를 결정할 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료전지 시스템에 있어서,
    복수의 전장부품;
    상기 복수의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인;
    상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프; 및
    상기 복수의 전장부품 및 상기 펌프와 연결되는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는,
    상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정하고,
    상기 측정된 값들을 신호 처리하고,
    상기 복수의 전장부품 각각의 온도를 측정하고, 및
    상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영함으로써 상기 펌프의 회전수를 결정하도록 설정된, 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 전장부품은,
    BHDC(bi-directional high voltage DC-DC converter), BPCU(blower pump control unit), 및 DC-DC 벅/부스터 컨버터(Buck/Boost Converter) 중 적어도 하나를 포함하는, 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는,
    LDC(low-voltage DC-DC converter) 소자의 온도, HDC 인덕터 소자의 온도, 또는 HDC IGBT(insulated gate bipolar transistor) 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 BHDC의 온도를 측정하도록 설정된, 연료전지 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는,
    공기압축기(air compressor, ACP) 모터의 온도 또는 ACP 인버터(inverter)의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 BPCU의 온도를 측정하도록 설정된, 연료전지 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는,
    인덕터 소자의 온도 또는 IGBT 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 DC-DC 벅/부스터 컨버터의 온도를 측정하도록 설정된, 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류의 합을 산출하고,
    상기 산출된 합에 지정된 필터를 적용함으로써 상기 신호 처리된 값을 산출하고, 및
    상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 가산 또는 감산하도록 설정된, 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전압 및 전류를 측정하도록 설정된 전류/전압 측정부;
    상기 신호 처리를 수행하도록 설정된 신호 처리부;
    상기 온도를 측정하도록 설정된 온도 측정부; 및
    상기 펌프의 회전수를 제어하도록 설정된 펌프 제어부를 포함하는, 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전류/전압 측정부, 상기 신호 처리부, 상기 온도 측정부, 및 상기 펌프 제어부는 하나의 모듈로 통합된, 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터; 및
    상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬;을 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  10. 복수의 전장부품을 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법에 있어서,
    상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류를 측정하는 동작;
    상기 측정된 값들을 신호 처리하는 동작;
    상기 복수의 전장부품 각각의 온도를 측정하는 동작; 및
    상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영함으로써, 상기 복수의 전장부품을 경유하는 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프의 회전수를 결정하는 동작;을 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 복수의 전장 부품은,
    BHDC, BPCU, 및 DC-DC 벅/부스터 컨버터 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 온도를 측정하는 동작은,
    LDC 소자의 온도, HDC 인덕터 소자의 온도, 또는 HDC IGBT 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 BHDC의 온도를 측정하는 동작을 포함하는, 방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 온도를 측정하는 동작은,
    ACP 모터의 온도 또는 ACP 인버터의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 BPCU의 온도를 측정하는 동작을 포함하는, 방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 온도를 측정하는 동작은,
    인덕터 소자의 온도 또는 IGBT 소자의 온도 중 적어도 하나를 측정하여 상기 DC-DC 벅/부스터 컨버터의 온도를 측정하는 동작을 포함하는, 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 신호 처리하는 동작은,
    상기 복수의 전장부품 각각의 전압 및 전류의 합을 산출하는 동작; 및
    상기 산출된 합에 지정된 필터를 적용함으로써 상기 신호 처리된 값을 산출하는 동작을 포함하고,
    상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 반영하는 동작은, 상기 신호 처리된 값에 상기 온도를 가산 또는 감산하는 동작을 포함하는, 방법.
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