KR20230014503A - 차량의 수소탱크 충전 제어 장치 - Google Patents

차량의 수소탱크 충전 제어 장치 Download PDF

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KR20230014503A
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Abstract

본 발명은 차량의 수소탱크 충전 제어 장치에 관한 것으로서, 차량에 탑재되어 있는 수소탱크의 충전 시 상기 수소탱크의 수소충전속도를 상기 차량에서 직접 제어함으로써 상기 수소탱크에 수소를 공급하는 충전소별 수소 충전프로토콜에 상관없이 수소탱크의 충전을 효율적으로 수행할 수 있는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

차량의 수소탱크 충전 제어 장치 {Device for controlling charging of vehicle hydrogen tank}
본 발명은 차량의 수소탱크 충전 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 어떠한 충전 상황에서도 수소탱크의 수소 충전을 효율적으로 진행시킬 수 있는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치에 관한 것이다.
수소 차량은 수소를 연료로 사용하는 차량으로서 수소 저장을 위하여 수소탱크를 탑재한다. 이러한 수소 차량은 충전소에 저장되어 있는 수소를 충전소 디스펜서를 통해 공급받아 수소탱크에 충전하게 된다.
현재 충전소의 수소 공급 프로토콜은 정해져 있지 않으며, 각각의 충전소마다 다양한 수소 공급 방식이 존재한다. 또한, 충전소마다 저장되어 있는 수소의 용량과 압력 등이 상이하며, 충전소 디스펜서를 통해 차량의 수소탱크로 공급되는 수소의 수소공급속도도 상이하다. 또한, 충전소의 수소 공급 상황에 따라 차량 수소탱크의 온도와 압력 및 충전량이 달라진다.
따라서, 각 충전소별 수소 공급 방식에 대처하여 효율적, 안정적으로 차량 수소탱크의 수소 충전을 진행할 수 있는 강건한 충전 제어 기술이 필요하다.
현재 충전소에서는 차량 수소탱크의 충전 안정성을 가능한 확보하는 방식으로 수소탱크에 수소를 공급하나, 차량과 충전소 간에 통신장치가 구축되어 있지 않은 경우 충전소의 수소 공급 상황에 따라 달라지는 차량 수소탱크의 온도와 압력 등에 대처할 수 있는 안정적인 충전이 불가하다.
한편, 수소 차량의 특성상 수소탱크의 충전 시 수소탱크의 온도 조건을 만족해야 한다. 수소탱크는 폭발 방지 및 충전량 확보를 위하여 정해진 범위의 온도에서 충전이 진행되어야 하며, 정해진 범위의 최고온도 이하로 최대압력까지 수소를 충전한다.
수소탱크의 온도는 외기온도와 초기충전량 및 충전소의 수소 공급 방식 등의 다양한 조건에 의해 변동된다.
수소탱크는 정해진 범위의 최고온도보다 높은 온도에서는 원활한 충전이 불가하기 때문에, 수소탱크에 최대압력까지 수소를 충전하더라도 수소충전량을 충분히 확보하기 어렵다. 동일한 수소탱크 내 압력을 기준으로 수소탱크의 수소충전량이 부족한 경우 차량의 주행가능거리가 대폭 감소하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량에 탑재되어 있는 수소탱크의 충전 시 상기 수소탱크의 수소충전속도를 차량에서 직접 제어함으로써 상기 수소탱크에 수소를 공급하는 충전소별 수소 충전프로토콜에 상관없이 수소탱크의 충전을 효율적으로 수행할 수 있는, 차량의 수소탱크 충전 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 수소공급용 장치로부터 수소를 공급받아 저장하는 수소탱크; 상기 수소탱크의 입구에 장착 구비되며, 그 개도량에 따라 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 조절하는, 유량조절밸브; 상기 수소탱크가 탑재된 차량에 구비되며, 외기온도와 상기 수소탱크의 온도 및 압력을 기초로 상기 수소탱크의 목표 수소충전속도를 결정하고, 상기 목표 수소충전속도와 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 기초로 상기 유량조절밸브의 개도량을 결정 제어하는, 충전제어유닛;을 포함하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크면 상기 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기반으로 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작으면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도와 같으면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 유지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시간 수소충전속도는 상기 수소탱크에 충전되는 수소충전량의 변화율로서 계산되며, 상기 수소충전량은 수소탱크의 온도와 압력을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충전제어유닛은 미리 정해진 제어주기마다 상기 수소탱크의 목표 수소충전속도를 결정하고 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 계산하며, 상기 제어주기마다 상기 결정한 목표 수소충전속도와 상기 계산한 실시간 수소충전속도를 기초로 상기 유량조절밸브의 개도량을 결정하고 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충전제어유닛은 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량이 미리 정해진 누적횟수만큼 연속적으로 증가하면, 상기 수소공급용 장치의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단하고 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 최대로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 주된 효과를 제공한다.
첫째, 수소탱크의 입구에 장착된 유량조절밸브의 개도량을 조절하여 수소탱크에 충전되는 수소충전속도를 직접 제어하므로 수소공급용 장치별 상이한 수소 공급방식에 상관없이 효율적이면서 안정적인 수소 충전이 가능하다.
둘째, 수소탱크의 실시간 충전 상황에 맞는 최적의 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도를 기초로 상기 유량조절밸브의 개도량을 결정하므로 수소탱크의 충전시간을 최소화하면서 충분한 수소충전량을 확보할 수 있다.
셋째, 수소공급용 장치의 수소 공급이 중단되는 시점을 예측하여 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 최대로 증가시킴으로써 수소탱크의 충전이 중단되는 시간에 대한 수소충전량을 보상하고 수소탱크의 충전시간이 연장되는 것을 최소화할 수 있다.
넷째, 수소탱크의 종류가 변경되는 경우, 충전제어유닛의 충전량 결정모델 및 충전속도 결정모델만 변경하면 추가 비용 없이 차량 내에서 직접 수소탱크의 수소 충전을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 수소탱크 충전 제어 장치를 도시한 구성도
도 2는 일반적인 차량의 수소 저장 시스템을 도시한 부분도
도 3은 기존 수소공급용 장치의 수소공급속도에 따른 차량 수소탱크의 압력 변화를 나타낸 예시도
도 4는 본 발명에 따른 차량의 수소탱크 충전 제어 방법을 나타낸 순서도
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 수소탱크 충전 제어 장치는 차량에 탑재된 수소탱크의 상태 정보를 검출하는 센서부(10)와 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 유량(g/s)을 조절하는 유량조절밸브(20) 및 상기 유량조절밸브(20)의 개도량을 결정 제어하는 충전제어유닛(30)을 포함하여 구성된다.
도 2를 참조하면, 차량에는 복수의 수소탱크(40)가 장착되며, 각 수소탱크(40)의 입구에는 유량조절밸브(20)가 설치된다. 상기 유량조절밸브(20)는 수소탱크(40)에 충전되는 수소의 유량을 조절가능하게 구성되며, 솔레노이드 밸브와 같은 전자식 밸브가 적용될 수 있다.
상기 유량조절밸브(20)는 유량조절밸브(20)에 인가되는 전류량에 따라 내부유로를 개폐함으로써 수소의 유량을 제어할 수 있다. 유량조절밸브(20)에 인가되는 전류가 증가할수록 유량조절밸브(20)의 개도량은 감소한다.
또한, 상기 유량조절밸브(20)의 개도량이 감소할수록 유량조절밸브(20)를 통과하여 수소탱크(40)에 채워지는 단위시간 당 수소충전량(g/s)은 감소하고, 유량조절밸브(20)의 개도량이 증가할수록 유량조절밸브(20)를 통과하여 수소탱크(40)에 채워지는 단위시간 당 수소충전량은 증가한다.
여기서, 수소탱크(40)의 수소충전속도는 수소탱크(40)에 수소가 채워지는 속도이다. 다시 말해, 수소탱크(40)의 수소충전속도는 수소탱크(40)에 채워지는 단위시간 당 수소충전량(g/s)이다.
상기 센서부(10)는 수소탱크(40)의 온도를 검출하는 온도센서와 상기 수소탱크(40)의 압력을 검출하는 압력센서를 포함한다.
수소탱크(40)의 내부 온도와 내부 압력을 직접 검출하는 것은 불가하다. 다시 말해, 수소탱크(40)에 저장되어 있는 수소의 온도와 압력을 직접 검출하는 것은 불가하다.
도 2를 참조하면, 상기 센서부(10)의 온도센서(11)는 유량조절밸브(20)의 한쪽에 장착되어 수소탱크(40)의 온도를 검출하며, 센서부(10)의 압력센서(12)는 유량조절밸브(20)에 연결된 수소이동라인에 장착되어 수소탱크(40)의 압력을 검출한다. 충전제어유닛(30)은 상기 센서부(10)에서 전달받은 수소탱크(40)의 온도 정보 및 압력 정보를 수소탱크(40)의 내부 온도 및 내부 압력으로 인지한다.
상기 유량조절밸브(20)는 수소탱크(40)에 수소를 충전할 때 수소탱크(40)의 입구를 개방하는 것은 물론, 수소탱크(40)에 저장되어 있는 수소를 차량 내 수소 사용처인 파워 모듈 컴플리트(Power module complete)로 공급할 때에도 수소탱크(40)의 입구를 개방한다. 상기 파워 모듈 컴플리트로는 예를 들어 연료전지 스택이 있다.
도 2를 참조하면, 수소공급용 장치(100)에서 수소탱크(40)로 공급되는 수소는 리셉터클(50)과 체크밸브(60) 및 유량조절밸브(20)를 통해 수소탱크(40) 내에 충전될 수 있다. 상기 수소공급용 장치(100)의 수소 공급 제어 방식에 따라 수소공급용 장치(100)로부터 수소탱크(40)에 공급되는 수소공급속도가 결정될 수 있다.
여기서, 수소공급용 장치(100)는 충전소에 구비되어 수소탱크(40)에 수소를 공급하는 고정식 수소충전기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수소공급용 장치(100)는 이동이 가능한 이동식 수소충전장치도 포함할 수 있다. 또한, 상기 수소탱크(40)에 수소 공급가능하게 연결되어 상기 수소탱크(40)에 수소를 공급하는 수소차량도 상기 수소공급용 장치(100)에 포함될 수 있다.
충전제어유닛(30)은 차량에 구비되어 있는 외기정보 제공부로부터 외기온도 정보를 실시간으로 입력받을 수 있다. 상기 외기정보 제공부는 차량의 유선통신을 통해 외기온도 정보를 충전제어유닛(30)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 외기정보 제공부는 차량에 설치된 외기온도 센서일 수 있다.
차량의 종류에 따라 차량에 장착되는 수소탱크(40)의 수는 변동될 수 있으며, 차량의 수소 저장 시스템은 상기 수소탱크(40)와 센서부(10) 및 유량조절밸브(20)를 기본 구성으로 구비한다. 상기 충전제어유닛(30)은 상기 수소 저장 시스템에 구비되어 있는 HMU(Hydrogen storage Management Unit)일 수 있다.
차량에 탑재되는 각 수소탱크(40)마다 개별적으로 센서부(10)가 장착 구비되며, 각각의 센서부(10)는 검출한 정보를 충전제어유닛(30)에 전달한다. 상기 센서부(10)에서 실시간으로 검출한 수소탱크(40)의 온도 정보와 압력 정보는, 충전제어유닛(30)에 전달된다.
상기 충전제어유닛(30)은 수소공급용 장치(100)와의 통신 없이 수소탱크(40)의 수소충전속도를 직접 제어한다. 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 입구에 장착된 유량조절밸브(20)의 구동을 제어함으로써 수소탱크(40)에 충전되는 수소의 유량(즉, 수소충전속도)을 조절할 수 있다.
상기 충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 구동 제어를 통해 수소탱크(40)의 수소충전속도를 직접 제어함으로써, 수소공급용 장치(100)에서 공급하는 수소공급속도와 차량 내 수소탱크(40)의 수소충전속도가 다른 경우에도 수소탱크(40)의 충전을 효율적, 안정적으로 진행할 수 있다.
충전제어유닛(30)은 수소공급용 장치(100)의 자체 충전 방식에 상관없이 수소탱크(40)의 조건에 가장 적절한 속도로 수소탱크(40)의 수소 충전을 제어할 수 있다.
상기 충전제어유닛(30)은 사전 구축한 충전속도 결정모델을 이용하여 수소탱크(40)의 목표 수소충전속도(g/s)를 결정하고, 상기 결정한 목표 수소충전속도를 기반으로 상기 유량조절밸브(20)의 개도량을 결정 제어한다. 충전제어유닛(30)은 목표 수소충전속도를 기반으로 유량조절밸브(20)에 인가되는 전류량을 결정 제어함으로써 유량조절밸브(20)의 개도량을 제어할 수 있다. 상기 목표 수소충전속도는 수소탱크(40)에 충전되는 수소의 최적 충전속도를 의미한다.
상기 충전속도 결정모델은 실시간으로 검출한 수소탱크(40)의 온도와 압력 및 외기온도를 기반으로 수소탱크(40)의 목표 수소충전속도(g/s)를 결정하도록 구성되며, 상기 충전제어유닛(30)에 저장 구비될 수 있다.
상기 충전속도 결정모델은 수소탱크(40)에 충전되어야 하는 목표 수소량을 달성하면서 충전시간은 최소화하고 수소탱크(40)의 온도가 최고제한온도 이하인 조건을 만족하도록 목표 수소충전속도를 결정한다. 상기 최고제한온도는 수소탱크(40)의 내구성 및 수소충전량 등을 확보하기 위하여 정해진 온도 범위의 최고온도를 의미한다.
또한, 균일한 속도로 수소 충전을 진행하는 것이 외기와의 열교환에 따른 수소탱크(40)의 냉각에 유리하기 때문에, 상기 충전속도 결정모델은 충전시간 동안 균일한 속도로 수소 충전이 진행되는 조건을 전제로 구축된다.
예를 들어, 상기 목표 수소충전속도보다 느린 충전속도로 수소탱크(40)의 충전을 진행하면 충전시간이 과다하게 소요될 수 있고, 상기 목표 수소충전속도보다 빠른 충전속도로 충전을 진행하면 충분한 수소 충전이 불가하여 수소탱크(40)에 충전되어야 하는 목표 수소량을 달성하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)가 차량의 리셉터클(50)을 통해 수소공급용 장치(100)와 연결되고 수소탱크(40)의 수소 충전이 시작되면, 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도를 예측하여 결정한다. 상기 실시간 수소충전속도는 수소탱크(40)에 충전되는 수소충전량의 변화율로서 계산할 수 있다. 상기 수소충전량의 변화율은 수소탱크(40)의 초기충전량을 기준으로 계산할 수 있다. 상기 초기충전량은 수소탱크(40)의 수소 충전이 시작되기 직전에 수소탱크(40)에 저장되어 있는 잔여 수소량이다.
충전제어유닛(30)은 사전에 구축한 충전량 결정모델을 이용하여 실시간 수소충전량을 결정할 수 있다. 상기 충전량 결정모델은 실시간으로 검출되는 수소탱크(40)의 온도와 압력 정보를 기반으로 수소탱크(40)에 충전되는 실시간 수소충전량을 결정하도록 구성되며, 상기 충전제어유닛(30)에 저장 구비될 수 있다.
충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 유량조절밸브(20)의 개도량을 결정하고 제어할 수 있다. 다시 말해, 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도를 기초로 유량조절밸브(20)의 개도량을 변경 조절할 수 있다. 충전제어유닛(30)은 미리 정해진 제어주기(tc)마다 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 유량조절밸브(20)의 개도량을 조절한다.
상기 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)가 최초로 충전되는 경우, 즉 수소탱크(40)의 충전이 시작될 때, 유량조절밸브(20)를 완전(full) 개방시킨다. 이때, 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)가 충전 가능한 상태이면 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도에 상관없이 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 100%까지 증가시킴으로써 유량조절밸브(20)를 완전(full) 개방시킨다. 충전제어유닛(30)은 센서부(10)의 검출 정보를 기반으로 수소탱크(40)가 충전 가능 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 온도와 압력 정보를 기반으로 수소탱크(40)가 충전 가능한 상태인지를 판단할 수 있다.
또한, 상기 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크면 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 감소시킨다. 구체적으로, 충전제어유닛(30)은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율에 따라 유량조절밸브(20)의 개도량을 실시간으로 감소시킬 수 있다. 상기 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율은 목표 수소충전속도를 실시간 수소충전속도로 나눈 값으로 결정된다.
유량조절밸브(20)를 통과하는 수소의 유속은 일정한 값(즉, 상수)으로 유지되기 때문에, 유량조절밸브(20)의 개도량을 감소시키면 수소탱크(40)에 채워지는 수소량이 상대적으로 감소하면서 실시간 수소충전속도가 감소하게 된다.
따라서, 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기초로 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 감소시키면, 실시간 수소충전속도는 목표 수소충전속도에 도달하게 된다.
또한, 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작은 경우 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 증가시킨다. 이 경우에도, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기초로 증가될 수 있다. 또한, 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도와 동일하면 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 유지시킨다.
수소공급용 장치(100)를 이용하여 수소탱크(40)에 수소를 충전하는 경우, 수소탱크(40)의 충전이 진행됨에 따라 수소탱크(40)의 온도가 상승하면서 목표 수소충전속도는 감소하게 되고 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도는 증가하게 된다. 예를 들어, 충전소에서는 수소탱크의 충전이 진행됨에 따라 수소충전기의 수소공급속도를 증가시키는 방식으로 수소 공급을 진행한다.
이에, 충전제어유닛(30)은 미리 정해진 제어주기(tc)마다, 수소탱크(40)의 목표 수소충전속도를 결정하고 상기 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도를 계산한다. 그리고, 충전제어유닛(30)은 상기 제어주기(tc)마다 상기 결정한 목표 수소충전속도와 상기 계산한 실시간 수소충전속도를 기초로 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 결정하고 제어한다. 이때, 충전제어유닛(30)은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기초로 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제어주기(tc)는 1초 ~ 3초로 정해질 수 있다.
수소공급용 장치(100)는 차량의 수소탱크(40)에 공급하는 수소의 온도 및 압력 등의 조건에 따라 수소공급속도가 변동된다. 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도보다 커지면 수소공급용 장치(100)측 수소압력이 증가하게 된다. 이 경우 수소공급용 장치(100)에서 자체적으로 수소압력 제어를 수행하여 수소압력을 조절한다. 예를 들어, 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도가 감소하는 경우, 즉 유량조절밸브(20)의 개도량이 감소하는 경우, 수소공급용 장치(100)에서는 수소압축기의 구동속도를 감소시킴으로써 수소압력을 감소시킬 수 있다.
그런데, 수소공급용 장치(100)와의 통신 없이 차량의 충전제어유닛(30)에서 수소탱크(40)의 수소충전속도를 직접 제어하는 경우, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도보다 작아지면, 수소공급용 장치(100)에서 공급하는 적은 유량의 수소만 수동적으로 충전해야 하므로 수소탱크(40)의 충분한 수소 충전이 이루어지지 않으며 충전시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.
첨부한 도 3은 충전소 수소충전기의 수소공급속도(g/s)에 따른 차량 수소탱크의 압력(bar) 변화를 측정하여 나타낸 것이다.
도 3을 보면, 충전소 수소충전기의 수소공급속도(g/s)가 상승하는 경우 차량 수소탱크의 압력(bar)이 증가하다가, 충전소 수소충전기의 수소공급속도가 감소하기 시작하는 시점부터 소정 시간이 경과하면 차량 수소탱크의 압력이 일시적으로 유지되거나 또는 감소된다.
통상 수소탱크의 압력은 수소탱크의 수소 충전이 진행됨에 따라 점차적으로 증가한다. 수소탱크의 압력이 증가하지 않고 유지되거나 감소되는 것은 수소탱크의 수소 충전이 중단됨을 의미한다.
따라서, 충전소 수소충전기의 수소공급속도가 감소한다는 것은, 즉 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소한다는 것은, 조만간 수소공급용 장치(100)의 수소 공급이 중단됨을 의미한다.
예를 들어, 수소공급용 장치(100)는 수소탱크(40)에 수소를 공급하는 중에 공급수소의 온도가 정해진 온도에 도달하면 정해진 시간 동안 수소 공급을 중단한다.
상기와 같은 수소공급용 장치(100)의 수소공급 중단 문제에 대응하기 위하여, 차량의 충전제어유닛(30)은 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단되면, 유량조절밸브(20)의 개도량을 100%까지(즉, 최대로) 증가시킴으로써 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도를 증가시키고 수소탱크(40)에 충전되는 수소충전량을 미리 확보하도록 한다.
다시 말해, 충전제어유닛(30)은 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단되면, 조만간 수소공급용 장치(100)의 수소공급이 중단될 것을 예측 대비하여 유량조절밸브(20)의 개도량을 최대로 증가시킨다.
즉, 충전제어유닛(30)은 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 추정 판단되면, 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킴으로써 수소공급용 장치(100)의 수소 공급이 중단되기 전에 수소탱크(40)의 수소충전량을 더 확보할 수 있도록 한다.
상기 수소공급용 장치(100)의 수소 공급이 중단되기 전에 수소탱크(40)의 수소충전량을 더 확보함으로써 수소공급용 장치(100)의 수소 공급 중단에 따른 수소탱크(40)의 수소충전량 부족 및 충전시간 연장을 최소화할 수 있다.
상기 유량조절밸브(20)를 완전 개방시키는 경우 수소탱크(40)의 수소충전속도가 증가됨으로 인하여 수소탱크(40)의 온도가 과도하게 상승할 수 있으나, 수소공급용 장치(100)의 수소 공급이 중단되는 동안 외기에 의한 냉각을 통해 수소탱크(40)의 온도를 안정화시킬 수 있다. 또한, 상기 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도 감소 시간이 길어지는 만큼 수소공급용 장치(100)의 수소 공급 중단 시간도 길어지게 되므로, 수소탱크(40)의 과열 문제를 방지할 수 있다.
상기 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도의 비교 결과에 따라 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 결정 제어한 다음, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는지 여부를 판단하기 위하여 유량조절밸브(20)의 개도량이 연속적으로 증가하는지를 모니터링한다. 수소탱크(40)의 충전이 정상적으로 진행되는 경우, 충전이 진행됨에 따라 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량은 감소되거나 또는 유지된다.
하지만, 수소탱크(40)의 충전이 진행되는 중에 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하게 되면 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작은 값으로 감소하게 된다.
충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작아지면 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 증가시키고, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 연속적으로 증가하게 되면 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소한 것으로 판단하여 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 최대로 증가시킨다. 이때, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 최대로 증가시킴으로써 수소탱크(40)의 수소충전량을 확보하고 수소탱크(40)의 충전시간이 연장되는 것을 방지할 수 있다.
다시 말해, 충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 연속적으로 증가하면, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소한 것으로 판단한다.
또한, 충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 연속적으로 증가하는 것이 아니라 비연속적으로 증가하면 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하지 않은 것으로 판단한다.
본 발명에서는 수소탱크(40)의 수소 충전을 진행하는 중에 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단되면, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 최대로 제어함으로써 수소탱크(40)의 수소충전량을 충분히 확보할 수 있도록 한다.
여기서, 첨부한 도 4를 참조하여 수소탱크의 수소 충전 제어 과정을 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명에 따른 수소탱크 충전 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 수소 충전이 시작되면 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킨 다음 실시간 수소충전속도를 계산한다(S100). 충전제어유닛(30)은 충전량 결정모델을 통해 수소탱크(40)의 온도와 압력을 기초로 수소탱크(40)에 충전되는 수소충전량을 실시간으로 결정하고, 상기 수소충전량의 변화율을 기초로 실시간 수소충전속도를 계산한다.
상기 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 충전용 리셉터클(50)에 수소공급용 장치(100)가 연결된 것을 감지하면 수소탱크(40)의 수소 충전이 시작된 것으로 판단할 수 있다.
충전제어유닛(30)은 리셉터클(50)에 수소공급용 장치(100)가 연결된 것을 감지하면 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킨다. 다시 말해, 충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 충전이 시작되는 시점에는 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 100%로 결정 제어한다.
충전제어유닛(30)은 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도를 계산한 다음 목표 수소충전속도를 결정한다(S110). 충전제어유닛(30)은 충전속도 결정모델을 통해 수소탱크(40)의 온도와 압력 및 외기온도를 기초로 목표 수소충전속도를 결정한다. 이때, 목표 수소충전속도는 실시간 수소충전속도를 계산할 때와 동일한 온도 및 압력 정보를 기초로 결정한다.
다음, 상기 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도를 비교하고(S120,S121), 그 비교 결과 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작으면 유량조절밸브(20)의 개도량을 증가시키고(S130), 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도와 같으면 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 그대로 유지시킨다(S140).
이때, 충전제어유닛(30)은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기초로 유량조절밸브(20)의 개도량을 증가시킨다. 여기서, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 차이값을 기초로 증가시키는 것도 가능하다.
또한, 충전제어유닛(30)은 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도를 비교하고(S120), 그 비교 결과 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크다고 판단되면 유량조절밸브(20)의 개도량을 실시간 수소충전속도와 목표 수소충전속도의 비율을 기반으로 감소시킨다(S150).
또한, 충전제어유닛(30)은 상기 S130 단계에서 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 증가시킨 다음 미리 정해진 제어주기(tc)가 도래하면, 다시 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도를 계산하고(S100) 수소탱크(40)의 목표 수소충전속도를 결정한다(S110). 즉, 충전제어유닛(30)은 상기 제어주기(tc)마다 실시간 수소충전속도를 계산하고 목표 수소충전속도를 결정한다.
충전제어유닛(30)은 상기 계산한 실시간 수소충전속도와 상기 결정한 목표 수소충전속도를 비교하고(S120,S121), 그 비교 결과 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작으면 유량조절밸브(20)의 개도량을 다시 증가시킨다(S130). 즉, 충전제어유닛(30)은 상기 제어주기(tc)마다 다시 계산한 실시간 수소충전속도가 다시 결정한 목표 수소충전속도보다 여전히 작으면 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 한 차례 더 증가시킨다.
충전제어유닛(30)은 상기 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 미리 정해진 설정시간(ts) 동안 계속적으로 증가하게 되는 경우, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단하고 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 최대로 증가시킨다(S133).
좀더 설명하면, 충전제어유닛(30)은 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도를 비교하고(S120, S121), 그 비교 결과 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작으면 유량조절밸브(20)의 개도량을 증가시킨 다음(S130), 유량조절밸브(20)의 개도량 증가 횟수를 누적하여 카운팅하고(S131), 상기 개도량 증가 횟수가 미리 정해진 누적횟수(n)에 도달하는지를 판단한다(S132).
충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 개도량 증가 횟수가 상기 누적횟수(n)에 도달하지 않으면, 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량을 상기 S130 단계에서 증가된 상태로 유지한다.
또한, 충전제어유닛(30)은 상기 개도량 증가 횟수가 상기 누적횟수(n)에 도달하면, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단하고 유량조절밸브(20)의 개도량을 최대로 증가시킨다(S133). 다시 말해, 충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 상기 누적횟수(n)만큼 연속적으로 증가하면 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킨다.
예를 들어, 충전제어유닛(30)은 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 설정시간(ts) 이내에 3회 이상 연속적으로 증가하게 되면, 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킬 수 있다. 유량조절밸브(20)를 완전 개방시키는 경우, 수소탱크(40)의 실시간 수소충전속도가 상대적으로 단시간 내에 목표 수소충전속도에 도달할 수 있다.
여기서, 상기 설정시간(ts)은 제어주기(tc)의 소정 배수 값으로 결정된다. 구체적으로, 상기 설정시간(ts)은 제어주기(tc)에 누적횟수(n)를 곱한 값, 즉 "제어주기(tc)×누적횟수(n)"의 값으로 결정된다. 예를 들어, 설정시간(ts)은 제어주기(tc)의 3배수 값으로 결정될 수 있다.
이와 같이 상기 충전제어유닛(30)은 미리 정해진 설정시간(ts) 동안 유량조절밸브(20)의 실시간 개도량이 연속적으로 증가하게 되면, 수소공급용 장치(100)의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단하고 유량조절밸브(20)를 완전 개방시킨다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예일뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 센서부
20 : 유량조절밸브
30 : 충전제어유닛
40 : 수소탱크
50 : 리셉터클
60 : 체크밸브
100 : 수소공급용 장치

Claims (10)

  1. 수소공급용 장치로부터 수소를 공급받아 저장하는 수소탱크;
    상기 수소탱크의 입구에 장착 구비되며, 그 개도량에 따라 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 조절하는, 유량조절밸브;
    상기 수소탱크가 탑재된 차량에 구비되며, 외기온도와 상기 수소탱크의 온도 및 압력을 기초로 상기 수소탱크의 목표 수소충전속도를 결정하고, 상기 목표 수소충전속도와 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 기초로 상기 유량조절밸브의 개도량을 결정하고 제어하는, 충전제어유닛;
    을 포함하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 크면 상기 목표 수소충전속도와 실시간 수소충전속도의 비율을 기반으로 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도보다 작으면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 실시간 수소충전속도가 목표 수소충전속도와 같으면 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 유지시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 실시간 수소충전속도는 상기 수소탱크에 충전되는 수소충전량의 변화율로서 계산되며, 상기 수소충전량은 수소탱크의 온도와 압력을 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 미리 정해진 제어주기마다 상기 수소탱크의 목표 수소충전속도를 결정하고 상기 수소탱크의 실시간 수소충전속도를 계산하며, 상기 제어주기마다 상기 결정한 목표 수소충전속도와 상기 계산한 실시간 수소충전속도를 기초로 상기 유량조절밸브의 개도량을 결정하고 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량이 미리 정해진 누적횟수만큼 연속적으로 증가하면, 상기 수소공급용 장치의 수소공급속도가 감소하는 것으로 판단하고 상기 유량조절밸브의 실시간 개도량을 최대로 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제어유닛은 상기 수소탱크의 충전이 시작될 때 상기 유량조절밸브를 완전 개방시키는 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소공급용 장치는 충전소의 수소충전기인 것을 특징으로 하는 차량의 수소탱크 충전 제어 장치.
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