KR20230017633A - 전류 히스테리시스 저감 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전류 히스테리시스 저감 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치는, 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하고, 상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하고 저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 구동되는 데이터 및 알고리즘이 저장되는 저장부를 포함할 수 있다.

Description

전류 히스테리시스 저감 장치 및 그 방법{Apparatus for reducing current hysteresis and method thereof}
본 발명은 전류 히스테리시스 저감 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 히스테리시스 값이 기준치 이상일 경우 전류 밀도 하한 제어를 수행하는 기술에 관한 것이다.
수소 연료전지 차량의 저전류 영역의 고전위 운전 시 스택의 전압 상승을 제한하여 고전위 노출에 의한 전극 열화를 감소시킨다. 이를 통해 연료 전지 스택의 내구 수명을 증가시킬 수 있다. 이때 연료 전지의 평균 셀 전압이 기준치(예, 0.850V)를 넘기지 않도록 제한하며, 캐소드 공기 유량 저감을 통한 전압 상승 억제와 BHDC (Bi-directional High voltage DC-DC Converter, 양방향 고전압 컨버터)를 통한 배터리 충전으로 전압을 제어한다.
셀 전류가 점차 증가할 때(포워드, Forward)와 최고 전류에서 역으로 감소할 때(백워드, Backward) 동일한 전류에서의 전압 차이를 셀의 전류 히스테리시스 값으로 본다. 일반적으로 고전류에서 많은 전기화학 반응 생성수에 의해 연료전지 막/전극 수화에 필요한 수분이 공급되어 포워드(Forward) 대비 백워드(Backward) 에서의 전압이 높다.
전류 히스테리시스 값은 곧 연료전지 셀 내부의 물 분포와 연관이 있다. 히스테리시스 값이 크다는 것은 셀 내부 물 분포가 균일하지 못하다는 것을 의미하고, 전류 요구량이 다이내믹하게 변하는 차량 환경에서 연료전지 셀 내에 전류 편차가 발생하여 성능 저하 및 전극 열화 등이 발생할 수 있다.
종래에는 전압을 기준으로 수소 연료 전지 스택의 전압 상승을 제한하기 때문에 스택 구성 부품 및 MEA 사양에 따라 평균 셀 전압이 기준치(0.850V) 성능을 유지하는 전류에서도 전기화학 반응 생성수가 적어 셀 내부 물 분포 불균형이 일어날 수 있다. 또한 공기 저유량 제어를 통한 전압 제한 시에는 인위적인 공기 희박에 따른 전압 상승 억제이기 때문에 생성수 증가와는 연관이 없다. 따라서 이러한 문제점들을 해소를 위해서는 전류밀도 기준의 제어가 필요하다.
본 발명의 실시예는 전류 히스테리시스값이 기준치 이상인 경우 스택 전류 생성을 기준 이상으로 유지하도록 하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 영역 운전을 회피하고 셀 내부 물 함량 증가를 통한 분포 개선으로 전류 히스테리시스값을 저감시켜 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 전류 히스테리시스 저감 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치는, 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하고, 상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하고 저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 구동되는 데이터 및 알고리즘이 저장되는 저장부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시, 스택 전류를 기준치 이상으로 생성하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 운전 영역을 회피하는 진입하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류가 하한 전류 밀도 이상으로 생성되도록 제어하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 상기 스택 전류의 전류 요구량 초과분을 전압 상한 제어 방식으로 양방향 고전압 전력변환 장치를 통해 배터리 충전에 이용하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 차량 운전 중 센싱되는 전류 밀도가 미리 정한 기준치를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 밀도가 미리 정한 기준치이면, 시간에 따른 전류 변화량을 이용하여 전류 상승 상황과 전류 감소 상황을 구분하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 상승 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하고, 상기 전류 감소 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압과 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압을 이용하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압에서 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 차감하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 차량 운전 종료 시, 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 초기화하고, 상기 차량이 운전을 시작할 때, 다시 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 히스테리시스값을 미리 정한 기준치와 비교하여, 상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치를 초과하는 경우 상기 전류 히스테리시스의 저감이 필요한 상태로 판단하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치를 초과하는 경우 상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치를 초과하는 경우, 전압 상한 제어 방식에서 전류 하한 제어 방식으로 변경하여 실행하고, 상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치 이하가 되면, 상기 전류 하한 제어 방식에서 상기 전압 상한 제어 방식으로 변경하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 방법은, 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계; 상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하는 단계; 및 저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시, 스택 전류를 기준치 이상으로 생성하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 운전 영역을 회피하는 진입하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류가 하한 전류 밀도 이상으로 생성되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는, 상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 상기 스택 전류의 전류 요구량 초과분을 전압 상한 제어 방식으로 양방향 고전압 전력변환 장치를 통해 배터리 충전에 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는, 차량 운전 중 센싱되는 전류 밀도가 미리 정한 기준치를 판단하는 단계; 및 상기 전류 밀도가 미리 정한 기준치이면, 시간에 따른 전류 변화량을 이용하여 전류 상승 상황과 전류 감소 상황을 구분하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는, 상기 전류 상승 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 단계; 및 상기 전류 감소 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는, 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압과 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압을 이용하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 기술은 전류 히스테리시스값이 기준치 이상인 경우 스택 전류 생성을 기준 이상으로 유지하도록 하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 영역 운전을 회피하고 셀 내부 물 함량 증가를 통한 분포 개선으로 전류 히스테리시스값을 저감시켜 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스값 산출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스값 판단 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저전류 회피 운전 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 측정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포워드 구간 성능 비교 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 실주행 시 모사 전류 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 실주행 모사 중 전압 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치를 포함하는 차량 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 시스템은 전류 히스테리시스 저감 장치(100), 차량의 주 동력원(전력원)이 되는 연료 전지 스택(200), 고전압 배터리(500)의 출력측인 메인버스단에 연결되는 인버터(300), 고전압 배터리(500)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(500)에 연결되는 양방향 직류 전력변환장치(BHDC: Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(400), 차량의 보조 동력원이 되는 고전압 배터리(500)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 차량의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 연료 전지를 이용하는 친환경 차량의 제어 장치로서 구현될 수 있다.
전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하고, 상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하고 저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입할 수 있다.
도 1을 참조하면 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 통신부(110), 저장부(120), 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 무선 또는 유선 연결을 통해 신호를 송신 및 수신하기 위해 다양한 전자 회로로 구현되는 하드웨어 장치로서, 차량 내 장치들과 차량 내 네트워크 통신 기술을 기반으로 정보를 송수신할 수 있다. 일 예로서 차량 내 네트워크 통신 기술은 CAN(Controller Area Network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신, 플렉스레이(Flex-Ray) 통신 등을 포함할 수 있다.
저장부(120)는 프로세서(130)가 동작하는데 필요한 데이터 및/또는 알고리즘 등이 저장될 수 있다. 일 예로, 저장부(120)는 전류 히스테리시스 산출을 위한 알고리즘, 저전류 회피 운전 모드 실행 여부를 판단하기 위한 알고리즘, 저전류 회피 운전 모드 실행을 위한 알고리즘 등이 저장될 수 있다.
일 예로서, 저장부(120)는 백워드 상황의 누적 평균 전압 Vb, 포워드 상황의 누적 평균 전압 Vf, 산출된 전류 히스테리시스, 전류 히스테리시스 판단을 위한 기준치(α), 전류 요구량 판단을 위한 기준치(β), 전류 밀도 판단을 위한 임계치 등이 저장될 수 있다.
저장부(120)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
프로세서(130)는 통신부(110), 저장부(120) 등과 전기적으로 연결될 수 있고, 각 구성들을 전기적으로 제어할 수 있으며, 소프트웨어의 명령을 실행하는 전기 회로가 될 수 있으며, 이에 의해 후술하는 다양한 데이터 처리 및 산출을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 전류 히스테리시스 저감 장치(100)의 각 구성요소들 간에 전달되는 신호를 처리할 수 있고, 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어의 형태로 구현되거나, 또는 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있고, 바람직하게는 마이크로프로세서(microprocessor)로 구현될 수 있으며 예를 들어, 차량에 탑재되는 ECU(electronic control unit), MCU(Micro Controller Unit) 또는 다른 하위 제어기일 수 있다.
프로세서(130)는 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하고, 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하는 지를 판단하여, 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정할 수 있다.
프로세서(130)는 차량 운전 중 센싱되는 전류 밀도가 미리 정한 기준치를 판단할 수 있다. 이때 미리 정한 기준치는 실험치에 의해 미리 설정될 수 있고, 예를 들어, 0.32A/㎠ 이다.
또한, 프로세서(130)는 전류 밀도를 미리 정한 기준치와 비교하여, 전류 밀도가 미리 정한 기준치와 일치하면, 시간에 따른 전류 변화량을 산출하고, 시간에 따른 전류 변화량에 따라 전류 상승 상황(포워드, Forward)과 전류 감소 상황(백워드, Backward)을 구분할 수 있다.
즉, 프로세서(130)는 시간에 따른 전류 변화량이 0을 초과하면 전류 상승 상황으로 판단하고, 시간에 따른 전류 변화량이 0 이하이면 전류 감소 상황으로 판단할 수 있다.
프로세서(130)는 전류 상승 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하고, 전류 감소 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출한 후, 전류 상승 상황의 누적 평균 전압과 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압을 이용하여 전류 히스테리시스값을 산출할 수 있다. 더욱 구체적으로는 프로세서(130)는 전류 감소 상황의 누적 평균 전압에서 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 차감하여 전류 히스테리시스값을 산출할 수 있다.
프로세서(130)는 차량 운전 종료 시, 차량 운전 중 산출된 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 초기화하고, 차량이 운전을 시작할 때, 다시 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 산출하여 전류 히스테리시스값을 산출하고 업데이트 할 수 있다. 이에 전류 히스테리시스값은 실시간으로 업데이트 될 수 있다.
프로세서(130)는 전류 히스테리시스값을 미리 정한 기준치와 비교하여, 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하는 경우 전류 히스테리시스의 저감이 필요한 상태 즉, 저전류 회피 운전 모드로 진입할 수 있다. 이때, 미리 정한 기준치는 실험치에 의해 미리 설정될 수 있다.
또한 프로세서(130)는 저전류 회피 운전 모드 시 전압 상한 제어에서 전류 하한 제어 방식으로 변경하여 실행할 수 있고, 전류 히스테리시스 값이 미리 정한 기준치 이하가 되면 전류 하한 제어 방식에서 전압 상한 제어 방식으로 변경할 수 있다.
프로세서(130)는 저전류 회피 운전 모드 진입 시, 스택 전류를 기준치 이상으로 생성하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 운전 영역을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입할 수 있고, 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류가 하한 전류 밀도 이상으로 생성되도록 제어할 수 있다.
또한, 프로세서(130)는 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류의 전류 요구량 초과분을 전압 상한 제어 방식으로 양방향 고전압 전력변환 장치(400)를 통해 배터리 충전에 이용할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 전류 히스테리시스 값이 기준치 이상일 경우 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 영역 운전을 회피하여 연료 전지의 스택 셀 내부의 물 함량 증가를 통한 분포 개선으로 전류 히스테리시스 값을 저감시킬 수 있다.
즉 본 발명은 연료전지 셀 내 함수량 저하 및 물 분포 불량에 따른 국부적 건조상태를 방지하여 셀 내부 성능 편차를 개선하고 스택의 최대 성능 활용으로 차량 성능을 개선할 수 있다.
또한 본 발명은 연료 전지 셀 내부 적정 함수량을 유지함에 따라 내구성을 향상시키고 연료 전지의 보증 기간을 확대할 수 있으며 연료 전지 열화로 인한 비용을 절감할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 저감 방법을 나타내는 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스값 산출 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스값 판단 방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저전류 회피 운전 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 도 1의 전류 히스테리시스 저감 장치(100)가 도 3 내지 도 6의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다. 또한, 도 3 내지 도 6의 설명에서, 장치에 의해 수행되는 것으로 기술된 동작은 전류 히스테리시스 저감 장치(100)의 프로세서(130)에 의해 제어되는 것으로 이해될 수 있다.
도 3을 참조하면 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 히스테리시스값을 도출한다(S100).
즉 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 시간에 대한 전류 변화율에 따라 특정 전류에서의 전압을 포워드(Forward) 또는 백워드(Backward)로 구분하고, 구분된 전압의 평균을 활용하여 전류 히스테리시스값을 산출할 수 있다. 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 차량 시동 후 측정되는 전류 데이터 및 전압 데이터를 기반으로 실시간으로 전류 히스테리시스값을 산출할 수 있다. 상기 과정 S100의 전류 히스테리시스값을 도출하는 구체적인 과정은 추후 도 4를 통해 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
이어 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 산출된 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하는 지를 판단하고 그에 따라 저전류 회피 모드 작동 여부를 판단한다(S200). 이때, 기준치는 연료 전지 사양별로 다를 수 있으며, 실험치에 의해 미리 설정될 수 있다. 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하면 저전류 회피 운전 모드를 실행할 수 있다. 또한, 저전류 회피 운전 모드 실행 중 전류 히스테리시스값을 미리 정한 기준치와 계속 비교하여 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치 이하로 저감되면 저전류 회피 운전 모드 작동을 종료할 수 있다. 상기 과정 S200의 전류 히스테리시스값의 기준치 초과 여부를 기반으로 저전류 회피 모드 작동 여부를 판단하는 구체적인 과정은 추후 도 5를 통해 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
이어 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 저전류 회피 운전을 실행한다(S300). 즉 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 실제 스택 전류 요구량 초과분을 기존의 BHDC 활용한 전압 상한 제어 방식과 같이, BHDC를 통한 배터리 충전에 활용할 수 있다. 상기 과정 S300의 저전류 회피 운전 실행 과정은 추후 도 6을 통해 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
전류 히스테리시스는 구동 온도 및 기체 가습 상태, 전극의 열화 정도에 따라 다를 수 있고, 모든 상황에서 저전류를 인위적 회피할 경우 차량 연비에 영향이 있을 수 있기 때문에 본 발명에서는 기존의 전압 상한 제어 하에서 히스테리시스값을 도출하고 및 특정 상황(전류 히스테리시스가 기준치를 초과하는 경우)에서 저전류 회피 운전 모드를 실행하며, 전류 히스테리시스가 기준치 이하가 되면 다시 전압 상한 제어를 수행하도록 한다.
따라서, 본 발명은 주행 중 전류 히스테리시스가 기준치를 초과할 경우 기존 전압 상한 제어를 전류밀도 하한 제어로 변경하여 저전류 회피 운전을 실행함으로써 연료 전지 셀 내 함수량 증대 및 물 분포를 개선하여 통한 셀 내 성능 편차 개선 및 전극 열화를 방지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 차량 운전 시 센싱되는 전류 밀도를 모니터링하여(S101), 차량 운전 시의 전류 밀도가 미리 정한 임계치인지를 판단한다(S102). 예를 들어, 미리 정한 임계치는 0.32A/㎠이고, 이는 기존 히스테리시스 측정법과 검증 시험에 의해 결정될 수 있고, 범위 또는 다른 값으로 변경될 수 있다.
전류 밀도가 미리 정한 기준치이면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 시간에 대한 전류 변화율(
Figure pat00001
)이 0을 초과하는 지를 판단한다(S103). 이에 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 시간에 대한 전류 변화율에 따라 전압 상승 상황인 포워드(Forward) 상황인지, 전압 감소 상황인 백워드(Backward) 상황 인지를 판단할 수 있다. 즉, 실제 차량 주행 중에는 스택 생성 전류가 실시간으로 변할 수 있기 때문에 평가 장치에서의 전류 히스테리시스 측정법을 적용할 수 없다. 따라서, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 시간에 따른 전류 변화에 따라 포워드 상황인지 백워드 상황인지를 판단한다.
즉 시간에 대한 전류 변화율이 0보다 크면 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 포워드 상황으로 판단하고, 셀 평균 전압을 확인하여(S104), 시간에 대한 전류 변화율 기반의 셀 평균 전압을 기록 및 누적하여, 포워드 상황의 누적 평균 전압 Vf을 산출한다(S105).
반면 시간에 대한 전류 변화율이 0 이하이면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 백워드 상황으로 판단하고, 셀 평균 전압을 확인하여(S106), 시간에 대한 전류 변화율 기반의 셀 평균 전압을 기록 및 누적하여, 백워드 상황의 누적 평균 전압 Vb을 산출한다(S107).
전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 차량 운전 종료(시동 OFF) 시 백워드 상황의 누적 평균 전압 Vb 및 포워드 상황의 누적 평균 전압 Vf 을 초기화하고 차량 운전 시작(시동 ON) 시 상술한 과정 S101~S108을 수행하여 백워드 상황의 누적 평균 전압 Vb 및 포워드 상황의 누적 평균 전압 Vf 을 새롭게 기록하는 방식으로 연료전지 스택의 최신 상태를 반영할 수 있다.
이 후, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 백워드 상황의 누적 평균 전압 Vb에서 포워드 상황의 누적 평균 전압 Vf을 차감하여 전류 히스테리시스(h)를 산출한다(S108). 전류 히스테리시스의 산출은 실시간으로 수행되어 실시간 업데이트 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 도 4에서 산출된 전류 히스테리시스(h)가 미리 정한 기준치(α)를 초과하는 지를 판단한다(S202). 이때, 미리 정한 기준치(α)는 구성 부품, MEA 등 연료전지 사양에 따라 다르므로 차종별로 다르게 설정될 수 있고, 실험치에 의해 미리 설정될 수 있다.
전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 전류 히스테리시스(h)가 미리 정한 기준치(α)를 초과하면, 전류 히스테리시스 저감이 필요한 상황으로 판단하고, 저전류 회피 운전 모드를 실행한다(S202).
반면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 전류 히스테리시스(h)가 미리 정한 기준치(α) 이하이면, 전류 히스테리시스 저감이 필요하지 않은 상황으로 판단하고, 저전류 회피 운전 모드를 미실행하고(S203), 전압 상한 제어로 전환한다.
이때, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 실시간으로 산출되는 전류 히스테리시스를 이용하여 실시간으로 기준치와 비교하여 저전류 회피 운전이 필요한지를 판단할 수 있다.
도 6을 참조하면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 도 5에서 저전류 회피 운전 모드를 실행하는 것으로 결정된 경우, 스택 전류 요구량을 센싱한다(S301). 이때, 스택 전류 요구량의 센싱을 위해 별도의 센서를 구비할 수 있다.
전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 스택 전류 요구량이 미리 정한 기준치(β) 미만인지를 판단한다(S302). 이때, 미리 정한 기준치(β)는 하한 전류밀도 기준치로서 사양에 따라 다를 수 있고 실험치에 의해 설정될 수 있다.
스택 전류 요구량이 미리 정한 기준치(β) 미만이면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 미리 정한 기준치(β)만큼의 전류를 생성한 후 요구 전류량 초과분을 BHDC(400)를 통해 전압 상한 제어 방식과 동일하게 배터리 충전에 활용할 수 있다.
스택 전류 요구량이 미리 정한 기준치(β) 이상이면, 전류 히스테리시스 저감 장치(100)는 스택 전류 요구량을 센싱한다(S301).
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류 히스테리시스 측정 그래프이고 도 8은 도 7에서 포워드 구간 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 저전류 영역에서의 적은 함수량으로 인해 전류 증가 영역 (Forward)(701) 시 전류 감소 영역 (Backward) 대비 성능이 저하되며 전류 히스테리시스 발생된다.
저전류 영역 셀 함수량 차이에 의해 포워드 성능 차이가 발생(저전류 회피 시 함수량 저하에 의한 셀 드라이 방지로 포워드 성능 상승)하고 전류 히스테리시스 값이 개선됨을 알 수 있다.
즉 도 8을 참조하면 저전류 회피 운전 모드 시 셀 내 함수량이 증대되어 포워드 성능이 증대되고 전류 히스테리시스가 저감됨을 알 수있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 실주행 시 모사 전류 프로파일을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량 실주행 모사 중 전압 분포를 나타내는 도면이다.
기존의 전류 히스테리시스 측정법은 인위적 전류 싸이클 측정으로, 실주행 프로파일과는 차이가 있다. 이에 본 발명에서는 미리 정한 기준치(예, @0.32A/㎠) 에서의 전압을 이용하여 전류 변화율에 따라 포워드 상황 또는 백워드 상황으로 구분한다.
즉 도 10과 같이, 포워드 및 백워드의 전압 분포 그래프 상으로 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명은 저전류 회피를 통해 주행 중 전류 히스테리시스를 연료전지 사양에 따라 저감시킬 수 있다. 이에 연료전지 셀 내의 함수량 증대 및 물 분포 편차를 개선할 수 있어 셀의 국부적 드라이(건조)를 방지하여 수소 연료전지차의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한다.
도 11을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory, 1310) 및 RAM(Random Access Memory, 1320)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다.
예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 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 기술 사상의 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.

Claims (20)

  1. 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하고, 상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하고 저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 프로세서; 및
    상기 프로세서에 의해 구동되는 데이터 및 알고리즘이 저장되는 저장부;
    를 포함하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시, 스택 전류를 기준치 이상으로 생성하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 운전 영역을 회피하는 진입하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류가 하한 전류 밀도 이상으로 생성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 상기 스택 전류의 전류 요구량 초과분을 전압 상한 제어 방식으로 양방향 고전압 전력변환 장치를 통해 배터리 충전에 이용하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    차량 운전 중 센싱되는 전류 밀도가 미리 정한 기준치를 판단하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 밀도가 미리 정한 기준치이면, 시간에 따른 전류 변화량을 이용하여 전류 상승 상황과 전류 감소 상황을 구분하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 상승 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하고,
    상기 전류 감소 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압과 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압을 이용하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압에서 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 차감하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 프로세서는,
    차량 운전 종료 시, 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 초기화하고, 상기 차량이 운전을 시작할 때, 다시 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압 및 상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 히스테리시스값을 미리 정한 기준치와 비교하여, 상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치를 초과하는 경우 상기 전류 히스테리시스의 저감이 필요한 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하는 경우 상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전류 히스테리시스값이 미리 정한 기준치를 초과하는 경우, 전압 상한 제어 방식에서 전류 하한 제어 방식으로 변경하여 실행하고,
    상기 전류 히스테리시스값이 상기 미리 정한 기준치 이하가 되면, 상기 전류 하한 제어 방식에서 상기 전압 상한 제어 방식으로 변경하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 장치.
  14. 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계;
    상기 전류 히스테리시스값을 이용하여 저전류 회피 운전 모드 작동 여부를 결정하는 단계; 및
    저전류 영역 운전을 회피하는 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시, 스택 전류를 기준치 이상으로 생성하여 전기 화학 반응 생성수가 적은 저전류 운전 영역을 회피하는 진입하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 스택 전류가 하한 전류 밀도 이상으로 생성되도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 저전류 회피 운전 모드로 진입하는 단계는,
    상기 저전류 회피 운전 모드 진입 시 상기 스택 전류의 전류 요구량 초과분을 전압 상한 제어 방식으로 양방향 고전압 전력변환 장치를 통해 배터리 충전에 이용하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는,
    차량 운전 중 센싱되는 전류 밀도가 미리 정한 기준치를 판단하는 단계; 및
    상기 전류 밀도가 미리 정한 기준치이면, 시간에 따른 전류 변화량을 이용하여 전류 상승 상황과 전류 감소 상황을 구분하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는,
    상기 전류 상승 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 전류 감소 상황의 셀 평균 전압을 누적하여 누적 평균 전압을 산출하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 연료 전지의 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계는,
    상기 전류 상승 상황의 누적 평균 전압과 상기 전류 감소 상황의 누적 평균 전압을 이용하여 상기 전류 히스테리시스값을 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 히스테리시스 저감 방법.

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