KR20230021207A - 연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 시스템은, 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하는 통신부, 적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지하는 이벤트 감지부, 및 상기 상태 데이터에 기초하여 연료 전지 스택 및 전장부품의 열 관리 제어를 수행하며, 상기 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 정의된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND EMERGENCY DRIVING CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법에 관한 것이다.
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 운전 온도를 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 냉난방 하는 공조유닛(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.
열 관리 시스템은 CAN 통신을 통해 제어 시스템 및/또는 부품 등으로부터 상태 데이터를 수신하고, 수신된 상태 데이터에 기초하여 열 관리 제어 동작을 수행한다.
하지만, 제어 시스템 또는 부품 등으로부터 열 관리 제어에 필요한 상태 데이터가 미수신되는 경우에는 연료전지 스택 및/또는 전장부품의 열 관리 제어가 불가능하게 된다. 이와 같이, 연료전지 시스템의 열 관리 제어가 불가능하게 되면, 연료전지 시스템의 출력이 제한되어 위험 상황이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 연료전지 시스템 내 제어 시스템 또는 부품의 상태 데이터가 미수신됨에 따라 연료전지 스택 및/또는 전장부품의 열 관리 제어가 불가능한 상황에서 비상 운전 제어를 수행함으로써 안전 조치 시간을 확보할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 연료전지 스택 및/또는 전장부품의 열 관리 제어가 불가능한 상황에서 안전 조치 시간을 확보함으로써 차량 및 차량 탑승자를 안전하게 보호할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 비상 운전 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하는 통신부, 적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지하는 이벤트 감지부, 및 상기 상태 데이터에 기초하여 연료 전지 스택 및 전장부품의 열 관리 제어를 수행하며, 상기 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 정의된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 열 관리 제어 부품들 각각에 대응되는 상태 데이터, 해당 상태 데이터의 미수신 이벤트 판단 조건 및 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블이 저장되는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프, 전장부품을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프, 및 상기 제1 냉각라인 및 상기 제2 냉각라인 상에 배치된 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 제1 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 파워 정보에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 상기 연료전지 스택의 최대 파워에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 출구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 임의 설정된 제1 값에 기초하여 상기 제1 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 스택향 냉각수 바이패스 밸브 및 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 제2 펌프의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 전장부품의 소비전력에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 연료전지 스택 파워의 로우값, 연료전지 스택의 최대 파워 및 해당 전장부품의 최대 소비전력값에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 제2 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법은, 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하는 단계, 적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지하는 단계, 및 상기 상태 데이터에 기초하여 연료 전지 스택 및 전장부품의 열 관리 제어를 수행하고, 상기 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 정의된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 제어 방법은, 상기 상태 데이터를 수신하는 단계 이전에 상기 열 관리 제어 부품들 각각에 대응되는 상태 데이터, 해당 상태 데이터의 미수신 이벤트 판단 조건 및 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 제어 방법은, 상기 비상 운전 상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 제1 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 단계, 상기 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 제2 펌프의 회전수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 파워 정보에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 상기 연료전지 스택의 최대 파워에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는, 상기 연료전지 스택 출구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 임의 설정된 제1 값에 기초하여 상기 제1 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는, 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 스택향 냉각수 바이패스 밸브 및 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는, 외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 냉각팬 및 상기 제2 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는, 상기 전장부품의 소비전력에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 연료전지 스택 파워의 로우값, 연료전지 스택의 최대 파워 및 해당 전장부품의 최대 소비전력값에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 내 제어 시스템 또는 부품의 상태 데이터가 미수신됨에 따라 연료전지 스택 및/또는 전장부품의 열 관리 제어가 불가능한 상황에서 비상 운전 제어를 수행함으로써 안전 조치 시간을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택 및/또는 전장부품의 열 관리 제어가 불가능한 상황에서 안전 조치 시간을 확보함으로써 차량 및 차량 탑승자를 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 다양한 실시예들에 따른 제1 배관 및 제2 배관을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 동작을 설명하는데 참조되는 실시예를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
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, 제1, 제2, 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.
도 1 내지 도 4는 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
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 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 연결라인(130) 및 제3 연결라인(140)과 가열 루프를 형성하고, 주행 중에는 연료전지 스택(10)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 냉각수가 제1 라디에이터(60)를 통과하는 냉각 루프를 형성할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에는 도시되지 않았지만, 연료전지 시스템에 필요한 냉각량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제3 연결라인(140)으로 흐르고 나머지 일부는 제1 라디에이터(60)를 통과할 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(50)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(50) 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(50)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(50)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 밸브(40)의 개도량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제1 라디에이터(60)를 지나고 나머지 일부는 제3 연결라인(140)을 따라 흐를 수 있다.
제2 연결라인(150)은 공조유닛(HVAC UNIT)(90)을 가열하기 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 냉 시동 중에, 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)의 히터(50)를 경유하며 순환(승온 루프)함과 동시에, 제2 연결라인(150)을 따라서도 순환하도록 하는 것에 의하여 냉 시동시에도 제2 연결라인(150)에 구비된 이온 필터(95)에 의한 필터링(제1 냉각수에 포함된 이온 제거)이 가능하다. 따라서, 냉 시동 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 온도 센서(112), 제1 연결라인(130)의 다른 일단과 제1 펌프(30)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(114), 및 히터(50)에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제3 온도 센서(116)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템은 제1 온도 센서(112), 제2 온도 센서(114), 및 제3 온도 센서(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 4에 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 3에 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 3의 연료전지 시스템 구조에 적용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키도록 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
Figure pat00001
높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2 냉각수와 열교환)한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 1
Figure pat00002
낮게 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 따른 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)와 별도로 배치되지만, 다른 실시예에서 열교환기(300)는 도 4에 도시된 바와 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. 열교환기(300)가 제1 라디에이터(60)의 좌측 상단부에 연결된 경우, 제1 라디에이터(60) 및 열교환기(300)는 도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 다양한 실시예들에 제1 배관 및 제2 배관을 설명한다.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수가 유동하는 제1 유로(64a)를 형성하는 제1 배관(64)을 포함하고, 열교환기(300)는 제1 유로(64a)의 내부에서 제1 냉각수와 상호 열교환 가능하게 마련되는 제2 배관(302)을 포함하되, 제2 냉각수는 제2 배관(302)을 따라 유동하며 제1 유로(64a)에서 제1 냉각수와 상호 열교환될 수 있다. 제2 배관(302)은 제2 냉각수가 유동하는 제2 유로(302a)를 형성하고, 제2 배관(302)의 적어도 일부는 제1 유로(64a)의 내부에서 제1 냉각수에 노출될 수 있다. 제2 배관(302)의 형태 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2 배관(302)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따르면, 제1 냉각수의 냉각 효과를 높일 수 있도록, 제1 냉각수에 노출되는 제2 배관의 외면에 접촉 면적을 증가시키기 위한 방열핀을 형성하는 것도 가능하다. 실시예에 따르면, 제1 배관(64)과 제2 배관(302)의 사이에 실링부재(304)(예를 들어, 고무 또는 실리콘 재질)가 마련될 수 있다. 이와 같이, 제1 배관(64)과 제2 배관(302)의 사이에 실링부재(304)를 마련하는 것에 의하여, 제1 유로(64a)의 밀폐 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
건설기계와 같이 정차시에도 고출력이 요구되는 차량의 경우 전장부품(200)의 냉각 성능이 보장되어야 하므로, 실시예들에 따른 연료전지 시스템은 냉각팬(80 또는 85)의 회전수, 외기온, 및 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템은 열교환기(300)의 배치, 냉각팬의 구조(예: 듀얼 타입 또는 멀티 타입), 라디에이터(60, 70)의 유입 풍량 중 적어도 하나를 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정함으로써 제1 냉각라인(110)과 제2 냉각라인(120)이 공존하는 연료전지 시스템 내의 냉각 성능을 최적화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 통신부(410), 이벤트 감지부(420), 제어부(430) 및 저장부(440)를 포함할 수 있다.
통신부(410)는 연료전지 시스템 내의 열 관리 제어 부품들(1)로부터 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 열 관리 제어에 필요한 상태 데이터를 수신한다. 여기서, 열 관리 제어 부품들(1)은 연료전지 스택(10), 전장부품(200), 온도 센서(112, 114, 116), 외기온 센서 등과 같이 열 관리 제어에 이용되는 부품들이 포함될 수 있다. 일 예로서, 통신부(410)는 연료전지 스택(10)으로부터 파워 및/또는 효율 정보를 포함하는 상태 데이터를 수신할 수 있으며, 전장부품(200)으로부터 소비전력 및/또는 비효율 정보를 포함하는 상태 데이터를 수신할 수도 있다. 또한, 통신부(410)는 온도 센서(112, 114, 116)로부터 연료전지 스택(10) 입구 또는 출구의 냉각수 온도 정보를 포함하는 상태 데이터를 수신할 수 있으며, 외기온 센서로부터 외기온 정보를 포함하는 상태 데이터를 수신할 수도 있다.
통신부(410)는 열 관리 제어 부품들과의 차량 네트워크 통신을 위한 통신모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 차량 네트워크 통신 기술로는 CAN(Controller Area Network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신, 플렉스레이(Flex-Ray) 통신 등이 포함될 수 있으나, 이하의 실시예에서는 CAN 통신 기술을 이용하여 열 관리 제어 부품들(1)로부터 상태 데이터를 수신하는 것을 예로 하여 설명하도록 한다.
이벤트 감지부(420)는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작 중 통신부(410)와 연결된 열 관리 제어 부품들과의 통신 상태를 확인한다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 적어도 어느 하나의 열 관리 제어 부품으로부터 상태 데이터가 미수신되는지를 확인한다.
이벤트 감지부(420)는 적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터 상태 데이터가 수신되지 않는 경우 상태 데이터 미수신 이벤트가 발생한 것을 감지한다.
이때, 이벤트 감지부(420)는 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지된 후, 기 설정된 시간을 초과하도록 해당 열 관리 제어 부품으로부터 상태 데이터가 수신되지 않으면, 해당 열 관리 제어 부품에 고장이 발생한 것으로 판단하여 이벤트 발생 정보를 제어부(430)로 제공한다. 여기서, 이벤트 발생 정보는 상태 데이터가 미수신된 열 관리 제어 부품의 정보 및 대상이 되는 상태 데이터의 정보를 포함할 수 있다.
제어부(430)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(430)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다.
제어부(430)는 통신부(410)에 의해 수신된 열 관리 제어 부품들의 상태 데이터에 기초하여 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 열 관리 제어를 수행한다. 이를 위해, 제어부(430)는 열 관리 제어부(431)를 포함할 수 있다.
또한, 제어부(430)는 이벤트 감지부(420)로부터 이벤트 발생 정보가 입력되면, 이벤트 발생 정보를 확인한다. 제어부(430)는 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지된 것으로 확인되면, 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 설정된 대체값에 기초하여 비상 운전 제어를 수행한다. 이를 위해, 제어부(430)는 비상 운전 제어부(435)를 포함할 수 있다.
제어부(430) 내에 포함된 구성들은 각각 개별적인 장치(또는 프로그램)로 구현되거나 하나의 통합된 모듈 형태로 구현될 수 있다.
먼저, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 열 관리 제어를 통해 목표 냉각 성능을 유지하도록 할 수 있다.
여기서, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10)의 파워 및 효율, 연료전지 스택(10)의 입구/출구 냉각수 온도, 라디에이터 출구 냉각수 온도, 외기온, 전장부품(200) 소비전력 및 전장부품(200) 비효율 등에 기초하여 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정하고, 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량을 결정한다.
일 예로서, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10)의 파워 및 효율에 기초하여 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다. 또한, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도에 기초하여 제1 펌프(30)의 회전수를 결정할 수 있다.
또한, 열 관리 제어부(431)는 외기온 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수 있다. 이때, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및/또는 제1 펌프(30)의 회전수에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수도 있다. 또한, 열 관리 제어부(431)는 냉각팬(80)의 회전수 결정 시에 제2 펌프(205)의 회전수를 추가로 고려할 수 있다. 여기서, 열 관리 제어부(431)는 제2 펌프(205)의 회전수가 최대이면, 전장부품(200)의 냉각 성능을 보장하기 위하여 냉각팬(80)의 회전수를 증가시킬 수 있다. 만일, 제2 펌프(205)의 회전수가 최대이면서 냉각팬(80)의 회전수 또한 최대이면, 연료전지 시스템은 열교환기(300)를 추가로 포함할 수도 있다. 이 경우, 열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 열교환시킬 수 있다.
또한, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10) 입구/출구의 냉각수 온도 및 스택 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정할 수 있다.
또한, 열 관리 제어부(431)는 전장부품(200)의 소비전력 및 비효율에 기초하여 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다. 이때, 열 관리 제어부(431)는 전장부품(200)의 소비전력 및 비효율에 기초하여 전장부품(200) 각각의 발열량을 계산하고, 계산된 각각의 발열량을 합산하여 전장부품(200) 전체의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다.
또한, 열 관리 제어부(431)는 전장부품(200)의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 이때, 열 관리 제어부(431)는 전장부품(200)이 목표 냉각 성능을 만족하기 위한 제2 냉각수의 유량을 결정하고, 결정된 유량에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 한편, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 시스템이 멀티타입의 냉각팬(80, 85)을 포함하는 경우, 냉각팬(80, 85)의 회전수에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수도 있다. 또한, 열 관리 제어부(431)는 라디에이터(60, 70)가 냉각팬(80)을 공유하는 듀얼 타입인 경우에도 라디에이터(60, 70) 각각의 면적 및 통기 저항에 따라서 라디에이터(60, 70)에 유입되는 풍량이 다를 수 있으므로, 냉각팬(80)의 회전수와 제2 라디에이터(70)의 면적 및 통기 저항을 고려하여 제2 라디에이터(70)의 유입 풍량을 산출하고, 산출된 유입 풍량을 더 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수도 있다.
열 관리 제어부(431)는 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량이 결정되면, 결정된 제어량에 따라 대상 부품의 동작을 각각 제어할 수 있다.
이때, 열 관리 제어부(431)는 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등이 구동되는 동안, 연료전지 스택(10) 및 전장 부품의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인한다.
만일, 연료전지 스택(10) 및/또는 전장 부품의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 열 관리 제어부(431)는 연료전지 스택(10) 및/또는 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 만족하도록 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량을 조정할 수 있다.
열 관리 제어부(431)의 열 관리 제어 동작에 대한 실시예는 도 7을 참조하도록 한다.
이와 같이, 열 관리 제어부(431)는 각 부품들의 상태 데이터에 기초하여 연료전지 스택(10) 및/또는 전장부품(200)의 열 관리 제어를 수행하기 때문에, 통신 상태 이상 혹은 고장 등으로 인해 열 관리 제어에 필요한 상태 데이터, 예를 들어, 연료전지 스택 파워, 연료전지 스택(10)의 입구/출구 냉각수 온도, 전장부품(200)의 소비전력, 외기온 등이 미수신되면, 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 열 관리 제어가 불가능하게 된다.
이를 위해, 비상 운전 제어부(435)는 이벤트 감지부(420)로부터 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 상태 데이터 미수신 이벤트가 발생한 열 관리 제어 부품을 확인하고, 해당 열 관리 제어 부품으로부터 수신되지 않은 상태 데이터의 정보를 확인한다.
비상 운전 제어부(435)는 사전에 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 설정된 비상 조치 방안을 확인하고, 그에 따라 비상 운전 제어를 수행한다.
일 예로, 비상 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10)의 파워 정보를 포함하는 상태 데이터 미수신 시, 연료전지 스택(10)에 대응하여 설정된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 조치 방안에 따라 계기판의 경고등을 점등시키고, 연료전지 스택(10)의 파워를 대신하여 기 설정된 대체값을 열 관리 제어부(431)로 제공함으로써 연료전지 스택(10)의 열 관리 제어를 유지시키도록 할 수 있다.
또한, 비상 운전 제어부(435)는 전장부품(200)의 소비전력 정보를 포함하는 상태 데이터 미수신 시, 전장부품(200)에 대응하여 설정된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 조치 방안에 따라 계기판의 경고등을 점등시키고, 전장부품(200)의 소비전력을 대신하여 기 설정된 대체값을 열 관리 제어부(431)로 제공함으로써 전장부품(200)의 열 관리 제어를 유지시키도록 할 수 있다.
여기서, 비상 운전 제어부(435)는 사전에 저장부(440)에 저장된 제어 테이블을 호출하고, 호출된 제어 테이블을 참조하여 해당 열 관리 제어 부품에 대응되는 비상 조치 방안을 확인할 수 있다. 제어 테이블은 열 관리 제어 부품들과, 각각의 열 관리 제어 부품에 대응하는 상태 데이터, 이벤트 감지 기준 및 대응 방안이 정의된 것이다. 제어 테이블에 대한 실시예는 도 8을 참조하도록 한다.
비상 운전 제어부(435)는 안전 조치 시간을 확보할 수 있는 시간 동안 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 사용자로부터 수동 입력이 있으면 비상 운전 제어를 종료할 수 있다. 실시 형태에 따라, 비상 운전 제어부(435)는 기 설정된 소정 시간이 경과하면 비상 운전 제어를 종료할 수도 있다. 이 경우, 비상 운전 제어부(435)는 비상 운전 제어를 종료하기 전 사용자에게 비상 운전 제어를 종료할 지에 대해 확인한 후에 종료할 수도 있다.
저장부(440)는 연료전지 시스템이 동작하는데 필요한 데이터 및/또는 알고리즘 등을 저장할 수 있다.
일 예로서, 저장부(440)는 차량 내 각 제어기들의 정보가 저장될 수 있다. 또한, 저장부(440)는 통신부(410)를 통해 수신된 차량 상태 정보가 저장될 수도 있다.
또한, 저장부(440)는 차량 상태 정보에 따라 최종 목표 SOC를 결정하기 위한 조건 정보, 명령 및/또는 알고리즘이 저장될 수 있다. 또한, 저장부(440)는 각 제어기들을 업데이트 하기 위한 명령 및/또는 알고리즘이 저장될 수도 있다.
여기서, 저장부(440)는 RAM(Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)와 같은 저장매체를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 열 관리 제어를 위해 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정하고, 제1 펌프(30) 및 냉각팬(80)의 회전수를 결정하고, 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정하며, 결정된 제어량에 따라 제1 펌프(30), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브의 동작을 제어한다.
이때, 연료전지 시스템은 각 부품들이 구동되는 동안 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는지 확인한다.
이를 위해, 연료전지 시스템은 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인(110) 상에서 운전 중인 연료전지 스택(10)의 파워(711) 및 효율(712) 정보를 각각 포함하는 제1, 제2 상태 데이터가 수신되면, 수신된 제1, 제2 상태 데이터에 기초하여 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정한다(721).
연료전지 시스템은 동작 721에서와 같이 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능이 결정되면, 결정된 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능, 및 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도(713)를 포함하는 제3 상태 데이터에 기초하여 제1 펌프(30)의 회전수를 결정한다(722).
마찬가지로, 연료전지 시스템은 동작 721에서 결정된 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및 동작 722에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수와, 그리고 외기온(714) 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도(715)를 포함하는 제4, 제5 상태 데이터에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수 있다(723).
여기서, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 목표 냉각 성능에 따라 동작 742에서 제2 펌프(205)의 회전수가 결정되면, 결정된 제2 펌프(205)의 회전수에 따라 냉각팬(80)의 회전수를 조정할 수 있다. 일 예로, 연료전지 시스템은 동작 742에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수가 최대치로 결정되면, 전장부품(200)의 냉각 성능을 보장하기 위하여 동작 723에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수를 증가시킬 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 동작 723에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수와, 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도(716), 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도(717), 및 스택 라디에이터 출구의 냉각수 온도(718) 정보를 각각 포함하는 제3, 제5, 제6 상태 데이터에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브(CTV)의 개도량을 결정할 수 있다(724).
이후, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인할 수 있다(725). 동작 725에서, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 동작 722 내지 동작 724에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수, 냉각팬(80)의 회전수 및 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 조정할 수 있다.
한편, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는 경우, 동작 722 내지 동작 724에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수, 냉각팬(80)의 회전수 및 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 유지시키며 연료전지 스택(10)이 동작하도록 할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 열 관리 제어를 위해 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정하고, 제2 펌프(205)의 회전수를 결정하며, 결정된 제어량에 따라 제2 펌프(205)의 동작을 제어할 수 있다.
이때, 연료전지 시스템은 각 부품들이 구동되는 동안 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 만족하는지 확인한다.
이를 위해, 연료전지 시스템은 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인 상에서 운전 중인 전장부품(200)의 소비전력(731) 및 비효율(732) 정보를 각각 포함하는 제7, 제8 상태 데이터가 수신되면, 수신된 제7, 제8 상태 데이터에 기초하여 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다(741).
연료전지 시스템은 동작 742에서 전장부품(200)의 목표 냉각 성능이 결정되면, 결정된 전장부품(200)의 목표 냉각 성능, 및 외기온(733) 정보를 포함하는 제9 상태 데이터에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다(742).
동작 742에서 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 때, 연료전지 시스템은 동작 723에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수를 추가로 고려할 수도 있다. 이때, 연료전지 시스템은 냉각팬(80)의 회전수와 제2 라디에이터(70)의 면적 및 통기 저항에 기초하여 제2 라디에이터(70)의 유입 풍량을 산출하고, 산출된 유입 풍량을 토대로 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다.
이후, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인할 수 있다(743). 동작 743에서, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 동작 742에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수를 조정할 수 있다.
한편, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 만족하는 경우, 동작 742에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수를 유지시키며 전장부품(200)이 동작하도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 테이블을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 제어 테이블은 각각의 열 관리 제어 부품들, 예를 들어, 연료전지 스택(10), 전장부품(200), 냉각수 온도 제어 밸브(Coolant Temperature control Valve, CTV), 냉각수 바이패스 밸브(Coolant Bypass Valve, CBV), 외기온 센서 및 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(COD HTR) 등에 대응하여 설정된 상태 데이터, 이벤트 감지 기준 및 대응 방안 등이 각각 정의될 수 있다.
연료전지 스택(10)의 파워에 대한 제1 상태 데이터는 연료전지 스택(10)으로부터 수신된다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 설정된 시간(Timeout Time)이 초과하도록 제1 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다. 제1 상태 데이터 미수신 시 도 7의 동작 721에서 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정하지 못할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 연료전지 스택(10)으로부터 제1 상태 데이터의 미수신 이벤트 발생 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, 제1 상태 데이터에 대한 대체값으로 연료전지 스택(10)의 최대 파워(연료전지 Max. Gross Power)를 적용하도록 정의될 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템의 비상 운전 제어부(435)는 제1 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위하여 제1 상태 데이터의 대체값으로 연료전지 스택(10)의 최대 파워를 열 관리 제어부(431)로 제공할 수 있다.
전장부품(200)의 소비전력에 대한 제7 상태 데이터는 전장부품(200)으로부터 수신된다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 설정된 시간(Timeout Time)이 초과하도록 제7 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다. 제7 상태 데이터 미수신 시 도 7의 동작 741에서 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정하지 못할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 전장부품(200)으로부터 제7 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, 제7 상태 데이터에 대한 대체값으로 '연료전지 Gross Power_Raw/연료전지 Max. Gross Power)x해당 부품의 최대 소비전력값'을 적용하도록 정의될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 비상 운전 제어부(435)는 제7 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위하여 제7 상태 데이터의 대체값으로 '연료전지 Gross Power_Raw/연료전지 Max. Gross Power)x해당 부품의 최대 소비전력값'을 열 관리 제어부(431)로 제공할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도에 대한 제3 상태 데이터는 냉각수 온도 제어 밸브(CTV)로부터 수신된다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 설정된 시간(Timeout Time)이 초과하도록 제3 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다. 제3 상태 데이터 미수신 시 도 7의 동작 722에서 제1 펌프(30)의 회전수를 결정하지 못할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 냉각수 온도 제어 밸브(CTV)로부터 제3 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, 냉각수 공급 펌프(CSP), 즉, 제1 펌프(30)를 임의 설정된 X rpm으로 제어하도록 정의될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 비상 운전 제어부(435)는 제3 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위하여 제1 펌프(30)가 X rpm으로 제어되도록 할 수 있다.
연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도에 대한 제5 상태 데이터는 냉각수 바이패스 밸브(CBV)로부터 수신된다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 설정된 시간(Timeout Time)이 초과하도록 제5 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다. 제5 상태 데이터 미수신 시 도 7의 동작 723에서 냉각팬(80)의 회전수를 결정하지 못할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 냉각수 바이패스 밸브(CBV)로부터 제5 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, 제5 상태 데이터에 대한 대체값으로 스택향 냉각수 바이패스 밸브(CBV)를 100% 제어하고, 동시에 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브(CTV)를 100% 제어하도록 정의될 수 있다. 따라서, 비상 운전 제어부(435)는 제5 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위해 스택향 냉각수 바이패스 밸브(CBV)를 100% 제어되고, 동시에 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브(CTV)가 100% 제어되도록 할 수 있다.
외기온에 대한 제5 상태 데이터는 외기온 센서로부터 수신된다. 외기온 센서로부터 제5 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로는 경고등을 점등하고, 제5 상태 데이터에 대한 대체값으로 외기온 센서의 고장 판단 직전의 외기온 또는 임의 설정된 Y℃로 제어하도록 설정될 수 있다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 제4 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다. 여기서, 이벤트 감지부(420)는 센서 입력 전압에 기초하여 외기온 센서의 고장 상태를 감지할 수 있다. 일 예로, 이벤트 감지부(420)는 센서 입력 전압이 소정 시간(t) 이상 동안 상한 전압(VH) 이상으로 유지되면 단선(OPEN) 상태를 감지할 수 있다. 또한, 이벤트 감지부(420)는 센서 입력 전압이 소정 시간(t) 이상 동안 하한 전압(VL) 미만으로 유지되면 단락(SHORT) 상태를 감지할 수 있다. 또한, 이벤트 감지부(420)는 센서 입력 전압이 소정 시간(t) 이상 동안 하한 전압(VL)을 초과하고 상한 전압(VH) 미만으로 유지되면 정상 복귀 상태를 감지할 수 있다. 이와 같이, 외기온 센서의 고장 등으로 인해 제4 상태 데이터 미수신 시 도 7의 동작 723에서 냉각팬(80)의 회전수를 결정하지 못하거나, 동작 742에서 제2 펌프(205)의 회전수를 결정하지 못할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 외기온 센서로부터 제4 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, 제4 상태 데이터에 대한 대체값으로 외기온 센서의 고장 판단 직전에 수신된 외기온값 또는 임의 설정된 Y℃가 적용되도록 정의될 수 있다. 따라서, 비상 운전 제어부(435)는 제4 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위해 제4 상태 데이터를 대신하여 외기온 센서의 고장 판단 직전에 수신된 외기온값 또는 임의 설정된 Y℃를 열 관리 제어부(431)로 제공할 수 있다.
COD 히터의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터는 COD 히터로부터 수신된다. 이때, 이벤트 감지부(420)는 설정된 시간(Timeout Time)이 초과하도록 COD 히터로부터 상태 데이터가 수신되지 않으면 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지할 수 있다.
이를 위해, 제어 테이블에는 COD 히터로부터 상태 데이터 미수신 시의 대응 방안으로 경고등을 점등하고, COD 히터의 냉각수 온도에 대한 대체값으로 '연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도 + α℃'가 적용되도록 정의될 수 있다. 따라서, 비상 운전 제어부(435)는 COD 히터로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트 발생 시, 제어 테이블에 정의된 비상 조치 방안에 기초하여 비상 운전 제어를 수행할 수 있다. 이때, 비상 운전 제어부(435)는 비상 상황에 대처하기 위해 COD 히터의 냉각수 온도를 대신하여 '연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도 + α℃'를 열 관리 제어부(431)로 제공할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
먼저, 도 9를 참조하면, 연료전지 시스템은 시스템 온(ON) 상태가 되면(S110), 열 관리 제어 동작을 수행하기 위하여 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하고(S120), 'S120' 과정에서 수신된 열 관리 제어 부품들의 상태 데이터에 기초하여 열 관리 제어를 수행한다(S140). 이때, 연료전지 시스템은 열 관리 제어 동작을 수행하는 동안에도 수시로 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수행하며 열 관리 제어를 수행할 수 있다.
이후, 시스템 오프(OFF) 요청이 있으면, 연료전지 시스템은 관련 동작을 종료하고 시스템을 오프(OFF) 시킨다.
한편, 'S120' 과정에서 상태 데이터 수신 시, 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면(S130), 연료전지 시스템은 비상 운전을 위해 도 10의 'A' 이후 과정을 수행하도록 한다.
도 10을 참조하면, 연료전지 시스템은 적어도 하나의 상태 데이터 미수신 이벤트가 발생하면, 상태 데이터가 미 수신된 열 관리 제어 부품을 확인한다(S210).
이때, 연료전지 시스템은 사전에 열 관리 부품별 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블로부터 'S210' 과정에서 확인된 부품에 대응되는 비상 조치 내용을 확인한다(S220). 여기서, 열 관리 부품별 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블에 대한 실시예는 도 8을 참조하도록 한다.
이에, 연료전지 시스템은 'S220' 과정에서 확인된 비상 조치 내용에 따라 운전자가 비상 운전 상황임을 인지할 수 있도록 경고등을 점등한다(S230). 또한, 연료 전지 시스템은 'S220' 과정에서 확인된 비상 조치 내용에 기초하여 미수신된 상태 데이터의 대체값을 추출하고(S240), 추출된 대체값을 기반으로 비상 운전 제어를 수행한다(S250).
연료전지 시스템은 시스템 오프(OFF) 요청이 있기 전까지는 계속해서 도 9 및 도 10의 동작들을 반복하여 수행할 수 있다. 한편, 연료전지 시스템은 비상 운전 제어를 수행하는 중 시스템 오프(OFF) 요청이 있으면(S260), 관련 동작을 종료하고 시스템을 오프(OFF) 시킨다(S270).
물론, 실시 형태에 따라 비상 운전 제어를 너무 오래 수행하는 경우 위험 상황이 발생할 수 있으므로, 소정 시간이 경과하면 운전자에게 시스템 종료를 안내하고, 운전자의 수락이 있는 경우 시스템을 오프(OFF)시킬 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.
10: 연료전지 스택 30: 제1 펌프
80: 냉각팬 200: 전장부품
205: 제2 펌프 410: 통신부
420: 이벤트 감지부 430: 제어부
431: 열 관리 제어부 435: 비상 운전 제어부
440: 저장부

Claims (19)

  1. 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하는 통신부;
    적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지하는 이벤트 감지부; 및
    상기 상태 데이터에 기초하여 연료 전지 스택 및 전장부품의 열 관리 제어를 수행하며, 상기 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 정의된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 관리 제어 부품들 각각에 대응되는 상태 데이터, 해당 상태 데이터의 미수신 이벤트 판단 조건 및 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블이 저장되는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프;
    전장부품을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프; 및
    상기 제1 냉각라인 및 상기 제2 냉각라인 상에 배치된 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 제1 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 파워 정보에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 상기 연료전지 스택의 최대 파워에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    연료전지 스택 출구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 임의 설정된 제1 값에 기초하여 상기 제1 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    연료전지 스택 입구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 스택향 냉각수 바이패스 밸브 및 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 제2 펌프의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전장부품의 소비전력에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 연료전지 스택 파워의 로우값, 연료전지 스택의 최대 파워 및 해당 전장부품의 최대 소비전력값에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 제2 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 열 관리 제어 부품들로부터 상태 데이터를 수신하는 단계;
    적어도 하나의 열 관리 제어 부품으로부터의 상태 데이터 미수신 이벤트를 감지하는 단계; 및
    상기 상태 데이터에 기초하여 연료 전지 스택 및 전장부품의 열 관리 제어를 수행하고, 상기 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면 해당 열 관리 제어 부품에 대응하여 정의된 비상 조치 방안에 따라 비상 운전 제어를 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 상태 데이터를 수신하는 단계 이전에 상기 열 관리 제어 부품들 각각에 대응되는 상태 데이터, 해당 상태 데이터의 미수신 이벤트 판단 조건 및 비상 조치 방안이 정의된 제어 테이블을 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계;
    상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 제1 펌프 및 냉각팬의 회전수를 결정하는 단계;
    전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 제2 펌프의 회전수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 파워 정보에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 상기 연료전지 스택의 최대 파워에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는,
    연료전지 스택 출구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 임의 설정된 제1 값에 기초하여 상기 제1 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는,
    연료전지 스택 입구의 냉각수 온도에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 스택향 냉각수 바이패스 밸브 및 스택 라디에이터향 냉각수 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각팬에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는,
    외기온에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 외기온 센서로부터의 이전에 수신된 상태 데이터 또는 임의 설정된 제2 값에 기초하여 상기 냉각팬 및 상기 제2 펌프에 대한 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 비상 운전 제어를 수행하는 단계는,
    상기 전장부품의 소비전력에 대한 상태 데이터 미수신 이벤트가 감지되면, 연료전지 스택 파워의 로우값, 연료전지 스택의 최대 파워 및 해당 전장부품의 최대 소비전력값에 기초하여 비상 운전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 비상 운전 제어 방법.
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