KR20230072921A - 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터가 적용된 시스템에서 연료전지의 임피던스를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하고, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하고, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 연료전지 스택의 임피던스를 산출할 수 있다. 본 발명을 통해, 측정된 임피던스에서 기타 부품의 임피던스를 제거함으로써 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하는 효과를 제공할 수 있다.

Description

차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING IMPEDANCE OF FUEL CELL FOR VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC-DC 컨버터가 적용된 시스템에서 연료전지의 임피던스를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
차량에 적용되는 연료전지의 임피던스의 측정은, 연료전지 스택의 상태를 파악하는 방법 중 하나이고, 여러 주파수 대역별 임피던스의 측정을 통해, 연료전지 내부의 물리적 상태를 파악하는 것이 가능하다. 고주파 영역의 임피던스를 측정함으로써, 연료전지 스택의 내부 물량을 추정할 수 있고, 저주파 영역에서의 임피던스를 측정함으로써, 캐소드(Cathod) 촉매층과 기체 확산층에서 물질전달 손실 특성을 추정할 수 있고, 사이 구간 주파수 영역에서는 다공체 촉매층에서 수소이온 이동 및 전기화학 반응 특성을 포함하는 활성화 손실을 추정할 수 있다.
이에 따라, 특정 단일 주파수에서 임피던스를 측정하여 연료전지 스택의 물량을 파악하는 기술에 있어서, 연료전지 스택의 임피던스를 더 정확하게 측정하는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명의 실시 예는, DC-DC 컨버터가 적용된 시스템에서 연료전지의 임피던스를 측정하는 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 실시 예는, 측정된 임피던스에서 기타 부품의 임피던스를 제거함으로써 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는, 연료전지 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하여, 연료전지 내부의 상태를 정확하게 파악하여 분석할 수 있도록 하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는, 연료전지 스택 이외에 다른 부품(공기 압축기, 냉각 펌프 등)이 있더라도, 연료전지 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는, 연료전지 스택의 물량 추정, 물질전달 손실 특성, 활성화 손실 등의 분석을 보다 정확하게 하기 위해, 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 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 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치는 차량의 모터 및 주변 장치(BOP, Balance Of Plant) 중 적어도 하나 이상이 연결된 고전압단 및 연료전지 스택이 연결된 저전압단의 전압을 제어하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 시스템에 구비되어, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부, 및 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하며, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하고, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 저전압단에 주파수 대역별 미소 교류신호를 인가한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 응답신호의 진폭 및 위상차를 확인하여 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 차량의 배터리의 SoC(State of Charge)가 기준치를 초과하는 경우에, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에 공기의 공급을 제어하여, 상기 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 DC-DC 컨버터를 벅(Buck) 모드로 제어하고, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 동일하게 제어되는 상기 저전압단의 전압을 설정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 차량의 모터 및 상기 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 상기 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트(Boost) 모드로 제어하고, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 가변저항에서 소모되는 전력이 크도록 상기 저전압단에 연결된 상기 가변저항을 조절한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서, 상기 가변저항에서 소모되는 전력에서 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 빼서 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연산할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 상기 가변저항을 조절한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 하는 상기 가변저항의 저항값을 계산하여, 상기 가변저항을 조정하고, 상기 저전압단과 상기 가변저항을 연결하는 릴레이를 구동하여, 상기 저전압단과 가변저항을 연결할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 저전압단에 연결된 가변저항이 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 상기 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법은 제어부가, 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계, 상기 제어부가, 차량의 모터 및 주변 장치 중 적어도 하나 이상이 연결된 고전압단 및 상기 연료전지 스택이 연결된 저전압단의 전압을 제어하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 시스템에 구비된 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 차량의 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는 경우에, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 차량의 모터 및 상기 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 상기 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 제어하고, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 저전압단에 연결된 가변저항이 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 상기 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, DC-DC 컨버터가 적용된 시스템에서 연료전지의 임피던스를 측정하는 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 측정된 임피던스에서 기타 부품의 임피던스를 제거함으로써 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 연료전지 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하여, 연료전지 내부의 상태를 정확하게 파악하여 분석할 수 있도록 하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 연료전지 스택 이외에 다른 부품(공기 압축기, 냉각 펌프 등)이 있더라도, 연료전지 스택만의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 연료전지 스택의 물량 추정, 물질전달 손실 특성, 활성화 손실 등의 분석을 보다 정확하게 하기 위해, 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 미소의 교류신호를 인가하여 연료전지의 임피던스를 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 임피던스를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 저전압단의 전압을 조절하는 것을 나타내는 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 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 7을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 임피던스 측정부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 차량의 내부 또는 외부에 구현될 수 있다. 이때, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 하드웨어 장치로 구현되어 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 차량과 일체로 구현될 수도 있고, 차량과 별개의 구성으로 차량에 설치/부착되는 형태로 구현될 수도 있고, 또는 일부는 차량과 일체로 구현되고, 다른 일부는 차량과 별개의 구성으로 차량에 설치/부착되는 형태로 구현될 수도 있다.
임피던스 측정부(110)는 차량의 모터 및 주변 장치(BOP, Balance Of Plant) 중 적어도 하나 이상이 연결된 고전압단 및 연료전지 스택이 연결된 저전압단의 전압을 제어하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 시스템에 구비되어, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 임피던스 측정부(110)는 연료전지 스택의 출력단에 연결되어, 연료전지 스택의 출력단의 전류 또는 전압이 정상 상태로 안정화되면, 각 주파수영역대별 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 임피던스 측정부(110)는 제어부(120)와 무선 또는 유선 통신을 통해, 직접 또는 간접적으로 연결되어, 측정한 임피던스에 대한 정보를 제어부(120)에 송신할 수 있다.
또한, 임피던스 측정부(110)는 제어부(120)에 의해 제어되고, 제어부(120)로부터 전달된 명령에 따라, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
가변저항은 저전압단에 연결되어, 연료전지 스택에서 출력된 전류를 소모할 수 있다.
일 예로, 가변저항은 저전압단에 릴레이를 통해 연결되어, 릴레이의 구동에 따라 저전압단과의 연결이 제어될 수 있다.
제어부(120)는 가변저항의 저항값을 조정할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 가변저항과 저전압단을 연결하는 릴레이의 구동을 제어할 수 있다.
제어부(120)는 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하며, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
제어부(120)는 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어부(120)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 소프트웨어의 형태로 구현되거나, 또는 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(220)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제어부(220)는 후술하는 다양한 데이터 처리 및 계산 등을 수행할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 임피던스 측정 요청의 입력을 확인할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 도시되지 않은 입력부를 통해 사용자로부터 차량용 연료전지 스택의 임피던스 측정에 대한 요청을 입력받을 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 임피던스 측정 요청이 입력되면, 차량의 배터리의 SoC(State of Charge)가 기준치를 초과하는 경우에, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
차량의 배터리의 SoC가 기준치를 초과하지 않는 경우, 배터리로만 모터/고전압단에 연결된 BOP를 구동시킬 수 없을 수 있으므로, 제어부(120)는 차량의 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는지 확인하여, 초과하는 경우에, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 연료전지 스택의 임피던스를 산출할 수 있다.
연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스는 연료전지 스택의 임피던스 외에도, 컨버터, 공기 압축기(ACP, Air Compressor), 냉각펌프(Pump) 등의 다른 부품들의 임피던스를 포함하는 값이고, 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스는 연료전지 스택을 제외한 다른 부품들의 임피던스를 측정한 값이므로, 제어부(120)는 두 개의 임피던스 값을 기반으로, 다른 부품을 제외한 연료전지 스택만의 정확한 임피던스값을 산출할 수 있다.
제어부(120)가 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 과정은 추후 도 6에서 구체적으로 설명하기로 한다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단에 주파수 대역별 미소 교류신호를 인가한 후, 임피던스 측정부(110)를 통해, 응답신호의 진폭 및 위상차를 확인하여 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 정전류 또는 정전압이 유지되는 정상 상태의 운전점에서 주파수 대역별 미소 교류신호를 인가한 후, 임피던스 측정부(110)를 통해, 응답신호의 진폭 및 위상차를 확인하여 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택에 공기의 공급을 제어하여, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 공기차단밸브(ACV, Air Cut-off Valve)의 온/오프를 제어하여, 연료전지 스택에 공기의 공급을 조절할 수 있다.
제어부(120)가 연료전지 스택에 공기의 공급을 중단시키면, 연료전지 스택에서 출력의 인출이 중지될 수 있고, 연료전지 스택에 공기의 공급을 유지시키면, 연료전지 스택에서 출력이 인출될 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 임피던스 측정 요청이 입력되면, DC-DC 컨버터를 벅(Buck) 모드로 제어하고, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 제어하여, 연료전지 스택에서 발생한 전류가 DC-DC 컨버터를 통해 고전압단으로 흐르지 못하도록 제어할 수 있다.
이 경우, 고전압단에 연결된 BOP는 배터리에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 동일하게 제어되는 저전압단의 전압을 설정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 과정에서, 설정된 저전압단의 전압을 기반으로, 저전압단의 전압을 동일하게 유지할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 차량의 모터 및 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, DC-DC 컨버터를 부스트(Boost) 모드로 제어하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 차량의 모터 및 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 제어하여, 연료전지 스택에서 발생한 전류가 DC-DC 컨버터를 통해 고전압단으로 흐르도록 제어할 수 있다.
이 경우, 고전압단에 연결된 BOP는 배터리 및 연료전지에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 가변저항에서 소모되는 전력이 크도록 저전압단에 연결된 가변저항을 조절한 후, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단에 연결된 가변저항의 저항값을 조절하는 릴레이를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단의 전압 및 연료전지 스택에서 나오는 전류를 기반으로 계산된 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 높은 전력이 가변저항에서 소모되도록 저전압단에 연결된 가변저항을 조절할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 380V로 설정되고, 연료전지 스택에서 나오는 전류가 20A로 예상되는 경우, 380*20=7.6kW의 전력이 연료전지 스택에서 출력될 수 있다.
이 경우, 제어부(120)는 가변저항에서 소모되는 전력이 7.6kW보다 크도록 저전압단에 연결된 가변저항의 값을 조절할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서, 가변저항에서 소모되는 전력에서 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 빼서 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연산할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단의 전압이 380V로 설정되고, 가변저항에서 소모되는 전력이 10kW로 설정되고, 연료전지 스택에서 나오는 전류가 22A로 측정되면, 연료전지 스택으로부터 380*22=8.36kW의 전력이 인출되고, 10kW에서 8.36kW를 뺀 1.64kW의 전력이 DC-DC 컨버터에서 출력되는 것으로 계산할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서, DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 가변저항을 조절한 후, 임피던스 측정부(110)를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 먼저 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 완료하고 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 수행하는 과정에서, 연료전지 스택을 제외한 기타 시스템의 전기적 상태를 최대한 동일하게 유지하기 위해서, DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력이 두 상황에서 동일하도록 릴레이를 제어하여 가변저항을 조절할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 하는 가변저항의 저항값을 계산하여, 가변저항을 조정하고, 저전압단과 가변저항을 연결하는 릴레이를 구동하여, 저전압단과 가변저항을 연결할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 임피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 공기 압축기의 RPM 또는 냉각펌프의 RPM 등을 임시 메모리에 저장해두고, 연료전지 스택의 출력이 인출 중지되는 상태에서 미리 저장된 공기 압축기의 RPM 또는 냉각펌프의 RPM 등의 값을 동일하게 유지하며, 임피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단에 연결된 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 임피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 저전압단에 연결된 가변저항의 저항값에 따라 정해지는 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위에 속하는 다양한 전압 영역대에서 임피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
제어부(120)가 다양한 전압 영역대에서 피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정하는 과정에 대해서는 추후 도 5를 통해 더 구체적으로 설명하기로 한다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 임피던스 측정부(110)를 통해 임피던스를 측정할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출 중지되는 상황에서도 저전압단의 전압을 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 동일하게 제어함으로써, 기타 시스템의 전기적 상태를 동일하게 유지할 수 있다.
일 예로, 제어부(120)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 저전압단의 전압에 대한 정보를 임시 메모리에 저장해두고, 연료전지 스택의 출력이 인출 중지되는 상태에서 저전압단의 전압을 임시 메모리에 저장된 전압과 동일하게 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 미소의 교류신호를 인가하여 연료전지의 임피던스를 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지 스택의 전압단의 출력 전류 또는 출력 전압이 정전류 또는 정전압 상태로 유지되는 소정의 조건에서, 연료전지 스택의 임피던스를 측정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 연료전지 스택의 전압단의 출력 전류 또는 출력 전압이 정전류 또는 정전압 상태로 유지되는 경우에, 주파수에 따라 미소 전류 또는 미소 전압 범위에서 교류 신호가 연료전지 스택의 전압단에 인가될 수 있다.
이 경우, 매우 작은 진폭을 가지는 미소 교류 전류 및 미소 교류 전압의 관게가 선형적인 관계를 가질 수 있다.
이에 따라, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 교류 신호에 따라 변화하는 미소 교류 전류 및 미소 교류 전압을 측정하고, 미소 교류 전류 및 미소 교류 전압의 관계를 기반으로 연료전지 스택의 전압단의 임피던스를 계산할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 다양한 주파수 대역별 미소 교류 신호에 따른 응답 신호의 진폭 및 위상차를 측정할 수 있고, 측정한 응답 신호의 진폭 및 위상차를 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 통해 해석하는 과정에 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 차량용 연료전지 시스템은 DC-DC 컨버터(301), 고전압단(302), BOP(303), 배터리(304), MCU(305, Motor Control Unit), 전장 부품(306), 모터(307, Motor), 저전압단(308), 임피던스 측정부(309), 연료전지 스택(310), 가변저항(311) 및 가변저항 릴레이(312)를 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(301)는 고전압단(302)과 저전압단(308) 사이에 연결되어, 직류 신호를 직류 신호로 변환시킬 수 있다.
DC-DC 컨버터(301)는 벅 모드, 부스트 모드에 따라서, 입력 전압보다 낮은 전압을 출력할 수 있고, 입력 전압보다 높은 전압을 출력할 수도 있다.
고전압단(302)은 DC-DC 컨버터(301)에 연결된 고전압단의 J/BOX(Junction Box)를 포함할 수 있다.
고전압단(302)은 차량 부품과의 전력 공용화를 위해, BOP(303), 전장 부품(306) 및 모터(307)와 연결될 수 있다.
바람직하게는, 고전압단(302)은 500~700V의 전압으로 유지될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
BOP(303)는 연료전지의 작동을 위한 주변 장치를 포함할 수 있고, 연료공급장치, 공기공급장치, 습도 및 물 조절장치 및 열처리 장치 등을 포함할 수 있다.
특히, BOP(303)는 공기 압축기 및 냉각펌프 등을 포함할 수 있다.
배터리(304)는 고전압단(302)에 전력을 제공할 수 있고, 별도로 충전될 수 있다.
MCU(305)는 모터(307)를 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
전장 부품(306)은 차량 시스템 중 전기에 의해 작동되는 다양한 부품들을 포함할 수 있다.
모터(307)는 전기에 의해 동력을 발생시켜 차량을 구동시킬 수 있다.
저전압단(308)은 DC-DC 컨버터(301)에 연결된 저전압단의 J/BOX를 포함할 수 있다.
저전압단(308)은 연료전지 스택(310)에 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.
또한, 저전압단(308)은 가변저항 릴레이(312)를 통해 가변저항(311)과 연결될 수 있다.
바람직하게는, 저전압단(302)은 0~420V의 전압으로 유지될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
임피던스 측정부(309)는 도 1에서 설명된 임피던스 측정부(110)를 포함할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 BOP(303), DC-DC 컨버터(301) 및 연료전지 스택(310)이 포함된 차량용 연료전지 시스템에서, 연료전지 스택(310)의 출력이 인출되는 상태와 인출되지 않는 상태에서 임피던스를 측정하고, 측정된 두 개의 임피던스에 대한 정보를 이용하여, 연료전지 스택(310)의 고유한 임피던스를 역산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 임피던스를 측정하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 도 1의 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 도 4의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다. 또한, 도 4의 설명에서, 장치에 의해 수행되는 것으로 기술된 동작은 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)의 제어부(120)에 의해 제어되는 것으로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 임피던스의 측정 요청을 입력받을 수 있다(S401).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 차량 시스템으로부터 임피던스 측정 요청을 입력받을 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 임피던스의 측정 요청을 입력받은 후(S401), 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는지 여부를 확인할 수 있다(S402).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 차량의 BMS(Battery Management System)을 통해 배터리의 SoC를 획득하고, 배터리의 SoC가 기 설정된 기준치를 초과하는지 여부를 확인할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는지 여부를 확인한 후(S402), 배터리의 SoC가 기준치를 초과하지 않는 것으로 확인된 경우, 연료전지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다(S403).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 배터리만을 통해 BOP를 구동시키기 위해, 배터리의 SoC가 기준치를 초과할 정도로, 연료전지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지를 이용하여 배터리를 충전한 후(S403), 다시 S401의 과정으로 돌아가 임피던스의 측정 요청을 입력받을 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는지 여부를 확인한 후(S402), 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는 것으로 확인된 경우, 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인할 수 있다(S404).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 임피던스 측정 과정 중에 배터리의 출력만으로 차량의 운행이 불가능한 상황 등과 같이, 차량 시스템에서 과도한 전류가 요구되는지 여부를 확인할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인한 후(S404), 연료전지의 출력이 요구되는 것으로 확인된 경우, DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환할 수 있다(S405).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 임피던스를 측정하는 전체 과정 중에
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환한 후(S405), 다시 S401의 과정으로 돌아가 임피던스의 측정 요청을 입력받을 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인한 후(S404), 연료전지의 출력이 요구되지 않는 것으로 확인된 경우, DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환할 수 있다(S406).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환하여, 연료전지 스택에서 발생한 전류가 DC-DC 컨버터를 통해 고전압단으로 흐르지 않도록 제어하여, 고전압단에 연결된 BOP 등은 배터리의 전력을 통해 구동되도록 할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 DC-DC 컨버터를 벅 모드로 전환한 후(S406), DC-DC 컨버터의 저전압단의 전압을 설정할 수 있다(S407).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 DC-DC 컨버터의 저전압단의 전압을 저전압단에 연결된 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내의 값으로 설정할 수 있다.
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저전압단에 연결된 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내의 값으로 저전압단의 전압을 변경시켜가며, 임피던스를 측정할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 DC-DC 컨버터의 저전압단의 전압을 설정한 후(S407), 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인할 수 있다(S408).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 배터리의 출력만으로 차량의 운행이 불가능한 상황 등과 같이, 차량 시스템에서 과도한 전류가 요구되는지 여부를 확인할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인한 후(S408), 연료전지의 출력이 요구되는 것으로 확인된 경우, DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환할 수 있다(S405).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지의 출력이 요구되는 것으로 확인된 경우, DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 전환하여, 연료전지 스택의 출력을 차량의 구동 등에 사용되도록 제어할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지의 출력이 요구되는지 여부를 확인한 후(S408), 연료전지의 출력이 요구되지 않는 것으로 확인된 경우, 저항 릴레이를 동작하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다(S409).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저항 릴레이를 동작시켜 저전압단에 연결된 가변저항을 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 가변저항에서 소모되는 전력이 크도록 조절할 수 있다.
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 전류가 안정화되면 각 주파수 영역대별 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다.
여기서, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 바람직하게는 1Hz~10kHz의 다양한 주파수 영역대에서 임피던스를 측정할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 시점의 저전압단의 전압, BOP 부품들의 상태(공기 압축기 RPM, 냉각펌프 RPM 등), 연료전지 스택의 전류 및 DC-DC 컨버터의 전류 등을 임시 메모리에 저장할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저항 릴레이를 동작하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정한 후(S409), 연료전지 스택의 출력의 인출을 차단할 수 있다(S410).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지 스택으로 유입되는 공기를 차단하여, 연료전지 스택의 출력의 인출을 차단할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지 스택의 출력의 인출을 차단한 후(S410), 저항 릴레이를 동작하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다(S411).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 연료전지 스택의 출력이 인출되었을 때, 저장해놓은 저전압단의 전압, BOP 부품들의 상태(공기 압축기 RPM, 냉각펌프 RPM 등), 연료전지 스택의 전류 및 DC-DC 컨버터의 전류 등을 통해, 기타 부품의 상태를 최대한 동일하게 유지한 채로, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정할 수 있다(S411).
일 예로, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저전압단의 전압 및 DC-DC 컨버터의 전류가 동일하게 유지되도록, 릴레이를 구동하여 가변저항 값을 조절할 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저항 릴레이를 동작하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정한 후(S411), 연료전지 스택의 임피던스를 계산할 수 있다(S412).
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 연료전지 스택의 임피던스를 계산하는 과정은 추후 도 6에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 저전압단의 전압을 조절하는 것을 나타내는 표이다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)는 저전압단에 연결된 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 저전압단의 전압을 다양한 값으로 변경하며 임피던스의 측정을 수행할 수 있다.
도 5에서 든 예시의 경우, 연료전지의 저전압단에 연결된 가변저항이 스택의 출력을 소진할 수 있는 범위를 최대 30kW로 가정할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 400V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 5A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 2kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 있어, 저전압단의 전압을 400V로 설정하는 것이 가능할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 380V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 20A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 7.6kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 있어, 저전압단의 전압을 380V로 설정하는 것이 가능할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 360V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 70A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 25.2kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 있어, 저전압단의 전압을 360V로 설정하는 것이 가능할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 350V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 85A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 29.75kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 있어, 저전압단의 전압을 350V로 설정하는 것이 가능할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 340V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 90A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 30.6kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 없어, 저전압단의 전압을 340V로 설정하는 것이 불가능할 수 있다.
일 예로, 저전압단의 전압이 330V인 경우, 연료전지 스택의 전류가 120A, 연료전지 스택에서 출력되는 전력이 39.6kW가 될 수 있고, 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 저전압단에 연결된 가변저항이 모두 소모할 수 없어, 저전압단의 전압을 340V로 설정하는 것이 불가능할 수 있다.
가변저항이 스출력을 소진할 수 있는 범위가 클수록 연료전지 스택의 고전류 영역까지 임피던스를 측정하는 것이 가능할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치가 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 것을 나타내는 도면이다.
도 6의 (i)은 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태를 나타내는 도면이다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 연료전지 스택(601)의 출력이 인출되는 상태에서 임피던스 출력단의 임피던스를 측정한 경우, 연료전지 스택(601) 및 BOP를 포함하는 기타 부품(602)의 임피던스가 병렬 연결된 임피던스 값이 측정될 수 있다.
도 6의 (ii)는 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태를 나타내는 도면이다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 연료전지 스택(601)의 출력이 인출 중지된 상태에서 임피던스 출력단의 임피던스를 측정한 경우, BOP를 포함하는 기타 부품(602)만의 임피던스 값이 측정될 수 있다.
차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 연료전지 스택(601)의 출력이 인출되는 상태에서 측정한 임피던스 출력단의 임피던스를 Z_1+j*Z_2, 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치(100)가 연료전지 스택(601)의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정한 임피던스 출력단의 임피던스를 Z_e1+j*Z_e2, 연료전지 스택(601)만의 임피던스를 Z_s1+j*Z_s2라고 했을 때, [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해, 연료전지 스택만의 임피던스를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법은 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계(S710), 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720) 및 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 단계(S730)를 포함할 수 있다.
임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계(S710)는 제어부(120)를 통해 수행될 수 있다.
일 예로, 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계(S710)는 제어부(120)가 공기차단밸브를 조절하여 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 임피던스 측정부(110)를 통해 수행될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 임피던스 측정 요청이 입력되면, 차량의 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는 경우에, 임피던스 측정부를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 차량의 모터 및 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 제어하고, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 가변저항에서 소모되는 전력이 크도록 저전압단에 연결된 가변저항을 조절한 후, 임피던스 측정부를 통해, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계 및 제어부가, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서, 가변저항에서 소모되는 전력에서 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 빼서 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서, DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 가변저항을 조절한 후, 임피던스 측정부를 통해, 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 저전압단에 연결된 가변저항이 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계(S720)는 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 단계(S730)는 제어부(120)를 통해 수행될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 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 및/또는 스토리지)에 상주할 수도 있다.
예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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. 차량의 모터 및 주변 장치(BOP, Balance Of Plant) 중 적어도 하나 이상이 연결된 고전압단 및 연료전지 스택이 연결된 저전압단의 전압을 제어하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 시스템에 구비되어, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하며, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하고,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 제어부를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저전압단에 주파수 대역별 미소 교류신호를 인가한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 응답신호의 진폭 및 위상차를 확인하여 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 차량의 배터리의 SoC(State of Charge)가 기준치를 초과하는 경우에, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에 공기의 공급을 제어하여, 상기 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 DC-DC 컨버터를 벅(Buck) 모드로 제어하고, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 동일하게 제어되는 상기 저전압단의 전압을 설정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차량의 모터 및 상기 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 상기 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트(Boost) 모드로 제어하고,
    상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력보다 가변저항에서 소모되는 전력이 크도록 상기 저전압단에 연결된 상기 가변저항을 조절한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서, 상기 가변저항에서 소모되는 전력에서 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 빼서 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 연산하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 상기 가변저항을 조절한 후, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력을 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 연산된 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전력과 동일하도록 하는 상기 가변저항의 저항값을 계산하여, 상기 가변저항을 조정하고,
    상기 저전압단과 상기 가변저항을 연결하는 릴레이를 구동하여, 상기 저전압단과 가변저항을 연결하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저전압단에 연결된 가변저항이 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 상기 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 장치.
  15. 제어부가, 임피던스 측정 요청이 입력되면, 연료전지 스택의 출력을 인출 및 인출 중지하는 단계;
    상기 제어부가, 차량의 모터 및 주변 장치 중 적어도 하나 이상이 연결된 고전압단 및 상기 연료전지 스택이 연결된 저전압단의 전압을 제어하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 연료전지 시스템에 구비된 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 측정된 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정 요청이 입력되면, 상기 차량의 배터리의 SoC가 기준치를 초과하는 경우에, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 차량의 모터 및 상기 주변 장치 중 적어도 하나 이상의 구동에 상기 연료전지 스택의 전력이 요구되는 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 제어하고, 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스의 측정을 중지하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 주변 장치의 제어 상태를 동일하게 유지시키며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 저전압단에 연결된 가변저항이 상기 연료전지 스택에서 출력되는 전력을 모두 소모할 수 있는 범위 내에서 상기 저전압단의 전압을 하나 이상의 값으로 변경하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 임피던스 측정부를 통해, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스 및 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 연료전지 스택의 출력단의 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 연료전지 스택의 출력이 인출되는 상태와 상기 연료전지 스택의 출력이 인출 중지된 상태에서 상기 저전압단의 전압을 동일하게 제어하며, 상기 임피던스 측정부를 통해 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 차량용 연료전지 임피던스 측정 방법.
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