KR20230127036A - Fuel cell system for vehicle and method for controlling the same - Google Patents

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KR20230127036A
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한원섭
하경구
김종명
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템은 차량의 연료 전지 스택을 냉각하는 스택 냉각 라인; 상기 차량의 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나를 경유하며 냉각수가 순환되는 전장 냉각 라인; 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급 라인; 및 상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나에 배치되는 온도 센서를 이용하여 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공급 공기 온도를 추정하는 제어기를 포함할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack cooling line for cooling a fuel cell stack of a vehicle; an electrical cooling line through which cooling water circulates through at least one of a plurality of electrical components of the vehicle; an air supply line supplying air to the fuel cell stack; and a controller estimating a temperature of supply air supplied to the fuel cell stack using a temperature sensor disposed on at least one of the plurality of electrical components.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}Fuel cell system and its control method {FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도 센서의 추가없이 연료 전지 스택으로 유입되는 공급 공기의 온도를 정확히 추정할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and more particularly, to a fuel cell system capable of accurately estimating the temperature of air supplied to a fuel cell stack without adding a temperature sensor and a control method thereof.

연료전지 시스템은 연료 전지의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. A fuel cell system is a system that produces electrical energy through a chemical reaction of a fuel cell, and continuous R&D is being conducted as an alternative solution to global environmental problems.

연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다. 연료전지 시스템은 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치와, 연료전지의 스택으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비할 수 있다. The fuel cell system can generate electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxygen in the air) by the fuel cell. For example, the fuel cell system may be employed in a fuel cell vehicle to drive the vehicle by operating an electric motor. The fuel cell system may include a fuel cell stack, which is an electricity generating assembly of unit fuel cells, an air supply device for supplying air to the fuel cell stack, and a hydrogen supply device for supplying hydrogen to the fuel cell stack.

연료 전지 스택에 공급되는 공기의 온도가 높으면 연료 전지 스택의 운전 효율에 불리하므로, 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 온도를 측정하고, 측정된 공기의 온도에 따라서 공기의 온도를 낮추어야 한다.Since a high temperature of the air supplied to the fuel cell stack is detrimental to the operation efficiency of the fuel cell stack, the temperature of the air supplied to the fuel cell stack should be measured and the temperature of the air should be lowered according to the measured air temperature.

그러나, 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 온도를 정확히 측정하기 위해서는 연료 전지 스택의 입구에 별도의 온도 센서가 배치되어야 하므로, 온도 센서에 의해 연료 전지 시스템의 원가가 증가할 수 있다.However, since a separate temperature sensor must be disposed at an inlet of the fuel cell stack to accurately measure the temperature of air supplied to the fuel cell stack, the cost of the fuel cell system may increase due to the temperature sensor.

본 발명의 실시 예는 온도 센서의 추가없이 연료 전지 스택으로 유입되는 공급 공기의 온도를 정확히 추정할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method capable of accurately estimating the temperature of air supplied to a fuel cell stack without adding a temperature sensor.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템은 차량의 연료 전지 스택을 냉각하는 스택 냉각 라인; 상기 차량의 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나를 경유하며 냉각수가 순환되는 전장 냉각 라인; 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급 라인; 및 상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나에 배치되는 온도 센서를 이용하여 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공급 공기 온도를 추정하는 제어기를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a stack cooling line for cooling a fuel cell stack of a vehicle; an electrical cooling line through which cooling water circulates through at least one of a plurality of electrical components of the vehicle; an air supply line supplying air to the fuel cell stack; and a controller estimating a temperature of supply air supplied to the fuel cell stack using a temperature sensor disposed on at least one of the plurality of electrical components.

일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급 라인 및 상기 전장 냉각 라인에 배치되며, 상기 연료 전지 스택에 공급될 공급 공기를 상기 냉각수로 냉각하는 에어 쿨러를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 에어 쿨러를 통해 토출되는 냉각수의 온도를 추정하여 상기 공급 공기 온도를 산출할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system further includes an air cooler disposed in the air supply line and the electric field cooling line and cooling supply air to be supplied to the fuel cell stack with the cooling water, and the control unit , The supply air temperature may be calculated by estimating the temperature of the cooling water discharged through the air cooler.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어기는, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하고, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도와, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 유량과, 상기 에어 쿨러의 제2 입구로 유입되는 유입 공기의 유량 및 온도를 에어 쿨러의 성능 맵에 대입하도록 설정될 수 있다.In one embodiment, the controller estimates the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, calculates the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, and measures the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler. It may be set to substitute the flow rate of the cooling water flowing into the inlet and the flow rate and temperature of the inlet air flowing into the second inlet of the air cooler into the performance map of the air cooler.

일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 냉각수 라인에 배치되며, 상기 냉각수를 상기 냉각수 라인으로 순환시키는 냉각수 펌프; 및 상기 냉각수 라인을 따라 유동하는 냉각수를 냉각하는 열교환기를 더 포함하며, 상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나는, 상기 에어 쿨러의 제1 출구와 상기 열교환기 사이에 배치되며, 상기 복수개의 전장 부품들의 나머지들 중 적어도 어느 하나는, 상기 냉각수 펌프와 상기 에어쿨러의 제1 입구 사이에 배치될 수 있다.In an embodiment, the fuel cell system may include a cooling water pump disposed in the cooling water line and circulating the cooling water to the cooling water line; and a heat exchanger for cooling the cooling water flowing along the cooling water line, wherein at least one of the plurality of electrical components is disposed between a first outlet of the air cooler and the heat exchanger, and At least one of the remaining components may be disposed between the cooling water pump and the first inlet of the air cooler.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어기는, 상기 에어 쿨러의 제1 출구와 상기 열교환기 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 냉각 라인에 배치되는 복수개의 전장부품들 중 나머지들의 발열량과, 상기 열교환기의 발열량의 합으로, 상기 에어쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정할 수 있다.In one embodiment, the controller may determine a sensing value of the temperature sensor disposed in any one of a plurality of electrical components disposed between the first outlet of the air cooler and the heat exchanger, and a value disposed in the cooling line. The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler may be estimated as the sum of the calorific value of the rest of the plurality of electric components and the calorific value of the heat exchanger.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어기는, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 나머지 전장 부품들의 발열량의 합으로, 상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정할 수 있다.In one embodiment, the controller may include a sensing value of the temperature sensor disposed in any one of a plurality of electrical components disposed between the first inlet of the air cooler and the cooling water pump, and the first inlet of the air cooler. The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler may be estimated as the sum of calorific values of the remaining electrical components among the plurality of electrical components disposed between the inlet and the cooling water pump.

일 실시 예에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 공기 공급 라인 및 상기 전장 냉각 라인에 배치되며, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 연결되는 공기 압축기; 및 상기 공기 압축기를 제어하며 상기 전장 냉각 라인에 배치되는 압축기 제어기를 더 포함하며, 상기 복수개의 전장 부품 중 어느 하나는, 상기 압축기 제어기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the fuel cell system includes an air compressor disposed in the air supply line and the electrical cooling line and connected to a first inlet of the air cooler; and a compressor controller controlling the air compressor and disposed in the electric cooling line, wherein any one of the plurality of electrical components may include the compressor controller.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어기는, 상기 압축기 제어기에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 공기 압축기의 발열량과, 상기 압축기 제어기의 발열량의 합으로, 상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정할 수 있다.In an embodiment, the controller is configured to use a sum of a sensing value of the temperature sensor disposed in the compressor controller, a calorific value of the air compressor, and a calorific value of the compressor controller to flow into the first inlet of the air cooler. It is possible to estimate the temperature of the cooling water.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어기는, 상기 추정된 공급 공기 온도를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 상대 습도를 추정하고, 상기 추정된 상대 습도를 기반으로 화학 양론비를 결정할 수 있다.In an embodiment, the controller may estimate the relative humidity of the fuel cell stack based on the estimated supply air temperature and determine a stoichiometric ratio based on the estimated relative humidity.

본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법은 차량의 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나에 배치되는 온도 센서를 이용하여, 연료 전지 스택에 공급되는 공급 공기 온도를 추정하는 단계; 상기 추정된 공급 공기 온도를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 상대 습도를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 상대 습도를 기반으로 화학 양론비를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.A control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes estimating a temperature of supply air supplied to a fuel cell stack using a temperature sensor disposed on at least one of a plurality of electrical components of a vehicle; estimating relative humidity of the fuel cell stack based on the estimated supply air temperature; and determining a stoichiometric ratio based on the estimated relative humidity.

일 실시 예에 있어서, 상기 공급 공기 온도를 추정하는 단계는, 상기 연료 전지 스택에 공급될 공급 공기를, 상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나를 경유하는 냉각수로 냉각하는 에어 쿨러를 통해 토출되는 냉각수의 온도를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the estimating of the supply air temperature may include discharging the supply air to be supplied to the fuel cell stack through an air cooler that cools the supply air to be supplied to the fuel cell stack with cooling water passing through at least one of the plurality of electrical components. A step of estimating the temperature of the cooling water may be included.

일 실시 예에 있어서, 상기 공급 공기 온도를 추정하는 단계는, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하는 단계; 및 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도와, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 유량과, 상기 에어 쿨러의 제2 입구로 유입되는 유입 공기의 유량 및 온도를 에어 쿨러의 성능 맵에 대입하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the estimating the supply air temperature may include estimating a temperature of the cooling water introduced into a first inlet of the air cooler; and the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, the flow rate of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, and the flow rate and temperature of the inlet air flowing into the second inlet of the air cooler. A step of substituting the performance map of the air cooler may be further included.

일 실시 예에 있어서, 상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는, 상기 냉각수를 냉각하는 열교환기와, 상기 에어 쿨러의 제1 출구 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 냉각 라인에 배치되는 복수개의 전장부품들 중 나머지들의 발열량과, 상기 열교환기의 발열량의 합으로, 추정될 수 있다.In one embodiment, the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is determined by one of a plurality of electrical components disposed between a heat exchanger for cooling the cooling water and a first outlet of the air cooler. It can be estimated as the sum of the sensing value of the temperature sensor disposed on the cooling line, the calorific value of the rest of the plurality of electric components disposed in the cooling line, and the calorific value of the heat exchanger.

일 실시 예에 있어서, 상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는, 상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프와, 상기 에어 쿨러의 제1 입구 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 나머지 전장 부품들의 발열량의 합으로, 추정될 수 있다.In one embodiment, the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is determined by one of a plurality of electric components disposed between a cooling water pump circulating the cooling water and a first inlet of the air cooler. It may be estimated as the sum of the sensing value of the temperature sensor disposed in one and the calorific value of the remaining electrical components among the plurality of electrical components disposed between the first inlet of the air cooler and the cooling water pump.

일 실시 예에 있어서, 상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 연결되는 공기 압축기를 제어하는 압축기 제어기에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 공기 압축기의 발열량과, 상기 압축기 제어기의 발열량의 합으로, 추정될 수 있다. In one embodiment, the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is a sensing value of the temperature sensor disposed in a compressor controller for controlling an air compressor connected to the first inlet of the air cooler. , can be estimated as the sum of the calorific value of the air compressor and the calorific value of the compressor controller.

본 기술은 에어쿨러로 유입되는 냉각수의 온도를 추정하여, 연료 전지 스택의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 계산할 수 있다.According to the present technology, the temperature of the supply air flowing into the inlet of the fuel cell stack may be calculated by estimating the temperature of the cooling water flowing into the air cooler.

또한, 본 기술은 연료 전지 스택의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 추정하고, 추정된 공급 공기의 온도로 상대 습도를 추정하고, 추정된 상대 습도로 연료 전지 스택의 운전 변수 중 하나인 화학 양론비(SR)를 결정할 수 있으므로, 상대 습도의 추정 정확도를 높일 수 있다.In addition, the present technology estimates the temperature of the supply air introduced into the inlet of the fuel cell stack, estimates the relative humidity with the estimated temperature of the supply air, and estimates stoichiometry, which is one of the operation variables of the fuel cell stack, with the estimated relative humidity. Since the ratio SR can be determined, the estimation accuracy of the relative humidity can be increased.

또한, 본 기술은 상대 습도의 추정 정확도가 높아져 연료 전지 스택의 운전 중 불필요한 유량 공급 억제 또는 유량 공급 부족을 줄일 수 있다.In addition, the present technology increases the accuracy of estimating the relative humidity, thereby reducing unnecessary flow rate supply suppression or flow rate supply shortage during operation of the fuel cell stack.

또한, 본 기술은 전력 반도체를 사용하는 전장 부품의 온도 센서를 시스템 제어의 변수로 활용할 수 있다.In addition, the present technology can utilize a temperature sensor of an electric component using a power semiconductor as a variable for system control.

뿐만 아니라, 본 기술은 추가적인 온도 센서없이, 전장 부품의 온도 센서를 이용하여 연료 전지 스택의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 추정할 수 있으므로, 원가 증가 및 신뢰성 감소를 방지할 수 있다.In addition, since the present technology can estimate the temperature of supply air flowing into the inlet of the fuel cell stack using the temperature sensor of the electric component without an additional temperature sensor, cost increase and reliability decrease can be prevented.

이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.In addition to this, various effects identified directly or indirectly through this document may be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 입구로 공급되는 공급 공기의 온도를 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 공급 공기의 온도를 전장 부품들의 온도 센서를 이용하여 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 공급 공기의 온도를 압축기 제어기의 온도 센서를 이용하여 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법에 대한 일 실시 예 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량의 연료 전지 시스템의 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of supply air supplied to an inlet of a fuel cell stack of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of air supplied to a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention using temperature sensors of electrical components.
4 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of air supplied to a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention using a temperature sensor of a compressor controller.
5 is a flowchart of an embodiment of a control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram illustrating a computing system for executing a control method of a fuel cell system of a vehicle according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 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 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.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing an embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description will be omitted.

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.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6 .

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택의 온도를 적정 온도로 제어하기 위한 시스템일 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은 제어기(500), 공기 공급 라인(130), 공기 배출 라인(140), 스택 냉각 라인(110) 및 전장 냉각 라인(120)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention may be a system for controlling the temperature of a fuel cell stack to an appropriate temperature. To this end, a vehicle fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a controller 500, an air supply line 130, an air discharge line 140, a stack cooling line 110, and an electric cooling line 120. can do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 연료전지 스택(10)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.A fuel cell stack 10 of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention has various structures capable of generating electricity through an oxidation-reduction reaction between a fuel (eg, hydrogen) and an oxidizing agent (eg, air). can be formed as

일 예로, 연료전지 스택(10)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer, 미도시), 반응기체들 및 제1냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 제1냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate, 미도시)을 포함한다. For example, the fuel cell stack 10 includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly, not shown) in which catalyst electrode layers in which electrochemical reactions occur are attached to both sides of an electrolyte membrane in which hydrogen ions move, and reactive gases. A gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer, not shown) that evenly distributes and transmits the generated electrical energy, and a gasket and fastening mechanism (not shown) to maintain the airtightness and appropriate clamping pressure of the reactive gases and the first cooling water. time), and a bipolar plate (not shown) for moving the reactive gases and the first cooling water.

구체적으로, 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.Specifically, in the fuel cell stack 10, hydrogen as a fuel and air (oxygen) as an oxidant are supplied to the anode and cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, respectively, and hydrogen is supplied to the anode. and air may be supplied to the cathode.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해될 수 있다. 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다.Hydrogen supplied to the anode can be decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons (electrons) by the catalysts of the electrode layers formed on both sides of the electrolyte membrane. Among them, only hydrogen ions are selectively transferred to the cathode through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, and at the same time, electrons can be transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator, which are conductors.

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, 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to cause a reaction to generate water. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through the external conductor, and a current may be generated by the flow of electrons.

스택 냉각 라인(110)은 연료 전지 스택(10)을 냉각하기 위한 유로일 수 있다. 스택 냉각 라인(110)은 연료 전지 스택(10)을 경유하며 제1 냉각수가 순환되도록 구성될 수 있다. The stack cooling line 110 may be a flow path for cooling the fuel cell stack 10 . The stack cooling line 110 may be configured to circulate the first cooling water through the fuel cell stack 10 .

연료 전지 스택(10)에서 발생하는 반응은 발열반응이기 때문에, 연료전지 스택(10)을 적절하게 냉각하는 것이 요구될 수 있다. 연료전지 스택(10)의 일반 특성상, 연료전지 스택(10)을 냉각하는 스택 냉각라인(110)은 연료전지 스택(10) 외의 구성품들을 냉각하는 적어도 하나의 전장 냉각라인(120)으로부터 독립되게 구비될 수 있다.Since a reaction occurring in the fuel cell stack 10 is an exothermic reaction, appropriate cooling of the fuel cell stack 10 may be required. Due to the general characteristics of the fuel cell stack 10, the stack cooling line 110 for cooling the fuel cell stack 10 is provided independently from at least one electrical cooling line 120 for cooling components other than the fuel cell stack 10. It can be.

스택 냉각라인(110)은 스택 열교환기(미도시) 및 스택 펌프(미도시)를 포함하는 스택 냉각 시스템(SCS)에 배치될 수 있다. 스택 열교환기는 스택 냉각 라인(110)을 따라 유동하는 스택 냉각수를 냉각하기 위한 것으로서, 통상의 라디에이터일 수 있다. The stack cooling line 110 may be disposed in a stack cooling system (SCS) including a stack heat exchanger (not shown) and a stack pump (not shown). The stack heat exchanger is for cooling the stack cooling water flowing along the stack cooling line 110, and may be a normal radiator.

스택 냉각수는 물 또는 비압축성의 유체일 수 있다. 스택 펌프는 스택 냉각수를 압송하기 위한 스택 펌프가 구비될 수 있다. 스택 펌프는 전기를 통해 모터를 구동해서 스택 냉각수를 순환시키는 전동워터펌프(Electric Water Pump)일 수 있다. 일 예로, 스택 펌프는 스택 열교환기와 연료전지 스택(10) 사이 지점에 설치될 수 있다. 다만, 스택 펌프의 설치 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. The stack cooling water may be water or an incompressible fluid. The stack pump may include a stack pump for pumping the stack cooling water. The stack pump may be an electric water pump that circulates the stack cooling water by driving a motor through electricity. For example, the stack pump may be installed at a point between the stack heat exchanger and the fuel cell stack 10 . However, the installation location of the stack pump is not limited thereto.

스택 냉각 시스템(SCS)은 제1 스택 온도 센서(CT1) 및 제2 스택 온도 센서(CT2)를 포함할 수 있다. 제1 스택 온도 센서(CT1)는 연료 전지 스택(10)에 유입되는 스택 냉각수의 온도를 측정할 수 있으며, 제2 스택 온도 센서(CT2)는 연료 전지 스택(10)으로부터 토출되는 스택 냉각수의 온도를 측정할 수 있다.The stack cooling system SCS may include a first stack temperature sensor CT1 and a second stack temperature sensor CT2. The first stack temperature sensor CT1 may measure the temperature of the stack cooling water flowing into the fuel cell stack 10 , and the second stack temperature sensor CT2 may measure the temperature of the stack cooling water discharged from the fuel cell stack 10 . can measure

전장 냉각 라인(120)은 차량에 포함되는 전기 장치 부품(또는, 전장 부품)(PE)들 중 적어도 일부를 냉각하기 위한 유로일 수 있다. 전장 부품(PE)은 차량의 구동 시와 비교하여 차량의 제동 시에 발열량이 증가하는 부품 또는/및 냉각이 요구되는 부품일 수 있다. The electrical cooling line 120 may be a flow path for cooling at least some of the electric device components (or electrical components) PE included in the vehicle. The electrical component PE may be a component that increases heat generation when the vehicle is braking compared to when the vehicle is driven or/and a component that requires cooling.

전장 부품(PE)은 차량의 구동에 따라 발열량이 증가하는 구성품들과, 차량의 제동에 따라 발열량이 증가하는 구성품들과, 차량의 구동과 제동 중 어느 하나에 따른 특정 경향 없이 발열하는 구성품들을 포함할 수 있다. 여기서, 구동은 차량의 제동상황 외의 운행상황을 말하며, 차량의 가속운행과 정속 운행을 포함한다. 여기서, 구동은 비제동 중 구동상황으로 표현할 수도 있고, 제동은 제동상황으로 표현할 수도 있다. Electrical components (PE) include components whose heat generation increases with driving of the vehicle, components whose heat generation increases with braking of the vehicle, and components that generate heat without a specific tendency according to either driving or braking of the vehicle. can do. Here, driving refers to a driving situation other than a braking situation of the vehicle, and includes acceleration operation and constant speed operation of the vehicle. Here, driving may be expressed as a driving situation during non-braking, and braking may be expressed as a braking situation.

일 예로, 전장 부품(PE)은 모터, 모터 인버터, 통합 제어기, 연료전지 스택(10)과 고전압 배터리의 사이에 배치되는 BHDC(C1, Bi-directional High voltage DC-DC Converter), 또는 압축기 제어기 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. For example, the electric component (PE) is a motor, a motor inverter, an integrated controller, a BHDC (C1, Bi-directional High voltage DC-DC Converter) disposed between the fuel cell stack 10 and the high-voltage battery, or a compressor controller. At least one may be included.

전장 냉각 라인(120)은 전장 열교환기(210) 및 냉각수 펌프(220)를 포함하는 전장 냉각 시스템(ECS)에 배치될 수 있다. The electric cooling line 120 may be disposed in an electric cooling system (ECS) including an electric heat exchanger 210 and a cooling water pump 220 .

전장 열교환기(210)는 전장 냉각 라인(120)을 따라 유동하는 전장 냉각수를 냉각할 수 있다. 일 예로, 전장 열교환기(210)는 라디에이터일 수 있다. 전장 냉각수는 물 또는 비압축성 유체일 수 있다. 전장 냉각수는 스택 냉각수와 동일하거나 다른 재질일 수 있다.The electric field heat exchanger 210 may cool electric field cooling water flowing along the electric field cooling line 120 . For example, the full-length heat exchanger 210 may be a radiator. The battlefield coolant may be water or an incompressible fluid. The battlefield coolant may be of the same or different material as the stack coolant.

냉각수 펌프(220)는 전장 냉각 라인(120)으로 전장 냉각수를 순환시키기 위해 마련될 수 있다. 냉각수 펌프(220)는 전장 냉각수가 순환되도록 유압을 제공할 수 있다. 냉각수 펌프(220)에서 배출되는 전장 냉각수는 전장 부품(PE)으로 유입될 수 있다. The cooling water pump 220 may be provided to circulate electric cooling water through the electric cooling line 120 . The cooling water pump 220 may provide hydraulic pressure to circulate the electric cooling water. The electrical cooling water discharged from the cooling water pump 220 may flow into the electrical component PE.

냉각수 펌프(220)는 제어기(500)에 의해 구동이 제어될 수 있다. 일 예로, 냉각수 펌프(220)는 전장 부품(PE)의 온도가 임계치보다 높아지면 전장 냉각수의 유량을 증가시키도록 작동 RPM(revolution　per　minute)이 높아질 수 있다. 다른 예로, 냉각수 펌프(220)는 전장 부품(PE)의 온도가 임계치보다 낮아지면 전장 냉각수의 유량을 감소시키도록 작동 RPM이 낮아질 수 있다.The driving of the cooling water pump 220 may be controlled by the controller 500 . For example, the cooling water pump 220 may increase the revolution per minute (RPM) to increase the flow rate of the electric cooling water when the temperature of the electrical component PE is higher than a critical value. As another example, the operating RPM of the cooling water pump 220 may be lowered to reduce the flow rate of the electrical cooling water when the temperature of the electrical component PE is lower than a critical value.

공기 공급 라인(130)은 연료 전지 스택(10)에 공기를 공급하는 통로일 수 있다. 이러한 공기 공급 라인(130)에는 에어필터(310), 공기 압축기(320), 에어 쿨러(330), 가습기(340) 및 밸브(350)가 배치될 수 있다. 공기 배출 라인(140)은 연료 전지 스택(10) 내에 발생된 고온의 수증기를 외부로 배출시키는 통로일 수 있다. 공기 배출 라인(140)에는 밸브(350), 가습기(340), 압력 조절부(또는, 압력 조절 밸브)(410), 배기계(420)가 배치될 수 있다.The air supply line 130 may be a passage through which air is supplied to the fuel cell stack 10 . An air filter 310, an air compressor 320, an air cooler 330, a humidifier 340, and a valve 350 may be disposed in the air supply line 130. The air discharge line 140 may be a passage through which high-temperature water vapor generated in the fuel cell stack 10 is discharged to the outside. A valve 350, a humidifier 340, a pressure regulator (or a pressure control valve) 410, and an exhaust system 420 may be disposed in the air discharge line 140.

에어 필터(310)는 외부로부터의 공기를 흡입하고, 흡입된 외부 공기 내의 이물질을 제거할 수 있다. 이물질이 제거된 공기는 공기 통로 라인(130)을 통해 공기 압축기(320)에 제공될 수 있다. 에어 필터(310)의 출구에는 공기 유량 센서(m)가 배치될 수 있다. 공기 유량 센서(m)는 에어 필터(310)를 통과한 후 공기 압축기(320)로 유입되는 공기의 유량을 측정할 수 있다.The air filter 310 may suck air from the outside and remove foreign substances in the sucked outside air. Air from which foreign substances are removed may be supplied to the air compressor 320 through the air passage line 130 . An air flow rate sensor m may be disposed at an outlet of the air filter 310 . The air flow rate sensor m may measure the flow rate of air flowing into the air compressor 320 after passing through the air filter 310 .

공기 압축기(320)는 공기를 압축하고, 압축된 공기를 가습기(340)에 제공할 수 있다. The air compressor 320 may compress air and provide the compressed air to the humidifier 340 .

에어 쿨러(또는, 인터쿨러)(330)는 공기 압축기(320)로부터 공급된 공기를 적정 온도로 냉각시킬 수 있다. 공기 압축기에 의해 압축되면서 온도가 상승된 공기의 온도를 연료 전지 스택(10)의 운전 조건에 맞게 냉각시킬 수 있다. The air cooler (or intercooler) 330 may cool the air supplied from the air compressor 320 to an appropriate temperature. The temperature of air whose temperature has increased while being compressed by the air compressor may be cooled to suit operating conditions of the fuel cell stack 10 .

에어 쿨러(330)는 가습기(340)의 전단측에 가습기(340)와 직렬 배열되게 연속적으로 배열될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 에어 쿨러(330)는 전장 냉각수 라인(120)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 공기 압축기(320)로부터 공급된 공기는 에어 쿨러(330)로 유입된 전장 냉각수를 통해 냉각될 수 있다. The air cooler 330 may be continuously arranged in series with the humidifier 340 at the front side of the humidifier 340 . According to one embodiment, the air cooler 330 may be disposed in the electric cooling water line 120 . Accordingly, the air supplied from the air compressor 320 may be cooled by the electrical cooling water flowing into the air cooler 330 .

가습기(340)는 에어 쿨러(330)를 통해 냉각된 공기가 적정 습도를 가지도록 가습할 수 있다. 일 예로, 가습기(340)는 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 배출 공기 중의 수분을 이용하여 에어 쿨러(330)를 통해 공급되는 공기를 가습할 수 있다. 가습된 공기는 개방된 밸브(350)를 통해 연료 전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.The humidifier 340 may humidify the air cooled through the air cooler 330 to have an appropriate humidity. For example, the humidifier 340 may humidify air supplied through the air cooler 330 by using moisture in exhaust air discharged from the fuel cell stack 10 . Humidified air may be supplied to the fuel cell stack 10 through the open valve 350 .

밸브(350)는 적어도 하나의 포트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밸브(350)는 제1 포트 및 제2 포트를 포함할 수 있다. 제1 포트는 가습기(340)를 통과한 공급 공기가 연료 전지 스택(10)으로 유입되도록 가습기(340)와 연료 전지 스택(10) 사이에 통로를 형성할 수 있다. 제2 포트는 연료 전지 스택(10)으로부터 토출된 배출 공기가 가습기(340)로 유입되도록 가습기(340)와 연료 전지 스택(10) 사이에 통로를 형성할 수 있다.Valve 350 may include at least one port. For example, valve 350 may include a first port and a second port. The first port may form a passage between the humidifier 340 and the fuel cell stack 10 so that supplied air passing through the humidifier 340 flows into the fuel cell stack 10 . The second port may form a passage between the humidifier 340 and the fuel cell stack 10 so that exhaust air discharged from the fuel cell stack 10 flows into the humidifier 340 .

압력 조절부(410)는 연료 전지 스택(10)에서 배출되어 배기계(420)로 유입되는 배출 공기의 유동을 조절할 수 있다. 압력 조절부(410)는 배출 공기가 유동되는 공기 배출 라인(140)을 완전히 또는 부분적으로 차단할 수 있다. 이에 따라, 압력 조절부(410)는 배출 공기의 압력을 조절함으로써, 연료 전지 스택(10)에 유입되는 공급 공기의 양을 조절할 수 있다. The pressure regulator 410 may control the flow of exhaust air discharged from the fuel cell stack 10 and introduced into the exhaust system 420 . The pressure regulator 410 may completely or partially block the air discharge line 140 through which discharge air flows. Accordingly, the pressure controller 410 may adjust the amount of supply air introduced into the fuel cell stack 10 by adjusting the pressure of the exhaust air.

예를 들면, 압력 조절부(410)에 의해 배출 공기의 압력이 높아진 경우, 연료 전지 스택(10)의 유입단(또는, 입구)과 배출단(또는, 출구) 사이의 압력 차이가 감소되어 연료 전지 스택(10)으로 유입되는 공급 공기의 유량이 감소될 수 있다. For example, when the pressure of exhaust air is increased by the pressure controller 410, the pressure difference between the inlet end (or inlet) and the outlet end (or outlet) of the fuel cell stack 10 is reduced, so that fuel A flow rate of supply air introduced into the cell stack 10 may be reduced.

배기계(420)는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 배출 공기를 외부로 배출시킬 수 있다. 예를 들어, 배기계(420)는 외기를 통해 배출 공기를 냉각시켜 응축수를 생성하고, 생성된 응축수를 배출시킬 수 있다. The exhaust system 420 may discharge exhaust air discharged from the fuel cell stack 10 to the outside. For example, the exhaust system 420 may generate condensed water by cooling exhaust air through outside air, and discharge the generated condensed water.

제어기(500)는 연료 전지 시스템의 구성 전반을 제어할 수 있다. 제어기(500)는 하나 이상으로 구성될 수 있다. 제어기(500)는 연료전지 시스템 각각의 구성들로부터 연료전지 시스템에 관한 정보 또는 신호를 획득할 수 있다.The controller 500 may control overall components of the fuel cell system. The controller 500 may consist of one or more. The controller 500 may obtain information or signals about the fuel cell system from components of each fuel cell system.

제어기(500)는 프로세서와 메모리를 포함하는 것일 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구비될 수 있다. 또한, 메모리에는 제어기(500)의 제어 하에 동작하는 구성들의 성능맵이 저장될 수 있다. The controller 500 may include a processor and memory. A memory may be provided to store program instructions. Also, performance maps of elements operating under the control of the controller 500 may be stored in the memory.

예를 들어, 메모리에는 에어쿨러(330)의 성능맵, 공기 압축기(320)의 성능 맵 또는/및 냉각수 펌프(220)의 성능 맵이 저장될 수 있다. 각 성능맵은 연료 전지 시스템의 사양 또는/및 조건에 따라서 다양하게 변경될 수 있다. 성능맵은 연료 전지 시스템의 제조시 구축되거나, 또는 차량용 연료 전지 시스템의 구동시 데이터 통신을 통해 업데이트될 수 있다.For example, a performance map of the air cooler 330 , a performance map of the air compressor 320 , and/or a performance map of the cooling water pump 220 may be stored in the memory. Each performance map may be variously changed according to specifications or/and conditions of the fuel cell system. The performance map may be established when the fuel cell system is manufactured or updated through data communication when the vehicle fuel cell system is driven.

프로세서는 프로그램 명령들을 수행하도록 구비될 수 있다. 한편, 제어기(500)는 연료전지 시스템 외의 차량의 다른 장치에 구비된 제어기와 통합될 수도 있다.A processor may be configured to perform program instructions. Meanwhile, the controller 500 may be integrated with a controller provided in other devices of the vehicle other than the fuel cell system.

제어기(500)는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 비 휘발성의 컴퓨터 판독 가능 매체로써 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예로는, ROM, RAM, compact disc (CD)-ROMs, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 플레시 드라이브, 스마트 카드와 광학 데이터 저장 장치가 있으며 이에 한정되지 아니한다. The controller 500 may be implemented as a non-volatile computer readable medium including executable program instructions. Examples of computer readable media include, but are not limited to, ROM, RAM, compact disc (CD)-ROMs, magnetic tape, floppy disks, flash drives, smart cards, and optical data storage devices.

제어기(500)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 또는 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.The controller 500 includes application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), processors, controllers ( It may be implemented using at least one of controllers, micro-controllers, microprocessors, or electrical units for performing other functions.

일 실시 예에 따르면, 제어기(500)는 열교환기(210)의 냉각팬, 밸브(350), 압력 조절부(410), 공기 압축기(320), 가습기(340) 또는 냉각수 펌프(220) 중 적어도 어느 하나의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(500)는 전장 부품(PE)의 온도에 기초해서 냉각수 펌프(220)를 제어할 수 있다. According to one embodiment, the controller 500 may include at least one of the cooling fan of the heat exchanger 210, the valve 350, the pressure controller 410, the air compressor 320, the humidifier 340, or the cooling water pump 220. Either drive can be controlled. For example, the controller 500 may control the cooling water pump 220 based on the temperature of the electric component PE.

제어기(500)는 전장 부품들(PE) 중 적어도 어느 하나에 내장되어 있는 온도 센서(T)를 통해 측정된 온도 센싱 측정값(TPE1, TPE2, TPE3, TPE4, TPE5)를 기반으로 냉각수 펌프(220)의 속도(Ps)를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어기(500)는 전장 부품(PE)의 온도가 임계치보다 높아지면 냉각수 펌프(220)의 작동 RPM이 높아지도록 제어할 수 있다. 제어기(500)는 전장 부품(PE)의 온도가 임계치 이하이면 냉각수 펌프(220)의 작동 RPM이 낮아지도록 제어할 수 있다.The controller 500 is based on the temperature sensing measurement values T PE1 , T PE2 , T PE3 , T PE4 , and T PE5 measured through the temperature sensor T embedded in at least one of the electric components PE. It is possible to control the speed Ps of the cooling water pump 220. For example, the controller 500 may control the operating RPM of the cooling water pump 220 to increase when the temperature of the electrical component PE is higher than a threshold value. The controller 500 may control the operating RPM of the cooling water pump 220 to be lowered when the temperature of the electrical component PE is below a critical value.

제어기(500)는 연료 전지 스택(10)의 운전 조건에 따라 연료 전지 스택(10)의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 제어할 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(10)의 운전 조건은 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건으로 구분할 수 있다. 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건은 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공급 공기의 온도 조건에 의해 설정될 수 있다. The controller 500 may control the temperature of supply air introduced into the inlet of the fuel cell stack 10 according to operating conditions of the fuel cell stack 10 . For example, the operating conditions of the fuel cell stack 10 may be classified into high-temperature operating conditions, normal operating conditions, and cold-start operating conditions. The high-temperature operating condition, the normal operating condition, and the cold-start operating condition may be set according to the temperature condition of supply air supplied to the fuel cell stack 10 .

제어기(500)는 복수개의 전장 부품들(PE)의 온도 센서(T)에서 측정된 온도 센싱 측정값(TPE1, TPE2, TPE3, TPE4, TPE5)를 기반으로 에어 쿨러의 입구로 유입되는 전장 냉각수의 온도를 추정할 수 있다. The controller 500 is directed to the inlet of the air cooler based on the temperature sensing measurement values (T PE1 , T PE2 , T PE3 , T PE4 , and T PE5 ) measured by the temperature sensors T of the plurality of electric components PE. The temperature of the incoming battlefield cooling water can be estimated.

제어기(500)는 추정된 전장 냉각수의 온도를 기반으로 연료 전지 스택(10)의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 산출할 수 있다. 제어기(500)는 산출된 공급 공기의 온도를 기반으로 연료 전지 스택(10)의 상대 습도(Relative Humidity: RH)를 산출하고, 산출된 연료 전지 스택(10)의 상대 습도를 기반으로, 화학 양론비(실제 공급 공기량 / 이론공기량)(Stoichiometry Ratio: SR)를 결정할 수 있다. The controller 500 may calculate the temperature of supply air introduced into the inlet of the fuel cell stack 10 based on the estimated temperature of the electric cooling water. The controller 500 calculates relative humidity (RH) of the fuel cell stack 10 based on the calculated supply air temperature, and based on the calculated relative humidity of the fuel cell stack 10, stoichiometric The ratio (actual supplied air volume / theoretical air volume) (Stoichiometry Ratio: SR) can be determined.

이와 같이, 본 발명에서는 연료 전지 스택(10)의 입구(또는, 캐소드)로 공급되는 공급 공기의 온도를 복수개의 전장 부품들(PE)의 온도 센서(T)를 이용하여 추정할 수 있다. As such, in the present invention, the temperature of supply air supplied to the inlet (or cathode) of the fuel cell stack 10 can be estimated using the temperature sensors T of the plurality of electric components PE.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 입구로 공급되는 공급 공기의 온도를 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of supply air supplied to an inlet of a fuel cell stack of a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 에어 쿨러(330)는 제1 입구(C1), 제2 입구(A1), 제1 출구(C2) 및 제2 출구(A2)를 포함할 수 있다. 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)에는 공기 압축기(예: 도 1의 공기 압축기(320))를 통과한 전장 냉각수가 유입될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the air cooler 330 may include a first inlet C1, a second inlet A1, a first outlet C2, and a second outlet A2. Electric cooling water that has passed through an air compressor (eg, the air compressor 320 of FIG. 1 ) may flow into the first inlet C1 of the air cooler 330 .

에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)에는 공기 압축기를 통과한 공급 공기가 유입될 수 있다. 에어 쿨러(330)의 제1 출구(C2)는 전장 냉각 라인(120)을 통해 전장 부품들(예: 도 1의 전장 부품들(PE))과 연결될 수 있다. 에어 쿨러(330)의 제2 출구(A2)는 공기 공급 라인(130)을 통해 연료 전지 스택(예: 도 1의 연료 전지 스택(10))의 입구와 연결될 수 있다. Supply air passing through the air compressor may be introduced into the second inlet A1 of the air cooler 330 . The first outlet C2 of the air cooler 330 may be connected to electrical components (eg, the electrical components PE of FIG. 1 ) through the electrical cooling line 120 . The second outlet A2 of the air cooler 330 may be connected to the inlet of the fuel cell stack (eg, the fuel cell stack 10 of FIG. 1 ) through the air supply line 130 .

에어 쿨러(330)의 제2 출구(A2)를 통해 토출되는 출구 공기 온도는 연료 전지 스택(10)의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도와 대응될 수 있다. 에어 쿨러(330)의 제2 출구(A2)로 토출되는 출구 공기 온도(TA2)는 아래 수학식 1과 같이 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 냉각수 및 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)로 유입되는 공기의 상태에 따라서 도출될 수 있다. The temperature of outlet air discharged through the second outlet A2 of the air cooler 330 may correspond to the temperature of supply air introduced into the inlet of the fuel cell stack 10 . The outlet air temperature T A2 discharged through the second outlet A2 of the air cooler 330 is the cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 and the air cooler 330 as shown in Equation 1 below. ) may be derived according to the state of the air flowing into the second inlet A1.

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제2 출구(A2)로 토출되는 출구 공기 온도(TA2)는 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 입구 냉각수의 온도(Tc1) 및 유량()과, 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)로 유입되는 입구 공기의 온도(TA1) 및 유량()에 따라서 도출될 수 있다. For example, the outlet air temperature (T A2 ) discharged through the second outlet (A2) of the air cooler 330 is the temperature (T c1 ) of the inlet cooling water introduced into the first inlet (C1) of the air cooler 330 and flow rate ( ), and the temperature (T A1 ) and flow rate of the inlet air introduced into the second inlet (A1) of the air cooler 330 ( ) can be derived according to

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 입구 냉각수의 온도(Tc1) 및 유량()과, 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)로 유입되는 입구 공기의 온도(TA1) 및 유량()을 에어 쿨러(330)의 성능맵(performance map)에 대입(또는, 맵핑)함으로써, 에어 쿨러(330)의 제2 출구(A2)로 토출되는 출구 공기 온도(TA2)는 도출될 수 있다. 에어 쿨러(330)의 성능맵은 제어기(예: 도 1의 제어기(500))의 메모리에 저장될 수 있다.For example, the temperature (T c1 ) and flow rate ( ), and the temperature (T A1 ) and flow rate of the inlet air introduced into the second inlet (A1) of the air cooler 330 ( ) into the performance map of the air cooler 330 (or mapping), the outlet air temperature T A2 discharged through the second outlet A2 of the air cooler 330 can be derived. . The performance map of the air cooler 330 may be stored in a memory of a controller (eg, the controller 500 of FIG. 1 ).

에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)로 유입되는 입구 공기의 온도(TA1), 입구 공기의 유량() 또는/및 입구 공기의 압력(PA1)는 에어 쿨러(330)의 전단에 위치하는 공기 압축기(320)의 특성에 따라서 결정될 수 있다. The temperature of the inlet air flowing into the second inlet A1 of the air cooler 330 (T A1 ), the flow rate of the inlet air ( ) or/and the pressure of inlet air (P A1 ) may be determined according to the characteristics of the air compressor 320 located at the front end of the air cooler 330.

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)에 입력되는 입구 공기의 온도(TA1), 입구 공기의 유량(), 또는 입력 공기의 압력(PA1) 중 적어도 어느 하나는 아래 수학식 2와 같이 공기 압축기(320)의 회전수(), 압력 조절 밸브(410)의 개도(θvalve cmd), 대기온(Tamb) 또는 대기압(Pamb) 중 적어도 어느 하나에 의해 결정될 수 있다. For example, the temperature of the inlet air input to the second inlet A1 of the air cooler 330 (T A1 ), the flow rate of the inlet air ( ), or the input air pressure (P A1 ), at least one of which is the number of revolutions of the air compressor 320 as shown in Equation 2 below ( ), the opening degree of the pressure control valve 410 (θ valve cmd ), atmospheric temperature (T amb ), or atmospheric pressure (P amb ).

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)에 입력되는 입구 공기의 온도(TA1), 입구 공기의 유량(), 또는 입력 공기의 압력(PA1) 중 적어도 어느 하나는, 공기 압축기(320)의 회전수(), 압력 조절 밸브(410)의 개도(θvalve cmd), 대기온(Tamb) 및 대기압(Pamb)을 공기 압축기(320)의 성능맵(performance map)에 대입함으로써, 도출될 수 있다. 공기 압축기(320)의 성능맵은 제어기(예: 도 1의 제어기(500))의 메모리에 저장될 수 있다.For example, the temperature of the inlet air input to the second inlet A1 of the air cooler 330 (T A1 ), the flow rate of the inlet air ( ), or at least one of the input air pressure (P A1 ), the number of revolutions of the air compressor 320 ( ), the opening degree of the pressure control valve 410 (θ valve cmd ), the atmospheric temperature (T amb ), and the atmospheric pressure (P amb ) to the performance map of the air compressor 320. It can be derived by substituting. The performance map of the air compressor 320 may be stored in a memory of a controller (eg, the controller 500 of FIG. 1 ).

수학식 1에서, 에어 쿨러(330)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는 전장 냉각 라인(120)에 위치하는 전장 부품들(PE) 내의 온도 센서(T)를 이용하여 추정할 수 있다. In Equation 1, the temperature T c1 of the electrical cooling water flowing into the air cooler 330 may be estimated using the temperature sensors T in the electrical components PE located in the electrical cooling line 120. .

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 공급 공기의 온도를 전장 부품들의 온도 센서를 이용하여 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of air supplied to a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention using temperature sensors of electrical components.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은 전장 냉각 라인(120)을 포함할 수 있다. 전장 냉각 라인(120)에는 전장 부품들(PE), 라디에이터(210), 냉각수 펌프(220) 및 에어 쿨러(330)가 배치될 수 있다. 도 1 및 도 3의 차량용 연료 전지 시스템은 제1 내지 제5 전장 부품(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5)을 포함하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 전장 부품(PE)의 개수를 도 1 및 도 3의 구조로 한정하는 것은 아니다.Referring to FIG. 3 , a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention may include an electric cooling line 120 . Electric components PE, a radiator 210 , a cooling water pump 220 , and an air cooler 330 may be disposed in the electric cooling line 120 . Although the vehicle fuel cell system of FIGS. 1 and 3 has been described as including first to fifth electrical components PE1, PE2, PE3, PE4, and PE5 as an example, the number of electrical components PE is shown in FIGS. It is not limited to the structure of 3.

복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 중 적어도 어느 하나는 전력 반도체에 온도를 모니터링할 수 있는 온도 센서(T)를 포함할 수 있다. 전장 부품(PE)의 발열은 전력 반도체에서 발생할 수 있다. 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 중 적어도 어느 하나의 발열량은 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각의 출력 및 효율의 곱으로 구할 수 있다.At least one of the plurality of electric components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 may include a temperature sensor T capable of monitoring the temperature of the power semiconductor. Heat from the electric component (PE) may occur in a power semiconductor. The calorific value of at least one of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 can be obtained by multiplying the output and efficiency of each of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 . .

복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각의 온도를 모니터링하는 온도 센서(T)의 센싱 측정값은 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각을 통과하는 전장 냉각수의 온도와 서로 유사하게 유지될 수 있다. The sensing measurement value of the temperature sensor T, which monitors the temperature of each of the plurality of electrical components PE1, PE2, PE3, PE4, and PE5, is measured by each of the plurality of electrical components PE1, PE2, PE3, PE4, and PE5. The temperature of the electric cooling water passing through can be maintained similar to each other.

복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각을 통과하는 전장 냉각수의 온도는 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각의 위치에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각을 통과하는 전장 냉각수의 온도는 복수개의 전장 부품들(PE1, PE2, PE3, PE4, PE5) 각각에 배치되는 온도 센서(T)의 위치에 따라서 달라질 수 있다. The temperature of the electrical cooling water passing through each of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 may vary depending on the position of each of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 . For example, the temperature of electric cooling water passing through each of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 is the temperature disposed in each of the plurality of electrical components PE1 , PE2 , PE3 , PE4 , and PE5 . It may vary according to the location of the sensor T.

일 실시 예에 따르면, 냉각수 펌프(220)의 입구측에 위치하는 온도 센서(T)를 포함하는 전장 부품(PE)을 통과하는 전장 냉각수의 온도(Tpass)는 아래 수학식 3과 같이 전장 냉각수가 통과하는 전장 부품(PE)의 온도 센서(T)의 센싱 측정값(Tsensor)과, 각 전장 부품(PE)의 발열량(△T)을 고려할 수 있다. 각 전장 부품(PE)의 발열량(△TPE)은 아래 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.According to an embodiment, the temperature T pass of the electrical cooling water passing through the electrical component PE including the temperature sensor T located at the inlet side of the cooling water pump 220 is the electrical cooling water temperature as shown in Equation 3 below. A sensing measurement value (T sensor ) of the temperature sensor T of the electric component PE through which the electric component PE passes and a calorific value ΔT of each electric component PE may be considered. The calorific value (ΔT PE ) of each electrical component PE may be expressed as in Equation 4 below.

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제1 출구(C2)와 냉각수 펌프(220) 사이에 위치하는 제1 전장 부품(TPE1)의 온도 센서(T)를 이용하여, 에어 쿨러(330)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)를 추정할 수 있다. 이 경우, 에어 쿨러(330)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는, 아래 수학식 5와 같을 수 있다. For example, by using the temperature sensor T of the first electric component T PE1 located between the first outlet C2 of the air cooler 330 and the cooling water pump 220, the air cooler 330 The temperature (Tc1) of the incoming electric field cooling water can be estimated. In this case, the temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the air cooler 330 may be expressed as Equation 5 below.

즉, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는, 제1 전장 부품(PE1)의 온도 센서(T)의 센싱 측정 값(TPE1)과, 제2 전장 부품(PE2)의 발열량(△TPE2), 제3 전장 부품(PE3)의 발열량(△TPE3), 열교환기(210)의 발열량(△TRadiator), 제4 전장 부품(PE4)의 발열량(△TPE4) 및 제5 전장 부품(PE5)의 발열량(△TPE5)의 총합과 같을 수 있다. That is, the temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 is the measured value T PE1 sensed by the temperature sensor T of the first electric component PE1, and 2 Calorific value of electric component PE2 (ΔT PE2 ), calorific value of third electric component PE3 (ΔT PE3 ), calorific value of heat exchanger 210 (ΔT Radiator ), of fourth electric component PE4 It may be equal to the sum of the calorific value (ΔT PE4 ) and the calorific value (ΔT PE5 ) of the fifth electric component PE5.

다른 예로, 냉각수 펌프(220)의 출구측에 위치하는 온도 센서(T)를 포함하는 전장 부품(PE)을 통과하는 전장 냉각수의 온도(Tpass)는 아래 수학식 6과 같이 전장 냉각수가 통과하는 전장 부품(PE)의 온도 센서(T)의 센싱 측정값(Tsensor)을 고려할 수 있다.As another example, the temperature T pass of the electrical cooling water passing through the electric component PE including the temperature sensor T located at the outlet side of the cooling water pump 220 is A sensing measurement value T sensor of the temperature sensor T of the electric component PE may be considered.

예를 들어, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)와 냉각수 펌프(220) 사이에 위치하는 제4 전장 부품(TPE4)의 온도 센서(T)를 이용하여, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)를 추정할 수 있다. For example, by using the temperature sensor T of the fourth electrical component T PE4 located between the first inlet C1 of the air cooler 330 and the cooling water pump 220, the temperature sensor T of the air cooler 330 The temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the first inlet C1 may be estimated.

이 경우, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 냉각수의 온도(Tc1)는 아래 수학식 7과 같을 수 있다. 즉, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는, 제4 전장 부품(PE4)의 온도 센서(T)의 센싱 측정값(TPE4), 제4 전장 부품(PE4)의 발열량(△TPE4) 및 제5 전장 부품(PE5)의 발열량(△TPE5)의 총합과 같을 수 있다.In this case, the temperature Tc1 of the cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 may be expressed as Equation 7 below. That is, the temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 is the measured value T PE4 of the temperature sensor T of the fourth electric component PE4, It may be equal to the sum of the calorific value of the electric component PE4 (ΔT PE4 ) and the calorific value of the fifth electric component PE5 (ΔT PE5 ).

일 실시 예에 따르면, 에어 쿨러(330)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는 수학식 5 또는 수학식 7을 이용하여 추정할 수 있다. 수학식 5보다 변수가 적은 수학식 7을 이용하게 되면, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 냉각수의 온도(Tc1)의 추정값의 정확도가 높아질 수 있다.According to an embodiment, the temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the air cooler 330 may be estimated using Equation 5 or Equation 7. When Equation 7 with fewer variables than Equation 5 is used, the accuracy of the estimated value of the temperature Tc1 of the cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 can be increased.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 공급 공기의 온도를 압축기 제어기의 온도 센서를 이용하여 추정하는 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining a method of estimating the temperature of air supplied to a fuel cell system for a vehicle according to an embodiment of the present invention using a temperature sensor of a compressor controller.

도 4를 참조하면, 차량용 연료 전지 시스템은 압축기 제어기(410)를 포함할 수 있다. 압축기 제어기(410)는 공기 압축기(320)에 포함된 모터를 제어할 수 있다.Referring to FIG. 4 , a fuel cell system for a vehicle may include a compressor controller 410 . The compressor controller 410 may control a motor included in the air compressor 320 .

압축기 제어기(410)는 복수개의 전장 부품 중 어느 하나일 수 있다. 압축기 제어기(410)는 하우징(420)에 배치되며, 전력 반도체와 복수개의 전자 소자와 온도 센서(T)를 포함할 수 있다. The compressor controller 410 may be any one of a plurality of electrical components. The compressor controller 410 is disposed in the housing 420 and may include a power semiconductor, a plurality of electronic devices, and a temperature sensor T.

압축기 제어기(410)의 온도 센서(T)는 전장 냉각 라인(120)(또는, 냉각 유로)의 입구부에 장착될 수 있다. 압축기 제어기(410)의 온도 센서(T)의 센싱 측정값(Tsensor)은 공기 압축기(320)를 통과하는 전장 냉각수의 온도와 유사할 수 있다. The temperature sensor T of the compressor controller 410 may be mounted at the inlet of the electric cooling line 120 (or cooling passage). The sensing measurement value T sensor of the temperature sensor T of the compressor controller 410 may be similar to the temperature of electric cooling water passing through the air compressor 320 .

따라서, 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 전장 냉각수의 온도(Tc1)는 아래 수학식 8과 같이, 압축기 제어기(420)의 온도 센서(T)의 센싱 측정값(Tsensor)과, 공기 압축기(320)의 발열량(△Tcomp)과, 압축기 제어기(410)의 발열량(△Tcont)의 총합과 같을 수 있다. Therefore, the temperature Tc1 of the electric cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 is the measured value Tc1 of the temperature sensor T of the compressor controller 420 as shown in Equation 8 below. ), the calorific value of the air compressor 320 (ΔT comp ), and the calorific value of the compressor controller 410 (ΔT cont ).

여기서, 압축기 제어기(420)의 발열량(△Tcont)은 아래 수학식 9와 같으며, 공기 압축기(320)의 발열량(△Tcomp)은 아래 수학식 10과 같을 수 있다. 수학식 9의 압축기 제어기의 손실율(1-ηcont) 및 수학식 10의 공기 압축기의 손실율(1-ηcomp)은 연료 전지 시스템의 제조시 설정되거나, 또는 차량용 연료 전지 시스템의 구동시 데이터 통신을 통해 업데이트될 수 있다.Here, the heating value of the compressor controller 420 (ΔT cont ) is as shown in Equation 9 below, and the heating value of the air compressor 320 (ΔT comp ) may be as shown in Equation 10 below. The loss ratio (1-η cont ) of the compressor controller in Equation 9 and the loss ratio (1-η comp ) of the air compressor in Equation 10 are set at the time of manufacturing the fuel cell system, or data communication is performed when the vehicle fuel cell system is driven. can be updated via

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법에 대한 일 실시 예 흐름도이다. 도 5에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 방법은 도 1 내지 도 4를 결부하여 설명하기로 한다.5 is a flowchart of an embodiment of a control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. A control method of the fuel cell system shown in FIG. 5 will be described in conjunction with FIGS. 1 to 4 .

이하에서는 도 1의 연료 전지 시스템이 도 5의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다. 또한, 도 5의 설명에서, 장치에 의해 수행되는 것으로 기술된 동작은 제어기(500)의 프로세서에 의해 제어되는 것으로 이해될 수 있다.Hereinafter, it is assumed that the fuel cell system of FIG. 1 performs the process of FIG. 5 . Also, in the description of FIG. 5 , operations described as being performed by a device may be understood as being controlled by a processor of the controller 500 .

동작 S501에서, 제어기(500)는 에어 쿨러(330)의 제1 출구(C2)에서 토출되어 연료 전지 스택(10)의 입구로 유입되는 공급 공기의 온도를 산출할 수 있다. 공급 공기의 온도는 에어 쿨러(330)의 제1 입구(C1)로 유입되는 전장 냉각수의 온도 및 유량과, 에어 쿨러(330)의 제2 입구(A1)로 유입되는 공기의 압력, 온도 및 유량를 에어 쿨러(330)의 성능 맵에 대입함으로써 산출될 수 있다. 전장 냉각수의 온도(Tc1)는 전술한 바와 같이 전장 부품 내의 온도 센서를 통해 추정할 수 있다.In operation S501 , the controller 500 may calculate the temperature of supply air discharged from the first outlet C2 of the air cooler 330 and introduced into the inlet of the fuel cell stack 10 . The temperature of the supplied air is the temperature and flow rate of the electric cooling water flowing into the first inlet C1 of the air cooler 330 and the pressure, temperature and flow rate of the air flowing into the second inlet A1 of the air cooler 330. It can be calculated by substituting into the performance map of the air cooler 330. As described above, the temperature Tc1 of the electric cooling water may be estimated through the temperature sensor in the electric component.

동작 S502에서, 제어기(500)는 산출된 공급 공기의 온도를 이용하여 연료 전지 스택의 상대 습도(Relative Humidity: RH)를 산출할 수 있다. 일 예로, 제어기(500)는 공급 공기의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면, 연료 전지 스택(10)의 상대 습도가 낮은 것으로 판단할 수 있다. 다른 예로, 제어기(500)는 공급 공기의 온도가 기설정된 기준 온도보다 낮으면, 연료 전지 스택(10)의 상대 습도가 높은 것으로 판단할 수 있다. In operation S502 , the controller 500 may calculate relative humidity (RH) of the fuel cell stack using the calculated supply air temperature. For example, the controller 500 may determine that the relative humidity of the fuel cell stack 10 is low when the temperature of the supplied air is higher than a preset reference temperature. As another example, the controller 500 may determine that the relative humidity of the fuel cell stack 10 is high when the temperature of the supplied air is lower than a predetermined reference temperature.

동작 S503에서, 제어기(500)는 산출된 연료 전지 스택(10)의 상대 습도를 기반으로, 화학 양론비(Stoichiometry Ratio: SR)(=실제 공급 공기량/이론공기량)를 결정할 수 있다. 일 예로, 제어기(500)는 연료 전지 스택(10)의 상대 습도가 상대적으로 낮은 경우, 화학 양론비를 낮춰(예: 공급 공기의 유량 제한) 상대 습도를 원하는 수준으로 유지할 수 있도록 설정될 수 있다. In operation S503 , the controller 500 may determine a stoichiometry ratio (SR) (=actually supplied air amount/stoichiometric air amount) based on the calculated relative humidity of the fuel cell stack 10 . For example, when the relative humidity of the fuel cell stack 10 is relatively low, the controller 500 may be set to maintain the relative humidity at a desired level by lowering the stoichiometric ratio (eg, limiting the flow rate of supplied air). .

제어기(500)는 연료 전지 스택(10)의 상대 습도가 상대적으로 높은 경우, 화학 양론비를 높여(예: 공급 공기의 유량 증가) 상대 습도를 원하는 수준으로 유지할 수 있도록 설정될 수 있다. 다른 예로, 제어기(500)는 산출된 연료 전지 스택(10)의 상대 습도를 기반으로, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공급 공기의 유량 또는/및 냉각수 온도를 조정할 수 있다.When the relative humidity of the fuel cell stack 10 is relatively high, the controller 500 may be set to maintain the relative humidity at a desired level by increasing the stoichiometric ratio (eg, increasing the flow rate of supplied air). As another example, the controller 500 may adjust the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10 and/or the temperature of the cooling water based on the calculated relative humidity of the fuel cell stack 10 .

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량의 연료 전지 시스템의 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 도시한 블럭도이다.6 is a block diagram illustrating a computing system for executing a control method of a fuel cell system of a vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량의 연료 전지 시스템의 제어 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서 구현될 수 있다. 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. Referring to FIG. 6 , a method for controlling a fuel cell system of a vehicle according to an embodiment of the present invention may be implemented through a computing system. The computing system 1000 includes at least one processor 1100, a memory 1300, a user interface input device 1400, a user interface output device 1500, a storage 1600, and a network connected through a bus 1200. An interface 1700 may be included.

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) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다. The processor 1100 may be a central processing unit (CPU) or a semiconductor device that processes commands stored in the memory 1300 and/or the storage 1600 . The memory 1300 and the storage 1600 may include various types of volatile or nonvolatile storage media. For example, the memory 1300 may include read only memory (ROM) and random access memory (RAM).

따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들과 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. Accordingly, steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be directly implemented as hardware executed by the processor 1100, a software module, or a combination of the two. A software module resides in a storage medium (i.e., memory 1300 and/or storage 1600) such as RAM memory, flash memory, ROM memory, EPROM memory, EEPROM memory, registers, hard disk, a removable disk, or a CD-ROM. You may.

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.An exemplary storage medium is coupled to the processor 1100, and the processor 1100 can read information from, and write information to, the storage medium. Alternatively, the storage medium may be integral with the processor 1100. The processor and storage medium may reside within an application specific integrated circuit (ASIC). An ASIC may reside within a user terminal. Alternatively, the processor and storage medium may reside as separate components within a user terminal.

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. The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

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.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

차량의 연료 전지 스택을 냉각하는 스택 냉각 라인;
상기 차량의 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나를 경유하며 냉각수가 순환되는 전장 냉각 라인;
상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급 라인; 및
상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나에 배치되는 온도 센서를 이용하여 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공급 공기 온도를 추정하는 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
a stack cooling line for cooling a fuel cell stack of a vehicle;
an electrical cooling line through which cooling water circulates through at least one of a plurality of electrical components of the vehicle;
an air supply line supplying air to the fuel cell stack; and
and a controller estimating a temperature of supply air supplied to the fuel cell stack using a temperature sensor disposed on at least one of the plurality of electrical components.
 제 1 항에 있어서,
상기 공기 공급 라인 및 상기 전장 냉각 라인에 배치되며, 상기 연료 전지 스택에 공급될 공급 공기를 상기 냉각수로 냉각하는 에어 쿨러를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 에어 쿨러를 통해 토출되는 냉각수의 온도를 추정하여 상기 공급 공기 온도를 산출하는 연료 전지 시스템.
According to claim 1,
An air cooler disposed in the air supply line and the electrical cooling line and cooling supply air to be supplied to the fuel cell stack with the cooling water,
The control unit,
The fuel cell system for calculating the supply air temperature by estimating the temperature of the cooling water discharged through the air cooler.
 제 2 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하고,
상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도와, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 유량과, 상기 에어 쿨러의 제2 입구로 유입되는 유입 공기의 유량 및 온도를 에어 쿨러의 성능 맵에 대입하도록 설정된 연료 전지 시스템.
According to claim 2,
The controller,
Estimating the temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler;
The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, the flow rate of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, and the flow rate and temperature of the inlet air flowing into the second inlet of the air cooler A fuel cell system set to substitute into the cooler's performance map.
 제 2 항에 있어서,
상기 냉각수 라인에 배치되며, 상기 냉각수를 상기 냉각수 라인으로 순환시키는 냉각수 펌프; 및
상기 냉각수 라인을 따라 유동하는 냉각수를 냉각하는 열교환기를 더 포함하며,
상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나는,
상기 에어 쿨러의 제1 출구와 상기 열교환기 사이에 배치되며,
상기 복수개의 전장 부품들의 나머지들 중 적어도 어느 하나는,
상기 냉각수 펌프와 상기 에어쿨러의 제1 입구 사이에 배치되는 연료 전지 시스템.
According to claim 2,
a cooling water pump disposed in the cooling water line and circulating the cooling water to the cooling water line; and
Further comprising a heat exchanger for cooling the cooling water flowing along the cooling water line,
At least one of the plurality of electrical components,
It is disposed between the first outlet of the air cooler and the heat exchanger,
At least one of the rest of the plurality of electrical components,
A fuel cell system disposed between the cooling water pump and the first inlet of the air cooler.
 제 4 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 에어 쿨러의 제1 출구와 상기 열교환기 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과,
상기 냉각 라인에 배치되는 복수개의 전장부품들 중 나머지들의 발열량과,
상기 열교환기의 발열량의 합으로,
상기 에어쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하는 연료 전지 시스템.
According to claim 4,
The controller,
A sensing value of the temperature sensor disposed on any one of a plurality of electrical components disposed between the first outlet of the air cooler and the heat exchanger;
The calorific value of the rest of the plurality of electrical components disposed in the cooling line;
As the sum of the heating values of the heat exchanger,
A fuel cell system for estimating a temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler.
 제 4 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과,
상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 나머지 전장 부품들의 발열량의 합으로,
상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하는 연료 전지 시스템.
According to claim 4,
The controller,
A sensing value of the temperature sensor disposed on any one of a plurality of electrical components disposed between the first inlet of the air cooler and the cooling water pump;
The sum of the calorific values of the remaining electrical components among the plurality of electrical components disposed between the first inlet of the air cooler and the cooling water pump,
A fuel cell system for estimating a temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler.
 제 2 항에 있어서,
상기 공기 공급 라인 및 상기 전장 냉각 라인에 배치되며, 상기 에어 쿨러의 제1 입구와 연결되는 공기 압축기; 및
상기 공기 압축기를 제어하며 상기 전장 냉각 라인에 배치되는 압축기 제어기를 더 포함하며,
상기 복수개의 전장 부품 중 어느 하나는,
상기 압축기 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
According to claim 2,
an air compressor disposed in the air supply line and the electric cooling line and connected to a first inlet of the air cooler; and
a compressor controller controlling the air compressor and disposed in the electric cooling line;
Any one of the plurality of electrical components,
A fuel cell system including the compressor controller.
 제 7 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 압축기 제어기에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 공기 압축기의 발열량과, 상기 압축기 제어기의 발열량의 합으로,
상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하는 연료 전지 시스템.
According to claim 7,
The controller,
The sum of the sensing value of the temperature sensor disposed in the compressor controller, the heating value of the air compressor, and the heating value of the compressor controller,
A fuel cell system for estimating a temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler.
 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 추정된 공급 공기 온도를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 상대 습도를 추정하고,
상기 추정된 상대 습도를 기반으로 화학 양론비를 결정하는 연료 전지 시스템.
According to claim 1,
The controller,
Estimating relative humidity of the fuel cell stack based on the estimated supply air temperature;
A fuel cell system for determining a stoichiometric ratio based on the estimated relative humidity.
 차량의 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나에 배치되는 온도 센서를 이용하여, 연료 전지 스택에 공급되는 공급 공기 온도를 추정하는 단계;
상기 추정된 공급 공기 온도를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 상대 습도를 추정하는 단계; 및
상기 추정된 상대 습도를 기반으로 화학 양론비를 결정하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
estimating a temperature of supply air supplied to the fuel cell stack by using a temperature sensor disposed on at least one of a plurality of electrical components of the vehicle;
estimating relative humidity of the fuel cell stack based on the estimated supply air temperature; and
and determining a stoichiometric ratio based on the estimated relative humidity.
 제 10 항에 있어서,
상기 공급 공기 온도를 추정하는 단계는,
상기 연료 전지 스택에 공급될 공급 공기를, 상기 복수개의 전장 부품들 중 적어도 어느 하나를 경유하는 냉각수로 냉각하는 에어 쿨러를 통해 토출되는 냉각수의 온도를 추정하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
According to claim 10,
The step of estimating the supply air temperature,
and estimating a temperature of cooling water discharged through an air cooler that cools supply air to be supplied to the fuel cell stack with cooling water passing through at least one of the plurality of electrical components. .
 제 11 항에 있어서,
상기 공급 공기 온도를 추정하는 단계는,
상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도를 추정하는 단계; 및
상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도와, 상기 에어쿨러의 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 유량과, 상기 에어 쿨러의 제2 입구로 유입되는 유입 공기의 유량 및 온도를 에어 쿨러의 성능 맵에 대입하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 제조 방법.
According to claim 11,
The step of estimating the supply air temperature,
estimating a temperature of the cooling water flowing into a first inlet of the air cooler; and
The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, the flow rate of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler, and the flow rate and temperature of the inlet air flowing into the second inlet of the air cooler A method of manufacturing a fuel cell system, further comprising the step of substituting the performance map of the cooler.
 제 12 항에 있어서,
상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는,
상기 냉각수를 냉각하는 열교환기와, 상기 에어 쿨러의 제1 출구 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과,
상기 냉각 라인에 배치되는 복수개의 전장부품들 중 나머지들의 발열량과,
상기 열교환기의 발열량의 합으로, 추정되는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
According to claim 12,
The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is,
A sensing value of the temperature sensor disposed on any one of a plurality of electrical components disposed between a heat exchanger for cooling the cooling water and a first outlet of the air cooler;
The calorific value of the rest of the plurality of electrical components disposed in the cooling line;
A control method of a fuel cell system estimated by the sum of calorific values of the heat exchanger.
 제 12 항에 있어서,
상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는,
상기 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프와, 상기 에어 쿨러의 제1 입구 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 어느 하나에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과,
상기 에어 쿨러의 제1 입구와 상기 냉각수 펌프 사이에 배치되는 복수개의 전장 부품들 중 나머지 전장 부품들의 발열량의 합으로, 추정되는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
According to claim 12,
The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is,
A sensing value of the temperature sensor disposed on any one of a plurality of electrical components disposed between a cooling water pump circulating the cooling water and a first inlet of the air cooler;
A control method of a fuel cell system that is estimated as a sum of calorific values of remaining electrical components among a plurality of electrical components disposed between the first inlet of the air cooler and the cooling water pump.
 제 12 항에 있어서,
상기 에어 쿨러의 상기 제1 입구로 유입되는 상기 냉각수의 온도는,
상기 에어 쿨러의 제1 입구와 연결되는 공기 압축기를 제어하는 압축기 제어기에 배치되는 상기 온도 센서의 센싱값과, 상기 공기 압축기의 발열량과, 상기 압축기 제어기의 발열량의 합으로, 추정되는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
According to claim 12,
The temperature of the cooling water flowing into the first inlet of the air cooler is,
The fuel cell system estimated by the sum of the sensing value of the temperature sensor disposed in the compressor controller for controlling the air compressor connected to the first inlet of the air cooler, the heating value of the air compressor, and the heating value of the compressor controller control method.
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