KR20230147349A - Fuel cell system and thermal management control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 복수 개의 전장부품, 상기 복수 개의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터, 및 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 상기 전장부품으로 유동시키는 펌프를 포함하고, 상기 복수 개의 전장부품은, 상기 펌프의 출구와 상기 라디에이터의 입구 사이의 냉각라인 중 일 구간에서 병렬로 배치된다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a plurality of electrical components, a radiator disposed on a cooling line through which coolant circulating through the plurality of electrical components is set to cool the coolant, and a radiator on the cooling line. It includes a pump disposed in and flows the coolant to the electrical components, wherein the plurality of electrical components are arranged in parallel in one section of the cooling line between the outlet of the pump and the inlet of the radiator.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and its thermal management control method.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. A fuel cell system can generate electrical energy using a fuel cell stack. For example, if hydrogen is used as a fuel for a fuel cell stack, it can be an alternative to solving global environmental problems, so continuous research and development is being conducted on fuel cell systems.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(thermal management system, TMS)을 포함할 수 있다.The fuel cell system consists of a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen from the air, an oxidizing agent necessary for electrochemical reactions, to the fuel cell stack, and fuel. It may include a thermal management system (TMS) that removes reaction heat from the cell stack to the outside of the system, controls the operating temperature of the fuel cell stack, and performs a water management function.
열 관리 시스템은, 냉각수 역할을 하는 부동액을 연료전지 스택으로 순환시켜 적정 온도(예를 들어, 60~70℃)를 유지시키는 냉각 장치의 일 종류로서, 냉각수가 순환하는 TMS 라인, 냉각수가 저장된 리저버, 냉각수를 순환시키는 펌프, 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 필터, 및 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터를 포함할 수 있다. 또한, 열 관리 시스템은 냉각수를 가열하는 히터, 및 냉각수를 이용하여 연료전지 시스템이 포함된 장치(예: 차량)의 내부를 냉난방 하는 공조유닛(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.The thermal management system is a type of cooling device that maintains an appropriate temperature (e.g., 60 to 70°C) by circulating antifreeze, which acts as coolant, into the fuel cell stack. It includes a TMS line through which the coolant circulates, and a reservoir where the coolant is stored. , a pump that circulates the coolant, an ion filter that removes ions contained in the coolant, and a radiator that emits heat from the coolant to the outside. Additionally, the thermal management system may include a heater that heats coolant, and an air conditioning unit (e.g., a heating heater) that uses coolant to cool or heat the interior of a device (e.g., vehicle) containing a fuel cell system. . The thermal management system can maintain the appropriate temperature of not only the fuel cell stack but also the vehicle's electrical components.
전장품에는 BHDC(bi-directional high voltage DC-DC converter) 등의 다양한 전장품이 존재하는데, 일반적으로 이러한 전장품은 수냉식으로 냉각하기 때문에, 각각의 전장품에 적절한 유량과 냉각수 진입 온도를 선정하는 것이 중요하다. 하지만, 전장품 냉각라인에 설치된 전장품 냉각수 펌프(Coolant Pe Pump, CPP)의 소형화 및 한정된 용량으로 인해 전장품 냉각 유량을 목표 유량만큼 확보하는데 어려움이 있다.There are a variety of electrical components such as BHDC (bi-directional high voltage DC-DC converter). Since these electrical components are generally cooled by water cooling, it is important to select the appropriate flow rate and coolant entry temperature for each electrical component. However, due to the miniaturization and limited capacity of the cooling water pump (Coolant Pump, CPP) installed in the electrical equipment cooling line, it is difficult to secure the cooling flow rate of the electrical equipment at the target flow rate.
본 발명의 일 목적은, 열관리 시스템 동작 시 전장품 내로 유입되는 냉각수 유량을 목표 유량만큼 확보할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법을 제공함에 있다.One purpose of the present invention is to provide a fuel cell system and a thermal management method thereof that can secure the coolant flow rate flowing into electrical components at the target flow rate when the thermal management system is operating.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 전장품 냉각라인을 병렬로 구성하는 과정에서 각 전장품의 압력강하 차이로 인한 각 유로 간 유량 불균형을 해소할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell system and a heat management method thereof that can resolve the flow imbalance between each flow path due to the difference in pressure drop of each electrical component in the process of configuring electrical component cooling lines in parallel. there is.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 일부 유로에 차압 조절기를 설치함으로써, 특정 전장품의 컴포넌트 과열 시 차압 조절 밸브를 조절하여 해당 유로의 유량을 증가시킴으로써 전장품의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to improve the cooling efficiency of electrical equipment by installing a differential pressure regulator in some flow paths, thereby increasing the flow rate of the corresponding flow path by adjusting the differential pressure control valve when the components of specific electrical equipment overheat. To provide a battery system and its heat management method.
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 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 복수 개의 전장부품, 상기 복수 개의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터, 및 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 상기 전장부품으로 유동시키는 펌프를 포함하고, 상기 복수 개의 전장부품은, 상기 펌프의 출구와 상기 라디에이터의 입구 사이의 냉각라인 중 일 구간에서 병렬로 배치된다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a plurality of electrical components, a radiator disposed on a cooling line through which coolant circulating through the plurality of electrical components is set to cool the coolant, and a radiator on the cooling line. It includes a pump disposed in and flows the coolant to the electrical components, wherein the plurality of electrical components are arranged in parallel in one section of the cooling line between the outlet of the pump and the inlet of the radiator.
일 실시예에서, 상기 냉각라인은, 상기 펌프의 출구와 연결된 냉각라인 상의 제1 지점에서 제1 유로 및 제2 유로로 분기되고, 상기 라디에이터의 입구와 연결된 냉각라인 상의 제2 지점에서 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로가 결합된 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the cooling line branches into a first flow path and a second flow path at a first point on the cooling line connected to the outlet of the pump, and the first flow path branches at a second point on the cooling line connected to the inlet of the radiator. It is characterized in that the flow path and the second flow path are combined.
일 실시예에서, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는, 적어도 하나 이상의 전장부품이 직렬로 배치된 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the first flow path and the second flow path include at least one electrical component arranged in series.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 중 어느 하나에 배치되어, 해당 유로를 따라 유입되는 냉각수의 유량을 조절하는 차압 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the fuel cell system according to the present invention further includes a differential pressure regulator disposed in one of the first flow path and the second flow path to adjust the flow rate of coolant flowing along the corresponding flow path. Do it as
일 실시예에서, 상기 차압 조절기는, 상기 차압 조절기가 배치된 유로에 대응하여 설정된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절하여 해당 유로로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the differential pressure regulator is characterized in that it controls the flow rate of coolant flowing into the corresponding flow path by adjusting the differential pressure control valve according to a reference pressure set in response to the flow path in which the differential pressure regulator is disposed.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 상에 배치된 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 차압 조절기를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the fuel cell system according to the present invention further includes a control unit that controls the differential pressure regulator according to the temperature of the inlet coolant of each electrical component disposed on the first flow path and the second flow path. do.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제1 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 증가하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 상향 조절하는 제1 제어 신호를 상기 차압 조절기로 송신하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller opens the differential pressure control valve to increase the coolant flow rate of the first flow path when the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the first flow path exceeds the target coolant temperature. A first control signal for upwardly adjusting the volume is transmitted to the differential pressure regulator.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제2 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 감소하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 하향 조절하는 제2 제어 신호를 상기 차압 조절기로 송신하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the control unit opens the differential pressure control valve to reduce the coolant flow rate of the first flow path when the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the second flow path exceeds the target coolant temperature. A second control signal for downwardly adjusting the volume is transmitted to the differential pressure regulator.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 상의 전장부품의 입구에 각각 배치되어 해당 전장부품의 입구 냉각수 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the fuel cell system according to the present invention further includes a temperature sensor disposed at the inlet of the electrical component on the first flow path and the second flow path, respectively, to measure the coolant temperature at the inlet of the corresponding electric component. Do it as
일 실시예에서, 상기 차압 조절기는, 상기 제1 지점과 상기 전장부품 사이의 유로 상에 배치되되, 상기 제1 지점에 가까운 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the differential pressure regulator is disposed on a flow path between the first point and the electrical component, and is disposed close to the first point.
일 실시예에서, 상기 냉각라인은, 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점 사이에서 적어도 세 개 이상의 유로로 분기되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the cooling line is branched into at least three flow paths between the first point and the second point.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법은, 복수 개의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인의 일 구간에서 분기된 제1 유로 및 제2 유로 상에 배치된 각 전장부품으로 냉각수를 유동시키는 단계 및 상기 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로로 유입되는 냉각수 유량을 조절하는 단계를 포함한다.In addition, the thermal management control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a first flow path and a second flow path branched from a section of a cooling line through which coolant circulating through a plurality of electrical components is disposed. It includes flowing coolant to each electrical component and adjusting the flow rate of coolant flowing into the first flow path and the second flow path according to the inlet coolant temperature of each electrical component.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 제1 유로 및 제2 유로 상에 배치된 각 전장부품의 입구 냉각수 온도를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the method according to the present invention further includes the step of checking the inlet coolant temperature of each electrical component disposed on the first flow path and the second flow path.
일 실시예에서, 상기 냉각수 유량을 조절하는 단계는, 상기 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 제1 유로 상에 배치된 차압 조절기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of controlling the coolant flow rate includes controlling a differential pressure regulator disposed on the first flow path according to the inlet coolant temperature of each electrical component.
일 실시예에서, 상기 차압 조절기를 제어하는 단계는, 상기 제1 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 증가하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 상향 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of controlling the differential pressure regulator includes: when the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the first flow path exceeds the target coolant temperature, the coolant flow rate of the first flow path increases. It is characterized in that it includes the step of upwardly adjusting the opening amount of the differential pressure control valve.
일 실시예에서, 상기 차압 조절기를 제어하는 단계는, 상기 제2 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 감소하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 하향 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of controlling the differential pressure regulator includes: when the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the second flow path exceeds the target coolant temperature, the coolant flow rate of the first flow path is reduced. It is characterized in that it includes the step of downwardly adjusting the opening amount of the differential pressure control valve.
본 발명의 실시예들에 따르면 열관리 시스템 동작 시 전장품 냉각라인을 병렬로 구성함으로써 전장품 내로 유입되는 냉각수 유량을 목표 유량만큼 확보할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, there is an effect of securing the coolant flow rate flowing into the electrical equipment as the target flow rate by configuring the electrical equipment cooling lines in parallel when the thermal management system is operating.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 전장품 냉각라인을 병렬로 구성하는 과정에서 각 전장품의 압력강하 차이로 인한 각 유로 간 유량 불균형을 해소할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to embodiments of the present invention, in the process of configuring electrical equipment cooling lines in parallel, there is an effect of resolving the flow imbalance between each flow path due to the difference in pressure drop of each electrical equipment.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 일부 유로에 차압 조절기를 설치함으로써, 특정 전장품의 컴포넌트 과열 시 차압 조절 밸브를 조절하여 해당 유로의 유량을 증가시킴으로써 전장품의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, according to embodiments of the present invention, by installing a differential pressure regulator in some of the flow paths, the cooling efficiency of the electric equipment can be improved by increasing the flow rate of the corresponding flow path by adjusting the differential pressure control valve when the component of a specific electric equipment overheats. there is.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전장품 냉각라인의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 따른 전장품 냉각라인의 유량 분배 동작에 대한 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전장품 냉각라인의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram illustrating a fuel cell system according to various further embodiments of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing the connection relationship of cooling lines for electrical equipment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of the flow distribution operation of the electrical equipment cooling line according to FIG. 4.
Figure 6 is a diagram showing the connection relationship of cooling lines for electrical equipment according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram illustrating a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating the operation flow of a thermal management control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.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, sequence, or order of the component is not limited by the term. Additionally, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present application. No.
도 1 내지 도 3은 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이고, 도 2 및 도 3은 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.1 to 3 show fuel cell systems according to various embodiments. FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 show other embodiments. This is a diagram showing a fuel cell system.
도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 시스템은 차량의 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인(110)과 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인(120)을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기(300)를 더 포함할 수 있으나, 생략 가능하다. Referring to FIG. 1, the fuel cell system for a vehicle is configured such that the first coolant circulates through the
연료전지 시스템은 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로, 또는 난방 루프)를 형성하거나, 또는 제1 냉각라인(110)과 냉각라인을 형성하기 위하여 제1 연결라인(130), 제2 연결라인(150), 및 제3 연결라인(140)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수는 제1 연결라인(130), 제2 연결라인(150), 또는 제3 연결라인(140)을 순환하면서 냉각 또는 가열될 수 있다. The fuel cell system forms a heating loop (heating circulation path, or heating loop) with the
제1 냉각수가 순환하는 제1 냉각라인(110) 상에는 연료전지 스택(10), 제1 밸브(20), 제1 펌프(30), 제2 밸브(40), 및 제1 라디에이터(60)가 배치될 수 있다. On the
연료전지 스택(10)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(10)은 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 만나서 물을 생성하는 반응을 일으키는데, 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다. The fuel cell stack 10 (or may be referred to as a 'fuel cell') is a structure capable of producing electricity through a redox reaction of fuel (eg, hydrogen) and an oxidizing agent (eg, air). can be formed. For example, in the
제1 밸브(20)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 히터(50)가 배치된 제1 연결라인(130) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 제1 밸브(20)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 밸브(20)는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 이 경우, 제1 밸브(20)는, 제1 펌프(30)에 의해 펌핑된 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제1 포트(21), 제1 밸브(20)를 통과하는 제1 냉각수가 연료전지 스택(10)으로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(22), 및 제1 연결라인(130)의 일단과 연결되는 제3 포트(23)를 포함할 수 있다. 제1 밸브(20)의 제2 포트(22) 및 제3 포트(23)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 연결라인(130)의 히터(50) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. The
제1 연결라인(130)은 제1 냉각수를 가열하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결라인(130)을 따라 유동하는 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)에 설치된 히터(50)를 통과하는 중에 가열될 수 있다. The
제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 강제적으로 유동시키도록 설정될 수 있다. 제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 펌핑할 수 있는 다양한 수단을 포함할 수 있으며 제1 펌프(30)의 종류 및 개수가 본 문서에서 제한되는 것은 아니다. The
제2 밸브(40)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제2 밸브(40)는 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에 위치하도록 제1 냉각라인(110) 상에 제공되며, 제3 연결라인(140)의 일단 및 제1 라디에이터(60)의 출구에 연결될 수 있다. 제2 밸브(40)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 밸브(40)는 사방 밸브(four way valve) 또는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 삼방 밸브인 경우, 제2 밸브(40)는 제3 연결라인(140)과 연결되는 제1 포트(41), 제1 라디에이터(60)를 통과하는 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(42), 및 제1 냉각수가 제1 펌프(30)로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제3 포트(44)를 포함하며, 사방 밸브인 제2 밸브(40)는 제2 연결라인(150)의 일단에 연결되는 제3 포트(43)를 더 포함할 수 있다. 제2 밸브(40)의 제1 포트(41) 또는 제2 포트(42)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. 제2 밸브(40)의 개도량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제1 라디에이터(60)를 지나고 나머지 일부는 제3 연결라인(140)을 따라 흐를 수 있다. The
제2 연결라인(150)에는 공조유닛(90)을 통과한 제1 냉각수의 이온을 필터링하는 이온 필터(95)가 구비될 수 있다. 시스템의 부식이나 용출(exudation) 등으로 인해 제1 냉각수의 전기전도도가 증가하면 제1 냉각수로 전기가 흐르게 되어 연료전지 스택(10)이 단락되거나 제1 냉각수 쪽으로 전류가 흐르게 되는 문제점이 발생하게 되므로, 제1 냉각수는 낮은 전기전도도를 유지할 수 있어야 한다. 이온 필터(95)는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 제1 냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 설정될 수 있다. The
제3 연결라인(140)은 제1 냉각수를 냉각하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 냉각 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제3 연결라인(140)의 일단은 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제3 연결라인(140)의 다른 일단은 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다. The
제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시키도록 설정될 수 있다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1 라디에이터(60)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수가 저장되는 제1 리저버(62)에 연결될 수 있다. The
연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)과 제1 지점(제1 밸브(20))의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제1 온도 센서(112), 제1 연결라인(130)의 다른 일단과 제1 펌프(30)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(114), 및 히터(50)에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제3 온도 센서(116)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템은 제1 온도 센서(112), 제2 온도 센서(114), 및 제3 온도 센서(116)에서 측정된 온도에 기초하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유입 유량을 제어할 수 있다. 일 예로, 제1 냉각라인(110)을 따라 순환하는 제1 냉각수의 측정 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 낮으면 제1 냉각수의 유입 유량을 미리 설정된 설정 유량보다 낮게 제어할 수 있다. The fuel cell system includes a
제2 냉각라인(120)은 차량의 전장부품(200)을 경유하도록 구성되며, 제2 냉각수는 제2 냉각라인(120)을 따라서 순환할 수 있다. 여기서, 차량의 전장부품(200)은, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 부품으로 이해될 수 있으며, 전장부품(200)의 종류 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. The
일 예로, 전장부품(200)은 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(air compressor, ACP), 연료전지 스택(10)과 차량의 고전압 배터리(미도시) 사이에 구비되는 BHDC(bi-directional high voltage DC-DC converter), 연료전지 스택(10)의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로어(미도시)를 제어하는 BPCU(blower pump control unit), 에어쿨러(air cooler), 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(low-voltage DC-DC converter) 및 DC-DC 벅/부스트(buck/boost) 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 그 외에도 여러 가지 부품들이 포함될 수 있다. As an example, the
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 강제적으로 유동시키기 위한 제2 펌프(205)가 배치될 수 있다. 제2 펌프(205)는 제2 냉각수를 펌핑할 수 있는 펌핑 수단을 포함할 수 있으며, 제2 펌프(205)의 종류 및 특성이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.A
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터(70)가 배치될 수 있다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2 라디에이터(70)의 종류 및 구조가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수가 저장되는 제2 리저버(72)에 연결될 수 있다.A
실시예에서, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 냉각팬(80)에 의해 동시에 냉각되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 나란하게 배치되고, 냉각팬(80)은 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)에 외기를 송풍하도록 설정될 수 있다. 하나의 냉각팬(80)에 의해 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 시스템의 구조는 간소화되고 설계자유도 및 공간활용성이 향상될 수 있으며, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 전력 소모가 최소화될 수 있다. In an embodiment, the
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 라디에이터(60)를 냉각시키기 위한 제1 냉각팬(80)과 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 제2 냉각팬(85)이 별도로 배치될 수 있다. 이 경우, 연료전지 시스템은 제1 냉각팬(80)의 회전수를 제어할 때 전장부품(200)의 열부하와 관련된 파라미터를 배제할 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 도 1의 연료전지 시스템 구조에 기반하지만, 동일한 원리가 도 2의 연료전지 시스템 구조에 적용될 수 있다. In another embodiment, as shown in FIG. 2, the
다시 도 1을 참조하면, 열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키도록 설정될 수 있다. 열교환기(300)가 포함되는 경우, 제1 냉각라인(110) 및 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수 및 제2 냉각수가 열교환을 수행하면서 유동할 수 있는 TMS(thermal management system) 라인을 구성할 수 있으며, 이 경우 제1 냉각수 또는 제2 냉각수는 TMS 라인 상에서 냉매(cooling medium) 또는 열매(heat medium)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전장부품을 냉각하는 제2 냉각수의 온도가 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제1 냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되므로, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 것에 의해 제1 라디에이터(60) 및 냉각팬(80)의 용량을 증가시키지 않고도 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있고, 연료전지 스택(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. Referring again to FIG. 1, the
실시 예에서, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제2 냉각라인(120)은 열교환기(300)를 경유하도록 제2 라디에이터(70)의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각수는 제1 냉각라인(110)에 연결된 열교환기(300)를 따라 유동될 수 있으며, 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수에 노출(예를 들어, 제1 냉각수가 제2 냉각라인(120)의 둘레를 따라 유동)되도록 열교환기(300)의 내부를 통과할 수 있다. 이와 같이, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 상호 열교환에 의해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있다. 제1 라디에이터(60)를 통과한 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 라디에이터(70)를 통과한 제2 냉각수의 제2 온도보다 높게 형성되고, 열교환기(300)를 통과한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 낮게 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 냉각수의 제2 온도보다 대략 10℃ 높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2 냉각수와 열교환)한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 1℃ 낮게 형성될 수 있다. In an embodiment, the
도 1 내지 도 2에 따른 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)와 별도로 배치되지만, 다른 실시예에서 열교환기(300)는 도 3에 도시된 바와 제1 라디에이터(60)에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 지정된 위치(좌측 상단부)에 연결될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 냉각라인의 전장품 배치 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 따른 제2 냉각라인의 유량 분배 동작에 대한 실시예를 도시한 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 냉각라인의 전장품 배치 구조를 도시한 도면이다.Figure 4 is a diagram showing the arrangement structure of electrical components of the second cooling line according to an embodiment of the present invention, and Figure 5 is a diagram showing an embodiment of the flow distribution operation of the second cooling line according to Figure 4. In addition, Figure 6 is a diagram showing the arrangement structure of electrical components in the second cooling line according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 제2 냉각라인 상의 제2 라디에이터(70)가 제2 냉각수를 냉각시키면, 제2 펌프(205)가 제2 라디에이터(70)에 의해 냉각된 제2 냉각수를 강제적으로 유동시켜 전장부품(200)으로 유입되도록 한다. 여기서, 제2 펌프(205)의 입구는 제2 냉각수가 제2 펌프(205에 유입되는 입구로 정의될 수 있다. 또한, 제2 펌프(205)의 출구는 제2 펌프(205)를 통과한 제2 냉각수가 배출되는 출구로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 4, when the
전장부품(200)은 제2 펌프(205)의 출구와 제2 라디에이터(70)의 입구 사이에서 제2 냉각라인(120)에 연결될 수 있다. 일 예로, 전장부품(200)은 공기압축기(ACP)(220), BHDC(230), 에어쿨러(ACL)(240), 컨버터(DC-DC converter)(250) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
제2 냉각라인(120)은 제2 펌프(205)의 출구 이후의 제1 지점에서 복수 개의 유로, 예를 들어, 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)로 분기되고, 복수 개의 유로는 제2 라디에이터(70)의 입구 이전의 제2 지점에서 결합될 수 있다.The
이에, 복수 개의 전장부품(200)은 제1 유로(410) 및 제2 유로(420) 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 전장부품(200)은 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)에 고르게 분산되어 각각 병렬 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 유로(410) 상에는 공기압축기(ACP)(220) 및 BHDC(230)가 배치되고, 제2 유로(420) 상에는 에어쿨러(ACL)(240) 및 컨버터(250)가 배치될 수 있다. 도 4의 실시예에서는 네 개의 전장부품(200)을 배치할 실시예를 도시하였으나, 그 수와 종류가 어느 하나에 한정되는 것은 아니다.Accordingly, the plurality of
제1 유로(410) 및 제2 유로(420) 중 어느 하나에는 차압 조절기(210)가 추가로 구비될 수 있다. 일 예로, 차압 조절기(210)는 제1 유로(410) 상에 구비될 수 있다. 이때, 차압 조절기(210)는 제2 냉각라인(120)에서 제1 유로(410)로 분기되는 지점과 전장부품(200) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 차압 조절기(210)는 제1 유로(410)와 제2 유로(420) 간 유량 분배를 원활하게 할 수 있도록, 제2 냉각라인(120)에서 제1 유로(410)로 분기되는 지점에 가까운 위치에 배치될 수 있다.A
차압 조절기(210)는 초기 동작 시 차압 조절 밸브를 100% 개도할 수 있으나, 제1 유로(410)와 제2 유로(420) 간 냉각수의 균등 분배를 위하여 사전에 설정된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절할 수 있다.The
일 예로, 차압 조절기(210)는 제1 유로(410) 상에 설치되어 있기 때문에, 제1 유로(410)에 대해 사전에 정의된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절하면, 제2 냉각라인(120)을 통해 유입된 냉각수 중 차압 조절기(210)에 의해 조절된 양의 냉각수가 제1 유로(410)로 유입되고, 나머지 냉각수가 제2 유로(420)로 유입될 수 있다.As an example, since the
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 냉각라인(120)을 따라 제2 펌프(205)를 통해 유입된 냉각수의 유량이 K [LPM]이라 가정했을 때, 제1 유로(410)의 기준 압력(PA)은 A [bar]이고, 제2 유로(420)의 기준 압력(PB)은 B [bar]와 같이 정의될 수 있다.As shown in FIG. 5, assuming that the flow rate of the coolant flowing through the
따라서, 차압 조절기(210)는 제1 유로(410)를 통해 냉각수가 유입되면, 제1 유로(410)로 유입되는 냉각수의 압력이 A [bar]가 되도록 차압 조절 밸브를 조절한다. 이에 따라, 제1 유로(410)에는 'K x B / ( A+B )'만큼의 냉각수가 유입되며, 제1 유로(410)로 유입된 냉각수는 제1 유로(410)를 따라 공기압축기(ACP)(220) 및 BHDC(230)로 유입될 수 있다.Accordingly, when coolant flows in through the
한편, 제2 유로(420)에는 차압 조절기(210)에 의해 제1 유로(410)의 압력이 조절됨에 따라 'K x A / ( A+B )'만큼의 냉각수가 유입되며, 제2 유로(420)로 유입된 냉각수는 제2 유로(420)를 따라 에어쿨러(ACL)(240) 및 컨버터(250)로 유입될 수 있다.Meanwhile, as the pressure of the
연료전지 시스템은 열관리 시스템 작동 시 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도를 확인할 수 있다. 일 예로, 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도는 각 전장부품(200)의 냉각수가 유입되는 입구에 설치된 온도센서로부터 수신될 것일 수 있다.The fuel cell system can check the inlet coolant temperature of each
연료전지 시스템은 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도에 기초하여 일부 또는 전체 유로의 유량 조절이 필요한지를 판단할 수 있다. 일 예로, 연료전지 시스템은 제1 유로(410) 상에 배치된 전장부품(200) 중 적어도 하나로부터 확인된 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 경우, 제1 유로(410) 상에 설치된 차압 조절기(210)의 차압 조절 밸브 개도량을 소정량 증가시킨다. 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 증가시키면, 제1 유로(410)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 증가하면서 제1 유로(410) 상 전장부품의 입구 냉각수 온도를 목표 냉각수 온도 이하로 하강시키는 것이 가능하게 된다.The fuel cell system can determine whether flow rate adjustment of some or all flow paths is necessary based on the inlet coolant temperature of each
한편, 연료전지 시스템은 제2 유로(420) 상에 배치된 전장부품(200) 중 적어도 하나로부터 확인된 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 경우, 제1 유로(410) 상에 설치된 차압 조절기(210)의 차압 조절 밸브 개도량을 소정량 감소시킨다. 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 감소시키면, 제1 유로(410)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 감소하게 되고, 이로 인해 제2 유로(420)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 증가하면서 제2 유로(420) 상 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도를 목표 냉각수 온도 이하로 하강시키는 것이 가능하게 된다.Meanwhile, when the inlet coolant temperature confirmed from at least one of the
여기서, 전장부품(200)을 하나의 유로 상에 직렬로 배치하는 경우, 해당 유로를 따라 이동하는 냉각수가 전장부품(200)을 통과할 때마다 냉각수 유량에 대한 압력 손실이 발생한다.Here, when the
한편, 전장부품(200)을 복수 개의 유로에 분산하여 병렬 배치하는 경우, 하나의 유로에 직렬 배치되는 전장부품(200)의 수를 줄임으로써 냉각수 유량에 대한 압력 손실을 최소화할 수 있으며, 이로 인해 제2 냉각라인(120)을 따라 이동하는 전체 냉각수 유량의 압력 강하량을 낮출 수 있다. 이와 같이, 전체 냉각수 유량의 압력 강하량을 낮추는 경우, 전체 시스템의 동수통수저항을 감소시키고, 동일 성능의 제2 펌프(205)를 이용하여 더 높은 압력의 유량을 가져갈 수 있으므로 제2 냉각라인(120) 상의 펌프 효율이 상승할 뿐만 아니라, 최대 유량값을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 이로 인해 전장부품(200)의 냉각 성능이 안정적으로 보장될 수 있다. On the other hand, when the
도 4의 실시예에서 제2 냉각라인(120)은 두 개의 유로, 즉, 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)로 분기되었으나, 다른 실시예에서 제2 냉각라인(120)은 도 6에 도시된 바와 같이 세 개의 유로, 즉, 제1 유로(410), 제2 유로(420) 및 제3 유로(430)로 분기될 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 실시 형태에 따라 더 많은 유로로 분기될 수도 있다. 이 경우, 전장부품(200)은 공기압축기(ACP)(220), BHDC(230), 에어쿨러(ACL)(240) 및 컨버터(250) 외에 BPCU(260), LDC(270) 등을 더 포함할 수 있다.In the embodiment of FIG. 4, the
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 냉각라인(120)이 세 개의 유로로 분기되는 경우에는 두 개의 유로에 차압 조절기(210, 215)가 각각 설치될 수도 있다. 일 예로, 제1 유로(410)에 제1 차압 조절기(210)가 설치되고, 제3 유로(430)(또는 제2 유로(420))에 제2 차압 조절기(215)가 설치될 수 있다.As shown in FIG. 6, when the
이 경우, 제1 및 제2 차압 조절기((210, 215)는, 도 4의 실시예와 마찬가지로, 제2 냉각라인(120)에서 제1 유로(410) 및 제3 유로(430)로 분기되는 지점과 전장부품(200) 사이에 배치될 수 있다. In this case, the first and second differential pressure regulators (210, 215) branch from the
여기서, 제1 및 제2 차압 조절기(210, 215)는 제1 유로(410) 내지 제3 유로(430) 간 유량 분배를 원활하게 할 수 있도록, 제2 냉각라인(120)에서 제1 유로(410) 및 제3 유로(430)로 분기되는 지점에 가까운 위치에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 차압 조절기(210, 215)는 초기 동작 시 차압 조절 밸브를 100% 개도할 수 있으나, 제1 유로(410) 내지 제3 유로(430) 간 냉각수의 균등 분배를 위하여 사전에 설정된 균등 분배 기준치에 따라 차압 조절 밸브를 조절할 수 있다.Here, the first and second
일 예로, 제1 차압 조절기(210)는 제1 유로(410)에 대해 사전에 정의된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절한다. 또한, 제2 차압 조절기(215)는 제3 유로(430)에 대해 사전에 정의된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절한다. 이때, 제2 냉각라인(120)을 통해 유입된 냉각수 중 제1 및 제2 차압 조절기(210, 215)에 의해 조절된 양의 냉각수가 제1 유로(410) 및 제3 유로(430)로 유입되고, 나머지 냉각수가 제2 유로(420)로 유입될 수 있다.As an example, the first
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 복수의 온도 센서(711~719) 및 제어부(720)를 포함할 수 있다.Figure 7 is a diagram illustrating a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the fuel cell system according to the present invention may include a plurality of temperature sensors 711 to 719 and a
여기서, 복수의 온도 센서(711~719)는 각 전장부품(200)의 입구에 배치되어, 해당 위치에서 해당 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도를 측정하는 센서일 수 있다. 각각의 온도 센서(711~719)는 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도가 측정되면, 측정된 온도 정보를 제어부(720)로 송신할 수 있다.Here, the plurality of temperature sensors 711 to 719 may be disposed at the inlet of each
제어부(720)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(720)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 열관리 시스템 운영에 관한 전반적인 기능을 수행할 수 있다.The
제어부(720)는 복수의 온도 센서(711~719)로부터 각각 수신된 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어를 위한 동작을 결정할 수 있다.The
일 예로, 제어부(720)는 제2 냉각라인(120)을 따라 이동하는 냉각수가 복수 개의 유로, 예를 들어, 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)로 분기되는 경우, 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도에 기초하여 일부 또는 전체 유로의 유량 조절이 필요한지를 판단할 수 있다. As an example, the
제어부(720)는 제1 유로(410) 상에 배치된 전장부품(200) 중 적어도 하나로부터 확인된 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 경우, 제1 유로(410) 상에 설치된 차압 조절기(210)의 차압 조절 밸브 개도량을 소정량 증가시키도록 제어할 수 있다. 이때, 제어부(720)는 차압 조절 밸브의 개도량을 상향 조절하는 제1 제어 신호를 차압 조절기(210)로 송신할 수 있다. 이에, 차압 조절기(210)는 제어부(720)로부터의 제1 제어 신호에 기초하여 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 상향 조절할 수 있다. 여기서, 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 상향 조절하면, 제1 유로(410)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 증가하면서 제1 유로(410) 상 전장부품의 입구 냉각수 온도를 목표 냉각수 온도 이하로 하강시키는 것이 가능하게 된다.When the inlet coolant temperature confirmed from at least one of the
한편, 제어부(720)는 제2 유로(420) 상에 배치된 전장부품(200) 중 적어도 하나로부터 확인된 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 경우, 제1 유로(410) 상에 설치된 차압 조절기(210)의 차압 조절 밸브 개도량을 하향 조절하는 제2 제어 신호를 차압 조절기(210)로 송신할 수 있다. 이에, 차압 조절기(210)는 제어부(720)로부터의 제2 제어 신호에 기초하여 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 하향 조절할 수 있다. 여기서, 차압 조절 밸브의 개도량을 소정량 하향 조절하면, 제1 유로(410)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 감소하게 되고, 이로 인해 제2 유로(420)를 따라 유입되는 냉각수 유량이 증가하면서 제2 유로(420) 상 전장부품의 입구 냉각수 온도를 목표 냉각수 온도 이하로 하강시키는 것이 가능하게 된다.Meanwhile, when the inlet coolant temperature confirmed from at least one of the
물론, 도 6의 실시예와 같이, 제2 냉각라인(120)이 세 개 또는 그 이상의 유로로 분기된 경우, 제어부(720)는 각 유로 상황에 맞는 제어 신호를 생성하여 각각의 차압 조절기(210)로 송신할 수도 있다.Of course, as in the embodiment of FIG. 6, when the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The thermal management operation flow of the fuel cell system according to the present invention configured as described above will be described in more detail as follows.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating the operation flow of a thermal management control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템은 열관리 시스템이 작동 온(ON) 상태가 되면(S110), 초기 동작 시 제2 냉각라인(120) 상의 전장부품(200)의 냉각을 위해 차압 조절 밸브를 100% 개도한다(S120).Referring to FIG. 8, when the thermal management system is turned on (S110), the fuel cell system operates the differential pressure control valve at 100 to cool the
이후, 연료전지 시스템은 제2 펌프(205)에 의해 제1 유로(410)와 제2 유로(420)로 유입되는 냉각수의 균등 분배를 위하여 사전에 설정된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 통한 유량 분배를 조절한다(S130). 일 예로, 연료전지 시스템은 제1 유로(410)의 기준 압력을 A[bar]로 조절하고, 제2 유로(420)의 기준 압력을 B[bar]로 조절하기 위하여, 제1 유로(410) 상에 설치된 차압 조절기(210)의 차압 조절 밸브를 제어할 수 있다.Thereafter, the fuel cell system distributes the flow rate through a differential pressure control valve according to a preset reference pressure in order to equally distribute the coolant flowing into the
연료전지 시스템은 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)를 따라 냉각수가 유입되는 동안 제1 유로(410) 및 제2 유로(420) 상의 각 전장부품의 입구 냉각수 온도를 확인한다(S140). 'S140' 과정에서, 연료전지 시스템은 각 유로의 전장부품(200)의 입구에 설치된 온도 센서(711~719)로부터 수신된 온도 정보에 기초하여 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도를 확인할 수 있다.The fuel cell system checks the inlet coolant temperature of each electrical component on the
연료전지 시스템은 'S140' 과정에서 확인한 각 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는지를 판단할 수 있다.The fuel cell system can determine whether the inlet coolant temperature of each
먼저, 연료전지 시스템은 제1 유로(410) 내 적어도 하나의 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 것으로 확인되면(S150), 제1 유로(410) 상의 냉각수 유량이 증가할 수 있도록 제1 유로(410) 상의 차압 조절 밸브의 개도량을 증가시킨다(S160). 한편, 연료전지 시스템은 제2 유로(420) 내 적어도 하나의 전장부품(200)의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하는 것으로 확인되면(S170), 제2 유로(420) 상의 냉각수 유량이 증가할 수 있도록 제1 유로(410) 상의 차압 조절 밸브의 개도량을 감소시킨다(S180).First, when the fuel cell system determines that the inlet coolant temperature of at least one
여기서, 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)는 도 4의 실시예에서와 같이 제2 냉각라인(120)이 분기된 것으로, 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)에는 각각 전장부품(200)이 병렬로 배치될 수 있다.Here, the
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 제2 냉각라인(120)을 통해 이동하는 냉각수를 이용하여 전장부품(200)을 냉각시키는 경우, 유로를 분기하여 전장부품(200)을 병렬로 배치함으로써 냉각수 유량의 압력 감소를 최소화하고, 차압 조절기(210)를 이용하여 각 유로마다 유량을 균등 분배하거나, 혹은 추가 냉각이 필요한 유로에 냉각수 유량을 과분배함으로써 전장부품(200)의 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.As such, when the fuel cell system according to the present invention cools the
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 illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.
10: 연료전지 스택
60: 제1 라디에이터
70: 제2 라디에이터
120: 제2 냉각라인
205: 제2 펌프
200, 220~270: 전장부품
210, 215: 차압 조절기
410: 제1 유로
420: 제2 유로
430: 제3 유로
711~719: 온도 센서
720: 제어부10: Fuel cell stack 60: First radiator
70: second radiator 120: second cooling line
205:
210, 215: differential pressure regulator 410: first flow path
420: 2nd Euro 430: 3rd Euro
711~719: Temperature sensor 720: Control unit
Claims (16)
상기 복수 개의 전장부품을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터; 및
상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 냉각수를 상기 전장부품으로 유동시키는 펌프를 포함하고,
상기 복수 개의 전장부품은,
상기 펌프의 출구와 상기 라디에이터의 입구 사이의 냉각라인 중 일 구간에서 병렬로 배치되는 연료전지 시스템.A plurality of electrical components;
a radiator disposed on a cooling line through which coolant circulates through the plurality of electrical components and configured to cool the coolant; and
It includes a pump disposed on the cooling line to flow the coolant to the electrical components,
The plurality of electrical components are,
A fuel cell system arranged in parallel in one section of the cooling line between the outlet of the pump and the inlet of the radiator.
상기 냉각라인은,
상기 펌프의 출구와 연결된 냉각라인 상의 제1 지점에서 제1 유로 및 제2 유로로 분기되고, 상기 라디에이터의 입구와 연결된 냉각라인 상의 제2 지점에서 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로가 결합된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The cooling line is,
Branched into a first flow path and a second flow path at a first point on the cooling line connected to the outlet of the pump, and combining the first flow path and the second flow path at a second point on the cooling line connected to the inlet of the radiator. Characterized by a fuel cell system.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로는,
적어도 하나 이상의 전장부품이 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The first flow path and the second flow path are,
A fuel cell system characterized by at least one electrical component arranged in series.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 중 어느 하나에 배치되어, 해당 유로를 따라 유입되는 냉각수의 유량을 조절하는 차압 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The fuel cell system further includes a differential pressure regulator disposed in one of the first flow path and the second flow path to adjust the flow rate of coolant flowing along the corresponding flow path.
상기 차압 조절기는,
상기 차압 조절기가 배치된 유로에 대응하여 설정된 기준 압력에 따라 차압 조절 밸브를 조절하여 해당 유로로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 4,
The differential pressure regulator,
A fuel cell system, characterized in that the flow rate of coolant flowing into the corresponding passage is controlled by adjusting the differential pressure control valve according to the reference pressure set in response to the passage in which the differential pressure regulator is disposed.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 상에 배치된 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 차압 조절기를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 5,
A fuel cell system further comprising a control unit that controls the differential pressure regulator according to the inlet coolant temperature of each electrical component disposed on the first flow path and the second flow path.
상기 제어부는,
상기 제1 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 증가하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 상향 조절하는 제1 제어 신호를 상기 차압 조절기로 송신하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 6,
The control unit,
When the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the first flow path exceeds the target coolant temperature, a first control signal for upwardly adjusting the opening amount of the differential pressure control valve to increase the coolant flow rate of the first flow path A fuel cell system characterized in that it transmits to the differential pressure regulator.
상기 제어부는,
상기 제2 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 감소하도록 상기 차압 조절 밸브의 개도량을 하향 조절하는 제2 제어 신호를 상기 차압 조절기로 송신하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 6,
The control unit,
When the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the second flow path exceeds the target coolant temperature, a second control signal for downwardly adjusting the opening amount of the differential pressure control valve so that the coolant flow rate of the first flow path decreases. A fuel cell system characterized in that it transmits to the differential pressure regulator.
상기 제1 유로 및 상기 제2 유로 상의 전장부품의 입구에 각각 배치되어 해당 전장부품의 입구 냉각수 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 6,
The fuel cell system further includes a temperature sensor disposed at the inlet of the electrical component on the first flow path and the second flow path, respectively, to measure the temperature of the coolant at the inlet of the corresponding electric component.
상기 차압 조절기는,
상기 제1 지점과 상기 전장부품 사이의 유로 상에 배치되되, 상기 제1 지점에 가까운 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 4,
The differential pressure regulator,
A fuel cell system disposed on a flow path between the first point and the electrical component, and disposed in a position close to the first point.
상기 냉각라인은,
상기 제1 지점 및 상기 제2 지점 사이에서 적어도 세 개 이상의 유로로 분기되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The cooling line is,
A fuel cell system characterized in that it branches into at least three flow paths between the first point and the second point.
상기 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로로 유입되는 냉각수 유량을 조절하는 단계;
를 포함하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.Flowing coolant to each electrical component disposed on a first flow path and a second flow path branched from a section of a cooling line in which coolant passing through a plurality of electric parts is circulated; and
adjusting the flow rate of coolant flowing into the first flow path and the second flow path according to the inlet coolant temperature of each electrical component;
A thermal management control method for a fuel cell system including.
상기 제1 유로 및 제2 유로 상에 배치된 각 전장부품의 입구 냉각수 온도를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.In claim 12,
A thermal management control method for a fuel cell system, further comprising checking the inlet coolant temperature of each electrical component disposed on the first flow path and the second flow path.
상기 냉각수 유량을 조절하는 단계는,
상기 각 전장부품의 입구 냉각수 온도에 따라 상기 제1 유로 상에 배치된 차압 조절기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.In claim 12,
The step of adjusting the coolant flow rate is,
A thermal management control method for a fuel cell system, comprising the step of controlling a differential pressure regulator disposed on the first flow path according to the inlet coolant temperature of each electrical component.
상기 차압 조절기를 제어하는 단계는,
상기 제1 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 증가하도록 차압 조절 밸브의 개도량을 상향 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.In claim 14,
The step of controlling the differential pressure regulator is,
When the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the first flow path exceeds the target coolant temperature, adjusting the opening amount of the differential pressure control valve upward to increase the coolant flow rate of the first flow path. A thermal management control method for a fuel cell system characterized by:
상기 차압 조절기를 제어하는 단계는,
상기 제2 유로 상에 배치된 전장부품 중 적어도 하나의 입구 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도를 초과하면, 상기 제1 유로의 냉각수 유량이 감소하도록 차압 조절 밸브의 개도량을 하향 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.
In claim 14,
The step of controlling the differential pressure regulator is,
When the inlet coolant temperature of at least one of the electrical components disposed on the second flow path exceeds the target coolant temperature, downwardly adjusting the opening amount of the differential pressure control valve so that the coolant flow rate of the first flow path decreases. A thermal management control method for a fuel cell system characterized by:
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