KR20230158307A - Method and system for multiple fuel cell of fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계, 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계 및 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템이 소개된다.Step of increasing the power generation output of a plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the controller, and in a state where the power generation output of the plurality of fuel cells is increased in the controller, each fuel cell is based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell. A method of controlling a plurality of fuel cells for a fuel cell vehicle, including deriving a deterioration rate of the battery and differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next driving of the fuel cell vehicle according to the deterioration rate derived from the controller; The control system is introduced.
Description
본 발명은 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 복수의 연료전지 각각의 열화율 차이에 따라 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어할 수 있는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and control system for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle, and specifically, to a fuel cell vehicle capable of differentially controlling the power generation output of each fuel cell according to the difference in the deterioration rate of each of the plurality of fuel cells. It relates to a plurality of fuel cell control method and control system.
연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등 친환경 차량의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.A fuel cell is a device that receives hydrogen and air from the outside and generates electrical energy through an electrochemical reaction inside the fuel cell stack. It is used to drive motors in eco-friendly vehicles such as fuel cell electric vehicles (FCEV). Can be used as a power source.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 동력원으로 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.The fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle consists of a fuel cell stack that stacks a plurality of fuel cell cells used as a power source, a fuel supply system that supplies hydrogen as a fuel to the fuel cell stack, and oxygen as an oxidizing agent necessary for electrochemical reactions. It includes an air supply system that supplies energy, a heat management system that uses coolant to control the temperature of the fuel cell stack, etc.
구체적으로, 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)에서는 가장 안 쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하고, 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode, 공기극) 및 애노드(Anode, 연료극)로 구성된다.Specifically, in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) with high power density, the main component, the membrane-electrode assembly (MEA), is located at the innermost part, and the membrane-electrode assembly contains hydrogen ions. It consists of a solid polymer electrolyte membrane that can move the electrolyte membrane, and a cathode (air electrode) and anode (anode), which are electrode layers coated with a catalyst to allow hydrogen and oxygen to react on both sides of the electrolyte membrane.
한편, 연료전지는 일반적인 고전압배터리와 마찬가지로 장시간 사용할수록 연료전지 내부 구성요소들의 열화가 진행된다. 연료전지의 열화가 발생하는 경우 동일 전류 대비 발전전압값 또는 동일 전류 대비 발전출력값이 낮아지게 되어, 최대 출력 구간에서 전압 강하로 인한 출력 불안정 및 시스템 셧다운(Shut-down) 현상이 발생할 수 있다.Meanwhile, like a general high-voltage battery, the internal components of a fuel cell deteriorate as it is used for a long time. If fuel cell deterioration occurs, the generated voltage value compared to the same current or the generated output value compared to the same current decreases, which may cause output instability and system shutdown due to voltage drop in the maximum output section.
이에 따라 연료전지의 수명이 제한되어, 연료전지 차량의 제조에 있어서 연료전지의 열화 문제는 가장 중요하게 고려해야 할 요소 중 하나에 해당한다.Accordingly, the lifespan of the fuel cell is limited, and the problem of fuel cell deterioration is one of the most important factors to be considered in the manufacture of fuel cell vehicles.
현재 연료전지의 열화 정도를 진단하는 다양한 열화 진단시스템 및 진단방법이 적용되고 있으며, 이와 관련한 자세한 사항은 특허문헌 1(KR 10-2012-0136819 A)에 개시되어 있다.Currently, various degradation diagnosis systems and methods are being applied to diagnose the degree of deterioration of fuel cells, and detailed information regarding this is disclosed in Patent Document 1 (KR 10-2012-0136819 A).
한편, 현재 양산되는 상용 연료전지 차량 중, 고출력을 필요로 하는 차량(예를 들어, 시내버스, 트럭, 고속버스 등)의 경우 복수개(2개 이상)의 연료전지를 탑재하고 있다.Meanwhile, among commercial fuel cell vehicles currently being mass-produced, vehicles that require high output (for example, city buses, trucks, express buses, etc.) are equipped with multiple fuel cells (two or more).
이러한 상용 연료전지 차량은, 복수개의 연료전지 중 어느 하나 이상이 교체가 필요할 정도로 열화된 경우, 전체 연료전지를 교체해야 하므로 각 연료전지의 열화율을 비슷하게 조절할 필요가 있다.In such commercial fuel cell vehicles, if one or more of the plurality of fuel cells deteriorates to the point where replacement is necessary, the entire fuel cell must be replaced, so it is necessary to similarly adjust the deterioration rate of each fuel cell.
이에, 종래에는 각 연료전지의 발전출력을 동일하게 제어하는 균등 제어가 수행된 바 있다. 그러나 균등하게 발전을 제어함에도 각 연료전지의 사용부하의 차이, 연료전지 스택 내부 셀의 제작 편차, 사용재료의 편차 등의 이유로 인해 각 연료전지의 열화 진행 정도는 차이가 발생할 수 밖에 없다.Accordingly, conventionally, equal control has been performed to equally control the power generation output of each fuel cell. However, even if power generation is controlled equally, the degree of deterioration of each fuel cell is bound to differ due to reasons such as differences in the load of each fuel cell, manufacturing variation of the cells inside the fuel cell stack, and variation in materials used.
각 연료전지의 열화 진행 정도에 차이가 발생하였음에도 불구하고, 지속적으로 균등 제어를 실시하게 되면 상대적으로 열화 정도가 심한 연료전지는 전류의 인출 량이 계속 증대되어 열화가 더욱 가속화된다.Despite the difference in the degree of deterioration of each fuel cell, if uniform control is continuously performed, the amount of current drawn from the fuel cell with a relatively severe degree of deterioration continues to increase, further accelerating the deterioration.
따라서 각 연료전지의 열화율 차이를 판단하여, 열화의 진행 속도를 균등하게 관리할 수 있는 기술의 제공이 시급한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to provide technology that can determine the difference in the deterioration rate of each fuel cell and manage the rate of deterioration equally.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as acknowledgment that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수의 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하고, 도출된 열화도 비율에 따라 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어함으로써, 복수의 연료전지의 열화 진행 속도를 균등하게 관리할 수 있는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 제어시스템을 제공하고자 한다.The present invention was proposed to solve this problem. The deterioration rate of each fuel cell is derived based on the output voltage compared to the current consumption of a plurality of fuel cells, and the power generation output of each fuel cell is calculated according to the derived deterioration rate. The object of the present invention is to provide a method and control system for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle that can equally manage the rate of deterioration of multiple fuel cells by differentially controlling them.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계, 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계 및 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계를 포함한다.A method of controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention to achieve the above object includes the steps of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the controller, and controlling the plurality of fuel cells in the controller. With the power generation output increased, the deterioration rate ratio of each fuel cell is derived based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell, and according to the deterioration rate rate derived from the controller, each fuel cell is It includes the step of differentially controlling the power generation output of the battery.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계 이전에는, 제어기에서 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.Before the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the method for controlling the plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the controller determines whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of the plurality of fuel cells. Additional steps may be included.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지의 정상 구동 상태 여부 및 연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부를 확인함으로써 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단할 수 있다.In the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of a plurality of fuel cells in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the controller determines whether the fuel cell is in a normal operating state and the output of the fuel cell is within the allowable output. By checking this, it is possible to determine whether it is necessary to diagnose the deterioration of multiple fuel cells.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량 또는 공기압축기의 회전수 또는 연료전지의 온도 중 어느 하나에 기반하여 연료전지의 정상 구동 상태 여부를 확인할 수 있다.In the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of a plurality of fuel cells in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the controller determines any of the charge amount of the high-voltage battery, the number of revolutions of the air compressor, or the temperature of the fuel cell. Based on this, it is possible to check whether the fuel cell is operating normally.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지의 출력이 미리 마련된 기준출력범위 이내인 경우 허용 출력 이내인 것으로 판단할 수 있다.In the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of a plurality of fuel cells in the method of controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, if the output of the fuel cell in the controller is within a preset standard output range, the output is within the allowable output range. It can be judged that
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계에서는, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량이 미리 마련된 기준범위 이내인 경우 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킬 수 있다.In the step of increasing the power generation output of a plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, if the charge amount of the high-voltage battery is within a preset reference range in the controller, the power generation output of the plurality of fuel cells is increased. The power generation output of the fuel cell can be increased.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계에서는, 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 최대값으로 증대시킬 수 있다.In the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the method of controlling the plurality of fuel cells of the fuel cell vehicle according to the present invention, the controller increases the power generation output of the plurality of fuel cells to the maximum value. You can.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서 소모전류 대비 출력전압은, 제어기에서 차량의 주행시간 동안 소모된 전체 전류량을 적분한 적분값 대비 차량의 주행시간 동안 각 연료전지의 출력전압을 평균한 평균값인 것을 특징으로 할 수 있다.In the step of deriving the deterioration rate ratio of each fuel cell in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the output voltage compared to the current consumed is an integral value obtained by integrating the total amount of current consumed during the driving time of the vehicle in the controller. It can be characterized as an average value of the output voltage of each fuel cell during the vehicle's driving time.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서는 제어기에서 차량의 전기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압과 차량의 당기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압의 차이에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출할 수 있다.In the step of deriving the deterioration rate of each fuel cell in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the controller calculates the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell when the vehicle is driven on electricity and each fuel cell when the vehicle is driven during the current period. The deterioration rate of each fuel cell can be derived based on the difference in output voltage compared to current consumption.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서는 제어기에서 도출된 각 연료전지의 열화도 비율을 비교하고, 열화도 비율의 차이가 과도한 경우 각 연료전지의 열화도 비율을 저장할 수 있다.In the step of deriving the deterioration rate ratio of each fuel cell in the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the deterioration rate ratios of each fuel cell derived from the controller are compared, and if the difference in deterioration rate rates is excessive, The deterioration rate of each fuel cell can be stored.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 복수의 연료전지는 2개의 연료전지이고, 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계에서는, 제어기에서 저장된 각 연료전지의 열화도 비율을 각 연료전지에 역으로 적용하여 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어할 수 있다.In the method of controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the plurality of fuel cells are two fuel cells, and in the step of differentially controlling the power generation output of each fuel cell, the deterioration rate of each fuel cell stored in the controller is determined. By applying this to each fuel cell in reverse, the power generation output of each fuel cell can be differentially controlled.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템은, 차량의 요구출력을 제공하는 복수의 연료전지 및 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키고, 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하며, 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 제어기를 포함한다.The plurality of fuel cells control system for a fuel cell vehicle according to the present invention increases the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the plurality of fuel cells and the high voltage battery that provides the required output of the vehicle, and With the power generation output increased, the deterioration rate of each fuel cell is derived based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell, and according to the derived deterioration rate rate, the power generation of each fuel cell is determined during the next run of the fuel cell vehicle. Includes a controller that differentially controls output.
본 발명의 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 복수의 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하고, 도출된 열화도 비율에 따라 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어함으로써, 복수의 연료전지의 열화 진행 정도를 균등하게 관리할 수 있다.According to the method and control system for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle of the present invention, the deterioration rate of each fuel cell is derived based on the output voltage compared to the current consumption of the plurality of fuel cells, and according to the derived deterioration rate rate. By differentially controlling the power generation output of each fuel cell, the degree of deterioration of a plurality of fuel cells can be managed equally.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 순서도.
도 2는 연료전지가 열화된 경우 동일 전류 대비 출력전압이 하강하는 경향을 나타낸 그래프.
도 3은 연료전지가 열화된 경우 동일 전류 대비 발전출력이 하강하는 경향을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 것을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템을 나타낸 도면.1 is a flowchart of a method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the tendency for output voltage to decrease compared to the same current when the fuel cell deteriorates.
Figure 3 is a graph showing the tendency for power generation output to decrease compared to the same current when the fuel cell deteriorates.
FIG. 4 is a graph showing increasing the power generation output of a plurality of fuel cells based on the charge amount of a high-voltage battery in a method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing a plurality of fuel cell control systems of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
이 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
또한, 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.In addition, terms such as first and/or second may be used to describe various components, but these terms are only used to distinguish the component from other components, for example, from the scope of rights according to the concept of the present invention. Without exception, the first component may be referred to as the second component, and similarly the second component may also be referred to as the first component.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration and operating principles of various embodiments of the disclosed invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 순서도이고, 도 2는 연료전지(200)가 열화된 경우 동일 전류 대비 출력전압이 하강하는 경향을 나타낸 그래프이며, 도 3은 연료전지(200)가 열화된 경우 동일 전류 대비 발전출력이 하강하는 경향을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시키는 것을 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지(200) 제어시스템을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a flowchart of a method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the tendency of the output voltage to decrease compared to the same current when the
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400), 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계(S510, S520, S530) 및 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계(S600)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention includes a step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high voltage battery in the controller (S400), and the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells in the controller based on the charge amount of the high voltage battery. With the power generation output of the fuel cell increased, the deterioration rate ratio of each fuel cell is derived based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell (S510, S520, S530) and the deterioration rate rate derived from the controller Accordingly, a step (S600) of differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next driving of the fuel cell vehicle is included.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서, 연료전지 차량은 상대적으로 고출력이 요구되는 연료전지 차량을 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 최소 2개 이상의 복수의 연료전지를 탑재한 연료전지 차량을 전제로 한다.In the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the fuel cell vehicle can be understood to mean a fuel cell vehicle requiring relatively high output, and a fuel cell equipped with at least two or more fuel cells. It is assumed to be an electric vehicle.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서, 고전압 배터리(100)의 충전량이란, 현재 사용할 수 있는 배터리 용량을 전체 용량으로 나누어 백분율(%)로 나타낸 값을 의미하는 것으로서, 일반적으로 'SOC(State of Charge)'로 표현된다. 고전압 배터리(100)의 충전량이 100%이면 배터리가 완충된 상태를 의미하고, 반대로 고전압 배터리(100)의 충전량이 0%이면 배터리가 모두 소모된 상태를 의미한다.In the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the charge amount of the high-
또한, 본 명세서에서 '열화도 비율' 또는 '열화율'은 동일한 의미로 사용하기로 하며, 각 연료전지의 열화 진행 정도를 나타내는 지표로서 이해함이 바람직하다.In addition, in this specification, 'deterioration rate' or 'deterioration rate' are used with the same meaning, and are preferably understood as an indicator indicating the degree of deterioration of each fuel cell.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 일반적인 연료전지(200)의 사용에 따른 열화 발생시 동일 전류 대비 전압 강하 현상과 이에 따른 문제를 도 2 및 도 3을 참조하여 먼저 살펴보기로 한다.To help understand the present invention, the phenomenon of voltage drop compared to the same current when deterioration occurs due to use of a
도 2는 연료전지(200)가 열화된 경우 동일 전류 대비 출력전압이 하강하는 경향을 나타낸 그래프이고, 도 3은 연료전지(200)가 열화된 경우 동일 전류 대비 발전출력이 하강하는 경향을 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the tendency for output voltage to decrease relative to the same current when the
도 2에서는 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향곡선(A)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향곡선(B)를 도시하고 있으며, 도 3에서는 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-출력 경향곡선(C)과 열화가 진행된 연료전지의 전류-출력 경향곡선(D)을 도시하고 있다.Figure 2 shows the current-voltage trend curve (A) of a fuel cell in which deterioration has not progressed and the current-voltage trend curve (B) in a fuel cell in which deterioration has progressed, and Figure 3 shows the current-voltage trend curve (B) of a fuel cell in which deterioration has not progressed. The current-output trend curve (C) and the current-output trend curve (D) of the deteriorated fuel cell are shown.
여기서 열화가 진행되지 않은 연료전지란 프레시(Fresh) 상태(Beginning of Life, BOL)의 연료전지로서 초기 연료전지를 의미하고, 열화가 진행된 연료전지란 열화에 따라 요구수명(End of Life, EOL)이 경과하여 교체가 필요한 연료전지 또는 BOL 상태에서 EOL 상태로 점차 진행되고 있는 중간상태(Middle of Life, MOL)의 연료전지를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.Here, a fuel cell with no deterioration refers to a fuel cell in a fresh state (Beginning of Life, BOL), which means an initial fuel cell, and a fuel cell with advanced deterioration refers to a fuel cell with a required lifespan (End of Life, EOL) depending on the deterioration. It can be understood to mean a fuel cell that needs to be replaced after this or a fuel cell in the middle of life (MOL) that is gradually progressing from the BOL state to the EOL state.
먼저 도 2를 살펴보면, 동일 전류를 기준으로 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향곡선(A)이 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향곡선(B)보다 상측에 위치한 것을 알 수 있다.First, looking at FIG. 2, it can be seen that the current-voltage trend curve (A) of the fuel cell that has not deteriorated based on the same current is located above the current-voltage trend curve (B) of the fuel cell that has deteriorated. .
즉, 열화된 연료전지의 출력전압이 동일 전류 대비 하강하는 전압 강하 현상이 발생한다.In other words, a voltage drop phenomenon occurs in which the output voltage of a deteriorated fuel cell falls compared to the same current.
그리고 도 3을 살펴보면, 동일 전류를 기준으로 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-출력 경향곡선(C)이 열화가 진행된 연료전지의 전류-출력 경향곡선(D)보다 상측에 위치한 것을 알 수 있다.And looking at FIG. 3, it can be seen that the current-output trend curve (C) of the fuel cell that has not deteriorated based on the same current is located above the current-output trend curve (D) of the fuel cell that has deteriorated. .
즉, 앞서 살펴본 열화된 연료전지의 출력전압이 동일 전류 대비 하강하는 전압 강하 현상에 따라 전류와 전압의 곱으로 표현되는 발전출력 역시 동일 전류 대비 강하되는 현상이 발생하는 것이다.In other words, due to the voltage drop phenomenon in which the output voltage of a deteriorated fuel cell is lowered compared to the same current as seen above, the power generation output expressed as the product of current and voltage also decreases compared to the same current.
따라서, 연료전지(200)의 열화가 진행될수록 동일한 출력을 발전하기 위해서는 기존보다 더 많은 전류를 필요로 하게 된다. 더 많은 전류를 사용할수록 연료전지(200)의 열화 현상이 더욱 가속화되므로, 복수의 연료전지(200) 각각의 열화 진행 정도에 차이가 발생하게 된다.Therefore, as the
복수의 연료전지(200) 각각의 열화 진행 정도에 차이가 발생하면, 복수의 연료전지(200) 중 어느 하나 이상의 연료전지가 교체가 필요할 정도로 열화되어 교체를 하는 경우에 있어서, 상대적으로 덜 열화되어 아직 교체할 필요가 없는 연료전지를 포함한 모든 연료전지를 교체해야 하므로 불필요한 정비 비용이 추가적으로 발생하는 문제가 있다.If there is a difference in the degree of deterioration of each of the plurality of
이에, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 각 연료전지의 발전출력을 동일하게 제어하는 균등 제어가 수행된 바 있다(S200). 그러나 각 연료전지(200)를 균등하게 제어하더라도 각 연료전지(200)의 사용부하의 차이, 연료전지(200) 스택 내부 셀의 제작 편차, 사용재료의 편차 등의 이유로 인해 각 연료전지(200)의 열화 진행 정도는 차이가 발생할 수 밖에 없다.Accordingly, conventionally, as shown in FIG. 1, equal control has been performed to equally control the power generation output of each fuel cell (S200). However, even if each
여기서 사용부하는 도 5에 도시된 바와 같이, 연료인 수소를 공급하는 수소공급계, 수소와의 반응물인 산소를 공급하는 공기공급계, 수소와 산소의 전기화학반응의 부산물인 열과 물을 관리하는 관리계 등을 포함한 연료전지 주변장치(BOP, Balance of Plant, 30) 또는 차량 실내 냉난방장치의 구성요소인 차량 냉방용 압축기(40) 등을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.Here, as shown in Figure 5, the usage load is a hydrogen supply system that supplies hydrogen as a fuel, an air supply system that supplies oxygen as a reactant with hydrogen, and a system that manages heat and water that are by-products of the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It can be understood to mean a fuel cell peripheral device (BOP, Balance of Plant, 30) including a management system, etc., or a vehicle cooling compressor (40), which is a component of the vehicle's interior air conditioning system.
이러한 사용부하의 차이 등에 따라 열화 진행 정도에 차이가 발생한 상태에서 지속적으로 균등 제어가 실시될 경우, 상대적으로 열화 정도가 심한 연료전지의 열화가 가속화되어, 열화 진행 속도에도 차이가 발생하게 된다.If uniform control is continuously implemented while there is a difference in the degree of deterioration due to differences in usage load, etc., the deterioration of the fuel cell with a relatively severe degree of deterioration is accelerated, resulting in a difference in the rate of deterioration.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400), 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계(S510, S520, S530) 및 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계(S600)를 포함하여, 복수의 연료전지 각각의 열화 진행 속도를 균등하게 관리하고자 한다.Accordingly, the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention includes the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the controller (S400), and the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells in the controller. With the output increased, a step of deriving the deterioration rate of each fuel cell based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell (S510, S520, S530) and the fuel cell vehicle according to the deterioration rate derived from the controller. Including the step (S600) of differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next driving of the fuel cell, the deterioration progress rate of each of the plurality of fuel cells is managed equally.
구체적으로, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서는 고전압 배터리의 충전량이 연료전지 차량의 요구출력을 만족할 정도로 충분한 경우, 연료전지의 발전출력을 증대시켜 잉여출력을 발생시키고, 잉여출력을 활용하여 연료전지 차량의 주행 중 각 연료전지(200)의 열화율을 판단하고자 한다.Specifically, in the step (S400) of increasing the power generation output of a plurality of fuel cells in the controller based on the charge amount of the high-voltage battery, if the charge amount of the high-voltage battery is sufficient to satisfy the required output of the fuel cell vehicle, the power generation output of the fuel cell is increased. We intend to generate surplus output by increasing the surplus output and use the surplus output to determine the deterioration rate of each
즉, 연료전지 차량의 요구출력에는 영향이 없으므로 차량을 안정적으로 주행하면서도 각 연료전지(200)의 열화율을 판단할 수 있는 효과가 있다. 이에 대한 자세한 작용원리는 후술하기로 한다.In other words, since there is no effect on the required output of the fuel cell vehicle, it is possible to determine the deterioration rate of each
그리고 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계(S510, S520, S530)에서는, 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 살펴본 바와 같이, 연료전지(200)의 열화에 따른 동일 전류 대비 전압이 강하하는 현상에 의해 연료전지(200)의 열화가 진행될수록 동일한 출력을 발전하기 위해서는 기존보다 더 많은 전류를 필요로 하게 되는 점을 활용하여 각 연료전지(200)의 열화율을 판단하고자 한다.And with the controller increasing the power generation output of a plurality of fuel cells, in the steps (S510, S520, and S530) of deriving the deterioration rate of each fuel cell based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell, As seen with reference to Figures 2 and 3, as the deterioration of the
다시 말해, 각 연료전지(200)에 동일한 발전출력을 요구하더라도 각 연료전지(200)의 열화율에 따라 실제 사용한 전하량이 다르므로 출력전압 역시 상이하게 된다. 즉, 연료전지(200)의 사용 전하량에 대한 출력전압의 비율을 통해 연료전지(200)의 열화율을 도출할 수 있으며, 이때 사용 전하량에 대한 출력전압의 비율은 사전에 다수의 실험을 통해 도출된 데이터맵을 활용할 수 있다. 참고로, 데이터맵은 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.In other words, even if the same power generation output is required for each
여기서 전하량은 연료전지(200)의 사용 시간 동안의 소모전류를 적분하여 도출될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.Here, the amount of electric charge can be derived by integrating the current consumed during the usage time of the
계속하여, 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계(S600)에서는, 앞서 도출된 열화도 비율을 활용하여 열화율이 높은 연료전지(200)의 발전출력은 감소하고 열화율이 낮은 연료전지(200)의 발전출력은 증가하도록 제어함으로써 복수의 연료전지(200) 각각의 열화 진행 속도를 균등하게 관리하고자 한다.Continuing, in the step (S600) of differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next run of the fuel cell vehicle according to the deterioration rate derived from the controller, the previously derived deterioration rate rate is used to determine the fuel cell (fuel cell) with a high deterioration rate. An attempt is made to manage the deterioration progress rate of each of the plurality of
즉, 앞서 도출된 열화도 비율이 각 연료전지(200) 발전출력의 증감 비율을 결정하는 기준이 되는 것으로 이해될 수 있으며, 이와 관련한 구체적인 제어방법에 대해서는 후술하기로 한다.In other words, the deterioration rate derived above can be understood as a standard for determining the increase/decrease rate of the power generation output of each
결과적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에 따르면 복수의 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 도출된 열화도 비율에 따라 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어함으로써, 복수의 연료전지(200)의 열화 진행 속도를 균등하게 관리할 수 있는 효과가 있다.As a result, according to the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, power generation of each
이하, 본 발명의 각 단계가 갖는 차별적 특징에 대해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, we will look in more detail at the distinctive features of each step of the present invention.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에 있어서, 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400) 이전에는 제어기(300)에 의해 추가적인 제어가 실시될 수 있다.Meanwhile, in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, additional control is performed by the
따라서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에 대해 설명하기에 앞서, 일반적인 연료전지 차량의 시동 및 주행시 수행될 수 있는 다양한 제어방법을 간략히 서술하고, 본 발명에 있어서 추가적으로 수행될 수 있는 제어방법에 대해 우선하여 살펴보기로 한다.Therefore, before explaining the step (S400) of increasing the power generation output of a plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery, various control methods that can be performed when starting and driving a typical fuel cell vehicle are briefly described, and this Let us first look at control methods that can be additionally performed in the invention.
일반적으로 연료전지 차량의 시동시에는 연료전지 시스템의 정상 구동 여부를 확인하는 과정이 수행될 수 있다. 즉, 운전자가 차량의 시동을 시도하는 경우, FCU(Fuel-cell Control Unit)는 수소탱크의 밸브를 개방하고 제어기(300)의 작동을 확인하며 전체적인 시스템의 사용을 위하여 고전압을 승압하고 인가한다.Generally, when starting a fuel cell vehicle, a process may be performed to check whether the fuel cell system is operating normally. That is, when the driver attempts to start the vehicle, the FCU (Fuel-cell Control Unit) opens the valve of the hydrogen tank, checks the operation of the
이때, 연료전지(200)의 절연저항 및 고전압 점검 등 일반적인 시스템 고장 진단이 수행될 수도 있으며, 시스템이 문제 없이 정상 구동되는 경우 연료전지 차량의 시동이 완료된다.At this time, general system failure diagnosis, such as checking the insulation resistance and high voltage of the
도 1에 도시된 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 순서도에서는, 이와 같이 연료전지 차량의 시동이 완료된 상태를 전제로 하여 도시하고 있다.In the flowchart of the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention shown in FIG. 1, it is shown on the assumption that starting of the fuel cell vehicle has been completed.
우선, 연료전지 차량의 시동이 완료되면 연료전지 차량의 주행이 시작된다(S100). 그리고 앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 복수의 연료전지의 발전출력을 동일하게 제어하는 균등 제어를 우선 실시함으로써(S200), 각 연료전지(200)의 열화 진행 정도를 1차적으로 균등하게 관리할 수 있다.First, when starting of the fuel cell vehicle is completed, driving of the fuel cell vehicle begins (S100). And, as previously discussed in the background technology, by first performing uniform control to equally control the power generation output of a plurality of fuel cells (S200), the degree of deterioration of each
다만, 이러한 균등 제어(S200)는 반드시 실시될 필요는 없으며, 본 발명에 따른 제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계(S600)가 수행된 이후에는 차등 제어를 실시할 뿐, 더이상 균등 제어를 실시하지는 않는 것으로 이해함이 바람직하다.However, this equal control (S200) does not necessarily need to be performed, and a step (S600) of differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next driving of the fuel cell vehicle according to the deterioration rate derived from the controller according to the present invention. It is desirable to understand that after performance, only differential control is performed, and equal control is no longer performed.
즉, 도 1에서는 단순히 본 발명의 이해를 돕기 위해 S200으로 균등 제어가 실시될 수 있음을 도시한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다.That is, Figure 1 simply shows that equalization control can be performed at S200 to facilitate understanding of the present invention, and this should not be construed as limiting the content of the present invention.
계속하여 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400) 이전에는, 제어기에서 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계(S310, S320)를 더 포함할 수 있다.Continuing with reference to FIG. 1, before the step (S400) of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the method of controlling the plurality of fuel cells of the fuel cell vehicle according to the present invention, the controller It may further include determining whether it is necessary to diagnose the deterioration of the fuel cell (S310, S320).
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 연료전지 차량의 주행 중, 각 연료전지(200)의 열화도 진단 필요 여부를 추가적으로 판단할 수 있다.That is, the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention can additionally determine whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of each
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 연료전지의 정상 구동 상태 여부(S310) 및 연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부(S320)를 확인함으로써 복수의 연료전지(200)의 열화도 진단 필요 여부를 판단할 수 있다.Specifically, in the step (S310, S320) of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of a plurality of fuel cells in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the controller determines whether the fuel cell is in a normal operating state (S310). ) and whether the output of the fuel cell is within the allowable output (S320), it is possible to determine whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of the plurality of
즉, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 각 연료전지(200)의 열화도를 진단하여 열화율을 도출하기 위해서는, 연료전지(200)가 정상 구동 상태여야 하고 연료전지(200)의 출력이 허용 출력 이내일 것이 요구될 수 있다. 이에 대한 설명을 위해 연료전지 차량의 일반적인 주행모드에 대해 간략히 살펴보기로 한다.That is, in order to derive the deterioration rate by diagnosing the degree of deterioration of each
연료전지 차량의 주행모드는 일반적으로 하이브리드 모드(Hybrid Mode), FC Only 모드(Fuel Cell Only Mode) 및 EV모드(Electric Vehicle Mode)의 3가지 모드로 구성된다. 여기서 하이브리드 모드는 연료전지(200)와 고전압 배터리(100)를 모두 구동하는 주행모드를 의미하며, FC Only 모드는 연료전지(200)만 구동하고 고전압 배터리(100)는 구동하지 않는 모드를, EV모드는 연료전지(200)의 구동 없이 고전압 배터리(100)만 구동하는 모드를 의미한다.The driving mode of a fuel cell vehicle generally consists of three modes: Hybrid Mode, FC Only Mode (Fuel Cell Only Mode), and EV Mode (Electric Vehicle Mode). Here, the hybrid mode refers to a driving mode that drives both the
각 모드는 차량의 주행 조건(도로 상황, 요구출력 등)에 따라 달리 적용됨으로써 연료전지 차량의 연비 등 성능 향상에 최적화되도록 제어된다.Each mode is applied differently depending on the vehicle's driving conditions (road conditions, required power, etc.) and is controlled to optimize performance, such as fuel efficiency, of the fuel cell vehicle.
각 모드의 제어에 대해 보다 구체적으로 살펴본다. 하이브리드 모드에서는 연료전지 차량의 요구출력 충족을 위해 연료전지(200)의 발전량과 고전압 배터리(100)의 충전량을 동시에 사용한다. 반면, FC Only 모드에서는 연료전지(200)의 발전량만 사용하며, EV모드에서는 고전압 배터리(100)의 충전량만 사용하여 연료전지 차량의 요구출력을 충족하도록 제어된다.Let's look at the control of each mode in more detail. In hybrid mode, the power generation amount of the
따라서 연료전지 차량의 주행모드가 EV모드인 경우, 연료전지(200)가 구동되지 않으므로 각 연료전지(200)의 사용에 따른 열화율을 도출할 수 없게 된다.Therefore, when the driving mode of the fuel cell vehicle is EV mode, the
즉, 본 발명에 있어서 '연료전지의 정상 구동 상태 여부'는 기본적으로 차량의 주행모드가 EV모드가 아닌 하이브리드 모드 또는 FC Only 모드에 해당하는지 여부를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 다만, FC Only 모드와 EV모드는 비상시를 대비한 비상 운전 모드로서, 고전압 배터리(100) 또는 연료전지(200)에 별다른 문제가 발생하지 않는 경우, 연료전지 차량은 일반적으로 하이브리드 모드로 주행하게 된다.In other words, in the present invention, 'whether the fuel cell is in a normal driving state' can be understood to basically mean whether the driving mode of the vehicle corresponds to hybrid mode or FC only mode rather than EV mode. However, FC Only mode and EV mode are emergency driving modes in preparation for emergencies, and if no problems occur with the high-
따라서 본 발명에 있어서 '연료전지의 정상 구동 상태 여부'란, 차량의 주행모드가 비상 운전 모드(EV모드 또는 FC Only 모드)가 아닌 하이브리드 모드에 해당하는지 여부를 의미하는 것으로 이해함이 보다 바람직하다. 이하의 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해, '연료전지의 정상 구동 상태 여부'가 연료전지 차량의 주행모드가 하이브리드 모드에 해당하는지 여부를 의미함을 전제로 하여 서술하기로 한다.Therefore, in the present invention, it is more preferable to understand 'whether the fuel cell is in a normal operating state' to mean whether the driving mode of the vehicle corresponds to a hybrid mode rather than an emergency driving mode (EV mode or FC Only mode). To facilitate understanding of the present invention, the following specification will be described on the premise that 'whether the fuel cell is in a normal driving state' means whether the driving mode of the fuel cell vehicle corresponds to the hybrid mode.
계속하여, 본 발명에 있어서 '연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부'에 대해 살펴본다. 앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서는, 연료전지 차량의 주행 중 각 연료전지(200)의 발전출력을 증대하여 잉여출력을 발생시키고 이러한 잉여출력을 활용하여 각 연료전지(200)의 열화율을 판단함으로써, 연료전지 차량의 주행 중 요구출력이 충족된 상태를 유지하면서도 각 연료전지(200)의 열화율을 판단하고자 한다.Continuing with the present invention, we will look at 'whether the output of the fuel cell is within the allowable output'. As described above, in the step (S400) of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the controller of the method for controlling the plurality of fuel cells of the fuel cell vehicle according to the present invention, the driving of the fuel cell vehicle is performed. By increasing the power generation output of each
한편, 연료전지(200)의 최대출력은 연료전지 차량의 요구출력에 따라 결정되고, 연료전지(200)의 발전출력은 연료전지 차량의 요구출력과 함께 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 결정된다. 예를 들어, 연료전지 차량의 요구출력이 10kW인 경우 연료전지(200)의 최대출력은 10kW로 결정되며, 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 고전압 배터리(100)를 방전하여 3kW의 출력을 생성할 수 있는 경우, 연료전지(200)의 발전출력은 7kW로 결정될 수 있는 것이다.Meanwhile, the maximum output of the
만약 고전압 배터리(100)의 충전량이 부족하여 연료전지(200)의 발전출력이 최대출력과 동일한 경우, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 제어기에서 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서 각 연료전지(200)의 발전출력을 증대하여 잉여출력을 발생시킬 수 없게 된다.If the charge of the high-
즉, 본 발명에 있어서 '연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부'란, 차량의 주행 중 현재 연료전지(200)의 출력이 위와 같은 잉여출력을 발생시킬 수 있는 상태인지 여부를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.That is, in the present invention, 'whether the output of the fuel cell is within the allowable output' is understood to mean whether the current output of the
참고로, 여기서 잉여출력을 발생시킬 수 있는 상태는, 연료전지(200)의 발전출력이 최대출력보다 낮은 상태를 전제로 하여, 일정한 기준범위를 설정하여 연료전지(200)의 발전출력이 기준범위 이내인지 여부에 따라 판단될 수 있다.For reference, the state in which surplus output can be generated here assumes that the power generation output of the
이하, '연료전지의 정상 구동 상태 여부' 및 '연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부'의 판단과 관련하여, 보다 상세하게 살펴보기로 한다.Hereinafter, we will look at the determination of 'whether the fuel cell is in a normal operating state' and 'whether the output of the fuel cell is within the allowable output' in more detail.
우선, '연료전지의 정상 구동 상태 여부'에 대해 살펴보면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량 또는 공기압축기의 회전수 또는 연료전지의 온도 중 어느 하나에 기반하여 연료전지의 정상 구동 상태 여부(S310)를 확인할 수 있다.First, looking at 'whether the fuel cell is in a normal operating state', in the steps (S310, S320) of determining whether it is necessary to diagnose the deterioration of the plurality of fuel cells in the method for controlling the plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention. , the controller can check whether the fuel cell is in a normal operating state (S310) based on any one of the charge amount of the high-voltage battery, the rotation speed of the air compressor, or the temperature of the fuel cell.
연료전지 차량의 주행모드가 하이브리드 모드에 해당하는 경우, 고전압 배터리(100)와 연료전지(200)가 모두 사용되므로, 연료전지 차량의 요구출력은 고전압 배터리(100)의 방전출력과 연료전지(200)의 발전출력이 합산되어 충족된다.When the driving mode of the fuel cell vehicle is hybrid mode, both the high-
이때, 고전압 배터리(100)의 방전에 따라 생성되는 출력(방전출력)은 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 결정된다. 따라서 하이브리드 모드 주행을 수행함에 있어서, 연료전지(200)의 발전출력을 제어하기 위해서는 고전압 배터리(100)의 충전량을 적정 수준으로 유지할 필요가 있다.At this time, the output (discharge output) generated according to the discharge of the high-
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 연료전지(200)의 정상 구동 상태 여부를 확인함으로써, 추후 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서 연료전지(200)의 발전출력을 쉽게 제어하고자 한다. 고전압 배터리(100)의 충전량을 적정 수준으로 유지하는 제어에 관해서는 본 발명의 기술분야에서 자명한 사항이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Accordingly, the method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention increases the power generation output of the fuel cell in the future by checking whether the
또한, 본 발명은 공기압축기의 회전수에 기반하여 연료전지(200)의 정상 구동 상태 여부를 확인할 수도 있다.Additionally, the present invention can check whether the
연료전지 차량에는 연료전지 시스템이 탑재되며, 연료전지 시스템은 동력원으로 사용하는 복수의 연료전지(200) 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.Fuel cell vehicles are equipped with a fuel cell system, which consists of a fuel cell stack stacked with a plurality of fuel cells (200) used as a power source, a fuel supply system that supplies hydrogen, etc. as a fuel to the fuel cell stack, and electricity. It includes an air supply system that supplies oxygen, an oxidizing agent necessary for chemical reactions, and a heat management system that uses coolant to control the temperature of the fuel cell stack.
여기서 공기공급시스템은 공기압축기의 회전수 제어를 통해 산소의 공급량을 조절한다. 특히 상용 연료전지 차량의 경우, 고전압 배터리(100)의 충전량이 적정 수준에 해당하는 상태에서 공기압축기의 회전수가 일정값 이상이면 연료전지(200)의 구동을 개시하도록 제어된다. Here, the air supply system adjusts the amount of oxygen supplied by controlling the rotation speed of the air compressor. In particular, in the case of a commercial fuel cell vehicle, when the charge of the high-
따라서 본 발명은 공기압축기의 회전수에 기반하여 연료전지(200)의 정상 구동 상태 여부를 확인하고자 하는 것이다. 공기압축기의 회전수가 일정값 이상인지 판단하는 제어에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 자명한 사항이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Therefore, the present invention seeks to determine whether the
아울러, 본 발명은 연료전지(200)의 온도에 기반하여 연료전지(200)의 정상 구동 상태 여부를 확인할 수도 있다.In addition, the present invention can check whether the
연료전지(200)는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치인 바, 수소와 산소의 반응을 위한 작동 온도가 존재한다.The
따라서 연료전지(200)의 정상 구동을 위해서는 연료전지(200)의 온도를 작동 온도까지 승온시킬 필요가 있다. 연료전지(200)의 온도가 작동 온도보다 낮은 경우 연료전지(200)의 발전출력을 제어함에 있어 정밀도가 감소한다.Therefore, in order to operate the
결과적으로 추후 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서 연료전지(200)의 발전출력의 증대 제어에 어려움이 있으며, 이에 따라 각 연료전지(200)의 열화율을 정확하게 도출할 수 없게 된다.As a result, it is difficult to control the increase in power generation output of the
이에, 본 발명은 연료전지(200)의 온도가 작동 온도에 해당하는지 여부를 판단함으로써 연료전지(200)의 정상 구동 상태 여부를 확인하고, 궁극적으로는 각 연료전지(200)의 열화율을 도출함에 있어서 정확도를 향상하고자 하는 것이다.Accordingly, the present invention confirms whether the
계속하여, '연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부'에 대해 살펴보면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계(S310, S320)에서는, 제어기에서 연료전지의 출력이 미리 마련된 기준출력범위 이내인 경우 허용 출력 이내인 것으로 판단할 수 있다(S320).Continuing to look at 'whether the output of the fuel cell is within the allowable output', the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of the plurality of fuel cells in the method of controlling the plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention (S310) , S320), if the output of the fuel cell is within a preset reference output range, the controller may determine that the output is within the allowable output (S320).
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 있어서 '연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부'란, 차량의 주행 중 현재 연료전지(200)의 출력이 잉여출력을 발생시킬 수 있는 상태인지 여부를 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 여기서 잉여출력을 발생시킬 수 있는 상태는, 연료전지(200)의 발전출력이 최대출력보다 낮은 상태를 전제로 하여 일정한 기준범위를 설정하여 연료전지(200)의 발전출력이 기준범위 이내인지 여부에 따라 판단될 수 있다.As discussed above, in the present invention, 'whether the output of the fuel cell is within the allowable output' refers to whether the current output of the
즉, 본 발명에 있어서 '미리 마련된 기준출력범위'란, 각 연료전지(200)의 열화율 판단을 위해 연료전지(200)의 잉여출력을 발생시킬 수 있는 기준범위로서, 다수의 실험에 의해 데이터화된 일종의 실험값으로 이해될 수 있다. 이러한 실험값은 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.That is, in the present invention, the 'pre-prepared reference output range' is a reference range that can generate surplus output of the
결과적으로, 이와 같이 연료전지(200)의 출력이 미리 마련된 기준출력범위 이내인 경우 허용 출력 이내인 것으로 판단함으로써, 추후 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서 연료전지(200)의 발전출력 증대 제어를 통해 잉여출력을 발생시킬 수 있게 된다.As a result, if the output of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시키는 것을 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing increasing the power generation output of the plurality of
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서는, 제어기(300)에서 고전압 배터리(100)의 충전량이 미리 마련된 기준범위 이내인 경우 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시킬 수 있다.Referring to FIG. 4, in the step (S400) of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high voltage battery in the method of controlling the plurality of fuel cells of the fuel cell vehicle according to the present invention, the
도 4에서 x축은 고전압 배터리(100)의 충전량을 의미하고, y축은 연료전지(200)의 발전출력을 의미한다. In FIG. 4, the x-axis represents the charge amount of the high-
즉, 고전압 배터리(100)의 충전량이 낮을 경우 연료전지(200)의 발전출력은 최대출력(E)이 요구되며, 고전압 배터리(100)의 충전량이 높아짐에 따라 연료전지(200)의 발전출력 요구값은 점점 낮아지게 된다. 그리고 고전압 배터리(100)의 충전량이 최대 충전량(F)에 도달한 경우, 연료전지(200)의 발전출력은 더이상 요구되지 않을 수도 있다. That is, when the charge of the high-
따라서 연료전지(200)의 발전출력 증대 제어를 위해서는 고전압 배터리(100)의 충전량이 적정 범위 이내일 필요가 있다.Therefore, in order to control the increase in power generation output of the
다시 말해, 고전압 배터리(100)의 충전량이 너무 낮은 경우 연료전지(200)의 발전출력은 최대출력(E)이 요구되므로 고전압 배터리(100)의 최소 충전량을 설정해야 하며, 고전압 배터리(100)의 충전량이 너무 높은 경우에는 후술할 바와 같이 연료전지(200)의 발전출력을 최대값까지 증대시키는 경우에 있어서 지나치게 과출력을 요구하게 되어 연료전지 차량의 안정성이 저하되는 문제가 있으므로 고전압 배터리(100)의 최대 충전량을 설정해야 한다.In other words, if the charge of the high-
즉, 본 발명에 있어서 '미리 마련된 기준범위'란 위와 같이 설정되는 고전압 배터리(100)의 최소 충전량부터 최대 충전량까지의 구간을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 그리고 이러한 구간은 도 4에서 '고전압 배터리(100)의 충전량 기반 복수의 연료전지(200)의 발전출력 증대 구간(G)'으로 표현되어 있다.That is, in the present invention, the 'prepared reference range' can be understood to mean the section from the minimum charge amount to the maximum charge amount of the high-
계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계(S400)에서는, 제어기(300)에서 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 최대값으로 증대시킬 수 있다.Continuing, in the step (S400) of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery of the method for controlling the plurality of fuel cells of the fuel cell vehicle according to the present invention, the
도 4를 참조하면, G 구간에서 연료전지(200)의 발전출력을 증대시키는 것을 알 수 있다. 이때, G 구간에서 최소 지점에서는 연료전지(200)의 발전출력이 최대출력(E)까지 증대되나, G 구간의 나머지 구간에서는 최대출력까지 증대하지는 않는 것을 알 수 있다. 즉, G 구간의 최소 지점을 제외한 나머지 구간에서는 각 구간별 연료전지(200) 발전출력의 최대값이 설정된다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the power generation output of the
연료전지(200) 발전출력의 증대 제어시, 아무런 제한 없이 발전출력을 증대하게 되면, 지나치게 과출력이 요구되어 연료전지(200)의 내구에 악영향을 초래하고, 이에 따라 연료전지 차량의 안정성이 저하되는 문제가 발생한다.When controlling the increase in power generation output of the
따라서 연료전지(200) 발전출력을 증대함에 있어서 일정 출력 이상으로는 증대되지 않도록 제한값을 설정할 필요가 있다. 즉, 본 발명에 있어서 '최대값'이란, 위와 같은 문제를 방지하기 위해 설정된 일종의 제한값으로 이해될 수 있다.Therefore, when increasing the power generation output of the
결과적으로, 이와 같이 설정된 최대값을 기준으로 하여 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시킴으로써, 연료전지 차량의 안정성 저하 문제를 방지하면서도 각 연료전지(200)의 열화율을 측정할 수 있는 효과가 있다.As a result, by increasing the power generation output of the plurality of
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계(S510, S520, S530)에서 소모전류 대비 출력전압은, 제어기(300)에서 차량의 주행시간 동안 소모된 전체 전류량을 적분한 적분값 대비 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값인 것을 특징으로 할 수 있다. 그리고 제어기는 차량의 전기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압과 차량의 당기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압의 차이에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출할 수 있다(S510).Referring to FIG. 1, in the steps (S510, S520, and S530) of deriving the deterioration rate of each fuel cell in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the output voltage compared to the consumed current is calculated by the controller 300. ) may be characterized as an average value of the output voltage of each
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 있어서 각 연료전지(200)의 열화도 비율은, 하기 수식에 의해 도출된다.As shown in FIG. 1, in the present invention, the deterioration rate of each
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에서, 는 연료전지 차량의 전기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값이고, 는 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값이며, 는 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)에서 실제 사용한 전하량을 의미한다.In equation 1 above, is the average value of the output voltage of each
이하의 본 명세서에서는 연료전지 차량의 시동 개시시점부터 종료시점까지를 하나의 주행 사이클로 하여 '1 DC(Driving Cycle)'로 표현하기로 한다. 즉, 연료전지 차량의 '당기 주행'이란 현재 주행 사이클을 의미하며, '전기 주행'이란 직전 주행 사이클을 의미한다.In the following specification, the time from the start to the end of the fuel cell vehicle will be expressed as '1 DC (Driving Cycle)' as one driving cycle. In other words, 'current driving' of a fuel cell vehicle refers to the current driving cycle, and 'electric driving' refers to the previous driving cycle.
예를 들어, 직전 주행 사이클을 '1 DC'로 보면, 현재 주행 사이클은 '2 DC'가 된다. 상기 식 1에서는 전기 주행시는 'N-1'로, 당기 주행시는 'N'으로 표현하여 이를 구분하고 있다.For example, if the previous driving cycle is considered '1 DC', the current driving cycle is '2 DC'. In Equation 1 above, electric driving is expressed as 'N-1', and electric driving is expressed as 'N' to distinguish them.
그리고 상기 식 1에서 를 살펴보면, 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 소모된 전체 전류량을 적분한 적분값을 실제 사용한 전하량으로 도출하는 것을 알 수 있다. 즉, 에서 'FC Cur'은 각 연료전지(200)의 소모전류를 의미하고, 'n'은 연료전지 차량의 당기 주행시를 의미한다.And in Equation 1 above, Looking at , it can be seen that the actual amount of charge used is derived from the integral value obtained by integrating the total amount of current consumed during the current driving time of the fuel cell vehicle. in other words, In , 'FC Cur' refers to the current consumption of each
상기 식 1을 참조하여, 본 발명에 있어서 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 구하는 방법을 구체적으로 살펴본다.With reference to Equation 1 above, we will look in detail at the method of calculating the deterioration rate of each
우선, 연료전지 차량의 전기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값()은 연료전지 차량의 전기 주행시 도출되어 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장된 값을 활용할 수 있다.First, when a fuel cell vehicle is driven electrically, the average value of the output voltage of each
다음으로, 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값()은 연료전지 차량의 당기 주행시 도출되어 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.Next, the average value of the output voltage of each
그리고 제어기(300)는 연료전지 차량의 전기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값()과 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값()의 차이로부터 차량의 전기 주행시에 비해 당기 주행시 연료전지(200) 출력전압의 평균 변화량()을 도출한다. 도출된 연료전지(200) 출력전압의 평균 변화량()을 연료전지 차량의 당기 주행시 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)에서 실제 사용한 전하량()으로 나누어 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 계산한다.In addition, the
여기서, 각 연료전지(200)는 열화도에 차이가 있으므로, 각 연료전지(200)에 동일한 발전출력을 요구하더라도 실제 사용한 전하량()이 상이하게 된다.Here, since each
그리고 실제 사용한 전하량()이 상이하므로, 연료전지(200) 출력전압의 평균 변화량()도 각 연료전지(200)마다 상이하게 도출된다.And the actual amount of charge used ( ) is different, so the average change in output voltage of the fuel cell 200 ( ) is also derived differently for each
결국, 연료전지(200)의 실제 사용 전하량()에 대한 출력전압의 평균 변화량()은 각 연료전지(200)마다 상이하게 도출된다.Ultimately, the actual used charge of the fuel cell 200 ( ), the average change in output voltage ( ) is derived differently for each
즉, 각 연료전지(200)마다 최종 도출된 연료전지(200)의 실제 사용 전하량()에 대한 출력전압의 평균 변화량()을 서로 비교하여 그 비율을 도출하면, 각 연료전지(200)의 열화도 차이에 기반한 열화도 비율을 도출할 수 있게 되는 것이다.That is, the actual used charge amount of the
따라서 이와 같은 원리에 근거하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법은, 소모전류 대비 출력전압을 제어기(300)에서 차량의 주행시간 동안 소모된 전체 전류량을 적분한 적분값 대비 차량의 주행시간 동안 각 연료전지(200)의 출력전압을 평균한 평균값으로 하되, 여기서 각 연료전지(200)의 출력전압은 차량의 전기 주행시 각 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압과 차량의 당기 주행시 각 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압의 차이로 구체화하여, 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 도출할 수 있게 되는 것이다.Therefore, based on this principle, the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention is to compare the output voltage to the consumed current by the integral value obtained by integrating the total amount of current consumed during the driving time of the vehicle in the
계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법의 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계(S510, S520, S530)에서는 제어기에서 도출된 각 연료전지의 열화도 비율을 비교하고(S520), 열화도 비율의 차이가 과도한 경우 각 연료전지의 열화도 비율을 저장할 수 있다(S530).Continuing, in the step (S510, S520, S530) of deriving the deterioration rate of each fuel cell in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the deterioration rate of each fuel cell derived from the controller is compared. And (S520), if the difference in the rate of deterioration is excessive, the rate of deterioration of each fuel cell can be stored (S530).
도 1에서는 2개의 연료전지를 전제로 하여, 각 연료전지(200)를 제1 연료전지와 제2 연료전지로 기재하여 도시하고 있다. 이는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적 기재에 불과할 뿐, 이러한 도면의 기재에 의해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다.In FIG. 1, each
도 1을 살펴보면 제1 연료전지의 열화도 비율은 'α'로, 제2 연료전지의 열화도 비율은 'β'로 표현하고 있음을 알 수 있다.Looking at Figure 1, it can be seen that the deterioration rate of the first fuel cell is expressed as 'α' and the deterioration rate of the second fuel cell is expressed as 'β'.
그리고 제1 연료전지의 열화도 비율(α)과 제2 연료전지의 열화도 비율(β)을 비교하여 그 차이가 과도한지 여부를 판단한다. 도 1에서는 이를 ''와 같이 기재하여 도시하고 있다.Then, the deterioration rate ratio (α) of the first fuel cell is compared with the deterioration rate rate (β) of the second fuel cell to determine whether the difference is excessive. In Figure 1, this is referred to as ' It is described and illustrated as follows.
즉, 제2 연료전지의 열화도 비율(β)을 제1 연료전지의 열화도 비율(α)로 나눈 값이 일정 범위를 벗어나는 경우, 제1 연료전지의 열화도 비율(α)과 제2 연료전지의 열화도 비율(β)의 차이가 과도한 것으로 판단할 수 있다.That is, when the deterioration rate ratio (β) of the second fuel cell divided by the deterioration rate rate (α) of the first fuel cell is outside a certain range, the deterioration rate rate (α) of the first fuel cell and the second fuel It can be judged that the difference in the deterioration rate (β) of the battery is excessive.
이와 달리, 제2 연료전지의 열화도 비율(β)을 제1 연료전지의 열화도 비율(α)로 나눈 값이 일정 범위 이내에 해당하는 경우, 제1 연료전지의 열화도 비율(α)과 제2 연료전지의 열화도 비율(β)의 차이가 과도하지 않은 것으로 판단할 수 있다.On the other hand, when the deterioration rate ratio (β) of the second fuel cell divided by the deterioration rate rate (α) of the first fuel cell falls within a certain range, the deterioration rate ratio (α) of the first fuel cell and the first fuel cell 2 It can be judged that the difference in the deterioration rate (β) of the fuel cell is not excessive.
참고로 여기서 일정 범위란, 도 1에서 수치로서 기재된 '0.95'부터 '1.05'까지의 범위를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 다만, 이러한 수치는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적 기재에 불과할 뿐, 이러한 기재에 의해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다.For reference, here, a certain range can be understood to mean the range from '0.95' to '1.05', which is written as a number in FIG. 1. However, these numbers are merely illustrative descriptions to aid understanding of the present invention, and the content of the present invention should not be viewed as limited by these descriptions.
이와 같이 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 비교한 결과, 열화도 비율의 차이가 과도한 것으로 판단된 경우, 제어기(300)는 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 저장한다. 각 연료전지(200)의 열화도 비율은 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.As a result of comparing the deterioration rate ratio of each
그리고 제어기(300)는 저장된 각 연료전지(200)의 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어할 수 있다. 이에 따라, 복수의 연료전지(200)의 열화 진행 정도를 균등하게 관리할 수 있는 효과가 있다.In addition, the
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 복수의 연료전지(200)는 2개의 연료전지이고, 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계(S600)에서는, 제어기(300)에서 저장된 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 각 연료전지(200)에 역으로 적용하여 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어할 수 있다.Meanwhile, in the method for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle according to the present invention, the plurality of
이는, 2개의 연료전지를 탑재한 연료전지 차량의 경우, 열화도 비율이 상대적으로 높게 도출된 연료전지의 발전출력은 감소시키고, 열화도 비율이 상대적으로 낮게 도출된 연료전지의 발전출력은 증가되도록 제어하고자 하는 것으로 이해될 수 있다.In the case of a fuel cell vehicle equipped with two fuel cells, the power generation output of the fuel cell with a relatively high deterioration rate is reduced, and the power generation output of the fuel cell with a relatively low deterioration rate is increased. It can be understood as wanting to control.
도 1을 참조하여, 보다 구체적으로 살펴보기로 한다. 만약 제1 연료전지의 열화도 비율(α)이 제2 연료전지의 열화도 비율(β)보다 큰 경우, 제어기(300)는 제1 연료전지의 열화도 비율(α)과 제2 연료전지의 열화도 비율(β)의 합산 값에서 제1 연료전지의 열화도 비율(α)이 차지하는 비율만큼 제2 연료전지의 발전출력을 제어한다.Referring to Figure 1, let's look at it in more detail. If the deterioration rate ratio (α) of the first fuel cell is greater than the deterioration rate rate (β) of the second fuel cell, the
이와 동시에 제어기(300)는, 제1 연료전지의 열화도 비율(α)과 제2 연료전지의 열화도 비율(β)의 합산 값에서 제2 연료전지의 열화도 비율(β)이 차지하는 비율만큼 제1 연료전지의 발전출력을 제어한다.At the same time, the
다시 말해, 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 각 연료전지(200)에 역으로 적용함으로써, 제1 연료전지의 발전출력은 감소되고 제2 연료전지의 발전출력은 증가되도록 제어되는 것이다.In other words, by applying the deterioration rate of each
결과적으로, 각 연료전지(200)의 열화도 비율에 따라 각 연료전지(200)의 발전출력 증감 비율이 조절되므로 각 연료전지(200)의 열화 진행 정도가 균등하게 관리될 수 있는 효과가 있다.As a result, the rate of increase/decrease in the power generation output of each
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템을 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a plurality of fuel cell control systems of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템은, 차량의 요구출력을 제공하는 복수의 연료전지(200) 및 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시키고, 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 도출하며, 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어하는 제어기(300)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the plurality of fuel cells control system of the fuel cell vehicle according to the present invention controls the plurality of fuels based on the charge amount of the plurality of
앞서 살펴본 바와 같이 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 연료전지(200)와 연료전지(200)에 연료를 공급하는 연료공급시스템, 산소를 공급하는 공기공급시스템 등을 포함하여 구성된다.As discussed above, the fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle includes a
다만, 도 5에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해, 연료전지 시스템의 구성요소 중 연료공급시스템과 공기공급시스템은 연료전지 주변장치(BOP, Balance of Plant, 30)에 포함되는 것으로 간소화하여 나타내고 있다.However, in Figure 5, to facilitate understanding of the present invention, the fuel supply system and air supply system among the components of the fuel cell system are simplified and shown as included in the fuel cell peripheral device (BOP, Balance of Plant, 30).
참고로, 연료전지(200)의 사용부하는 이와 같은 연료전지 주변장치(BOP, 30)에 더해 도 5에 함께 도시된 차량 냉방용 압축기(40)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.For reference, the load of the
한편, 연료전지 시스템에는 고전압 배터리(100) 또는 연료전지(200)로부터 전력을 공급받아 위와 같은 사용부하에 공급되는 전력을 제어하는 고전압 정션박스(10), 연료전지(200)와 고전압 정션박스(10) 사이에 마련되는 컨버터(20) 등을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the fuel cell system includes a high-
도 5에서는 2개의 연료전지만을 도시하고 있으나, 설계 조건 및 적용 차량에 따라 2개 이상의 연료전지가 마련될 수 있음은 당연하다.Although only two fuel cells are shown in Figure 5, it is natural that two or more fuel cells can be provided depending on design conditions and applied vehicles.
이하의 명세서에서는 도 5에 도시된 2개의 연료전지 중, 상단에 도시된 연료전지를 제1 연료전지로, 하단에 도시된 연료전지(를 제2 연료전지로 정의하여 서술하기로 한다.In the following specification, among the two fuel cells shown in FIG. 5, the fuel cell shown at the top will be defined as the first fuel cell, and the fuel cell shown at the bottom will be defined as the second fuel cell.
도 5를 참조하면, 제1 연료전지는 컨버터(20)를 통해 고전압 정션박스(10)와 연결되되 연료전지 주변장치(BOP, 30)에 전력을 공급할 뿐, 차량 냉방용 압축기(40)에는 전력을 공급하지 않는다. 반면, 제2 연료전지는 컨버터(20)를 통해 고전압 정션박스(10)와 연결되어 연료전지 주변장치(BOP, 30)와 차량 냉방용 압축기(40) 모두에 전력을 공급하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the first fuel cell is connected to the high
즉, 이와 같이 각 연료전지(200)마다 사용부하의 차이가 발생할 수 있고, 이에 따라 각 연료전지(200)의 열화 진행 정도에 차이가 발생할 수 있음은 앞서 살펴본 바와 같다.In other words, as seen above, differences in usage load may occur for each
따라서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템은, 고전압 배터리(100)의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시키고, 복수의 연료전지(200)의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 도출하며, 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어하는 제어기(300)를 포함하여, 위와 같이 각 연료전지(200)의 열화 진행 정도에 차이가 발생하는 것을 최소화하고자 한다.Therefore, the plurality of fuel cells control system of the fuel cell vehicle according to the present invention increases the power generation output of the plurality of
여기서 제어기(300)에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법에서 상세히 설명한 바, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.Here, the specific control method or operating principle by the
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 복수의 연료전지(200)의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지(200)의 열화도 비율을 도출하고, 도출된 열화도 비율에 따라 각 연료전지(200)의 발전출력을 차등 제어함으로써, 복수의 연료전지(200)의 열화 진행 정도를 균등하게 관리할 수 있는 장점이 있다.Therefore, according to the method and control system for controlling a plurality of fuel cells of a fuel cell vehicle of the present invention as described above, the degree of degradation of each
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although the invention has been shown and described in relation to specific embodiments, it is commonly known in the art that the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the technical spirit of the invention as provided by the following claims. It will be self-evident to those with knowledge.
10 : 고전압 정션박스
20 : 컨버터
30 : 연료전지 주변장치
40 : 차량 냉방용 압축기
100 : 고전압 배터리
200 : 연료전지
300 : 제어기
A : 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-전압 경향곡선
B : 열화가 진행된 연료전지의 전류-전압 경향곡선
C : 열화가 진행되지 않은 연료전지의 전류-출력 경향곡선
D : 열화가 진행된 연료전지의 전류-출력 경향곡선
E : 복수의 연료전지 최대출력
F : 고전압 배터리 최대 충전량
G : 고전압 배터리의 충전량 기반 복수의 연료전지의 발전출력 증대 구간10: High voltage junction box
20: converter
30: Fuel cell peripheral device
40: Compressor for vehicle cooling
100: high voltage battery
200: Fuel cell
300: controller
A: Current-voltage trend curve of a fuel cell with no deterioration
B: Current-voltage trend curve of a deteriorated fuel cell
C: Current-output trend curve of a fuel cell with no deterioration
D: Current-output trend curve of deteriorated fuel cell
E: Maximum output of multiple fuel cells
F: High voltage battery maximum charge
G: Section where the power generation output of multiple fuel cells is increased based on the charge amount of the high-voltage battery
Claims (12)
제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계; 및
제어기에서 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
Increasing the power generation output of a plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery in the controller;
With the controller increasing the power generation output of a plurality of fuel cells, deriving a deterioration rate of each fuel cell based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell; and
A method of controlling a plurality of fuel cells in a fuel cell vehicle comprising: differentially controlling the power generation output of each fuel cell during the next driving of the fuel cell vehicle according to the deterioration rate derived from the controller.
고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계 이전에는,
제어기에서 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
Before the step of increasing the power generation output of multiple fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery,
A method for controlling a plurality of fuel cells in a fuel cell vehicle, further comprising: determining, at the controller, whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of the plurality of fuel cells.
복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지의 정상 구동 상태 여부 및 연료전지의 출력이 허용 출력 이내인지 여부를 확인함으로써 복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 2,
In the step of determining whether a deterioration degree diagnosis of a plurality of fuel cells is necessary, the controller determines whether a deterioration degree diagnosis of a plurality of fuel cells is necessary by checking whether the fuel cell is in a normal operating state and whether the output of the fuel cell is within the allowable output. A method for controlling a plurality of fuel cells in a fuel cell vehicle, characterized in that:
복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량 또는 공기압축기의 회전수 또는 연료전지의 온도 중 어느 하나에 기반하여 연료전지의 정상 구동 상태 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 3,
In the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of a plurality of fuel cells, the controller checks whether the fuel cells are in a normal operating state based on one of the charge amount of the high-voltage battery, the rotation speed of the air compressor, or the temperature of the fuel cell. A method for controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle, characterized by:
복수의 연료전지의 열화도 진단 필요 여부를 판단하는 단계에서는, 제어기에서 연료전지의 출력이 미리 마련된 기준출력범위 이내인 경우 허용 출력 이내인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 3,
In the step of determining whether it is necessary to diagnose the degree of deterioration of the plurality of fuel cells, the controller determines that the output of the fuel cell is within the allowable output if it is within a preset standard output range. Control method.
고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계에서는, 제어기에서 고전압 배터리의 충전량이 미리 마련된 기준범위 이내인 경우 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
In the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery, the controller increases the power generation output of the plurality of fuel cells when the charge amount of the high-voltage battery is within a preset standard range. Method for controlling multiple fuel cells in a vehicle.
고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키는 단계에서는, 제어기에서 복수의 연료전지의 발전출력을 최대값으로 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
In the step of increasing the power generation output of the plurality of fuel cells based on the charge amount of the high-voltage battery, a method of controlling multiple fuel cells in a fuel cell vehicle, characterized in that the controller increases the power generation output of the plurality of fuel cells to the maximum value.
각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서 소모전류 대비 출력전압은, 제어기에서 차량의 주행시간 동안 소모된 전체 전류량을 적분한 적분값 대비 차량의 주행시간 동안 각 연료전지의 출력전압을 평균한 평균값인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
In the step of deriving the deterioration ratio of each fuel cell, the output voltage compared to the current consumption is calculated by averaging the output voltage of each fuel cell during the vehicle's driving time compared to the integrated value of the total amount of current consumed during the vehicle's driving time in the controller. A method of controlling multiple fuel cells of a fuel cell vehicle, characterized in that the average value.
각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서는 제어기에서 차량의 전기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압과 차량의 당기 주행시 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압의 차이에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 8,
In the step of deriving the deterioration rate of each fuel cell, the controller calculates the deterioration rate of each fuel cell based on the difference between the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell when the vehicle is running on electricity and the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell when the vehicle is currently running. A method for controlling multiple fuel cells in a fuel cell vehicle, characterized by deriving a deterioration rate.
각 연료전지의 열화도 비율을 도출하는 단계에서는 제어기에서 도출된 각 연료전지의 열화도 비율을 비교하고, 열화도 비율의 차이가 과도한 경우 각 연료전지의 열화도 비율을 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
In the step of deriving the deterioration rate ratio of each fuel cell, the deterioration rate rate of each fuel cell derived from the controller is compared, and if the difference in deterioration rate rate is excessive, the deterioration rate rate of each fuel cell is stored. Method for controlling multiple fuel cells in an electric vehicle.
복수의 연료전지는 2개의 연료전지이고,
각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 단계에서는, 제어기에서 저장된 각 연료전지의 열화도 비율을 각 연료전지에 역으로 적용하여 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어방법.
In claim 1,
The plurality of fuel cells is two fuel cells,
In the step of differentially controlling the power generation output of each fuel cell, the deterioration rate of each fuel cell stored in the controller is applied inversely to each fuel cell to differentially control the power generation output of each fuel cell. Multiple fuel cell control method.
차량의 요구출력을 제공하는 복수의 연료전지; 및
고전압 배터리의 충전량에 기반하여 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시키고, 복수의 연료전지의 발전출력을 증대시킨 상태에서, 각 연료전지의 소모전류 대비 출력전압에 기반하여 각 연료전지의 열화도 비율을 도출하며, 도출된 열화도 비율에 따라 연료전지 차량의 차기 주행시 각 연료전지의 발전출력을 차등 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 차량의 복수의 연료전지 제어시스템.In the multiple fuel cell control system of a fuel cell vehicle equipped with a high-voltage battery,
A plurality of fuel cells that provide the required output of the vehicle; and
Based on the charge amount of the high-voltage battery, the power generation output of the plurality of fuel cells is increased, and with the power generation output of the plurality of fuel cells increased, the deterioration rate of each fuel cell is determined based on the output voltage compared to the current consumption of each fuel cell. and a controller that differentially controls the power generation output of each fuel cell during the next run of the fuel cell vehicle according to the derived deterioration rate.
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