KR20240012651A - 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지; 및 연료전지의 냉시동 진입시 연료전지의 가용출력이 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지를 냉시동 조건으로 제어하되, 기준출력을 차량의 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 가변하는 제어기;를 포함하는 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 차량의 냉시동이 완료되는 연료전지의 기준출력을 가변하여 냉시동 시간 지연을 방지하는 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 공급된 수소와 산소의 화학반응을 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 연료전지의 애노드(산화전극)에서는 연료인 수소가 산화되어 수소이온과 전자가 발생한다. 애노드의 수소이온은 연료전지 낸의 전해질 막을 투과하여 캐소드(환원전극)으로 이동한다. 이동한 수소이온은 캐소드에 존재하는 산소를 만나 물을 생성한다. 이때 전자는 전해질 막을 투과하지 못하고 애노드와 캐소드를 연결하는 외부도선을 통해 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다.
연료전지 차량은 주행을 위해 일정 수준의 연료전지 출력이 요구된다. 그러나 연료전지가 저온 또는 극저온의 환경에 장시간 방치된 상태에서 차량의 시동을 걸어 연료전지의 출력을 요구하게 되면, 연료전지의 목표출력 발생이 불가한 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 저온 또는 극저온의 환경에서 연료전지 차량의 시동시 정상시동과는 다른 시동방식인 냉시동 단계에 진입하게 된다. 냉시동 단계의 진입여부는 연료전지에 흐르는 냉각수 온도를 통해 결정된다. 연료전지의 냉각수 온도를 기반으로 하여 연료전지 차량의 냉시동 완료기준 발열량과 출력이 결정된다. 이후 연료전지는 냉시동 완료기준 발열량에 도달할 때까지 연료를 소모하여 계속해서 발전한다. 발열량을 만족하면서 연료전지의 가용출력이 결정된 냉시동 완료기준 출력에 도달할 경우, 냉시동 단계가 완료된다.
한편, 냉시동 진입시 연료전지의 성능이 동일할 경우 일정한 온도조건에서는 동일한 시동 성능이 제공된다. 하지만 차량을 운전하는 운전자 성향에 따라 시동시 초반에 요구되는 출력이 다를 수 있다. 운전자가 초반에 요구하는 출력이 낮은 경우에도 동일한 시동 성능이 제공됨으로써 필요한 수준 이상의 연료전지 출력에 도달할 때까지 연료전지의 발전이 계속된다. 이에 운전자가 요구하는 출력이 낮은 경우 냉시동시 연료전지의 불필요한 발전이 발생하고, 이로 인해 시동시간이 지연되는 문제가 있다. 또한 연료전지의 성능이 초기에 비해 떨어진 경우, 충분한 연료전지의 승온 과정이 필요하다. 그러나 연료전지의 성능을 반영하지 못한 연료전지의 발열량 기준으로 인해 냉시동 시간이 지연되는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1782353 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량의 시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 차량의 냉시동 완료를 판단하는 연료전지의 기준출력을 가변하는 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 연료전지 시스템은 연료전지; 및 연료전지의 냉시동 진입시 연료전지의 가용출력이 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지를 냉시동 조건으로 제어하되, 기준출력을 차량의 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 가변하는 제어기;를 포함한다.
연료전지의 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서;를 더 포함하고, 제어기는 차량의 시동시 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 기준출력을 가변할 수 있다.
시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력은 복수의 시동 초기 연료전지 출력의 평균값일 수 있다.
시동 초기 연료전지 출력은 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달하는 때까지 발생한 연료전지 출력의 평균값일 수 있다.
제어기에는 연료전지의 냉각수 온도를 입력값으로 하고 연료전지의 기준출력을 출력값으로 하는 데이터맵이 구비될 수 있다.
데이터맵은 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지의 기준출력이 매칭될 수 있다.
제어기는 시동시 연료전지 냉각수 온도를 데이터맵에 입력하고, 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 비교하여 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력에 가장 근접한 레벨의 기준출력을 선정할 수 있다.
제어기는 고전압배터리의 성능을 파악하고, 고전압배터리의 성능이 높을 경우 선정된 레벨의 기준출력을 보다 낮은 레벨의 기준출력으로 낮출수 있다.
제어기는 고전압배터리의 충전량(SOC)이 많을수록 고전압배터리의 성능이 높은 것으로 판단할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법은 제어기에서 냉시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 연료전지의 기준출력을 가변하는 단계; 차량의 시동시 제어기에서 연료전지의 냉시동 진입여부를 판단하는 단계; 및 냉시동 진입시 제어기에서 연료전지의 가용출력이 가변된 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지를 냉시동 조건으로 제어하는 단계;를 포함한다.
연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달할 때까지 발생한 연료전지 출력의 평균값을 산출하고, 복수의 시동시 연료전지 출력의 평균값의 평균값을 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력으로 도출할 수 있다.
연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지의 기준출력이 매칭된 데이터맵을 활용하여 시동시 연료전지의 냉각수 온도를 입력하면 그에 대응되는 연료전지의 기준출력을 출력할 수 있다.
연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 시동시 연료전지 냉각수 온도를 데이터맵에 입력하고, 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 비교하여 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력에 가장 근접한 레벨의 기준출력을 선정할 수 있다.
연료전지의 기준출력을 가변하는 단계 이후에는 제어기에서 고전압배터리의 성능을 판단하는 단계; 및
고전압배터리의 성능이 높을 경우 연료전지의 기준출력을 추가 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
고전압배터리의 성능을 판단하는 단계에서는 제어기가 고전압배터리의 충전량(SOC)이 많을수록 고전압배터리의 성능이 높다고 판단할 수 있다.
추가 가변하는 단계에서는 제어기가 고전압배터리의 성능이 높을 경우 가변된 기준출력의 레벨이 감소하는 방향으로 기준출력을 더 낮출 수 있다.
본 발명의 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 차량의 시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 후 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 연료전지의 냉시동 완료 기준출력을 가변함으로써 불필요한 연료전지의 발열을 방지하고, 시동시간이 단축되어 기존 대비 향상된 냉시동 성능을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법 중 연료전지 기준출력 가변 단계의 상세한 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 기준출력을 가변하는 데이터맵.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 출력 데이터 그래프.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법의 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법 중 연료전지 기준출력 가변 단계의 상세한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 기준출력을 가변하기 위한 데이터맵이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 출력 데이터 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 구성도이다. 도 1의 차량의 연료전지 시스템(100)은 연료전지(110); 및 연료전지(110)의 냉시동 진입시 연료전지(110)의 가용출력이 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지(110)를 냉시동 조건으로 제어하되, 기준출력을 차량의 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 가변하는 제어기(130);를 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어기(130)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수도 있으며, 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수도 있다.
연료전지 차량의 시동시 운전자는 주행을 위해 차량에 출력을 요구하게 되고 이는 차량에 마련된 연료전지(110) 또는 고전압배터리(140) 등으로 전달된다. 운전자가 요구하는 출력을 생산하기 위해 연료전지(110)는 발전을 한다. 이때 제어기(130)는 냉각수 온도를 기반으로 하여 냉시동 진입여부를 판단한다. 냉각수 온도가 기준온도 미만인 경우, 연료전지(110)는 냉시동에 진입한다. 이에 본 발명의 차량의 연료전지 시스템(100)은 연료전지(110)의 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(120);를 더 포함할 수 있다.
그리고 제어기(130)는 냉각수 온도를 기반으로 냉시동 완료를 판단하는 연료전지(110)의 기준출력을 설정한다. 냉시동 진입시 연료전지(110)는 발전으로 인해 출력이 발생하고, 이 출력이 설정한 기준출력에 도달할 때까지 연료전지(110)의 발전은 계속된다. 이후 발전된 출력이 기준출력에 도달하면 냉시동이 완료된다.
하지만 운전자의 성향에 따라 시동 초기 차량에 요구하는 출력이 다를 수 있다. 이에 기존 설정된 연료전지(110)의 기준출력보다 적은 출력을 요구하는 운전자의 경우 시동이 완료되기까지 시간이 지연되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 운전자의 성향에 따라 냉시동 완료를 판단하는 연료전지(110)의 기준출력을 가변할 필요가 있다. 따라서 제어기(130)는 차량의 시동시 냉각수 온도센서(120)에서 측정된 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 기준출력을 가변할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 연료전지(110)의 기준출력을 가변하기 위해서는 차량의 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 학습할 필요가 있다. 그리고 여러 차례 학습한 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 바탕으로 차량의 냉시동시 연료전지(110)의 기준출력을 가변하는 것이다. 차량의 냉시동 진입시 연료전지(110)의 성능이 동일할 경우 동일한 시동 성능을 제공한다. 그렇게 되면 운전자의 성향이 달라도 동일한 시동 성능을 제공하기 때문에 시동시간이 지연되는 문제가 있다. 이에 운전자의 성향을 파악하고 그에 따라 적절한 시동 성능을 제공한다면 시동시간이 지연되는 문제를 해결할 수 있다. 단, 운전자의 성향을 직접적으로 파악하는 것은 어려움이 있다. 따라서 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 학습함으로써 운전자의 성향을 간접적으로 파악할 수 있다.
이를 위해 제어기(130)는 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110)의 출력을 도출할 필요가 있다. 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력은 복수의 시동 초기 연료전지(110) 출력의 평균값으로 산출된다. 여기서 시동 초기 연료전지(110) 출력은 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달하는 때까지 발생한 연료전지(110) 출력의 평균값으로 산출된다. 제어기(130)는 시동 초기 연료전지(110) 출력을 산출하고, 차량의 복수 시동시 산출되는 시동 초기 연료전지(110) 출력의 평균값을 또 산출한다. 제어기(130)는 이를 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력으로 학습하게 된다.
시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력이 낮은 경우, 기존에 설정된 연료전지(110)의 기준출력으로 차량이 냉시동에 진입하면 시동시간이 지연되는 문제가 있다. 따라서 제어기(130)는 낮은 출력을 요구하는 운전자의 성향에 맞게 연료전지(110)의 기준출력을 가변할 필요가 있다.
이를 위해 제어기(130)에는 연료전지(110)의 냉각수 온도를 입력값으로 하고 연료전지(110)의 기준출력을 출력값으로 하는 데이터맵이 구비된다. 냉각수 온도센서(120)를 통해 연료전지(110)의 냉각수 온도를 측정하고, 제어기(130)는 냉각수 온도센서(120)에서 측정된 냉각수 온도를 데이터맵에 입력한다. 데이터맵에서는 입력된 냉각수 온도에 따라 연료전지(110)의 기준출력이 출력된다. 단, 데이터맵은 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지(110)의 기준출력이 매칭되어 있다.
냉각수 온도가 데이터맵에 입력되면 그와 대응되는 복수의 레벨별 연료전지(110)의 기준출력이 출력된다. 그로 인해 동일한 냉각수 온도 조건이라도 필요에 따라 적절한 레벨의 연료전지(110) 기준출력을 선택하여 사용할 수 있다. 이후 제어기(130)는 출력되는 복수의 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 사전에 산출한 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 비교한다.
제어기(130)는 시동시 냉각수 온도센서(120)를 통해 측정된 연료전지(110)의 냉각수 온도를 데이터맵에 입력한다. 그리고 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 비교한다. 이때 제어기(130)는 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력의 차이를 산출한다. 제어기(130)는 산출된 차이의 크기를 비교하여 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과의 차이가 최소값을 가지는 레벨의 기준출력을 선정한다.
차이가 최소값을 가지는 레벨의 기준출력이 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과 가장 근접한 레벨의 기준출력이 된다. 제어기(130)는 선정된 레벨의 기준출력으로 기존의 냉시동시 연료전지(110)의 기준출력을 가변한다. 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 데이터맵에서 그와 유사한 레벨의 기준출력으로 가변함으로써 연료전지 차량의 냉시동시 연료전지(110)의 불필요한 발열을 방지하고 시동시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제어기(130)는 차량의 연료전지 시스템(100)에 마련된 고전압배터리(140)의 성능을 파악하고, 고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우 기준출력을 한 번 더 가변할 수 있다. 여기서 고전압배터리(140)의 성능은 고전압배터리(140)의 충전량(SOC)으로 판단한다. 차량의 초기 시동시 운전자가 차량에 요구하는 출력은 연료전지(110)와 고전압배터리(140)로 나뉘어 전달된다. 이때 고전압배터리(140)의 충전량이 많을수록 고전압배터리(140)가 충분히 출력을 부담할 수 있는 상태가 되고, 그에 따라 연료전지(110)가 부담할 수 있는 출력은 줄어들 수 있다. 즉, 고전압배터리(140)의 충전량이 많을수록 고전압배터리(140)의 성능은 높다고 할 수 있다.
따라서 제어기(130)는 고전압배터리(140)의 성능을 판단하여 고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우, 가변하기 위해 선정된 레벨의 기준출력을 보다 낮은 레벨의 기준출력으로 낮출 수 있다. 이로써 고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우 가변된 연료전지(110)의 기준출력을 한 번 더 가변함으로써 차량의 냉시동시 연료전지(110)의 부담을 줄여주고 기존 대비 향상된 냉시동 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법의 순서도이다.
도 2의 차량의 연료전지 시스템 제어방법은 제어기(130)에서 냉시동시 연료전지(110)의 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 연료전지의 기준출력을 가변하는 단계(S100); 차량의 시동시 제어기(130)에서 연료전지(110)의 냉시동 진입여부를 판단하는 단계(S400); 및 냉시동 진입시 제어기(130)에서 연료전지(110)의 가용출력이 가변된 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지(110)를 냉시동 조건으로 제어하는 단계(S500);를 포함한다.
도 2와 같이 제어기(130)는 차량의 냉시동 진입시 냉각수 온도센서(120)에서 측정된 연료전지(110)의 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 연료전지(110)의 기준출력을 가변하는 단계(S100)를 수행한다. 이때 연료전지(110)의 기준출력을 가변하는 단계(S100)는 구체적으로 도 3에 도시된 순서도와 같이 수행된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템 제어방법 중 연료전지 기준출력 가변 단계의 상세한 순서도이다.
연료전지(110)의 기준출력을 가변함에 있어서, 도 3과 같이 제어기(130)는 먼저 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 산출(S110)한다. 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력은 복수의 시동시 연료전지(110) 출력의 평균값을 의미한다. 이때 시동시 연료전지(110) 출력은 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달할 때까지 발생한 연료전지(110) 출력의 평균값을 의미한다. 제어기(130)는 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달할 때까지 발생한 연료전지(110) 출력의 평균값을 산출한다. 그리고 복수의 시동시 산출된 연료전지(110) 출력의 평균값의 평균값을 산출하여 그 값을 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력으로 사용한다.
시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력이 산출되면, 제어기(130)는 시동시 연료전지(110)의 냉각수 온도를 측정(S120)한다. 제어기(130)에 구비된 데이터맵을 이용하기 위해선 입력값인 연료전지(110)의 냉각수 온도가 필요하다. 따라서 제어기(130)는 냉각수 온도센서(120)를 통해 시동시 연료전지(110)의 냉각수 온도를 측정하도록 한다. 이후 제어기(130)는 데이터맵을 활용하여 각 레벨별 연료전지(110)의 기준출력을 도출(S130)한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 기준출력을 가변하는 데이터맵이다. 제어기(130)에 마련된 데이터맵은 연료전지(110)의 냉각수 온도를 입력하면 그에 대응되는 연료전지(110)의 기준출력이 출력되는 형태이다. 또한, 본 발명과 같이 기준출력을 적절히 가변하기 위해서 제어기(130)에 마련된 데이터맵은 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지(110)의 기준출력이 존재할 필요가 있다. 따라서 도 4에 도시된 것과 같이 데이터맵에 냉각수 온도가 입력되면 그에 대응되는 복수의 레벨별 연료전지(110)의 기준출력이 출력된다.
이후 제어기(130)는 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과 레벨별 연료전지의 기준출력을 비교(S140)한다. 데이터맵에서 출력된 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 비교하기 위해서 두 값의 차이를 산출한다. 각 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력의 차이를 산출하고, 산출된 차이를 비교한다. 이때 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력에 따라 산출된 차이가 음수 또는 양수의 형태가 될 수 있다. 그러나 차이가 음수의 형태로 존재하게 되면 차이를 비교함에 있어서 오류가 발생할 문제가 있다. 따라서 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력의 차이를 산출하고, 산출된 차이의 크기를 비교하도록 하여 오류가 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
구체적으로 데이터맵의 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력은 다음과 같이 비교한다. 도 4에 도시된 것과 같이 데이터맵은 x축이 연료전지(110)의 냉각수 온도, y축이 연료전지(110)의 기준출력에 해당된다. 그리고 각 레벨별 연료전지(110)의 기준출력에 해당되는 맵은 일차함수로 표현이 가능하다. 예를 들어, 레벨 1에 해당되는 맵은 로 표현이 가능하고, 레벨 2에 해당되는 맵은 로 표현이 가능하며, 최대 레벨에 해당되는 맵은 로 표현이 가능하다. 단, 는 상수 값이다. 이후 데이터맵에 시동시 연료전지(110)의 냉각수 온도를 입력하고, 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과 각 레벨별 연료전지(110)의 기준출력의 차이를 산출한다.
도 4에 도시된 것과 같이 차이 산출의 편의를 위해 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 좌표 형태인 로 표현한다. 여기서 은 시동시 냉각수 온도이고, 는 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 의미한다. 이를 통해 시동시 냉각수 온도에 해당하는 각 레벨별 연료전지(110)의 기준출력을 산출할 수 있고, 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과 각 레벨별 기준출력의 차이를 쉽게 산출할 수 있다. 이때 산출된 차이는 로 표현할 수 있고, 각 차이를 계산하는 수학식은 아래와 같다. 수학식을 통해 차이를 산출한 후, 산출된 차이를 비교함으로써 데이터맵의 레벨별 연료전지(110)의 기준출력과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 쉽게 비교할 수 있다.
제어기(130)는 산출된 차이를 비교한 후 연료전지(110)의 기준출력을 선정(S150)한다. 본 발명은 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110)의 출력을 기반으로 연료전지(110)의 기준출력을 가변하는 것이다. 따라서 데이터맵의 레벨별 기준출력 값 중에서 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과 유사한 기준출력으로 가변할 필요가 있다. 이에 제어기(130)는 산출된 차이를 비교하고, 그 중 최소값을 선정한다.
최소값이 선정되면 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력과의 차이가 최소값을 가지는 레벨의 연료전지(110) 기준출력을 선정한다. 이후 선정된 레벨의 연료전지(110) 기준출력으로 차량의 냉시동 완료를 판단하는 기존 연료전지(110)의 기준출력을 가변한다.
이를 통해 운전자의 성향이 다르더라도 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110)의 출력을 파악하여 연료전지(110)의 기준출력을 가변함으로써 운전자의 성향에 맞는 연료전지(110)의 기준출력을 제공할 수 있다. 이에 연료전지(110)의 불필요한 발열을 최소화하고, 운전자에 따른 적절한 냉시동 성능을 제공하는 효과가 있다.
이후 도 2의 연료전지의 기준출력을 가변하는 단계(S100) 이후에는 제어기(130)에서 고전압배터리(140)의 성능을 판단하는 단계(S200); 및 고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우 연료전지(110)의 기준출력을 추가 가변하는 단계(S300);를 더 포함한다. 제어기(130)는 고전압배터리(140)의 성능을 판단하는 단계(S200)와 연료전지(110)의 기준출력을 추가 가변하는 단계(S300)를 수행한다.
제어기(130)는 고전압배터리(140)의 충전량(SOC)을 바탕으로 고전압배터리(140)의 성능을 판단한다. 고전압배터리(140)의 성능을 판단할 수 있는 기준은 다수 존재할 수 있고, 본 발명에서는 고전압배터리(140)의 충전량을 기준으로 고전압배터리(140)의 성능을 판단한다. 차량의 연료전지 시스템(100)에 마련된 고전압배터리(140)는 연료전지(110)와 같이 운전자가 요구하는 출력을 부담한다. 고전압배터리(140)의 충전량이 많을수록 소모할 수 있는 전력의 양이 증가하게 되고 이로 인해 시동 초기 고전압배터리(140)가 일정 수준의 출력을 부담할 수 있게 된다. 따라서 고전압배터리(140)의 충전량이 많을수록 고전압배터리(140)의 성능이 높다고 판단할 수 있다.
고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우, 제어기(130)는 가변된 연료전지(110)의 기준출력을 한 번 더 가변한다. 이때 가변된 연료전지(110)의 기준출력 레벨이 낮아지는 방향으로 가변하고, 그에 따라 연료전지(110)의 기준출력은 더 낮아진다.
고전압배터리(140)의 성능이 높다는 것은 고전압배터리(140)의 충전량이 많다는 것을 의미하고, 고전압배터리(140)의 충전량이 많다는 것은 고전압배터리(140)에서 일정 출력을 부담할 수 있다는 것을 의미한다. 차량의 시동 초기에 운전자가 요구하는 출력 중 고전압배터리(140)의 성능이 높아 고전압배터리(140)가 부담할 수 있는 출력이 늘어나면, 연료전지(110)가 부담해야 하는 출력은 줄어든다. 따라서 고전압배터리(140)의 성능이 높을 경우, 가변된 연료전지(110)의 기준출력을 낮추는 방향으로 한 번 더 가변하는 것이 필요하다.
한편, 제어기(130)는 연료전지(110)의 기준출력의 가변이 끝나면 차량의 시동시 연료전지(110)의 냉시동 진입여부를 판단하는 단계(S400)를 수행한다. 이후 냉시동 진입시 연료전지(110)의 가용출력이 가변된 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지(110)를 냉시동 조건으로 제어하는 단계(S500)를 수행한다. 제어기(130)는 냉각수 온도센서(120)에서 측정한 연료전지(110)의 냉각수 온도를 기준으로 연료전지(110)의 냉시동 진입여부를 판단한다. 냉각수 온도가 기준온도 미만일 경우 연료전지(110)는 냉시동에 진입하게 된다.
제어기(130)는 가변된 연료전지(110)의 기준출력을 바탕으로 차량이 냉시동에 진입하도록 한다. 그리고 제어기(130)는 연료전지(110)의 냉시동 진입 후 연료전지(110)에서 발생하는 출력이 가변된 기준출력에 도달할 때까지 연료전지(110)를 냉시동 조건으로 제어한다. 이후 연료전지(110)의 출력이 가변된 기준출력에 도달하게 되면 연료전지(110)의 냉시동은 종료된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 연료전지 시스템의 출력 데이터 그래프이다. 그래프의 x축은 시간을 의미하고, y축은 출력 데이터의 종류에 따라 달라진다. 그래프에 표기된 1은 차량의 냉시동이 완료되기까지 연료전지(110)가 발전하는 기준출력을 의미한다. 반면, 표기된 2는 운전자가 연료전지(110) 차량에 요구하는 출력을 기반으로 가변된 출력을 의미한다. 그래프의 x축에 표기된 A는 연료전지(110) 차량의 시동(key st) 후 연료전지(110)의 기준출력에 도달하는 지점을 의미하고, B는 가변된 연료전지(110)의 출력에 도달하는 지점을 의미한다. 이하에서는 하나의 실시예로써 1에 해당되는 기준출력은 46kW이고, 2에 해당되는 출력은 30kW인 경우에 대해 설명하도록 한다.
종래의 경우, 연료전지(110) 차량의 냉시동 진입시 연료전지(110)는 기준출력 46kW에 도달할 때까지 발전을 한다. 연료전지(110)의 출력이 46kW에 도달하면 연료전지(110)는 냉시동을 완료하게 되고, 냉시동 완료시까지 걸린 시간은 A 지점까지의 시간에 해당된다. 이때 냉시동 완료시까지 걸린 시간은 27초일 수 있다. 이후 연료전지(110)의 기준출력은 차량의 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지(110) 출력을 기반으로 가변된다. 가변된 연료전지(110)의 출력은 30kW이고, 연료전지(110)의 냉시동 진입시 완료되기까지 걸린 시간은 B 지점까지의 시간에 해당된다. 이때 냉시동 완료시까지 걸린 시간은 23초일 수 있다. 기존의 연료전지(110) 기준출력을 바탕으로 연료전지(110)의 냉시동 완료시까지 걸린 시간인 27초에 비해 4초 정도 단축되는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따르면 도 5에 도시된 것과 같이 기존 연료전지(110)의 기준출력을 가변할 경우, 냉시동 완료시까지 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 차량의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 차량의 시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 후 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 연료전지의 냉시동 완료 기준출력을 가변함으로써 불필요한 연료전지의 발열을 방지하고, 시동시간이 단축되어 기존 대비 향상된 냉시동 성능을 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 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.
100 : 연료전지 시스템
110 : 연료전지
120 : 냉각수 온도센서
130 : 제어기
140 : 고전압배터리

Claims (16)

  1. 연료전지; 및
    연료전지의 냉시동 진입시 연료전지의 가용출력이 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지를 냉시동 조건으로 제어하되, 기준출력을 차량의 시동시 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 가변하는 제어기;를 포함하는 차량의 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 냉각수 온도를 측정하는 냉각수 온도센서;를 더 포함하고,
    제어기는 차량의 시동시 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 기준출력을 가변하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력은 복수의 시동 초기 연료전지 출력의 평균값인 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    시동 초기 연료전지 출력은 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달하는 때까지 발생한 연료전지 출력의 평균값인 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제어기에는 연료전지의 냉각수 온도를 입력값으로 하고 연료전지의 기준출력을 출력값으로 하는 데이터맵이 구비된 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    데이터맵은 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지의 기준출력이 매칭된 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 시동시 연료전지 냉각수 온도를 데이터맵에 입력하고, 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 비교하여 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력에 가장 근접한 레벨의 기준출력을 선정하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어기는 고전압배터리의 성능을 파악하고, 고전압배터리의 성능이 높을 경우 선정된 레벨의 기준출력을 보다 낮은 레벨의 기준출력으로 낮추는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제어기는 고전압배터리의 충전량(SOC)이 많을수록 고전압배터리의 성능이 높은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템.
  10. 제어기에서 냉시동시 연료전지 냉각수 온도와 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 기반으로 연료전지의 기준출력을 가변하는 단계;
    차량의 시동시 제어기에서 연료전지의 냉시동 진입여부를 판단하는 단계; 및
    냉시동 진입시 제어기에서 연료전지의 가용출력이 가변된 기준출력에 도달하는 시점까지 연료전지를 냉시동 조건으로 제어하는 단계;를 포함하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 차량의 시동 후부터 냉각수 온도가 웜업이 완료되는 기준온도에 도달할 때까지 발생한 연료전지 출력의 평균값을 산출하고, 복수의 시동시 연료전지 출력의 평균값의 평균값을 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력으로 도출하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 복수의 레벨로 구성되고, 각 레벨별로 대응되는 냉각수 온도와 연료전지의 기준출력이 매칭된 데이터맵을 활용하여 시동시 연료전지의 냉각수 온도를 입력하면 그에 대응되는 연료전지의 기준출력을 출력하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 기준출력을 가변하는 단계에서는 제어기가 시동시 연료전지 냉각수 온도를 데이터맵에 입력하고, 출력된 각 레벨의 기준출력 값들과 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력을 비교하여 시동 초기 운전자가 요구하는 연료전지 출력에 가장 근접한 레벨의 기준출력을 선정하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 기준출력을 가변하는 단계 이후에는 제어기에서 고전압배터리의 성능을 판단하는 단계; 및
    고전압배터리의 성능이 높을 경우 연료전지의 기준출력을 추가 가변하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    고전압배터리의 성능을 판단하는 단계에서는 제어기가 고전압배터리의 충전량(SOC)이 많을수록 고전압배터리의 성능이 높다고 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    추가 가변하는 단계에서는 제어기가 고전압배터리의 성능이 높을 경우 가변된 기준출력의 레벨이 감소하는 방향으로 기준출력을 더 낮추는 것을 특징으로 하는 차량의 연료전지 시스템 제어방법.
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