KR20240084335A - 연료 전지 차 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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이재형
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Abstract

연료 전지 차는 연료 전지 스택; 배터리; 제1 직류단이 상기 연료 전지 스택과 연결되고, 제2 직류단이 상기 배터리와 연결되는 직류 컨버터; 및 상기 연료 전지 스택의 발열 목표 에너지가 상기 연료 전지 스택의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하고, 상기 저효율 운전 제어 진입 시 상기 발열 목표 에너지를 기반으로 상기 제1 직류단의 목표 전압을 설정하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

연료 전지 차 및 이의 제어 방법{FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE AND METHOD CONTROLLING FOR THE SAME}
본 발명은 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어에 기반하여 연료 전지 스택의 발열 에너지를 제어하는 연료 전지 차 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐과 함께, 전기 모터를 동력원으로 구비한 친환경 차량이 증가하는 추세이다. 친환경 차량은 전동화 차량이라고도 하며, 대표적으로 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle) 및 연료 전지 차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)를 예로 들 수 있다.
연료 전지 차(FCEV)는 에너지원으로 사용하는 복수의 연료 전지 셀들을 적층시킨 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료 공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기 공급 시스템 및 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.
이때, 연료 전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 연료전지 차량(FCEV) 등 친환경 차량의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
한편, 연료 전지 차는 연료 전지 시스템을 열원으로 사용하는 기능을 제공할 수 있다. 이러한 열원 활용 기능들은 연료 전지 스택의 폐열(waste heat)을 연료 전지의 냉시동(cold start), 연료 전지 차의 실내 난방 기능 및 열교환 제어(예컨대, 대용량 배터리의 승온 제어) 등에 사용될 수 있다.
이러한 열원 활용 기능들을 수행하기 위해, 연료 전지 스택을 냉각한 후 연료 전지 스택의 잉여 열원을 사용하고자 할 경우, 연료 전지 스택에 과냉이 발생할 때 열원 활용 기능과 관련하여 타 장치와 협조 제어가 불가한 문제가 있다.
또한, 연료 전지 스택의 요구 출력이 낮은 상태에서 연료 전지 스택을 열원으로 사용할 경우, 연료 전지 스택의 전압 상승에 대비하여 공기 공급량 제한 또는 FC Stop 등 다양한 수단이 동원되므로, 연료 전지 스택의 출력 전류가 낮아짐에 따라 연료 전지 스택의 발열 에너지를 유지하기 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 연료 전지 스택을 열원으로 사용하고자 할 경우, 연료 전지 스택의 잉여 열원을 수동적으로 활용하는 것에서 나아가 연료 전지 스택의 발열 에너지를 능동적으로 제어하는 방안이 필요하다.
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.
이에, 본 발명은, 연료 전지 스택의 발열 에너지를 능동적으로 제어하기 위해 연료 전지 스택을 저효율로 운전함으로써, 연료 전지 스택의 발열 에너지와 방열 에너지를 밸런싱하고, 연료 전지 스택에 대한 발열 요구 에너지를 충족하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 연료 전지 차는 연료 전지 스택; 배터리; 제1 직류단이 상기 연료 전지 스택과 연결되고, 제2 직류단이 상기 배터리와 연결되는 직류 컨버터; 및 상기 연료 전지 스택의 발열 목표 에너지가 상기 연료 전지 스택의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하고, 상기 저효율 운전 제어 진입 시 상기 발열 목표 에너지를 기반으로 상기 제1 직류단의 목표 전압을 설정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각팬과 냉각 펌프의 속도를 기반으로 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단하고, 상기 냉각 성능 레벨이 상기 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 상기 발열 목표 에너지가 상기 현재 발열 에너지를 초과할 경우, 상기 저효율 운전 제어에 진입할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 발열 목표 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 발열 요구 에너지와 상기 연료 전지 스택의 현재 방열 에너지의 합에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 발열 요구 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 승온 또는 열 교환에 요구되는 발열 에너지에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 현재 방열 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 질량, 상기 연료 전지 스택의 비열 및 상기 연료 전지 스택의 출력단과 입력단 간의 온도 차이의 곱에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 현재 발열 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 개방 회로 전압에 상기 제1 직류단의 센싱 전류를 곱한 전력과 상기 제1 직류단의 센싱 전압에 상기 센싱 전류를 곱한 현재 출력 전력의 차이에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 저효율 운전 제어에 진입할 때, 상기 발열 목표 에너지 및 상기 연료 전지 스택의 현재 출력 전력을 기반으로, 상기 제1 직류단의 상기 목표 전압과 목표 전류를 판단하되, 상기 목표 전압은, 상기 제1 직류단의 센싱 전압보다 낮게 설정되되, 상기 목표 전압과 상기 목표 전류의 곱은, 상기 제1 직류단의 현재 출력 전력에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 목표 전압의 레벨을 상기 직류 컨버터의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 저효율 운전 제어가 수행될 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기 공급량을 조정할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 저효율 운전 제어에 진입한 후 상기 현재 발열 에너지가 상기 발열 목표 에너지에 도달할 경우, 상기 저효율 운전 제어를 종료할 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 연료 전지 스택이 연결된 제1 직류단과 배터리가 연결된 제2 직류단을 가지는 직류 컨버터를 포함한 연료 전지 차의 제어 방법에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 발열 목표 에너지가 상기 연료 전지 스택의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하는 단계; 및 상기 저효율 운전 제어 진입 시 상기 발열 목표 에너지를 기반으로 상기 제1 직류단의 목표 전압을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각팬과 냉각 펌프의 속도를 기반으로 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하는 단계는, 상기 냉각 성능 레벨이 상기 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 상기 발열 목표 에너지가 상기 현재 발열 에너지를 초과할 경우, 상기 저효율 운전 제어에 진입하도록 수행될 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 발열 목표 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 발열 요구 에너지와 상기 연료 전지 스택의 현재 방열 에너지의 합에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 발열 요구 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 승온 또는 열 교환에 요구되는 발열 에너지에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 현재 발열 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 질량, 상기 연료 전지 스택의 비열 및 상기 연료 전지 스택의 출력단과 입력단 간의 온도 차이의 곱에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 현재 발열 에너지는, 상기 연료 전지 스택의 개방 회로 전압에 상기 제1 직류단의 센싱 전류를 곱한 전력과 상기 제1 직류단의 센싱 전압에 상기 센싱 전류를 곱한 현재 출력 전력의 차이에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 목표 전압을 설정하는 단계는, 상기 저효율 운전 제어에 진입할 때, 상기 발열 목표 에너지 및 상기 연료 전지 스택의 현재 출력 전력을 기반으로, 상기 제1 직류단의 상기 목표 전압과 목표 전류를 판단하는 단계를 포함하되, 상기 목표 전압은, 상기 제1 직류단의 센싱 전압보다 낮게 설정되되, 상기 목표 전압과 상기 목표 전류의 곱은, 상기 제1 직류단의 현재 출력 전력에 해당할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 목표 전압의 레벨을 상기 직류 컨버터의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 저효율 운전 제어가 수행될 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기 공급량을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 저효율 운전 제어에 진입한 후 상기 현재 발열 에너지가 상기 발열 목표 에너지에 도달할 경우, 상기 저효율 운전 제어를 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 연료 전지 스택의 발열 에너지를 능동적으로 제어하기 위해 연료 전지 스택을 저효율로 운전함으로써, 연료 전지 스택의 발열 에너지와 방열 에너지를 밸런싱하고, 연료 전지 스택에 대한 발열 요구 에너지를 충족할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차에 포함된 연료 전지 스택의 운전을 제어하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
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.
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.
다음의 실시예들의 기재에 있어서, "기 설정된"이라는 용어는 프로세스나 알고리즘에서 매개변수를 사용할 때 매개변수의 수치가 미리 결정되어 있음을 의미한다. 매개변수의 수치는 실시예에 따라서 프로세스나 알고리즘이 시작할 때 설정되거나 프로세스나 알고리즘이 수행되는 구간 동안 설정될 수 있다.
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.
또한, 수소 연료 제어기(FCU: Fuel cell Control Unit), 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 각 제어기는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 차는 에너지원으로 연료 전지 스택(10), 연료 전지 스택(10)을 냉각수 라인을 통해 냉각하기 위한 라디에이터(20)와 열 교환기(30)를 포함할 수 있다. 이때, 연료 전지 스택(10)은 복수의 연료 전지 셀을 포함하며, 수소와 산소의 화학 반응에 의해 발전할 수 있다. 본 실시예에서, 연료 전지 스택(10)은 고분자 전해질 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
연료 전지 차는 에너지원으로 고전압 배터리(40)를 포함하고, 연료 전지 스택(10)과 고전압 배터리(40) 사이에서 고전압 라인을 통해 배치된 DC/DC 컨버터(50)(이하, 직류 컨버터로 지칭함), 고전압 정션 블록(60) 및 메인 릴레이(MRLY)를 포함할 수 있다. 이때, 메인 릴레이(MRLY)의 고전압 배터리(40) 측 일단에는 연료 전지 스택의 보기류(BoP, Balance of Plant)와 모터 제어기(MCU, Motor Control Unit) 등이 배치될 수 있다.
직류 컨버터(50)는 연료 전지 스택(10)이 연결된 제1 직류단(LS)(로우 사이드)과 고전압 배터리(40)가 연결된 제2 직류단(HS)(하이 사이드)을 가질 수 있다. 직류 컨버터(50)는 로우 사이드(LS)의 전압을 승압하여 하이 사이드(HS)로 출력하거나, 하이 사이드(HS)의 전압을 강압하여 로우 사이드(LS)로 출력할 수 있다. 이때, 하이 사이드(HS)의 전압은 연료 전지 스택의 보기류(BoP)의 구동 전압의 레벨로 설정될 수 있다.
연료 전지 차는 연료 전지 스택(10), 연료 전지 스택(10)의 연료/공기 공급 시스템, 연료 전지 스택(10)의 열관리 시스템 및 직류 컨버터(50)를 제어하기 위한 컨트롤러(100)를 포함할 수 있다. 구현에 있어서, 컨트롤러(100)는 단일 제어기로 구현될 수도 있고, 복수의 제어기로 그 기능이 분산된 형태로 구현될 수도 있다. 예컨대, 컨트롤러(100)는 연료 전지 제어기(FCU, Fuel cell Control Unit)로 구현되거나, 그의 하위 제어기의 결합으로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 연료 전지 차는 연비 향상을 위해 연료 전지 스택(10)을 고효율로 운전하되, 연료 전지 스택(10)의 승온이 요구될 경우 연료 전지 스택(10)을 저효율로 운전할 수 있다. 예컨대, 연료 전지 차는 연료 전지 스택(10)의 냉시동, 연료 전지 스택(10)의 저온 상태, 연료 전지 차의 공조, 고전압 배터리(40)의 냉시동 등을 위해 연료 전지 스택(10)을 저효율로 운전함으로써, 연료 전지 스택(10)의 발열 에너지를 상승시킬 수 있다.
이하에서는, 컨트롤러(100)가 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입하는 동작 방법 및 저효율 운전 제어를 수행하는 동작 방법을 설명한다.
우선, 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각팬(미도시)과 냉각 펌프(미도시)의 속도를 기반으로, 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(100)는 냉각팬과 냉각 펌프의 속도가 기 설정된 최소 속도에 도달할 경우, 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당한 것으로 판단할 수 있다.
연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 발열 목표 에너지가 연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로, 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단할 수 있다. 이에 따라, 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 발열 목표 에너지가 현재 발열 에너지를 초과할 경우, 저효율 운전 제어에 진입할 수 있다.
연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지(Qheat_stk)는 아래 식 1과 같이 컨트롤러(100)에 의해 산출될 수 있다. 식 1을 참조하면, 현재 발열 에너지(Qheat_stk)는 연료 전지 스택(10)의 개방 회로 전압(OCV, Open Circuit Voltage)에 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 센싱 전류(Istk)를 곱한 전력과 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 센싱 전압(Vstk)에 센싱 전류(Istk)를 곱한 전력의 차이에 해당할 수 있다. 이때, 개방 회로 전압(OCV)는 연료 전지 스택(10)에 포함된 복수의 셀 각각의 개방 회로 전압의 합에 해당하며, 센싱 전압(Vstk)에 센싱 전류(Istk)를 곱한 전력은 연료 전지 스택(10)의 현재 출력 전력(Pstk)에 해당할 수 있다.
식 1: Qheat_stk = (OCV - Vstk) * Istk = OCV * Istk - Pstk
연료 전지 스택(10)의 발열 목표 에너지(Q_heat_target)는 아래 식 2와 같이 연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지(Qheat_stk)과 연료 전지 스택(10)의 추가 필요 발열 에너지(Qheat_add)의 합에 해당할 수 있다.
식 2: Qheat_target = Qheat_stk + Qheat_add
연료 전지 스택(10)의 추가 필요 발열 에너지(Qheat_add)는 아래 식 3과 같이 컨트롤러(100)에 의해 산출될 수 있다. 식 3을 참조하면, 추가 필요 발열 에너지(Qheat_add)는 연료 전지 스택(10)에 대한 발열 요구 에너지(Qheat_req)에서 연료 전지 스택(10)의 현재 폐열 에너지(Qheat_waste)를 감산한 값에 해당할 수 있다.
식 3: Qheat_add = Qheat_req - Qheat_waste
연료 전지 스택(10)의 발열 요구 에너지(Qheat_req)는 연료 전지 스택(10)의 승온(temperature rising) 또는 열 교환(heat exchange)에 요구되는 발열 에너지에 해당할 수 있다. 여기서, 승온에 요구되는 발열 에너지는 연료 전지 스택(10)의 냉시동(cold start) 또는 연료 전지 스택(10)의 과냉 상태에 요구되는 발열 에너지에 해당하며, 열 교환에 요구되는 발열 에너지는 연료 전지 차의 실내 공조 또는 고전압 배터리(40)의 냉시동에 요구되는 발열 에너지에 해당할 수 있다.
연료 전지 스택(10)의 현재 폐열 에너지(Qheat_waste)는 아래 식 4와 같이 연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지(Qheat_stk)에서 연료 전지 스택(10)의 현재 방열 에너지(Qcool_stk)을 감산한 값에 해당할 수 있다. 여기서, 현재 폐열 에너지(Qheat_waste)는 양수일 경우 연료 전지 스택(10)의 잉여 폐열이 존재함을 나타내고, 음수일 경우 연료 전지 스택(10)이 과냉 상태임을 나타낼 수 있다.
식 4: Qheat_waste = Qheat_stk - Qcool_stk
이때, 식 2에 식 3 및 식 4를 대입하면, 발열 목표 에너지(Q_heat_target)는 아래 식 5와 같이 추가 필요 발열 에너지(Qheat_add)와 현재 방열 에너지(Qcool_stk)의 합에 해당함을 확인할 수 있다.
식 5: Qheat_target = Qheat_add + Qcool_stk
한편, 연료 전지 스택(10)의 현재 방열 에너지(Qcool_stk)는 아래 식 6과 같이 컨트롤러(100)에 의해 산출될 수 있다. 식 6을 참조하면, 현재 방열 에너지(Qcool_stk)는 연료 전지 스택(10)의 질량(m), 연료 전지 스택(10)의 비열(c) 및 연료 전지 스택(10)의 출력단과 입력단 간의 온도 차이(Tstk_out - Tstk_in)의 곱에 해당할 수 있다. 여기서, 'Tstk_out'은 연료 전지 스택(10)의 출력단에 대한 온도에 해당하고, 'Tstk_in'은 연료 전지 스택(10)의 입력단에 대한 온도에 해당할 수 있다.
식 6: Qcool_stk = m * c * (Tstk_out - Tstk_in)
식 1 내지 식 6을 참조하여 예를 들면, 컨트롤러(100)는 현재 방열 에너지(Qcool_stk)가 50(kW)이고, 발열 요구 에너지(Qheat_req)가 10(kW)일 때, 발열 목표 에너지(Q_heat_target)를 60(Kw)로 판단할 수 있다. 이 경우, 컨트롤러(100)는 현재 발열 에너지(Qheat_stk)이 40(kW)일 때, 발열 목표 에너지(Q_heat_target)가 현재 발열 에너지(Qheat_stk)를 초과하므로, 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입할 수 있다.
반대로, 컨트롤러(100)는 현재 방열 에너지(Qcool_stk)가 40(kW)이고, 발열 요구 에너지(Qheat_req)가 0(kW)일 때, 발열 목표 에너지(Q_heat_target)를 40(Kw)로 판단할 수 있다. 이 경우, 컨트롤러(100)는 현재 발열 에너지(Qheat_stk)이 40(kW)일 때, 발열 목표 에너지(Q_heat_target)가 현재 발열 에너지(Qheat_stk)와 동일하므로, 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입하지 않고, 연료 전지 스택(10)에 대해 고효율 운전 제어를 진행할 수 있다.
이상에서는, 컨트롤러(100)가 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입하는 동작 방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 컨트롤러(100)가 저효율 운전 제어를 수행하는 동작 방법을 설명한다.
컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어 진입 시, 연료 전지 스택(10)의 목표 발열 에너지(Qheat_target) 및 현재 출력 전력(Pstk)을 기반으로 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전압과 목표 전류를 설정하며, 로우 사이드(LS)의 목표 전압에 따라 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 공급량을 조정함과 동시에 직류 컨버터(50)에 포함된 스위칭 소자를 스위칭할 수 있다.
컨트롤러(100)는 저효율 운전 제어의 진입 전후로 연료 전지 스택(10)의 출력 전력을 동일하게 유지하면서, 저효율 운전 제어 진입 시 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 센싱 전압보다 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전압을 낮게 설정할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 연료 전지 스택(10)의 현재 출력 전력(Pstk)은 아래 식 7과 같이, 로우 사이드(LS)의 센싱 전압(Vstk)에 로우 사이드(LS)의 센싱 전류(Istk)를 곱한 값에 해당하며, 로우 사이드(LS)의 목표 전압(Vtarget)에 로우 사이드(LS)의 목표 전류(Itarget)를 곱한 값은 현재 출력 전력(Pstk)의 값과 동일하게 설정될 수 있다.
식 7: Pstk = Vstk * Istk = Vtarget * Itarget
한편, 목표 발열 에너지(Qheat_target)는 아래 식 8과 같이 연료 전지 스택(10)의 개방 회로 전압(OCV, Open Circuit Voltage)에 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전류(Itarget)를 곱한 전력과 현재 출력 전력(Pstk)의 차이에 해당할 수 있다.
식 8: Qheat_target = (OCV - Vtarget) * Itarget = OCV * Itarget - Pstk
이때, 식 7을 식 8에 대입하면, 아래 식 9와 같이 목표 전압(Vtarget)은 컨트롤러(100)에 의해 연료 전지 스택(10)의 목표 발열 에너지(Qheat_target) 및 현재 출력 전력(Pstk)을 기반으로 산출됨을 확인할 수 있다.
식 9: Vtarget = (Pstk*OCV)/(Qheat_target+Pstk)
컨트롤러(100)는 식 9에서 산출된 목표 전압(Vtarget)의 레벨을 직류 컨버터(50)의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한할 수 있으며, 목표 전류(Itarget)의 세기를 연료 전지 차의 최대 허용 전류 이하로 제한할 수 있다. 여기서, 최소 제어 가능 전압의 레벨과 최대 허용 전류의 세기는 실시예에 따라 그 값이 다양하게 설정될 수 있다.
컨트롤러(100)는 저효율 운전 제어에 진입한 후 현재 발열 에너지(Qheat_stk)가 목표 발열 에너지(Qheat_target)에 도달할 경우, 저효율 운전 제어를 종료하고, 연료 전지 스택(10)에 대해 고효율 운전 제어를 진행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차에 포함된 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어에 진입하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)는 저효율 운전 제어에 진입할 때, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 공급량을 조정하여 고효율 운전 제어를 위한 I-V 곡선을 저효율 운전 제어를 위한 I-V 곡선으로 변경할 수 있다.
저효율 운전 제어에 진입할 때, 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전압(Vtarget)은 고효율 운전 제어를 위한 I-V 곡선에 따른 센싱 전압(Vstk)보다 낮게 설정되고, 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전류(Itarget)은 고효율 운전 제어를 위한 I-V 곡선에 따른 센싱 전류(Istk)보다 높게 설정될 수 있다.
이때, 센싱 전압(Vstk)과 센싱 전류(Istk)의 곱은 목표 전압(Vtarget)과 목표 전류(Itarget)의 곱과 동일하게 설정되나, 고효율 운전 제어에 따른 현재 발열 에너지(Qheat_stk)보다 저효율 운전 제어에 따른 목표 발열 에너지(Qheat_target)가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 차의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각팬과 냉각 펌프의 속도를 기반으로, 연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다(S101).
연료 전지 스택(10)에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 경우(S101의 YES), 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 목표 발열 에너지(Qheat_target)가 연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지(Qheat_stk)를 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S102).
목표 발열 에너지(Qheat_target)가 현재 발열 에너지(Qheat_stk) 이하일 경우(S102의 NO), 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 고효율 운전 제어를 수행할 수 있다(S107).
이와 달리, 목표 발열 에너지(Qheat_target)가 현재 발열 에너지(Qheat_stk)를 초과할 경우(S102의 YES), 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입할 수 있다(S103). 이때, 컨트롤러(100)는 전술한 식 9와 같이, 연료 전지 스택(10)의 목표 발열 에너지(Qheat_target) 및 현재 출력 전력(Pstk)을 기반으로, 직류 컨버터(50)의 로우 사이드(LS)에 대한 목표 전압(Vtarget)을 설정할 수 있다.
식 9: Vtarget = (Pstk*OCV)/(Qheat_target+Pstk)
이때, 컨트롤러(100)는 목표 전압(Vtarget)의 레벨을 직류 컨버터(50)의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한할 수 있다(S104).
이후, 컨트롤러(100)는 목표 전압(Vtarget)의 레벨을 기반으로 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 공급량을 조정함과 동시에 직류 컨버터(50)에 포함된 스위칭 소자를 스위칭함으로써, 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어를 수행할 수 있다(S105).
연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어에 진입한 후 연료 전지 스택(10)의 현재 발열 에너지(Qheat_stk)가 연료 전지 스택(10)의 목표 발열 에너지(Qheat_target)에 도달할 경우(S106의 YES), 컨트롤러(100)는 연료 전지 스택(10)의 저효율 운전 제어를 종료하고, 연료 전지 스택(10)의 고효율 운전 제어를 수행할 수 있다(S107).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 연료 전지 스택의 발열 에너지를 능동적으로 제어하기 위해 연료 전지 스택을 저효율로 운전함으로써, 연료 전지 스택의 발열에너지와 방열 에너지를 밸런싱하고, 연료 전지 스택에 대한 발열 요구 에너지를 충족할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 연료 전지 스택
20: 라디에이터
30: 열 교환기
40: 고전압 배터리
50: DC/DC 컨버터
60: 고전압 정션 블록
100: 컨트롤러

Claims (20)

  1. 연료 전지 스택;
    배터리;
    제1 직류단이 상기 연료 전지 스택과 연결되고, 제2 직류단이 상기 배터리와 연결되는 직류 컨버터; 및
    상기 연료 전지 스택의 발열 목표 에너지가 상기 연료 전지 스택의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로 상기 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하고, 상기 저효율 운전 제어 진입 시 상기 발열 목표 에너지를 기반으로 상기 제1 직류단의 목표 전압을 설정하는 컨트롤러를 포함하는, 연료 전지 차.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 연료 전지 스택에 대한 냉각팬과 냉각 펌프의 속도를 기반으로 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단하고, 상기 냉각 성능 레벨이 상기 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 상기 발열 목표 에너지가 상기 현재 발열 에너지를 초과할 경우, 상기 저효율 운전 제어에 진입하는, 연료 전지 차.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 발열 목표 에너지는,
    상기 연료 전지 스택에 대한 발열 요구 에너지와 상기 연료 전지 스택의 현재 방열 에너지의 합에 해당하는, 연료 전지 차.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 발열 요구 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 승온 또는 열 교환에 요구되는 발열 에너지에 해당하는, 연료 전지 차.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 현재 방열 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 질량, 상기 연료 전지 스택의 비열 및 상기 연료 전지 스택의 출력단과 입력단 간의 온도 차이의 곱에 해당하는, 연료 전지 차.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 현재 발열 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 개방 회로 전압에 상기 제1 직류단의 센싱 전류를 곱한 전력과 상기 제1 직류단의 센싱 전압에 상기 센싱 전류를 곱한 현재 출력 전력의 차이에 해당하는, 연료 전지 차.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 저효율 운전 제어에 진입할 때, 상기 발열 목표 에너지 및 상기 연료 전지 스택의 현재 출력 전력을 기반으로, 상기 제1 직류단의 상기 목표 전압과 목표 전류를 판단하되,
    상기 목표 전압은,
    상기 제1 직류단의 센싱 전압보다 낮게 설정되되,
    상기 목표 전압과 상기 목표 전류의 곱은,
    상기 현재 출력 전력에 해당하는, 연료 전지 차.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 목표 전압의 레벨을 상기 직류 컨버터의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한하는, 연료 전지 차.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 저효율 운전 제어가 수행될 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기 공급량을 조정하는, 연료 전지 차.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 저효율 운전 제어에 진입한 후 상기 현재 발열 에너지가 상기 발열 목표 에너지에 도달할 경우, 상기 저효율 운전 제어를 종료하는, 연료 전지 차.
  11. 연료 전지 스택이 연결된 제1 직류단과 배터리가 연결된 제2 직류단을 가지는 직류 컨버터를 포함한 연료 전지 차의 제어 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 발열 목표 에너지가 상기 연료 전지 스택의 현재 발열 에너지를 초과하는지 여부를 기반으로, 상기 연료 전지 스택의 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 저효율 운전 제어 진입 시 상기 발열 목표 에너지를 기반으로, 상기 제1 직류단의 목표 전압을 설정하는 단계를 포함하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 대한 냉각팬과 냉각 펌프의 속도를 기반으로 상기 연료 전지 스택에 대한 냉각 성능 레벨이 냉각 성능 최소 레벨에 해당하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하되,
    상기 저효율 운전 제어의 진입 여부를 판단하는 단계는,
    상기 냉각 성능 레벨이 상기 냉각 성능 최소 레벨에 해당할 때, 상기 발열 목표 에너지가 상기 현재 발열 에너지를 초과할 경우, 상기 저효율 운전 제어에 진입하는 단계를 포함하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 발열 목표 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 발열 요구 에너지와 상기 연료 전지 스택의 현재 방열 에너지의 합에 해당하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 발열 요구 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 승온 또는 열 교환에 요구되는 발열 에너지에 해당하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 현재 발열 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 질량, 상기 연료 전지 스택의 비열 및 상기 연료 전지 스택의 출력단과 입력단 간의 온도 차이의 곱에 해당하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 현재 발열 에너지는,
    상기 연료 전지 스택의 개방 회로 전압에 상기 제1 직류단의 센싱 전류를 곱한 전력과 상기 제1 직류단의 센싱 전압에 상기 센싱 전류를 곱한 현재 출력 전력의 차이에 해당하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 목표 전압을 설정하는 단계는,
    상기 저효율 운전 제어에 진입할 때, 상기 발열 목표 에너지 및 상기 연료 전지 스택의 현재 출력 전력을 기반으로, 상기 제1 직류단의 상기 목표 전압과 목표 전류를 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 목표 전압은,
    상기 제1 직류단의 센싱 전압보다 낮게 설정되되,
    상기 목표 전압과 상기 목표 전류의 곱은,
    상기 현재 출력 전력에 해당하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 목표 전압의 레벨을 상기 직류 컨버터의 최소 제어 가능 전압의 레벨 이상으로 제한하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 저효율 운전 제어가 수행될 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기 공급량을 조정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 저효율 운전 제어에 진입한 후 상기 현재 발열 에너지가 상기 발열 목표 에너지에 도달할 경우, 상기 저효율 운전 제어를 종료하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 차의 제어 방법.
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