WO2022108257A1 - 실시간 대응 수소충전 제어 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

실시간 대응 수소충전 제어 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to hydrogen charging control, and more particularly, to a real-time corresponding hydrogen charging control and an apparatus therefor.
  • a hydrogen vehicle is a vehicle that uses hydrogen as a fuel for power, and converts the chemical energy of hydrogen into mechanical energy by burning hydrogen in an internal combustion engine to drive an electric motor or by reacting hydrogen with oxygen in a fuel cell.
  • Hydrogen is used to supply transportation fuel, and hydrogen fuel is dangerous compared to refueling due to its high pressure and fast charging characteristics. This is not easy. Accordingly, each country has developed a hydrogen fueling protocol, and among them, there are a number of studies on the hydrogen fueling protocol using a lookup table for the pressure increase rate and target pressure based on the charging parameters.
  • HFP Hydrogen Fueling Protocol
  • SAE Society of Automotive Engineers
  • the technical problem to be achieved in the present invention is to provide a method for controlling real-time hydrogen charging in a hydrogen charger.
  • Another technical problem to be achieved in the present invention is to provide a method of receiving hydrogen according to real-time responsive hydrogen charging control from a hydrogen charger in a compressed hydrogen storage system (CHSS).
  • CHSS compressed hydrogen storage system
  • Another technical task to be achieved in the present invention is to provide a hydrogen charger for real-time responsive hydrogen charging control.
  • Another technical task to be achieved in the present invention is to provide a compressed hydrogen storage system that receives hydrogen according to real-time responsive hydrogen charging control from a hydrogen charger.
  • the real-time corresponding hydrogen charging control method in the hydrogen charger determines whether to use a predetermined thermodynamic model for real-time corresponding hydrogen charging, whether the obtained pressure of the hydrogen tank is smaller than a preset pressure determining based on whether or not; and when the pressure in the hydrogen tank is less than the preset pressure, a first pressure increase rate is determined based on a preset fixed pressure increase rate without using the predetermined thermodynamic model, and the first pressure increase rate is applied to the hydrogen filling Alternatively, if the pressure in the hydrogen tank is not smaller than the preset pressure, applying a second pressure increase rate set as the initial pressure increase rate to the predetermined thermodynamic model and then applying the hydrogen filling step.
  • the method further includes obtaining first information including information on the number of hydrogen tanks and the volume of the hydrogen tank, wherein the first pressure increase rate is the hydrogen tank at the preset fixed pressure increase rate It can be determined by dividing the number of
  • the method includes: acquiring second information about the temperature, pressure, and filling rate (SOC) of the hydrogen tank; obtaining third information on a hydrogen supply pressure and a hydrogen supply temperature for supply to the hydrogen tank; and calculating a maximum mass flow rate, a maximum hydrogen tank temperature, a maximum hydrogen tank pressure, and a filling rate by applying the obtained first information, the second information and the third information to the predetermined thermodynamic model based on the determination.
  • SOC temperature, pressure, and filling rate
  • the method further includes calculating each difference if the calculated filling rate is not less than a preset filling rate, wherein each difference is a difference between the calculated maximum mass flow rate and a first safety threshold associated with the mass flow rate A first difference corresponding to , a second difference corresponding to a difference between the calculated maximum hydrogen tank temperature and a second safety threshold associated with the hydrogen tank temperature, and a second difference corresponding to the calculated maximum hydrogen tank pressure and the hydrogen tank pressure It may include a third difference corresponding to the difference from the third safety threshold.
  • the method further includes the step of determining whether to increase, decrease or maintain the second pressure increase rate applied when the maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature and the maximum hydrogen tank pressure are calculated based on the respective differences can do.
  • the preset charging rate may be 100.
  • the preset pressure may correspond to a pressure related to driving stability of the predetermined thermodynamic model.
  • the method may include, if any one of the differences is negative, reducing the second pressure increase rate applied when the maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature and the maximum hydrogen tank pressure are calculated; and re-calculating the calculated maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature, the maximum hydrogen tank pressure, and the SOC using the predetermined thermodynamic model, wherein the first difference is a first safety threshold is calculated by subtracting the calculated maximum mass flow rate from the value, the second difference is calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank temperature from a second safety threshold, and the third difference is the third difference from the third safety threshold. It can be calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank pressure.
  • the method further includes the step of determining the second pressure increase rate as a new pressure increase rate if all of the differences are positive numbers and any one of the differences is less than or equal to a preset value, wherein the first difference is a first safety threshold is calculated by subtracting the calculated maximum mass flow rate from the value, the second difference is calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank temperature from a second safety threshold, and the third difference is the third difference from the third safety threshold. It can be calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank pressure.
  • the method further includes the step of determining a new pressure increase rate by increasing the second pressure increase rate if the respective differences are all positive numbers and all of the respective differences are not less than or equal to a preset value, wherein the first difference is a first safety rate It is calculated by subtracting the calculated maximum mass flow rate from a threshold value, the second difference is calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank temperature from a second safety threshold value, and the third difference is from a third safety threshold value It can be calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank pressure.
  • the method includes: acquiring fourth information on the real-time temperature of the hydrogen tank, the real-time pressure of the hydrogen tank, and the real-time filling rate (SOC) after a predetermined time; acquiring fifth information on real-time hydrogen supply pressure and real-time hydrogen supply temperature for supply to the hydrogen tank after the predetermined time; and applying the obtained first information, fourth information and fifth information to the predetermined thermodynamic model based on the determination to recalculate the maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature, the maximum hydrogen tank pressure and the filling rate.
  • SOC real-time filling rate
  • the method includes: acquiring fourth information on the real-time temperature of the hydrogen tank, the real-time pressure of the hydrogen tank, and the real-time filling rate (SOC) after a predetermined time; acquiring fifth information on real-time hydrogen supply pressure and real-time hydrogen supply temperature for supply to the hydrogen tank after the predetermined time; and applying the obtained first information, fourth information and fifth information to the predetermined thermodynamic model based on the determination to recalculate the maximum mass flow rate
  • the pressure of the hydrogen tank is less than the preset pressure
  • the hydrogen supplied from the hydrogen charger is supplied at a first fixed pressure increase rate determined based on a preset fixed pressure increase rate without using a predetermined thermodynamic model in the hydrogen charger.
  • Storing the hydrogen supplied from the hydrogen charger according to the state in which the second pressure increase rate set as the initial pressure increase rate in the hydrogen charger increases, decreases or is maintained if the pressure of the hydrogen tank is not less than the preset pressure may include steps.
  • the method includes: measuring the temperature of the hydrogen tank and the pressure of the hydrogen tank; and transmitting second information on the number of hydrogen tanks and the volume of the hydrogen tanks, wherein the first information is a value transmitted as a real-time value at a predetermined period, and the second information is hydrogen charging It is sent once per hour.
  • a hydrogen charger for real-time response hydrogen charging control includes a hydrogen supply unit configured to supply hydrogen to a compressed hydrogen storage system (CHSS); and whether to use a predetermined thermodynamic model for real-time corresponding hydrogen filling in order to supply hydrogen to the hydrogen supply unit based on whether the obtained pressure of the hydrogen tank is smaller than a preset pressure, and When the pressure is less than the preset pressure, a first pressure increase rate is determined based on a preset fixed pressure increase rate without using the predetermined thermodynamic model and the first pressure increase rate is applied to the hydrogen filling, or the hydrogen tank If the pressure of is not less than the preset pressure, the second pressure increase rate set as the initial pressure increase rate may include a charger control unit configured to apply to the hydrogen charging after applying to the predetermined thermodynamic model.
  • CHSS compressed hydrogen storage system
  • the charger control unit is configured to obtain first information on the temperature, pressure and filling rate (SOC) of the hydrogen tank and second information on the hydrogen supply pressure and hydrogen supply temperature for supply to the hydrogen tank, the The charger control unit may be configured to calculate a maximum mass flow rate, a maximum hydrogen tank temperature, a maximum hydrogen tank pressure, and a filling rate by applying the obtained first information and the second information to the predetermined thermodynamic model based on the determination.
  • SOC temperature, pressure and filling rate
  • the charger control unit is configured to calculate each difference if the calculated charging rate is not less than a preset charging rate, wherein each difference corresponds to a difference between the calculated maximum mass flow rate and a first safety threshold related to the mass flow rate.
  • a first difference, a second difference corresponding to a difference between the calculated maximum hydrogen tank temperature and a second safety threshold associated with the hydrogen tank temperature, and a third safety associated with the calculated maximum hydrogen tank pressure and the hydrogen tank pressure A third difference corresponding to the difference from the threshold may be included.
  • the charger control unit may be configured to determine whether to increase, decrease or maintain the second pressure increase rate applied when the maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature and the maximum hydrogen tank pressure are calculated based on the respective differences have.
  • the charger control unit is configured to determine a new pressure increase rate by increasing the second pressure increase rate if all of the differences are positive numbers and all of the differences are not less than or equal to a preset value, wherein the first difference is a first safety threshold value is calculated by subtracting the calculated maximum mass flow rate, the second difference is calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank temperature from a second safety threshold value, and the third difference is calculated by subtracting the calculated maximum hydrogen tank temperature from a third safety threshold value It can be calculated by subtracting the maximum hydrogen tank pressure.
  • CHSS Compressed Hydrogen Storage System
  • first information on the temperature and pressure of the hydrogen tank a transmitter configured to transmit; and when the pressure in the hydrogen tank is less than the preset pressure, hydrogen supplied from the hydrogen charger at a first fixed pressure increase rate determined based on a preset fixed pressure increase rate without using a predetermined thermodynamic model in the hydrogen charger or, if the pressure of the hydrogen tank is not less than the preset pressure, the second pressure increase rate set as the initial pressure increase rate in the hydrogen charger increases, decreases, or maintains the hydrogen supplied from the hydrogen charger. It may include a hydrogen tank.
  • the transmitter is configured to further transmit second information on the number of hydrogen tanks and the volume of the hydrogen tank, wherein the transmitter transmits the first information as a real-time value at a predetermined period and the second information is 1 when charging hydrogen is configured to transmit.
  • hydrogen can be charged more safely and quickly by reflecting structural information and thermodynamic information of the hydrogen tank sent by the CHSS to the hydrogen charger through wireless communication during hydrogen charging.
  • the hydrogen charger calculates the optimal pressure increase rate and allows charging to proceed at the calculated optimal pressure increase rate.
  • the charging time can be minimized as long as the temperature and the charging flow do not deviate from the set threshold values.
  • the hydrogen filling method according to the present invention can be applied without limiting the capacity of the hydrogen tank, it is easy to change the hydrogen supply, and there is no flow rate limit, etc.
  • the hydrogen charging method according to the present invention has the advantage of enabling precise control by charging hydrogen more efficiently by calculating prr in consideration of the temperature, pressure, etc. of the hydrogen tank based on real-time communication.
  • thermodynamic properties of the layer electric system can be proportionally simulated using the hot case criteria, the efficiency of the hydrogen charging protocol has been significantly improved.
  • FIG. 1 is a view for explaining a real-time communication-based hydrogen charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal configuration included in the system of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an exemplary flowchart for explaining a real-time communication-based hydrogen charging method according to an embodiment of the present invention.
  • thermodynamic mode 4 is an exemplary diagram for explaining assumptions and definitions in a simple thermodynamic mode (STM) to be applied in a real-time communication-based hydrogen charging protocol according to an embodiment of the present invention.
  • STM simple thermodynamic mode
  • 5 is an exemplary diagram for explaining parameters connecting a hot case to an STM of a real case.
  • thermodynamic model is a flowchart illustrating an operation process of a thermodynamic model to be applied in a real-time communication-based hydrogen charging protocol according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram for explaining a process of calculating and applying a pressure increase rate (PRR) in real time according to an embodiment of the present invention.
  • PRR pressure increase rate
  • a control method for real-time hydrogen charging is being researched and developed, and when hydrogen is charged from a hydrogen charger to a compressed hydrogen storage container, the difference between the target temperature and the sensing temperature is measured in real time, and the sensing temperature reaches the target temperature.
  • thermodynamic model referred to as Simple Thermodynamic Model, STM as an example
  • RTM Rigorous thermodynamic model
  • a new HFP to be proposed in the present invention is defined as a Real Time Responding-Hydrogen Fueling Protocol (RTR-HFP).
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a real-time communication-based hydrogen charging system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining an internal configuration included in the system of FIG. 1 .
  • the real-time communication-based hydrogen charging system, at least one compressed hydrogen storage system (Compressed Hydrogen Storage System, CHSS) 100, a hydrogen transfer device 200 and a hydrogen charger (Hydrogen Dispenser) (300) may include
  • CHSS compressed Hydrogen Storage System
  • a hydrogen transfer device 200 and a hydrogen charger (Hydrogen Dispenser) (300) may include
  • the real-time communication-based hydrogen charging system of the CHSS for fuel cell of FIG. 1 is only an embodiment of the present invention, the present invention is not limitedly interpreted through FIG. 1 .
  • the CHSS 100 may be provided in a hydrogen vehicle or the like.
  • each component of FIG. 1 is generally connected through a network.
  • at least one CHSS 100 may be connected to the hydrogen transfer device 200 through a network.
  • the hydrogen transfer device 200 may be connected to at least one CHSS 100 and the hydrogen charger 300 through a network.
  • the hydrogen charger 300 may be connected to the hydrogen transfer device 200 through a network.
  • the network refers to a connection structure in which information exchange is possible between each node, such as a plurality of terminals and servers, and an example of such a network includes a local area network (LAN), a wide area network (WAN: Wide Area Network), the Internet (WWW: World Wide Web), wired and wireless data communication networks, telephone networks, wired and wireless television networks, and the like.
  • LAN local area network
  • WAN Wide Area Network
  • WWW World Wide Web
  • wired and wireless data communication networks telephone networks, wired and wireless television networks, and the like.
  • wireless data communication networks examples include 3G, 4G, 5G, 3rd Generation Partnership Project (3GPP), 5th Generation Partnership Project (5GPP), Long Term Evolution (LTE), World Interoperability for Microwave Access (WIMAX), Wi-Fi (Wi-Fi) , Internet, LAN (Local Area Network), Wireless LAN (Wireless Local Area Network), WAN (Wide Area Network), PAN (Personal Area Network), RF (Radio Frequency), Bluetooth (Bluetooth) network, NFC ( Near-Field Communication) networks, satellite broadcast networks, analog broadcast networks, Digital Multimedia Broadcasting (DMB) networks, and the like are included, but are not limited thereto.
  • 3GPP 3rd Generation Partnership Project
  • 5GPP 5th Generation Partnership Project
  • LTE Long Term Evolution
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  • Internet Internet
  • LAN Local Area Network
  • Wireless LAN Wireless Local Area Network
  • WAN Wide Area Network
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  • RF
  • the term at least one is defined as a term including the singular and the plural, and even if the at least one term does not exist, each element may exist in the singular or plural, and may mean the singular or plural. it will be self-evident In addition, that each component is provided in singular or plural may be changed according to embodiments.
  • FIG. 1 a configuration of FIG. 1 will be described together with FIG. 2 .
  • the compressed hydrogen storage system (CHSS) 100 may include a hydrogen tank 110 and a hydrogen tank valve 130 . 1 and 2 illustrate two hydrogen tanks, one or more hydrogen tanks may be provided.
  • the CHSS 100 may be installed in a hydrogen vehicle (or transportation means), and is provided to receive and store hydrogen as fuel. And, since the hydrogen tank valve 130 includes a pressure sensor and a temperature sensor, the pressure and temperature of hydrogen in the hydrogen tank 110 are measured, and the measured value is passed to the storage control unit 240 of the hydrogen transfer device 200 . giving can play a role.
  • the hydrogen transfer device 200 includes a receptacle 210 that delivers hydrogen injected from the hydrogen supply unit 330 to the hydrogen tank valve 130 , a hydrogen supply hose 230 , and a charger control unit 310 in the hydrogen charger 300 . It may include a wireless communication unit provided for inter-wireless communication, and a storage control unit 240 that converts the sensed data into data for wireless communication and outputs the converted data.
  • the hydrogen transfer device 200 may further include a charging nozzle 220 connected between the receptacle 210 and the hydrogen supply unit 330 to supply hydrogen to the hydrogen tank 110 via the hydrogen tank valve 130 . have.
  • the wireless communication unit a transmitter (for example, an IR transmitter) 250 installed on the other side of the storage control unit 240 installed on one side of the receptacle 210 into which hydrogen is injected into the vehicle, and an IR transmitter 250 on one side. It may include a receiver (eg, an IR receiver) 260 connected to the charger control unit 310 and connected to the other side.
  • a transmitter for example, an IR transmitter
  • the wireless communication unit installed on the other side of the storage control unit 240 installed on one side of the receptacle 210 into which hydrogen is injected into the vehicle
  • an IR transmitter 250 on one side.
  • It may include a receiver (eg, an IR receiver) 260 connected to the charger control unit 310 and connected to the other side.
  • the hydrogen charger 300 includes a charger control unit 310 that receives sensing data including pressure and temperature in the hydrogen tank 110 and a hydrogen supply unit 330 that supplies hydrogen in the hydrogen tank 110 based on the sensed data. may include The charger control unit 310 may receive data from the wireless communication unit and the hydrogen supply unit 330 , calculate a real-time pressure increase rate in the hydrogen supply unit 330 , and return the calculated pressure increase rate to the hydrogen supply unit 330 .
  • the CHSS 100 is receiving hydrogen from the hydrogen charger 300 according to real-time responsive hydrogen charging control.
  • the transmitter (not shown) of the CHSS 100 is provided to transmit information through wireless communication, etc. to the hydrogen transfer device 200 and/or the hydrogen charger 300 .
  • the transmitting unit transmitting unit (not shown) of the CHSS 100 is provided to transmit information through wireless communication, etc. to the hydrogen transfer device 200 and/or the hydrogen charger 300 .
  • the transmitter of the CHSS 100 may initially transmit information about the temperature of the hydrogen tank 110, the pressure of the hydrogen tank 110, and the filling rate (SOC) to the hydrogen transfer device 200 through wireless communication or the like.
  • the hydrogen tank 110 if the pressure of the hydrogen tank is less than the preset pressure, the hydrogen at a first fixed pressure increase rate determined based on a preset fixed pressure increase rate without using a predetermined thermodynamic model in the hydrogen charger. Store the hydrogen supplied from the charger.
  • the second pressure increase rate set as the initial pressure increase rate in the hydrogen charger increases, decreases, or is maintained from the hydrogen charger. The supplied hydrogen can be stored.
  • the hydrogen tank valve 130 may be configured to measure the temperature of the hydrogen tank 110 and the pressure of the hydrogen tank 110 .
  • the transmitter of the CHSS 100 transmits information on the number of hydrogen tanks 110 and the volume of the hydrogen tank 110 to the hydrogen transfer device 200 through wireless communication, etc. to be delivered to the hydrogen charger 300 . can do.
  • FIG. 3 is an exemplary flowchart for explaining a real-time communication-based hydrogen charging method according to an embodiment of the present invention.
  • the real-time corresponding hydrogen safety charging system includes structural information of a hydrogen tank that the CHSS 100 sends to the hydrogen charger 300 through wireless communication while charging hydrogen, and By reflecting thermodynamic information, hydrogen can be charged more safely and quickly.
  • the CHSS 100 measures the pressure and temperature of hydrogen in the hydrogen tank 110 in real time, and transmits it to the hydrogen charger 300 in real time through wireless communication
  • the hydrogen charger 300 is the CHSS 100 It receives the pressure and temperature of the hydrogen tank measured in real time from the system, calculates the optimal pressure increase rate, and enables hydrogen charging at the calculated optimal pressure increase rate. Accordingly, within a range where the pressure, temperature, and charging flow rate of hydrogen in the hydrogen tank 110 do not deviate from the set threshold values, the charging time can be minimized.
  • the entire step shown in FIG. 3 is the charger control unit 310, receiving data from the IR receiver 260 and the hydrogen supply unit 330, and calculates a new pressure increase rate (prr new , optimal pressure increase rate), and this is the hydrogen supply unit ( 330) is shown.
  • the charger control unit 310 of the hydrogen charger 300 proceeds according to the logic or algorithm shown in FIG. 3 .
  • Figure 3 is the mass flow rate of compressed hydrogen (kg/s) (or may also be referred to as mass flow).
  • the mass flow rate may mean a mass passing per unit time.
  • the initial pressure increase rate (prr) for calculating the new pressure increase rate (prr new ) may be a value obtained by dividing 20 MPa/min by the number of hydrogen tanks (110). Based on the initial values of these variables, a new pressure increase rate (prr new ) is calculated through hydrogen filling simulation and applied to hydrogen filling, so the initial pressure increase rate (prr) is not really important.
  • 20 MPa/min may be adopted as an example of an intermediate value of empirically known values in order to save time required to search for an appropriate initial pressure increase rate (prr).
  • prr new 20 MPa/min (S3010).
  • the memory (not shown) of the hydrogen charger 300 is a reference charging line diameter (inner diameter, inner diameter) value (D FLE,ref ) (or charging line diameter reference value), which is a value set in the existing Hot Case (or reference case), Reference pressure loss coefficient value (K line,ref ), reference mass flow limit value ( ) may be stored in advance (S3020).
  • D FLE,ref inner diameter, inner diameter
  • K line,ref Reference pressure loss coefficient value
  • reference mass flow limit value (S3020).
  • the hot case refers to the charging condition (same as the hot case stipulated in SAE J2601) in which the temperature of the gas in the CHSS tank is the highest at the end of charging. That is, as stipulated in SAE J2601, the filling line inner diameter value (d FL ) that makes the temperature of the CHSS tank become 85 °C is defined as the reference filling line inner diameter (d FL,ref ).
  • the pressure loss coefficient of the charging line calculated in the hot case condition ( ⁇ P is 35 MPa) is defined as K FL,ref and is called the reference pressure loss coefficient.
  • D FLE D FL
  • D FLE,ref D FL,ref
  • K line K FL .
  • the charger control unit 310 may obtain (or collect) an initial state value from the hydrogen tank 110 in the CHSS 100 and the hydrogen supply unit 330 of the hydrogen charger 300 .
  • the initial state value is the structural variable value of the hydrogen tank 110 , the structural variable value of the hydrogen transfer device 200 , the initial thermodynamic variable value of the gas supplied by the hydrogen charger 300 , and hydrogen in the hydrogen tank 110 .
  • the structural variable value of the hydrogen tank 110 may include the number of hydrogen tanks 110 (N tank ) and the volume (V tank ) of the hydrogen tank 110 .
  • the charger control unit 310 may obtain information about the number of hydrogen tanks 110 (N tank ) and the volume (V tank ) of the hydrogen tank 110 through the IR receiver 260 ( S3050 ). . Since the information on the number and volume of the hydrogen tank is a unique value of the CHSS 100, it may be sufficient to receive it once before starting charging (S3050).
  • the structural variable value of the hydrogen transfer device 200 may include a pressure loss coefficient (K line ) of the hydrogen transfer device 200 measured by the hydrogen supply unit 330 .
  • K line a pressure loss coefficient of the hydrogen transfer device 200 measured by the hydrogen supply unit 330 .
  • This value is also an intrinsic value of the hydrogen transfer device 200 , that is, the hydrogen transfer device 200 called a charging line or a hydrogen charging line, so it only needs to be received once before starting charging.
  • the pressure loss coefficient (K line ) is a unique value of the hydrogen transfer device 200, since it may vary depending on the type of the CHSS 100, the pressure loss coefficient (K line ) of the hydrogen transfer device 200 as a whole is also CHSS It may vary depending on the type of (100).
  • This value is the pressure loss value ( ⁇ P line ) and the hydrogen density value in the hydrogen transfer device 200 ( ⁇ line ) can be obtained by substituting Equation 1 below.
  • the actual filling line consists of a tube with a small inner-diameter and a number of components, so a fairly large pressure drop occurs during compressed hydrogen filling.
  • Equation 1 Equation 1 below.
  • the mass flow rate may mean a mass passing per unit time.
  • the charger control unit 310 may calculate a pressure loss coefficient (K line ) value for the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 330 (S3030).
  • the reference pressure loss coefficient value (K line,ref ) and the reference mass flow limit value ( ) may be a reference pressure loss coefficient value (when ⁇ P is 35 MPa) and a reference mass flow rate limit value (60 g/s as an example) under the hot case conditions specified in SAE J2601.
  • the mass flow limit value ( ), the mass flow limit value ( ) can increase to shorten the charging time. If the charging time is shortened, there is an advantage that the efficiency of charging station operation can be increased.
  • Charger control unit 310 is a pre-stored reference pressure loss coefficient value (K line, ref ), the calculated pressure loss coefficient value and the pre-stored reference mass flow limit value ( ) based on the mass flow limit value ( ) can be calculated (S3040).
  • Mass flow limit value ( ) can be expressed as in Equation 2 below as an example of the equation for calculating.
  • 60 g/s, 120 g/s, 240 g/s, etc. preset as the reference mass flow limit value in SAE J2601 may be used without calculating the mass flow limit value as in S3040.
  • the initial thermodynamic variable value of the gas (hydrogen gas) supplied by the hydrogen charger 300 is measured around the pressure (P ba ), temperature (T ba ) and hydrogen charger 300 of hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 .
  • One atmospheric temperature (T amb ) may be included.
  • the pressure (P ba ), the temperature (T ba ) and the atmospheric temperature ( Ta amb ) measured around the hydrogen charger 300 are dynamic parameters, so the charger control unit 310 information about the pressure (P ba ), temperature (T ba ), and atmospheric temperature ( Ta amb ) measured around the hydrogen charger 300 from the hydrogen supply unit 330 is supplied by the hydrogen charger 300 in real time. can be received (S3100). That is, the pressure (P ba ), temperature (T ba ) of hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 from the hydrogen supply unit 330 , and the atmospheric temperature ( Ta amb ) measured around the hydrogen charger 300 are to be updated at a predetermined cycle. can
  • the thermodynamic variable value of hydrogen in the hydrogen tank 110 is the pressure (P tank ), temperature (T) of the hydrogen tank 110 collected from a temperature sensor (not shown) and a pressure sensor (not shown) in the CHSS 100 . tank ), and may include a hydrogen filling rate (SOC) (S3150). Since the pressure (P tank ), temperature (T tank ), and hydrogen filling rate (SOC) of the hydrogen tank 110 are dynamic parameters, the charger control unit 310 receives the pressure of the hydrogen tank 110 from the IR receiver 260 ( P tank ), temperature (T tank ), and hydrogen filling rate (SOC) can be received in real time. Here, receiving in real time may include receiving in a predetermined period (eg, 2 seconds).
  • a predetermined period eg, 2 seconds
  • the charger control unit 310 may calculate a hydrogen filling rate (SOC) based on the received pressure (P tank ) and temperature (T tank ) of the hydrogen tank 110 . That is, the pressure (P tank ) and the temperature (T tank ) of the hydrogen tank 110 may be updated at a predetermined cycle, and as a result, the hydrogen filling rate (SOC) may also be updated at a predetermined cycle.
  • SOC hydrogen filling rate
  • the charger control unit 310 may determine whether at least one (or one or more) of the pressure (P tank ), the temperature (T tank ) and the hydrogen filling rate (SOC) of the hydrogen tank 110 is greater than or equal to each preset value. There is (S3200).
  • the charger control unit 310 checks the required time (N2-N1). . To this end, first, the charger control unit 310 checks the current time N2 (S3210). The charger control unit 310 calculates the required time between the current time N2 and the initial charging time N1 and determines whether the calculated required time is greater than a preset value (or time) ( S3220 ). If the calculated required time is not greater than a preset value (or time), sufficient time has not been taken, so the charger control unit 310 returns to step S3100 again to perform the process.
  • the charger control unit 310 measures the pressure (P ba ), temperature (T ba ) and hydrogen charger 300 of hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 from the hydrogen supply unit 330 in real time.
  • a subsequent process may be performed by receiving information about one or more of the atmospheric temperature ( Tamb ).
  • the hydrogen tank valve 130 of the CHSS 100 transmits or transmits information about the real-time hydrogen tank temperature, real-time hydrogen tank pressure, and real-time hydrogen tank filling rate to the hydrogen transfer device 200 .
  • the hydrogen charger 300 applies the real-time hydrogen tank temperature, real-time hydrogen tank pressure, and real-time hydrogen tank filling rate information and the inner diameter value of the charging line calculated to apply to the real case, so that real-time hydrogen A pressure increase rate is calculated in a predetermined thermodynamic model for charging, and the hydrogen tank 110 may charge and store hydrogen supplied from the hydrogen charger 300 according to the calculated pressure increase rate.
  • the inner diameter value of the charging line to be applied in the actual case is based on the calculated pressure loss coefficient value, the preset reference pressure loss coefficient value in the reference case, and the preset reference charging line inner diameter value in the reference case it has been calculated
  • the charger control unit 310 sets the pressure (P tank ) of the hydrogen tank 110 to a preset pressure (for example, 5.1 MPa, 2 MPa, etc.), it is determined whether it is smaller than (S3230).
  • the preset pressure is a pressure related to the driving stability of the thermodynamic model according to the present invention. Specifically, the preset pressure is a characteristic that the stability of the thermodynamic model driving is lost when the value in the hydrogen tank 110 of the CHSS 100 is too high, and the characteristic that the charging speed is lowered when the value is too low.
  • the charger control unit 310 determines whether or not to apply to a predetermined thermodynamic model for hydrogen charging (S3230). That is, the charger control unit 310 determines whether to use a predetermined thermodynamic model (eg, STM) for real-time corresponding hydrogen charging, based on whether the pressure of the acquired hydrogen tank is smaller than the preset pressure ( S3230).
  • a predetermined thermodynamic model eg, STM
  • a new pressure increase rate may be calculated and applied using a fixed pressure increase rate (prr fixed ).
  • the pressure in the hydrogen tank 110 is lower than the preset pressure
  • prr new a new optimal pressure increase rate
  • preset pressures which are the criteria for calculating prr with a simple thermodynamic model or selecting and applying a fixed prr in the real-time communication-based hydrogen charging protocol, and 2 MPa is more may be desirable.
  • 5.1 MPa and 2 MPa were given as examples of the preset pressure.
  • the preset pressure eg, the initial lower limit pressure of the hydrogen tank
  • a preset pressure eg, 5.1 MPa
  • a fixed pressure increase rate (prr fixed ) is set to the hydrogen tank
  • a value divided by the number (N tank ) of 110 may be applied (S3240). This is considering that the hydrogen tank 110 is connected in parallel to the hydrogen filling line.
  • the charger control unit 310 determines a new pressure rise rate based on a preset fixed pressure rise rate (pre fixed ) without using a predetermined thermodynamic model (eg, STM), and this The determined new pressure increase rate can be applied to hydrogen filling. Then, the charger control unit 310 transmits the determined new pressure increase rate information to the hydrogen supply unit 330 (S3760), and the hydrogen supply unit 330 may supply hydrogen according to the determined new pressure increase rate.
  • the charger control unit 310 transmits the new pressure increase rate calculated in step S3240 to the hydrogen supply unit 330 and controls the hydrogen charger 300 to charge hydrogen at this new pressure increase rate.
  • the simple thermodynamic model is not applied. The reason for this is that, as described above, when the pressure of the hydrogen tank 100 is smaller than the preset pressure, the temperature of the hydrogen tank 100 rapidly rises, so there is a problem that precise control becomes difficult. By applying it, it is possible to reduce the hydrogen charging time while safely and precisely controlling it.
  • the hydrogen supply unit 330 may supply hydrogen through the charging line according to the transferred pressure increase rate.
  • the charger control unit 310 After calculating the new pressure increase rate (prr new ), the charger control unit 310 sets the charging initial time N1 value to the current time other than 0 (S3780), and returns to step S3100 to perform the process. Then, the charger control unit 310 may transmit information about the calculated new pressure increase rate (prr new ) to the hydrogen supply unit 330 (S3760).
  • the charger control unit 310 determines the mass flow rate, the temperature and pressure in the hydrogen tank 110, and the filling rate using a pre-stored thermodynamic model (as an example, hereinafter referred to as a simple thermodynamic model) based on the initial state value.
  • a pre-stored thermodynamic model as an example, hereinafter referred to as a simple thermodynamic model
  • S4000 the mass flow rate ( ), the temperature in the hydrogen tank 110 (T tank ), the pressure (P tank ) in the hydrogen tank 110 , and the filling rate (SOC) are calculated, and compared with the previous maximum value, a relatively large value is selected.
  • the maximum mass flow ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) and SOC values are determined or calculated (S4000). That is, the charger control unit 310 uses the initial value obtained from steps S3010 to S3300 and the calculated values for the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) and an SOC value is calculated (S4000). Details of the process for calculation by the (simple) thermodynamic model will be described later with reference to FIG. 6 .
  • SOC hydrogen charging rate
  • the charger control unit 310 determines the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) may calculate a difference between each of the preset safety thresholds (S3500).
  • the safety threshold value related to the preset maximum mass flow rate may be referred to as a first safety threshold value.
  • the first safety threshold value which is a safety threshold value related to the maximum mass flow rate, is, for example, the mass flow limit value determined in S3040 ( ) can be set. Accordingly, the first safety threshold may be 60 g/s, 120 g/s, 240 g/s, etc. preset as the reference mass flow limit value in SAE J2601.
  • a second safety threshold for example, 85° C.
  • a safety threshold (87.5 MPa, as an example) related to the preset maximum hydrogen tank temperature are set as the third safety threshold. It can be called a value.
  • Calculated maximum mass flow ( ) and the first safety threshold mass flow limit value ( ) and the difference , the calculated maximum hydrogen tank temperature ( ) and the second safety threshold value ⁇ T, the calculated maximum hydrogen tank pressure ( ) from the third safety threshold is defined as ⁇ P.
  • the charger control unit 310 exemplifies calculating the difference value by subtracting the maximum mass flow rate, the maximum hydrogen tank temperature, and the maximum hydrogen tank pressure calculated from each safety threshold value.
  • the charger control unit 310 is It is determined whether at least one of , ⁇ T, and ⁇ P is less than or equal to a preset value (S3700). what if, If any one of , ⁇ T, ⁇ P is not less than or equal to the preset value, that is, , ⁇ T, ⁇ P are all greater than the preset value, the charger control unit 310 increases the pressure increase rate (prr) applied in step S4000 by a predefined value (S3720). Then, it returns to steps S3640 and S3300 and repeats the subsequent process.
  • prr pressure increase rate
  • the pressure increase rate applied in step S4000 is determined as a new pressure increase rate as it is to maintain the pressure increase rate (S3740). Thereafter, the charger control unit 310 transmits information on the new pressure increase rate determined to the hydrogen supply unit 330 (S3760). By transmitting to the hydrogen supply unit 330, the hydrogen charger 300 continues to charge the hydrogen tank 110 of the CHSS 100 at a new pressure increase rate (prr new ). After setting the N1 value to the current time (S3780), the charger control unit 310 returns to step S3100 and repeats the process.
  • the charger control unit 310 measures the pressure (P ba ), temperature (T ba ) and hydrogen charger 300 of hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 from the hydrogen supply unit 330 in real time.
  • a subsequent process may be performed by receiving information about the atmospheric temperature ( Tamb ).
  • a pressure increase rate when any one of the difference values is less than or equal to each preset value may be set as an optimum pressure increase rate.
  • each pre-stored set value may be set to a small value of an acceptable level based on the research result.
  • the charger control unit 310 calculates the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) and each safety threshold ( , 85 °C, 87.5 MPa) by comparing the difference, i.e. , ⁇ T, ⁇ P. At this time, what the charger control unit 310 intends is the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) does not exceed the safety threshold, the initial pressure increase rate (prr) is raised to the maximum to shorten the time required to charge hydrogen. If any one of the three values exceeds the safety threshold, it may be a violation of the law.
  • , ⁇ T, ⁇ P are all positive values, If at least one of , ⁇ T, ⁇ P is less than or equal to a preset value (for example, if it is a small value of an acceptable level (based on research results)), the applied pressure increase rate (prr) at this time is set to the optimum pressure increase rate (prr) It is set and considered as
  • thermodynamic model used in the hydrogen filling simulation does not reflect heat transfer in the hydrogen transfer device 200 . Therefore, an error occurs in the result of calculating the temperature of hydrogen in the hydrogen tank 110 . However, since the hydrogen filling simulation is performed based on the pressure and temperature in the hydrogen tank 110 in the current state during hydrogen filling, if the duration of the simulation is sufficiently short, the error may be reduced. Therefore, it is possible to repeat the hydrogen charging simulation for the remaining charging time by repeating until just before the hydrogen charging is completed.
  • the order between the steps S3010 to S3780 described above in FIG. 3 is merely an example, and is not limited thereto. That is, the order between the above-described steps ( S3010 to S3780 ) may be mutually changed, and some of these steps may be simultaneously executed or deleted.
  • thermodynamic mode 4 is an exemplary diagram for explaining assumptions and definitions in a simple thermodynamic mode (STM) to be applied in a real-time communication-based hydrogen charging protocol according to an embodiment of the present invention.
  • STM simple thermodynamic mode
  • thermodynamic model in Real Time Responding-Hydrogen Fueling Protocol uses two assumptions and three definitions. The reason for introducing the two assumptions is to overcome the problem that it is impossible to grasp the geometry of the CHSS to be charged in the hydrogen charger and to simplify the model to increase the speed of calculation.
  • the filling line is straight and is a single tube with the same inner diameter.
  • d FL is the inner diameter value.
  • K FL f(d FL ).
  • the STM of the reference state (the state in which the variables of the hot case are applied to the STM to fit the STM in order to have a charging process simulation function equivalent to the thermodynamic model used in SAE J2610 (2020)) in the real state (the fitted STM) 3 definitions were introduced to be used to convert the STM of the real case by substituting the variables of the real case to the variables of the hot case of
  • Hot case refers to the charging condition (same as the hot case stipulated in SAE J2601) in which the temperature of the gas in the CHSS tank is the highest at the end of charging.
  • Definition 2 Let the inner diameter of the filling line according to assumption 1 be d FL , and when APRR applied to TB-HFP of SAE J2601 is applied to STM, the filling line inner diameter value d FL so that the temperature of the CHSS tank becomes 85°C is defined as the reference filling line inner diameter value (d FL,ref ).
  • K FL the pressure loss coefficient of the charging line according to assumption 1, and define the pressure loss coefficient of the charging line calculated in the hot case condition ( ⁇ P is 35 MPa) as K FL,ref , and call it the reference pressure loss coefficient. call it
  • d FL is the inner diameter of a hypothetical filling line introduced to proportionally simulate the thermodynamic properties of the filling system.
  • Equation 3 related to FIG. 4 in RTR-HFP, d FL serves as a parameter for converting the STM of the reference state into the STM of the real state.
  • RTR-HFP In RTR-HFP, d FL,ref and K FL,ref are set in the hot case condition, and the pressure increase rate (prr) is calculated in the real case condition. This is possible because RTR-HFP utilizes real-time charging process parameters (especially T tk , temperature of hydrogen tank) for control. This structure of RTR-HFP is the basis for increasing the efficiency of the charging protocol.
  • RTR-HFP the lookup table used in TB-HFP is used to set d FL,ref .
  • the lookup table of SAE J2601 applied to TB-HFP is by tank capacity (2, 4, 7, 10 kg), by supply gas temperature (T20, T30, T40), and by outdoor temperature (-40 to +50 °C). is provided.
  • the reason for using the lookup table of this TB-HFP is as follows.
  • d FL,ref is set by tank capacity and outside temperature like the lookup table type of TB-HFP.
  • d FL,ref varies depending on the supply gas temperature, the difference is not large and there is no problem in safety because the difference is not large and there is no problem in safety.
  • the method of obtaining d FL,ref is similar to the method of obtaining APRR in TB-HFP.
  • SAE J2601 the thermodynamic model applied to the development of the charging protocol is used to simulate the charging process repeatedly, and APRR is set so that the temperature and SOC of the hydrogen tank at the end of charging are 85 °C and 95%, respectively.
  • 5 is an exemplary diagram for explaining parameters connecting a hot case to an STM of a real case.
  • Equation 3 As an expression for connecting a hot case to a real case, the following Equation 3 is proposed in the present invention. According to the following Equation 3, if a real case is connected and a simple thermodynamic model is applied, there is an effect that the calculation time can be significantly reduced. Based on the equations in Table 3 and the ⁇ P value measured at the initial pressure pulse step, it can be applied as a real case according to the parameter equations shown in Equation 3.
  • Equation 3 0.25 or other values expressed as exponential values are not excluded.
  • d FL serves as a parameter converting the STM of the reference state into the STM of the real state.
  • STM Simple Thermodynamic Model
  • PRR pressure rise rate
  • the basic function of the STM is to calculate the mass flow rate of compressed hydrogen flowing into the hydrogen tank 110 and the pressure and temperature values of the compressed hydrogen in the CHSS 100 . What is needed to perform this function are the pressure loss calculation formula of the filling line, the mass flow rate calculation formula of the filling line, the enthalpy calculation formula of the gas entering the CHSS (100), and the temperature and pressure calculation formula of the gas in the CHSS (100). .
  • a hot case can be connected to a real case based on Equation 3 above.
  • a pressure loss coefficient K FL in the real case may be calculated based on the measured ⁇ P, and d FL in the real case may be calculated based on the calculated K FL based on Equation 3 above.
  • thermodynamic model eg, a simple thermodynamic model
  • the calculated values include Real hydrogen tank temperature and Real SOC value.
  • Equation 4 Equation 4
  • E ti is h ba as a function of the temperature and pressure of the hydrogen gas entering the charging line inlet and the gas flow rate as a function can be obtained by
  • the change in the pressure loss value of the charging line is expressed as a change in the flow rate of hydrogen gas entering the charging line inlet.
  • v ba and K FL can be expressed as in Equation 5 below by their definitions and finally a relational expression of d FL can be derived.
  • Equation 3 for calculating the dFL of the real case can be derived.
  • K FL,ref of the reference state STM is changed to K FL measured by the hydrogen charger 300 in the stage before the start of Maim charging (initial pressure pulse stage), and d FL,ref is calculated by Equation 3
  • d FL,ref is calculated by Equation 3
  • Equation 6 is an expression for calculating the temperature of the hydrogen gas in the hydrogen tank 110 at time t.
  • Equation 6 which is the temperature calculation formula of the hydrogen tank 110
  • Equation 7 shows the functional relationship of the temperature calculation formula of the hydrogen tank 110 .
  • Equation 7 the hydrogen gas temperature in the hydrogen tank 110 is as in Equation 7 It is calculated by an equation with a function of . here, Since is a variable that is a function of the temperature (T tk ) of the hydrogen tank 110 and the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110, it can be excluded from the review. before applying the above assumption 2
  • the calculation formula can be expressed as Equation 8 below.
  • Equation 9 the functional relationship of the calculation formula for calculating the temperature of the hydrogen tank 110 becomes as Equation 9 below.
  • Equation 9 is divided into a case where it is applied to SAE J2601 again and a case where it is applied to a reference state STM (application of assumption 2), it can be expressed as the following equations, respectively. That is, Equation 10 shows a function relational expression of the temperature of the hydrogen tank 110 when Equation 9 is applied again to SAE J2601, and Equation 11 is a hydrogen tank when applied to the reference state STM (assumption 2 applied). (110) shows the function relational expression of temperature.
  • Equation 12 By comparing Equation 10 and Equation 11, it can be seen that the following Equation 12 holds.
  • the derived prr value is set smaller than the appropriate level, which may result in delaying the charging time.
  • the simulation is performed using the temperature value (T tk ) of the actual hydrogen tank 110 measured instead of using the temperature value (T tk ) of the hydrogen tank 110 calculated by the simulation. can reduce its impact by performing As a result, due to the two assumptions introduced in the present invention, it is more effective for the safety of the filling process control of the RTR-HFP.
  • d FL (or d FLE ) calculated as in Equation 3 is used as an input value of a simple thermodynamic model (STM) and can be applied to hydrogen charging control of RTR-HFP.
  • STM simple thermodynamic model
  • thermodynamic model is a flowchart illustrating an operation process of a thermodynamic model to be applied in a real-time communication-based hydrogen charging protocol according to an embodiment of the present invention.
  • the mass flow rate ( ), the temperature of the hydrogen tank 110 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ), the filling factor (SOC) is calculated, and the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) to determine the The details of step S4000 in FIG. 3 will be described with reference to FIG. 6 .
  • the steps of fitting a simple thermodynamic model will be described.
  • the goal of the simple thermodynamic model is to quickly find the maximum pressure increase rate (prr) in real time within the range where the temperature, pressure, and mass flow rate of the gas in the hydrogen tank do not exceed the preset threshold values. Therefore, in the simple thermodynamic model, structural variable values or thermodynamic variable values that cannot be confirmed by the hydrogen charger should be excluded from reflection, and the time-consuming process for calculation should be simplified. Nevertheless, the simple thermodynamic model should be able to well simulate the characteristics of the actual hydrogen filling process.
  • the inner diameter of the hydrogen filling line is used as this fitting element.
  • the term equivalent inner-diameter is used in the sense that the inner diameter of the fitted hydrogen filling line includes all factors affecting the pressure loss of the filling line.
  • D FLE,ref The reference equivalent inner diameter (D FLE,ref ) may be calculated based on the following Equation 13 (S4100).
  • K line,rate K line / K line,ref .
  • the charger control unit 310 may set the hydrogen supply pressure of the hydrogen charger 300 . This is a step of setting the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen charger 300 .
  • the charger control unit 310 adjusts the hydrogen supply pressure value of the hydrogen charger 300 to the hydrogen supply pressure (- ⁇ t) of the immediately preceding time step (ie, at t-1). ), the pressure increase rate of the current stage (prr k ), and can be calculated based on the hydrogen filling simulation time period ( ⁇ t). As an example, it can be calculated based on the following Equation 14.
  • the hydrogen supply pressure value which is the supply pressure of hydrogen supplied through the charging line at time t, is the hydrogen supply pressure of the previous time step (- ⁇ t) (that is, at t-1), prr k is the pressure increase rate of the current stage, and ⁇ t is the hydrogen charging simulation time period or simple thermodynamic model performs the calculation once. is the time interval to
  • Step S4200 relates to the calculation of the hydrogen density value and the mass flow rate value in the hydrogen transfer device 200 (or the charging line).
  • Charger control unit 310 is the temperature value of hydrogen supplied from the hydrogen charger 300 ( ), the pressure value of hydrogen supplied from the hydrogen charger 300 calculated in S4100 ( ), the pressure value in the hydrogen tank ( ) based on the hydrogen density value ( ) can be calculated, and as an example, it can be calculated based on Equation 15 below.
  • the charger control unit 310 calculates the equivalent inner diameter (D FLE ) and the hydrogen supply pressure value ( ) using the mass flow rate ( ) can be calculated (S4300).
  • the mass flow rate of the hydrogen transfer device 200 ( ) is the hydrogen density value ( ), the pressure of hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ), may be calculated based on the pressure loss coefficient (K line ) of the hydrogen transfer device 200, as an example, may be calculated based on the following Equation 16.
  • the pressure for supplying hydrogen from the hydrogen charger 300 ( ) and the pressure value of the hydrogen tank 110 ( ) is larger, and the pressure loss coefficient (K line ) is smaller, the mass flow rate ( ) indicates increasing characteristics.
  • step S4300 the charger control unit 310 calculates the hydrogen density value supplied from the hydrogen supply unit 330, the enthalpy, the hydrogen inflow rate into the hydrogen tank 110, and the stagnation enthalpy flowing into the hydrogen tank 110. will be.
  • the charger control unit 310 may calculate a stagnation enthalpy of hydrogen flowing into the hydrogen tank 110 (S4300).
  • S4300 is the enthalpy of stagnation flowing into the hydrogen tank 110 ( ) is the step to find. stagnant enthalpy ( ), it is necessary to calculate based on Equation 8.
  • the charger control unit 310 provides a hydrogen density value ( ), the enthalpy supplied by the hydrogen supply unit 330 through the charging line ( ) can be calculated based on the following Equation 17. It can be calculated based on Equation 17 of FIG.
  • Enthalpy of stagnation flowing into the hydrogen tank ( ) is the enthalpy of hydrogen supplied by the hydrogen supply unit 330 through the charging line ( ), the mass flow rate flowing into the hydrogen tank 110 ( ), the number of hydrogen tanks 110 connected in parallel (N tank ), the equivalent inner diameter of the charging line (D FLE ), the hydrogen density value ( ) can be calculated based on
  • the charger control unit 310 calculates a stagnation enthalpy of hydrogen flowing into the hydrogen tank 110 based on the value calculated in Equation (8), but as an example, based on Equation 18, the stagnation of hydrogen Enthalpy can be calculated (S4300).
  • stagnation enthalpy value ( ) is when the number of hydrogen tanks 110 connected in parallel (N tank ) increases, the flow rate of hydrogen flowing into each hydrogen tank 110 decreases and becomes smaller, and when the equivalent inner diameter (D FLE ) of the charging line decreases, hydrogen The flow rate of hydrogen flowing into the tank 110 increases and becomes large.
  • the stagnation enthalpy value ( ) increases in proportion to the square of the velocity of the incoming hydrogen. denotes the heat transfer energy of the automobile hydrogen tank at time t.
  • step S4400 the charger control unit 310 determines the hydrogen mass ( ), the static heat capacity value flowing into the hydrogen tank 110 ( ), the internal energy in the hydrogen tank 110 ( ), the temperature of the hydrogen tank 110 ( ) to calculate.
  • Charger control unit 310 is the temperature in the hydrogen tank 110 ( ) can be calculated.
  • the temperature in the hydrogen tank 110 is the internal energy change value in the hydrogen tank 110 ( ) and the static heat capacity value of hydrogen in the hydrogen tank 110 ( ) can be obtained by substituting Equation (10).
  • static heat capacity value ( ), the temperature of the hydrogen tank 110 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ) can be obtained only when it is determined.
  • the temperature of the hydrogen tank 110 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ) the static heat capacity value ( ), because the temperature of the hydrogen tank 110 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ) instead of the temperature of the hydrogen tank 110 ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ) values were applied to proceed with the calculation.
  • the temperature of the hydrogen tank 110 ( ) will be higher than the actual value, but there is no safety problem because it results in a conservative result.
  • Charger control unit 310 is the temperature of the hydrogen tank 110 ( ) can be calculated based on the following Equation 19.
  • the charger control unit 310 may calculate a state of charge (SOC) corresponding to the pressure in the hydrogen tank 110 and the degree to which hydrogen is charged.
  • SOC state of charge
  • it is compressed to several tens of MPa to increase storage efficiency, but it is impossible to apply the ideal gas state equation to compressed hydrogen at high pressure.
  • Equations 20 to 22 specially developed as the state equation of hydrogen were used. According to Equations 20 to 22, the pressure of the hydrogen tank 110 ( ) and the filling factor (SOC) can be obtained.
  • Equation 20 corresponds to the compression coefficient in the hydrogen tank 110 at time t.
  • Equation 21 corresponds to the pressure value in the hydrogen tank 110 at time t.
  • Equation 20 here represents the gas density in the hydrogen tank 110 at time t, may be calculated based on Equation 20 and Equation 21 above.
  • the charger control unit 310 may determine the maximum pressure and maximum temperature of the hydrogen tank 110 and the maximum mass flow rate corresponding to the maximum hydrogen flow rate of the hydrogen transfer device 200 .
  • the mass flow rate of the hydrogen transfer device 200 calculated in the previous steps ( ), the pressure of the hydrogen tank 110 ( ), the temperature of the hydrogen tank 110 ( ) is compared with the previous maximum value, and the larger values are set to the maximum mass flow ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) is determined (S4600).
  • the maximum mass flow rate ( ), the maximum hydrogen tank temperature ( ), maximum hydrogen tank pressure ( ) was set as the control target variable.
  • the order between the above-described steps ( S4100 to S4600 ) is merely an example and is not limited thereto. That is, the order between the above-described steps ( S4100 to S4600 ) may be mutually changed, and some of these steps may be simultaneously executed or deleted.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram for explaining a process of calculating and applying a pressure increase rate (PRR) in real time according to an embodiment of the present invention.
  • PRR pressure increase rate
  • the hydrogen charger 300 starts charging ( S7100 ).
  • the pressure loss coefficient (K FL ) is measured or calculated in the initial pressure pulse step in the charging line.
  • the pressure loss coefficient value is a value calculated by measuring and measuring a small amount of hydrogen gas when hydrogen charging starts.
  • the pressure loss coefficient (K FL ) can be calculated in the hydrogen charger 300 by Equation 1, such as calculating the hydrogen density using temperature and pressure, measuring the flow rate at which hydrogen is introduced, and the like.
  • the hydrogen charger 300 derives the d FL value applied to the Real Case by using the calculated pressure loss coefficient (K FL ) by Equation 3 above.
  • the charger control unit 310 may receive the K FL and d FL values calculated in the initial pressure pulse step in the charging line from the hydrogen supply unit 330 ( S7200 ).
  • the charger control unit 310 applies the received pressure loss coefficient value (K FL ) and the charging line inner diameter value (d FL ) to real-time hydrogen charging as an actual case.
  • the calculated inner diameter value of the charging line (d FL ) may be copied or copied to the inner diameter of the hydrogen supply hose 230 in the actual case.
  • the charger control unit 310 receives information about the pressure (P ba ) and temperature (T ba ) of the hydrogen supplied by the hydrogen charger 300 from the hydrogen supply unit 330 to obtain initial information, and in the CHSS ( 100 ) Initial information may be obtained by receiving information about the pressure (P tk ) and the temperature (T tk ) of the hydrogen tank 110 collected from the temperature sensor and the pressure sensor of ( S7300 ).
  • the S7300 uses real time data.
  • the charger control unit 310 determines whether the pressure P tk of the hydrogen tank 110 is smaller than a preset value (eg, 2 MPa) (S7400).
  • the charger control unit 310 applies a predetermined thermodynamic model (eg, a simple thermodynamic model) based on whether the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110 is smaller than a preset value (eg, 2 MPa).
  • a predetermined thermodynamic model eg, a simple thermodynamic model
  • the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110 is a preset pressure value (the value of the hydrogen tank 110 is too high, the stability of the thermodynamic model driving is lost, and if the value is too low, the charging speed is If it is smaller than the value selected through iterative simulation considering all the lowering characteristics (for example, 2 MPa as absolute pressure), it takes more time to calculate the PRR by applying the simple thermodynamic model.
  • the simple thermodynamic model Selects fixed APRR (Fixed APRR) without applying (S7600).
  • the charger control unit 310 may control the charger 300 to perform charging according to the fixed APRR (S7700).
  • the charger control unit 310 may control the charger 300 to perform charging according to the calculated PRR (S7700).
  • the charger control unit 310 determines whether the charging rate is greater than 100 (S7800). When the charging rate (SOC) is greater than 100, charging is terminated (S7900). On the other hand, if the filling rate is 100 or less, the process returns to step S7300 again and the subsequent process is repeatedly performed.
  • the charger control unit 310 determines whether the charging rate is greater than 100 (S7800). When the charging rate (SOC) is greater than 100, charging is terminated (S7900). On the other hand, if the filling rate is 100 or less, the process returns to step S7300 again and the subsequent process is repeatedly performed.
  • whether to select a predefined fixed APRR value according to whether the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110 is smaller than a preset value (eg, 2 MPa) it may be determined whether to calculate or induce PRR by applying it to a predetermined thermodynamic model. That is, when the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110 is smaller than a preset value (eg, 2 MPa) to ensure the stability of the real-time corresponding hydrogen filling protocol, the prr calculated in real time is applied Charging is performed by selecting a predefined (calculated) fixed APRR (or PRR) value without doing so.
  • the charger control unit 310 determines whether the pressure (P tk ) of the hydrogen tank 110 is smaller than a preset value (eg, 5.1 MPa), and sets the fixed prr to the number of hydrogen tanks.
  • the divided value is determined as prr new , which may be a fixed APRR value selected in FIG. 6 .
  • a technique of limiting the rate of increase/decrease in prr is also applied.
  • a technique of applying the upper limit of prr calculated according to the remaining charging time can be applied.
  • Fig. As shown in Fig. 5, when the initial pressure of the CHSS tank is 0 MPa (in the case of the conventional HFP, it can be filled only when the initial pressure is 0.5 MPa or more) and Fig. As shown in Fig. 6, it was found that charging control proceeded smoothly without pre-cooling even when the supply gas temperature was 30 °C and the outside air temperature was 30 °C.
  • the real-time communication-based hydrogen charging method according to an embodiment of the present invention described above has a large difference in effect compared to the existing hydrogen charging method stipulated in SAE J2601 in the following points.
  • hydrogen filling is possible even when the pressure of the hydrogen tank is maintained at about atmospheric pressure.
  • hydrogen charging is possible even if there is a temperature error of -5 o C and a pressure error of +1.5 MPa.
  • the hydrogen filling method according to the present invention can be applied without limiting the capacity of the hydrogen tank, it is easy to change the pressure range, and there is no flow rate limit, and so on.
  • the hydrogen charging method according to the present invention has the advantage of enabling precise control by charging hydrogen more efficiently by calculating prr in consideration of the temperature, pressure, etc. of the hydrogen tank based on real-time communication.
  • the charger control unit 310 for performing a hydrogen charging process according to a real-time corresponding hydrogen charging protocol includes instructions executable by a computer, such as an application or program module executed by a computer. It may also be implemented in the form of a recording medium.
  • Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Also, computer-readable media may include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
  • the real-time corresponding hydrogen charging control method and device therefor according to the present invention can be used in the hydrogen charging industry field.

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Abstract

본 발명에 따른 수소충전기에서의 실시간대응 수소충전 제어 방법은, 실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델을 이용할 지 여부를 획득된 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정하는 단계; 및 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 제 1 압력상승률을 결정하고 상기 제 1 압력상승률을 상기 수소충전에 적용하거나, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률을 상기 소정의 열역학적 모델에 적용한 후 상기 수소충전에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

실시간 대응 수소충전 제어 방법 및 이를 위한 장치
본 발명은 수소충전 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실시간 대응 수소충전 제어 및 이를 위한 장치에 대한 것이다.
수소 차량은 동력의 연료로서 수소를 사용하는 차량이며, 전동기 구동을 위해 내연기관의 수소를 태우거나 연료전지 내에서 수소를 산소와 반응시켜 수소의 화학 에너지를 역학적 에너지로 변환한다. 운송 연료 공급을 위해 수소를 사용하게 되는데, 수소 연료는 고압으로 빠르게 충전되는 특성으로 주유와 비교했을 때 위험성을 지니고 있고, 압축 및 줄-톰슨효과(Joule-Thomson effect)로 인한 열 발생으로 완전충전이 용이하지 않다. 이에, 각국에서 수소충전 프로토콜(Fueling Protocol)을 개발하였는데 그 중 충전시 매개변수를 기반으로 압력상승률과 목표압력에 관한 룩업테이블을 이용한 프로토콜(Hydrogen Fueling Protocol)에 대한 연구가 다수 존재하고 있다.
2010년에 제정된 SAE(Society of Automotive Engineers) J2601의 수소충전 프로토콜(Hydrogen Fueling Protocol, HFP)에서는 열역학적 모델(thermodynamic model)에 의한 시뮬레이션을 통하여 미리 작성된 수많은 table과 계산식의 파라미터 및 계수(coefficients)를 이용하여 충전을 진행하도록 하는 방식을 채용하고 있다. 그리고 이 HFP는 hot case와 cold case라는 2개의 worst case를 가정하고 모든 충전 대상 차량(vehicle)들이 이 2개의 worst case 범위 안에 존재한다는 가정 하에 설계되었다. 이로 인하여 이 HFP에는 많은 가정과 category가 설정되어 있고, 적용범위와 적용방법에 많은 제한조건이 규정되어 있다. 기존 HFP가 이렇게 복잡하게 된 것은 통신이 불가능하거나 부정확하다는 전제조건 하에 설계되었기 때문이다.
그러나, 최근 수소연료전지 자동차의 보급이 확대되고 지구온난화 문제 해결을 위한 대형 모빌리티(버스, 트럭, 선박 등) 상용화가 급진전 되고 있다. 특히 대형 모빌리티의 경우에는 그 규모와 용도가 판이하여 그것의 압축수소저장시스템(CHSS) 용량, 충전속도, nominal working pressure, 적용제한조건 등을 기존 HFP로 수용하는 것이 구조적으로 불가능한 상황이다. 따라서, 새로운 HFP의 도입이 필요하다. 특히, 적용범위에 범용성이 확보되고 적용방법에서 고용량(High Capacity), 고속(High Velocity), 고효율(High Efficiency)를 수용할 수 있는 새로운 HFP의 도입이 절실한 시점이다. 기존 HFP(existing HFP)의 적용범위 및 적용방법의 제한성 문제와 저효율적 문제를 획기적으로 개선할 새로운 HFP가 필요하게 되었다.
그러나, 아직까지 기존 HFP의 문제점을 해결하기 위한 새로운 HFP가 제안된 바가 없었다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 수소충전기에서의 실시간대응 수소충전 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)에서 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 실시간대응 수소충전 제어를 위한 수소충전기를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 압축수소저장시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 수소충전기에서의 실시간대응 수소충전 제어 방법은, 실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델을 이용할 지 여부를 획득된 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정하는 단계; 및 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 제 1 압력상승률을 결정하고 상기 제 1 압력상승률을 상기 수소충전에 적용하거나, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률을 상기 소정의 열역학적 모델에 적용한 후 상기 수소충전에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 정보를 포함하는 제 1 정보를 획득하는 단계를 더 포함하되, 상기 제 1 압력상승률은 상기 미리 설정한 고정 압력상승률에 상기 수소탱크의 개수를 나눈 값으로 결정될 수 있다. 상기 방법은, 상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 2 정보를 획득하는 단계; 상기 수소탱크로의 공급을 위한 수소공급압력 및 수소공급온도에 대한 제 3 정보를 획득하는 단계; 및 상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보, 제 2 정보 및 제 3 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 산출된 충전율이 미리 설정된 충전율 보다 작지 않으면 각 차이를 산출하는 단계를 더 포함하되, 상기 각 차이는, 상기 산출된 최대질량유량과 질량유량과 관련된 제 1 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 1 차이, 상기 산출된 최대수소탱크온도와 상기 수소탱크 온도와 관련된 제 2 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 2 차이 및 상기 산출된 최대수소탱크압력과 상기 수소탱크 압력과 관련된 제 3 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 3 차이를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 증가, 감소 혹은 유지할 지 여부를 상기 각 차이에 기초하여 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 미리 설정된 충전율은 100일 수 있다.
상기 미리 설정한 압력은 상기 소정의 열역학적 모델의 구동 안정성과 관련된 압력에 해당할 수 있다.
상기 방법은, 상기 각 차이 중 어느 하나가 음수이면, 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 감소시키는 단계; 및 상기 소정의 열역학 모델을 이용하여 상기 산출된 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도, 상기 최대수소탱크압력 및 상기 SOC를 재산출하는 단계를 더 포함하되, 상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출될 수 있다.
상기 방법은, 상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 중 어느 하나가 미리 설정된 값 이하이면 상기 제 2 압력상승률을 새로운 압력상승률로 결정하는 단계를 더 포함하되, 상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출될 수 있다.
상기 방법은, 상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 모두가 미리 설정된 값 이하가 아니면 상기 제 2 압력상승률을 증가시켜서 새로운 압력상승률을 결정하는 단계를 더 포함하되, 상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출될 수 있다.
상기 방법은, 소정 시간 이후에 실시간 상기 수소탱크의 온도, 실시간 수소탱크의 압력 및 실시간 충전율(SOC)에 대한 제 4 정보를 획득하는 단계; 상기 소정 시간 이후에 상기 수소탱크로의 공급을 위한 실시간 수소공급압력 및 실시간 수소공급온도에 대한 제 5 정보를 획득하는 단계; 및 상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보, 제 4 정보 및 제 5 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 재산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)에서 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 방법은, 상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 1 정보를 전송하는 단계; 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 수소충전기에서의 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 결정된 제 1 고정 압력상승률로 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하거나, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 상기 수소충전기에서 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률이 증가, 감소 혹은 유지된 상태에 따라 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 수소탱크의 온도 및 상기 수소탱크의 압력을 측정하는 단계; 및 상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 제 2 정보를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 정보는 소정 주기로 실시간 값으로 전송되는 값이며, 상기 제 2 정보는 수소충전 시 1회 전송된다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 실시간대응 수소충전 제어를 위한 수소충전기는, 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)으로 수소를 공급하도록 구성된 수소공급부; 및 상기 수소공급부로 수소를 공급하기 위하여 실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델을 이용할 지 여부를 획득된 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정하고, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 제 1 압력상승률을 결정하고 상기 제 1 압력상승률을 상기 수소충전에 적용하거나, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률을 상기 소정의 열역학적 모델에 적용한 후 상기 수소충전에 적용하도록 구성된(configured) 충전기제어부를 포함할 수 있다.
상기 충전기제어부는 상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 제 1 정보 및 상기 수소탱크로의 공급을 위한 수소공급압력 및 수소공급온도에 대한 제 2 정보를 획득하도록 구성되고, 상기 충전기제어부는 상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보 및 제 2 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 산출하도록 구성될 수 있다.
상기 충전기제어부는 상기 산출된 충전율이 미리 설정된 충전율 보다 작지 않으면 각 차이를 산출하도록 구성되며, 상기 각 차이는, 상기 산출된 최대질량유량과 질량유량과 관련된 제 1 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 1 차이, 상기 산출된 최대수소탱크온도와 상기 수소탱크 온도와 관련된 제 2 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 2 차이 및 상기 산출된 최대수소탱크압력과 상기 수소탱크 압력과 관련된 제 3 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 3 차이를 포함할 수 있다.
상기 충전기제어부는 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 증가, 감소 혹은 유지할 지 여부를 상기 각 차이에 기초하여 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 충전기제어부는, 상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 모두가 미리 설정된 값 이하가 아니면 상기 제 2 압력상승률을 증가시켜서 새로운 압력상승률을 결정하도록 구성되고, 상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출될 수 있다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)는, 수소탱크의 온도 및 압력에 대한 제 1 정보를 전송하도록 구성된 송신부; 및 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 수소충전기에서의 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 결정된 제 1 고정 압력상승률로 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하거나, 상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 상기 수소충전기에서 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률이 증가, 감소 혹은 유지된 상태에 따라 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하는 수소탱크를 포함할 수 있다.
상기 송신부는 상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 제 2 정보를 더 전송하도록 구성되되, 상기 송신부는 상기 제 1 정보를 소정 주기로 실시간 값으로 전송하고 상기 제 2 정보는 수소충전 시 1회 전송하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수소를 충전하는 동안 CHSS가 무선통신을 통해 수소충전기로 보내주는 수소탱크의 구조적 정보와 열역학적 정보를 반영하여 수소를 보다 안전하면서도 빠르게 충전할 수 있다. 실시간으로 측정된 수소탱크 내 수소의 압력 및 온도를 수소충전기에 전송해 주어 수소충전기는 최적의 압력상승률을 계산하고, 계산된 최적의 압력상승률로 충전을 진행할 수 있도록 함으로써, 수소탱크 내 수소의 압력, 온도 및 충전유량이 설정된 임계값을 벗어나지 않는 범위 내에서, 충전시간이 최소화할 수 있다.
또한, 기존의 SAE J2601에서 규정하는 수소충전은 수소탱크(110) 내의 온도를 precooling 을 한 상태(예를 들어, 섭씨 영하 17.5℃ 이하)에서만 가능하였다. 그렇지 않으면 수소탱크의 온도가 급격히 올라가 빠르게 85℃에 이르기 때문이었다. 그러나, 본 발명에 따른 수소충전 방법에 따르면 수소탱크(110)의 온도를 섭씨 30℃ 정도로 유지하여도 수소충전이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 수소탱크의 압력을 대기압 정도를 유지하여도 수소충전이 가능하게 되었다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 수소탱크의 capacity 제한 없이 적용가능하고, 수소공급도 변경하기가 쉽고, flow rate 제한도 없는 등 다양하고 광범위하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 실시간 통신기반으로 수소탱크의 온도, 압력 등을 고려하여 prr을 산출하여 수소충전함으로써 더 효율적으로 수소충전하여 정밀한 제어가 가능해지는 장점이 있다.
또한, Hot Case의 기준을 이용하여 층전시스템의 열역학적 특성을 비례적으로 모사할 수 있게 됨에 따라 수소충전 프로토콜의 효율성이 상당히 높아졌다.
본 발명에서 얻은 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 발명에서 얻은 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 시스템에 포함된 내부 구성을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신 기반 수소충전 방법을 설명하기 위한 예시적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜에서 적용할 심플 열역학적 모델(Simple thermodynamic mode, STM)에서의 가정 및 정의를 설명하기 위한 예시적 도면이다.
도 5는 Hot case를 실제 케이스(Real case)의 STM으로 연결시켜주는 매개변수들을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜에서적용할 열역학적 모델의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 실시간(real time)으로 압력상승률(PRR)을 계산하고 적용하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시간으로 수소 충전을 위한 제어 방법이 연구 및 개발되고 있고, 수소충전기로부터 압축수소저장용기에 수소를 충전할 때, 목표 온도 및 감지 온도 간의 차이를 실시간으로 측정하고, 감지 온도가 목표 온도에 도달할 수 있도록 수소의 충전 흐름을 제어하는 구성과, 압축수소저장용기 내의 변형정도를 실시간으로 측정하고, 변형정도에 기반하여 기 설정된 규정 이상의 변형이 감지되는 경우 수소 충전을 중단하는 제어 방법이 있다.
다만, 상술한 구성을 이용한다고 할지라도 실제로 실시간 통신이 가정된 상황에서 개발된 제어 프로토콜이 아니기 때문에 다시 실시간 수소 제어가 불가능한 상황인 원점으로 회귀하게 된다. 또, 프로토콜이 복잡해진 이유도 충전소와 수소자동차 사이에 통신이 되지 않는 경우와 통신을 신뢰할 수 없는 경우를 가정하고 있기 때문이므로, 항상 통신이 가능하고 통신의 신뢰성이 보장이 될 수 있는 표준화된 프로토콜의 연구 및 개발이 요구된다. 만약, 통신의 신뢰성이 보장된다면, 수소의 위해요소인 온도와 압력을 실시간으로 감시ㆍ예측하면서 실시간으로 압력상승속도와 목표압력을 계산할 수 있고, 프로토콜을 간단하게 만들 수 있다. 이에, 강건한 통신 프로토콜 및 실시간 모니터링을 위한 제어 방법의 연구가 요구된다.
본 발명에서는 기존 HFP가 가지는 적용범위 및 적용방법의 제한성 문제와 저효율성 문제를 획기적으로 개선한 새로운 HPF를 제안하고자 한다. 기존 HFP의 문제점들이 비통신(non-communication) 전제에서 비롯된 점을 감안하여 새로운 HFP는 통신 전용을 목표로 하였다. 그리고 새로운 HFP를 개발하기 위하여 2개의 열역학(적) 모델을 만들었다. 하나는 충전 프로세스(fueling process)의 제어 엔진 역할을 할 소정의 열역학 모델(일 예로서 Simple Thermodynamic Model, STM이라고 호칭함)이고 다른 하나는 새로운 HFP의 testbed 역할을 할 일명 Rigorous thermodynamic model (RTM)이다. 본 발명에서 제안하고자 하는 새로운 HFP를 실시간 대응 수소충전 프로토콜(Real Time Responding-Hydrogen Fueling Protocol, RTR-HFP)이라고 정의한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 시스템에 포함된 내부 구성을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 실시간 통신기반 수소충전 시스템은, 적어도 하나의 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)(100), 수소이동장치(200) 및 수소충전기(Hydrogen Dispenser)(300)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 도 1의 연료전지용 CHSS의 실시간 통신기반 수소충전 시스템은, 본 발명의 일 실시예에 불과하므로, 도 1을 통하여 본 발명이 한정 해석되는 것은 아니다. CHSS(100)은 수소 차량 등에 구비될 수 있다.
이때, 도 1의 각 구성요소들은 일반적으로 네트워크를 통해 연결된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 CHSS(100)는 네트워크를 통하여 수소이동장치(200)와 연결될 수 있다. 그리고, 수소이동장치(200)는, 네트워크를 통하여 적어도 하나의 CHSS(100), 수소충전기(300)와 연결될 수 있다. 또한, 수소충전기(300)는, 네트워크를 통하여 수소이동장치(200)와 연결될 수 있다.
여기서, 네트워크는, 복수의 단말 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 이러한 네트워크의 일 예에는 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷(WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다. 무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), 5GPP(5th Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), RF(Radio Frequency), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, NFC(Near-Field Communication) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
하기에서, 적어도 하나의 라는 용어는 단수 및 복수를 포함하는 용어로 정의되고, 적어도 하나의 라는 용어가 존재하지 않더라도 각 구성요소가 단수 또는 복수로 존재할 수 있고, 단수 또는 복수를 의미할 수 있음은 자명하다 할 것이다. 또한, 각 구성요소가 단수 또는 복수로 구비되는 것은, 실시예에 따라 변경가능하다 할 것이다.
이하, 도 1의 각 구성을 도 2와 함께 설명하기로 한다.
압축수소저장시스템(CHSS)(100)은 수소탱크(110) 및 수소탱크밸브(130)를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 2개의 수소탱크를 예시하였으나 하나 이상의 수소탱크가 구비될 수 있다. CHSS(100)는 수소 차량(혹은 운송수단)에 설치될 수 있는 것으로, 연료인 수소를 공급받아 저장할 수 있도록 구비된다. 그리고, 수소탱크밸브(130)는 압력 센서 및 온도 센서를 포함하고 있어서 수소탱크(110) 내의 수소의 압력과 온도를 측정하고, 수소이동장치(200)의 저장제어부(240)로 측정값을 넘겨주는 역할을 수행할 수 있다.
수소이동장치(200)는, 수소공급부(330)로부터 분사되는 수소를 수소탱크밸브(130)로 전달하는 리셉터클(210), 수소공급호스(230) 및 수소충전기(300) 내 충전기제어부(310) 간 무선통신을 위해 구비되는 무선통신부, 감지 데이터를 무선통신을 위한 데이터로 변환하여 출력하는 저장제어부(240)를 포함할 수 있다. 수소이동장치(200)는, 리셉터클(210)과 수소공급부(330) 간에 연결되어 수소탱크(110)에 수소탱크밸브(130)를 경유하여 수소를 공급하는 충전노즐(220)을 더 포함할 수 있다. 이때, 무선통신부는, 차량에 수소가 주입되는 리셉터클(210)의 일측에 설치된 저장제어부(240)의 타측에 설치되는 송신기(일예로서, IR 송신기)(250)와, 일측에 IR 송신기(250)와 연결되고 타측에 충전기제어부(310)와 연결되는 수신기(일예로서, IR 수신기)(260)를 포함할 수 있다.
수소충전기(300)는, 수소탱크(110) 내 압력 및 온도를 포함한 감지 데이터를 수신하는 충전기제어부(310) 및 감지 데이터에 기반하여 수소탱크(110) 내 수소를 공급하는 수소공급부(330)를 포함할 수 있다. 충전기제어부(310)는, 무선통신부 및 수소공급부(330)로부터 데이터를 수신하여 수소공급부(330) 내 실시간 압력상승률을 산출하고, 산출된 압력상승률을 수소공급부(330)로 반환할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, CHSS(100)는 수소충전기(300)로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받고 있음을 알 수 있다. 실시간대응 수소충전 제어를 위해, CHSS(100)의 송신부(미도시)는 수소이동장치(200) 및/또는 수소충전기(300)로 무선통신 등으로 정보를 전송하기 위해 구비된다. CHSS(100)의 송신부송신부(미도시)는 수소이동장치(200) 및/또는 수소충전기(300)로 무선통신 등으로 정보를 전송하기 위해 구비된다. CHSS(100)의 송신부는 초기에 수소탱크(110)의 온도, 수소탱크(110)의 압력 및 충전율(SOC)에 대한 정보를 무선통신 등을 통해 수소이동장치(200)로 전송할 수 있다. 수소탱크(110)는, 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 수소충전기에서의 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 결정된 제 1 고정 압력상승률로 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장한다. 이와 달리, 수소탱크(110)는, 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 상기 수소충전기에서 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률이 증가, 감소 혹은 유지된 상태에 따라 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장할 수 있다.
수소탱크밸브(130)는 수소탱크(110)의 온도 및 상기 수소탱크(110)의 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, CHSS(100)의 송신부는 수소탱크(110)의 개수 및 수소탱크(110)의 부피에 대한 정보를 무선통신 등을 통해 수소이동장치(200)로 전송해서 수소충전기(300)로 전달되게 할 수 있다.
이하, 상술한 도 1 및 도 2의 실시간 통신 기반 수소 안전 충전 시스템의 구성에 따른 동작 과정을 도 3 내지 도 7을 예로 들어 상세히 설명하기로 한다. 다만, 실시예는 본 발명의 다양한 실시예 중 어느 하나일 뿐, 이에 한정되지 않음은 자명하다 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신 기반 수소충전 방법을 설명하기 위한 예시적인 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 대응 수소안전 충전 시스템은, 수소를 충전하는 동안에 CHSS(100)가 무선통신을 통해 수소충전기(300)로 보내주는 수소탱크의 구조적 정보와 열역학적 정보를 반영하여 수소를 보다 안전하면서도 빠르게 충전할 수 있도록 한다. 이를 위하여, CHSS(100)에서 수소탱크(110) 내 수소의 압력 및 온도를 실시간으로 측정하고,수소충전기(300)에 무선통신을 통하여 실시간으로 전송하고, 수소충전기(300)는 CHSS(100)로부터 실시간으로 측정한 수소탱크의 압력 및 온도를 수신하여 최적의 압력상승률을 계산하고, 계산된 최적의 압력상승률로 수소충전을 진행할 수 있도록 한다. 이에 따라, 수소탱크(110) 내 수소의 압력, 온도 및 충전유량이 설정된 임계값을 벗어나지 않는 범위 내에서, 충전시간이 최소화될 수 있도록 한다.
이하 도 3 및 도 4를 통하여 언급되는 약자는 이하 표 1을 통하여 정리하고, 이하에서 중복하여 설명하지 않는다.
prr Pressure Ramp Rate, MPa/s
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000001
 Mass flow rate of compressed hydrogen, kg/s
t Time counted for HRS, m/s
ρ Gas density, kg/m3
ba Break away
inlet Inlet of vehicle tank
line (혹은 FL) Hydrogen fueling line
max Maximum value
new New parameter to continue simulation
Cv Specific heat capacity at constant volume, kJ/kg·K
Cp Specific heat capacity at constant pressure, kJ/kg·K
hs Stagnation enthalpy, kJ/kg
N Number of tanks
K Pressure drop coefficient of fueling line, m-4
k Number of prr calculations
DFLE 또는 dFLE Equivalent Diameter of fueling line, m
u Internal energy, kJ/kg
tank(혹은tk) Vehicle tank
R Universal Gas Constant(8.314472), J/mol·K
m Mass of compressed hydrogen, kg
V Volume, m3
P Pressure, MPa
T Temperature, K
h Static enthalpy, kJ/kg
Z Compressibility factor
SOC State Of Charge, %
d 또는 D diameter of tank inlet tube
Q Heat transferred, kJ
Z Compressibility factor (압축계수)
ba Break Away
k number of prr calculations
도 3을 통하여 도시된 전체 단계는 충전기제어부(310)에서 IR 수신기(260) 및 수소공급부(330)로부터 데이터를 받아 새로운 압력상승률(prrnew, 최적의 압력상승률)를 계산하고, 이를 수소공급부(330)로 반환하는 과정이 도시된다. 이를 위하여, 수소충전기(300)의 충전기제어부(310)는 도 3에 도시된 로직 혹은 알고리즘에 따라 진행하게 된다. 도 3에서
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000002
는 (압축)수소의 질량유량(Mass flow rate of compressed hydrogen, kg/s)(혹은 mass flow 라고도 호칭될 수 있음)이다. 질량유량은 단위 시간 당 통과하는 질량을 의미할 수 있다.충전이 시작되면 새로운 압력상승률(prrnew, 최적의 압력 상승률)이 소정 값으로 설정될 수 있고 시간 N1=0으로 설정할 수 있다. 새로운 압력상승률(prrnew)을 계산하기 위한 초기 압력상승률(prr)은, 20MPa/min을 수소탱크(110)의 개수로 나눈 값을 사용할 수 있다. 이 변수들의 초기값을 기초로 수소충전모사를 거쳐 새로운 압력상승률(prrnew)을 계산하고, 수소충전에 적용하기 때문에 초기 압력상승률(prr)은 사실상 중요하지 않다. 본 발명의 일 실시예에서는, 적정 초기 압력상승률(prr)을 탐색하는데 걸리는 시간을 절약하기 위하여 경험적으로 알려진 값의 중간 값으로 일 예로서 20MPa/min을 채택할 수 있다. 여기서는 일 예로서 충전이 시작되면 prrnew =20MPa/min으로 예시하였다(S3010).
그리고, 수소충전기(300)의 메모리(미도시)는 기존 Hot Case(또는 기준 케이스)에서 설정된 값인 기준 충전라인 직경(내부 직경, 내경)값(DFLE,ref)(혹은 충전라인 직경 기준값), 기준 압력손실계수값(Kline,ref), 기준 질량유랑한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000003
)에 대한 정보를 사전에 저장하고 있을 수 있다(S3020).
Hot Case 및 실제 케이스에 대한 구체적 사항은 도 5와 관련된 설명에서 상세하게 설명할 것이다. 간략히 살펴보면, Hot case라 함은 충전 종료 시점에서 CHSS 탱크 내 가스의 온도가 최고로 되는 충전조건(SAE J2601에서 규정하고 있는 hot case와 동일)을 말한다. 즉, SAE J2601에서 규정하고 있는 것과 같이 CHSS 탱크의 온도가 85℃가 되도록 하는 충전라인 내경값(dFL)을 기준 충전라인 내경 (dFL,ref)이라고 정의한다. Hot case condition(△P가 35MPa)에서 계산한 충전라인의 압력손실계수를 KFL,ref라고 정의하고 기준 압력손실계수라고 호칭한다. 여기서, DFLE = DFL, DFLE,ref = DFL,ref , Kline =KFL 라고 볼 수 있다.
충전기제어부(310)는 CHSS(100) 내 수소탱크(110) 및 수소충전기(300)의 수소공급부(330)로부터 초기 상태값을 획득(혹은 수집)할 수 있다. 이때, 초기 상태값은, 수소탱크(110)의 구조적 변수값, 수소이동장치(200)의 구조적 변수값, 수소충전기(300)가 공급하는 가스의 초기 열역학적 변수값, 수소탱크(110) 내 수소의 열역학적 변수값을 포함할 수 있다.
그리고, 수소탱크(110)의 구조적 변수값은, 수소탱크(110)의 개수(Ntank) 및 수소탱크(110)의 부피(Vtank)를 포함할 수 있다. 이때, 한 개의 CHSS(100)에 장착된 수소탱크(110)의 구조적 변수값은 모두 동일하다고 가정한다. 즉, CHSS(100)에 포함된 모든 수소탱크(110)의 개수 및 부피는 표준화되어 규격이 동일한 것으로 가정한다. 충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 개수(Ntank) 및 수소탱크(110)의 부피(Vtank)값에 대한 정보를 IR 수신기(260)를 통해 수신함으로써 획득할 수 있다(S3050). 수소탱크의 개수 및 부피에 대한 정보는 CHSS(100)의 고유값이므로 충전 시작 전 1회 수신하면 충분할 수 있다(S3050).
수소이동장치(200)의 구조적 변수값은, 수소공급부(330)에서 측정되는 수소이동장치(200)의 압력손실계수(Kline)를 포함할 수 있다. 이 값 또한 수소이동장치(200), 즉 충전라인이나 수소충전라인으로 불리우는 수소이동장치(200)의 고유값이므로, 충전을 시작하기 전 한 번만 수신하면 된다. 다만, 압력손실계수(Kline)가 수소이동장치(200)의 고유값이지만, CHSS(100)의 종류에 따라 달라질 수 있기 때문에 수소이동장치(200) 전체의 압력손실계수(Kline)도 CHSS(100)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 이 값은 새로운 CHSS(100)에 충전을 시작하기 전, 수소이동장치(200)에 대한 누설점검을 할 때 구한 압력손실값(△Pline)과 수소이동장치(200) 내 수소 밀도값(ρline)을 이하 수학식 1에 대입하여 구할 수 있다.
실제의 충전 라인은 내경(inner-diameter)이 작은 tube와 다수의 components들로 구성되어 있어 압축수소 충전 시상당히 큰 압력 손실(pressure drop)이 발생한다. 이 압력 손실의 계산식의 일 예로서 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000004
여기서
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000005
은 질량유량(mass flow rate) 혹은 수소유량이다. 질량유량은 단위 시간 당 통과하는 질량을 의미할 수 있다.
충전기제어부(310)는 수소공급부(330)로부터 공급되는 수소에 대한 압력손실계수(Kline)값을 산출할 수 있다(S3030).
기준 압력손실계수값(Kline,ref)과 기준 질량유랑한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000006
)은 SAE J2601에서 규정하는 Hot case 조건에서 기준 압력손실계수값(△P가 35MPa인 경우) 및 기준 질량유량한계값(일 예로서 60g/s)를 일 수 있다. 이렇게 구한 질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000007
)을 적용하면 충전라인 구경확대 등에 따른 성능개선으로 압력손실계수값(Kline)이 감소할 경우 질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000008
)이 증가하여 충전시간을 단축할 수 있다. 충전시간이 단축되면 충전소 운영의 효율성을 높일 수 있는 이점이 있다.
충전기제어부(310)는 기저장된 기준 압력손실계수값(Kline,ref), 산출된 압력손실계수값 및 기저장된 기준 질량유랑한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000009
)에 기초하여 질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000010
)을 산출할 수 있다(S3040). 질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000011
)을 산출하는 식의 일 예로서 다음 수학식 2와 같이 표시할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000012
그러나, S3040에서와 같이 질량유량한계값을 산출함이 없이 SAE J2601에서 기준 질량유량한계값으로 미리 설정된 60g/s, 120g/s, 240g/s 등이 사용될 수도 있다.
수소충전기(300)가 공급하는 가스(수소 가스)의 초기 열역학적 변수값은, 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb)를 포함할 수 있다. 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb)는 동적(dynamic) 파라미터이어서, 충전기제어부(310)는 수소공급부(330)로부터 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb)에 대한 정보를 실시간으로 수신할 수 있다(S3100). 즉, 수소공급부(330)로부터 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb)는 소정 주기로 업데이트될 수 있다.
수소탱크(110) 내 수소의 열역학적 변수값은, CHSS(100)에서의 온도 센서(미도시) 및 압력 센서(미도시)로부터 수집되는 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank), 수소충전율(SOC)를 포함할 수 있다(S3150). 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank), 수소충전율(SOC)은 동적(dynamic) 파라미터이어서 충전기제어부(310)는 IR 수신기(260)로부터 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank), 수소충전율(SOC)를 실시간으로 수신할 수 있다. 여기서 실시간으로 수신한다는 것은 소정의 주기(예를 들어, 2초)로 수신한다는 것을 포함할 수 있다. 충전기제어부(310)는 수신된 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank)에 기초하여 수소충전율(SOC)을 산출할 수 있다. 즉, 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank)는 소정 주기로 업데이트될 수 있고, 그 결과 수소충전율(SOC)도 소정의 주기로 업데이트될 수 있다.
충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank) 및 수소충전율(SOC) 중 적어도 하나가 (또는 하나 이상이) 각각의 미리 설정된 값 이상인지 여부를 결정할 수 있다(S3200).
여기서, 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank) 및 수소충전율(SOC) 중 적어도 하나가 미리 설정된 값 이상인 경우에는 충전을 종료한다. 이와 달리, 수소탱크(110)의 압력(Ptank), 온도(Ttank) 및 수소충전율(SOC)가 모두 미리 설정된 값 미만인 경우에는 충전기제어부(310)는 소요 시간(N2-N1)을 체크한다. 이를 위해 먼저 충전기제어부(310)는 현재시각(N2)를 체크한다(S3210). 충전기제어부(310)는 현재시각(N2)에서 충전초기 시각(N1) 사이의 소요시간을 계산하여 계산된 소요시간이 미리 설정한 값(혹은 시간) 보다 큰지 여부를 결정한다(S3220). 만약, 계산된 소요시간이 미리 설정한 값(혹은 시간) 보다 크지 않으면 충분한 시간이 소요된게 아니므로 충전기 제어부(310)는 다시 S3100 단계로 돌아가서 프로세스를 수행하게 된다.
S3100 단계로 돌아가면 충전기제어부(310)는 실시간으로 수소공급부(330)로부터 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb) 중 하나 이상에 대한 정보를 수신하여 이후 프로세스를 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, CHSS(100)의 수소탱크밸브(130)는 실시간 수소탱크의 온도, 실시간 수소탱크의 압력 및 실시간 수소탱크의 충전율에 대한 정보를 수소이동장치(200)로 전송 혹은 전달한다. 수소충전기(300)는 실시간 수소탱크의 온도, 실시간 수소탱크의 압력 및 실시간 수소탱크의 충전율에 대한 정보와 상기 실제 케이스(real case)에 적용하기 위해 산출된 충전라인의 내경값이 적용되어 실시간 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델에서 압력상승률을 산출하고, 수소탱크(110)는 산출된 압력상승률에 따라 수소충전기(300)로부터 공급되는 수소를 충전 및 저장할 수 있다. 이때, 상기 실제 케이스에서 적용할 상기 충전라인의 내경값은 상기 산출된 압력손실계수값, 기준 케이스에서의 미리 설정된 기준 압력손실계수값 및 상기 기준 케이스에서의 미리 설정된 기준 충전라인 내경값에 기초하여 산출된 것이다.
한편, 계산된 소요시간 (N2-N1)이 미리 설정한 값(혹은 시간) 보다 크면 충전기 제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptank)이 미리 설정한 압력(예를 들어, 5.1MPa, 2MPa 등) 보다 작은지 여부를 판단한다(S3230). 여기서, 미리 설정된 압력이란 본 발명에 따른 열역학적 모델의 구동 안정성과 관련된 압력이다. 구체적으로, 미리 설정된 압력이란 CHSS(100)의 수소탱크(110)에서의 그 값이 너무 높으면 열역학적 모델 구동의 안정성이 상실되는 특성과 그 값이 너무 낮으면 충전속도가 낮아지는 특성을 모두 고려하여 반복적 시뮬레이션을 통해 선정한 값(절대압력(Absolute Pressure)인 경우 2MPa 또는 5MPa, 게이지압력(gauge pressure)인 경우에는 2.1 MPa 또는 5.1 MPa)으로 정의될 수 있다. 여기서, 절대압력이란 완전 진공을 기준으로 하여 측정한 압력이고, 게이지압력(혹은 계기압력)이란 대기압을 기준으로 하여 측정한 압력을 의미한다. 수소탱크(110)의 압력(Ptank)이 미리 설정한 압력(예를 들어, 절대압력인 경우 2MPa 또는 5MPa, 게이지 압력인 경우에는 2.1 MPa 또는 5.1 MPa) 보다 작은지 여부에 기초하여 충전기제어부(310)가 수소충전을 위해 소정의 열역학적 모델에 적용할 지 말지 여부를 결정한다(S3230). 즉, 충전기제어부(310)는 실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델(예, STM)을 이용할 지 여부를 획득한 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정한다(S3230).
수소탱크(110) 내의 압력이 미리 설정된 압력보다 낮은 경우에는 고정 압력상승률(prrfixed)을 이용하여 새로운 압력상승률을 산출하여 적용하도록 할 수 있다.수소탱크(110) 내의 압력이 미리 설정된 압력보다 낮은 상태인 경우에는 수소충전의 진행에 따라 수소탱크(110) 내 가스의 압력이 급격히 상승하는 특성이 있다. 수소탱크(110) 내의 온도가 급격히 올라가서 온도 제어가 어려울뿐만 아니라 새로운 최적 압력상승률(prrnew)을 탐색하는데 시간이 너무 많이 걸리거나 탐색에 실패할 가능성이 있어서 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜의 작동성이 급격히 떨어지는 문제가 발생한다. 많은 연구를 거듭하여 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜에서 심플 열역학적 모델로 prr을 산출할 지 아니면 고정 prr로 선택하여 적용할 지 기준이 되는 미리 설정된 압력으로서는 5.1MPa, 2MPa 등이 있을 수 있고, 2MPa가 더 바람직할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 압력의 예시로서 5.1MPa, 2MPa를 예를 들었다.
수소탱크(110) 내의 가스 압력(Ptank)이 미리 설정된 압력보다 낮을 경우 고정 압력상승률(prrfixed)을 적용하도록 하는 것은 이러한 문제를 해결하기 위한 것이다. 여기에서 미리 설정된 압력(예, 수소탱크의 초기 하한 압력)은 5.1 MPa(절대압력)로 할 수 있다. 이때 수소탱크(110) 내의 압력(Ptank)이 미리 설정된 압력(예를들어, 5.1 MPa) 보다 낮은 경우로서 수소탱크(110)의 수가 1보다 큰 경우에는 고정 압력상승률(prrfixed)을 수소탱크(110)의 개수(Ntank)로 나눈 값을 적용할 수 있다(S3240). 이것은 수소탱크(110)가 수소충전라인에 병렬로 연결되는 것을 고려한 것이다. 여기에서 고정 압력상승률(prrfixed)로는 일 예로서 SAE J2601의 룩업테이블 기반 충전프로토콜의 비통신 충전용 평균압력상승률(APRR) 또는 이와 동등 이상의 방법으로 도출한 압력상승률을 사용할 수 있다. 충전기제어부(310)는 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작으면 소정의 열역학 모델(예, STM)을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률(prefixed)에 기초하여 새로운 압력상승률을 결정하고 이 결정된 새로운 압력상승률을 수소충전에 적용할 수 있다. 그리고, 충전기제어부(310)는 결정된 새로운 압력상승률에 대한 정보를 수소공급부(330)로 전달해 주어(S3760), 수소공급부(330)는 결정된 새로운 압력상승률에 따라 수소를 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 충전기제어부(310)는 S3240 단계에서 산출된 새로운 압력상승률을 수소공급부(330)로 전달하여 수소충전기(300)에서 이 새로운 압력상승률로 수소충전을 하도록 제어한다. 이 경우는 심플 열역학적 모델을 적용하지 않는다. 이러한 이유는 상술한 바와 같이 상기 미리 설정한 압력 보다 수소탱크(100)의 압력이 작은 경우에는 수소탱크(100)의 온도가 급격히 상승하기 때문에 정밀한 제어가 어려워지는 등이 문제가 있어서 고정 압력상승률을 적용하여 안전하고 정밀하게 제어하면서 수소충전 시간도 단축할 수 있다. 수소공급부(330)는 전달된 압력상승률에 따라 충전 라인을 통해 수소를 공급할 수 있다.
충전기제어부(310)는 새로운 압력상승률 (prrnew)을 산출 후 충전초기 시각 N1 값을 0이 아닌 현재시각으로 설정한 후(S3780), S3100 단계로 돌아가서 프로세스를 수행한다. 그리고, 충전기제어부(310)는 산출된 새로운 압력상승률 (prrnew)에 관한 정보를 수소공급부(330)로 전달할 수 있다(S3760).
수소탱크(110) 내의 압력(Ptank)이 미리 설정된 압력보다 작지 않은 경우에는 S3010 단계에서 설정한 prrk=1를 소정의 prr 값의 일 예로서 prrnew (=20MPa/min)로 설정할 수 있다(S3250). 즉, 충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptank)이 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 압력상승률(도 3에서는 prrnew= 20MPa/min)을 STM에 적용한 후 수소충전에 적용할 수 있다.
이후 시간 t를 t=1로 설정한다(S3300). 충전기제어부(310)가 초기 상태값에 기반하여 기 저장된 열역학적 모델(일 예로서, 이하에서 심플 열역학적 모델이라고 호칭한다)을 이용하여 질량유량, 수소탱크(110) 내 온도 및 압력, 충전율을 결정할 수 있다(S4000). 수소 충전 모사 단계로, 주어진 초기값들 및 산출된 압력상승률 값을 기초로 심플 열역학적 모델을 이용하여 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000013
), 수소탱크(110) 내 온도(Ttank), 수소탱크(110) 내 압력(Ptank), 충전율(SOC)을 계산하고, 직전 최대값과 비교하여 상대적으로 큰 값을 선택하는 방법에 의해, 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000014
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000015
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000016
) 및 SOC 값을 결정 혹은 산출한다(S4000). 즉, 충전기제어부(310)는 S3010에서 S3300 단계까지에서 획득한 초기값 및 산출한 값들을 이용하여 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000017
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000018
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000019
) 및 SOC 값을 산출한다(S4000). (심플) 열역학적 모델에 의하여 계산하기 위한 과정에 대한 상세한 사항은 도 6에서 후술한다.
충전기제어부(310)는 산출된 충전율(수소 충전율, SOC)가 100 미만인지 여부를 결정한다(S3400). 만약, 산출된 충전율이 100 미만이면 아직 충전이 덜 된 것으로 판단하여 시간을 △t 씩 증가시키는 방식으로 (일 예로서 △t=1) 설정하여 심플 열역학적 모델의 계산 과정을 반복하다가 충전율(SOC)이 100 이상이 되면 반복 계산을 중단한다.
만약 산출된 충전율이 100 이상이면, 충전기제어부(310)는 결정된 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000020
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000021
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000022
) 를 미리 설정한 각각의 안전 임계값 간의 차이를 산출할 수 있다(S3500). 여기서, 미리 설정한 최대질량유량과 관련된 안전 임계값을 제 1 안전 임계값이라고 호칭할 수 있다. 최대질량유량과 관련된 안전 임계값인 제 1 안전 임계값은 일 예로서 S3040에서 결정된 질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000023
)로 설정될 수 있다. 따라서, 제 1 안전 임계값은 SAE J2601에서 기준 질량유량한계값으로 미리 설정된 60g/s, 120g/s, 240g/s 등이 될 수도 있다.
그리고, 미리 설정한 최대수소탱크온도와 관련된 안전 임계값을 제 2 안전 임계값(일 예로서, 85℃), 최대수소탱크압력과 관련된 안전 임계값(일 예로서 87.5MPa)을 제 3 안전 임계값이라고 호칭할 수 있다. 산출된 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000024
)과 제 1 안전 임계값(질량유량한계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000025
)과의 차이를
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000026
, 산출된 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000027
)과 제 2 안전 임계값과의 차이를 △T, 산출된 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000028
) 를 제 3 안전임계값과의 차이를 △P 라고 정의한다. 충전기제어부(310)는 각 안전 임계값에서 산출된 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력을 각각 차감하는 방식으로 차이값을 산출하는 것을 예시하였다.
이때, 충전기제어부(310)는 상기 차이값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000029
, △T, △P)가 모두 양(+)의 값인지 여부를 판단한다(S3600). 만약, 상기 차이값
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000030
, △T, △P 중 적어도 어느 하나가 양의 값이 아니라면 충전기제어부(310)는 S4000 단계에서 적용한 압력상승률(prr)을 감축시킨다(S3620). 그리고, k=k+1로 설정하고(S3640), S3300 단계로 돌아가서 다시 프로세스를 반복한다.
이와 달리, 상기 차이값
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000031
, △T, △P 가 모두 양의 값이면 충전기제어부(310)는
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000032
, △T, △P 중 적어도 어느 하나가 기설정 값 이하인지 여부를 결정한다(S3700). 만약,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000033
, △T, △P 중 어느 하나가 기설정 값 이하가 아니라면, 즉
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000034
, △T, △P 모두가 기설정 값 보다 크면 충전기제어부(310)는 S4000단계 에서 적용한 압력상승률(prr)을 사전에 정의한 값 만큼 증가시킨다(S3720). 그리고, S3640, S3300 단계로 돌아가 이후 프로세스를 반복하게 된다.
이와 달리, 만약,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000035
, △T, △P 중 적어도 어느 하나가 기설정 값 이하이면, S4000 단계에서 적용한 압력상승률을 그대로 새로운 압력상승률로 결정하여 압력상승률을 유지시킨다(S3740). 이후, 충전기제어부는(310)는 수소 공급부(330)로 결정된 새로운 압력상승률에 대한 정보를 전달한다(S3760). 수소공급부(330)에 송신하여 수소충전기(300)가 새로운 압력상승률(prrnew)로 CHSS(100)의 수소탱크(110)에 충전을 계속하게 된다. 충전기제어부(310)는 N1값을 현재시각으로 설정한 후(S3780), S3100 단계로 돌아가서 프로세스를 반복 수행한다.
S3100 단계로 돌아가면 충전기제어부(310)는 실시간으로 수소공급부(330)로부터 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba) 및 수소충전기(300) 주변에서 측정한 대기온도(Tamb)에 대한 정보를 수신하여 이후 프로세스를 수행할 수 있다.
상기 차이값들 중 어느 하나가 기 저장된 각각의 설정값 이하가 되는 때의 압력상승률을 최적 압력상승률로 설정할 수 있다. 여기서, 기 저장된 각각의 설정값은, 수용가능한 수준의 작은 값으로 연구결과를 토대로 하여 설정될 수 있다.
충전기제어부(310)는 산출된 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000036
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000037
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000038
)과, 각 안전 임계값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000039
, 85℃, 87.5MPa)을 비교하여 차이, 즉
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000040
, △T, △P를 구하는 기능을 하게 된다. 이때 충전기제어부(310)에서 의도하는 것은 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000041
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000042
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000043
)이 안전 임계값을 초과하지 않는 범위 내에서, 초기 압력상승률(prr)을 최대한 끌어올려 수소를 충전하는데 드는 시간을 단축하는 것이다. 3 가지의 값 중 어느 하나라도 안전 임계값을 초과한다면 법령 위반이 될 수 있다. 따라서,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000044
, △T, △P 값 모두가 양(+)의 값이면서,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000045
, △T, △P 값 중 적어도 어느 하나가 기 설정된 값 이하면 (예를 들어, 수용가능한 수준의 작은 값(연구결과토대)이면), 이때 적용한 압력상승률(prr)을 최적 압력상승률(prr)로 설정 및 간주한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전모사에서 사용하는 열역학적 모델은, 수소이동장치(200)에서의 열전달을 반영하고 있지 않다. 따라서, 수소탱크(110) 내 수소의 온도 계산 결과에 오차가 발생한다. 다만, 수소충전 도중 현재상태의 수소탱크(110) 내 압력 및 온도를 기초로 수소충전모사를 하기 때문에, 모사의 시간 길이가 충분히 짧으면 오차는 줄어들 수 있다. 따라서, 수소충전이 종료될 때까지, 그 직전까지 반복하여 충전잔여시간 동안 수소충전모사를 반복할 수 있다.
도 3에서 상술한 단계들(S3010~S3780) 간의 순서는 예시일 뿐, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상술한 단계들(S3010~S3780) 간의 순서는 상호 변동될 수 있으며, 이중 일부 단계들은 동시에 실행되거나 삭제될 수도 있다.
먼저, 심플 열역학적 모델의 기본 구조 및 정의, 가정에 대해 간략히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜에서 적용할 심플 열역학적 모델(Simple thermodynamic mode, STM)에서의 가정 및 정의를 설명하기 위한 예시적 도면이다.
실시간 통신기반 수소충전 프로토콜(Real Time Responding-Hydrogen Fueling Protocol, RTP-HFP)에서의 심플 열역학적 모델에서는 2개의 가정과 3개의 정의를 사용한다. 2개의 가정을 도입한 이유는 수소충전기에서 충전대상 CHSS의 geometry를 파악하는 것이 불가능하다는 문제점을 극복하고 모델을 단순화하여 계산의 속도를 높이기 위해서이다.
가정 1: 충전라인은 직선(straight)이고 내경값이 동일한 하나의 tube이이다. dFL은 내경값이다. 이 tube의 압력손실계수(KFL) 계산식은 그 내경(inner diameter)만을 함수로 한다( KFL=f(dFL)). 즉, dFL을 제외하고 모든 압력손실 인자들(factors)을 무시한다. 이것은 SAE J2610(2020)에서 Hot case 충전라인의 압력손실을 35MPa로 보고 압력손실계수(KFL)를 계산하도록 한 것과 유사한 개념이라고 할 수 있다. KFL =f(dFL) 이다.
가정 2: 충전라인 벽과 그 속을 흐르는 가스 사이에는 열교환이 일어나지 않는다.
그리고 Reference state(STM이 SAE J2610(2020)에서 사용된 열역학적 모델과 대등한 충전공정 모사기능을 가지도록 하기 위해 Hot case의 변수들을 STM에 적용하여 Fitting한 상태)의 STM을 Real state(Fitting된 STM의 Hot case의 변수에 Real case의 변수를 대입하여 Real case를 모사할 수 있도록 한 상태)의 STM으로 변환하는데 사용하기 위해 3개의 정의를 도입했다.
정의 1: Hot case라 함은 충전 종료 시점에서 CHSS 탱크 내 가스의 온도가 최고로 되는 충전조건(SAE J2601에서 규정하고 있는 hot case와 동일)을 말한다.
정의 2: 가정 1에 따른 충전라인의 내경을 dFL이라 하고, SAE J2601의 TB-HFP에 적용하는 APRR을 STM에 적용할 때, CHSS 탱크의 온도가 85℃가 되도록 하는 충전라인 내경값 dFL을 기준 충전라인 내경값(dFL,ref)이라고 정의한다.
정의 3: 가정 1에 따른 충전라인의 압력손실계수를 KFL이라 하고, Hot case condition(△P가 35MPa)에서 계산한 충전라인의 압력손실계수를 KFL,ref라고 정의하고 기준 압력손실계수라고 호칭한다.
가정 1 및 정의 1에 따른 dFL은 충전시스템의 열역학적 특성을 비례적으로 모사할 수 있도록 하기 위해 도입한 가상의 충전라인 내경이다. 도 4와 관련된 수학식 3에서 보는 바와 같이 RTR-HFP에서 dFL은 Reference state의 STM을 Real state의 STM으로 변환해주는 매개변수 역할을 한다.
그러나 RTR-HFP에서는 hot case 조건에서 dFL,ref와 KFL,ref을 설정하고 real case 조건에 압력상승률(prr)을 계산한다. RTR-HFP에서는 실시간 충전공정 파라미터(특히 Ttk, 수소탱크의 온도)들을 제어에 활용하기 때문에 이것이 가능하다. RTR-HFP의 이러한 구조는 충전프로토콜의 효율성을 높일 수 있는 기반이 된다.
RTR-HFP에서는 dFL,ref 설정을 위하여 TB-HFP에서 사용하는 룩업테이블을 이용한다. TB-HFP에 적용되는 SAE J2601의 룩업테이블은 탱크 용량별(2, 4, 7, 10 kg), 공급가스온도별(T20, T30, T40) 및 외기온도별(-40 내지 +50 ℃)로 마련되어 있다. 이 TB-HFP의 룩업테이블을 이용한 이유는 다음과 같다.
1. SAE J2601 개발에 사용된 공신력 높은 rigorous thermodynamic model을 간접적으로 활용할 수 있다.
2. 탱크 용량별, 공급가스온도별 및 외기온도별로 완벽한 Table이 제공되고 있어 충전공정 전체 영역을 커버할 수 있는 dFL,ref 도출이 가능하다.
3. RTR-HFP와 SAE J2601의 table-based HFP(TB-HFP) 및 MC formula-based HFP(MC-HFP) 간에 호환성 확보가 용이하다.
dFL,ref 은 TB-HFP의 룩업테이블 종류와 같이 탱크 용량별 및 외기온도별로 설정한다. 공급가스온도에 따라서도 dFL,ref 이 달라지지만 그 차이가 크지 않고 보수적인 결과로 귀결되어 안전에는 문제가 없기 때문에 설정대상에서 제외할 수 있다. dFL,ref 을 구하는 방식은 TB-HFP에서 APRR을 구하는 방식과 유사하다. SAE J2601에서는 충전프로토콜 개발에 적용된 열역학적 모델로 반복적인 충전공정 모사를 실시하여 충전 종료 시점에서의 수소탱크의 온도와 SOC가 각각 85 ℃ 및 95%가 나오도록 APRR를 설정한다. TB-HFP 룩업테이블 Data(외기온도 및 APRR 등)를 이용해 RTR-HFP용 STM으로 반복적인 충전공정 모사를 실시하여 충전 종료 시점에서의 수소탱크의 온도와 SOC가 각각 85 ℃ 및 95%가 나오도록 APRR를 설정한다. STM에 특정 충전조건에서의 APRR과 임의의 dFL 값을 입력한 후 충전공정 모사에 의해 도출한 수소탱크의 온도가 85℃보다 높으면 더 큰 dFL 값 입력하여 모사를 다시하고 85℃보다 작으면 더 작은 dFL 값을 입력하여 모사를 다시하는 방식으로 dFL 값을 설정한 것이다. 이러한 방식으로 설정한 dFL 값의 예를 다음 표 2와 같이 나타내었다. 표 2는 수소 탱크 용량에 따른 dFL,ref값을 예시하고 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000046
도 5는 Hot case를 Real case의 STM으로 연결시켜주는 매개변수들을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
Hot case를 real case로 연결하기 위한 식으로서 본 발명에서는 다음 수학식 3을 제안한다. 다음 수학식 3에 따라 real case로 연결하고 심플 열역학적 모델을 적용하면 계산 시간을 상당히 줄일 수 있는 효과 있다. 표 3의 식들과 초기 압력 펄스 스텝에서 측정된 △P값에 기초하여 수학식 3과 같은 매개변수 식에 따라 real case로 적용할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000047
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000048
상기 수학식 3에서 지수값으로 표시된 0.25이나 다른 값을 배제하는 것은 아니다. 수학식 3은 RTR-HFP에서 dFL은 기준 상태(Reference state)의 STM을 실제 상태(Real state)의 STM으로 변환해주는 매개변수 역할을 한다.
STM(Simple Thermodynamic Model)은 앞에서 기술한 가정과 정의를 적용하여 수소 충전공정을 모사할 수 있도록 설계된 RTR-HFP의 engine이다. RTR-HFP에서는 이 모델을 이용하여 실시간으로 충전공정에 적용할 압력상승률(PRR)을 산출한다.
STM의 기본 기능은 수소탱크(110)로 유입되는 압축수소의 질량유량(mass flow rate)와 CHSS(100) 내 압축수소의 압력 및 온도 값을 계산해 내는 것이다. 이 기능을 수행하기 위해 필요한 것은 충전라인의 압력손실 계산식, 충전라인의 질량유량(masss flow rate) 계산식, CHSS(100)로 들어가는 가스의 엔탈피 계산식, CHSS(100) 내 가스의 온도 및 압력 계산식이다.
상기 수학식 3에 기초하여 Hot case를 Real Case로 연결할 수 있다. 측정된 △P 에 기초하여 real case에서의 압력손실계수 KFL을 산출하고, 산출된 KFL을 상기 수학식 3에 기초하여 real case에서의 dFL을 산출할 수 있다.
도 5의 우측에 도시된 Real Case에서의 값들을 입력값으로 소정의 열역학적 모델(예, 심플 열역학적 모델)에 적용하여 출력값들을 산출하는데, 이때 산출되는 값에는 Real 수소탱크온도, Real SOC 값이 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, STM이 Hot case의 파라미터들을 입력하면 수소탱크(110)의 온도(Ttk) = 85℃ 와 SOC가 95%가 나오고 Real Case의 파라미터들을 입력하면 Real Case의 수소탱크(110)의 온도(Ttk) 와 SOC가 95%가 산출된다. 이때, 문제는 dFL은 가상의 파라미터이기 때문에 실제 공정에서 측정이 불가능하다. 그래서, 실측 가능한 파라미터로부터 가상의 파라미터값인 dFL 값을 계산하도록 다수의 가정과 정의를 설정한 바 있다.
상기 가정 2에 더하여 충전라인에서의 마찰에 의한 압력손실을 무시하면 충전라인에서 탱크로 들어가는 에너지 총량 Eti는 다음 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000049
이 Eti 식에 따르면 Eti는 충전라인 입구로 들어가는 수소가스의 온도 및 압력을 함수로 하는 hba와 가스 유속을 함수로 하는
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000050
에 의해 구할 수 있다. 여기에 상기 가정 1을 적용할 경우, 충전라인 입구로 들어가는 가스의 온도와 압력이 일정하다면 충전라인의 압력손실 값 변화는 충전라인 입구로 들어가는 수소가스 유속의 변화로 나타나게 된다. 또한, vba 및 KFL을 그 정의에 의하여 다음 수학식 5들과 같이 표현할 수 있고 최종적으로 dFL의 관계식을 유도할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000051
위의 식에 dFL,ref, KFL,ref를 적용하여 real case의 dFL을 계산할 수 있는 상기 수학식 3을 유도할 수 있다.
결과적으로 기준 상태 STM의 KFL,ref를 Maim 충전 개시 전 단계(initial pressure pulse 단계)에서 수소충전기(300)가 측정한 KFL로 변경해 주고, dFL,ref을 상기 수학식 3에 의해 계산한 dFL로 변경해 줌으로써 기준 상태 STM이 실제 상태 STM으로 변경되어 Real Case를 모사할 수 있게 된다.
본 발명에서는 STM의 구조를 단순화하기 위해 2개의 가정을 사용했다. 이들 가정의 타당성을 확인하기 위해서는 그것이 RTR-HFP의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 확인할 필요가 있다. STM의 가장 중요한 목표는 수소탱크(110)의 온도를 계산하는 것이다. 수학식 6은 시간 t에서의 수소탱크(110)의 수소가스의 온도를 계산하기 위한 식이다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000052
가정의 타당성을 확인하기 위해 수소탱크(110)의 온도 계산식인 수학식 6의 함수관계를 따져본다. 다음 수학식 7은 수소탱크(110)의 온도 계산식의 함수 관계를 표시한 것이다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000053
즉 수소탱크(110) 내 수소가스 온도는 수학식 7에서와 같이
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000054
를 함수로 하는 수학식에 의해 계산된다. 여기서,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000055
는 수소탱크(110)의 온도 (Ttk)및 수소탱크(110)의 압력 (Ptk)를 함수로 하는 변수이기 때문에 검토대상에서 제외할 수 있다. 상기 가정 2를 적용하기 전 상태의
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000056
계산식은 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000057
상기 수학식 1, 상기 수학식 7 및 상기 수학식 8를 분석해 보면 수소탱크(110)의 온도를 계산하는 계산식의 함수관계가 다음 수학식 9와 같이 된다는 것을 알 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000058
상기 수학식 9를 다시 SAE J2601에 적용한 경우와 기준 상태(Reference State) STM(가정 2 적용)에 적용한 경우로 나누어 표현하면 각각 다음 수학식들과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 수학식 10은 상기 수학식 9를 다시 SAE J2601에 적용한 경우에 수소탱크(110)의 온도의 함수 관계식을 나타낸 것이고, 수학식 11은 기준상태 STM(가정 2 적용)에 적용한 경우에 수소탱크(110)의 온도의 함수 관계식을 나타낸 것이다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000059
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000060
상기 수학식 10과 수학식 11을 비교를 통해 다음 수학식 12와 같은 관계가 성립한다는 것을 알 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000061
TB-HFP에서는
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000062
에서 Hot case 조건의 변수를 입력하여 모사 결과가 85 ℃와 SOC 95%가 나오도록 APRR 설정했다. 한편 STM에서는 Hot case 조건의 변수와 APRR을 입력하여 모사결과가 85 ℃와 SOC 95%가 나오도록 dFL,hot를 설정했다. STM을 탑재한 RTR-HFP에서는 실제 측정한
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000063
을 이용하여 비례식인 상기 수학식 3을 계산/적용함으로써 STM이 Real case를 모사할 수 있는 상태가 된다. 여기에 Real 변수를 입력하여 모사를 수행하면 Real case에 관한 수소탱크(110)의 온도 및 SOC를 산출할 수 있다. 그러나, 상기 수학식 12에서 확인된 바와 같이 TB-HFP에서 사용되는 룩업테이블을 이용하여 STM의 dFL,ref가 설정되었기 때문에, dFL,ref 값에는 dFL,hot를 값 뿐만 아니라 QFL,hot 값도 함께 포함되어 있다. 결과적으로 이러한 방식에 의해 설정된 dFL,ref 값을 STM에 적용하여 RTR-HFP를 구동할 경우 예상되는 오차는 다음과 같이 요약할 수 있다.
STM에 의한 모사를 통해 산출한 수소탱크(110)의 온도값(Ttk)이 실제보다 높게 될 것이므로, 도출된 prr 값은 적정 수준보다 작게 설정되어 충전소요 시간을 지연시키는 결과가 초래될 수 가능성이 있으나, 다음 단계 prr 도출시에는 모사에 의하여 산출된 수소탱크(110)의 온도값(Ttk)을 사용하지 않고 측정된 실제 수소탱크(110)의 온도값(Ttk) 값을 사용하여 모사를 수행하기 때문에 그 영향을 감소시킬 수 있다. 결과적으로 본 발명에서 도입한 2개의 가정으로 인해 RTR-HFP의 충전공정 제어의 안전에는 더욱 효과적이다.
상기 수학식 3에서와 같이 산출된 dFL(또는 dFLE)로 심플 열역학 모델(STM)의 입력값으로 사용되어, RTR-HFP의 수소충전 제어에 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 프로토콜에서적용할 열역학적 모델의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 심플 열역학적 모델에서는 초기 상태값, IR 수신기(260) 및 수소공급부(330)로부터 수신한 데이터를 이용하여 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000064
), 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000065
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000066
), 충전율(SOC)을 계산하고, 직전 최대값과 비교하여 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000067
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000068
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000069
)을 결정하는 기능을 한다. 도 3에서의 S4000 단계에서의 자세한 사항에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다.
S4100 단계
심플 열역학적 모델을 피팅(Fitting)하는 단계를 설명한다. 심플 열역학적 모델의 목표는 수소탱크 내 가스의 온도, 압력 및 질량유량이 미리 설정된 임계 값을 초과하지 않는 범위 내에서 최대의 압력상승률(prr)을 실시간으로 빨리 탐색해 내는 것이다. 따라서 심플 열역학적 모델에는 수소충전기에서 확인하는 것이 불가능한 구조적 변수 값이나 열역학적 변수 값은 반영대상에서 제외되어야 하고, 계산에 시간이 많이 소요되는 공정은 단순화되어야 한다. 그럼에도 불구하고 심플 열역학적 모델은 실제 수소충전 공정의 특성을 잘 모사할 수 있어야 한다.
이러한 요구조건을 충족할 수 있도록 하기 위하여 피팅(Fitting)이 필요하다. 여기에서는 이 피팅(Fitting) 요소로 수소 충전라인의 내경을 사용한다. 그리고, 피팅(Fitting)된 수소 충전라인의 내경에는 충전라인의 압력손실에 영향을 미치는 모든 영향요소가 포함되어 있다는 의미에서 상당내경(Equivalent inner-diameter)이라는 용어를 사용한다. 특정 조건에 해당하는 CHSS, 수소충전기, 데이터통신이동장치의 구조적 변수 값 및 열역학적 변수 값을 입력하여 충전을 모사할 경우 실제 충전 결과와 대등한 모사 결과값이 나오도록 충전라인 상당내경(DFLE)을 조정하는 방법으로 피팅(Fitting)은 이루어진다(DFLE = DFL).
여기에서 특정조건으로는 SAE J2601(2020)에서 제시하는 핫케이스(Hot case)가 될 수 있다. 이 경우 피팅(Fitting)은 수소탱크 용량(예, 2 kg, 4 kg, 7 kg, 10 kg) 별 및 대기온도별로 할 수 있다. 이렇게 피팅(Fitting)된 결과값을 기준 상당내경(DFLE,ref)이라 지칭한다. 기준 상당내경(DFLE,ref)은 다음 수학식 13에 기초하여 산출될 수 있다(S4100).
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000070
여기서, Kline,rate = Kline / Kline,ref 이다.
충전기제어부(310)는 수소충전기(300)의 수소공급압력을 설정할 수 있다. 수소충전기(300)에서 공급되는 수소의 압력을 설정하는 단계이다. 충전기제어부(310)는 수소충전기(300)의 수소공급압력값을 직전 시간 단계(-△t)(즉, t-1에서)의 수소공급압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000071
), 현재 단계의 압력상승률(prrk), 수소충전모사 시간 주기(△t)에 기초하여 산출할 수 있는데, 일 예로서 다음 수학식 14에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000072
여기서,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000073
는 시간 t에서 충전 라인을 통해 공급되는 수소의 공급압력인 수소공급압력값,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000074
는 직전 시간 단계(-△t)(즉, t-1에서)의 수소공급압력, prrk 는 현재 단계의 압력상승률과, △t는 수소충전모사 시간 주기 혹은 심플 열역학적 모델이 1회 계산을 수행하는 time interval이다.
S4200 단계
S4200단계는 수소이동장치(200)(혹은 충전라인)에서의 수소밀도값, 질량유량값에을 산출하는 사항에 대한 것이다. 충전기제어부(310)는 수소충전기(300)에서 공급되는 수소의 온도값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000075
), S4100에서 산출된 수소충전기(300)에서 공급되는 수소의 압력값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000076
), 수소탱크에서의 압력값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000077
)에 기초하여 수소이동장치(200)에서의 수소 밀도값 (
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000078
)을 산출할 수 있으며, 일 예로서 다음 수학식 15에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000079
충전기제어부(310)는 S4100에서 산출한 상당내경(DFLE) 및 수소공급압력값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000080
)를 이용하여 수소이동장치(200)의 수소유량인 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000081
)을 산출할 수 있다(S4300). 수소이동장치(200)의 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000082
)은 수학식 15에 기초하여 산출된 수소이동장치(200) 내의 수소 밀도값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000083
), 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000084
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000085
), 수소이동장치(200)의 압력손실계수(Kline)에 기초하여 산출될 수 있으며, 일 예로서 다음 수학식 16에 기초하여 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000086
수소충전기(300)에서 수소를 공급하는 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000087
)과 수소탱크(110)의 압력 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000088
)의 차이가 클수록, 압력손실계수(Kline)가 작을수록 수소이동장치(200)의 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000089
)은 증가하는 특성을 나타낸다.
S4300 단계
S4300 단계에서는 충전기제어부(310)가 수소공급부(330)로부터 공급되는 수소 밀도값, 엔탈피, 수소탱크(110)에 유입되는 수소 유입 속도, 수소탱크(110)에 유입되는 정체 엔탈피를 산출하는 것에 대한 것이다.
충전기제어부(310)는 수소탱크(110)로 유입되는 수소의 정체 엔탈피(Stagnation Enthalpy)를 산출할 수 있다(S4300). S4300은 수소탱크(110)로 유입되는 정체 엔탈피(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000090
)를 구하는 단계이다. 정체 엔탈피(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000091
)를 구하기 위해 수학식 8에 기초하여 산출할 필요가 있다.
충전기제어부(310)는 충전라인을 통해 수소공급부(330)가 공급하는 수소 밀도값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000092
), 충전라인을 통해 수소공급부(330)가 공급하는 엔탈피(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000093
)를 다음 수학식 17에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000094
도 수학식 17에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000095
수소탱크로 유입되는 정체 엔탈피(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000096
)는 충전라인을 통해 수소공급부(330)가 수소 공급하는 엔탈피(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000097
), 수소탱크(110)로 유입되는 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000098
), 병렬로 연결된 수소탱크(110)의 개수(Ntank), 충전라인 상당내경(DFLE), 충전라인을 통해 수소공급부(330)가 공급하는 수소 밀도값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000099
)에 기초하여 산출될 수 있다.
충전기제어부(310)는 상기 수학식 8에서 산출된 값에 기초하여 수소탱크(110)로 유입되는 수소의 정체 엔탈피(Stagnation Enthalpy)를 산출하되, 일 예로서 다음 수학식 18에 기초하여 수소의 정체 엔탈피를 산출할 수 있다(S4300).
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000100
정체 엔탈피 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000101
)은 병렬로 연결된 수소탱크(110)의 개수(Ntank)가 증가하면, 각 수소탱크(110)로 유입되는 수소의 유속이 감소하여 작아지고, 충전라인 상당내경(DFLE)이 감소하면 수소탱크(110)로 유입되는 수소의 유속이 증가하여 커지게 된다. 수학식 18을 참조하면, 정체 엔탈피 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000102
)은 유입되는 수소의 속도의 제곱에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000103
는 시각 t에서의 자동차 수소탱크의 열전달 에너지를 나타낸다.
S4400 단계
S4400 단계는 충전기제어부(310)가 수소탱크(110)에서의 수소질량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000104
), 수소탱크(110)로 유입되는 정적열용량값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000105
), 수소탱크(110) 내의 내부 에너지(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000106
), 수소탱크(110)의 온도 (
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000107
)를 산출하는 것에 대한 것이다.
충전기제어부(310)는 수소탱크(110) 내 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000108
)를 산출할 수 있다. 수소탱크(110) 내 온도는 수소탱크(110) 내의 내부에너지 변화값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000109
) 및 수소탱크(110) 내 수소의 정적열용량 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000110
)을 수학식 10에 대입하여 구할 수 있다. 정적열용량 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000111
), 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000112
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000113
)이 결정되어야 구할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에서는, 계산의 순서상 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000114
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000115
) 계산 전 단계에서 정적열용량 값(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000116
)을 계산해야 하기 때문에, 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000117
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000118
) 대신, 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000119
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000120
) 값을 적용하여 계산을 진행하였다. 결과적으로, 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000121
)는 실제보다 높게 나오겠지만 보수적인 결과로 귀결되기 때문에 안전상의 문제는 없다.
충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000122
)를 다음 수학식 19에 기초하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000123
S4500 단계
충전기제어부(310)는 수소탱크(110) 내 압력과 수소가 충전된 정도에 대응하는 충전율(State of Charge, SOC)을 산출할 수 있다. 압축수소의 경우 저장 효율성을 높이기 위해 수십 MPa로 압축되는데, 고압의 압축수소에 대해서는 이상기체 상태방정식을 적용하는 것이 불가능하다. 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000124
)을 구하기 위해서는, 수소의 압축계수를 알아야 하고, 단열팽창시 줄-톰슨 효과에 의해 온도가 상승하는 특성을 가진 수소의 정확한 압력 계산을 위해서는, 이러한 특성이 반영된 상태방정식을 사용하여 압축계수를 계산해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 수소의 상태방정식으로 특별히 개발된 이하 수학식 20 내지 수학식 22을 사용하였다. 수학식 20 내지 수학식 22에 따라 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000125
)과 충전율(SOC)을 구할 수 있다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000126
수학식 20은 시간 t에서의 수소탱크(110)에서의 압축계수에 해당한다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000127
여기서, R은 보편 기체 상수이며 표 1에 값이 정의되어 있다. 수학식 21는 시간 t에서의 수소탱크(110)에서의 압력값에 해당한다.
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000128
여기서
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000129
는 시간 t에서 수소탱크(110)에서의 가스 밀도를 나타내고,
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000130
는 상기 수학식 20, 상기 수학식 21에 기초하여 산출될 수 있다.
S4600 단계
충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 최대압력 및 최대온도와, 수소이동장치(200)의 최대수소유량에 대응하는 최대질량유량을 결정할 수 있다. 전 단계들에서 계산한 수소이동장치(200)의 질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000131
), 수소탱크(110)의 압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000132
), 수소탱크(110)의 온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000133
)를 직전 최대값과 비교하여 더 큰 값들을 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000134
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000135
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000136
)으로 결정한다(S4600).
수소충전 안전 기준에서는 수소충전 과정이 종료된 시점에서는 물론 충전 중에도 안전 임계값을 초과하지 못하도록 규제하고 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에서는 최대질량유량(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000137
), 최대수소탱크온도(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000138
), 최대수소탱크압력(
Figure PCTKR2021016541-appb-img-000139
)을 제어대상변수로 설정하였다.
상술한 단계들(S4100 내지 S4600)간의 순서는 예시일 뿐, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상술한 단계들(S4100 내지 S4600)간의 순서는 상호 변동될 수 있으며, 이중 일부 단계들은 동시에 실행되거나 삭제될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 실시간(real time)으로 압력상승률(PRR)을 계산하고 적용하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 수소충전기(300)에서 충전을 시작한다(S7100). 수소충전기(300)에서 충전라인에서의 초기 압력 pulse step에서 압력손실계수 (KFL) 를 측정 혹은 산출한다. 일 예로서, 압력손실계수값은 수소충전시작하면 수소가스 조금 유입시켜 주고 측정하여 산출하는 값이다. 온도와 압력을 이용하여 수소밀도를 산출하고, 수소가 유입되는 유속을 측정하는 등 상기 수학식 1 등에 의하여 수소충전기(300)에서 압력손실계수(KFL)를 산출할 수 있다.
수소충전기(300)는 산출된 압력손실계수 (KFL)을 상기 수학식 3을 이용하여 Real Case에 적용되는 dFL 값을 유도한다. 충전기제어부(310)는 수소공급부(330)로부터 충전라인에서의 초기 압력 pulse step에서 계산된 KFL, dFL 값을 수신할 수 있다(S7200). 충전기제어부(310)는 수신된 압력손실계수값(KFL) 및 충전라인 내경값(dFL)을 실제 케이스로 실시간 수소충전에 적용한다. 산출된 충전라인 내경값(dFL)이 실제 케이스에서의 수소공급호스(230)의 내경으로 모사(replication or copy)될 수 있다.
충전기제어부(310)는 수소공급부(330)로부터 수소충전기(300)가 공급하는 수소의 압력(Pba), 온도(Tba)에 관한 정보를 수신하여 초기 정보를 획득하고, CHSS(100)에서의 온도 센서 및 압력 센서로부터 수집되는 수소탱크(110)의 압력(Ptk), 온도(Ttk)에 대한 정보를 수신하여 초기정보를 획득할 수 있다(S7300). S7300에서는 실시간 데이터(real time data) 이용한다.
충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 2MPa) 보다 작은지 여부를 판단한다(S7400). 충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 2MPa) 보다 작은지 여부에 기초하여 소정의 열역학적 모델(예, 심플 열역학적 모델)을 적용할 지 여부를 결정할 수 있다. 만약, 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 압력값(수소탱크(110)의 그 값이 너무 높으면 열역학적 모델 구동의 안정성이 상실되는 특성과 그 값이 너무 낮으면 충전속도가 낮아지는 특성을 모두 고려하여 반복적 시뮬레이션을 통해 선정한 값)(예를 들어, 절대압력으로서 2MPa) 보다 작은 경우에는 심플 열역학적 모델을 적용하여 PRR을 산출하는 것이 오히려 시간이 더 많이 소요되므로 이때는 심플 열역학 모델을 적용하지 않고 고정 APRR(Fixed APRR)을 선택한다(S7600). 충전기제어부(310)는 충전기(300)가 고정 APRR에 따라 충전을 수행하도록 제어할 수 있다(S7700). 이와 달리, 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 절대압력으로서 2MPa) 보다 작지 않은 경우에는 심플 열역학적 모델을 적용하여 실시간으로 PRR을 산출한다(S7500). 충전기제어부(310)는 충전기(300)가 산출된 PRR에 따라 충전을 수행하도록 제어할 수 있다(S7700).
이후, 충전기제어부(310)는 충전율이 100보다 큰지 여부를 판단한다(S7800). 충전율(SOC)이 100보다 크면 충전을 종료시킨다(S7900). 이와 달리, 충전율이 100 이하이면 다시 S7300 단계로 돌아가서 이후 프로세스를 반복적으로 수행하게 된다.
이후, 충전기제어부(310)는 충전율이 100보다 큰지 여부를 판단한다(S7800). 충전율(SOC)이 100보다 크면 충전을 종료시킨다(S7900). 이와 달리, 충전율이 100 이하이면 다시 S7300 단계로 돌아가서 이후 프로세스를 반복적으로 수행하게 된다.
상술한 바와 같이, 실시간 대응 수소충전 프로토콜에서 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 2MPa) 보다 작은 지 여부에 따라 사전에 정의된 고정 APRR 값을 선택할 지 아니면 소정의 열역학적 모델에 적용하여 PRR을 산출 혹은 유도할지 여부를 결정할 수 있다. 즉, 실시간 대응 수소충전 프로토콜의 안정성(Stability)을 확보를 위해 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 2MPa) 보다 작은 경우에는 실시간으로 계산된 prr을 적용하지 않고 사전에 정의된(계산된) 고정 APRR(혹은 PRR)값을 선택하여 충전을 수행하는 것이다.
도 3의 S3230에서도 충전기제어부(310)는 수소탱크(110)의 압력(Ptk)이 미리 설정한 값(예를 들어, 5.1MPa) 보다 작은지 여부를 판단하는데 고정 prr을 수소탱크의 개수로 나눈 값을 prrnew로 결정하는데, 이 prrnew가 도 6에서의 선택되는 고정 APRR 값일 수 있다.
실시간으로 계산된 prr이 불연속적으로 증감하거나 심한 변동(Fluctuation)이 발생하는 문제를 해결하기 위해 prr 증감율을 제한하는 기법도 적용한다. 그리고 제어 오류로 인한 과충전을 방지하기 위해 잔여충전시간에 따라 계산되는 prr 상한을 적용하는 기법도 적용할 수 있다. 그 결과 Fig. 5에서 보는 바와 같이 CHSS 탱크의 초기 압력이 0 MPa인 경우(기존 HFP의 경우에는 초기 압력이 0.5 MPa 이상인 경우에만 충전 가능) 및 Fig. 6에서 보는 바와 같이 공급가스온도가 30 ℃이고 외기온도가 30 ℃인 경우에도 pre-cooling 없이 충전제어가 원활하게 진행되는 것으로 나타났다.
안전 제어를 목적으로 하는 수소충전 프로토콜의 경우에는 CHSS(100)가 고온, 고압 및 과대 질량유속에 의하여 손상되지 않도록 하는 로직 자체의 안전성능이 보장되어야 할 뿐만 아니라, 제어 시스템의 Integrity(무결성)도 보장되어야 한다. 이에 더하여 RTR-HFP는 실시간으로 수집되는 열역학적 변수를 충전공정 안전제어에 사용하기 때문에 그 변수를 측정하는 센서의 에러에 대한 Robustness(강건성)도 확실하게 보장되어야 한다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 통신기반 수소충전 방법은 기존의 SAE J2601에서 규정하는 수소충전 방법과 비교하여 다음과 같은 점에서 효과의 차이가 크다.
먼저, 기존의 SAE J2601에서 규정하는 수소충전은 수소탱크(110) 내의 온도를 precooling 을 한 상태(예를 들어, 섭씨 영하 17.5℃ 이하)에서만 가능하였다. 그렇지 않으면 수소탱크의 온도가 급격히 올라가 빠르게 85℃에 이르기 때문이었다. 그러나, 본 발명에 따른 수소충전 방법에 따르면 수소탱크(110)의 온도를 섭씨 30℃ 정도로 유지하여도 수소충전이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 수소탱크의 압력을 대기압 정도를 유지하여도 수소충전이 가능하게 되었다. 또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 온도 오류가 -5oC, 압력 오류도 +1.5MPa 가 있어도 수소충전이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 수소탱크의 capacity 제한 없이 적용가능하고, 압력 범위도 변경하기가 쉽고, flow rate 제한도 없는 등 다양하고 광범위하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소충전 방법은 실시간 통신기반으로 수소탱크의 온도, 압력 등을 고려하여 prr을 산출하여 수소충전함으로써 더 효율적으로 수소충전하여 정밀한 제어가 가능해지는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 대응 수소충전프로토콜에 따른 수소충전 프로세스를 수행하는 충전기제어부(310)는 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 실시간 대응 수소충전 제어 방법 및 이를 위한 장치는 수소충전 산업분야에서 이용이 가능하다.

Claims (20)

  1. 수소충전기에서의 실시간대응 수소충전 제어 방법에 있어서,
    실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델을 이용할 지 여부를 획득된 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정하는 단계; 및
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 제 1 압력상승률을 결정하고 상기 제 1 압력상승률을 상기 수소충전에 적용하거나,
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률을 상기 소정의 열역학적 모델에 적용한 후 상기 수소충전에 적용하는 단계를 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 정보를 포함하는 제 1 정보를 획득하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 압력상승률은 상기 미리 설정한 고정 압력상승률에 상기 수소탱크의 개수를 나눈 값으로 결정되는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 2 정보를 획득하는 단계;
    상기 수소탱크로의 공급을 위한 수소공급압력 및 수소공급온도에 대한 제 3 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보, 제 2 정보 및 제 3 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 산출하는 단계를 더 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 산출된 충전율이 미리 설정된 충전율 보다 작지 않으면 각 차이를 산출하는 단계를 더 포함하되,
    상기 각 차이는,
    상기 산출된 최대질량유량과 질량유량과 관련된 제 1 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 1 차이, 상기 산출된 최대수소탱크온도와 상기 수소탱크 온도와 관련된 제 2 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 2 차이 및 상기 산출된 최대수소탱크압력과 상기 수소탱크 압력과 관련된 제 3 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 3 차이를 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 증가, 감소 혹은 유지할 지 여부를 상기 각 차이에 기초하여 결정하는 단계를 더 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 미리 설정된 충전율은 100인, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 미리 설정한 압력은 상기 소정의 열역학적 모델의 구동 안정성과 관련된 압력에 해당하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 각 차이 중 어느 하나가 음수이면, 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 감소시키는 단계; 및
    상기 소정의 열역학 모델을 이용하여 상기 산출된 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도, 상기 최대수소탱크압력 및 상기 SOC를 재산출하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출되는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 중 어느 하나가 미리 설정된 값 이하이면 상기 제 2 압력상승률을 새로운 압력상승률로 결정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출되는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 모두가 미리 설정된 값 이하가 아니면 상기 제 2 압력상승률을 증가시켜서 새로운 압력상승률을 결정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출되는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  11. 제 3항에 있어서,
    소정 시간 이후에 실시간 상기 수소탱크의 온도, 실시간 수소탱크의 압력 및 실시간 충전율(SOC)에 대한 제 4 정보를 획득하는 단계;
    상기 소정 시간 이후에 상기 수소탱크로의 공급을 위한 실시간 수소공급압력 및 실시간 수소공급온도에 대한 제 5 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보, 제 4 정보 및 제 5 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 재산출하는 단계를 더 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어 방법.
  12. 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)에서 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 방법에 있어서,
    상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 1 정보를 전송하는 단계;
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 수소충전기에서의 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 결정된 제 1 고정 압력상승률로 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하거나,
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 상기 수소충전기에서 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률이 증가, 감소 혹은 유지된 상태에 따라 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하는 단계를 포함하는, 실시간 대응 수소충전 제어에 따른 수소를 공급받는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 수소탱크의 온도 및 상기 수소탱크의 압력을 측정하는 단계; 및
    상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 제 2 정보를 전송하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제 1 정보는 소정 주기로 실시간 값으로 전송되는 값이며,
    상기 제 2 정보는 수소충전 시 1회 전송되는, 실시간 대응 수소충전 제어에 따른 수소를 공급받는 방법.
  14. 실시간대응 수소충전 제어를 위한 수소충전기에 있어서,
    압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)으로 수소를 공급하도록 구성된 수소공급부; 및
    상기 수소공급부로 수소를 공급하기 위하여 실시간대응 수소충전을 위한 소정의 열역학 모델을 이용할 지 여부를 획득된 수소탱크의 압력이 미리 설정한 압력 보다 작은지 여부에 기초하여 결정하고,
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 제 1 압력상승률을 결정하고 상기 제 1 압력상승률을 상기 수소충전에 적용하거나,
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률을 상기 소정의 열역학적 모델에 적용한 후 상기 수소충전에 적용하도록 구성된(configured) 충전기제어부를 포함하는, 수소충전기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 충전기제어부는 상기 수소탱크의 온도, 압력 및 충전율(SOC)에 대한 제 제 1 정보 및 상기 수소탱크로의 공급을 위한 수소공급압력 및 수소공급온도에 대한 제 2 정보를 획득하도록 구성되고,
    상기 충전기제어부는 상기 결정에 기초하여 상기 획득한 제 1 정보 및 제 2 정보를 상기 소정의 열역학 모델에 적용하여 최대질량유량, 최대수소탱크온도, 최대수소탱크압력 및 충전율을 산출하도록 구성되는, 수소충전기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 충전기제어부는 상기 산출된 충전율이 미리 설정된 충전율 보다 작지 않으면 각 차이를 산출하도록 구성되며,
    상기 각 차이는,
    상기 산출된 최대질량유량과 질량유량과 관련된 제 1 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 1 차이, 상기 산출된 최대수소탱크온도와 상기 수소탱크 온도와 관련된 제 2 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 2 차이 및 상기 산출된 최대수소탱크압력과 상기 수소탱크 압력과 관련된 제 3 안전 임계값과의 차이에 해당하는 제 3 차이를 포함하는, 수소충전기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 충전기제어부는 상기 최대질량유량, 상기 최대수소탱크온도 및 상기 최대수소탱크압력이 산출될 때 적용된 상기 제 2 압력상승률을 증가, 감소 혹은 유지할 지 여부를 상기 각 차이에 기초하여 결정하도록 구성되는, 수소충전기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 충전기제어부는, 상기 각 차이가 모두 양수이며 상기 각 차이 모두가 미리 설정된 값 이하가 아니면 상기 제 2 압력상승률을 증가시켜서 새로운 압력상승률을 결정하도록 구성되고,
    상기 제 1 차이는 제 1 안전 임계값에서 상기 산출된 최대질량유량을 차감함으로써 산출되고, 상기 제 2 차이는 제 2 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크온도를 차감함으로써 산출되며, 상기 제 3 차이는 제 3 안전 임계값에서 상기 산출된 최대수소탱크압력을 차감함으로써 산출되는, 수소충전기.
  19. 수소충전기로부터 실시간대응 수소충전 제어에 따라 수소를 공급받는 압축수소저장시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS)에 있어서,
    수소탱크의 온도 및 압력에 대한 제 1 정보를 전송하도록 구성된 송신부; 및
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작으면 상기 수소충전기에서의 소정의 열역학 모델을 이용함이 없이 미리 설정된 고정 압력상승률에 기초하여 결정된 제 1 고정 압력상승률로 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하거나,
    상기 수소탱크의 압력이 상기 미리 설정한 압력 보다 작지 않으면 상기 수소충전기에서 초기 압력상승률로 설정된 제 2 압력상승률이 증가, 감소 혹은 유지된 상태에 따라 상기 수소충전기로부터 공급된 수소를 저장하는 수소탱크를 포함하는, 압축수소저장시스템.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 송신부는 상기 수소탱크의 개수 및 상기 수소탱크의 부피에 대한 제 2 정보를 더 전송하도록 구성되되,
    상기 송신부는 상기 제 1 정보를 소정 주기로 실시간 값으로 전송하고 상기 제 2 정보는 수소충전 시 1회 전송하도록 구성되는, 압축수소저장시스템.
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