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KR100992654B1 - 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법 Download PDF

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KR100992654B1
KR100992654B1 KR1020080117744A KR20080117744A KR100992654B1 KR 100992654 B1 KR100992654 B1 KR 100992654B1 KR 1020080117744 A KR1020080117744 A KR 1020080117744A KR 20080117744 A KR20080117744 A KR 20080117744A KR 100992654 B1 KR100992654 B1 KR 100992654B1
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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 관한 것으로서, 수퍼캡 전압 및 모터 전류, 그리고 스택 전압 및 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 온/오프를 적절히 제어해줌으로써, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고, 공기블로워 오프 중 차량 가속시 응답성을 확보할 수 있는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 관한 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 수퍼캡을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 맵에 기반하여 수퍼캡 전압과 모터 전류에 따라 공기블로워의 온/오프 시점을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법이 개시된다. 또한 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 수퍼캡을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 맵에 기반하여 스택 전압과 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 온/오프 시점을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법이 개시된다.
연료전지, 수퍼캡, 하이브리드, 공기블로워, 전압 제어, 상한 전압

Description

연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법{Air bolwer on/off control method of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고 공기블로워의 오프 중 차량 가속 응답성을 확보할 수 있는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
상기와 같은 연료전지를 탑재한 차량으로서, 소형 차량뿐만 아니라 버스 등 의 대형 차량에서 주동력원인 연료전지 외에 모터 구동에 필요한 파워를 제공하기 위한 별도 동력원으로 고전압 배터리 또는 슈퍼캐패시터(수퍼캡)를 탑재한 연료전지-배터리, 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량이 개발되고 있다.
특히, 전력 변환기를 사용하지 않는 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량이 연구되고 있는데, 연료전지-수퍼캡 직결형 하이브리드 차량은 연비 우수(회생제동 大, 수퍼캡 자체 효율 高, 전력변환기 無), 연료전지 내구 증대, 제어신뢰성 우수(자동 파워어시스트, 자동 회생제동 기능) 등의 장점을 가진다.
상기와 같이 연료전지와 수퍼캡이 직결된 하이브리드 차량에서는 연료전지에서 일정한 전력을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 수퍼캡을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 수퍼캡에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.
첨부한 도 1은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 구조를 나타낸 도면이다. 여기서, 도면부호 10은 연료전지를, 도면부호 20과 21은 수퍼캡과 수퍼캡 초기충전장치를 각각 나타내고, 도면부호 30은 공기블로워를 나타낸다.
한편, 첨부한 도 2는 연료전지 스택의 상한 전압을 낮추었을 때 성능 저하율을 비교하여 나타낸 것으로, 시험 조건으로 스택 상한 전압을 OCV[약 1.0V], 0.95V, 0.9V, 0.85V로 제어하여 시험한 결과이다. 이에 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택의 상한 전압이 낮을수록 시간에 따른 연료전지 성능의 저하가 개선되며, 공기블로워의 오프 구간에서 회생제동 에너지의 회수율은 증대된다.
또한 첨부한 도 3은 공기블로워의 온/오프 제어 맵(map)을 나타낸 도면으로, 수퍼캡 전압이 V1 이상일 때 연료전지 시스템의 공기블로워를 오프(off) 시키고, 수퍼캡은 연료전지 스택의 전압 상승을 억제하게 된다. 이때 수퍼캡 에너지만으로 주행을 하며, 회생제동 에너지 회수율은 증가한다.
또한 수퍼캡 전압이 V2 이하시에는 공기블로워를 온(on) 시키고, 이때 연료전지 스택의 전압이 상승하면서 에너지를 차량에 공급하게 된다. 이때 차량 감속시에는 수퍼캡의 충전으로 수퍼캡 전압이 상승하여 V1 이상이 될 때 다시 연료전지 시스템의 공기블로워가 오프된다.
그러나, 종래에는 다음과 같은 문제점이 있었다.
- 연료전지 스택의 목표 상한 전압을 과다하게 초과한다(20 ~ 30 V 이상).
수퍼캡 전압이 V1 이하이면서 공기블로워의 온(on) 시에 과다한 회생제동 발생시에는 공기블로워의 오프 직후에도 수퍼캡에 의한 연료전지 스택의 전압 상승 억제가 어려워진다.
- 공기블로워 오프 중 차량 최대 가속시 응답성이 느리다.
공기블로워의 오프시에 수퍼캡 전압이 V2보다 약간 높은 경우(0 ~ 20 V) 차량 최대 가속시에는 차량의 가속 응답성이 느리다. 또한 공기블로워가 온(on) 되더라도 연료전지 시스템이 정상적으로 동작하는 데는 약 1 ~ 2초 간의 시간이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고, 공기블로워의 오프 중 차량 가속 응답성을 확보할 수 있는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 있어서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 수퍼캡을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 맵에 기반하여 수퍼캡 전압과 모터 전류에 따라 공기블로워의 온/오프 시점을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법을 제공한다.
여기서, 상기 맵은 모터 입력전류가 0 A일 때 수퍼캡 전압 > V1시에 공기블로워를 오프(off) 하고 수퍼캡 전압 < V2시에는 공기블로워를 온(on) 하며, 모터 입력전류가 0 A보다 클 때는 차량 가속시에 모터 입력전류가 높을수록 보다 높은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 온 시키도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법.
또한 상기 맵은 모터 입력전류가 0 A보다 작을 때 차량 제동시 모터 회생전류가 클수록 보다 낮은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 오프 하도록 설정된 것을 특 징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 있어서, 주동력원인 연료전지와 보조동력원인 수퍼캡을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 맵에 기반하여 스택 전압과 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 온/오프 시점을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법을 제공한다.
여기서, 상기 맵은 스택 전압 하강률이 높을수록 보다 높은 스택 전압에서 공기블로워를 온 시키도록 설정된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 맵은 스택 전압 상승률이 높을수록 보다 낮은 스택 전압에서 공기블로워를 오프 시키도록 설정된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 의하면, 수퍼캡 전압 및 모터 전류, 그리고 스택 전압 및 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 온/오프를 적절히 제어해줌으로써, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고, 공기블로워 오프 중 차량 가속시 응답성을 확보할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고, 공기블로워의 오프 중 차량 가속 응답성을 확보할 수 있는 연료전지-수퍼캡 하이브리드 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 관한 것이다.
첨부한 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기블로워의 온/오프 제어 맵을 나타낸 도면으로, 공기블로워의 온/오프 제어방법을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 스택 상한 전압의 제어를 위해 수퍼캡 전압 및 모터 전류에 따른 공기블로워의 온/오프 제어가 이루어진다.
도 4를 참조하여 설명하면, 모터 입력전류가 0 A일 때, 수퍼캡 전압 > V1시에 공기블로워를 오프(off) 하고 수퍼캡 전압 < V2시에 공기블로워를 온(on) 한다.
여기서, V1은 스택 내구성 증대를 위한 수퍼캡 전압 상한치를 나타내고, V2는 공기블로워 재기동시 응답성을 고려한 수퍼캡 전압 하한치를 나타낸다.
그리고, 모터 입력전류가 0 A보다 클 때에는, 맵을 참조하여 모터 입력전류에 따라 공기블로워의 온(on) 시점을 가변하되, 차량 가속시에 모터 입력전류가 높을수록 보다 높은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 온 시킨다.
즉,모터 입력전류가 높을수록 수퍼캡 전압이 높은 쪽에서 공기블로워를 온 시킨다.
반면, 모터 입력전류가 0 A보다 작을 때는, 모터 입력전류에 따라 공기블로워의 오프 시점을 가변하되, 차량 제동시 모터 회생전류가 클수록 보다 낮은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 오프 시킨다.
즉, 모터 회생전류가 클수록 수퍼캡 전압이 낮은 쪽에서 공기블로워를 오프 시킨다.
상기와 같이 수퍼캡 전압 및 모터 전류에 따라 공기블로워의 온/오프를 적절히 제어해주게 되면 다음과 같은 장점이 있게 된다.
우선, 차량 제동시 모터 회생전류가 클수록 보다 낮은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 오프 함으로써, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화(10 V 이내)할 수 있게 된다.
또한 차량 가속시 모터 입력전류가 높을수록 보다 높은 수퍼캡 전압에서 공기블로워를 온 시킴으로써, 공기블로워 오프 중 차량 가속시 응답성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 첨부한 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기블로워의 온/오프 제어 맵을 나타낸 도면으로, 공기블로워의 온/오프 제어방법을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 스택 상한 전압의 제어를 위해 스택 전압 및 스택 전압 상승률(하강률)에 따른 공기블로워의 온/오프 제어가 이루어진다.
도 5를 참조하여 설명하면, 스택 전압 하강률에 따라 공기블로워의 온(on) 시점을 가변하되, 스택 전압 하강률이 높을수록 보다 높은 스택 전압에서 공기블로워를 온 시킨다.
반면, 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 오프(off) 시점을 가변하되, 스택 전압 상승률이 높을수록 보다 낮은 스택 전압에서 공기블로워를 오프 시킨다.
상기와 같이 스택 전압 및 스택 전압 상승률(하강률)에 따라 공기블로워의 온/오프를 적절히 제어해주게 되면 다음과 같은 장점이 있게 된다.
우선, 스택 전압 상승률이 높을수록 낮은 스택 전압에서 공기블로워를 오프 시킴으로써, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화(10 V 이내)할 수 있게 된다.
또한 스택 전압 하강률이 높을수록 높은 스택 전압에서 공기블로워를 온 시 킴으로써, 공기블로워 오프 중 차량 가속시 응답성을 확보할 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 공기블로워의 온/오프 제어방법에 의하면, 수퍼캡 전압 및 모터 전류, 그리고 스택 전압 및 스택 전압 상승률에 따라 공기블로워의 온/오프를 적절히 제어해줌으로써, 연료전지 스택의 전압이 스택 목표 상한 전압을 초과하는 것을 최소화할 수 있고, 공기블로워 오프 중 차량 가속시 응답성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 연료전지-수퍼캡 하이브리드 시스템의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 연료전지 스택의 상한 전압을 낮추었을 때 성능 저하율을 비교하여 나타낸 도면,
도 3은 종래기술에 따른 공기블로워의 온/오프 제어 맵을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기블로워의 온/오프 제어 맵을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기블로워의 온/오프 제어 맵을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지(스택) 20 : 수퍼캡
21 : 수퍼캡 초기충전장치 30 : 공기블로워

Claims (6)

  1. 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법에 있어서,
    주동력원인 연료전지와 보조동력원인 수퍼캡을 구비한 연료전지 하이브리드 차량에서 맵에 기반하여 수퍼캡 전압과 모터 전류에 따라 공기블로워의 온/오프 시점을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 맵은 모터 입력전류가 0 A일 때 수퍼캡 전압 > V1(수퍼캡 전압 상한치)시에 공기블로워를 오프(off) 하고 수퍼캡 전압 < V2(수퍼캡 전압 하한치)시에는 공기블로워를 온(on) 하며, 모터 입력전류가 0 A보다 클 때는 차량 가속시에 모터 입력전류가 높을수록 수퍼캡 전압이 높은 쪽에서 공기블로워를 온 시키도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 맵은 모터 입력전류가 0 A보다 작을 때 차량 제동시 모터 회생전류가 클수록 수퍼캡 전압이 낮은 쪽에서 공기블로워를 오프 하도록 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 공기블로워 온/오프 제어방법.
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