KR20050085927A

KR20050085927A - 연료 전지 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20050085927A
Application number: KR1020057012274A
Authority: KR
Inventors: 다케시 아소
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-08-29
Also published as: EP1565956A1; JP2004342461A; US20060088738A1; CN1717832A; WO2004102720A1

Abstract

연료(Fg)를 공급하는 연료 공급기(3), 산화제(Og)를 공급하는 공기 공급기(3), 공급된 연료와 산화제로 전력을 발생시키는 연료 전지의 스택(1), 전력 충방전을 행하는 2차 전지로서의 배터리(7), 및 스택으로부터 메인 부하(5)에 전력을 분배하고, 스택으로부터 배터리에 및 배터리로부터 부하에 전력을 분배하는 전력 분배기(4)를 구비하는 연료 전지 시스템의 통상 제어(CP) 중에, 스택과 배터리 예열에 의해 기동 후에, 제어기(8)는 전력의 가능 발전량(Gp)이 감소될 때 스택의 온도(Ts)를 상승시키고, 전력의 가능 충전량(Cp) 또는 전력의 가능 방전량(Dp)이 감소될 때 배터리의 온도(Tb)를 상승시키는 기능을 하여, 계속적인 저출력 상태 하에서도 부하에 안정적인 전력 공급을 유지한다.

Description

연료 전지 시스템 및 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD}

본 발명은 연료 전지 시스템 및 관련 제어 방법에 관한 것으로, 특히 차량용 구동 모터 및 연료 전지 스택(stack)의 보조장치(peripherals)를 포함하는 전기 부하의 세트에 전력 공급하기 위한 차량(연료 전지 자동차 또는 기차)에 장착될 연료 전지 시스템, 및 관련 제어 방법에 관한 것이다.

일본 특허 공개 평9-231991호 공보에는 구동 모터 및 스택 보조장치를 포함하는 전기적인 부하의 세트에 정상적으로 전력을 공급하기 위한 연료 전지 시스템의 기술이 개시되어 있다.

단지 감소된 발전만이 가능한 저온 조건 하에서 연료 전지 스택에 대한 과도한 전력의 요구에 대처하기 위해, 연료 전지 시스템은 충전된 배터리(2차 전지)의 전력을 모터에 공급하여, 저전류로 구동 가능한 부하 및 보조장치에 간단하게 전력을 공급하기 위해 저출력 발전용 스택을 제어하는데 적합하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료 전지 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 상세한 블록도이다.

도 3은 도 1의 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 제어 프로세스의 플로우차트이다.

도 4는 도 1의 연료 전지 시스템의 배터리의 제어 프로세스의 플로우차트이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 연료 전지 시스템을 갖는 연료 전지 차량의 종단면도이다.

도 6은 도 5의 연료 전지 시스템의 배터리의 제어 프로세스의 플로우차트이다.

도 7은 도 5의 연료 전지 시스템의 배터리의 다른 제어 프로세스의 플로우차트이다.

그러나, 스택이 저온 조건을 갖는 대부분의 상황에서는, 배터리는 충방전시에 성능이 저하된 저온 조건을 가질 수도 있다. 배터리에 저장된 에너지는 제한되어 있어 모터에 충분한 전력을 공급하지 못할 수도 있다.

예를 들면, 예열(warm-up) 완료 후에 연료 전지 차량에서, 차량이 주차되거나 추운 날씨에 저속으로 운행함에 따라, 배터리 뿐만 아니라 스택도 온도 강하를 경험할 수 있다. 또한, 스택에서의 발전량이 예열 중에 낮게 제어되어, 예열 시간이 장시간이 될 가능성도 있다.

스택 및 배터리가 예열된 상태로 운행 시에도, 모터는 저전력을 필요로 하여 스택이 저출력을 출력하도록 요구할 수 있다. 배터리에 있어서도, 요구되는 출력이 낮을 수 있다. 그러한 요구는 외부의 온도가 낮은 경우에도 유지될 수 있다. 따라서, 스택 및/또는 배터리는 그로부터의 사용 가능한 출력의 감소에 맞추어 점진적으로 저하된 온도를 가질 수 있다.

본 발명은 그러한 관점에서 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 시스템의 기동 완료 후에 저출력 상태가 유지되더라도, 연료 전지 및 2차 전지가 각각 관련 부하의 세트에 전력을 안정적으로 공급하는데 각각 적합하게 될 수 있게 하는 연료 전지 시스템 및 관련 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지, 연료 전지에 접속되는 전력 분배기, 및 전력 분배기에 접속되는 2차 전지의 조합과, 전력 분배기에 접속되는 부하 세트와, 연료 전지의 기동 완료 및 2차 전지 예열 후에 전력 분배기로부터 부하 세트에 전력을 분배하는 동안, 연료 전지가 제1 서비스 기준을 충족하지 못할 때 연료 전지의 온도를 상승시키고, 2차 전지가 제2 서비스 기준을 충족하지 못할 때 2차 전지의 온도를 상승시키는 제어기를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료 전지, 연료 전지에 접속되는 전력 분배기, 및 전력 분배기에 접속되는 2차 전지의 조합과, 전력 분배기에 접속되는 부하 세트를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공되며, 이 제어 방법은 연료 전지가 제1 서비스 기준을 충족하지 못할 때 연료 전지의 온도를 상승시키고, 2차 전지가 제2 서비스 기준을 충족하지 못할 때 2차 전지의 온도를 상승시키는 공정을 포함한다.

본 발명의 상기 및 다른 목적 및 특징뿐만 아니라 기능 및 효과는 첨부하는 도면과 관련하여 기재된 본 발명의 실시하는 최상의 모드로부터 명백해질 것이다.

이하 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 동일한 요소는 동일한 도면 참조부호로 표시한다.

제1 실시예

이하 도 1 내지 도 4 및 종종 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따르는 연료 전지 시스템(FS)을 설명한다.

(연료 전지 시스템)

도 1은 연료 전지 시스템(FS)의 블록도이고, 도 2는 주요 회로를 구비하는 연료 전지 시스템(FS)의 상세도이다. 도 5는 제1 실시예의 연료 전지 시스템(FS)과 후술하는 추가의 요소(예컨대, 배터리 챔버 공기 냉각 팬(72) 및 공기 복귀 밸브(74))의 조합으로 구성되는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 연료 전지 시스템(FSr)이 장착된 연료 전지 차량의 종단면도이다.

연료 전지 시스템(FS)은 수소 공급기(2)(도 1)로부터 공급되는 가스 연료(Fg)(도 1, 도 2)와 공기 공급기(3)(도 1)로부터 공급되는 가스 산화제(Og)(도 1, 도 2)로 전력을 생성 및 공급하도록 구성된 전원으로서의 연료 전지 스택(1)(도 1, 도 2, 도 5)을 갖는다.

연료 전지 시스템(FS)은 연료 전지 전력 공급 모터 구동 자동차와 같은 차량(V)(도 5)에 장착되고, 연료 전지 스택(1)은 통상적으로 전력 공급 라인(SL)(도 1, 도 2)을 통해 관련 전기 부하의 전체 세트(WL)(도 1)에 충분한 전력을 공급하기에 적합하다. 전체 부하 세트(WL)는:

시스템(FS)의 내부 부하들(이하 "내부 부하"로 통칭한다)(IL)(도 1, 도 2)로서의 스택 보조장치들의 세트(예컨대, 도 1∼2의 수소 공급기(2), 공기 공급기(3), 냉각제 또는 가열 매체(이하 간단히 "냉각제"라 한다)(Wc)의 재순환 라인(L4), 도시되지 않은 순수한 물 공급 라인, 전력 분배기(4) 및 시스템 제어기(8)); 및

시스템(FS)에 대하여 외부 부하들(이하 "외부 부하"로 통칭한다)(EL)(도 1, 도 2)로서의 차량 구성요소들의 세트(예컨대, 도 5의 메인 부하로서의 구동 모터(5) 및 도 1∼2의 히터(6), 및 도 5의 에어 컨디셔너(65))로 분류된다.

내부 부하(IL) 및 일부 외부 부하들(예컨대, 히터(6)와, 라디에이터 및 팬을 갖는 에어 컨디셔너(65))은 스택(1)의 동작을 지원하는 기능을 하고, 이들은 여기에서 사용되는 바와 같이, "보조 기기"라고 종종 지칭한다. 히터(6)는 재순환 라인(L4)의 냉각제(Wc)를 가열하는데 사용되고, 내부 부하(IL)를 구성할 수도 있다. 보조 기기는:

주요하거나 비교적 가변적인 내부 부하(즉, 도 2의 에어 컴프레셔(15))로서 작동하는 제1 유형;

부차적이거나 비교적 불변적인 내부 부하(즉, 에어 컴프레셔(15)를 제외한 내부 부하 예컨대, 냉각제(Wc)용 펌프(16), 라디에이터(18)의 냉각 팬(19), 분배기(4)내의 인버터)로서 작동하는 제2 유형;

스택(1)에 열 공급하는 외부 부하(즉, 히터(6))로서 작동하는 제3 유형; 및

배터리(7)에 열 공급하는 외부 부하(즉, 에어 컨디셔너(65))로서 작동하는 제4 유형으로 분류된다.

외부 부하(EL)는:

이 실시예에 속해 있는 것으로 간주하지만 차량(V)을 구동시키는 구동 모터(도 5의 모터 케이싱(50)에 설치됨) 이외의 것도 부가적으로 커버할 수 있는 메인 또는 큰 영향을 주는 부하(이하 간단히 "부하"라고 한다)(5)(도 1, 도 2);

보조 기기의 일부를 구성하는 스택 또는 배터리 가열 요소(즉, 히터(6) 및 에어 컨디셔너(65))의 세트; 및

외부 부하(EL)의 일부로서의, 각종의 전력 소비 요소의 세트로 분류된다.

스택(1)은 층으로 이루어진 단위 셀 및 프레임 부재로서의 셀 세퍼레이터의 적층이다. 각 단위 셀은 인접하는 세퍼레이터 사이에 막 전극 접합체(MEA: membranous electrode assembly)로 형성되고, 한쌍의 대향하는 수소 및 공기 전극(1a, 1b)(도 2)과, 이들 전극(1a, 1b) 사이에 배치되는 고체 고중합체 전해질 박막(1c)으로 구성된다.

발전을 위해, 수소 전극(1a)에 연료(Fg)로서 건조 또는 습윤의 수소 가스가 공급되고, 공기 전극(1b)에 산화제(Og)로서 건조 또는 습윤의 산소 함유 공기가 공급된다. 각 전극(1a, 1b)은 각 셀 세퍼레이터내의 냉각제 유로(1d)(도 2)의 네트워크에 공급되는 냉각제(Wc)(도 2)로서의 물에 의해 필요시에 냉각(또는 가열)될 수 있다.

스택(1)의 외부 접속을 위해, 각 전극(1a 또는 1b)(뿐만 아니라 임의의 관련 유로 또는 검출 신호 도체)은 도 2에 도시된 바와 같이, 공통(병렬 접속의 경우), 단자(직렬 접속의 경우), 또는 대표(신호의 경우) 접속, 예를 들어:

(단자) 애노드 접속(1f) 및 (단자) 캐소드 접속(1g);

(대표) 온도 신호 접속(1h); 및

(공통) 연료 공급 접속(1p), (공통) 공기 공급 접속(1q), (공통) 냉각제 공급 접속(1r), (공통) 미사용 연료 수집 접속(1s), (공통) 폐공기 수집 접속(1t), 및 (공통) 냉각제 수집 접속(1u)에 의해 접속되고 참조한다.

수소 공급기(2)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 탱크(11)에 접속되고 수소 압력 제어 밸브(12)를 갖는 수소 공급 라인(L1)과, 압력 제어 밸브(12) 하류에 설치된 배출기(13)의 세트를 포함한다. 압력 제어 밸브(12)는 시스템 제어기(8)(도 1, 도 2)로부터의 유체 제어 명령의 세트(이하 "유체 제어 명령"으로 통칭하거나 간단히 "명령"이라고 한다)(CTf)의 대응하는 명령에 의해 제어되는 개구 조절기로서의 밸브 액추에이터(14)를 갖는다. 배출기 세트(13)는 유체 제어 명령(CTf)에 의해 제어될 수도 있다.

탱크(11)에 저장되어 있는 고압 수소 가스는, 공급 라인(L1)을 따라, 압력이 제어되는 제어 밸브(12)를 경유하고, 수소 수집 접속(1s)으로부터 복귀 라인(L2)(도 2)을 통하여 복귀하는 미사용 수소와 동반하는 배출기 세트(13)를 경유하여, 각 수소 전극(1a)에 연료(Fg)로서 공급된다. 미사용 연료 수집 접속(1s)은 필요시에 스택(1)의 수소 퍼지를 행하도록 유체 제어 명령(CTf)에 의해 제어되는 퍼지 밸브(도시 생략)를 갖는다.

공기 공급기(3)는 도 2에 도시된 바와 같이, 압축 공기를 전달하기 위해 대기 공기의 압축에 적합한 에어 컴프레셔(15)에 접속되는 공기 공급 라인(L3)을 포함한다. 이러한 공기는 제어된 압력 하에 제어된 흐름 속도로 각 공기 전극(1b)에 산화제(Og)로서 공급되며, 이를 위해 유체 제어 명령(CTf)이 모터 rpm(분당 회전수) 및 컴프레셔(15)의 토크를 제어한다. 공기 수집 접속(1t)은 유체 제어 명령(CTf)에 의해 제어될 수도 있는 개구를 구비한 공기 압력 제어 밸브(도시 생략)를 갖는다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스택(1)에는 스택(1)을 통해 냉각제(Wc)를 재순환시키는 냉각제 재순환 라인(L4)이 제공된다. 이 재순환 라인(L4)은 냉각제 재순환 펌프(16), 냉각팬(19)을 갖는 라디에이터(18), 및 바이패스 경로에 진입하도록 라디에이터(18)를 바이패스시키도록 동작 가능한 3포트 밸브(17)를 포함하고, 여기에서 냉각제(Wc)는 히터(6)에 의해 직접 또는 간접적으로 가열될 수 있다. 유체 제어 명령(CTf)은 펌프(16)의 온-오프 스위칭 및 전달 흐름과 압력 뿐만 아니라 밸브(17)의 포트 선택 및 팬(19)의 rpm을 제어함으로써, 냉각제(Wc)의 온도를 조정한다.

상기 언급한 4개의 유체 라인(L1 내지 L4)은 모두 스택(1)과 결합되고, 공급 메인, 전자기 셧오프 및 안전 밸브와 같은 자신의 라인 밸브와, 유체 제어 명령(CTf)에 의해 제어될 수도 있는 각종 라인 제어들을 구비할 수 있다. 스택(1)은 명령 CT1 ⊃ 명령 CTf가 되도록 스택 보조장치 제어 명령(이하 "보조장치 제어 명령"으로 통칭하거나 간단히 "명령"이라고 한다)(CT1)(도 2)의 세트에 의해 개별적으로 제어 가능한 자체의 보조장치(4개의 유체 라인(L1 내지 L4)을 포함)를 갖는다.

연료 전지 시스템(FS)은 전기 에너지 저장을 위한 2차 전지로서 또는 전기 에너지 축적을 위한 어큐뮬레이터로서의 배터리(7); 및 스택(1)의 전력 공급 라인(SL)내에 설치되어 제어기(8)로부터의 분배기 제어 명령(CT2)(도 2)에 의해 전반적으로 제어되는 전력 분배기(4)(도 1, 도 2)의 조합을 포함한다. 전기 에너지는 전력의 시적분과 등가이다. 스택(1)으로부터의 전력 공급이 분배하기에 불충분하면, 분배기(4)는 배터리(7)가 방전되게 하여 저장된 에너지를 추출한다.

분배기(4)와 배터리(7)의 조합이, 제어기(8)의 제어 하에, 양(quantity)이 선형 또는 비선형으로 가변하여, 에너지가 지연 또는 제어된 타이밍으로 공급되게 하는 축적 방식으로 에너지(또는 여기된 전자)를 펌핑하는 에너지 펌프(EP)(도 1, 도 2)로서 기능하도록 구성된다.

효율적인 서비스를 위해, 배터리(7)는 다수 세트의 병렬 접속된 배터리 셀 유닛과 이들의 한쌍의 양극(+) 및 음극(-) 단자 사이에 설치되고, (+) 단자에서 및/또는 (+)와 (-) 단자 사이에서 각각 충/방전 전류 및/또는 전압을 변경하도록 제어기(8)로부터의 배터리 제어 명령(CT3)(도 2)에 의해 제어되는 I/O(입/출력) 회로 또는 병렬-직렬 스위칭 접속을 구비할 수 있다.

분배기(4)는 (+) 또는 (-) 극성을 갖는 다수의 단자 예컨대, 배터리(7)에 접속하기 위한 (+) 및 (-) 단자의 쌍, 공통 (-) 라인용 (-) 단자, 외부 부하(EL)에 전력 분배를 위한 공통 (+) 단자용 (+) 단자, 및 내부 부하(IL)에 전력 분배를 위한 공통 (+) 라인용 (+) 단자를 구비한다.

전력 분배기(4)는 배터리(7) 내에 잉여 에너지를 저장하면서, 스택(1)으로부터 공급되는 에너지를 필요에 따라 내부 부하(IL)(필요한 경우 유체 라인(L1 내지 L4), 제어기(8), 분배기(4) 자체, 배터리의 I/O 회로 또는 스위칭 접속 등을 갖는 스택의 보조장치) 및 외부 부하(EL)(부하(5), 히터(6), 에어 컨디셔너(65) 등)에 분배하기 위해 에너지 흐름량(traffic of energy flow)을 제어한다.

개별 내부 또는 외부 부하(IL 또는 EL)로의 전력 공급은 각각 내부 부하(IL)용의 3개의 제어 명령(CT1 내지 CT3) 중 대응하는 하나의 명령에 의해, 또는 외부 부하 제어 명령(이하 "외부 부하 제어 명령"이라 통칭하거나 간단히 "명령"이라고 한다)(CTe)(도 2) 중 대응하는 하나의 명령에 의해 제어될 수 있다.

연료 전지 시스템(FS)는 도 2에 도시된 바와 같이, 관련된 시스템 구성요소, 유체 및 차량 구성요소의 현재 상태, 예를 들면,

캐소드 접속(1g)을 통한 출력 전류(Io), 애노드 및 캐소드 접속(1f, 1g) 사이의 출력 전압(Vo), 및 스택(1)의 대표 온도 Tr로서(또는 냉각제(Wc)의 온도로서)의 스택 온도(Ts)를 포괄하는, 스택(1)의 작동 상태;

유체 라인(L1 내지 L4)를 포함하는 스택의 보조장치의 작동 상태;

분배기(4)의 작동 상태;

SOC(충전 상태), 배터리(7)의 대표 온도로서의 배터리 온도(Tb), 배터리실(C4)(도 5) 내의 배터리 케이스(70)(도 5) 내부의 배터리(7) 또는 주위 공기의 온도를 나타내는 대기 공기 온도(To)(도 5), 및 (필요한 경우) (+) 단자에서의 충/방전 전류 및/또는 배터리(7)의 (+)와 (-) 단자 사이의 충/방전 전압을 포괄하는, 배터리(7)의 작동 상태;

에어 컨디셔너(65)가 설치된 차량(V)의 객실(PR)(도 5)내의 공기 온도를 나타내는 실내 온도(Ti)(도 5)를 포함하는, 외부 부하(EL)의 작동 상태; 및

차량 구성요소 예컨대, 가속 페달, 시동키 및 차량 제어기의 동작 또는 작동 상태를 검출하기 위한 검출 시스템(DS)을 갖는다.

검출 시스템(DS)은 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 필요한 검출기 예컨대,:

전류(Io)의 검출 신호(SA)를 제공하기 위해 스택(1)의 출력 전류(Io)를 검출하는 전류 검출기(20), 전압(Vo)의 검출 신호(SV)를 제공하기 위해 스택(1)의 출력 전압(Vo)를 검출하는 전압 검출기(21), 온도(Ts)를 나타내는 검출 신호(ST)를 제공하기 위해 스택 온도(Ts)를 검출하는 온도 검출기(22);

검출 신호 SG1 ⊃ SGf가 되도록 4개의 유체 라인(L1 내지 L4)의 작동 상태를 나타내는 유체 라인 검출 신호(이하 "유체 라인 검출 신호"라고 통칭한다)(SGf)의 세트를 제공하기 위해 4개의 유체 라인(L1 내지 L4)의 작동 상태를 검출하는 검출 요소를 포함하는, 스택의 보조장치의 작동 상태를 나타내는 스택 보조장치 검출 신호(이하 "보조장치 검출 신호"라고 통칭한다)(SG1)의 세트를 제공하기 위해 스택의 보조장치의 작동 상태를 검출하는 검출 요소의 세트(도시 생략);

분배기(4)의 작동 상태를 나타내는 분배기 검출 신호(이하 "분배기 검출 신호"라고 통칭한다)(SG2)의 세트를 제공하기 위해, 분배기(4)의 작동 상태를 검출하는 내장형 검출 요소의 세트(도시 생략);

배터리 상태를 나타내는 배터리 검출 신호(SG3)를 제공하기 위해, SOC, 배터리 온도(Tb), 주위 온도(To), 및 (필요한 경우) 배터리(7)의 충/방전 전류 및/또는 (+)와 (-) 단자에서의 또는 사이의 전압을 검출하는 배터리 상태 검출기(23)(도 2, 도 5) 및 대기 공기 온도 센서(90)(도 5)의 조합;

외부 부하(EL)의 작동 상태를 나타내는 외부 부하 검출 신호(SGe)를 제공하기 위해, 외부 부하(EL)의 작동 상태(실내 온도(Ti)에 영향을 주는 열 포함)를 검출하는 다양한 검출 요소의 세트(도 5의 실내 온도 센서(66) 포함); 및

외부 부하 검출 신호(SGe)의 일부로서 송신 및 처리되는 차량 정보를 획득하기 위해, 차량 구성요소의 동작 또는 작동 상태를 검출하거나 차량(V)의 제어 데이터를 수신하는데 필요한 검출기 및 인터페이스의 세트(가속 페달 각도 센서, 시동키 센서, 차량 속도 센서 및 차량 제어기와의 인터페이스 포함)를 구비한다.

전류(Io)의 검출 신호(SA), 전압(Vo)의 검출 신호(SV), 및 온도(Ts)의 검출 신호(ST)는 여기에서 종종 "스택 검출 신호"라고 통칭한다.

배터리(7)의 I/O 회로 또는 스위칭 접속은 배터리(7)로부터 전력 분배기(4)로 이동될 수 있다는 것이 명백해질 것이다. 이 경우에, 제어기(8)로부터의 배터리 제어 명령(CT3)은 분배기 제어 명령(CT2)에 포함되고, 분배기 검출 신호(SG2)는 배터리 검출 신호(SG3)로부터 취하고, 배터리(7)의 충/방전 전류 및/또는 (+)와 (-) 단자(들)에서의 또는 이들 단자 사이의 전압에 대한 정보를 포함한다.

따라서, 분배기 제어 명령(CT2)과 배터리 제어 명령(CT3)은 여기에서 종종 "에너지 펌프 제어 명령"이라고 통칭하며, 분배기 검출 신호(SG2)와 배터리 검출 신호(SG3)는 여기에서 "에너지 펌프 검출 신호"라고 통칭한다.

연료 전지 시스템(FS)은 마이크로 컴퓨터, 메모리들, 인터페이스들 등을 갖는 데이터 프로세서로서 구성되는 시스템 제어기(8)에 의해 전반적으로 관리된다. 필요한 제어 프로그램, 테이블 및 자신의 메모리(들)에 저장된 데이터를 갖는 제어기(8)는 추가로:

스택 검출 신호(SA, SV, ST), 보조장치 검출 신호(SG1)(유체 라인 검출 신호(SGf) 포함), EP(에너지 펌프) 검출 신호(SG2, SG3), 및 외부 부하 검출 신호(SGe)의 인터페이스 데이터를 포함하는, 각각의 인터페이스 데이터를 저장하고;

보조장치 제어 명령(CT1)(유체 라인 제어 명령(CTf) 포함), EP(에너지 펌프) 제어 명령(CT2, CT3) 및/또는 외부 부하 제어 명령(CTe)을 제공하기 위해 계산, 판정 및/또는 명령에 필요한 데이터를 처리하도록, 판독한 프로그램(들)을 실행하며;

이와 같이 하여, 스택(1)에서의 발전량 및 에너지 펌프(EP)에서의 에너지 흐름량뿐만 아니라 에너지 축적량이 전체 부하 세트(WL)(즉, 내부 부하(IL) 및 외부 부하(EL))에 필요한 전력을 공급하는데 모두 적절하게 되도록 제어한다.

스택(1)으로부터 전력이 공급되는 에너지 펌프(EP)(배터리(7)와 분배기(4)의 조합)(즉, EP+1=1+4+7)가 에너지 축적 방식으로 전체 부하 세트(WL)에 전력으로서 전기 에너지를 공급하는 전원으로서 전기 에너지 공급부(ES)(도 1, 도 2)를 구성한다.

바꿔 말하면, 연료 전지 시스템(FS)에서:

에너지 공급부(ES)는 연료 전지(1), 연료 전지(1)에 접속된 전력 분배기(4) 및 전력 분배기(4)에 접속된 2차 전지(7)로 구성되고;

전력 분배기(4)는 에너지 공급부(ES)의 효율적인 예열을 위해서 뿐만 아니라 전체 부하 세트(WL)에 전력 분배를 위해 제어기(8)로부터 제어된다.

스택(1), 분배기(4) 및 배터리(7)의 조합(1+4+7)이 전원으로 작동하지만, 여기에서는 전원으로 고유로 작용하는 스택(1)과 식별하기 위해 "에너지 공급부"(ES)라고 한다.

시스템 기동 시에 에너지 공급부(ES)를 제어하기 위해, 제어기(8)는 스택 보조장치 제어 명령(CT1) 및 EP 제어 명령(CT2+CT3)을 제공하고, 그 조합은 종종 IL(내부 부하) 제어 명령과 등가인 "ES(에너지 공급부) 제어 명령"(CT1+CT2+CT3)이라고 한다.

따라서, 기동 시에, 검출 시스템(DS)은 스택 검출 신호(SA, SV, ST)를 보조장치 검출 신호(SG1)와 함께 제공하기 위해 스택(1)을 그 보조장치와 함께 검출하고, EP 검출 신호(SG2+SG3)를 제공하기 위해 에너지 펌프(EP)를 검출한다. 이들(SA, SV, ST, SG1, SG2, SG3)은 모두 스택 검출 신호(SA+SV+ST)와 IL(내부 부하) 검출 신호(SG1+SG2+SG3)의 조합인 "ES(에너지 공급부) 검출 신호"라고 통칭할 수 있다.

특히 발생된 전력의 비율이 예컨대, 구동 모터(5, 도 2)에 약 60% 이상, 에어 컨디셔너(65, 도 5)에 약 2%, 에어 컴프레셔(15, 도 2)에 약 1% 미만, 냉각 펌프(16, 도 2)에 약 0.4% 및 헤드 라이트, 와이퍼, 서리 제거장치(defogger), 라디오 등의 전기 기구에 0.5%를 포함하는 전체 부하의 세트에 분배되는 통상 운전 시에, ES 검출 신호는 EL(외부 부하) 검출 신호(SGe)를 포함하고, ES 제어 명령은 EL 제어 명령(Cte)을 수반한다.

시스템 제어기(8)는 (ES 내부 또는 ES 외부) 관리자 또는 제어기로서 기능하도록 구성되어 이하의 제어:

스택 자체의 열의 균등한 방출을 수반하는 스택(1)에서의 연속적인 또는 맥동성의 발전에 의해, 그리고 배터리 자체의 열의 방출을 또한 수반하는 배터리(7)에서의 순환 충방전의 동시 반복에 의해, 특히 저온 상태 하에서, 연료 전지 시스템(FS)의 기동 시에 스택(1)과 배터리(7)의 조합이 완전히 예열되도록 제어하는 "예열 제어"; 및

특히 저온 상태 하에서, 시스템 기동 후에 필요한 경우 순환 제어 CP의 슬롯 마다 에너지 공급 성능을 보증하면서 통상 운전을 위해 에너지 공급부(ES)를 제어하도록 프로그램된 성능 보증 정상 제어 CP(도 3∼4)를 실행하며, 이 제어 CP는 2개의 포커싱된 제어 절차:

자체의 열의 증가된 방출을 위해 가능 발전량(Gp)(도 3의 단계 S3)까지 스택(1)의 발전량을 증가시키고, 부하(4)의 필요한 전력과 또한 열을 발생하는 보조 기기에서의 여분의 전력을 소비함으로써, 스택 온도(Ts)를 임계값 Th1보다 높게 유지시키는(도 3의 단계 S2) "스택 온도 제어" CF1(도 3); 및

스택(1)뿐만 아니라 부하(5)를 실행하면서 자신의 열의 증가된 방출을 위해 배터리(7)를 방전(도 4의 단계 S19) 또는 충전(도 4의 단계 S25)시키도록 동작시키고, 또한 열을 발생하는 보조 기기에서의 여분의 전력을 소비함으로써, 배터리 온도(Tb)를 임계값 Th2보다 높게 유지시키는(도 4의 단계 S12) "배터리 온도 제어" CF2(도 4)를 포함한다.

(스택 온도 제어)

이하 도 3을 참조하여 연료 전지 시스템(FS)의 스택 온도 제어 CF1에 대해 설명한다.

단계 S0에서, 성능 보증 통상 제어 CP의 흐름이 스택 온도 제어 FC1로 진입하고, 단계 S1로 진행한다.

단계 S1에서, 현재의 CP 사이클의 스택 온도(Ts)가 저장되도록 샘플링된다. CP 흐름은 단계 S1에서 판정 단계 S2로 진행한다.

단계 S2에서, 스택 온도(Ts)는 TsTh1인지에 관한 판정을 위해 임계값 Th1과 비교된다. 임계값 Th1은 시스템 기동 시에 스택(1)으로부터 부하(5)로의 전력 공급을 개시할지의 판정을 위한 임계값 Ts 또는 기동 시에 스택(1)의 예열 완료에 대한 판정을 위한 임계값에 대응한다.

판정이 'YES'(스택(1)의 온도 상승 필요)인 TsTh1이면, CP 흐름은 단계 S2로부터 단계 S3 내지 S7의 시퀀스로 진행한다. 판정이 'NO'(스택(1)의 온도 상승 불필요)인 TsTh1이 아니면, CP 흐름은 단계 S2로부터 단계 S8로 진행하고, 여기에서 스택 온도 제어 FC1을 빠져나간다.

단계 S3 내지 S7의 시퀀스는 제어 CF1의 핵심에 대응하며, 여기에서 스택(1)과 부하 세트(WL)(부하(5)와 보조 기기)의 상태가 필요한 경우 스택(1)의 가능 발전량(Gp)(단계 S3), 부하 세트(WL)에서 특히 보조 기기에서의 가능한 소비(단계 S4 내지 S7)의 추정을 위해 확인되고, 전력 소비는 차량(V)의 이동에 영향을 주지 않고 증가될 수 있다. 부하(5)(전력 소비가 가장 높은 구동 모터로서)에서, 부하(5)의 출력에서 현저한 변화없이 전력 소비를 변경하는 것은 어렵다. 현재의 발전량에 대해, 목표 발전량(Gt)(단계 S8)은 현재의 사이클에서 스택(1)의 가능 발전량(Gp)을 달성하기 위해 자체에 부가될 증가분으로서 추정된다.

단계 S3에서, 가능 발전량(Gp)을 판정하기 위한 추정이 행해지며, 그를 위해 단계 S1에서 샘플링된 스택 온도(Ts)에 대응하는 전류(Io) 대 전압(Vo) 특성 곡선이 추정된다. 시스템(FS)의 회로에 기초하는 최대 전류(Io)에 대해, Io-Vo 곡선은 가능 발전량(Gp)가 발전의 상한으로서 판정되게 하는 대응하는 전압 Vo를 제공한다. 그러한 곡선들은 샘플링된 스택 온도(Ts)에 대응하여 판독될 메모리에 포맷화된 실험 데이터로서 미리 저장될 수 있거나, 가스 공급 압력 및 온도 Ts의 함수로서 판정될 수 있다.

단계 S4에서, 제3 유형의 보조 기기(즉, 히터(6))는 가능한 전력 소비의 증가의 추정 전에, 현재의 동작 상태에 대해 전력 소비의 증가에 가용한 수행의 허용량에 대해 확인된다. 예를 들면, 히터(6)가 동작되지 않으면, 그 동작이 개시되어 차량(V)의 구동 전력에 영향을 주지 않고 스택(1)의 전력 발전을 증가시킨다.

단계 S5에서, 제4 유형의 보조 기기(즉, 에어 컨디셔너(65))는 가능한 전력 소비의 증가의 추정 전에, 현재의 동작 상태에 대해 전력의 증가에 가용한 동작의 모드에 대해 확인된다. 예를 들면, 에어 컨디셔너(65)가 정지하고 있으면, 그 동작은 전력 소비량을 증가시키기 위해 개시된다. 에어 컨디셔너(65)가 이미 동작 중일지라도, 가능 전력 소비량의 증가의 추정 전에, 객실(PR)에 보내어질 공기를 조절하기 위해 제어 가능한 동작 모드에 대한 확인이 행해져서 전력 소비를 증가시킨다.

단계 S6에서, 제1 유형의 보조 기기(즉, 에어 컴프레셔(15))는 가능 전력 소비량의 증가의 추정 전에, 현재의 동작 상태에 대해 전력 소비의 증가에 가용한 동작 포인트 범위에 대해 확인된다. 예를 들면, 공기 공급기(3)뿐만 아니라 연료 공급기(2)는 가능 전력 소비량의 증가의 추정 전에, 컴프레셔(15)의 전력 소비량을 증가시키기 위해 스택(1)으로의 유체의 압력 및/또는 공급 흐름의 증가에 가용한 범위에 대해 확인된다.

단계 S7에서, 목표 발전량(Gt)과 현재의 발전량의 합이 현재의 사이클에서 단계 S3에서 추정되는 가능 발전량(Gp)을 초과할 필요가 없기 때문에, 현재의 발전량에 부가될 목표 발전량(Gt)의 추정 시에 상한으로서 기초하는 총 전력 소비량을 판정하기 위해 단계 S4 내지 S6에서 추정되는 전력 소비량의 각각의 가능한 증가량의 합이 취해진다.

바꿔 말하면, 전력 소비의 가능 증가량과 현재의 발전량의 단순한 총합이 가능 발전량(Gp)을 초과하는 합을 갖는 경우, 전력 소비의 가능한 증가량(히터(6), 에어 컨디셔너(65) 및 컴프레셔(15)에서의)은 총합이 목표 발전량(Gt)으로서 설정되도록 적절히 조정된다. 전력 소비량과 현재의 발전량의 가능한 증가량의 간단한 총합이 가능 발전량(Gp)을 초과하지 않는 합을 가질 때, 목표 발전량(Gt)은 간단한 총합으로 설정된다.

연료 공급기(2)와 공기 공급기(3)는 설정된 목표 발전량(Gt)에 따라 제어되고, 보조 기기(히터(6), 에어 컨디셔너(65) 및 컴프레셔(15))는 대응하는 전력을 소비하도록 제어된다. 증가된 전력 발전량 및 대응하는 전력 소비에 의해, 스택(1)은 증가되거나 유지된 스택 온도(Ts)를 갖도록 제어된다.

단계 S2에서, 스택 온도(Ts)가 상승되었는지 유지되는지의 판정은 연료 복귀 라인(L2)의 미사용 연료 수집 접속(1s)의 하류에서 실행될 연료 퍼지의 빈도에 의해 행해질 수 있다.

연료 퍼지는, 일반적으로 일부 전지가 나머지보다 낮은 전압을 갖도록 스택(1)의 단위 전지들이 전압을 분산했을 때, 연료 공급기와 복귀 라인(L1 및 L2)의 습기 방출을 위한 속도로 연료를 재순환시키는 방출부에 의해 응축된 습기 또는 증가된 습도 등으로 인해 스택(1)의 발전 특성이 연료 공급기 상태의 변화에 대해 유지되도록 실행된다. 이것은 부분적으로는 스택(1)의 연료 채널내에 물의 응축이 발생하기 때문이고, 발전용 반응막은 응축된 물로 코팅됨으로써 감소되는 유효 면적을 가져 발전 성능을 저하시키게 된다.

연료 채널내에서의 물의 응축은 일반적으로 저온 위치에서 발생하기 쉽고, 이것은 퍼지의 빈도(응축수 방출 요구)가 증가됨에 따라 스택 온도(Ts)가 감소되는 것으로 가정될 수 있음을 의미한다.

따라서, 제1 실시예의 변형예에서, 단계 S2에서 임계값과의 비교에 의한 판정을 위해, 퍼지 빈도가 단계 S1에서 측정되어 샘플링된다. 스택 온도(Ts)가 온도를 상승시키기 위해 증가된 발전을 필요로 할 만큼 낮다는 판정에 의해 초과하는 퍼지 빈도에 대해, CP 흐름은 단계 S3으로 진행한다.

이러한 변형예는 스택 온도(Ts)와 퍼지 빈도의 양자가 단계 S1에서 샘플링되고, 단계 S2에서 그들간의 OR(논리합)에 의해 단계 S3으로 진행할지의 판정을 위해 확인되는 다른 변형예를 제공하도록 제1 변형예와 결합될 수도 있다.

(배터리 온도 제어)

이하 도 4를 참조하여 연료 전지 시스템(FS)의 배터리 온도 제어 CF2에 대해 설명한다.

단계 S10에서, CP 흐름은 스택 온도 제어 FC2로 진입하여 단계 S11로 진행한다.

단계 S11에서, 현재의 CP 사이클의 배터리 온도(Tb)가 저장되도록 샘플링된다. CP 흐름은 단계 S11로부터 판정 단계 S12로 진행한다.

단계 S12에서, 배터리 온도(Tb)는 TbTh2인지에 관한 판정을 위해 임계값 Th2와 비교된다. 임계값 Th2는 시스템 기동 시에 배터리(7)로부터 부하(5)로의 전력 공급을 개시할지의 판정을 위한 Tb 임계값, 또는 기동 시에 배터리(7)의 예열 완료에 대한 판정을 위한 임계값에 대응한다.

판정 'YES'(배터리(7)가 온도 상승 필요)에 의해 TbTh2인 경우, CP 흐름은 단계 S12로부터 단계 S13 내지 S25의 시퀀스로 진행한다. 판정 'NO'(배터리(7)가 온도 상승 불필요)에 의해 TbTh2가 아닌 경우, CP 흐름은 단계 S12로부터 단계 S26으로 진행하고, 여기에서 배터리 온도 제어 FC2를 빠져나간다.

단계 S13 내지 S25의 시퀀스는 제어 CF2의 핵심에 대응하며, 여기에서 배터리(7)는 전력 충전 또는 방전에 의해 즉, 스택(1)이 배터리(7)에 충전될 초과 전력이 발생하도록 부하(5)로부터 요구된 것보다 큰 전력의 발생을 위해 제어되는 충전 프로세스의 지속기간에 의해, 또는 스택(1)이 배터리(7)로부터 방전되는 전력에 의해 발생된 전력의 균형이 보정되도록 부하(5)로부터 요구된 것보다 작은 전력의 발생을 위해 제어되는 방전 프로세스의 지속기간에 의해 상승되거나 유지된 온도를 갖는다. 충전 또는 방전 프로세스는 배터리 온도(Tb)를 상승 또는 유지시키기 위해 전력의 손실을 수반하는 연속적인 충전 또는 방전을 위해 주기적으로 반복된다. 도 4에서, 그러한 충전 또는 방전 후에, CP 흐름은 단계 S11로 진행하지만, 이것은 단계 S26으로 변경될 수도 있다.

단계 S13에서, 배터리(7)가 충전될지의 여부(즉, 방전)에 대한 판정이 행해진다. 판정을 위해, 배터리(7)의 현재의 SOC가 샘플링된다. SOC가 임계값보다 큰 경우, 판정 'NO'(배터리(7)가 방전된 것으로 판정)에 의해, CP 흐름이 단계 S14 내지 S19의 시퀀스로 구성되는 방전 모드로 진입한다. SOC가 임계값보다 크지 않은 경우, 판정 'YES'(배터리(7)가 충전된 것으로 판정)에 의해, CP 흐름이 단계 S20 내지 S25의 시퀀스를 갖는 충전 모드로 진입한다.

제2 실시예의 변형예에 있어서, 연속된 통상 운전 후에 단계 S13에서의 제1 판정 시에, 예컨대, 충전 및 방전 모드간의 선택이 설명한 바와 같은 SOC에 대한 판정에 후속하고, 배터리 온도(Tb)가 상승될지 유지될지의 판정에 후속하는 단계 S13에서의 제2 또는 후속 판정 시에, 충전 및 방전 모드간의 선택이 연속적인 동일 모드들의 총 지속기간이 임계값을 초과하는지의 여부에 대한 판단에 의존할 수 있다. 연속적인 방전 모드들의 총 지속기간이 임계값을 초과하면, CP 흐름은 충전 모드로 진행한다. 반대로, 연속적인 충전 모드들의 총 지속기간이 임계값을 초과하면, CP 흐름은 방전 모드로 진행한다.

또한, 임계값의 감소 전에 연속적인 방전 모드 동안, 배터리(7)가 전력의 균형을 보정하는데 필요한 전력을 방전하는 것이 불가능하다고 검출된 경우, CP 흐름은 충전 모드로 진행할 수 있다. 유사하게, 임계값의 감소 전에 연속적인 충전 모드 동안, 배터리(7)가 초과 발생된 전력으로 충전하는 것이 불가능하다고 검출된 경우, CP 흐름은 방전 모드로 진행할 수 있다.

방전 모드가 단계 S13에서 선택된 경우, CP 흐름은 배터리(7)의 가능 방전량(Dp)의 추정을 위한 단계 S14로 진행한다. 배터리(7)는 저온 조건 하에서 감소된 방전 성능을 가지며, 불충분하게 작동될 수 있다. 배터리(7)의 방전 가능 전력량도 SOC에 의존한다. SOC가 높으면, 가능 방전량(Dp)은 크다. 방전함에 따라, SOC가 낮아지고, 가능 방전량(Dp)이 감소한다. 따라서, 단계 S14에서, 가능 방전량(Dp)의 추정을 위해 배터리(7)의 현재의 배터리 온도(Ts) 및 현재의 SOC가 샘플링된다. 가능 방전량(Dp)는 배터리 온도(Tb) 및 SOC의 조합에 그 관계를 기술하는 실험 데이터의 저장된 맵으로부터 판독될 수 있거나, 그러한 관계의 저장된 표시에 의해 판정될 수 있다. CP 흐름은 단계 S14로부터 단계 S15로 진행한다.

단계 S15에서, 제2 유형(즉, 냉각제 재순환 펌프(16), 유체 라인 액추에이터 및 센서, 및 제어기 전력 공급부를 포함하는 부차적인 내부 부하(IL)), 제3 유형(즉, 히터(6)) 및 제4 유형의 보조 기기(즉, 에어 컨디셔너(15))의 조합에 의해 현재의 전력 소비량(W1)을 판정하는 추정이 행해진다. 예를 들면, 냉각제(Wc)의 재순환 펌프(16)의 현재의 전력 소비량은 유속 명령(CTf) 등으로부터 산출된다. CP 흐름은 단계 S15로부터 단계 S16으로 진행한다.

단계 S16에서, 제1 유형의 보조 기기(즉, 컴프레셔(15))에 의해 현재의 전력 소비량(W2)을 판정하는 추정이 행해진다. 단계 S14에서 추정된 배터리(7)의 가능 방전량(Dp)와 단계 S15에서 추정된 보조 기기에서의 전력 소비량(W1)에 기초하여, 공급 공기가 컴프레셔(15)에서의 전력 소비량(W2)을 산출하기 위해 판정되는 컴프레셔(5)의 대응하는 동작에 의해 달성되도록 유속 및 압력의 대응하는 조합을 갖는, 스택(1)의 관련 발전량을 판정하는 부가적인 추정이 행해진다. CP 흐름은 단계 S16으로부터 단계 S17로 진행한다.

단계 S17에서, 부하(5)(즉, 구동 모터)에 의한 현재의 전력 소비량(W3)을 판정하는 추정이 행해진다. 이러한 추정을 위해, 모터에 요구되는 구동 토크와 모터에서 필요한 전력 소비량을 산출하도록 차량 속도(Vs)(도 5) 및 가속 페달 각도를 포함하는 현재의 차량 정보가 처리된다. CP 흐름은 단계 S17로부터 단계 S18로 진행한다.

단계 S18에서, 현재의 총 전력 소비(W1+W2+W3: 컴프레셔(15)와 부하(5)를 포함하는 제1 내지 제4 보조 기기에서)에 필요한 전력이 주로(즉, 가능한 한) 배터리(7)로부터의 방전에 의해 공급되고 균형을 위해 스택(1)의 발전량(G)에 의해 보충된다고 가정하면, 스택(1)에 의해 달성될 전력의 발전량(G)을 판정하는 추정이 행해진다. CP 흐름은 단계 S18로부터 단계 S19로 진행한다.

단계 S19에서, 스택(1)이 단계 S18에서 판정된 발전량(G)에 알맞게 동작되도록 수소 공급기(2) 및 공기 공급기(3)가 제어되고, 동시에 단계 S14에서 판정된 가능 방전량(Dp)과 동등한 전력이 스택(1)에 우선하여 배터리(7)로부터 보조 기기 및 부하(5)의 조합에 공급되도록 전력 분배기(4)가 제어됨으로써, 배터리(7)에서의 방전으로 인한 자체 열의 방출을 촉진시킨다. CP 흐름은 단계 S19로부터 단계 S11로 진행한다.

단계 S13에서 충전 모드가 선택된 경우에, CP 흐름은 단계 S20으로 진행하고, 여기에서 샘플링될 현재의 배터리 온도(Ts) 및 배터리(7)의 현재의 SOC에 기초하여 배터리(7)의 가능 충전량(Cp)의 추정이 행해진다. 가능 충전량(Cp)는 배터리 온도(Tb) 및 SOC의 조합에 그 관계를 기술하는 실험 데이터의 저장된 맵으로부터 판독될 수 있거나, 그러한 관계의 저장된 표시에 의해 판정될 수 있다.

CP 흐름은 단계 S20으로부터 단계 S21 내지 S23의 시퀀스로 진입하고, 단계 S15 내지 S17과 같이, 컴프레셔(15)를 포함하는 보조 기기에서의 현재의 전력 소비량(W1 및 W2)과 부하(5)에서의 현재의 전력 소비량(W3)을 판정하기 위해 산출에 의한 추정이 행해진다. CP 흐름은 단계 S23으로부터 단계 S24로 진행한다.

단계 S24에서, 배터리(7)에 대한 가능 충전량(Cp)의 총합(Cp+W1+W2+W3)과 컴프레셔(15)를 포함하는 보조 기기 및 부하(5)에서의 현재의 총 전력 소비량(W1+W2+W3)으로서 스택(1)에 의해 달성될 전력의 발전량(G)을 판정하는 추정이 행해진다. CP 흐름은 단계 S24로부터 단계 S25로 진행한다.

단계 S25에서, 스택(1)이 단계 S24에서 판정된 발전량 G에 알맞게 동작되도록 수소 공급기(2) 및 공기 공급기(3)가 제어되고, 동시에 스택(1)으로부터 보조 기기 및 부하(5)에 필요한 전력(W1+W2+W3)이 공급되도록 전력 분배기(4)가 제어되며, 단계 S20에서 판정된 가능 충전량(Cp)과 동등한 잉여 전력이 스택(1)으로부터 배터리(7)에 공급됨으로써 배터리(7)의 자체 열 방출을 촉진시킨다. CP 흐름은 단계 S25로부터 단계 S11로 진행한다.

통상 제어 CP가 순환됨에 따라, 배터리 온도 제어 FC2가 필요한 경우 배터리 충전 또는 방전을 수반하여 매 사이클 반복됨으로써, 배터리 온도(Tb)는 배터리(7)가 충전 및 방전 성능을 유지하기에 충분하게 상승된다.

(제1 실시예의 효과)

상술한 제1 실시예에 따르면, 가열된 에너지 공급부(ES)로부터 전체 부하 세트(WL)로의 전력 공급의 개시 후에, 성능 보증 통상 제어 CP가 스택(1)의 감소된 가능 발전량(Gp)에 대해 스택 온도(Ts)를 상승시키고 배터리(7)의 감소된 가능 충전량(Cp) 또는 가능 방전량(Dp)에 대해 배터리 온도(Tb)를 상승시키기 위해 계속되며, 에너지 공급부(ES)는 저온 조건 하에서도 또는 스택(1)과 배터리(7)의 자체의 열 방출을 억제하는 저출력 상태가 유지되는 환경에서도 부하(5)에 안정적인 전력을 공급하는데 적합하다.

이 실시예에 따르면, 스택(1)의 전력 발전을 지원하는 보조 기기는 증가된 전력을 소비하도록 제어되고, 이러한 전력의 증가분은 스택(1)의 증가된 발전량에 의해 보충됨으로써, 스택(1)의 자체의 열 방출을 증가시켜, 스택 온도(Ts)가 차량(V)의 구동 전력에 영향을 주지 않고 상승될 수 있게 된다.

또한, 보조 기기로서의 에어 컴프레셔(15)에서의 전력 소비는 스택(1)에 공급되는 공기의 압력을 상승시키도록 증가되고, 수소 공급기(2)는 스택(1)의 고폴리머 박막의 양측에 공급되는 가스의 압력차를 작게 하도록 제어되어, 연료 공급 압력이 공기압의 증가와 동등한 비율만큼 증가될 수 있으므로, 향상된 퍼지 효과와 함께 퍼지될 연료의 속도를 증가시킬 수 있게 된다.

더욱이, 보조 기기로서의 에어 컴프레셔(15)에서의 전력 소비는 스택(1)의 가스 채널내의 잔여 생성수의 용이한 방출과 함께, 스택(1)내의 공기 흐름이 증가되게 하는 공기 공급 압력을 증가시키도록 증가된다.

이 실시예에 따르면, 스택 온도(Ts)는 시스템 기동에 따른 계속적인 저출력 상태 하에서도 발전량(Gp)에 대해 감소된 성능의 확실한 검출과 함께, 스택(1)의 감소된 가능 발전량(Gp)에 대한 판정에 기초하고 있다.

퍼지 주파수가 스택(1)의 가능 발전량(Gp)에 대한 판정에 기초하는 상기 실시예의 변형예에 따르면, 물의 응축이 스택(1)내의 저온 위치에서 발생하는 경향에 의해 이점이 있으며, 이것은 저하된 스택 온도(Ts)가 증가된 퍼지 빈도를 수반하여 복잡한 동작과 그에 따른 여분의 설비를 없애는 판정을 위해 간략한 구성을 가능하게 하는 것을 의미한다.

(제2 실시예)

이하 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따르는 연료 전지 시스템(FSr)에 대하여 설명한다. 연료 전지 시스템(FSr)은 상술한 바와 같이, 제1 실시예의 연료 전지 시스템(FS)(도 1∼도 2)과 부가적인 요소(도 5)의 조합으로 구성된다.

도 5는 연료 전지 시스템(FSr)이 일체화되어 있는 연료 전지 차량(V)를 개략적으로 나타낸다. 도 6 및 도 7은 각각 제1 실시예의 성능 보증 통상 제어 CP의 일부로서의 관련 제어 프로세스 CF3 및 변형 제어 프로세스 CF4를 도시한다.

(연료 전지 차량)

연료 전지 차량(V)은 전방 및 후방 시트(ST1 및 ST2)가 설치된 종방향 객실(PR), 전방 챔버(C1)와 전륜(FW)을 갖는 전방부, 전륜과 후륜(FW와 RW)의 축 사이의 중간 전방 챔버(C2)와 중간 후방 챔버(C3)를 갖는 하부 중간부, 및 후방 챔버(C4)와 후륜(RW)을 갖는 후방부로 구성된다.

객실(PR)은 전면 유리(61), 후면 유리(62), 이들 사이에서 연장되어 있는 지붕 부재(63), 및 바닥 부재, 문 부재와 필요한 기둥 및 벽 부재의 일반적인 조합에 의해 한정된다.

객실(PR)은:

전단부에 매질(Wc)(도 2)로서의 냉각제를 가열하는 히터(6), 차량 제어기에 일체화되어 있는 시스템 제어기(8), 객실(PR)의 대표적인 실내 온도(Ti)를 검출하는 센서, 에어 컨디셔너(65), 및 도시하지 않은 가속 페달과 가속 페달 각도 센서의 조합; 및

후단부에 객실(PR)과 후방 챔버(C4) 사이의 수평방향 격리를 위해 튀어나온 세퍼레이터를 구비하고, 세퍼레이터(1)는 객실(PR)과 후방 챔버(C4)에 내장된 배터리 케이스(70)의 내부 사이의 공기 연통을 위해 구성되는 전방 및 후방 포트(71 및 73)로 형성된다.

전방 포트(71)는 내부에 공기 팬(72)이 설치되고, 배터리 센서(23)와 함께 내부에 설치된 배터리(7)의 대표 온도(Tb)를 (규정된 범위 내에서) 유지하도록 객실(PR)로부터 배터리 케이싱(70)으로 공기를 통풍시키기 위해 제어기(8)로부터 제어된다. 통상적으로, 팬(72)은 배터리 온도(Tb)가 임계값을 초과할 때 배터리(7)를 냉각시키도록 동작된다.

후방 포트(73)는 배터리 케이싱(70) 내부로부터 객실(PR)로의 공기 귀환 포트로서 기능하고, 내부에 셧오프 밸브(74)가 설치되며, 포트(73)를 통상적으로 폐쇄하도록 제어기(8)로부터 제어된다. 셧오프 밸브(74)는 제거될 수도 있다.

전방 챔버(C1)는 차량(V)의 메인 구동 모터를 커버하기 위해 설치된 모터 케이싱(50), 정면으로부터 대기 공기를 도입하기 위한 전방 그릴(51), 및 중간 전방 챔버(C2)와 공기 연통을 위한 후방 포트(52)를 구비한다.

중간 전방 챔버(C2)는 내부에 설치된 연료 전지 스택(1), 차량(V)의 외부와 공기 연통을 위한 하부 그릴(53), 및 중간 후방 챔버(C3)와 공기 연통을 위한 후방 포트(54)를 구비한다.

중간 후방 챔버(C3)는 내부에 설치된 수소 탱크(11), 외부와 공기 연통을 위한 하부 그릴(55), 및 후방 챔버(C4)의 전방 개구(80)와 공기 연통을 위한 후방 포트(56)를 구비한다.

후방 챔버(C4)에서, 배터리 케이싱(70)은 전방 개구(80)와 공기 연통을 위한 전방 그릴(57)을 구비한다. 배터리 케이싱(70) 뿐만 아니라 후방 챔버(C4)는 외부와의 공기 연통을 위한 후방 포트를 구비할 수도 있다.

후방 챔버(C4)의 전방 개구(80)는 외부와의 공기 연통을 위한 하부 포트를 구비하고, 여기에서 온도 센서(90)가 차량(V)가 차량 속도(Vs)로 운전함에 따라 변화하는 배터리 주위 온도로서 대기 공기 온도(To)를 검출하기 위해 설치된다.

(제어 프로세스)

성능 보증 통상 제어 CP는 배터리(7)가 임계값 이하에서 낮아진 배터리 온도(Tb)로 인해 임계값 이하에서 저하된 성능을 갖는다는 판정 후에, 포트(71)를 통해 배터리 케이싱(70)내로 객실(PR)의 온도 조절된 공기를 도입하도록 공기 팬(72)을 동작시킴으로써 배터리 온도(Tb)를 상승시키는 공기 팬 제어 프로세스 CF3을 포함한다.

통상 제어 CP의 흐름은 단계 S30(도 6)에서 제어 프로세스 CF3으로 진입하여, 단계 S31로 진행한다.

단계 S31에서, 현재의 대기 공기 온도(To)가 샘플링된다. CP 흐름은 단계 S31로부터 단계 S32로 진행한다.

단계 S32에서, 현재의 객실 온도(Ti)가 샘플링된다. CP 흐름은 단계 S32로부터 단계 S33으로 진행한다.

단계 S33에서, To〈 Ti인지에 관한 판정이 행해진다. To〈 Ti인 경우, 판정 'YES'에 의해, CP 흐름은 단계 S33으로부터 단계 S34로 진행한다. To〈 Ti가 아닌 경우, 판정 'NO'에 의해, CP 흐름은 단계 S33으로부터 단계 S35로 진행하며, 여기에서 제어 프로세스 CF3으로 빠져나간다.

단계 S34에서, 공기 팬(72)의 구동 모터의 목표 토크를 판정하기 위한 추정이 행해지고, 이 팬(72)은 목표 토크에 대해 제어된 전력으로 동작되므로, 배터리 온도(Tb)는 대기 공기 온도(To)로부터 객실(PR)로부터 도입된 공기의 온도(Ti 근방)으로 점진적으로 상승하거나 그 온도에서 유지된다. CP 흐름은 단계 S34로부터 단계 S35로 진행한다.

이 실시예에서, 대기 공기 온도(To) 대신에, 배터리 온도(Tb)가 단계 S31에서 샘플링되어 단계 S33에서 유사한 판정을 위해 실내 온도(Ti)와 비교될 수도 있다.

이하 변형된 제어 프로세스 CF4(도 7)에 따르는 제2 실시예의 변형예에 대해 설명하며, 여기에서 제2 실시예의 단계 S34(도 6)는 단계 S41 내지 S43(도 7)의 조합으로 변형되며, 단계 S33에서의 판정 'YES' 후에, CP 흐름은 단계 S41로 진행한다. 나머지 단계들 S30 내지 S33 및 S35(도 7)는 제2 실시예의 단계들(도 6)과 동일하다.

단계 S41에서, 실내 온도(Ti)의 변화율 dTi는 현재의 사이클에서 샘플링된 실내 온도(Ti)와 이전의 사이클에서 샘플링된 실내 온도(Ti) 사이의 차로 산출된다. CP 흐름은 단계 S41로부터 판정 단계 S42로 진행한다.

단계 S42에서, dTiTh3(임계값)인지에 관한 판정이 행해진다. dTiTh3인 경우, 판정 'YES'에 의해, CP 흐름은 단계 S42로부터 단계 S43으로 진행한다. dTiTh3이 아닌 경우, 판정 'NO'에 의해, CP 흐름은 단계 S42로부터 단계 S35로 진행하며, 여기에서 제어 프로세스 CF4로 빠져나간다.

단계 S43에서, 팬 구동 모터의 목표 토크는 팬 동작 억제 방식으로 산출되고, 공기 팬(72)은 목표 토크에 대해 제어된 전력으로 동작된다. 이 경우에도, 대기 공기 온도가 실내 온도(Ti)보다 낮기 때문에(단계 S33), 조절된 공기가 객실(PR)로부터 배터리 케이싱(70)에 도입된다.

그러나, 객실(PR)에서의 쾌적함을 유지하기 위해, 실내 온도 변화(dTi)는 객실(PR)로부터 배터리 케이싱(70)으로 조절된(가열되거나 예열된) 공기의 과도한 전송을 방지함으로써(단계 S42에서 'NO') 범위(Th3)내로 제어되며, 그렇지 않으면 실내 온도(Ti)의 과도한 감소 또는 지연된 상승을 유발할 수도 있다.

또한, 이 변형예에서는, 팬(72)의 구동 모터에 대한 목표 토크가 임계값보다 큰 동안, 포트(73)내의 셧오프 밸브(74)가 개방된 상태로 유지되어 배터리 케이싱(70)내로 유입된 공기를 포트(73)를 통해 객실(PR)로 귀환시킬 수 있어 그들간의 조절된 공기의 재순환을 야기한다.

CP 흐름은 단계 S43으로부터 단계 S35로 진행하고, 여기에서 제어 프로세스 CF4로 빠져나간다.

(제2 실시예의 효과)

상술한 제2 실시예에 따르면, 배터리(7)가 저하된 충전 및 방전 성능을 가질 때, 배터리 온도(Tb)에 대응하는 대기 공기 온도(To)가 객실 온도(Ti)와 비교되고, 이 실내 온도(Ti)가 대기 공기 온도(To)보다 높은 경우, 공기 팬(72)이 동작하여 배터리 온도(Tb)를 상승시킨다. 이러한 제어 프로세스 CF3은 제1 실시예의 배터리 온도 제어 프로세스 CF2를 포함하는 통상 제어 CP의 흐름 내에서 실행되므로, 배터리 온도(Tb)를 효율적으로 상승 또는 유지되게 할 수 있다.

제2 실시예의 변형예에 따르면, 공기 팬(72)의 동작이 실내 온도(Ti)의 변화율 dTi를 고려하여 억제되므로, 객실(PR)로부터 배터리 케이싱(70)으로 대량의 공기가 유입될 필요가 있는 상황에서도, 객실(PR)내의 공기의 온도(Ti)는 현저한 저하를 방지하도록 억제되고, 부가적으로 객실(PR)내의 공기의 압력이 에어 컨디셔너(65)를 구성하는 공기 조절 팬의 부하를 증가시키지 않고 음(-)이 되는 것이 방지되어, 승객(들)뿐만 아니라 운전자가 유지된 쾌적함을 만끽할 수 있게 된다.

따라서 이들 실시예에 따르면, 연료 전지(1) 및/또는 2차 전지(7)로부터의 전력 공급의 개시 후에, 연료 전지의 온도는 연료 전지의 가능 발전량(Gp)이 제1 소정값 이하로 저하될 때 상승되고, 2차 전지의 온도는 2차 전지로의 가능 충전량(Cp) 또는 2차 전지로부터의 가능 방전량(Dp)이 제2 소정값 이하로 저하될 때 상승되며, 그것에 의해 연료 전지 및 2차 전지는 시스템 기동 후에 계속적인 저출력 상태 하에서도 부하(5)에 적절한 전력을 공급할 수 있게 된다.

일본 특허출원 제2003-137801호의 내용은 참고로 본 명세서에 통합되어 있다.

본 발명의 실시예들은 특정 용어들을 사용하여 설명하고 있지만, 이러한 설명은 예시적인 목적으로 행해진 것이고, 이하의 청구의 범위의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명은 완전한 예열에 의해 기동 후에 계속적인 저출력 상태 하에서도 연료 전지와 2차 전지가 부하에 적절한 전력을 공급할 수 있게 한다.

Claims

연료 전지 시스템에 있어서,

연료 전지, 상기 연료 전지에 접속되는 전력 분배기, 및 상기 전력 분배기에 접속되는 2차 전지의 조합;

상기 전력 분배기에 접속되는 부하 세트; 및

상기 연료 전지 및 상기 2차 전지를 예열 완료하여 기동한 후, 상기 전력 분배기로부터 상기 부하 세트에 전력을 분배하는 동안,

상기 연료 전지가 그 서비스를 위한 제1 기준을 충족시키지 못할 때 상기 연료 전지의 온도를 상승시키고,

상기 2차 전지가 그 서비스를 위한 제2 기준을 충족시키지 못할 때 상기 2차 전지의 온도를 상승시키는 제어기를 포함하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 연료 전지는 상기 부하 세트의 일부로서 보조 기기를 구비하고,

상기 제어기는 상기 보조 기기에서의 전력 소비량의 증가를 행하고, 상기 증가를 보상하도록 상기 연료 전지의 발전량을 증가시켜 상기 연료 전지의 온도를 상승시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 기준은 상기 연료 전지의 가능 발전량에 대한 임계값을 포함하는, 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서, 상기 가능 발전량은 상기 연료 전지의 온도에 의해 추정되는, 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,

상기 연료 전지는 자체로의 연료 공급을 위한 연료 재순환 라인을 구비하고,

상기 가능 발전량은 상기 연료 재순환 라인의 퍼지 빈도에 의해 추정되는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 기준은 상기 2차 전지의 가능 충전량 및 가능 방전량 중 하나에 대한 임계값을 포함하는, 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서, 객실, 상기 2차 전지를 수용하도록 구성된 전지 챔버, 및 상기 객실로부터 상기 전지 챔버에 공기를 유입시키는 팬을 포함하는 차량부를 더 포함하고,

상기 제어기는 상기 객실에 대한 제3 기준이 충족될 때 상기 2차 전지의 온도를 상승시키기 위해 상기 팬을 동작시키도록 구성되며,

상기 제3 기준은 상기 객실의 대표 온도가 상기 전지 챔버의 대표 온도보다 높은지에 대한 판정을 포함하는, 연료 전지 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제3 기준은 상기 객실의 상기 대표 온도의 변화율에 대한 임계값을 포함하는, 연료 전지 시스템.
제7항에 있어서, 상기 팬은 상기 2차 전지를 냉각시키는 공기 팬을 포함하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지 시스템에 있어서,

연료 전지, 상기 연료 전지에 접속되는 전력 분배기, 및 상기 전력 분배기에 접속되는 2차 전지의 조합;

상기 전력 분배기에 접속되는 부하 세트; 및

상기 연료 전지 및 상기 2차 전지를 예열 완료하여 기동한 후, 상기 전력 분배기로부터 상기 부하 세트에 전력을 분배하는 동안,

상기 연료 전지가 그 서비스를 위한 제1 기준을 충족시키지 못할 때 상기 연료 전지의 온도를 상승시키고,

상기 2차 전지가 그 서비스를 위한 제2 기준을 충족시키지 못할 때 상기 2차 전지의 온도를 상승시키는 제어 수단을 포함하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지, 상기 연료 전지에 접속되는 전력 분배기, 및 상기 전력 분배기에 접속되는 2차 전지의 조합과, 상기 전력 분배기에 접속되는 부하 세트를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서, 상기 제어 방법은, 상기 연료 전지 및 상기 2차 전지를 예열 완료하여 기동한 후, 상기 전력 분배기로부터 상기 부하 세트에 전력을 분배하는 동안,

상기 연료 전지가 그 서비스를 위한 제1 기준을 충족시키지 못할 때 상기 연료 전지의 온도를 상승시키는 단계; 및

상기 2차 전지가 그 서비스를 위한 제2 기준을 충족시키지 못할 때 상기 2차 전지의 온도를 상승시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.