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KR20210060684A - 연료전지 차량의 운전 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 운전 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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KR20210060684A
KR20210060684A KR1020190146861A KR20190146861A KR20210060684A KR 20210060684 A KR20210060684 A KR 20210060684A KR 1020190146861 A KR1020190146861 A KR 1020190146861A KR 20190146861 A KR20190146861 A KR 20190146861A KR 20210060684 A KR20210060684 A KR 20210060684A
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KR
South Korea
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fuel cell
vehicle
air
driving
supply
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020190146861A
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English (en)
Inventor
정재권
이동훈
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
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Priority to US16/892,562 priority patent/US11440437B2/en
Priority to CN202010599694.0A priority patent/CN112820899B/zh
Priority to DE102020208580.3A priority patent/DE102020208580A1/de
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Abstract

수소와 공기를 각각 공급받고, 내부에서 수소와 산소의 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 주행판단부; 연료전지로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 전력산출부; 및 주행판단부에서 판단한 주행 상태 및 전력산출부에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기 공급을 제어하는 공급제어부;를 포함하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 운전 제어시스템 및 제어방법 {DRIVING CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUELCELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 운전 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 연료전지 차량의 정차 상태에서 연료전지의 운전 전략에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 전기에너지가 발생한다.
특히, 수소이온과 공기중의 산소가 반응하는 전기화학반응에 의해 생성수(H20)가 생성되며, 생성수는 가습기를 통하여 외부로 배출된다. 다만, 연료전지 차량이 정차 상태에서 전력 발전을 지속하는 경우에는 생성수가 도로에 지속적으로 배출되어 특히 겨울철의 경우 도로에 빙판이 형성되는 문제가 있었다.
또한, 연료전지 차량이 정차 상태에서 전력 발전시 연료전지 스택의 냉각을 위한 냉각팬의 소음이 크게 발생하는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0014301 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 차량의 정차시 배출되는 생성수를 감소시키는 운전시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 운전 제어시스템은 수소와 공기를 각각 공급받고, 내부에서 수소와 산소의 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 주행판단부; 연료전지로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 전력산출부; 및 주행판단부에서 판단한 주행 상태 및 전력산출부에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기 공급을 제어하는 공급제어부;를 포함한다.
주행판단부에서는, 연료전지 차량의 차속 정보 또는 변속단 정보를 기반으로 차량이 주행하는 상태인지 또는 정차하는 상태인지 판단할 수 있다.
주행판단부에서는, 네비게이션 정보를 기반으로 차량이 목적지에 도착한 경우 차량이 정차하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.
전력산출부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 보기류가 소모하는 전력을 요구 전력으로 산출할 수 있다.
공급제어부에서는, 연료전지에서 요구 전력의 발전에 요구되는 요구 산소량이 포함된 요구 공기량의 기설정된 비율로 공기 공급을 제어할 수 있다.
기설정된 비율은 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 차량이 주행하는 상태로 판단시보다 작게 설정될 수 있다.
공급제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
공급제어부에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 위치된 압축기의 회전속도 또는 연료전지로부터 공기를 배출하는 공기배출라인에 위치된 압력조절밸브의 개도를 조절함으로써 공기 공급을 제어할 수 있다.
외기 온도를 측정하는 온도센서;를 더 포함하고, 공급제어부에서는, 온도센서에서 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
연료전지에는 복수 개의 단위셀이 적층된 스택이 복수 개 포함되고, 공급제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 복수 개의 스택 중 일부에만 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
주행판단부에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지의 냉각을 제어하는 냉각제어부;를 더 포함할 수 있다.
냉각제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시킬 수 있다.
냉각제어부에서는, 연료전지 내부의 공기 습도가 기설정된 습도 범위 이내로 유지되도록 타겟 온도를 설정할 수 있다.
냉각제어부에서는, 연료전지로 순환되는 냉각수를 순환시키는 냉각펌프의 회전수 또는 냉각수와 외기를 냉각시키는 라디에이터로 외기를 유동시키는 냉각팬의 회전수를 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 운전 제어방법은 연료전지가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 단계; 연료전지로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 단계; 및 판단한 주행 상태 및 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기 공급을 제어하는 단계;를 포함한다.
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계 이전에, 외기 온도를 측정하는 단계;를 더 포함하고, 공기 공급을 제어하는 단계에서는, 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계 이후에, 주행판단부에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지의 냉각을 제어하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지의 냉각을 제어하는 단계에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 운전 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 차량의 정차 상태에서 생성수의 발생량을 감소시킴으로써 정차된 차량의 주위에서의 빙판 형성을 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 정차된 차량에서 연료전지 스택을 냉각하는 냉각량이 감소됨에 따라 냉각장치의 구동에 따른 소음 및 진동을 감소시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 운전 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 I-V 커브이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 운전 제어방법의 순서도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 운전 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 수소와 공기를 각각 공급받고, 내부에서 수소와 산소의 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 주행판단부(20); 연료전지(10)로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 전력산출부(30); 및 주행판단부(20)에서 판단한 주행 상태 및 전력산출부(30)에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 제어하는 공급제어부(40);를 포함한다.
연료전지(10)는 연료전지 스택(11)이 포함된 것으로, 연료전지 스택(11)은 복수의 단위셀들이 적층되어 직렬로 연결됨으로써 고전압을 형성할 수 있다. 연료전지 스택(11)은 일반적으로 1개로 구성될 수도 있으나, 고전류가 요구되는 버스, 트럭 등의 대형차에는 복수 개의 연료전지 스택(11)이 포함될 수 있다.
연료전지 스택(11)의 애노드 측에서는 수소가 수소 이온으로 산화되면서 전자가 분리되는 반응이 발생한다. 연료전지 스택(11)의 캐소드 측에서는 산소가 수소 이온 및 전자와 반응함에 따라 생성수(물)이 발생한다.
결론적으로, 연료전지 스택(11)에는 수소와 산소가 반응하면서 생성수가 발생되고, 생성수의 양은 연료전지 스택(11)의 발전 전력량에 비례하는 수소와 산소의 반응량에 따라 증가되거나 감소한다.
연료전지 스택(11)은 전력을 발전하여 모터와 같은 구동계(12) 및 보기류(13)에 발전한 전력을 공급할 수 있다. 보기류(13)는 구동계 이외의 부품으로, 공기를 공급하는 압축기(61), 펌프, 컨버터 등의 연료전지(10)와 관련한 부품들 뿐만 아니라 공조장치, 라이트 등 전력을 소모하는 부품들을 모두 포함할 수 있다.
연료전지 스택(11)에서 발전한 전력은 구동계에서 소모하거나 보기류(13)에서 소모하고, 잉여 전력은 컨버터를 통해 연결된 고전압배터리를 충전시킬 수 있다. 반대로, 연료전지 스택(11)에서 발전한 전력이 구동계 및 보기류(13)의 소모 전력보다 작은 경우에는 고전압배터리가 방전되면서 전력이 보충될 수 있다.
주행판단부(20)에서는 연료전지(10) 차량의 주행 상태를 판단할 수 있다. 구체적으로, 주행판단부(20)는 연료전지(10) 차량이 구동계를 구동하여 주행하는 상태인지 또는 연료전지(10) 차량이 정차하는 상태인지 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 주행판단부(20)는 운전자로부터 차량의 주행 여부를 입력받을 수 있다. 즉, 주행판단부(20)에 의해 차량이 정차 상태인지 자동으로 판단할 수도 있으나, 운전자로부터 차량의 정차 모드로의 도입을 입력 받을 수 있다.
전력산출부(30)는 연료전지(10)로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출할 수 있다. 연료전지(10)로부터 요구되는 요구 전력은 구동계의 소모 전력과 보기류(13)의 소모 전력의 합일 수도 있고, 고전압배터리의 충전 또는 방전이 요구되는 경우에는 구동계의 소모 전력과 보기류(13)의 소모 전력의 합에서 충전 전력이 가산되거나 또는 방전 전력이 감산될 수 있다.
공급제어부(40)는 전력산출부(30)에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 제어할 수 있다.
연료전지 스택(11)으로 공급하는 수소는 지속적으로 순환되고, 연료전지 스택(11)에서 발전하는 전력은 공급제어부(40)에서 제어하는 공기 공급량에 의해 제어될 수 있다. 즉, 공급제어부(40)에서는 공기 공급을 가변시킴으로써 연료전지(10)의 발전 전력을 제어할 수 있다.
공급제어부(40)는 전력산출부(30)에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 제어하되, 주행판단부(20)에서 판단한 주행 상태을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 가변할 수 있다.
이에 따라, 차량의 주행 상태를 반영하여 연료전지 스택(11)으로 공급하는 공기 공급을 제어함으로써 각 주행 상태에 적절한 연료전지(10)의 전력 발전을 구현할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 차량이 장시간동안 정차하는 상태에서 소모 전력이 지속적으로 발생하는 경찰 버스 등의 경우에는 차량의 장시간 정차 여부에 따른 연료전지(10)의 운전 제어가 요구될 수 있다.
구체적으로, 주행판단부(20)에서는, 연료전지(10) 차량의 차속 정보 또는 변속단 정보를 기반으로 차량이 주행하는 상태인지 또는 정차하는 상태인지 판단할 수 있다.
더 구체적으로, 주행판단부(20)는 연료전지(10) 차량의 차속이 기설정된 속도(예를 들어, 5 km/h) 이하인 경우 정차하는 상태로 판단할 수 있고, 변속단 정보가 P 레인지(Parking Range)인 경에 정차하는 상태로 판단할 수 있다.
추가로, 주행판단부(20)는 차량의 차속 정보 또는 변속단 정보가 기설정된 조건을 기설정된 유지시간 이상 유지하는 경우에 정차하는 상태로 판단할 수 있다. 기설정된 유지시간은 예를 들어 5분으로 설정될 수 있다.
주행판단부(20)에서는, 네비게이션 정보를 기반으로 차량이 목적지에 도착한 경우 차량이 정차하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.
주행판단부(20)에서는 차량의 GPS를 이용함으로써 차량의 위치를 감지할 수 있고, 차량의 위치가 네비게이션에 입력된 목적지에 도달한 경우 차량이 정차하는 상태로 판단할 수 있다.
전력산출부(30)에서는, 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 보기류(13)가 소모하는 전력을 요구 전력으로 산출할 수 있다.
주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우에는 차량의 구동계에서 소모하는 전력은 0 이거나 상대적으로 감소될 수 있다. 또한, 차량이 정차하는 상태로 고전압배터리를 충전하거나 방전시키지 않고 유지할 수 있다.
이에 따라, 전력산출부(30)에서는 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 보기류(13)가 소모하는 전력을 그대로 연료전지 스택(11)의 요구 전력으로 산출할 수 있다.
공급제어부(40)에서는, 연료전지(10)에서 요구 전력의 발전에 요구되는 요구 산소량이 포함된 요구 공기량의 기설정된 비율로 공기 공급을 제어할 수 있다.
연료전지 스택(11)에서 발전하는 전력은 소모하는 산소량과 직접적으로 비례할 수 있다. 이에 따라, 연료전지(10)의 요구 전력과 요구 산소량은 직접적으로 비례할 수 있다.
공급제어부(40)는 연료전지(10)의 요구 전력에 따른 요구 산소량이 포함된 요구 공기량에 기설정된 비율로 공기 공급량을 제어할 수 있다. 요구 공기량의 내부에는 20% 또는 21%의 산소가 포함된 것으로 가정하여 요구 산소량에 따른 요구 공기량을 산출할 수 있다.
요구 공기량과 공기 공급량 사이의 비율을 SR(Stoichiometry Ration)로 설정하고, SR은 1보다 크게 기설정할 수 있다. 즉, 공급제어부(40)는 연료전지 스택(11)의 요구 전력을 발전하기 위한 요구 공기량보다 많은 공기를 연료전지 스택(11)으로 공급하도록 제어할 수 있다.
특히, 공급제어부(40)는 연료전지(10) 차량이 주행하는 상태인 경우에, SR이 1 보다 크도록 연료전지 스택(11)으로 요구 공기량보다 많은 공기를 공급하도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(11)의 I-V 커브이다.
도 2를 더 참조하면, 동일한 전력을 발전하는 경우 연료전지 스택(11)의 출력 전류와 출력 전압은 서로 반비례할 수 있다. 연료전지 스택(11)이 발전한 전력을 구동계 및 보기류(13)로 공급하는 연료전지 스택(11)의 출력 전류가 상대적으로 큰 구간(①)에서는 출력 전압이 상대적으로 작을 수 있다. 특히, 연료전지(10) 차량이 주행하는 상태에서 연료전지 스택(11)의 출력 전류가 상대적으로 크고, 출력 전압이 상대적으로 작을 수 있다.
다만, 연료전지(10) 차량의 구동계에서 요구되는 전력이 상대적으로 작거나 없는 연료전지 스택(11)의 출력 전류가 상대적으로 작은 구간(②)에서는 출력 전압이 상대적으로 크게 발생할 수 있다. 특히, 연료전지(10) 차량의 정차하는 상태에서 연료전지 스택(11)의 출력 전류가 상대적으로 작고, 출력 전압이 상대적으로 증가될 수 있다.
종래 기술에 따르면, 연료전지 스택(11)의 요구 전력이 작은 구간(②)에서는 연료전지 스택(11)이 고전위에 노출되지 않도록 전압 상한 제어를 통하여 의도적으로 연료전지 스택(11)의 효율을 감소시켜 출력되는 전력을 감소시킨다.
연료전지 스택(11)의 요구 전력이 작은 구간(②)에서 구동계 또는 보기류(13)의 소모 전력 이외에 배터리에서 충전을 수행하거나 소모 전력이 의도하지 않게 갑자기 상승하는 경우 SR이 1보다 크기 때문에 전압 상한 상태에서 전류를 발생시킬 수 있으므로 완벽한 전력 제어가 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 요구 공기량과 공기 공급량 사이의 기설정된 비율은 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 차량이 주행하는 상태로 판단시보다 작게 설정될 수 있다.
구체적으로, 공급제어부(40)는 차량이 정차하는 상태에서 기설정된 비율(SR)을 1 또는 1에 근접하게 기설정함으로써 연료전지(10)의 요구 전력에 해당하는 전력만을 발전할 수 있다.
공급제어부(40)에서는, 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
즉, 공급제어부(40)는 주행시보다 정차시에 요구 전력 대비 공기 공급량을 감소할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택(11)의 내부에서 발생하는 화학 반응량 자체를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 차량의 정차시 생성수의 과생성을 방지할 수 있고, 의도적인 전압 상한 제어를 통하여 발생하는 손실 전력을 감소시킴으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
공급제어부(40)에서는, 연료전지(10)로 공기를 공급하는 공기공급라인(60)에 위치된 압축기(61)의 회전속도 또는 연료전지(10)로부터 공기를 배출하는 공기배출라인(70)에 위치된 압력조절밸브(71)의 개도를 조절함으로써 공기 공급을 제어할 수 있다.
특히, 공급제어부(40)는 압축기(61)의 회전속도 및 압력조절밸브(71)의 개도를 동시에 제어함으로써 공기공급라인(60) 및 공기배출라인(70)을 통해 유동되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
외기 온도를 측정하는 온도센서(50);를 더 포함하고, 공급제어부(40)에서는, 온도센서(50)에서 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
온도센서(50)는 외기의 온도를 측정하는 센서이고, 공급제어부(40)는 온도센서(50)에서 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이후인 경우에 생성수가 상대적으로 적게 발생하도록 SR을 감소시키도록 제어할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 외기 온도는 통신망을 이용하여 기상청 서버로부터 전송받아 입력될 수 있다.
특히, 기설정된 온도는 생성수가 빙결될 수 있는 온도로, 연료전지(10) 차량의 외부로 배출된 생성수가 빙결될 가능성이 있는 경우에 생성수의 절대량을 감소시키는 것이다. 이에 따라, 정차하는 상태의 차량 외부로 생성수가 배출됨에 따라 생성수의 빙결이 발생되지 않도록 방지하는 효과를 갖는다.
다른 실시예로, 공급제어부(40)에서는, 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 복수 개의 스택 중 일부에만 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
복수 개의 연료전지 스택(11)이 포함된 경우, 공급제어부(40)는 차량의 정차시 복수 개의 스택(11) 중 일부에만 공기를 공급하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 요구 전력이 상대적으로 적은 상태에서 연료전지 스택(11) 내부의 화학 반응을 감소시켜 생성수의 발생을 감소시킬 수 있다.
주행판단부(20)에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지(10)의 냉각을 제어하는 냉각제어부(80);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 차량이 정차하는 상태에서 공기 공급량이 상대적으로 감소되면 연료전지 스택(11) 내부에서 발생된 생성수가 배출되지 않아 플러딩(Flooding)이 발생할 수 있다.
연료전지 스택(11) 내부의 플러딩을 방지하기 위하여, 냉각제어부(80)는 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지(10)의 냉각량을 감소시킴으로써 연료전지(10)의 온도를 상승시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 스택(11)의 내부에서 발생하는 생성수가 기체 상태로 외부에 배출되어 응축수에 의한 플러딩을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 냉각제어부(80)에서는, 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지(10)의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시킬 수 있다.
냉각제어부(80)는 설정된 타겟 온도로 연료전지(10)의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 피드백 제어, PI(Proportional Integral) 제어 등과 같이 연료전지(10)의 온도가 설정된 타겟 온도가 되도록 냉각계(90)가 연료전지(10)를 냉각시키는 냉각량을 증대시키거나 감소시키도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택(11)의 온도는 상승하고, 응축수를 증기 상태로 외부에 배출할 수 있고, 증기 상태로 배출됨에 따라 차량 주위의 빙판 형성을 방지할 수 있다.
냉각제어부(80)에서는, 연료전지(10)로 순환되는 냉각수를 순환시키는 냉각펌프(91)의 회전수 또는 냉각수와 외기를 냉각시키는 라디에이터(92)로 외기를 유동시키는 냉각팬(93)의 회전수를 제어할 수 있다.
냉각제어부(80)는 차량이 정차하는 상태인 경우에 타겟 온도를 상승시킴으로써 연료전지(10)를 냉각하는 냉각량을 감소시킬 수 있다. 특히, 냉각펌프(91)의 회전수를 감소시키거나 라디에이터(92) 주위의 외기를 유동시키는 냉각팬(93)의 회전수를 감소시킬 수 있다.
다른 실시예로, 냉각제어부(80)는 냉각펌프(91) 또는 냉각팬(93)이 작동하는 빈도를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 차량의 정차 상태에서 냉각팬(93) 또는 냉각펌프(91)의 회전에 의해 발생하는 진동 및 소음이 저감되는 효과를 갖는다.
일반적으로 연료전지 스택(11)의 온도가 상승하면 연료전지 스택(11)의 열화가 촉진될 수 있으나, 본 발명과 같이 차량이 정차하는 상태에서는 연료전지 스택(11)에서 출력하는 전력이 상대적으로 적으므로 스택(11)의 열화 촉진은 발생되지 않을 수 있다.
특히, 냉각제어부(80)에서는, 연료전지(10) 내부의 공기 습도가 기설정된 습도 범위 이내로 유지되도록 타겟 온도를 설정할 수 있다. 냉각제어부(80)는 연료전지 스택(11) 내부의 캐소드 측에 포함된 공기의 습도가 기설정된 습도 범위 이내로 유지되도록 타겟 온도를 제어할 수 있다.
냉각제어부(80)는 연료전지 스택(11)의 온도가 타겟 온도인 상태에서 연료전지 스택(11) 내부의 캐소드 측 공기 습도가 기설정된 습도 범위를 벗어난 경우에는 타겟 온도를 가변시킬 수 있다.
여기서, 기설정된 습도 범위는 연료전지 스택(11)의 내구성에 영향을 주지 않으면서 연료전지 스택(11) 내부에 생성수가 응축되지 않는 범위로 설정될 수 있다. 예를 들어 60% 내지 70% 사이의 상대 습도 범위로 기설정될 수 있다.
구체적으로, 공기 습도가 기설정된 습도 범위를 초과한 경우에는 타겟 온도를 더 증가시키고, 공기 습도가 기설정된 습도 범위 미만인 경우에는 타겟 온도를 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 운전 제어방법의 순서도이다.
도 3을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 차량의 운전 제어방법은 연료전지(10)가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 단계(S100); 연료전지(10)로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 단계(S300); 및 판단한 주행 상태 및 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 제어하는 단계(S400);를 포함한다.
공기 공급을 제어하는 단계(S400)에서는, 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계(S400) 이전에, 외기 온도를 측정하는 단계(S200);를 더 포함하고, 공기 공급을 제어하는 단계(S100)에서는, 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계(S400) 이후에, 주행판단부(20)에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지(10)의 냉각을 제어하는 단계(S500);를 더 포함하고, 연료전지(10)의 냉각을 제어하는 단계(S500)에서는, 주행판단부(20)에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지(10)의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 연료전지 20 : 주행판단부
30 : 전력산출부 40 : 공급제어부
50 : 온도센서 60 : 공기공급라인
70 : 공기배출라인 80 : 냉각제어부
90 : 냉각계

Claims (18)

  1. 수소와 공기를 각각 공급받고, 내부에서 수소와 산소의 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 주행판단부;
    연료전지로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 전력산출부; 및
    주행판단부에서 판단한 주행 상태 및 전력산출부에서 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기 공급을 제어하는 공급제어부;를 포함하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    주행판단부에서는, 연료전지 차량의 차속 정보 또는 변속단 정보를 기반으로 차량이 주행하는 상태인지 또는 정차하는 상태인지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    주행판단부에서는, 네비게이션 정보를 기반으로 차량이 목적지에 도착한 경우 차량이 정차하는 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    전력산출부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 보기류가 소모하는 전력을 요구 전력으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    공급제어부에서는, 연료전지에서 요구 전력의 발전에 요구되는 요구 산소량이 포함된 요구 공기량의 기설정된 비율로 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    기설정된 비율은 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단한 경우, 차량이 주행하는 상태로 판단시보다 작게 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    공급제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    공급제어부에서는, 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급라인에 위치된 압축기의 회전속도 또는 연료전지로부터 공기를 배출하는 공기배출라인에 위치된 압력조절밸브의 개도를 조절함으로써 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    외기 온도를 측정하는 온도센서;를 더 포함하고,
    공급제어부에서는, 온도센서에서 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    연료전지에는 복수 개의 단위셀이 적층된 스택이 복수 개 포함되고,
    공급제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 복수 개의 스택 중 일부에만 공기를 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    주행판단부에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지의 냉각을 제어하는 냉각제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    냉각제어부에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    냉각제어부에서는, 연료전지 내부의 공기 습도가 기설정된 습도 범위 이내로 유지되도록 타겟 온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  14. 청구항 11에 있어서,
    냉각제어부에서는, 연료전지로 순환되는 냉각수를 순환시키는 냉각펌프의 회전수 또는 냉각수와 외기를 냉각시키는 라디에이터로 외기를 유동시키는 냉각팬의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어시스템.
  15. 연료전지가 탑재된 차량의 주행 상태를 판단하는 단계;
    연료전지로부터 공급이 요구되는 요구 전력을 산출하는 단계; 및
    판단한 주행 상태 및 산출한 요구 전력을 기반으로 연료전지로 공급하는 공기 공급을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 운전 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    공기 공급을 제어하는 단계에서는, 차량이 정차하는 상태로 판단시 요구 전력 대비 공기 공급량을 차량이 주행하는 상태에서 요구 전력 대비 공기 공급량보다 감소되도록 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    공기 공급을 제어하는 단계 이전에, 외기 온도를 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    공기 공급을 제어하는 단계에서는, 측정한 외기 온도가 기설정된 온도 이하인 경우에 요구 전력 대비 공기 공급량이 감소되도록 공기 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    공기 공급을 제어하는 단계 이후에, 주행판단부에서 판단한 주행 상태를 기반으로 연료전지의 냉각을 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    연료전지의 냉각을 제어하는 단계에서는, 주행판단부에서 차량이 정차하는 상태로 판단시 연료전지의 냉각을 제어하는 목표 온도인 타겟 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 운전 제어방법.
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