KR20200096397A - 연료 전지용 냉각수 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 스택 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하는 제어기 및 연료 전지 전압 및 연료 전지로부터 출력된 연료 전지 전류를 검출하기 위한 통신 장치를 포함한다. 연료 전지 스택 냉각수의 실시간 목표 출구 온도는 시간 경과에 따른 연료 전지 스택의 열화로 인한 목표 출구 온도를 보상하기 위해 연료 전지 스택으로부터 생성된 연료 전지 전력 대비 연료 전지 발열율에 의해 결정된다. 또한, 냉각수 온도 제어 시스템은 차량의 주행 거리가 미리 결정된 주행 거리보다 클 때 연료 전지 스택 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 작동하도록 결정한다.
Description
본 발명은 차량의 냉각수 온도를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 차량의 연료 전지 스택의 냉각수 출구 온도를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 절의 기술은 단지 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공하며, 선행 기술을 구성하는 것은 아니다.
수소 연료 전지는 유해 배기 가스 배출이 없고, 높은 효율과 재생 가능 방법으로 수소를 생성 할 수 있는 잠재력 등으로 인해 내연 기관의 대체 동력원으로 여겨진다. 동력 원으로서 사용되는 연료 전지는 복수 개로 차량에 적층된다. 또한, 차량에는 연료 전지 스택에 수소 등의 연료를 공급하는 연료 공급계, 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기 공급계와, 연료 전지 스택의 온도를 조절하는 물 및 열 관리 시스템 등을 포함한다.
수소가 연료 전지 스택의 애노드에 공급되고 산소가 연료 전지 스택의 캐소드에 공급되면, 수소 이온은 애노드에서 촉매 반응에 의해 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 양극인 산화 전극으로 이동하고, 양극에서 분리된 수소 이온은 산화 전극에서 전자와 산소와 함께 전기 화학 반응을 일으켜 전기 에너지가 획득된다. 따라서, 수소 연료 전지 차량에서는 상기 공정에 의해 생성된 전자의 이동에 의해 전기 및 열이 발생한다.
이 과정에서 연료 전지 스택은 반응 가스인 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로부터 전기 에너지를 생성하고 반응 부산물인 열과 물을 배출한다. 따라서, 차량의 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위한 장치를 포함한다. 일반적으로, 차량용 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택을 요구되는 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템은 연료 전지 스택의 냉각 채널을 통해 냉각수를 순환시킴으로써 연료 전지 스택을 냉각시키는 냉각수 타입을 널리 채택하고 있다.
이 배경 기술 분야에서 개시된 상기 정보는 본 개시의 배경에 대한 이해를 높이기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래 기술을 형성하지 않는 정보를 포함 할 수 있다.
본 발명은 차량 내의 연료 전지(FC) 스택의 온도를 제어하기 위한 냉각수 온도 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 냉각수 온도 제어 시스템은 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하도록 동작하는 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 시간 경과에 따른 FC 스택의 저하로 인해 목표 출구 온도를 보상하도록 구성되고, FC 스택에서 생성된 생성된 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 결정할 수 있다. 냉각수 온도 제어 시스템은 FC 스택으로부터 출력된 FC 전압 및 FC 전류를 검출하도록 동작 가능한 통신 디바이스를 더 포함할 수 있다. 또한 제어기는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위해 FC 스택의 수명 시작과 수명 종료시의 정FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratios)과 목표 FC 냉각수 출구 온도를 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 제어기는 상기 차량의 주행 거리가 미리 설정된 주행 거리보다 클 때 상기 FC 냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 온도 제어 시스템을 작동시킬 수 있다.
상기 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 활성화를 위한 상기 소정 주행 거리로서 30km를 설정할 수 있다.
FC 발열(FC Heat) 및 FC 전력(FC Power) 각각은 검출된 FC 전압 및 FC 전류를 평가함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 제어기는 FC 발열(Heat) = [1.25 × (연료 전지의 수) - FC 전압(Volts)] × FC 전류(Current)로부터 FC 발열을 평가하고, FC 전력(Power) = FC Volts × FC Current 로부터 FC 전력을 평가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 정 FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio)은 FC 스택의 수명 말기의 최대 FC 전력 대비 FC 발열율(
)과 FC 스택의 수명 초기의 최소 FC 전력 대비 FC 발열율(
) 에 의해 결정될 수 있다.
상기 목표 FC 냉각수 출구 온도는 FC 스택의 수명 초기에 허용되는 최소 목표 FC 냉각수 출구 온도(
) 와 FC 스택의 수명 말기에 허용되는 최대 목표 FC 냉각수 출구 온도(
) 에 의해 결정될 수 있다.
상기 제어기는 상기 FC냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 매핑하기 위해 상기 보정 라인의 기울기 m 를 
, 로부터 결정하고, X 절편을
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 제어기는 결정된 입력 FC 전력 대비 FC 발열율을 
,에 대입하여 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 FC 전압 및 FC 전류는 상기 FC 스택과 상기 시스템의 상기 통신 장치 사이에 연결된 전압 센서 및 전류 센서에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제어기를 구비 한 차량의 연료 전지(FC) 스택의 냉각수 온도 제어 방법은, 상기 FC 스택으로부터 출력된 FC 전압 및 FC 전류를 검출하는 단계, 검출된 FC 전압 및 FC 전류로 생성된 FC 발열 및 FC 스택의 FC 전력을 평가(evaluating)하는 단계, 상기 FC 스택으로부터 생성된 입력(input) FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 결정하는 단계, FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 맵핑하기 위해 FC 스택의 수명 초기 및 수명 종료시에 정 FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio) 및 목표 FC 냉각수 출구 온도를 결정하는 단계 및 FC 스택의 동작 시간에 기초하여 FC 스택의 열화로 인한 목표 출구 온도를 보상하기 위해 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 방법은 상기 차량의 주행 거리를 평가하는 단계 및 차량의 주행 거리가 미리 설정된 주행 거리보다 클 때 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 작동하도록 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 FC 냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 활성화를 위한 상기 소정 주행 거리로서 30km를 설정할 수 있다.
적용 가능성의 다른 영역은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 실시 예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 내의 연료 전지(FC) 스택의 온도를 제어하기 위한 냉각수 온도 제어 시스템 및 방법에 의하면, 열화로 인해 연료 전지 스택으로부터 발생된 과열을 보상하여 연료 전지(FC) 스택의 손상을 방지할 수 있다.
개시 내용의 이해를 위해, 첨부된 도면을 참조하여 예로서 주어진 다양한 형태가 설명 될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 연료 전지 스택의 냉각수 온도 제어 시스템의 개략도이다.
도 2는 종래의 주변 온도에 따른 목표 FC 냉각수 출구 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 연료 전지 스택의 수명 초기 및 수명 기간 종료시의 연료 전지 스택의 전압 저하를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 4는 10 만 km 이상의 연료 전지 스택 내구성 차량 데이터를 도시하는 예시적인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 형태에 따른 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 맵핑하기 위한 보정 라인을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 연료 전지 스택의 냉각수 온도 제어 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 7 및 도 8는 각각 목표 및 최대 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위한 교정 라인을 나타내는 예시적인 그래프이다.
본 명세서에 설명 된 도면은 설명을 위한 것이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 연료 전지 스택의 냉각수 온도 제어 시스템의 개략도이다.
도 2는 종래의 주변 온도에 따른 목표 FC 냉각수 출구 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 연료 전지 스택의 수명 초기 및 수명 기간 종료시의 연료 전지 스택의 전압 저하를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 4는 10 만 km 이상의 연료 전지 스택 내구성 차량 데이터를 도시하는 예시적인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 형태에 따른 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 맵핑하기 위한 보정 라인을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 연료 전지 스택의 냉각수 온도 제어 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 7 및 도 8는 각각 목표 및 최대 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위한 교정 라인을 나타내는 예시적인 그래프이다.
본 명세서에 설명 된 도면은 설명을 위한 것이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
다음의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 개시, 응용 또는 용도를 제한하려는 것이 아니다. 도면 전체에 걸쳐, 대응하는 참조 번호는 동일하거나 대응하는 부분 및 특징을 나타낸다는 것을 이해해야 한다.
예시적인 형태가 예시적인 프로세스를 수행하기 위해 복수의 유닛을 사용하는 것으로 설명되었지만, 예시적인 프로세스는 또한 하나 또는 복수의 모듈에 의해 수행 될 수도 있음을 이해 해야 한다. 또한, 제어기라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 상기 메모리는 상기 모듈들을 저장하도록 구성되고, 상기 프로세서는 특히 상기 모듈들을 실행하여 이하에서 더 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 제어 논리는 프로세서, 제어기 등에 의해 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체로서 형성 될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예는 이에 한정되는 것은 아니지만, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래시 드라이브, 스마트 카드 및 광학 데이터 저장 장치를 포함 할 수 있다.
도 1은 차량의 연료 전지(FC) 스택(12) 용 냉각수 온도 제어 시스템(10)을 도시한다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 온도 제어 시스템(10)은 연료 전지 스택(12)을 갖는 차량에 도시되어 있지만, 온도 제어 시스템(10)은 또한 연료 전지 스택(12)과 함께 임의의 다른 구조물을 냉각 시키는데 사용될 수 있다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 온도 제어 시스템(10)은 연료 전지 스택(12)으로부터 가열된 냉각수를 수용하고 냉각수로부터 외부로 열을 방출하기 위한 라디에이터(14) 및 냉각 팬(15), 연료 전지 스택(12)과 라디에이터(14) 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각수 라인(16) 및 라디에이터(14)로부터 전달받은 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인(16)을 통해 연료 전지 스택(12)으로 공급하는 냉각수 펌프(18)를 포함한다.
도 1에 도시 된 바와 같이, 온도 제어 시스템(10)은 냉각수의 양을 측정 및 / 또는 제어하기 위한 유량계(21), 연료 전지 스택(12)에 유입되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 냉각수 입구 온도 센서(22) 및 연료 전지 스택(12)으로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 냉각수 출구 온도 센서(24)를 더 포함한다. 유량계(21), 냉각수 입구 온도 센서(22) 및 냉각수 출구 온도 센서(24)는 차량의 중앙 처리 장치(CPU)를 포함하는 제어기(20)와 직접 또는 간접적으로 연결된다. 제어기(20)는 유량계(21) 및 센서들(22, 24)와 통신하기 위한 통신 장치(25)를 더 포함한다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 냉각수 입구 온도 센서(22)는 연료 전지 스택(12)의 상류에 위치되고 냉각수 출구 온도 센서(24)는 연료 전지 스택(12)의 하류에 위치된다.
또한, 제어기(20) 내의 통신 장치(25)는 연료 전지 스택(12)으로부터 출력되는 전류를 측정하기 위한 전류 센서(26) 및 연료 전지 스택(12)으로부터 출력된 전압을 측정하기 위한 전압 센서(28)와 통신한다. 따라서, 제어기(20)는 냉각수 입구 및 출구 온도 센서(22, 24), 전류 및 전압 센서(26, 28), 및 유량계(21) 각각으로부터 모든 데이터를 수신하고 냉각수 온도 및 유량을 포함하는 연료 전지 스택(12)의 온도 제어 시스템(10)의 모든 작동을 제어한다.
일반적으로, 도 1의 온도 제어 시스템(10)은 연료 전지 스택(12)의 출구에서 냉각수의 목표 온도를 설정함으로써 작동을 제어한다. 시스템(10)에서, 제어기(20)는 냉각수 출구 온도 센서(24)와 통신하여 냉각수 출구 온도를 검출하고, 측정된 온도를 소정의 목표 온도와 비교하거나, 목표 온도를 맵핑하기 위해 온도 제어 시스템의 작동을 제어 할 수 있다.
관련 기술로서의 기존의 온도 제어 시스템에서, 도 2는 시스템의 작동을 제어하여 주변 온도에 대하여 고정된 연료 전지 스택의 목표 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위한 그래프를 나타낸다. 그러나, 도 2에는, 시스템을 제어하기 위한 보정 맵핑(calibration mapping)은 수명 기간(life time)의 시작시의 연료 전지 스택의 성능을 기반으로 하며, 주위 온도당 연료 전지 스택의 목표 냉각수 출구 온도가 수명 성능의 시작 시에 고정되기 때문에 수명 성능과 같은 스택의 열화(degradation)를 고려하지 않는다. 또한, 목표 연료 전지 냉각수 출구 온도는 연료 전지 스택의 열화와 관련이 없는 주위 온도에 따라 제어 될 수 있다. 예를 들어, 더운 날씨의 목표 연료 전지 냉각수 출구 온도는 연료 전지 스택의 드라이 아웃(dry-out) 현상을 피하기 위해 감소된다. 따라서, 도 2의 목표 냉각수 출구 온도의 맵핑 제어 시스템은, 목표 냉각수 출구 온도를 제어하기 위한 시스템의 수명 기간(lift time) 동안 연료 전지 스택의 열화를 고려하지 않기 때문에 부적절 할 수 있다.
도 3에는 수명 기간 동안 연료 전지 스택(12)의 열화에 대한 그래프(30)가 도시되어 있다. 그래프(30)는 수명 기간 동안 차량의 연료 전지 스택(12) 내의 연료 전지 전류 대 연료 전지 전압을 도시한다. 곡선(32)은 수명 기간 초기에 연료 전지 전류 대 연료 전지 전압을 나타내고 곡선(34)은 차량의 연료 전지 스택(12)의 수명이 끝날 때의 연료 전지 전류 대 연료 전지 전압을 나타낸다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 수명 기간 동안 연료 전지 스택의 전압 출력이 감소된다. 따라서, 차량의 주행 거리에 따라 연료 전지 스택(12)의 전압이 저하됨에 따라, 연료 전지 스택(12)은 연료 전지 스택(12)의 열화로 인해 더 많은 폐열을 생성한다.
본 발명의 예시적인 형태에 따르면, 연료 전지 스택 작동 중에 발생된 연료 전지 스택(12)의 열은 제 1 식 E1,
즉 FC 발열(Heat) = [1.25 × (연료 전지의 수) ?-FC 전압(Volts)] × FC 전류(Current) 로 나타내진다.
여기서, 연료 전지의 수는 연료 전지 스택(12)에 설치된 연료 전지의 수를 나타낸다. 식1 E1에서, 연료 전지 전압이 저하되면, 연료 전지 스택(12)의 열이 자연적으로 증가한다. 또한, 연료 전지 전압이 저하되어 연료 전지 스택(12)의 열이 증가하면, 연료 전지 스택(12)은 더 많은 전류를 끌어 당긴다. 따라서, 현재 사용되는 연료 전지 냉각수 온도 제어 시스템은 연료 전지 스택(12)으로부터 발생된 열이 수명 기간 동안 및 연료 전지 스택(12)의 수명 종료시에 증가되기 때문에 부적절하다.
도 4는 100,000 km 이상의 연료 전지 내구성 차량 데이터에 대한 그래프를 보여 주며, 연료 전지 냉각수 출구 온도는 수명 성능의 시작 시점에 목표로 고정되어 있다. 도 4의 제 1 데이터(42) 는 최대 연료 전지 냉각수 출구 온도를 나타내고, 제 2 데이터(44)는 평균 연료 전지 냉각수 출구 온도를 나타낸다. 제 1 및 제 2 데이터(42, 44)는 모두 100,000km에 걸쳐 거의 일정한 값을 나타낸다. 따라서, 연료 전지 스택의 열량 자체만으로는 열화와 같은 연료 전지 스택의 건전성(health status)을 해석하기가 어렵다. 그러나, 제 3 데이터(46)는 100,000km 이상의 연료 전지(FC) 전력 대비 연료 전지(FC) 발열율(FC Heat to FC Power)을 나타낸다. FC 전력 대비 FC 발열율 비율은 도 4에 도시된 바와 같이 시간이 지남에 따라 상당히 증가한다. 따라서, 이 비율은 연료 전지 스택의 건전성을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 연료 전지(FC) 전력 대비 연료 전지(FC) 발열율(FC Heat to FC Power)은 첫 번째 방정식 E1에서 계산 된 FC 발열(Heat)를 두 번째 방정식 E2, 즉,
FC 전력(Power) = FC Volts × FC Current
에서 계산된 FC Power로 나누어 계산한다. 도 4에 도시 된 바와 같이, FC 전력에 대한 FC 발열율(FC heat to FC Power ratio)은 연료 전지 스택의 수명이 시작될 때 약 60 %이며, 그 비율은 10 만 km 이상에서 약 75 %까지 증가된다. 따라서, 상술 한 바와 같이, 연료 전지 스택(12)에서 발생하는 열은 수명 기간 동안 연료 전지 스택(12)의 열화로 인해 증가하고, 과열은 FC 전력 대비 FC 발열율에 의해 평가 될 수있다.
도 5는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 맵핑하기 위한 그래프를 나타낸다. 도 5에서, 
는 연료 전지 스택의 수명 말기로 간주되는 최대 FC 전력 대비 FC 발열율(Max FC Heat to FC Power ratio)을 나타내며, 
는 연료 전지 스택의 수명 초기로 간주되는 최소 FC 전력 대비 FC 발열율(Max FC Heat to FC Power ratio)을 나타내고, 
는 연료 전지 스택(12)의 수명 초기에 허용되는 최소 FC 냉각수 출구 온도를 나타내며, 
는 연료 전지 스택(12)의 수명 말기에 허용되는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 나타내며, 
는 실시간 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 나타내며 
는 실시간 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 기반으로 한 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 나타낸다. 따라서, 시스템(10)에서의 목표 FC 냉각수 출구 온도는 연료 전지 스택(12)의 수명 기간에 걸쳐 실시간 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power)에 기초하여 동적(dynamically)으로 결정된다
도 5에 도시 된 바와 같이, 차량의 온도 제어 시스템(10) 내의 제어기(20)는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 맵핑하기 위해 연료 전지 스택(12)의 수명 시작 및 수명 종료 시점에 결정된 파라미터에 기초하여 보정 라인(calibration line)을 평가한다. 전술 한 바와 같이, 보정 라인을 계산하기 위한 파라미터는 연료 전지 스택(12)의 수명의 시작 및 종료시의 정FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio) 및 연료 전지 스택(12)의 수명 시작 및 종료 시점에서 허용되는 FC 냉각수 출구 온도에 의해 결정된다. 도 5에서 평가된 보정 라인은 연료 전지 스택(12)의 수명 동안의 열화를 보상하도록 결정된다. 따라서, 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도는 도 5의 보정 라인을 따라 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율로 매핑함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 냉각수 온도 제어 시스템(10)의 제어기(20)는 연료 전지 스택(12)의 열화로 인한 과열에 대하여 목표 FC 냉각수 출구 온도를 동적으로 결정할 수 있다.
도 1에 도시 된 바와 같이, 도 5에 도시 된 바와 같이, 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도는 보정 라인을 따라 결정되고 제 3 방정식 E3에 의한 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율로 계산된다.
제 3 방정식 E3은
이며,
여기서, m 은 그래프의 교정 라인의 기울기를 나타내고, X 는 교정 라인의 절편을 나타낸다. 교정 라인의 기울기 m 은 제 4 방정식 E4에 의해 계산되며,
제 4 방정식 E4은
이고, 교정 라인의 절편 X 는 제 5 방정식 E5에 의해 계산되며,
제 5 방정식 E5은
이다.
차량의 연료 전지 스택(12)은 반응 가스인 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 생성하고 반응 부산물인 열과 물을 배출한다. 부산물 중 하나인 물은 온도 및 압력 등을 포함한 차량의 실시간 주행 조건에 따라 그 양과 상태가 변하기 때문에 연료 전지 스택(12)의 내부 현상을 추정하는 것은 어렵다. 차량의 주행 조건에 따라 물은 증기, 포화된 용액 및 얼음의 형태로 상태를 계속 변경한다. 이는 물의 상태 변화가 연료 전지 스택(12)의 분리기 채널, 가스 확산층, 촉매층, 막(도시되지 않음)을 통과하는 전자 및 가스의 특성에 영향을 미친다. 따라서 물의 상태 변화에 따라 오버 플로우 현상인 범람(flooding) 현상과 물 부족인 드라이 아웃(dry-out) 현상이 연료 전지 스택(12)에서 일어난다. 따라서, 도 5의 교정 라인에 맵핑하기 위한 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도는 연료 전지 스택(12)의 드라이 아웃 및 범람 현상을 회피하기 위해 결정될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 온도 제어 시스템(10) 내의 제어기(20)의 동작을 나타내는 예시적인 플로우 차트(100) 이다. 플로우 차트(100)에 도시된 바와 같이, 제어기(20)는 차량의 주행 거리가 미리 설정된 거리(예를 들어, 30km)보다 크면 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율로 실시간 목표 또는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 결정한다. 그러나, 차량의 주행 거리가 미리 정해진 거리보다 작으면, 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율은 낮은 연료 전지 작동과 같은 배터리 전용 작동에서 부정확해지므로 실시간 목표 또는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 평가하기 위한 제어기(20)가 활성화되지 않을 수 있다.
단계 S101에서, 제어기(20)는 동적 목표 FC 냉각수 출구 온도 시스템을 작동시키기 시작한다. 단계 S102에서, 제어기(20)는 연료 전지 스택(12)으로부터 출력된 전류를 검출하기 위한 전류 센서(26), 연료 전지 스택(12)으로부터 출력된 전압을 검출하기 위한 전압 센서(28) 및 도 1의 차량의 속도를 측정하는 속도 센서(23)와 통신한다. 단계 103에서, 제어기(20)는 단계 S102로부터의 수집된 데이터와 함께, 제 1 방정식 E1에 의한 FC 발열량(Heat value)과 제 2 방정식 E2에 의한 FC 전력값(Power value)을 계산한다. 또한, 단계 S104에서, 제어기(20)는 수집된 차량의 속도 데이터와 함께 차량의 현재 트립(trip)에서 차량의 주행 거리를 계산한다.
단계 S105에서, 제어기(20)는 단계 S103으로부터 계산된 모든 데이터를 적분함으로써 차량 주행 중 시간에 따른 총 FC 열 에너지 값(Heat energy value)을 계산한다. 단계 S106에서, 제어기(20)는 단계 S103으로부터 계산된 모든 데이터를 적분함으로써 차량의 주행 동안 시간에 따른 총 FC 전력 값(Power value)을 계산한다. 단계 S107에서, 제어기(20)는 차량의 현재 트립(trip) 동안 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power) 을 계산한다.
단계 S108에서, 제어기(20)는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 평가하기 위한 시스템(10)을 작동시키기 위해 차량의 현재 트립에서 차량의 주행 거리가 설정된 거리보다 큰지를 결정한다. 예를 들어, 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 결정하기 위한 시스템(10)을 작동시키기 위해 차량의 미리 설정된 주행 거리는 30km이다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 설정 주행 거리는 변경될 수 있다. 제어기(20)가 차량의 주행 거리가 미리 설정된 주행 거리보다 크다고 결정하면, 제어기(20)는 단계 S109에서 실시간 목표 또는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 계산하도록 활성화 된다. 그러나, 제어기(20)가 단계 S108에서 주행 거리가 미리 결정된 주행 거리보다 크지 않다고 결정하면, 제어기(20)는 실시간 목표 또는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 평가하기 위해 활성화되지 않고 다음 단계로 진행하지 않는다.
단계 S110에서, 제어기(20)는 단계 S107에서 계산된 데이터와 제 3 식(E3)을 사용하여 실시간 목표 또는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 계산한다. 또한, 단계 S110에서, 제어기(20)는 도5에 도시된 연료 전지 스택(12)의 열화를 보상하기 위한 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 맵핑하기 위한 보정 라인을 결정한다. 전술한 바와 같이, 보정 라인은 제 4 및 제 5 식(E4, E5)에 의해 결정된 데이터로 계산되고, 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도는 도 5의 보정 라인을 따라 결정된다. 따라서, 단계 S111에서, 단계 S110에서 산출된 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도는 새로운 목표 FC 냉각수 출구 온도로서 결정된다.
도7A 및 7B은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 목표 및 최대 FC 냉각수 출구 온도 각각을 매핑하기 위한 그래프를 도시한다. 도7A 및 7B의 두 그래프는 각각 연료 전지 스택(12)의 수명 시작 및 수명의 말기에서 FC 전력 대비 FC 발열율에 대해 얻어진 데이터에 기초하여, 목표 및 최대 FC 냉각수 출구 온도를 각각 맵핑하기 위해 결정된다. 도 7는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위한 일례로서의 보정 라인을 도시한다. 도 7 에 도시 된 바와 같이, 연료 전지 스택이 수명 말기에 도달하여 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율이 80 %에 접근하면, 제어기(20)는 열화로 인해 연료 전지 스택(12)으로부터 발생된 과열을 보상하기 위해 시스템(10)의 목표 FC 냉각수 출구 온도를 낮춘다. 도 8는 최대 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위한 교정 라인을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 입력 FC 전력 대비 FC 발열율이 80 %에 도달하면, 제어기(20)는 시스템(10)의 최대 FC 냉각수 출구 온도를 낮추어 연료 전지 스택(12)의 열화로 인한 과열로부터 연료 전지 스택(12)의 손상을 방지한다.
본 발명은 현재 예시적인 실시 예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시는 개시된 형태들로 제한되지 않으며, 반대로, 본 발명의 다양한 변형 예들을 포함하는 것으로 의도되며, 본 개시 내용의 사상 및 범위 내에 포함되는 균등한 구성을 포함한다.
10: 연료 전지(FC) 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템
12: 스택 14: 라디에이터
15: 냉각 팬 16: 냉각수 라인
18: 냉각수 펌프 20: 제어기
21: 유량계 22: 입구 온도 센서
23: 속도 센서 24: 출구 온도 센서
25: 통신 장치 26: 전류 센서
28: 전압 센서
12: 스택 14: 라디에이터
15: 냉각 팬 16: 냉각수 라인
18: 냉각수 펌프 20: 제어기
21: 유량계 22: 입구 온도 센서
23: 속도 센서 24: 출구 온도 센서
25: 통신 장치 26: 전류 센서
28: 전압 센서
Claims (18)
- 차량의 연료 전지(FC) 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템에 있어서, 상기 냉각수 온도 제어 시스템은,
FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하도록 동작 가능하고, 시간 경과에 따른 상기 FC 스택의 열화로 인해 목표 출구 온도를 보상하도록 구성되고, FC 스택으로부터 생성된 입력 FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 결정하는 제어기; 및
상기 FC 스택으로부터 출력된 FC 전압 및 FC 전류를 검출하도록 동작 가능한 통신 장치;
를 포함하되,
상기 제어기는 실시간 목표 FC 냉각수 출구 온도를 매핑하기 위해 FC 스택의 수명 시작과 수명 종료시의 정FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratios)과 목표 FC 냉각수 출구 온도를 결정하는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 차량의 주행 거리가 미리 설정된 주행 거리보다 클 때 상기 FC 냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 온도 제어 시스템을 작동시키는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 활성화를 위한 상기 소정 주행 거리로서 30km를 설정하는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 1 항에 있어서,
FC 발열(FC Heat) 및 FC 전력(FC Power) 각각은 검출된 FC 전압 및 FC 전류를 평가함으로써 결정되는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 4 항에 있어서,
제어기는 FC 발열(Heat) = [1.25 × (연료 전지의 수) - FC 전압(Volts)] × FC 전류(Current)로부터 FC 발열을 평가하고,
FC 전력(Power) = FC Volts × FC Current로부터 FC 전력을 평가하는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 1 항에 있어서,
정 FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio)은 FC 스택의 수명 말기의 최대 FC 전력 대비 FC 발열율()과 FC 스택의 수명 초기의 최소 FC 전력 대비 FC 발열율(
) 에 의해 결정되는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 목표 FC 냉각수 출구 온도는 FC 스택의 수명 초기에 허용되는 최소 목표 FC 냉각수 출구 온도() 와 FC 스택의 수명 말기에 허용되는 최대 목표 FC 냉각수 출구 온도(
) 에 의해 결정되는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제어기는
상기 FC냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 매핑하기 위해 상기 보정 라인의 기울기 m 를
,
로부터 결정하고,
X 절편을
.
로부터 결정하는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제 8 항에 있어서,
제어기는 결정된 입력 FC 전력 대비 FC 발열율을
에 대입하여 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 FC 전압 및 FC 전류는 상기 FC 스택과 상기 시스템의 상기 통신 장치 사이에 연결된 전압 센서 및 전류 센서에 의해 검출되는 차량의 연료 전지 스택 용 냉각수 온도 제어 시스템. - 제어기를 갖는 차량의 연료 전지(FC) 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법으로서,
상기 FC 스택으로부터 출력된 FC 전압 및 FC 전류를 검출하는 단계;
검출된 FC 전압 및 FC 전류로 생성된 FC 발열 및 FC 스택의 FC 전력을 평가(evaluating)하는 단계;
상기 FC 스택으로부터 생성된 입력(input) FC 전력 대비 FC 발열율(input FC Heat to FC Power ratio)을 결정하는 단계;
FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 맵핑하기 위해 FC 스택의 수명 초기 및 수명 종료시에 정 FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio) 및 목표 FC 냉각수 출구 온도를 결정하는 단계; 및
FC 스택의 동작 시간에 기초하여 FC 스택의 열화로 인한 목표 출구 온도를 보상하기 위해 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하는 단계;
를 포함하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 차량의 주행 거리를 평가하는 단계; 및
차량의 주행 거리가 미리 설정된 주행 거리보다 클 때 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 작동하도록 결정하는 단계;
를 더 포함하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 FC 냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 평가하기 위해 상기 활성화를 위한 상기 소정 주행 거리로서 30km를 설정하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
제어기는 FC 발열(Heat) = [1.25 × (연료 전지의 수) - FC 전압(Volts)]FC 전류(Current)로부터 FC 발열을 평가하고,
FC 전력(Power) = FC Volts × FC Current로부터 FC 전력을 평가하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법. - 제 11 항에 있어서,
정 FC 전력 대비 FC 발열율(constant FC Heat to FC Power ratio)은 FC 스택의 수명 말기의 최대 FC 전력 대비 FC 발열율()과 FC 스택의 수명 초기의 최소 FC 전력 대비 FC 발열율(
) 에 의해 결정되는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 목표 FC 냉각수 출구 온도는 FC 스택의 수명 초기에 허용되는 최소 목표 FC 냉각수 출구 온도() 와 FC 스택의 수명 말기에 허용되는 최대 목표 FC 냉각수 출구 온도(
) 에 의해 결정되는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법.
- 상기 제어기는
상기 FC냉각수의 상기 실시간 목표 출구 온도를 매핑하기 위해 상기 보정 라인의 기울기 m 를
,
로부터 결정하고,
X 절편을
.
로부터 결정하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법. - 제 17 항에 있어서,
제어기는 결정된 현재 입력 FC 전력 대비 FC 발열율을
,
에 대입하여 FC 냉각수의 실시간 목표 출구 온도를 결정하는 차량의 연료 전지 스택에 대한 냉각수 온도를 제어하기 위한 방법.
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|---|---|---|---|
| US16/264,950 | 2019-02-01 | ||
| US16/264,950 US10998565B2 (en) | 2019-02-01 | 2019-02-01 | System and method for controlling coolant temperature for fuel cell |
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