KR102324752B1 - 연료전지의 냉각 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 냉각 계통을 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 비가역/가역 열화 정도 및 출력 요구의 정도에 따라 냉각 계통 제어의 상승/하강 게인 값을 가변하여 냉각 계통 가동 세기를 결정하고 냉각 계통을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법 및 시스템이 개시된다.

Description

연료전지의 냉각 제어방법 및 제어시스템 {CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR COOLING OF FUELCELL}
본 발명은 연료전지의 비가역/가역 열화도 및 운전자 요구 출력의 변화에 따른 냉각 제어를 제시함으로써 운전성 및 내구성을 확보할 수 있는 연료전지의 냉각 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.
연료전지 시스템에서 온도를 측정하고 이에 따라 온도 제어를 실시하는 것은 시스템 효율 향상, 출력 안정화, 시스템 안정화는 물론 장기적으로 스택 내구 향상에도 매우 중요한 부분 중 하나이다. 이를 위한 스택 냉각을 위한 냉각수 펌프와 냉각팬 RPM을 제어하여 냉각성능을 확보한다.
여기서 적용되는 냉각수 펌프와 냉각팬 RPM은 스택 출구 냉각수 온도를 기반으로 고정 RPM 운전 방식 혹은 일정 온도 범위 내 고정 Gain을 가지는 PI 제어 방식에 의해서 계산 적용된다. 이때, 고정 RPM 혹은 PI 제어기의 고정 Gain은 연료전지 시스템에 맞게 초기에 튜닝되어지는 파라미터로 결정되어진다.
하지만, 종래 기술과 같이 초기에 일괄적으로 튜닝되어지는 고정된 RPM 명령 혹은 고정 Gain 적용 방식은 비가역 열화나 단기적으로 발생하는 Dry-out/Flooding과 같은 현상에 대한 대응이 어렵다.
그리고 초기 튜닝에 의해 정해진 고정된 Gain 적용 방식은 다양한 운전자에 의해 실시간으로 변경되는 요구 출력의 변화에 대해 대응이 어렵다.
또한, 운전자 요구 출력의 변화에 의한 결과론적인 현상인 온도만을 기반으로 결정되는 RPM 명령 값은 스택 발열에 따른 능동적 대응에 한계가 있는 것은 물론, 발열량 및 온도의 급변에 의한 피드포워드(Feedforward) 상황이 자주 발생하여 과도한 RPM 운전에 의한 시스템 효율 저하의 문제점을 가지고 있다.
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 10-1282622 B1
본 발명은 연료전지의 냉각 계통 제어에 관한 것으로, 연료전지 스택의 비가역/가역 열화 정도 및 출력 요구의 변화에 따라 냉각 계통 제어의 게인(Gain) 값을 가변시키는 제어를 통해 운전성 및 내구성을 확보하고자 하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉각제어는 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 도출하는 단계; 도출된 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인(Gain) 값을 도출하는 단계; 도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계; 및 결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
게인 값은 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값 및 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값으로 구성될 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계 이전에는, 연료전지 스택의 온도를 도출하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계에서는, 도출한 스택의 온도가 목표 온도보다 높을 때 상승 게인 값을 적용하고, 도출한 스택의 온도가 목표 온도보다 낮을 때 하강 게인 값을 적용할 수 있다.
연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 도출하고, 게인 값을 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 독립적으로 사용하여 게인 값을 도출할 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 비가역 열화 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시킬 수 있다.
연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도로서 드라이아웃(Dry-out) 정도를 도출하고, 게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 드라이아웃 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시킬 수 있다.
연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도로서 플러딩(Flooding) 정도를 도출하고, 게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 플러딩 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 증가시킬 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 연료전지 출력 요구의 정도로서 출력 요구의 변화율을 도출하고, 게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구의 변화율이 높을수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시킬 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 연료전지 출력 요구의 정도로서 출력 요구의 변화율을 도출하고, 게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구의 변화율이 낮을수록 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 증가시킬 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계 이전에는, 연료전지 스택의 온도를 도출하는 단계;를 더 포함하고, 도출된 온도가 기설정된 온도보다 높은 경우에는 기설정된 온도보다 낮은 경우보다 하강 게인 값을 상대적으로 적게 증가시킬 수 있다.
게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구 정도 또는 연료전지 열화 정도가 기저장된 역치 범위를 벗어나는 경우에 게인 값을 변화시킬 수 있다.
상승 게인 값 및 하강 게인 값은 아래의 수식을 통해 도출될 수 있다.
상승 게인 값 = 상승 팩터 × (비가역 열화 정도 + 드라이아웃 정도 + 출력 요구 변화율) + 상승 게인 기본값
하강 게인 값 = 하강 팩터 × (플러딩 정도 + 출력 요구 변화율) + 하강 게인 기본값
여기서, 출력 요구 변화율이 양수인 경우에는 상승 게인 값을 구하는 수식에 적용되고, 출력 요구 변화율이 음수인 경우에는 그 절대값이 하강 게인 값을 구하는 수식에 적용됨
연료전지 냉각 시스템은 연료전지를 가열하거나 냉각하는 냉각 계통; 연료전지 출력 요구의 정도를 도출하는 출력산정부; 연료전지 열화 정도를 도출하는 열화산정부; 및 도출된 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인(Gain) 값을 도출하고, 도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하며, 결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 제어부;를 포함하도록 구성될 수 있다.
연료전지의 냉각 제어방법 및 제어시스템에 따르면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 비가역 및 가역 열화 인자를 활용한 게인(Gain) 값 가변적용으로 단/장기적인 시스템 변화에 능동적으로 대처할 수 있다.
둘째, 비가역 열화 및 드라이아웃에 의한 발열량 증대에 따른 온도 급변, 열 데미지, 온도 전류제한에 의한 가속 성능 저감 문제를 극복할 수 있다.
셋째, 플러딩 발생시 과냉 현상 극복으로 카본 부식에 의한 열화 가속화를 극복할 수 있다.
넷째, 운전자 요구 출력 변화에 따른 선행적으로 대응하여 냉각성능을 미리 확보함으로써 피드포워드(Feedforward) 상황을 최소화하여 시스템 효율을 개선할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 시스템의 구성도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 방법의 순서도이다.
도 3는 연료전지의 열화 종류에 따른 스택 I-V 커브의 변화를 도시하는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다. 도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 시스템의 구성도이고, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 방법의 순서도이며, 도 3는 연료전지의 열화 종류에 따른 스택 I-V 커브의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어 시스템은 연료전지를 가열하거나 냉각하는 냉각 계통(10); 연료전지 출력 요구의 정도를 도출하는 출력산정부(20); 연료전지 열화 정도를 도출하는 열화산정부(30); 및 도출된 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인 값을 도출하고, 도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하며, 결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 제어부(40);를 포함한다.
또한, 온도도출부(50)를 더 포함하여 스택의 온도를 도출할 수 있다. 이때 스택의 온도를 직접 측정할 수도 있으며, 도시된 바와 같이 스택의 출구단에서 냉각수 온도를 측정하여 도출할 수 있다. 스택으로부터 토출된 냉각수는 스택 자체의 온도를 반영하는 것으로 볼 수 있기에, 토출되는 냉각수의 온도를 통해 연료전지 스택의 온도를 알 수 있다.
한편, 본 발명에서 냉각 계통(10)이란 연료전지(60)에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 장치로서 냉각수를 순환시키는데 이용되는 냉각수 펌프 및 라디에이터의 열교환을 위한 냉각팬 등을 포함하는 개념이다. 따라서, 냉각 계통(10)의 RPM을 제어하는 경우는 냉각수 펌프 또는 냉각팬의 RPM을 제어하는 것으로 이해될 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 방법의 순서도로서, 도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어 방법은 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 도출하는 단계(S100); 도출된 연료전지 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인(Gain) 값을 도출하는 단계(S200); 도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계(S300); 및 결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 단계(S400);를 포함할 수 있다.
이와 같은 연료전지 냉각 제어 방법에 따르면, 연료전지 냉각 계통을 단순히 고정된 게인 값을 두고 온도만을 반영하여 제어하는 것이 아니라, 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도에 따라 냉각 계통 제어의 게인 값을 가변시킬 수 있기 때문에 연료전지가 심각한 열화에 다다르는 것을 사전에 방지할 수 있고, 시스템 변화에도 능동적으로 대응함으로써 연료전지의 내구성과 응답성을 모두 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 이러한 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법은 앞서 살핀 도 1의 연료전지의 냉각 제어 시스템에 의해 구현될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 2를 함께 참조하면, 연료전지 출력 요구의 정도를 도출하는 단계(S103)는 출력산정부(20)에서 운전자가 요구하는 출력을 산정하는데, 운전자의 액셀레이터(Accelerator) 페달 센서(21)의 값, 구동모터를 제어하는 MCU(Motor Control Unit, 22)의 명령 또는 고전압배터리를 제어하는 BMS(Battery Management System, 23)로부터 도출되는 제어값 등을 함께 고려하여 연료전지에서 필요한 출력의 요구 정도를 도출할 수 있게 된다.
이와 같이 연료전지 냉각 계통의 제어를 함에 있어 연료전지에서 필요한 출력 요구의 정도를 이용할 경우 연료전지가 실제 출력을 발생하기 전에 미리 냉각 계통의 제어를 선행적으로 수행함으로써 안정적인 냉각이 가능해진다. 아울러, 연료전지의 발생 출력과 연료전지의 온도와는 밀접한 관계가 있는바, 실제 반응에 의한 출력이 발생하기 전에 미리 냉각 제어를 함으로써 온도를 효과적으로 미리 컨트롤할 수 있게 되고, 그에 따라 연료전지가 순간적으로 열화될 수 있는 상황도 회피할 수 있게 되는 것이다.
한편, 연료전지의 출력 요구의 정도로는 출력 요구의 변화율을 이용할 수 있다. 즉, 출력 요구의 변화율을 측정하여 게인 값 도출 단계에서 계산식에 이용할 수 있는 것이다. 연료전지에서 필요한 출력 요구의 정도는 단순히 필요 출력의 절대값으로 반영될 수도 있겠지만, 필요한 요구 출력은 상황에 따라 가변적이고, 선행적으로 냉각을 제어하는 개념에서 본다면 출력 요구의 변화율을 살펴 냉각을 제어하는 것이 가장 바람직하기 때문이다. 예를 들어, 현재 출력 요구가 낮다 하더라도 출력 요구의 변화율이 상승하는 흐름을 갖는다면, 추후 냉각이 좀 더 필요한 상황이기에, 현재 출력 요구가 낮다 하더라도 냉각을 미리 증대시켜 대비할 필요가 있는 것이다.
또한, 연료전지 열화 정도를 도출하는 단계(S101, S102, S104)는 열화산정부(30)에서 다양한 방법으로 도출할 수 있다. 예를 들면, 메모리에 저장된 스택의 초기성능과 현상태의 I-V 커브를 비교하여 비가역 열화 정도(S101), 가역적 열화 정도로는 드라이아웃 정도(S102), 플러딩 정도(S104)를 도출할 수 있다.
구체적으로, 도 3에서 도시하는 I-V 커브를 보면 초반에 급격하게 전압이 떨어지는 부분(A), 중간부분의 기울기가 작고 일정한 부분(B) 및 마지막에 급격하게 전압이 떨어지는 부분(C)의 3가지 영역으로 구분할 수 있다. 비가역 열화가 발생하면 I-V 커브에서 초기 성능 기준으로 전체적으로 곡선이 쳐지는 현상이 발생하고, 중간 부분의 기울기가 일정한 부분(B)에서 기울기는 일정하다.
한편, 가역 열화 중 드라이아웃이 발생하는 경우에는 I-V 커브에서 중간 부분의 기울기가 일정한 부분(B)에서 초기 성능보다 기울기가 더 아래로 쳐지는 모습이 보인다. 또한, 플러딩이 발생하는 경우에는 I-V 커브에서 마지막에 급격하게 떨어지는 지점(C)이 왼쪽으로 옮겨진다. 따라서, I-V 커브에서 초기성능과 현상태를 비교하여 연료전지의 열화 종류와 열화 정도를 도출할 수 있다. 또한, I-V 커브를 모델링하여 수식으로 나타내는 방법 등 다양한 종래의 기술들을 활용할 수 있다.
이와 같이 연료전지 냉각 계통의 제어를 함에 있어 연료전지의 열화 정도를 이용할 경우, 연료전지의 상태에 따라 냉각을 제어할 수 있어 단기적 및 장기적인 시스템 변화에 능동적으로 대처할 수 있다. 예를 들어, 비가역 열화 또는 드라이아웃이 발생하는 경우 연료전지의 발열량이 증대함에 따라 데미지가 발생하게 되는 상황을 방지할 수 있고, 이에 따른 가속 성능 제한을 막을 수 있어 운전성이 향상되는 효과가 생긴다. 또한, 플러딩 발생시에 과냉되는 경우 열화가 가속화될 수 있는 상황을 방지할 수 있어 내구성 측면에서도 효과적이다.
또한, 게인 값을 도출하는 단계(S200)는 제어부(40)에서 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도에 따른 게인 값을 도출할 수 있다. 이때 게인 값으로 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값(S220) 및 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값(S230)을 각각 도출할 수 있다.
이와 같이 게인 값을 도출할 때, 상승 게인 값과 하강 게인 값을 각각 도출하여 이용함으로써, 하나의 게인 값을 이용하는 것보다 다양한 시스템 변화에 더 효과적으로 대처할 수 있는 효과를 갖는다.
비가역 열화 정도가 큰 경우에는 냉각 계통의 가동 세기를 더 빠르게 높여야 하기 때문에 상승 게인 값(G_u)을 증가시킨다. 드라이아웃 정도가 큰 경우에도 냉각 계통의 가동 세기를 더 빠르게 높여야 하기 때문에 상승 게인 값(G_u)을 증가시킨다. 그러나 플러딩 정도가 큰 경우에는 냉각 계통의 가동 세기를 더 빠르게 낮춰야 하기 때문에 하강 게인 값(G_d)을 증가시킨다.
이때, 비가역 열화 정도, 드라이아웃 정도 및 플러딩 정도를 0 이상 1 이하의 팩터로 스케일링하여 비가역 열화 정도에 따른 상승 게인 팩터(F_di, S211), 드라이아웃 정도에 따른 상승 게인 팩터(F_dr, 212) 및 플러딩 정도에 따른 하강 게인 팩터(F_f, 214)로 상승 또는 하강 게인 값 계산에 이용한다(S220, S230).
출력 요구 정도에 따른 냉각 계통 제어의 경우에는 출력 요구의 변화율(△I)이 양수인지 음수인지 먼저 판단하고(S206), 출력 요구의 변화율이 양수로 큰 경우에는 출력을 더 빠르게 높여야 하는 경우이므로 냉각 계통의 가동 세기 또한 더 빠르게 높여야 한다. 따라서 출력 요구의 변화율이 양수로 큰 경우에는 상승 게인 값을 증가시킨다.
반대로, 출력 요구의 변화율(△I)이 음수로 낮은 경우에는 출력을 더 빠르게 낮춰야 하는 경우이므로 냉각 계통의 가동 세기 또한 더 빠르게 낮춰야 한다. 따라서 출력 요구의 변화율이 음수로 낮은 경우에는 하강 게인 값을 증가시킨다.
다만, 출력 요구의 변화율이 음수로 낮은 경우라 하더라도, 스택의 온도가 높은 경우에는 냉각 성능 확보가 우선적이므로 냉각 계통의 가동 세기를 상대적으로 덜 빠르게 낮춰야 하기 때문에 온도가 낮은 경우보다 하강 게인 값을 상대적으로 적게 증가시킨다. 따라서, 온도도출부(50)에서 도출된 스택 온도가 기설정된 온도보다 높은 경우(S216)에는 출력 요구의 변화율에 0 초과 1 이하의 팩터를 곱하여 하강 게인 값의 증가량을 감소시키거나(S217), 온도별로 하강 게인 값 그래프를 각각 다르게 저장하여 제어할 수 있다.
여기서도 출력 요구 변화율을 0 이상 1 이하의 팩터로 스케일링하여 출력 요구 변화율에 따른 상승 게인 팩터(F_iu) 또는 출력 요구 변화율에 따른 하강 게인 팩터(F_idt)를 상승 또는 하강 게인 값 계산에 이용한다(S213, S215).
다만, 출력 요구의 변화율(△I)이 음수인 경우에는 먼저 출력 요구의 변화율을 0 이상 1 이하의 팩터(F_idt)로 스케일링 하고(S215), 이때 스택의 온도가 기설정된 온도(T)보다 높은 경우(S216)에는 출력 요구 변화율의 스케일링된 팩터(F_idt)에 또 다른 0 초과 1 이하의 팩터(p)를 더 곱하여 최종 출력 요구 변화율 팩터(F_id)를 구한다(S217). 반면, 스택의 온도가 기설정된 온도(T)보다 낮은 경우(S216)에는 출력 요구 변화율에 따른 하강 게인 팩터(F_idt)는 그대로 최종 출력 요구 변화율에 따른 하강 게인 팩터(F_id)가 된다(S217').
게인 값을 도출하는 단계(S200)에서 출력 요구의 정도 또는 연료전지의 열화 정도에 역치 구간을 두어 역치 구간을 벗어나는 경우에만 상승 또는 하강 게인 값을 변화시키고, 역치 구간을 벗어나지 않는 출력 요구의 정도 또는 연료전지의 열화 정도에는 상승 또는 하강 게인 값을 변화시키지 않는다(S201, S211', S202, S212', S203, S213', S204, S214', S205, S215').
이를 통해, 너무 잦은 게인 값 변화가 발생하는 것을 방지하여 시스템을 안정화시킬 수 있다.
상승 게인 값 또는 하강 게인 값은 아래 식을 통하여 도출될 수 있다.
상승 게인 값 = 상승 팩터 × (비가역 열화 정도 + 드라이아웃 정도 + 출력 요구 변화율) + 상승 게인 기본값
하강 게인 값 = 하강 팩터 × (플러딩 정도 + 출력 요구 변화율) + 하강 게인 기본값
여기서, 상승 팩터 및 하강 팩터는 가역/비가역 열화 정도 및 출력 요구 변화율에 따라 게인 값을 가변시키는 가중치를 의미하고, 출력 요구 변화율이 양수인 경우에는 상승 게인 값을 구하는 수식에 적용되고, 출력 요구 변화율이 음수인 경우에는 그 절대값이 하강 게인 값을 구하는 수식에 적용된다.
구체적으로 비가역 열화 정도, 드라이아웃 정도, 플러딩 정도 및 출력 요구 변화율을 0 이상 1 이하의 스케일링한 팩터로 이용하면 아래 식을 도출할 수 있다(S220, S230).
상승 게인 값(G_u) = 상승 팩터(W_u) × (F_di+F_dr+F_iu) + 상승 게인 기본값(G_uBase)
하강 게인 값(G_d) = 하강 팩터(W_d) × (F_id+F_f) + 하강 게인 기본값(G_dBase)
냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계(S300)는 제어부(40)에서 앞서 도출된 게인 값을 이용하여 냉각수 펌프 및 냉각팬 등의 가동 RPM을 결정한다.
여기서 온도도출부(50)에서 도출된 스택의 온도가 목표 온도보다 높을 때는 냉각 계통의 가동 세기를 높여야 하므로 상승 게인 값(G_u)을 적용하고, 도출된 스택의 온도가 목표 온도보다 낮을 때는 냉각 계통의 가동 세기를 낮춰야 하므로 하강 게인 값(G_d)을 적용할 수 있다.
냉각 계통의 RPM은 PI 제어를 이용하거나 다음과 같은 수식을 이용하여 결정할 수 있다.
RPM 명령 = 이전 RPM 명령 + 게인 값 × (도출된 스택의 현재 온도 - 스택의 목표 온도)
여기서, 게인 값은 도출된 스택의 현재 온도가 목표 온도보다 높을 때 상승 게인 값을 대입하고, 도출된 스택의 현재 온도가 목표 온도보다 낮을 때 하강 게인 값을 대입한다.
냉각 계통을 제어하는 단계(S400)는 제어부(40)에서 냉각수 펌프 및 냉각팬을 결정된 RPM 명령 값으로 제어한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.
S100 : 출력 요구의 정도 또는 연료전지 열화 정도를 도출하는 단계
S200 : 게인 값 도출 단계
S300 : 냉각 계통의 가동 세기 결정 단계
S400 : 냉각 계통 제어 단계
10 : 냉각계통
20 : 출력산정부
21 : 액셀 페달
22 : MCU
23 : BMS
30 : 열화산정부
40 : 제어부
50 : 온도도출부
60 : 연료전지

Claims (13)

  1. 연료전지 열화 정도, 또는 연료전지 열화 정도 및 연료전지 출력 요구의 정도를 도출하는 단계;
    도출된 연료전지 열화 정도, 또는 도출된 연료전지 열화 정도 및 연료전지 출력 요구의 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인(Gain) 값을 도출하는 단계;
    도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계; 및
    결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 단계;를 포함하되,
    연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 도출하고,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 독립적으로 사용하여 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인값 및 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 도출하고,
    도출된 비가역 열화 정도 또는 도출된 가역 열화 정도 중 적어도 어느 하나가 클수록 상승 게인 값을 증가시키거나 하강 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계 이전에는, 연료전지 스택의 온도를 도출하는 단계;를 더 포함하고,
    냉각 계통의 가동 세기를 결정하는 단계에서는, 도출한 스택의 온도가 목표 온도보다 높을 때 상승 게인 값을 적용하고, 도출한 스택의 온도가 목표 온도보다 낮을 때 하강 게인 값을 적용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 비가역 열화 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도로서 드라이아웃(Dry-out) 정도를 도출하고,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 드라이아웃 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 열화 정도를 도출하는 단계에서는 가역 열화 정도로서 플러딩(Flooding) 정도를 도출하고,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 플러딩 정도가 클수록 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 연료전지 출력 요구의 정도로서 출력 요구의 변화율을 도출하고,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구의 변화율이 높을수록 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 연료전지 출력 요구의 정도로서 출력 요구의 변화율을 도출하고,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구의 변화율이 낮을수록 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계 이전에는, 연료전지 스택의 온도를 도출하는 단계;를 더 포함하고,
    도출된 온도가 기설정된 온도보다 높은 경우에는 기설정된 온도보다 낮은 경우보다 하강 게인 값을 상대적으로 적게 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    게인 값을 도출하는 단계에서는 도출된 출력 요구 정도 또는 연료전지 열화 정도가 기저장된 역치 범위를 벗어나는 경우에 게인 값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    게인 값은 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용하는 상승 게인 값 및 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값으로 구성되며, 상승 게인 값 및 하강 게인 값은 아래의 수식을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
    상승 게인 값 = 상승 팩터 × (비가역 열화 정도 + 드라이아웃 정도 + 출력 요구 변화율) + 상승 게인 기본값
    하강 게인 값 = 하강 팩터 × (플러딩 정도 + 출력 요구 변화율) + 하강 게인 기본값
    여기서, 상승 팩터 및 하강 팩터는 가역/비가역 열화 정도 및 출력 요구 변화율에 따라 게인 값을 가변시키는 가중치를 의미하고, 출력 요구 변화율이 양수인 경우에는 상승 게인 값을 구하는 수식에 적용되고, 출력 요구 변화율이 음수인 경우에는 그 절대값이 하강 게인 값을 구하는 수식에 적용됨
  13. 연료전지를 가열하거나 냉각하는 냉각 계통;
    연료전지 출력 요구의 정도를 도출하는 출력산정부;
    연료전지 열화 정도를 도출하는 열화산정부; 및
    도출된 연료전지 열화 정도, 또는 도출된 연료전지 열화 정도 및 연료전지 출력 요구의 정도를 통해 연료전지의 냉각을 수행하는 냉각 계통을 제어하기 위한 게인(Gain) 값을 도출하고, 도출된 게인 값을 적용하여 냉각 계통의 가동 세기를 결정하며, 결정된 가동 세기에 따라 냉각 계통을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    열화산정부는 연료전지의 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 도출하고,
    제어부는 가역 열화 정도와 비가역 열화 정도를 독립적으로 사용하여 냉각 계통의 가동 세기를 증가시킬 때 적용되는 상승 게인 값 및 냉각 계통의 가동 세기를 감소시킬 때 적용하는 하강 게인 값을 도출하고,
    도출된 비가역 열화 정도 또는 가역 열화 정도 중 적어도 어느 하나가 클수록 상승 게인 값을 증가시키거나 하강 게인 값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어시스템.
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