KR102497029B1 - 연료전지 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지 제어방법은, 복수 개의 서브스택을 직렬로 연결하여 스택을 이루는 연료전지의 제어방법으로서, 복수 개의 서브스택 중 하나의 서브스택에서 발생되는 전력만으로 모터를 구동하는 제1모드 및 직렬 연결된 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하는 제2모드를 포함하는 차량 구동 모드를 구성하는 설정단계, 차량에 요구되는 토크 및 RPM에 따라 구동모터의 출력값을 산출하는 준비단계, 상기 준비단계에서 산출된 출력값을 달성하기 위한 제1모드에서의 전압 및 전류와 제2모드에서의 전압 및 전류를 계산하고, 계산된 전압과 전류를 바탕으로 제1모드 및 제2모드의 연비를 각각 예측하는 처리단계 및 상기 처리단계에서 획득한 정보를 이용하여 제1모드 및 제2모드 중 어느 하나를 선택하는 결정단계를 포함한다.

Description

연료전지 제어방법 {CONTROL METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 서브스택 모듈을 직렬로 연결하여 스택을 구성한 연료전지 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 복수 개의 셀을 직렬로 연결하여 하나의 연료전지 스택을 형성하게 된다. 이렇게 셀을 복수 층으로 형성시킴으로써 높은 전압 및 전류를 얻을 수 있게 된다.
그러나 복수 개의 셀을 일차원적으로 계속 적층하게 되면, 연료전지 스택의 형상이 판재 형상으로 넓고 낮아지기 때문에, 좁은 공간에 연료전지 스택을 효과적으로 배치하기 어려워지는 문제가 있다.
따라서, 복수 개의 셀이 직렬로 연결된 서브스택 모듈을 복수 개 마련하고, 이들을 버스바(bus bar)를 통해 직렬 연결함으로써 하나의 연료전지 스택을 구성함으로써 공간 활용성을 높이는 방법이 사용되고 있다.
한편, 자동차용 연료전지는 통상적으로 100kW 급의 고출력을 낼 수 있는데, 연료전지에서 발생되는 전기의 전압이 높아질수록 스위칭 손실, 도통(도전) 손실이 증가하여 연료전지 효율이 낮아지게 된다.
따라서, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 연료전지의 제어방법이 요구되고 있는 실정이다.
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 10-2010-0047058 A (2010.05.07)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 손실을 최소화하고 높은 연비를 낼 수 있는 연료전지 제어방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어방법은, 복수 개의 서브스택을 직렬로 연결하여 스택을 이루는 연료전지의 제어방법으로서, 복수 개의 서브스택 중 하나의 서브스택에서 발생되는 전력만으로 모터를 구동하는 제1모드 및 직렬 연결된 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하는 제2모드를 포함하는 차량 구동 모드를 구성하는 설정단계, 구동모터의 출력값을 산출하는 준비단계, 상기 준비단계에서 산출된 구동모터의 출력값에 대한 제1모드 및 제2모드의 연비를 예측하는 처리단계 및 상기 처리단계에서 획득한 정보를 이용하여 제1모드 및 제2모드 중 어느 하나를 선택하는 결정단계를 포함한다.
상기 준비단계는, 차량에 요구되는 토크 및 RPM에 따라 구동모터의 출력값을 산출할 수 있다.
상기 처리단계는, 상기 준비단계에서 산출된 출력값을 달성하기 위한 제1모드에서의 전압 및 전류와 제2모드에서의 전압 및 전류를 계산하고, 계산된 전압과 전류를 바탕으로 제1모드 및 제2모드의 연비를 각각 예측할 수 있다.
상기 결정단계는, 제1모드와 제2모드 중에서 상기 처리단계에서 예측된 연비가 높은 모드를 선택할 수 있다.
상기 설정단계는, 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력을 사용하여 배터리를 충전하고, 동시에 상기 배터리를 방전시켜 모터를 구동하는 제3모드를 더 포함하여 차량 구동 모드를 구성하고, 상기 결정단계는, 상기 처리단계에서 획득한 정보를 이용하여 제1모드, 제2모드 및 제3모드 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기 처리단계는, 계산된 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 미리 설정된 상한치 이하인지 판단하는 제1판단과정을 포함하고, 상기 결정단계는, 상기 제1판단과정에서 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 모두 상한치 이하일 경우, 제1모드와 제2모드 중에서 상기 처리단계에서 예측된 연비가 높은 모드를 선택하는 제1선택과정을 포함할 수 있다.
상기 처리단계는, 상기 제1판단과정에서 제1모드의 전압 또는 제2모드의 전압이 상한치를 초과할 경우, 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 모두 상한치를 초과하는지 판단하는 제2판단과정을 더 포함하고, 상기 결정단계는, 상기 제2판단과정에서 제1모드의 전압 또는 제2모드의 전압 중 어느 하나가 상한치 이하일 경우, 제1모드 및 제2모드 중 전압이 상한치 이하인 모드를 선택하는 제2선택과정을 포함할 수 있다.
상기 결정단계는, 상기 제2판단과정에서 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 모두 상한치를 초과할 경우, 제3모드를 선택하는 제3선택과정을 포함할 수 있다.
상기 결정단계에서 제1모드가 선택된 후, 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단하는 충전결정과정 및 상기 충전결정과정에서 배터리의 충전량이 기준치 이하일 경우 모터 구동에 사용되지 않는 서브스택을 이용하여 배터리를 충전하는 충전과정을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 서브스택은 두 개로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지 제어방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지 시스템의 효율을 상승시켜 연비를 향상시킬 수 있다.
둘째, 연료전지의 작동전압을 감소시켜 각종 손실을 줄이고 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 저전류 운전 조건을 회피하여 분리판 내 물 축적량을 감소시킬 수 있다.
넷째, 비구동 서브스택을 발전기로 사용하여 배터리를 충전시킴으로써 배터리 충전량 관리가 용이하다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 순서도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지 제어방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 관한 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예는 크게 설정단계(S100), 준비단계(S200), 처리단계(S300) 및 결정단계(S400)를 포함하여 구성된다.
설정단계(S100)는, 직렬로 연결된 복수 개의 서브스택 중에서 하나를 선택하여 해당 서브스택만을 모터에 직결시키는 제1모드와, 직렬로 연결된 복수 개의 서브스택 전체를 모터에 직결시키는 제2모드를 포함하는 차량 구동 모드를 구성하는 단계이다.
복수 개의 서브스택은 일종의 스위치를 통해 직렬로 연결될 수 있는데, 제1모드는 복수 개의 서브스택간 직렬 연결을 해제하고 이 중 하나의 서브스택만을 모터에 연결시켜 상대적으로 저전압 고전류인 단일 서브스택을 사용하는 것이고, 제2모드는 복수 개의 서브스택을 직렬로 연결하고 이를 모터에 연결시켜 상대적으로 고전압 저전류인 복수 개의 서브스택을 사용하는 것으로서, 후속 단계들에서 이 중 하나의 구동 모드를 선택하게 된다.
준비단계(S200)는, 차량에 요구되는 토크와 RPM에 따라 구동모터의 출력값을 산출하는 단계이다. 더 구체적으로 설명하면, 차량의 현재 속도 및 가속 요구량에 따라 필요한 토크 및 RPM이 결정되고, 이를 바탕으로 모터에 공급되는 목표 출력값이 산출되는 것이다.
처리단계(S300)는, 준비단계(S200)에서 산출된 목표 출력값에 따라 제1모드의 전압 및 전류, 제2모드의 전압 및 전류를 각각 계산하고, 계산된 전압 및 전류에 따라 각각의 모드별 연비를 예측하는 단계이다.
처리단계(S300)에서 제1모드 및 제2모드의 전압 및 전류값을 계산할 때, 준비단계(S200)에서 산출된 목표 출력값이 일정하다면, 전압과 전류를 상호 반비례 관계로 제어하여 일정한 출력값을 얻을 수 있다. 즉, 단일 서브스택을 사용하는 제1모드는 출력 전압이 작으므로 목표 출력값에 도달하기 위해 상대적으로 높은 전류량이 필요하고, 직렬로 연결된 복수 개의 서브스택을 사용하는 제2모드는 단일 서브스택에 비해 출력 전압이 높으므로 목표 출력값에 도달하기 위해 상대적으로 작은 전류량이 필요하다.
연료전지에서 발생되는 전기의 전압이 높아지고 전류가 낮아질수록 스위칭 손실, 도통(도전) 손실이 증가하고, 구동계, MCU, 공기압축기, DC-DC 컨버터 등의 효율이 낮아지게 된다. 또한, 전류를 낮게 유지하면 연료전지에 공급되는 기체 유량이 감소하여 분리판 내부의 물이 잘 배출되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 이는 연료전지의 효율을 감소시키는 원인이 된다. 반면, 연료전지의 전압이 낮아지고 전류가 높아질수록 연료전지 스택의 발전 효율이 낮아지게 된다.
이러한 요소들을 고려하여, 제1모드에서의 전압 및 전류와 제2모드에서의 전압 및 전류를 통해 각각의 모드의 연비를 예측할 수 있는 것이다.
결정단계(S400)는, 처리단계(S300)에서 획득한 정보를 이용하여 제1모드 및 제2모드 중 어느 하나를 선택하는 단계이다. 이를 위한 기준은 여러 가지를 둘 수 있겠지만, 가장 간단하고 효과적인 기준은 제1모드와 제2모드 중 높은 연비를 나타내는 모드를 사용하는 것이다.
즉, 단일 서브스택을 사용하는 제1모드의 연비가 비교적 높다면 제1모드를 사용하고, 직렬 연결된 복수 개의 서브스택을 사용하는 제2모드의 연비가 비교적 높다면 제2모드를 사용하는 것이다.
일반적으로 단일 서브스택을 사용하는 제1모드는 저출력 구간에서 높은 효율을 나타내고, 직렬 연결된 복수 개의 서브스택을 사용하는 제2모드는 중~고출력 구간에서 높은 효율을 나타낼 수 있을 것이다.
한편, 도 2에는 본 발명에 따른 제2실시예의 순서도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제2실시예는 제1실시예와 유사하게 설정단계(S100), 준비단계(S200), 처리단계(S300) 및 결정단계(S400)를 포함하여 구성된다.
다만, 본 발명에 따른 제2실시예는 제1실시예에 비해서 설정단계(S100), 처리단계(S300) 및 결정단계(S400)가 보다 세분화되는 차이가 있다. 이하에서는 본 발명에 따른 제2실시예의 각 단계들에 대해 더 상세히 설명하도록 한다.
우선 준비단계(S200)는, 본 발명에 따른 제1실시예와 동일하게 수행되므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
설정단계(S100)는, 앞서 설명한 본 발명의 제1실시예의 설정단계(S100)와 같이 제1모드 및 제2모드를 설정하는데 더해서, 직렬 연결된 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력을 사용하여 배터리를 충전함과 동시에 상기 배터리를 방전시켜 모터를 구동하는 제3모드를 더 포함하여 차량 구동 모드를 설정하게 된다. 제3모드는 제1모드 및 제2모드와 다르게 서브스택에서 발생되는 전력으로 바로 모터를 구동시키는 것이 아니라, 서브스택으로 배터리를 충전시키면서 동시에 배터리를 방전시켜 모터를 구동시키는 구동 모드이다.
처리단계(S300)는, 앞서 설명한 본 발명의 제1실시예의 처리단계(S300)와 같이 제1모드 및 제2모드의 전압 및 전류, 연비를 각각 계산 또는 예측한 이후에, 제1판단과정(S310)과 제2판단과정(S320)이 추가적으로 포함된다.
제1판단과정(S310)은 처리단계(S300)에서 계산된 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 미리 설정된 상한치 이하인지 판단하는 과정이고, 제2판단과정(S320)은 제1판단과정(S310) 중에 제1모드의 전압과 제2모드의 전압 중 최소한 어느 하나가 상한치를 초과할 경우, 제1모드의 전압과 제2모드의 전압이 모두 상한치를 초과하는지 판단하는 과정이다.
연료전지 스택에서 발생되는 전력의 전압이 지나치게 높을 경우, 스위칭 손실 및 도통 손실의 증대에 따라 발열에 의한 손실이 커지는 것은 물론, 상대적으로 전류량이 감소하여 연료전지의 유동성이 저하되기 때문에 분리판 내부에 물이 축적되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 제1판단과정(S310) 및 제2판단과정(S320)에서 제1모드 및 제2모드의 전압이 미리 설정된 안전 범위인 상한치 이하인지 상한치를 초과하는지 판단하고, 이 판단 결과를 통해 후술할 결정단계(S400)에서 구동 모드를 선택하게 된다.
결정단계(S400)는, 제1판단과정(S310) 중에 제1모드 및 제2모드의 전압이 모두 상한치 이하일 경우 수행되는 제1선택과정(S410)과, 제2판단과정(S320) 중에 제1모드 및 제2모드 중 어느 하나의 전압이 상한치를 초과할 경우 수행되는 제2선택과정(S420)과, 제2판단과정(S320) 중에 제1모드 및 제2모드 둘 모두의 전압이 상한치를 초과할 경우 수행되는 제3선택과정(S430)을 포함하여 구성된다.
제1선택과정(S410)은, 제1모드와 제2모드의 전압이 모두 안전 범위인 상한치 이하인 상태이므로, 기본적으로 제1모드와 제2모드 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다. 그러나 제1모드의 연비와 제2모드의 연비를 비교하여, 이 중 높은 연비를 나타내는 모드를 선택하는 것이 보다 바람직할 것이다.
제2선택과정(S420)은, 제1모드와 제2모드 중 전압이 상한치 이하인 모드를 선택하게 된다. 이 경우, 제1모드 및 제2모드의 연비를 비교하는 과정은 생략된다.
제3선택과정(S430)은, 제1모드와 제2모드의 전압이 모두 상한치를 초과할 경우, 제3모드를 선택하는 과정이다. 즉, 차량에 요구되는 출력을 달성하기 위해 하나의 서브스택을 단독 사용하거나 복수 개의 서브스택을 직렬로 연결하여 사용하는 모든 조건에서 전압이 상한치를 초과하여 위험 범위에 도달할 경우, 서브스택에서 발생되는 전력을 직접적으로 모터 구동에 사용하지 않고, 서브스택에서 발생되는 전력을 이용하여 배터리를 충전한 후 배터리를 방전시켜 모터를 구동시키는 것이다.
이러한 과정을 통해, 모터를 구동시킬 때 서브스택에서 발생되는 전력의 전압이 상한치를 초과하여 위험 범위에 도달하는 것을 방지하고, 과전압에 의한 손실 증대 등의 문제를 방지할 수 있는 것이다.
이에 더해서, 본 발명에 따른 제2실시예는 추가적으로 충전결정과정(S510) 및 충전과정(S520)을 더 포함할 수 있다.
충전결정과정(S510)은 결정단계(S400)에서 제1모드가 선택된 후, 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단하는 과정이다.
더 구체적으로 설명하면, 제1선택과정(S410)에서 제1모드의 연비가 더 높게 예측되어 제1모드를 선택하거나, 제2선택과정(S420)에서 제1모드의 전압이 상한치 이하로 계산되어 제1모드를 선택할 때, 차량에 설치된 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단하는 것이다.
충전과정(S520)에서는 충전결정과정(S510)에서 배터리의 충전량이 기준치 이하일 경우, 모터와 직결되지 않은 나머지 서브스택, 즉 비구동스택에서 발생하는 전력으로 배터리를 충전시키게 된다.
이를 통해, 하나의 서브스택만을 사용하여 모터를 구동시킬 때, 나머지 서브스택으로 배터리를 충전함으로써 유휴 에너지를 유효하게 활용할 수 있고, 배터리의 충전량 관리가 용이해지며, 충방전 효율이 향상될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명에 따른 제1실시예 및 제2실시예에서 서브스택을 몇 개로 구성하는지 특별히 한정하지는 않지만, 두 개의 서브스택을 이용하여 제1모드는 하나의 서브스택, 제2모드는 두 개의 서브스택을 이용하여 모터를 구동시킬 수 있을 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100: 설정단계
S200: 준비단계
S300: 처리단계
S400: 결정단계

Claims (10)

  1. 복수 개의 서브스택을 스위치를 통해 직렬로 연결하여 서브스택간 직렬 연결의 해제가 가능한 연료전지의 제어방법으로서,
    스위치의 해제를 통해 복수 개의 서브스택 중 하나의 서브스택에서 발생되는 전력만으로 모터를 구동하는 제1모드 및 스위치를 연결함으로써 직렬 연결된 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력으로 모터를 구동하는 제2모드 및 스위치를 연결함으로써 복수 개의 서브스택에서 발생되는 전력을 사용하여 배터리를 충전하고, 동시에 상기 배터리를 방전시켜 모터를 구동하는 제3모드를 포함하는 차량 구동 모드를 구성하는 설정단계;
    구동모터의 출력값을 산출하는 준비단계;
    상기 준비단계에서 산출된 구동모터의 출력값을 달성하기 위한 제1모드의 전압 및 전류와 제2모드에서의 전압 및 전류를 계산하고, 계산된 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 미리 설정된 상한치를 초과하는지 판단하는 처리단계; 및
    상기 처리단계에서 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 모두 상한치를 초과할 경우, 제3모드를 선택하는 결정단계;를 포함하는, 연료전지 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 준비단계는, 차량에 요구되는 토크 및 RPM에 따라 구동모터의 출력값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리단계는, 계산된 전압과 전류를 바탕으로 제1모드 및 제2모드의 연비를 각각 예측하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 결정단계는, 제1모드와 제2모드 중에서 상기 처리단계에서 예측된 연비가 높은 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 결정단계는, 상기 처리단계에서 제1모드의 전압 및 제2모드의 전압이 모두 상한치 이하일 경우, 제1모드와 제2모드 중에서 상기 처리단계에서 예측된 연비가 높은 모드를 선택하는 제1선택과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 결정단계는, 상기 처리단계에서 제1모드의 전압 또는 제2모드의 전압 중 어느 하나가 상한치 이하일 경우, 제1모드 및 제2모드 중 전압이 상한치 이하인 모드를 선택하는 제2선택과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 4 또는 7에 있어서,
    상기 결정단계에서 제1모드가 선택된 후, 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준치 이하인지 판단하는 충전결정과정 및 상기 충전결정과정에서 배터리의 충전량이 기준치 이하일 경우 모터 구동에 사용되지 않는 서브스택을 이용하여 배터리를 충전하는 충전과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 개의 서브스택은 두 개로 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 제어방법.
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