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KR20210041860A - 연료전지 냉각 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

연료전지 냉각 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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KR20210041860A
KR20210041860A KR1020190124601A KR20190124601A KR20210041860A KR 20210041860 A KR20210041860 A KR 20210041860A KR 1020190124601 A KR1020190124601 A KR 1020190124601A KR 20190124601 A KR20190124601 A KR 20190124601A KR 20210041860 A KR20210041860 A KR 20210041860A
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KR
South Korea
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fuel cell
amount
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cooling
control
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Application number
KR1020190124601A
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Inventor
류정환
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Publication date
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Priority to CN202010104602.7A priority patent/CN112635787A/zh
Priority to DE102020202707.2A priority patent/DE102020202707A1/de
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Abstract

연료전지; 연료전지와 연결되며, 연료전지를 냉각시키는 냉각수가 내부에서 순환되는 냉각 순환 라인; 냉각 순환 라인에 마련되어 냉각수의 순환량을 조절하는 냉각수 펌프; 연료전지의 발열량 및 방열량을 기반으로 연료전지의 열열에너지 변화량을 연산하는 연산부; 및 연산부에서 연산한 연료전지의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 냉각 제어시스템 및 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 냉각 제어시스템 및 제어방법{CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL COOLING}
본 발명은 연료전지의 열에너지 변화량 및 냉각 순환 라인의 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 기술에 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, 연료전지 스택의 애노드(Anode)측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
이러한 화학반응에 의해 연료전지 스택에는 전기에너지와 함께 열에너지가 발생한다. 이러한 열에너지에 의해 연료전지 스택이 과열되어 열화되는 등의 문제를 방지하기 위하여 연료전지 스택은 냉각 시스템을 포함한다. 특히, 연료전지 스택에 포함된 단위 셀마다 사이사이에 냉각수가 유동되는 냉각유로를 형성하여 연료전지 스택을 냉각시키는 수냉식 냉각 시스템이 주로 이용된다.
이러한 냉각 시스템에서는 연료전지 스택의 온도를 직접 측정하기 어려워, 연료전지 스택을 통과하여 배출되는 냉각수 출구온도를 이용하여 간접적으로 추정한다. 또한, 추정한 연료전지 스택의 온도에 따라 라디에이터를 통과한 냉각수와 라디에이터를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 제어하는 써모스탯 또는 냉각수를 유동시키는 펌프를 제어하여 연료전지 스택의 냉각량을 제어한다.
즉, 써모스탯으로 유입되는 라디에이터를 통과한 냉각수 및 라디에이터를 바이패스한 냉각수를 혼합하여 연료전지 스택을 냉각한다. 다만, 이러한 냉각 제어에 따르면, 연료전지 스택에 라디에이터를 통과한 저온의 냉각수가 유입되는 경우가 발생하며, 이에 따라 연료전지 스택에 열 충격이 발생하는 문제가 발생하였다.
또한, 연료전지 스택에서 상대적으로 적은 열이 발생하여 요구 방열량이 적은 상태에서 라디에이터는 방열 성능을 유지하지 못하였고, 이에 따라 연료전지 스택의 요구 방열량이 다시 증가되는 경우 냉각시스템의 냉각 성능을 발휘하는데 시간이 지연되는 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 10-16285141 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 누적 열량 및 냉각 순환 라인의 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각펌프를 제어하는 제어시스템과 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 냉각 제어시스템으로써 연료전지; 연료전지와 연결되며, 연료전지를 냉각시키는 냉각수가 내부로 순환되는 냉각 순환 라인; 냉각 순환 라인에 마련되어 냉각수의 순환량을 조절하는 냉각수 펌프; 연료전지의 발열량 및 방열량을 기반으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 연산부; 및 연산부에서 연산한 연료전지의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 제어부;를 포함한다.
연료전지의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지의 발열량을 추정하는 발열량추정부;를 더 포함할 수 있다.
냉각 순환 라인과 연료전지가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 제1온도센서 및 제2온도센서;를 더 포함할 수 있다.
연산부는, 제1온도센서 및 제2온도센서에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지 방열량을 연산하고, 연료전지 발열량에서 연료전지 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산할 수 있다.
냉각 순환 라인에 마련되어 냉각 순환 라인 내부의 냉각수를 외부와 열교환시키는 열교환기; 냉각 순환 라인에 포함되며 내부의 냉각수가 열교환기를 우회하는 바이패스 경로; 및 냉각 순환 라인의 냉각수 온도를 기반으로 열교환기 또는 바이패스 경로로 순환되는 냉각수의 순환량을 조절하는 써모스탯 밸브;를 더 포함할 수 있다.
제어부는, 써모스탯 밸브의 개도 및 연료전지의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프를 제어할 수 있다.
제어부는, 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프를 제어할 수 있다.
써모스탯 밸브는, 연료전지의 온도를 기반으로 써모스탯 밸브의 개도를 설정할 수 있다.
제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프의 회전속도를 기설정된 기본 속도로 제어할 수 있다.
제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이고, 기설정된 열에너지 변화량이 0 이면 냉각수 펌프의 작동이 정지되도록 제어할 수 있다.
제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프의 회전속도를 제어게인값에 비례하여 증가되도록 제어할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 냉각 제어방법으로써 연료전지의 방열량 및 발열량을 기반으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 연산단계; 및 연산단계에서 연산한 연료전지의 열에너지 변화량 및 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 제어단계; 를 포함한다.
연료전지의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지의 발열량을 추정하는 발열량추정단계;를 더 포함할 수 있다.
냉각 순환 라인과 연료전지가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 온도측정단계;를 더 포함할 수 있다.
연산단계는, 온도측정단계에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지 방열량을 연산하고, 연료전지 발열량에서 연료전지 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산할 수 있다.
제어단계는, 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프를 제어할 수 있다.
제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이고, 기설정된 열에너지 변화량이 0 이면 냉각수 펌프의 작동이 정지되도록 제어할 수 있다.
제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프의 작동을 정지시킬 수 있다.
제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프의 회전속도를 제어게인값에 비례하여 증가되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어시스템에 따르면, 연료전지의 열에너지 변화량 및 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프를 제어함으로써 연료전지 내부온도의 과도한 상승슬 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 써모스탯 밸브의 개도를 냉각수 펌프의 회전속도 보다 선제적으로 제어함으로써 소모전력의 감소에 따른 연비향상의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각 제어방법의 순서도이다.
도 3은 연료전지의 냉각 순환 라인 출구에서 냉각수의 온도 변화량과 연료전지의 열에너지 변화량 그래프이다.
도 4는 써모스탯 밸브의 개도에 따른 냉각수 펌프를 제어하기 위한 제어게인값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4에서 도시한 제어게인값의 가변방정식을 나타낸 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 는 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.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연산부(40), 발열량추정부(60), 제어부(50)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 냉각 제어시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 냉각 제어방법의 순서도이다. 도 3은 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 출구에서 냉각수의 온도 변화량과 연료전지(10)의 열에너지 변화량 그래프이다. 도 4는 써모스탯 밸브(100)의 개도에 따른 냉각수 펌프(30)를 제어하기 위한 제어게인값을 나타낸 그래프이다. 도 5는 도 4에서 도시한 제어게인값의 가변방정식을 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 냉각 제어시스템으로써 연료전지(10); 연료전지(10)와 연결되며, 연료전지(10)를 냉각시키는 냉각수가 내부로 순환되는 냉각 순환 라인(20); 냉각 순환 라인(20)에 마련되어 냉각수의 순환량을 조절하는 냉각수 펌프(30); 연료전지(10)의 발열량 및 방열량을 기반으로 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 연산하는 연산부(40); 및 연산부(40)에서 연산한 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프(30)를 제어하는 제어부(50);를 포함한다.
연료전지(10)의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지(10)의 발열량을 추정하는 발열량추정부(60);를 더 포함할 수 있다.
냉각 순환 라인(20)과 연료전지(10)가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 제1온도센서(70) 및 제2온도센서(80);를 더 포함할 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 제어부(50), 연산부(40), 발열량추정부(60), 냉각수 펌프(30), 제1온도센서(70), 제2온도센서(80), 및 연료전지(10)는 제어라인에 의해 연결되며 제어라인은 점선에 의해 도시된다.
제어부(50)는 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 제어하여 냉각 순환 라인(20) 내부의 냉각수의 유량을 조절하여 연료전지(10)의 온도를 제어할 수 있는 효과가 있다.
연산부(40)는 제1온도센서(70) 및 제2온도센서(80)에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지(10) 방열량을 연산하고, 연료전지(10) 발열량에서 연료전지(10) 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 연산할 수 있다.
연산부(40)에서는 열에너지 변화량을 다음과 같이 연산 할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
ΔE는 열에너지 변화량이고,
Figure pat00004
은 연료전지(10) 발열량이고,
Figure pat00005
는 연료전지(10) 방열량이다.
Figure pat00006
는 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 출구의 온도이고,
Figure pat00007
는 연료전지(10)의 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 입구의 온도이고,
Figure pat00008
는 냉각수의 비열이고,
Figure pat00009
은 연료전지(10)를 통과하는 냉각수의 유량이다. 상기 수식과 같이 연산하면 열에너지 변화량을 구할 수 있다.
도 3에서 To은 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 출구에서 냉각수의 온도 변화량을 도시하고,
Figure pat00010
는 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 도시한다.
도 3을 더 참조하면, 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 출구의 온도 변화량보다 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 발열에 따라 즉각적으로 반응하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 연료전지(10)의 열에너지 변화량에 따라 냉각수 펌프(30)를 제어하면 연료전지(10)의 냉각을 좀 더 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
냉각 순환 라인(20)에 마련되어 냉각 순환 라인(20) 내부의 냉각수를 외부와 열교환시키는 열교환기(90); 냉각 순환 라인(20)에 포함되며 내부의 냉각수가 열교환기(90)를 우회하는 바이패스 경로(21); 및 냉각 순환 라인(20)의 냉각수 온도를 기반으로 열교환기(90) 또는 바이패스 경로(21)로 순환되는 냉각수의 순환량을 조절하는 써모스탯 밸브(100);를 더 포함할 수 있다.
연료전지(10), 냉각수 펌프(30), 제1온도센서(70), 제2온도센서(80), 열교환기(90), 써모스탯 밸브(100)은 냉각 순환 라인(20)으로 연결될 수 있다.
써모스탯 밸브(100)는 전자식으로 작동되며, 내연기관 차량의 스로틀 밸브와 유사한 구조이다. 써모스탯 밸브(100)는 밸브의 개도 변경을 통해 열교환기(90)의 유량과 바이패스 경로(21)의 유량을 조절하여 연료전지(10)의 냉각 순환 라인(20) 입구로 들어가는 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.
제어부(50)는, 써모스탯 밸브(100) 개도 및 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프(30)를 제어할 수 있다.
제어부(50)는 냉각수 펌프(30)의 기설정된 기본속도를 유지하다가 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 상승할 경우 냉각수 유량을 증가시켜 연료전지(10)의 내부온도의 과도한 상승을 방지할 수 있다.
써모스탯 밸브(100)의 밸브 개도가 증가되면 열교환기(90)의 냉각수 유량이 증가된다. 이에 따라 냉각 순환 라인(20) 내부의 냉각수 온도가 감소되고 연료전지(10)의 내부온도도 감소된다. 써모스탯 밸브(100)의 개도가 최대값에 가까워질 수록 연료전지(10)의 내부온도를 떨어뜨릴 수 있는 냉각 마진이 부족해진다. 이러한 경우 필요에 따라 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 증가시켜 냉각수 펌프(30)에 의한 연료전지(10)의 방열량을 증가시킨다. 반대로 써모스탯 밸브(100)의 개도가 감소하면 써모스탯 밸브(100)를 이용한 냉각 마진이 증가함으로써 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 감소할 수 있다.
제어부(50)는, 써모스탯 밸브(100) 개도를 기반으로 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프(30)를 제어할 수 있고, 써모스탯 밸브(100)는, 연료전지(10)의 온도를 기반으로 써모스탯 밸브(100) 개도를 설정할 수 있다.
제어부(50)는 P제어(Proportional Control)를 이용하여 냉각수 펌프(30)를 제어할 수 있다. 제어알고리즘의 식은 다음과 같다.
Figure pat00011
Figure pat00012
은 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 나타내고,
Figure pat00013
는 제어게인값을 나타내고,
Figure pat00014
는 연료전지(10)의 열에너지 변화량이며,
Figure pat00015
는 기설정된 열에너지 변화량의 값이다.
도 4를 더 참조하면
Figure pat00016
는 써모스탯 밸브(100)의 개도비율이며 개도비율은 현재 개도값을 최대개도값으로 나눈 수치이고,
Figure pat00017
의 값은
Figure pat00018
에 따라 설정되는 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00019
은 현재 개도값이 최소인 상태의 값이고
Figure pat00020
는 현재 개도값이 최대인 상태의 값이다.
또한 도 5는 도 4에서 도시한
Figure pat00021
값을 가변방정식 형태로 도시한 그래프이다.
도 5를 더 참조하면, 제어부(50)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 기설정된 기본 속도로 제어할 수 있다.
Figure pat00022
값이
Figure pat00023
값 이하이면
Figure pat00024
가 음수가 되고 상기 제어알고리즘은 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 기설정된 값으로 작동시킬 수 있다.
제어부(50)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프(30)의 작동이 정지되도록 제어할 수 있다.
일 예로
Figure pat00025
값을 0으로 설정한 상태에서
Figure pat00026
값이 음수가 되고 상기 제어알고리즘은 냉각수 펌프(30)가 정지하도록 한다. 냉각수 펌프(30)의 작동을 정지시킴으로써 소모전력을 감소시키고 연료전지(10)의 연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
제어부(50)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 제어게인값에 비례하여 증가되도록 제어할 수 있다.
Figure pat00027
값이
Figure pat00028
값 이상이면 상기 제어알고리즘은
Figure pat00029
에 따라 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 산출하여 냉각수 펌프(30)를 제어한다. 연료전지(10)의 열에너지 변화량과 써모스탯의 개도를 이용하여 냉각수 펌프(30)를 제어함으로써 연료전지(10) 내부온도의 과도한 상승을 방지할 수 있는 선제적 냉각제어를 할 수 있는 효과가 있다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10) 냉각 제어방법으로써 연료전지(10)의 방열량 및 발열량을 기반으로 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 연산하는 연산단계(S12, S13); 및 연산단계(S12, S13)에서 연산한 연료전지(10)의 열에너지 변화량 및 써모스탯 밸브(100) 개도를 기반으로 냉각수 펌프(30)를 제어하는 제어단계(S20, S21, S30, S31, S32); 를 포함한다.
연료전지(10)의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지(10)의 발열량을 추정하는 발열량추정단계(S10);를 더 포함할 수 있다.
냉각 순환 라인(20)과 연료전지(10)가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 온도측정단계(S11);를 더 포함할 수 있다.
연산단계(S12, S13)는, 온도측정단계(S11)에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지(10) 방열량을 연산하고, 연료전지(10) 발열량에서 연료전지(10) 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지(10)의 열에너지 변화량을 연산할 수 있다.
제어단계(S20, S21, S30, S31. S32)는, 써모스탯 밸브(100) 개도를 기반으로 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프(30)를 제어할 수 있다.
제어단계(S31)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 기설정된 기본 속도로 제어할 수 있다.
제어부(50)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이고, 기설정된 열에너지 변화량이 0 이면 냉각수 펌프(30)의 작동이 정지되도록 제어
제어단계(S21)는, 연료전지(10)의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프(30)의 회전속도를 제어게인값에 비례하여 증가되도록 제어할 수 있다.
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 : 냉각 순환 라인
21 : 바이패스 경로 30 : 냉각수 펌프
40 : 연산부 50 : 제어부
60 : 발열량추정부 70 : 제1온도센서
80 : 제2온도센서 90 : 열교환기
100 : 써모스탯 밸브

Claims (16)

  1. 연료전지;
    연료전지와 연결되며, 연료전지를 냉각시키는 냉각수가 내부에서 순환되는 냉각 순환 라인;
    냉각 순환 라인에 마련되어 냉각수의 순환량을 조절하는 냉각수 펌프;
    연료전지의 발열량 및 방열량을 기반으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 연산부; 및
    연산부에서 연산한 연료전지의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지의 발열량을 추정하는 발열량추정부;를 더 포함하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    냉각 순환 라인과 연료전지가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 제1온도센서 및 제2온도센서;를 더 포함하고,
    연산부는, 제1온도센서 및 제2온도센서에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지 방열량을 연산하고, 연료전지 발열량에서 연료전지 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    냉각 순환 라인에 마련되어 냉각 순환 라인 내부의 냉각수를 외부와 열교환시키는 열교환기;
    냉각 순환 라인에 포함되며 내부의 냉각수가 열교환기를 우회하는 바이패스 경로; 및
    열교환기 또는 바이패스 경로로 순환되는 냉각수의 순환량을 조절하는 써모스탯 밸브;를 더 포함하고,
    제어부는, 써모스탯 밸브의 개도 및 연료전지의 열에너지 변화량을 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어부는, 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    써모스탯 밸브는, 연료전지의 내부온도를 기반으로 써모스탯 밸브의 개도를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 시냉각수 펌프의 회전속도를 기설정된 기본 속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이고, 기설정된 열에너지 변화량이 0 이면 냉각수 펌프의 작동이 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제어부는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프의 회전속도가 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어시스템.
  10. 연료전지의 방열량 및 발열량을 기반으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 연산단계; 및
    연산단계에서 연산한 연료전지의 열에너지 변화량 및 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프를 제어하는 제어단계; 를 포함하는 연료전지 냉각 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 전력 발전 정보를 바탕으로 연료전지의 발열량을 추정하는 발열량추정단계;를 더 포함하는 연료전지 냉각 제어방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    냉각 순환 라인과 연료전지가 연결되는 입구 및 출구의 냉각수 온도를 측정하는 온도측정단계;를 더 포함하고,
    연산단계는, 온도측정단계에서 측정한 온도를 기반으로 연료전지 방열량을 연산하고, 연료전지 발열량에서 연료전지 방열량을 감산하고 감산한 값을 바탕으로 연료전지의 열에너지 변화량을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    제어단계는, 써모스탯 밸브의 개도를 기반으로 냉각수 펌프의 회전속도를 제어하는 제어게인값을 조정하여 냉각수 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이면 냉각수 펌프의 회전속도를 기설정된 기본 속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이하이고, 기설정된 열에너지 변화량이 0 이면 냉각수 펌프의 작동이 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    제어단계는, 연료전지의 열에너지 변화량이 기설정된 열에너지 변화량 이상이면 냉각수 펌프의 회전속도를 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어방법.

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