차량 및 그 제어방법{Vehicle And Control Method Thereof}

본 발명은 연료 전지를 포함하고 있는 차량 및 그 제어 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 복수의 센서를 이용하여 측정된 연료전지의 온도를 이용하여 센서 혹은 시스템이 이상하다고 판단되는 경우 측정 온도를 기초로 대체 값을 생성하여 연료 스택의 온도를 조절하는 기술에 관한 발명이다.

현대 사회에서 자동차는 사람들이 가장 많이 이용하는 이동 수단으로서, 그 수는 점점 증가하고 있다. 과거에는 자동차는 단순히 이동 수단 이상의 의미는 존재하지 않았으나 현대사회에 들어와서는 자동차는 단순히 이동 수단을 넘어 많은 용도로 사용되며 다양한 기술들이 접목되고 있다.

그 중 하나가 환경 친화적인 미래형 자동차이며, 수소 연료전지를 이용하여 차량을 운행시키는 연료전지 차량이 많이 개발되고 있다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형 전기 및 전자제품의 전력 공급에도 많이 적용되고 있다.

차량의 연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기 공급 장치와, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있으며, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(Anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(Cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(Anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(Cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 되며 이러한 전기에너지를 이용하여 차량을 구동시키게 된다.

한편 연료전지 시스템에서 연료전지 내부의 온도를 알고 이를 이용하여 연료전지 내부의 온도를 제어하는 것은 연료전지 시스템의 효율성 향상을 위해 필수적이며, 더 나아가 이를 통하여 전체 시스템을 보호할 수 있다.

종래 연료 시스템의 온도를 제어하는 기술의 경우 온도센서에 대한 단선 혹은 단락 여부만을 판단하며, 단선 혹은 단락으로 판단이 된 경우 추정 값을 바탕으로 연료전지 시스템의 온도를 제어하거나, 비상운전을 하는 방식으로 제어를 하고 있다.

그러나 실제로는 단선 혹은 단락과 같은 상황이 발생하지 않았는데도 온도 센서가 이상 동작을 하거나 연료전지 시스템 내부의 다른 문제로 인해 온도 센서의 예상 범위를 벗어나는 일들이 발생한다. 따라서, 이러한 경우 기존의 온도 센서의 단선 혹은 단락만을 판단하는 기술만으로는 이를 감지하여 대처할 수 없는 문제가 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 연료전지 내부에 설치된 복수의 센서를 이용하여 센서가 단선 혹은 단락 상황이 아닐 때에도 센서간 상관관계를 이용하여 센서 혹은 시스템의 이상을 감지하여 미리 시스템을 보호하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차량은 연료전지와 공기극과 연료극을 포함하는 연료전지 스택과 복수 개의 센서를 이용하여 상기 연료전지의 온도를 측정하는 센서부와 상기 측정된 온도를 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 제어부를 포함하고 상기 제어부는 상기 측정된 온도 값들이 제1온도 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 온도를 기초로 대체 값을 생성하고 상기 대체 값을 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 복수 개의 센서에서 측정된 온도 값의 차이가 제 2 온도 범위에 포함되면서 제 1시간 범위 보다 오래 지속되는 경우 대체 값을 생성할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정된 값들 중에서 가장 높은 온도 값을 기준으로 대체 값을 생성할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정된 값들이 모두 제 1온도 범위에 포함되지 않는 경우 상기 연료전지의 구동을 정지시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 측정된 값들 중에서 적어도 하나의 값이 제 1온도 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 값들 중에서 제 1온도 범위에 포함되는 값을 기준으로 대체 값을 생성할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 발열량과 유량을 기초를 대체 값을 생성할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 발열량과 상기 연료 전지 스택의 온도가 미리 설정된 값보다 높은 경우 상기 측정된 온도를 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 발열량과 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 설정된 값보다 낮고 상기 연료전지 펌프의 구동 시간이 제 2시간 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 온도를 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 연료전지의 냉각수 펌프, 밸브, 라지에이터), 또는 상기 연료전지 스택의 전류 제한치를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 제어 방법은 복수 개의 센서를 이용하여 연료전지의 온도를 측정하는 단계와 상기 측정된 값들을 기초로 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계를 포함하며 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계는 상기 측정된 온도 값들이 제1온도 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 온도를 기초로 대체 값을 생성하고 상기 대체 값을 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 대체 값을 생성하는 단계는 상기 복수개의 센서에서 측정된 온도 값의 차이가 제 2 온도 범위에 포함되면서 제 1시간 범위 보다 오래 지속되는 경우 대체 값을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 대체 값을 생성하는 단계는 상기 측정된 값들 중에서 가장 높은 온도 값을 기준으로 대체 값을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 측정된 값들이 모두 제 1온도 범위에 포함되지 않는 경우 상기 연료전지의 구동을 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 측정된 값들 중에서 적어도 하나의 값이 제 1온도 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 값들 중에서 제 1온도 범위에 포함되는 값을 기준으로 대체 값을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 대체 값을 생성하는 단계는 상기 연료전지 스택의 발열량과 유량을 기초를 대체 값을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 또 따른 차량의 제어 방법은 상기 연료전지 스택의 발열량과 상기 연료 전지 스택의 온도가 미리 설정된 값보다 높은 경우 상기 측정된 온도를 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 또 다른 제어 방법은 상기 연료전지 스택의 발열량과 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 설정된 값보다 낮고 상기 연료전지 펌프의 구동 시간이 제 2시간 범위에 포함되는 경우 상기 측정된 온도를 기초로 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 단계는 상기 연료전지의 냉각수 펌프, 밸브, 라지에이터), 또는 상기 연료전지 스택의 전류 제한치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

연료전지에 설치된 복수의 센서들을 이용하여 단선 혹은 단락 상황이 아니어도 센서 혹은 이상 시스템의 이상을 감지하고, 이상이 발견되면 센서 간 상관관계를 이용하여 대체 값을 생성하여 이를 기초로 연료 전지 내부의 온도를 조절할 수 있어 센서들이 단선 혹은 단락 상황이 아니어도 시스템의 이상을 조기에 감지할 수 있는 효과가 존재한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 외관도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내부 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 내부 구성도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 스택의 구조를 나타낸 도면이다.
도5는 본 발명이 속하는 기술 분야의 종래 기술에 따른, 전류의 단선, 단락을 판단하는 기준을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명이 해결하고자 하는 문제점을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 차량의 구성을 좀 더 자세하게 표현한 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 차량의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 연료전지 차량의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.

또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

이하 본 발명에 해당하는 연료전지가 설치된 차량 및 그 제어 방법에 대하여 연료전지가 설치된 차량을 기초로 설명한다

도 1 및 도 2를 통해 본 발명이 설치된 차량에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 외관도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(1)은 차량(1)의 외관을 형성하는 본체(80), 차량(1)을 이동시키는 차륜(93, 94), 차륜(93, 94)을 회전시키는 구동 장치(95), 내부를 외부로부터 차폐시키는 도어(84), 차량(1) 내부의 운전자에게 차량(1) 전방의 시야를 제공하는 전면 유리(87), 운전자에게 차량(1) 후방의 시야를 제공하는 사이드 미러(91, 92), 차체(80)의 후방 측에 설치되어 차량(1) 후방의 시야를 제공하는 리어 윈도(90)를 포함하며 차체(80)는 후드(81), 프런트 휀더(82), 도어(84), 트렁크 리드(85), 및 쿼터 패널(86) 등을 포함할 수 있다.

도어(84)는 본체(80)의 좌측 및 우측에 회동 가능하게 마련되어 개방 시에 운전자가 차량(1)의 내부에 탑승할 수 있도록 하며, 폐쇄 시에 차량(1)의 내부를 외부로부터 차폐시킬 수 있다.

윈드 스크린(87)은 본체(80)의 전방 상측에 마련되어 차량(1) 내부의 운전자가 차량(1) 전방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다. 또한, 사이드 미러(91, 92)는 본체(80)의 좌측에 마련되는 좌측 사이드 미러(91) 및 우측에 마련되는 우측 사이드 미러(92)를 포함하며, 차량(1) 내부의 운전자가 차량(1) 측면 및 후방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다.

이외에도 차량(1)은 후방의 장애물 내지 다른 차량을 감지하는 근접 센서, 강수 여부 및 강수량을 감지하는 레인 센서 등의 감지 장치를 포함할 수 있다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내부 구성도이다.

차량내부(10)에는 외부와 통신하기 위한 텔레메틱스(Telematics) 단말기(미도시)가 설치될 수 있다. 텔레메틱스는 텔레커뮤니케이션(Telecommunication)과 인포매틱스(Informatics)의 합성어로, 자동차 안에서 이메일(E-mail)을 주고 받거나 인터넷을 통하여 각종 정보를 검색할 수 있는 시스템을 말한다.

차량내부(10)에는 공조장치(16)가 설치 될 수 있다. 공조장치(16)는 차량(1)의 실내 실외의 환경 조건, 공기의 흡/배기, 순환, 냉/난방 상태 등을 포함한 공조 환경을 자동으로 제어하거나 또는 사용자의 제어 명령에 대응하여 제어하는 장치를 의미한다. 예를 들어, 난방과 냉방을 모두 수행할 수 있으며, 가열되거나 냉각된 공기를 통풍구를 통해 배출하여 차량내부(10)의 온도를 제어할 수 있다.

한편, 차량내부(10)에는 운전자가 차량(1)을 조작하기 위한 각종 기기가 설치되는 대시보드(Dashboard)(14), 차량(1)의 운전자가 착석하기 위한 운전석(15), 차량(1)의 동작 정보 등을 표시하는 클러스터 표시부(51, 52)를 포함할 수 있다.

대시보드(14)는 윈드 스크린(11)의 하부로부터 운전자를 향하여 돌출되게 마련되며, 운전자가 전방을 주시한 상태로 대시보드(14)에 설치된 각종 기기를 조작할 수 있도록 한다.

운전석(15)은 대시보드(14)의 후방에 마련되어 운전자가 안정적인 자세로 차량(1)의 전방과 대시보드(14)의 각종 기기를 주시하며 차량(1)을 운행할 수 있도록 한다.

클러스터 표시부(51, 52)는 대시보드(14)의 운전석(15) 측에 마련되며, 차량(1)의 운행 속도를 표시하는 주행 속도 게이지(51), 동력 장치(미도시)의 회전 속도를 표시하는 rpm 게이지(52)를 포함할 수 있다.

또한, 차량 내부(10)에는 차량의 각종 장치들의 조작을 위한 별도의 조그 다이얼(60)을 포함할 수 있다. 조그 다이얼(60)은 회전시키거나 압력을 가하여 구동 조작을 수행하는 방법뿐만 아니라, 터치 인식 기능을 구비한 터치 패드를 구비하여 사용자의 손가락 또는 별도의 터치 인식 기능을 구비한 도구를 이용하여 구동 조작을 위한 필기 인식을 수행할 수 있다.

자동차의 운행을 조작하는 조향 장치는 운전자로부터 주행 방향을 입력 받는 조향 핸들(42), 조향 핸들(42)의 회전 운동을 왕복 운동으로 전환하는 조향 기어(미도시), 조향 기어(미도시)의 왕복 운동을 앞바퀴(93)에 전달하는 조향 링크(미도시)를 포함할 수 있다. 이와 같은 조향 장치는 바퀴의 회전축의 방향을 변경함으로써 차량(1)의 주행 방향을 변경할 수 있다.

이상 도1 및 도 2를 통하여 연료전지 장착된 차량의 외부와 내부(10) 구성에 대해 알아보았다. 이하 본 발명이 속하는 기술 분야의 연료전지 시스템의 구성과 연료전지 스택의 구조에 대해 알아본다.

도 3은 연료전지 시스템(100)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(20), 복수의 밸브(120, 130, 140, 191), 압력센서(150), 연료전지 제어기(160) 및 연료 공급부(170)를 포함할 수 있다.

연료전지 스택(Fuel Cell Stack, 200)은 연료인 수소와 산화제인 공기가 공급되어 전기를 생성하는 구성으로서, 공기극과 연료극을 포함할 수 있다.

연료전지 스택(200)은 각각 막전극 접합체와 세퍼레이터로 이루어진 단위 셀이 수십 개로 적층된 구조로 복수 개가 마련될 수 있다. 연료전지 스택(200)에 관한 자세한 설명은 도 4에서 하도록 한다.

복수의 밸브(120, 130, 140)는 연료전지 스택(200)의 연료 공급 및 불순물 제거를 위해 선택적으로 개폐 구동하는 구성일 수 있다.

상기 복수의 밸브는 연료 공급 밸브(120), 퍼지 밸브(130), 드레인 밸브(140) 등을 포함할 수 있다. 이때, 연료 공급 밸브(120)는 수소 공급 밸브(미도시) 또는 공기 압축기(미도시)일 수 있다. 이때, 공기 압축기(미도시)는 밸브 형태는 아니지만 구동을 통해 외부 공기를 공급하는 형태로 밸브 역할을 수행하는 구성으로서, 연료 공급 밸브(120)에 포함될 수 있다.

연료 공급 밸브(120)는 연료전지 스택(200)으로 연료를 공급하기 위하여 선택적으로 개폐 구동하는 구성일 수 있다. 산소 공급 시스템의 경우, 연료 공급 밸브(120)는 공기 압축기(미도시)로 대체할 수 있다.

연료전지 시동 시퀀스가 시작되면, 연료 공급부(170)의 연료 공급 밸브(120)를 개방할 수 있다. 이때, 연료 공급 밸브(120)가 수소 공급 밸브인 경우, 밸브를 개방하고 감압기를 통해 공급 압력을 감압할 수 있다.

퍼지 밸브(130)는 연료전지 스택(200)의 수소를 퍼지 시키기 위한 구성일 수 있다. 구체적으로, 퍼지 밸브(130)는 연료전지 스택(200)의 연료극의 수소를 퍼지시킬 수 있다.

드레인 밸브(140)는 연료전지 스택(200)의 물을 배출하기 위한 구성일 수 있다.

구체적으로, 드레인 밸브(140)는 워터 트랩(145)에 일정 수위로 저장된 응축수를 배출시키기 위한 구성으로서, 전기적인 신호에 의해 밸브 통로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다.

퍼지 밸브(130)와 드레인 밸브(140)는 연료전지 스택(200)의 에노드 내의 불순물을 제거하기 위해 선택적으로 개폐 구동하는 밸브이다. 연료전지에서 전기 화학적 반응에 따라 생성되는 물은 연료전지 스택(200) 내부에 생성되고, 이는 연료전지 스택(200)의 외부로 원활하게 배출되어야 한다. 연료전시 스택(200) 내부에서 물이 잘 배출되지 않는 경우, 뒤에서 자세히 설명하겠지만 플러딩(Flooding) 상태가 발생하여 연료인 수소 공급을 방해하여 연료전지 스택(200)의 발전 성능이 저하될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 스택(200)의 구조 및 연 동작원리를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 연료전지 단위 셀(210)의 애노드(Anode, 연료극)측에는 연료인 수소가 공급되고 캐소드(Cathode, 공기극)측에는 산화제인 산소가 공급된다. 애노드측에 공급된 수소는 전자를 잃고 양성자(Proton)가 되어 전해질막을 통과하여 캐소드측으로 이동하고, 수소를 잃은 전자는 연료전지 외부회로에서 전기적 일을 하고 캐소드측으로 이르게 된다. 캐소드측에서는 양성자가 산소 원자와 전자가 결합하여 물이 생성된다. 이때, 애노드측에서 생성된 전자가 이동하면서 전류를 발생시켜 연료전지 차량의 구동모터를 구동하게 되는 것이다.

이러한 연료전지 단위 셀(210)들은 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지 스택(200)을 구성하고, 연료전지 스택(200)은 하나의 단위 셀(210)에 비하여 높은 전압을 생성할 수 있다.

상술한 연료전지의 일 예로, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키기 위한 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.

지금까지 연료전지가 설치된 차량의 외관 및 내관, 그리고 연료전지 시스템(100)과 연료전지 스택(200)에 대해 알아보았다. 이하 도면들을 통하여 종래기술의 문제점을 알아보고 본 발명의 구성 요소와 동작 원리에 대하여 자세히 알아보도록 한다.

도 5는 본 발명이 속하는 기술분야의 종래기술이 전류의 단선 및 단락을 판단하는 기준을 나타낸 도면이며, 도 6은 연료전지 시스템 내부에 문제가 발생하였을 때를 표현한 도면이다.

연료전지 시스템에서 연료전지 내부의 온도를 알고 이를 이용하여 연료전지 내부의 온도를 제어하는 것은 연료전지 시스템의 효율성 향상을 위해 필수적이다. 따라서, 일반적으로 연료전지 시스템 온도를 알기 위해 둘 이상의 온도센서를 사용하여 시스템을 실시간으로 모니터링 하고 이를 기초로 연료전지 시스템의 온도 이상 여부를 판단한다.

그러나 종래 기술의 경우 특정 값을 기준으로 하여 측정된 값이 이러한 특정 값을 벗어났을 경우에만 온도센서에 대한 단선, 단락 여부를 판단하였다.

즉, 도 5에 표시한 바와 같이, 센서에 의하여 측정된 값이 미리 설정된 단선, 단락 범위에 해당하는 경우, 온도 센서가 단선 또는 단락이 되었다고 판단하여 추정 값을 바탕으로 온도를 제어하거나 또는 온도 센서가 모두 단선 또는 단락이 된 경우 비상상태에 해당한다고 판단하여 차량의 구동을 정지시키는 방법으로 연료전지 시스템을 제어하였다.

그러나, 도 6에 도시한 바와 같이 실제로는 온도 센서가 단선 또는 단락 상황이 아님에도 이상 동작을 하거나 연료 전지 시스템의 다른 문제로 인하여 온도센서가 예상범위를 벗어나는 일들이 발생한다. 그러나 종래 연료 시스템의 온도를 제어하는 기술의 경우, 온도 센서에 대한 단선 혹은 단락 여부만을 판단하기 때문에, 도 6과 같이 실제 온도와 측정된 값이 상이함에도 이를 시스템에 문제가 생겼는지 인식할 수 가 없는 문제가 존재하였다.

즉, 종래 기술의 경우 도 6에 도시된 바와 같이 실제 온도는 높으나 센서의 작동 불량으로 인해 온도를 낮게 인식하여 효율적으로 냉각제어가 안될 수가 있다. 따라서,연료전지 시스템 내부가 계속 과열되어 연료전지 스택 내부에 물이 많이 증발되는 드라이(Dry) 아웃 현상이 발생하여 시스템이 파열될 수 있는 문제가 존재하였다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 연료전지 내부에 설치된 복수의 센서를 이용하여 센서가 단선 혹은 단락 상황이 아닐 때에도 센서간 상관관계를 이용하여 센서 혹은 시스템의 이상을 감지하여 미리 시스템을 보호하는데 그 목적이 있다. 이하 도면들을 통하여 본 발명의 구성 요소 및 동작 원리에 대해 자세히 알아본다.

다만, 이하 설명되는 본 발명의 구성 및 도면의 경우 본 발명에 따른 다양한 실시 예 및 본 발명의 요지를 명확하기 설명하기 위해 연료전지 시스템(100)이 일부만을 도시한 것으로서, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하지만 도시되지 않은 하나 이상의 다른 구성요소가 존재할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지가 설치된 차량의 내부 구성을 자세히 나타낸 도면이다.

도 7을 참고하면, 본 발명은 연료전지 스택(200)과 연료전지 스택(200) 및 연료전지 시스템(100)의 온도를 측정하는 센서부(300) 및 센서부(300)에 의하여 측정된 온도를 기초로 연료전지 스택(200)의 온도를 제어하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.

연료전지 스택(200)은 연료극과 공기극을 포함할 수 있으며, 도 3과 도 4에서 설명하였다시피 일반적으로 연료전지 스택(200)의 구성에 필요한 구성요소들이 포함될 수 있다.

센서부(300)는 연료전지 시스템(100) 내부 여러 위치에서 내부 온도를 포함하여 다양한 환경을 측정할 수 있다.

센서부(300)는 연료전지 스택(200) 연료전지 스택(200)의 내부의 온도 또는 연료전지 스택(200)의 입구단 및 출구단에서의 냉각수 온도를 측정할 수 있다. 따라서, 센서부(300)의 센서는 연료전지 스택(200)의 온도를 측정하기 위해 연료전지 스택(200)의 주변에 다양한 위치에 설치될 수 있다. 또한, 센서부(300)는 연료전지 시스템(100) 외기 온도를 측정할 수 있다.

또한, 센서부(300)는 연료전지 스택(200)의 전류 및 전압를 측정하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 센서부(300)는 이러한 측정을 하기 위해 온도 센서, 전류 센서, 전압 센서 등을 포함할 수 있으며, 복수 개의 센서들이 구비될 수 있다.

제어부(400)는 센서부(300)에서 측정된 값들을 기초로 연료전지 스택(200)의 온도를 제어하는 역할을 할 수 있다.

즉, 제어부(400)는 센서부(300)에서 측정된 값들이 미리 설정된 제 1온도 범위에 포함되는 경우, 측정된 온도를 기초로 대체 값을 생성한 후, 생성된 대체 값을 이용하여 연료전지 스택(200)의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 대체 값을 생성하고 온도를 제어하는 특징에 대해서는 후술하도록 한다.

지금까지 본 발명의 구성 요소에 대해 알아보았다. 이하 도 8과 도9를 통하여 본 발명의 동작원리에 대해 알아본다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 차량의 제어방법을 나타낸 순서도이며 도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 연료전지 차량의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

도 8을 참고하면, 본 발명은 첫 번째로 복수의 센서를 이용하여 연료전지 내부의 다양한 위치의 온도를 측정한다.(S100)

본 도면 및 발명의 상세한 설명은 설명의 편의를 위해 주로 2개의 온도(T1, T2)를 기준으로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니고 여러 위치에서의 온도(T1, T2, T3, T4??.)를 측정하고 이를 이용하여 본 발명을 적용시킬 수 있다.

그리고 이하 설명되는 T1은 연료전지 스택(200)의 입구단의 냉각수 온도, T2는 연료전지 스택(200)의 출구단의 냉각수 온도를 가정하여 설명한다. 그러나 T1, T2또한 연료전지 스택(200)의 입구단과 출구단의 냉각수 온도에 한정되는 것은 아니며, 연로전지 스택(200) 내부 또는 외부 등 다양한 곳에서 온도를 측정하고 이를 기초로 연료전지의 온도를 제어할 수도 있다. 따라서, 연료전지 온도 제어를 위해 사용될 수 있는 인자이면 다른 것도 가능하다.

S100에 의하여 온도가 측정되었다면, 측정된 값들이 미리 설정한 조건에 만족하는지 판단한다.(S200)

S200 과정은 본 발명의 주 특징(S400 ~ S1000)까지의 과정을 진행하기 전에, 사전 조건을 만족하는지 판단하는 과정이다.

사전 조건이란, 측정된 온도들이 제 1온도 범위에 포함되는 경우를 말하는데, 제 1온도 범위란, 측정된 값들이 모두 정상 범위에 해당하는 경우로서 단선, 단락 범위가 아닌 경우를 말한다.

또한, 사전 조건에는 전부 단락 범위에 속하는 경우 뿐만 아니라, 적어도 하나가 단락 범위에 속하는 경우, 또는 연료전지 상태가 피드 포워드(Feed Forward) 상태이거나 냉각수 펌프 구동 후 일정시간 내인지 판단하는 조건들도 포함한다. 즉, 연료전지 상태가 이러한 조건에 해당한다면 대체 인자를 생성할 필요가 없으므로 S400을 거치지 않고 S300 과정을 거쳐 측정된 온도를 기초로 바로 연로전지의 온도를 제어한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 9에서 후술하도록 한다.

S200 과정에 의해서 미리 설정된 조건들을 만족하였다면, 측정된 온도 값들의 차이가 미리 설정된 기준에 만족하는지 판단한다.(S400)

즉, 측정된 값들의 차이(T1-T2 혹은 T2-T1)가 미리 설정된 기준 값 보다 크며, 이러한 상태가 미리 설정된 시간보다 오래 지속되었는지 여부로 S400 조건을 만족하는지 판단한다.

여기서, 미리 설정된 값(Tth)이란 센서 간 온도차이가 비정상으로 많이 나는 경우로 말한다. 만약, 센서 간 온도차이가 미리 설정된 값(Tth) 보다 작다면 시스템은 정상적이라고 판단할 수 있으므로 대체 값을 생성하지 않는다.

그러나, 센서 간 온도의 차이가Tth 보다 큰 경우 시스템 혹은 센서에 이상이 있다고 판단할 수 있는데, 일반적으로 연료전지 스택(200)의 입구단과 출구단 사이의 냉각수 온도 차이가 30도 이상이 나는 경우, 이상이 있다고 판단한다. 다만, 30도에 한정되는 것은 아니고 상황에 따라 센서 값 차이가 비이상적으로 많이 난다고 판단되는 값들도 이에 포함될 수 있다.

온도의 차이가 Tth 보다 크게 나는 경우를 제 2온도 범위라 하며, 측정된 온도의 차이가 제 2온도 범위에 포함된다면 센서들 중 적어도 하나가 이상이 있다고 판단할 수 있다.

그러나 측정된 온도 값의 차이가 제 2온도 범위에 포함된다 하더라도 본 발명이 적용될 수 있는 조건이 바로 만족되는 것은 아니며, 이러한 온도 차이가 미리 설정된 시간 이상으로 지속되었는지 판단하여 S400 조건을 만족하였는지 판단한다.

즉, 순간적으로 온도 차이가 발생하였다 하여 이를 시스템 이상으로 간주하기는 어려우므로 미리 설정된 시간 이상(제 1시간 범위)으로 온도 차이가 계속 나는 경우 S400 조건을 만족한다고 본다.

여기서 말하는 제 1시간 범위는 어느 특정한 시간에 한정되는 것은 아니고, 일반적으로 측정된 온도의 차이가 큰 상태인데도, 계속 지속될 경우 시스템의 이상이 있다고 판단될 수 있는 시간이면 이에 해당한다.

S400 과정에 의한 조건을 만족하였다면 센서 혹은 시스템에 이상이 있다고 판단하고(S500), 연로전지 스택(200)의 온도를 제어하기 위한 대체 값을 생성하기 위해 측정된 값들 중 어느 값이 큰 값인지 판단한다.(S600)

큰 값을 기준으로 대체 값을 생성하는 이유는 작은 값을 기준으로 대체 값을 생성하는 경우보다 위험성 면에서 더 안전하기 때문이다.

만약, T1 값이 T2보다 크다면, S700에 따라, T1a = T1으로, T2a = T1 + Tof 로 대체 값을 생성한다. 그리고 만약, T1 값이 T2보다 작다면, S800에 따라, T1a = T2 - Tof로, T2a = T2 로 대체 값을 생성한다.

여기서 Tof는 온도 오프셋 값으로서, 미리 설정되어 있는 온도 값을 말한다. 일반적으로, 연료 전지 스택(200)의 입구단과 출력단의 냉각수 온도의 차이는 5도에서 10도 정도 차이가 존재하는 것이 정상적이므로 이러한 값들이 Tof 값으로 될 수 있다.

예를 들어 설명하면, Tof는 5도이고, T1은 연료전지 스택(200)의 입구단 온도로서 60도가 측정되었고, T2는 연료전지 스택(200)의 출구단 온도로서 10도가 측정되었으며, 제 1온도 범위와 제 1시간 범위 또한 만족하였다고 가정한다.

이러한 경우, T1이 높게 측정되었으므로 T1을 기준으로 대체 값이 생성된다. 즉 S700에 따라 T1a는 60도가 되며 T2는 T1 값에 Tof를 더한 값 즉, 65도가 되며 이를 기준으로 제어인자가 생성된다.

만약, T1과 T2가 반대로 측정되었다면, 이러한 경우 S800과정에 따라 T1a는 55도가 T2b는 60도로 제어인자가 생성된다.

즉, S700과 S800을 거치면 높은 온도를 기준으로 대체 값이 생성되며, 연료전지 스택(200)의 출구단 냉각수의 온도가 입구단 냉각수의 온도보다 높은 정상적인 상태로 측정되어 연료전지 스택(200)의 온도를 제어할 수 있다.

만약, T1과 T2가 위에서 설명한 것과 다르게 동일 위치에서 측정된다면 이 둘의 차이는 존재하지 않아야 되므로 이러한 경우 Tof는 0이 된다. 즉, Tof 값은 측정되는 위치에 따라 다양하게 변형되어 미리 설정될 수 있으며 어느 특정한 값에 한정되는 것은 아니다.

S700과 S800에 의하여 대체 값이 생성되었다면, 대체 값을 제어 인자로 활용하고(T1c=T1a, T2c=T2a) 이러한 제어 인자를 활용하여 라디에이터의 Fan, 밸브(3-way 밸브 또는 4-way 밸브), 펌프의 Rpm 또는 연료전지 스택(200)의 전류 제한치를 제한하여 연료전지 스택(200)의 온도를 제어한다.(S900, S1000)

지금까지 도 8을 통하여 본 발명의 특징인 대체 값을 생성하는 방법을 알아보았다. 이하 도 9를 통하여 대체 값을 생성하기 위한 기본 조건에 대해 알아본다.

S200에 따라, 대체 값을 생성하기 위해서는 도 9에 따라 미리 설정된 조건들을 만족하는지 판단한다.

첫 번째로, 측정된 값들이 모두(도9에서 T1과 T2) 단선 또는 단락이 되었는지 판단한다.(S210)

즉, 측정된 값들이 단선, 단락에 해당하는 온도 범위(제 1온도 범위)에 해당하지 않는지 판단하여, 측정된 값들이 모두 제 1온도 범위를 벗어난다면 이는 단선, 단락의 위험 상태에 있는 것이므로 비상운전을 시행하고 시스템을 정지시켜 운전자 및 시스템을 보호한다.(S220).

만약 측정된 모든 값들이 제1온도 범위에 해당한다면 상기 설명하였다시피 안전한 범위에 해당한다.

여기서 말하는 제 1온도 범위란, 상기 설명한 바와 같이 온도 센서가 단선 또는 단락이 될 수 있는 범위의 온도를 말하는 것으로서, 어느 특정한 온도 값으로 한정되는 것은 아니다.

만약 S210 과정에 의해 모두가 단선, 단락 되어 있지 않았다면, 측정된 온도 값들 중에서 적어도 하나가(도 9에서는 T1 또는 T2중 하나) 단선, 단락의 범위에 해당하는지 판단한다.(S230)

만약, 측정된 값들 중 적어도 하나가 제 1온도 범위에 해당한다면, 그 값은 정상이라고 판단할 수 있으므로 그 값을 기준으로 제어 인자를 생성한다.(S240)

즉, 정상인 온도 센서(제1온도 범위에 포함되는 온도 센서)를 이용하여 다른 온도 센서의 값을 추정하여 제어인자(T1c, T2c)를 생성하고 이를 이용하여 연료전지 스택(200)의 온도를 제어한다. 이 때 추정 값은 연료전지 스택(200)의 발열량과 유랑을 기준으로 추정한다.

S230 과정에 의해 측정된 모든 값들이 단선 또는 단락이 되지 않았다면, 연료전지 시스템이 피드 포워드(Feed Forward) 제어 상황인지 아닌지 판단한다. (S250)

피드 포워드(Feed Forward) 제어란, 연료전지 스택(200)의 발열량과 연료전지 스택(200)의 출구단 온도를 기초로 이러한 값이 미리 설정된 값 이상 되었을 때, 펌프(Pump)를 구동시켜 온도변화 과도구간에서의 응답성을 향상시키고 냉각성능을 향상시키는 제어 방법을 말한다.

여기서 미리 설정된 값이란, 피드 포워드(Feed Forward) 제어를 실행하기 위해 필요한 기준을 말하며, 연료전지 스택(200)의 발열량과 연료전지 스택(200) 출구단의 냉각수 온도를 기준으로 판별한다.

피드 포워드(Feed Forward) 제어 시에는 연료전지 스택(200)의 큰 발열량으로 인해 온도차이가 크게 발생할 수 있기 때문에 본 발명이 적용될 조건을 만족하더라도 본 발명이 적용되지 않는다. 이러한 경우에는 피드 포워드 제어를 실행해야 하기 때문이다. 따라서, 이러한 경우 대체 값을 생성하지 않고 측정된 온도를 제어인자로 활용하여 시스템을 제어한다.(S260)

S250 과정에 의해 피드 포워드(Feed Forward) 상황이 아니라면, 냉각수 펌프 구동 후 일정 시간이 지났는지 판단한다.(S270)

일반적으로 차량이 장기간 방치되어 있거나 냉시동을 위한 발열을 시행한 후 펌프를 구동시킬 때에는 연료전지 스택(200) 내부와 외부의 냉각수 온도의 차이가 크기 때문에 피드 포워드 상황처럼 본 발명이 적용될 수 있다. 그러나 이러한 경우까지 본 발명이 적용되는 것은 본 발명의 효율성을 떨어뜨리므로 이러한 경우에는 대체 값을 생성하지 않는 것이다.

여기서 말하는 일정 시간이란 제 2시간 범위를 말하며, 냉각수 펌프 구동 후 충분히 시간이 지나 배관 혹은 라지에이터 내의 냉각수가 섞여야 하는 시간을 말한다. 따라서, 냉각수 펌프의 가동 시간이 제 2시간 범위 포함된다면, 이는 아직 냉각수가 충분히 섞인 시간이 아니므로 이러한 경우에는 대체 값을 생성하지 않고 측정된 온도를 기초로 연료전지 스택의 온도를 제어한다.(S260)

만약, 냉각 수 펌프 구동 후 구동 시간이 제 2시간 범위에 포함되지 않는다면 이는 충분히 시간이 지난 상태이므로 상관 관계 분석을 할 수 있는 상황이다. 따라서, S400 과정으로 돌아가 상관관계 분석을 시행한다.

이상 도면을 통하여 본 발명의 구성 및 특징에 대해 알아보았다.

본 발명의 경우, 복수의 센서를 이용하여 연료전지의 온도를 이용하여 센서 혹은 시스템이 이상하다고 판단되는 경우 측정 온도를 기초로 대체 값을 생성하여 연료전지 스택의 온도를 조절하는 기술에 관한 발명으로서, 센서 간 상관 관계를 이용하여 대체 값을 생성하여 이를 기초로 연료 전지 내부의 온도를 조절할 수 있어 센서들이 단선 혹은 단락 상황이 아니어도 시스템의 이상을 조기에 감지할 수 있는 효과가 존재한다.

지금까지 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

1 : 차량
200 : 연료전지 스택
300 : 센서부
400 : 제어부