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KR100685214B1 - 연료 전지 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 제어 방법 Download PDF

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KR100685214B1
KR100685214B1 KR1020057004436A KR20057004436A KR100685214B1 KR 100685214 B1 KR100685214 B1 KR 100685214B1 KR 1020057004436 A KR1020057004436 A KR 1020057004436A KR 20057004436 A KR20057004436 A KR 20057004436A KR 100685214 B1 KR100685214 B1 KR 100685214B1
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fuel cell
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battery
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KR1020057004436A
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다케시 아소
미츠노리 구마다
Original Assignee
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

에너지 공급 장치(ES)는 연료 전지(1)와, 상기 연료 전지에 연결된 전력 분배부(4)와, 상기 전력 분배부(4)에 연결된 2차 전지(7)로 형성되며, 전체 부하 세트(WL)는 상기 전력 분배부(4)에 연결되어 있으며, 콘트롤러(8)는 상기 전력 분배부(4)가, 상기 연료 전지(1)에서 생성된 전력(Gm)이 상기 2차 전지(7)와 부하 세트(WL)에 분배되는 전력 충전 분배(S61)와, 상기 연료 전지(1)에서 생성된 전력(Gr)과 상기 2차 전지(7)에서 방전된 전력(Dp)과의 합이 상기 부하 세트(WL)에 분배되는 전력 방전 분배(S71)을 교대로 반복함으로써 상기 에너지 공급 장치(ES)를 워밍하도록 제어한다.

Description

연료 전지 시스템 및 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 특히 차량의 구동 모터와 연료 전지 스택의 주변 장치들을 포함하는 한 세트의 전기 부하로의 전력 공급을 위한, 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템과, 그 제어 방법에 관한 것이다.
일본 특개평 제9-231991호에는, 저온 조건하에서의 연료 전지 시스템의 기동시에서도, 차량 구동 모터와 연료 전지 스택의 주변 장치를 포함하는 한 세트의 전기 부하에, 필요한 전력을 공급하는 차량-탑재된 연료 전지 시스템을 위한 기술이 개시되어 있다.
연료 전지 시스템은, 시스템의 기동시에 구동 모터로의 전력 공급을 위한 배터리를 포함하여, 스택의 저 출력이, 저 전류로 구동될 수 있는 주변 장치 및 마이너(minor) 부하에만 전력을 공급할 수 있다.
저온 조건하에서, 배터리와 스택 모두는 출력 특성을 저하시켜, 연료 전지 시스템은 웜-업에 긴 시간이 소요된다는 경향이 있다.
본 발명은 이러한 관점에서 행해졌다. 따라서, 본 발명의 목적은, 저온 조건하에서 효율적이고 단시간인 웜-업을 달성하는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 태양에 따르면, 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 연결된 전력 분배부와, 상기 전력 분배부에 연결된 2차 전지를 구비하는 에너지 공급 장치; 상기 전력 분배부에 연결된 부하 세트; 및 상기 전력 분배부가, 제1 전력이 연료 전지에서 생성되어 상기 2차 전지와 상기 부하 세트에 분배되도록 하는 제1 전력 분배와, 상기 연료 전지에서 생성된 제2 전력과 상기 2차 전지로부터 방전된 제3 전력과의 조합을 상기 부하 세트에 분배되도록 하는 제2 전력 분배를 교대로 반복함으로써, 에너지 공급 장치를 워밍(warming)하도록 제어하는 콘트롤러를 구비한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 연료 전지, 상기 연료 전지에 연결된 전력 분배부, 및 상기 전력 분배부에 연결된 2차 전지를 구비하는 에너지 공급 장치와, 상기 전력 분배부에 연결된 부하 세트를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공하며, 상기 제어 방법은 상기 전력 분배부가, 제1 전력이 상기 연료 전지에서 생성되어, 상기 2차 전지 및 상기 부하 세트에 분배되도록 하는 제1 전력 분배; 및 상기 연료 전지에서 생성된 제2 전력과, 상기 2차 전지로부터 방전된 제3 전력과의 조합을 상기 부하 세트에 분배되도록 하는 제2 전력 분배를 교대로 반복함으로써, 에너지 공급 장치를 워밍하도록 제어하는 단계를 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 상세 블록도이다.
도 3A는 도 1의 연료 전지 시스템의 제1 웜-업 제어에서 풀(full) 웜-업 사이클의 플로우 차트이다.
도 3B는 제1 웜-업 제어에서 SOC 보완 사이클의 플로우 차트이다.
도 4A는 도 1의 연료 전지 시스템의 제2 웜-업 제어에서 맥동(pulsating) 웜-업 사이클의 플로우 차트이다.
도 4B는 맥동 웜-업 사이클에서 파라미터 설정 처리의 플로우 차트이다.
도 5A 내지 도 5C는 맥동 웜-업 사이클에서 에너지 공급 장치의 작동 조건의 시간 차트를 도시하는 것으로, 도 5A는 에너지 공급 장치의 스택에서의 발전을 도시하고, 도 5B는 에너지 공급 장치의 배터리에서의 전력 충전/방전을 도시하며, 도 5C는 배터리의 온도 변화를 도시하고 있다.
도 6A 및 도 6B는 발전, 가능한 충전/방전, 및 전력 소모 간의 관계를 도시하는 것으로, 도 6A는 최대 발전과 연관된 관계를 도시하며, 도 6B는 감소된 발전과 연관된 관계를 도시하고 있다.
도 7 내지 도 11은 에너지 공급 장치와, 연관된 용어의 특성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 기능 및 효과는 물론, 상기 및 다른 목적들 및 특성들은 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 실행하기 위한 다음의 최선의 모드로부터 완전하게 명백해질 것이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실행하기 위한 최선의 모드를 이하에 상 세히 설명한다. 동일한 요소는 동일한 도면 부호로 지정된다.
(연료 전지 시스템)
본 발명의 실시예에 따른 연료 전시 시스템(FS)을 도 1과 도 2를 참조로 하여 최선의 모드로서 설명한다. 도 1은 연료 전지 시스템(FS)의 블록도이고, 도 2는 도 1의 필수적인 회로를 상세하게 도시한 것이다.
연료 전지 시스템(FS)은, 수소 공급 장치(2)(도 1)로부터 공급된 가스 연료(Fg)(도 1, 도 2)와, 공기 공급 장치(3)(도 1)로부터 공급된 가스 산화제(Og)(도 1, 도 2)로 전력을 생성하여 공급하도록 구성된 전력 공급 장치로서 연료 전지 스택(1)(도 1과 도 2)을 가진다. 연료 전지 시스템(FS)은, 자동차(도시 안됨)로서 차량에 탑재되며, 연료 전지 스택(1)은, 통상적으로, 연료 전지 시스템(FS)의 한 세트의 내부 부하(이하 통칭 "내부 부하"라고 칭한다)(IL)(도 1과 도 2)와, 연료 전지 시스템(FS)에 관한 한 세트의 외부 부하(이하 통칭 "외부 부하" 라고 칭한다)(EL)를 포함하는, 차량의 전체 세트의 연관된 전기 부하(WL)(도 1)에, 전력 공급 라인(SL)(도 1 및 도 2)을 통하여 충분한 전력을 공급한다.
내부 부하(IL)는 스택(1)의 동작을 지원하도록 기능하며, 여기서 사용되는 바와 같이, 때로는 "보조 기기"라고 부른다. 일반 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택용 보조 기기의 각 요소는 항상 일반 시스템의 내부 전기 부하인 것은 아니나(즉, 보조 기기≥내부 부하), 내부 부하(IL)는 차량-탑재된 시스템(FS)의 스택(1)의 보조 기기기를 구성한다는 것(즉, 보조 기기 = 내부 부하)이 주목된다. 본 실시예에서, 보조 기기는, 연료 전지 시스템(FS)의 기동시 마이너 또는 비교적 불변의 부 하로서 작동하는 제1 형태(즉, 후술되는 공기 압축기(15)를 제외한 내부 부하(IL), 도 2)와, 기동시 메이저(major) 또는 비교적 가변 부하로서 작동하는 제2 형태(즉, 공기 압축기(15))로 분류된다.
외부 부하(EL)는, 본 실시예에서 차량을 구동하는 구동 모터(미도시)에 관련되는, 그러나 부가적으로 이 외를 포함할 수도 있는 영향력있는(influential) 부하(이하, 단순히 "부하"라고 칭한다)(도 1과 도 2)와, 스택(1) 및/또는 후술되는 배터리(7)를 직접적으로 혹은 간접적으로 가열하거나 워밍시킬 수도 있는 한 세트의 가열 요소(이후, 통칭하여 "히터"로 칭함)를 포함한다.
스택(1)은 층이 있는 유닛 셀과 프레임 부재로서의 셀 분리부의 적층체이다. 각 유닛 셀은 이웃 분리부 사이의 막의 전극 어셈블리(membranous electrode assembly, MEA)(도 2)로서 형성되며, 한 쌍의 대향하는 수소 및 공기 전극(1a, 1b)(도 2)과, 상기 전극(1a, 1ab) 사이에 배치된 고체 고분자 전해질막(1c)(도 2)으로 구성되어 있다.
발전을 위하여, 수소 전극(1a)에 연료(Fg)로서 수소 가스가 공급되고, 공기 전극(1b)에는 산화제(Og)로서, 산소를 함유하는 가습화된 공기가 공급된다. 각 전극(1b,1c)은, 각 셀 분리부 내의 냉각제 경로(1d)(도 2)의 네트워크에 공급되는 냉각제(Wcl)(도 2)로서, 냉각수(cold water)로 필요시 냉각될 수 있다.
스택(1)의 외부 연결을 위하여, 각 전극(1a 또는 1b)(임의의 연관 유로 또는 검출 신호 컨덕터는 물론)은, 용어상으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 공통 연결부(병렬 연결의 경우), 단자 연결부(직렬 연결의 경우) 또는 대표 연결부(신호의 경 우)에 연결되며, 예를 들면, (단자) 애노드 연결부(1f), (단자) 캐소드 연결부(1g), (대표) 온도 신호 연결부(1h), (공통) 연료 공급 연결부(1p), (공통) 공기 공급 연결부(1q), (공통) 냉각제 공급 연결부(1r), (공통) 미사용 연료 수집 연결부(1s), (공통) 폐공기 수집 연결부(1t), 및 (공통) 냉각제 수집 연결부(1u)에 연결되는 것이 주목된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 수소 공급 장치(2)는, 수소 탱크(11)에 연결되며, 수소 압력 제어 밸브(12)를 가지는 수소 공급 라인(L1)과, 수소 압력 제어 밸브(12)의 하류에 설치된 한 세트의 이젝터(13)를 포함한다. 수소 압력 제어 밸브(12)는 추후 설명되는 시스템 콘트롤러(8)(도 1과 도 2 참조)로부터 한 세트의 유체 제어 명령(이하, "유체 제어 명령" 또는 단순히 "명령"이라 칭한다)의 대응 명령에 의해 제어되는 개방 조절기로서 밸브 액츄에이터(14)를 구비한다. 이젝터 세트(13)는 또한 유체 제어 명령(CTf)으로도 제어될 수도 있다.
수소 탱크(11)에 저장된 고압 수소 가스는, 압력이 제어되는 제어 밸브(12)를 통해 수소 공급 라인(L1)을 따라, 그리고 리턴 라인(L2)을 통해 수소 수집 연결부(1s)로부터 반환되는 미사용된 수소가 동반되는 이젝터 세트(13)를 통해, 각 수소 전극(1a)에 연료(Fg)로서 공급된다(도 2). 미사용된 연료 수집 연결부(1s)는 필요한 경우, 스택(1)의 수소 퍼지를 행하는 유체 제어 명령(CTf)에 의해 제어되는 퍼지 밸브를 구비할 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 공기 공급 장치(3)는, 대기 압축용의 공기 압축기(15)에 연결되어, 압축된 공기를 전달하는 공기 공급 라인(L3)을 포함하고 있다. 이 공기는 제어된 압력 하에 제어된 유량으로 각 공기 전극(1b)에 산화제(Og)로서 공급되어, 유체 제어 명령(CTf)은 모터 rpm(revolutions per minute)과 압축기(15)의 토크를 제어한다. 공기 수집 연결부(1t)는 기압 제어 밸브(도시 안됨)를 가지며, 그 개방은 유체 제어 명령(CTf)에 의해서도 제어될 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 스택(1)에는 스택(1)을 통하여 냉각제(Wcl)를 재순환하기 위한 냉각제 재순환 라인(L4)이 제공된다. 재순환 라인(L4)은 냉각제 재순환 펌프(16)와, 냉각 팬(19)을 구비한 라디에이터(18)와, 상기 라디에이터(18)를 바이패스하기 위한 3-포트 밸브(17)를 포함한다. 유체 제어 명령(CTf)은 펌프(16)의 온-오프 스위칭과 전달 흐름 및 압력을 제어하며, 상기 밸브(17)의 포트 선택과 상기 팬(19)의 rpm을 제어하여, 냉각제(Wcl)의 온도를 조정한다.
상술된 4개의 유체 라인(L1-L4)은 모두 스택(1)과 연관되어 있으며, 공급 메인, 전자 차단(electromagnetic shutoff), 안전 밸브 및 기타 라인 제어와 같은 라인 밸브를 포함할 수 있으며, 이들은 유체 제어 명령(CTf)에 의해서도 제어될 수도 있다. 스택(1)은 자신의 주변 장치(4개의 유체 라인(L1 내지 L4)을 포함)를 구비하고 있으며, 이들 주변 장치는 한 세트의 스택 주변 장치 제어 명령(이하, "주변 장치 제어 명령", 또는 단순히 "명령"이라 칭한다)(CT1)(도 2)에 의해 개별적으로 제어될 수 있어, 명령(CT1) ⊃ 명령(CTf)이다.
연료 전지 시스템(FS)은, 전기 에너지 저장을 위한 2차 전지 또는 전기 에너지 축적을 위한 어큐물레이터로서의 배터리(7)와, 스택(1)의 전력 공급 라인(SL)에 설치되고, 콘트롤러(8)로부터의 분배부 제어 명령(CT2)(도 2)에 의해 전체적으로 제어되는 전력 분배부(4)(도 1과 도 2)와의 조합을 포함한다. 전기 에너지는 전력의 시간-적분에 등가인 것이 주목된다. 스택(1)으로부터의 전력 공급이 분배용으로 불충분하면, 분배부(4)는 배터리(7)를 방전시켜 저장된 에너지를 취출한다.
분배부(4)와 배터리(7)와의 조합은, 콘트롤러(8)의 제어하에, 양(quantity)의 선형 또는 비선형 변화로 에너지의 지연된 또는 타이밍-제어된 공급을 허용한다는 축적 방식으로, 에너지(또는 에너자이징된 전자)를 펌핑하기 위한 에너지 펌프(EP)(도 1과 도 2)로서 어느 정도 기능을 하도록 구성된다.
효과적인 기능을 위해, 배터리(7)는, 다수 세트의 병렬-접속된 배터리 세트 유닛과 한 쌍의 양극(+) 및 음극(-) 단자 사이에 설치되며, 콘트롤러(8)로부터의 배터리 제어 명령(CT3)(도 3)에 의해 제어되어, 각각 (+) 단자 및/또는 (-) 단자에서 충전/방전 전류 및/또는 전압을 변화시키는 병렬-직렬 스위칭 접속 또는 I/O(입력/출력) 회로를 가질 수도 있다.
분배부 장치(4)는 (+) 또는 (-) 극성을 가지는 다수의 단자를 포함하며, 예를 들어, 배터리(7)로의 접속용 한 쌍의 (+)와 (-) 단자, 공통 (-) 라인용 (-) 단자, 외부 부하(EL)로의 전력 분배를 위한 공통 (+) 라인용 (+) 단자, 및 내부 부하(IL)로의 전력 분배를 위한 공통 (+) 라인용 (+) 단자를 포함한다.
전력 분배부(4)는, 배터리(7)에 잉여 에너지를 저장하면서, 에너지 흐름의 트래픽을 제어하여, 스택(1)으로부터 공급된 에너지를, 필요하면, 내부 부하(IL)(필요시, 유체 라인(L1 내지 L4)을 가지는 스택의 주변 장치, 콘트롤러(8), 분배부(4) 자체, 배터리의 I/O 회로 또는 스위칭 접속 등)와, 외부 부하(EL)(부하(5), 히 터(6) 등)에 분배한다. 개별적인 내부 또는 외부 부하(IL 또는 EL)로의 전력 공급은, 내부 부하(IL)용의 3개의 제어 명령(CT1 내지 CT3), 또는 한 세트의 외부 부하 제어 명령(이하, 통칭하여 "외부 부하 제어 명령" 또는 단순히 "명령"이라 칭함)(CTe)(도 2) 중 대응하는 하나에 의하여 각각 제어될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(FS)은 각각의 관련 부품과 유체의 현재 상태, 예컨대 캐소드 접속(1g)을 통한 출력 전류(Io), 애노드와 캐소드 접속(1f,1g) 사이의 출력 전압(Vo), 및 전해질막(1c)에서의 대표 온도(Tr)로서의 스택 온도(Ts)를 포함하는 스택(1)의 작동 상태와, 유체 라인(L1 내지 L4)을 포함하는 스택의 주변 장치의 작동 상태와, 분배부(4)의 작동 상태와, SOC(state of charge, 충전 상태), 대표 온도로서의 배터리 온도(Tb), 및 (필요하면) (+) 단자에서의 충전/방전 전류 및/또는 배터리(7)의 (+) 와(-) 단자 사이의 충전/방전 전압을 포함하는 배터리(7)의 작동 상태와, 외부 부하(EL)의 작동 상태를 검출하는 검출 시스템(DS)을 가진다. 스택 온도(Ts)는 냉각제(Wcl) 또는 주위 공기의 온도로 나타낼 수도 있다. 또한 배터리 온도(Tb)는 주위 공기 온도로도 나타낼 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 검출 시스템(DS)은, 필수적인 검출부들, 예를 들어 전류(Io)의 검출 신호(SA)를 제공하기 위하여 스택(1)의 출력 전류(Io)를 검출하는 전류 검출부(20)와, 전압(Vo)의 검출 신호(SV)를 제공하기 위하여 스택(1)의 출력 전압(Vo)을 검출하기 위한 전압 검출부(21)와, 온도(Ts)를 나타내는 검출 신호(ST)를 제공하기 위하여 스택 온도(Ts)를 검출하는 온도 검출부(22)와; 이들 상 태를 나타내는 한 세트의 유체 라인 검출 신호(이하, 통칭하여 "유체 라인 검출 신호"라 칭한다)(SGf)를 제공하기 위하여 4개의 유체 라인(L1 내지 L4)의 작동 상태를 검출하는 검출 요소들을 포함하는, 이들 상태를 나타내는 한 세트의 스택의 주변 장치 검출 신호(이하, 통칭하여 "주변 장치 검출 신호"라 칭한다)(SG1)를 제공하기 위하여 스택의 주변 장치 작동 상태를 검출하며, 검출 신호 SG1 ⊃ SGf인 한 세트의 검출 요소 세트(미도시)와; 이들 상태를 나타내는 한 세트의 분배부 검출 신호(이하, 통칭하여 "분배부 검출 신호"라고 칭한다)(SG2)를 제공하기 위하여 분배부(4)의 작동 상태를 검출하는 한 세트의 내장 검출 요소(도시 안됨)와; 이들 상태를 나타내는 배터리 검출 신호(SG3)를 제공하기 위하여 SOC, 배터리 온도(Tb), 및 (필요하면) 배터리(7)의 (+) 및/또는 (-) 단자(들) 간의 또는 그 사이의 충전/방전 전류 및/또는 전압을 검출하기 위한 배터리 상태 검출부(23)와; 이들 상태를 나타내는 외부 부하 검출 신호(SGe)를 제공하기 위하여 외부 부하(EL)의 작동 상태를 검출하기 위한 다양한 검출 요소들(도시 안됨)을 포함한다. 전류(Io)의 검출 신호(SA)와 전압(Vo)의 검출 신호(SV) 및 온도(Ts)의 검출 신호(ST)는 때때로 여기서 "스택 검출 신호"로 통칭한다.
배터리(7)의 I/O 회로나 스위칭 접속은 배터리(7)에서 전력 분배부(4)로 제거될 수도 있음은 명백할 것이다. 이런 경우, 콘트롤러(8)로부터의 배터리 제어 명령(CT3)은 분배부 제어 명령(CT2)에 포함되고, 분배부 검출 신호(SG2)는, 배터리 검출 신호(SG3)로부터, 배터리(7)의 (+) 및/또는 (-) 단자의 또는 그 사이의 충전/방전 전류 및/또는 전압에 대한 정보를 취하여 포함한다. 이러한 관점에서, 분배 부 제어 명령(CT2)과 배터리 제어 명령(CT3)은 때때로 "에너지 펌프 제어 명령"이라고 통칭하며, 분배부 검출 신호(SG2)와 배터리 검출 신호(SG3)는 "에너지 펌프 검출 신호"로 통칭한다.
연료 전지 시스템(FS)은 마이크로컴퓨터, 메모리, 인터페이스 등을 가지는 데이터 프로세서로서 구성된 시스템 콘트롤러(8)에 의하여 전적으로 제어된다. 콘트롤러(8)는, 그 메모리 또는 메모리들에 기억된 제어 프로그램, 테이블 및 데이터를 가지며, 스택 검출 신호(SA,SV,ST), 주변 장치 검출 신호(SG1)(유체 라인 검출 신호(SGf) 포함), EP(에너지 펌프) 검출 신호(SG2, SG3), 및 외부 부하 검출 신호(SGe)를 포함하는 각 인터페이스 데이터를 내부에 더 기억하고, 연산과 판단, 및/또는 명령에 필요한 이러한 데이터를 처리하기 위한 판독 프로그램(들)을 수행하여, 주변 장치 제어 명령(CT1)(유체 라인 제어 명령(CTf) 포함), EP(에너지 펌프) 제어 명령(CT2, CT3), 및/또는 외부 부하 제어 명령(CTe)을 제공함으로써, 스택(1)에서의 발전과, 에너지 펌프(EP)에서의 에너지 축적은 물론, 에너지 흐름 트래픽을 제어하여, 양쪽 모두 전체 부하 세트(WL)(즉, 보조 기기로서의 내부 부하(IL), 및 외부 부하(EL))용의 요구되는 전력 공급에 대하여 적합하게 된다.
스택(1)으로부터 전력이 공급된 에너지 펌프(EP)(배터리(7)와 분배부(4)의 조합으로서)(즉, EP+1=1+4+7)는, 에너지 축적 방식으로 전체 부하 세트(WL)에, 전력으로서 전기 에너지를 공급하기 위한 전력 공급 장치로서 전기 에너지 공급 장치(ES)(도 1과 도 2)를 구성한다. 다시 말해, 연료 전지 시스템(FS)에서, 에너지 공급 장치(ES)는, 연료 전지(1)와, 연료 전지(1)에 연결된 전력 분배부(4), 및 전력 분배부(4)에 연결된 2차 전지(7)로 구성되고, 전력 분배부(4)는 에너지 공급 장치(ES)의 효율적인 웜-업과 전체 부하 세트(WL)로의 전력 분배를 위해 콘트롤러(8)로부터 제어된다. 스택(1), 분배부(4), 및 배터리(7)와의 조합(1+4+7)은, 전력 공급 장치로서 작용하지만, 여기서는, 전력 공급 장치로서 고유하게 작용하는 스택(1)과 차별화하기 위해 "에너지 공급 장치(ES)"로 칭하는 것이 주목된다.
시스템 콘트롤러(8)는, (내부-ES 또는 ES-외부) 통제기 또는 콘트롤러로서 작용하도록 구성되어, 스택(1)과 배터리(7)와의 조합이 연료 전지 시스템(FS)의 기동시에 완전히 웜-업되도록 제어하는(배터리 검출 신호 모니터링) "제1 웜-업 제어", 및 스택(1)이 배터리(7)와 함께, 필요하다면 연료 전지 시스템(FS)의 기동과 함께(또는, 바람직하게는, 연속 동작으로) 충분히 웜-업되도록 제어하는(스택 검출 신호 모니터링) "제2 웜-업 제어"를 실행한다. 스택 검출 신호도 제1 웜-업 제어시에 모니터링되고, 배터리 검출 신호도 제2 웜-업 제어시에 모니터링된다는 것이 주목된다. 양쪽 웜-업 제어에서, 콘트롤러(8)는, 스택(1) 자신의 열 소모를 위해 필요한 전기를 생성하도록 스택(1)을 구동시켜, 스택(1)의 효율적인 웜-업을 달성한다. 배터리(7)도 또한, 배터리 자신의 열 소모를 위하여 필요한 충전 및 방전 사이클을 반복하도록 제어되어, 배터리(7)의 효율적인 웜-업을 달성한다.
에너지 공급 장치(ES)를 제어하기 위해, 콘트롤러(8)는 스택 주변 장치 제어 명령(CT1)과 EP 제어 명령(CT2+CT3)을 제공하는데, 그 조합은 때때로 "ES(에너지 공급 장치)제어 명령 "(CT1+CT2+CT3)"로 칭하며, 이것은 IL(내부 부하) 제어 명령과 등가이다. 검출 시스템(DS)은 스택(1)과 그 주변 장치를 검출하여, 주변 장치 검출 신호(SG1)과 함께 스택 검출 신호(SA,SV,ST)와, 에너지 펌프(EP)를 검출하여 EP 검출 신호(SG2+SG3)를 제공한다. 이들 모두 (SA,SV,ST, SG1,SG2,SG3)는 통칭 "ES(에너지 공급 장치) 검출 신호"라고 칭할 수도 있으며, 이것은 스택 검출 신호(SA+SV+ST)와 IL(내부 부하) 검출 신호(SG1+SG2+SG3)의 조합이다.
(제1 웜-업 제어)
연료 전지 시스템(FS)의 제1 웜-업 제어를 도 3A와 도 3B를 참조로 설명한다. 제1 웜-업 제어는 SOC 보완 사이클(단계 S5 내지 S10)을 포함하여 하나의 풀 웜-업(full warm-up) 사이클(단계 S1 내지 S22)로서 프로그램되고, 반복되어, 부하(5)를 구동시킨다. 도 3A에서는 SOC 보완 사이클을 제외한 풀 웜-업 사이클을 도시한다. 도 3B는 SOC 보완 사이클을 도시한다.
콘트롤러(8)는, 추후 설명하는 결정 단계((S3)(도 3A) 또는 (S5)(도 3B))에서 연료 전지 시스템(FS)의 정상 가동에 들어가기 전에, 스택(1)에서 전기 발생을 시작하기 위한 외부 명령 입력(예를 들어, 삽입된 작동 키를 검출하는 차량 콘트롤러로부터)을 수신할 때, 풀 웜-업 사이클(S1 내지 S22)을 시작한다. 시스템 콘트롤러(8)는 차량 콘트롤러의 일부일 수도 있다.
단계 S1에서, 연산 추정을 수행하여, 상수 함수나 파라미터 함수(예를 들어, 스택(1)과 배터리(7)와의 조합이 완전히 웜-업되는 데 충분히 긴 소정 시간 간격(tf) 내의 시간(t)의)에 의하여, 스택(1)에 의한 발전 가능값(이하, "발전 가능값"이라 칭함)(Gp)(도 3A)을 결정한다.
스택(1)은 스택 온도(Ts)에 따라 변하는 출력 특성을 가져, 출력 전압(Vo) 은, 온도(Ts)가 정상 온도 범위(＞ 0 ℃)에서, 전기 발생을 위한 전해질 반응이 감소된 활성을 가지는 저온 범위(≤0 ℃)로 떨어짐에 따라, 감소하는 경향이 있다. 따라서, 발생 가능값(Gp)은 저장된 실험 맵과의 대조에 의하여, 또는 발생 가능값(Gp)과 스택 온도(Ts)간의 관계에 의하여, 또는 스택 온도(Ts)와 관련한 전류(Io)와 전압(Vo)의 특징을 나타내는 식을 사용하여, 검출된 스택 온도(Ts)(검출 신호( ST)로서)로부터 계산된다.
스택 온도(Ts)는 스택(1)의 대표 온도(Tr)일 수도 있거나, 냉각제(Wcl)의 온도일 수도 있다. 스택 온도(Ts)는 발전의 중단 후, 충분한 시간이 경과함에 따른 주변 온도나 실외 공기 온도일 수도 있다.
단계 S2에서, 연산 추정을 수행하여, 상수 함수나 파라미터 함수(예를 들어, 시간 간격(tf) 내의 시간(t)의)에 의하여, 배터리(7)로부터 전력 방전 가능값(이하, "방전 가능값"이라 칭함)(Dp)(도 3A)을 결정한다.
배터리(7)는, 2차 전지 반응이 그 활성이 불충분할 수도 있는 저온 범위(≤0 ℃)에서 감소된 방전 가능값(Dp)을 가진다. 방전 가능값(Dp)은 또한 SOC에 따라 변한다. 방전 가능값(Dp)은 높은 SOC 범위에서 증가하고, 방전이 계속되면 낮은 SOC 범위에서 감소한다. 따라서, 방전 가능값(Dp)은, 저장된 실험 맵과의 대조나 방전 가능값(Dp)과 배터리 온도(Tb) 및 SOC의 조합간의 관계에 의하여, 또는 이들 간의 특성을 나타내는 식을 사용하여, 배터리 온도(Tb)와 검출된 SOC(검출 신호(SG3))에서의 조합으로부터 계산된다.
단계 S3에서, 발생 가능값(Gp)와 방전 가능값(Dp)과의 합은 풀 웜-업 사이클 기준(Cfc){(임계값=Cfc(상수)로서 또는 시간 간격(tf) 내의 임계 함수(Cfc)(파라미터:예를 들어 시간(t)로서)}과 비교되어, 풀 웜-업 모드(S4 내지 S22)가 요구되는지 여부를 결정한다. 기준(Cfc)이 만족되면, 제어 흐름은 풀 웜-업 사이클에서 나와 종료되어, 정상 운행에 들어간다. 그렇지 않으면{즉, 상수(Gp)+상수(Dp)〈Cfc(상수), 또는 Gp(파라미터)+Dp(파라미터)
Figure 112005013566875-pct00001
함수(Cfc)(파라미터)의 허용 범위}, 제어 흐름은 판정 단계 S4로 가서, 풀 웜-업 모드(S4 내지 S22)로 들어가는데, 여기서 스택(1)과 배터리와의 조합은 풀 웜-업되어, 기준(Cfc)이 만족된다.
정상 운행에서, 에너지 공급 장치(ES)(즉, 스택(1)+ 에너지 펌프(EP)=1+4+7)는, 만족된 Cfc를 가지고, 이에 따라, 전체 부하 세트(WL)(즉, 내부 부하(IL)+ 외부 부하(EL))에 대하여 항상 필요 전력을 공급한다. 기준(Cfc)은 전력 공급 시작후 시간 간격(tf)동안 필요 전력의 변화 가능값(들)을 고려하여 설정되며, 예를 들어, 보조 기기 및/또는 부하(5)는 증가된 전력을 필요로 하는 변화된 조건(들)을 가질 수도 있다. 정상 운행이, 만족된 Cfc 없이 진입된다면, 에너지 공급부(ES)는 오류 상황에 빠져, 시간 간격(tf)의 경과 전에 필요 전력을 공급하지 못했을 것이다.
단계 S4에서, 인터페이스 SOC와 배터리 검출 신호(SG3)로부터의 온도(Tb)와의 조합은, 한 쌍의 SOC 보완 사이클 기준(Cbs 및 Cbt){임계값=Cbs(상수) 및 Cbt(상수)로서, 또는 임계 함수((Cbs)(파라미터: 예컨대 시간(t)) 및 (Cbt)(파라미터: 예컨대 시간(t))로서, 각각 시간 간격(tf) 이내에}과 비교되어, SOC 보완 사이클(S5 내지 S10)이 요구되는지를 결정한다. SOC가 아주 충분하여{즉, SOC ≥Cbs(상 수) 또는 SOC ∈ Cbs(파라미터)의 허용 범위} 또는 온도(Tb)가 불충분하게 높아서{즉, Tb〈 Cbt(상수) 또는 Tb
Figure 112005013566875-pct00002
Cbt(파라미터)의 허용 범위} 배터리(7)가 전체 부하 세트(WL)에 필요한 상응하는 전력을 방전하면, 제어 흐름은 다음 단계 S11로 나아가, 배터리 웜-업 모드(단계 S11 내지 S22)에 진입한다. 그렇지 않으면{즉, SOC ＜ Cbs(상수) 또는 SOC
Figure 112005013566875-pct00003
Cbs(파라미터)의 허용 범위, 및 Tb ≥Cbt(상수) 또는 Tb ∈ Cbt(파라미터)의 허용 범위}, 제어 흐름은 SOC 보완 사이클(도 3B)에 진입하여 결정 단계 S5로 들어간다. 배터리(7)는 이제 충분한 SOC까지 충전되도록 허용되어, 전체 부하 세트(WL)에 필요한 상응한 전력을 방전하게 되어서 상기 기준(Cbs)이 만족된다.
단계 S5에서, 배터리 검출 신호(SG3)로부터의 인터페이스 SOC는 기준(Cbs)과 비교되어, 배터리 충전 모드(단계 S6 내지 S10)이 아직도 더 필요한지의 여부를 결정한다. 기준(Cbs)이 만족된다면{즉, SOC ≥Cbs(상수) 또는 SOC ∈ Cbs(파라미터)의 허용 범위}, 제어 흐름은 SOC 보완 사이클에서 빠져나와 종료로 들어가서, 정상 운행에 진입한다. 그렇지 않으면{즉, SOC〈 Cbs(상수) 또는 SOC
Figure 112005013566875-pct00004
Cbs(파라미터)의 허용 범위}, 제어 흐름은 배터리 충전 모드로 진입하여, 후속 단계 S6으로 간다.
단계 S6에서, 연산 추정을 수행하여, 배터리 검출 신호(SG3)로부터의 SOC와 인터페이스 온도(Tb)를 포함하는 판독 데이터에 따라 배터리(7)의 현 상태(이하 "충전 가능값"이라 칭한다)(Cp)에 대한 충전 가능 전력의 크기를 결정한다. 이 추정은 과도한 충전에 이를 수도 있는 배터리(7)에 대한 과도 전력 공급을 차단함은 물론, 폐기될 여분으로서, 충전할 수 없는 에너지 양을 가질 수도 있는 스택(1)에서의 과도 발전을 차단하기도 한다.
다음 단계 S7에서, 연산 추정을 수행하여, ES 검출 신호(SA, SV, ST, SG1 내지 SG3)의 인터페이스 데이터 중에서 연관된 데이터, 및/또는 ES 제어 명령(CT1 내지 CT3)에 따라, 제1 형태의 보조 기기(즉, 압축기(15)를 제외한 IL)에서 소비 전력 가능값(W1)을 결정한다. 예를 들어, 냉각제 재순환 펌프(16)의 소비 전력은, 냉각제 흐름 명령을 포함한 스택 주변 장치 제어 명령(CT1) 중의 연관된 데이터로부터 결정될 수도 있다.
다음 단계 S8에서, 연산 추정을 수행하여, ES 검출 신호(SA, SV, ST, SG1 내지 SG3), ES 제어 명령(CT1 내지 CT3), 및/또는 추정 결과(Gp, Dp, Cp, W1)로부터의 인터페이스 데이터 중에서 연관된 데이터에 따라, 제2 형태의 보조 기기(즉, 압축기(15))에서 소비 전력 가능값(W2)를 결정한다.
공기 압축기(15)는 제어된 압력하에 제어 유량으로 스택(1)에 공급할 압축 공기를 전달하여, 스택(1)이 필요한 전력을 발전하는 데 필요하다. 압축 공기 압력과 유량은 요구되는 발전이 변화함에 따라 가변된다.
예를 들어, 충전 가능값(Cp)(단계 S6에서 추정)과 전력 소모(W1)(단계 S7에서 추정)와의 합(Cp+W1)을 근거로, 대응 조건(유량, 압력)하에서 압축 공기의 공급량을 가정하여, 스택(1)에서의 요구되는 발전을 추정하고, 압축기(15)의 동작 조건(모터 rpm, 토크)을 결정하여, 전력 소비(W2)가 추정된다. 스택(1)에서의 요구되는 발전은 상한으로 규정되는 범위내에서 추정되어, 발생 가능값(Gp)(단계 S1)의 초과를 방지한다.
압축기(15)에서의 전력 소모(W2)는 다른 방법으로 추정될 수도 있다. 예를 들어, SOC 보완 사이클에서의 스택(1)의 발전을 포함하며, 시스템(FS)의 성공적인 기동의 이력이 기록될 수 있는데, 상기 발전의 일부가 배터리(7)에 충전되고, 나머지는 내부 부하(IL)(제1 형태와 제2 형태와의 조합으로서의 보조 기기)에서 소비된다. 따라서, 제2 형태의 보조 기기(15)의 전력 소모(W2)가 실패하여, 정밀한 발전 제어를 향상시킨다.
또한, 이전의 배터리 충전 모드나 SOC 보완 사이클에서 전력 소모(W2)의 저장값을 이용하는 것도 가능하며, 또는 검출 신호(SG1)의 인터페이스 데이터로부터 전력 소모(W2)의 실제값을 계산 또는 스캔하는 것도 가능하다. 전체 보조 기기에서의 전력 소모(W1+W2)는 단일 단계(S7 + S8)에서 추정되거나 판독될 수도 있다는 것이 주목된다.
다음 단계 S9에서, 연산 추정을 수행하여, 충전 가능값(Cp)(단계 S6)과 전력 소모(W1)(단계 S7) 및 전력 소모(W2)(단계 S8)와의 합으로서, 스택(1)에서의 필요 발전(G)을 결정한다. 이어, 스택(1)은 주변 장치 제어 명령(CT1)에 의해 제어되어 필요 발전(G)(G=Cp+W1+W2)을 유지한다.
다음 단계 S10에서, 에너지 펌프(EP)(=분배부(4)+ 배터리(7))는 EP 제어 명령(CT2+CT3)에 의해 제어되어, 배터리(7)에는 추정 전력(Cp)(충전 가능값)이 충전된다. 에너지 공급 장치(ES)(= 스택(1)+ 에너지 펌프(EP)는 단일 단계(S9+S10)에서 ES 제어 명령(CT1+CT2+CT3)에 의해 제어될 수 있다는 것이 주목된다.
배터리(7)의 SOC는 이제 스택(1)과 협동하여, 전체 부하 세트(WL)에 대하여 요구되는 전력을 공급하는 데 충분히 높으므로, 제어 흐름이 종료되어 통상 운전에 들어가면, SOC 보완 사이클(단계 S5 내지 S10)은, 기준(Cbs)이 만족될 때 까지{즉, SOC ≥Cbs(상수) 또는 SOC ∈ Cbs(파라미터)의 허용 범위}, 반복된다.
결정 단계 S4(도 3A)에서, SOC가 충분히 높으면{즉, SOC ≥ Cbs(상수) 또는 SOC ∈ Cbs(파라미터)의 허용 범위}, 또는 배터리 온도(Tb)가 불충분하게 높으면{즉, Tb 〈 Cbt(상수) 또는 Tb
Figure 112005013566875-pct00005
Cbt(파라미터)의 허용 범위}, 제어 흐름은 설명한 바와 같이 단계 S11로 가서 배터리 웜-업 모드(단계 S11 내지 S22)로 들어간다.
이 단계 S11에서, 배터리(7)가 방전 모드(단계 S13 내지 S17)나 충전 모드(단계 S18 내지 S22)에서 웜-업될 필요가 있으므로, 콘트롤러(8)는, SOC가 높은지 또는 온도(Tb)가 낮은지를 질문한다. 높은 SOC의 경우{즉, SOC ≥Cbs(상수) 또는 SOC ∈ Cbs(파라미터)의 허용 범위｝, 콘트롤러(8)는 충전 모드의 선택을 위하여 플래그 'NO'를 설정한다. 저온(Tb)의 경우{즉, Tb 〈 Cbt(상수) 또는 Tb
Figure 112005013566875-pct00006
Cbt(파라미터)의 허용 범위}, 콘트롤러(8)는 충전 모드 선택을 위한, 'NO' 플래그의 단순한 역 관계일 수도 있는 "YES" 플래그를 설정한다.
현재의 사이클 이후, 이어지는 풀 웜-업 사이클(S1 내지 S22)에서의 'YES' 또는 'NO' 플래그의 상술된 선택을 위해서, 단계 S11에서, 콘트롤러(8)는, 모드 변경이 충전 모드와 방전 모드 사이에서 필요한지 또는 바람직한 것인지에 대한 마이너(minor) 결정을 내린 후, 모드 변경 플래그가 설정되도록 단순하게 체크할 수도 있다. 이 결정을 위하여, 다수회의 반복 회수 또는 방전 또는 충전 기간이 카운트 되거나 통합되고, 임계값과 비교될 수도 있다. 또는 배터리 검출 신호(SG3)로부터의 인터페이스 데이터는 저장된 테이블과 대조되거나 임계값과 비교될 수 도 있어, 시간이 경과함에 따라, 배터리(7)가 다시 요구되는 전력을 방전할 수 없거나, 분배된 전력을 다시 축적할 수 없고, 또는 분배된 전력을 축적할 수 있거나 요구되는 전력을 방전할 수 있다는 결론을 도출한다.
이어서, 제어 흐름은 결정 단계 S12로 들어가, 여기서, 모드 선택 플래그('NO' 또는 'YES')가 판독된다. 플래그가 'NO'이면, 제어 흐름은 방전 모드에 진입한다. 그렇지 않으면('YES' 플래그), 제어 흐름은 충전 모드에 진입한다.
방전 모드(S13 내지 S17)에서, 제어 흐름은 순차적으로 단계 S13에 진입하여, 연산 추정을 수행해 배터리(7)로부터의 방전 가능값(Dp)을 결정하고(단계 S2와 같이), 단계 S14에 진입하여 연산 추정을 수행해 제1 형태의 보조 기기에서의 전력 소모(W1)를 결정하고(단계 S7과 같이), 단계 15에 진입하여, 연산 추정을 수행해 제2 형태의 보조 기기에서의 전력 소모(W2)를 결정한다(단계 S8과 같이). 전체 보조 기기에서의 전력 소모(W1+W2)는 하나의 단계(S14+S15)에서 추정되거나 판독될 수도 있다는 것이 주목된다.
후속 단계 S16에서, 연산 추정을 수행하여, 스택(1)을 워밍하는 것보다, 자신의 열 소모로 배터리(7)를 워밍하는 데 우선을 두어, 스택(1)에서의 필요 발전(G)을 결정한다. 따라서, 에너지 펌프(EP)는, 스택(1)에서의 발전에 우선을 두어, 배터리(7)에서 축적된 에너지를 펌핑하기 위하여 제어되어, 압축기(15)에서의 소모를 위한 전력을 전달하는 것으로 가정된다. 다시 말해, 압축기(15)에서 소모될 전 력 중에서, 현재의 배터리 상태가 감당할 수 있는 부분이 배터리(7)로부터 방전되어야 한다. 나머지는 스택(1)으로부터 공급되기 때문에, 전력 발생(G)은 전력 소비(W2)(압축기(15)에서의) - 방전 가능값(Dp)(배터리(7)로부터)을 포함해야 하며, 따라서 G＞ W2-Dp이다.
스택(1)에서의 필요 발전(G)은 상술된 나머지(W2-Dp)와, 제1 형태의 보조 기기에서의 전력 소비(W1)와, (필요 하면) 외부 부하(EL)에 의한 전력 소모값의 판독 데이터와의 합으로서 추정된다. 방전 가능값(Dp)이 전력 소모(W2)보다 클 경우, 그 차이(Dp-W2)는 필요 발전(G)의 추정시에 감산기를 구성할 도 있다. 스택(1)은 발전을 위해 미리 설정된 하한을 가질 수도 있다. 이 경우, 필요 발전(G)은 하한에 의해 규정된 범위안에서 추정되어야 한다.
현재의 사이클 이후 후속의 풀 웜-업 사이클(S1 내지 S22)에서 방전 모드(S13 내지 S17)에 대한 필요 발전(G)의 추정시에, 배터리 검출 신호(SG3)와 스택 검출 신호(SA,SV,ST)로부터의 인터페이스 데이터 중에서의 온도 데이터(Tb, Ts)는 배터리 온도(Ts) 상승 속도와 스택 온도(Ts) 상승 속도를 계산하기 위해 사용될 수도 있으며, 그 결과(Tb-상승, Ts-상승)는 상호간에 비교될 수도 있다.
전자(Tb-상승)가 후자(Ts-상승)보다 높다는 결정에 따라, 배터리(7)로부터의 방전 가능값(Dp)은 감소분 만큼 저하될 수 있으며, 스택(1)에서의 필요 발전(G)은 감소분에 상응하는 증가량만큼 증가되어, 스택(1)의 워밍을 촉진시킬 수도 있다. 이와는 반대로, 전자(Tb-상승)가 후자(Ts-상승)보다 낮다는 결정에 따라, 배터리(7)로부터의 방전 가능값(Dp)은 증가분만큼 증가될 수도 있고, 스택(1)에서의 필요 발전(G)은 증가분에 상응하는 감소분만큼 감소되어, 배터리(7)의 워밍을 촉진시킬 수도 있다.
이어서, 스택(1)은 주변 장치 제어 명령(CT1)에 의해 제어되어, 필요 발전(G)(=W1+W2-Dp+EL을 위한 필수 전력)을 유지한다.
후속 단계 S17에서, 에너지 펌프(EP)(=분배기(4) + 배터리(7))는 EP 제어 명령(CT2+CT3)에 의해 제어되어, 배터리(7)는, 단계 S16에서 가정된 우선도로, 추정된 전력(Dp)(방전 가능값)을 방전한다. 에너지 공급 장치(ES)(=스택(1) + 에너지 펌프(EP))는 ES 제어 명령(CT1+CT2+CT3)에 의해 하나의 단계(S16+S17)에서 제어될 수도 있다는 것이 주목된다.
이어, 상기 제어 흐름은 다시 단계 S1로 돌아가서, 필요한 풀 웜-업 사이클(S1 내지 S22)을 반복한다.
충전 모드(S18 내지 S22)에서, 제어 흐름은 순차적으로, 단계 S18에 진입하여 연산 추정을 수행하여 배터리(7)에 대한 충전 가능값(Cp)을 결정하고(단계 S6과 같이), 단계 S19에 진입하여 연산 추정을 수행하여 제1 형태의 보조 기기에서의 전력 소모(W1)를 결정하고(단계 S7와 같이), 단계 20에 진입하여 연산 추정을 수행하여 제2 형태의 보조 기기에서의 전력 소모(W2)를 결정한다(단계 S8과 같이).
후속 단계 S21에서, 연산 추정을 수행하여, 충전 가능값(Cp)(단계 S18)과 전력 소모(W1)(단계 S19)와 전력 소모(W2)(단계 S20) 및 (필요하면) 외부 부하(EL)에 의한 전력 소모의 판독 데이터와의 합으로서, 스택(1)에서의 필요 발전(G)을 결정한다. 스택(1)에서의 필요 발전(G)은 상한에 의해 규정된 범위내에서 추정되어, 발생 가능값(Gp)(단계 S1)의 초과를 방지한다. 다음, 스택(1)은 주변 콘트롤러 명령(CT1)에 의해 제어되어, 필요 발전(G)(=Cp+W1+W2+EL의 필수 전력)을 유지한다.
후속 단계 S22에서, 에너지 펌프(EP)(=분배기(4) + 배터리(7))는 EP 제어 명령(CT2+CT3)에 의해 제어되어, 배터리(7)는 추정된 전력(Cp)(충전 가능값)으로 충전된다. 배터리(7)에서 축적된 에너지의 미소 분량은 열로서 소모되어, 배터리(7)의 웜-업을 촉진시킨다. 에너지 공급 장치(ES)(=스택(1) + 에너지 펌프(EP))는 단일 단계(S21+S22)에서 ES 제어 명령(CT1+CT2+CT3)에 의해 제어될 수도 있다는 것이 주목된다.
다음, 제어 흐름은 다시 단계 S1로 돌아가, 필요하면, 풀 웜-업 사이클을 반복한다.
배터리 웜-업 모드(S11 내지 S22)는, 단계 S4에서, 한 쌍의 기준(Cbs와 Cbt)이 모두 만족｛즉, SOC ＜ Cbs(상수) 또는 SOC
Figure 112005013566875-pct00007
Cbs(파라미터)의 허용 범위, 및 Tb ≥Cbt(상수) 또는 Tb ∈ Cbt(파라미터)의 허용 범위}될 때까지 반복되어, SOC 보완 사이클(S5 내지 S10)에 들어간다. 이 웜-업 모드(S11 내지 S22)는 충전 모드(S18 내지 S22) 또는 방전 모드(S13 내지 S17)로서 나타나며, 어느 쪽이든 배터리 조건(SOC, Tb)에 따라, 더 자세하게는, 배터리 온도(Tb)가 점차 증가함에 따라, 실질적으로 SOC에 따라 단계 S11에서 선택적이다. 단계 S11에서의 SOC는 충전 모드의 반복과 함께 증가하고, 방전 모드의 반복과 함께 감소한다. 따라서, 저온 기동 동안에는, 충전 모드의 시퀀스와 방전 모드의 시퀀스가 교대로 선택되어, 스택(1)에서의 발생(G)은 도 5A 내지 도 5C에서 도시된 제2 웜-업 제어와 같이, 맥동 방식 으로 가변한다.
배터리 웜-업 모드(S11 내지 S22)에서, 에너지 펌프(EP)는 전력을 히터(6)에 전달하여, 스택(1) 및/또는 배터리(7)를 효율적으로 웜-업시킬 수도 있다.
풀 웜-업 사이클(S1 내지 S22)은, 기준(Cfc)이 단계 S3에서 만족{즉, 시간 간격(tf) 내에서, 상수 Gp + 상수 Dp ≥Cfc(상수), 또는 Gp(파라미터)+Dp(파라미터) ∈ 함수 Cfc(파라미터)의 허용 범위}될 때까지 반복되어, 정상 운행에 들어간다.
(제1 웜-업 제어에 의한 효과)
에너지 공급 장치(ES)의 에너지를 축적하는 충전 모드(S6 내지 S10, 또는 S18 내지 S22), 및/또는 에너지 방출 방전 모드(S13 내지 S17)의 반복은 스택(1)과 배터리(7)의 자체 열 소모에 의해 웜-업을 촉진시켜, 정상 운행에 들어가서 부하(5)에 충분한 전력을 공급하기 전에, 연료 전지 시스템(FS)의 기동시에 효율적이고 단시간인 웜-업을 가능하게 한다.
스택(1)과 배터리(7)의 웜-업과 함께, 배터리(7)로부터 방전된 전력은 히터(6)에 공급되어, 보다 빠르고 단시간의 웜-업을 가능하게 한다.
충전 모드에서, 추정되는 발전(G)은, 보조 기기에서 충전 가능값(Cp)과 추정된 전력 소모(W1+W2)와의 합보다 작은, 발생 가능값(Gp)하의 범위내에서 유지되어, 과충전을 방지하고 전력의 균형을 유지하게 한다.
방전 모드에서, 스택 온도(Ts)가 배터리 온도(Tb)보다 빠르게 상승하면, 추정될 방전 가능값(Dp)은 감소하고, 추정될 발전(G)은 상응하여 증가되고, 배터리 온도(Tb)가 스택 온도(Ts)보다 빨리 상승하면, 방전 가능값(Dp)은 증가되고 발전(G)은 상응하여 감소하여, 빠른 기동을 가능하게 하고, 또한 온도 상승의 균형을 유지하게 한다.
(제2 웜-업 제어)
연료 전지 시스템(FS)의 제2 웜-업 제어를 도 4A 및 도 4B, 도 5A 내지 도5C, 도 6A 및 도 6B, 도 7 내지 도 11을 참조로 설명한다. 제2 웜-업 제어는 파라미터 설정 처리(단계 S30)를 포함하는 맥동 웜-업 사이클(단계 S40 이하)로서 프로그램되어 있다.
도 4A는 맥동 웜-업 사이클의 전체를 도시하고, 도 4B는 파라미터 설정 처리를 도시한다. 도 5A 내지 도 5C는 맥동 웜-업 사이클에서 에너지 공급 장치(ES)의 동작 조건들(스택(1)에서의 발전(G), 배터리(7)에서의 충전/방전, 배터리(7)의 온도(Tb))을 도시한다. 도 6A 및 도 6B는 최대 또는 축소 발전(Gm, Gr)의 관계(Gm=Wi+Cp, Gr=Wi-Dp)와, 충전 가능값(Cp) 또는 방전(Dp), 및 보조 기기(IL)에 의한 전력 소모(Wi)를 도시한다. 도 7 내지 도 11은 에너지 공급 장치(ES)의 부하 및 배터리 특징, 및 연관된 용어를 설명하고 있으며, 도 7은 전력 충전/방전 이벤트의 시퀀스를 설명하고, 도 8은 전체 전력 소모{IL에 의한 소모(Wi)(=W1+W2)와 EL에 의한 소모(We)와의 조합으로서 G가 되며, 각각 정상 운행(a)과 본 발명의 실시예(b) 중 하나를 나타내는 a 또는 b가 뒤에 첨부됨}의 증가분을 나타내고, 도 9는 상한(UL)과 하한(LL) 사이에서 제한된 SOC 변화의 시퀀스를 나타내며, 도 10은 Cp와 Dp간의 교차점으로서 배터리(7)의 동작점(Wp)을 나타내며, 도 11은 t=tM과 t=tL 사이에 정의된 인터럽트 기간(t2)에서 SOC에 대한 Cp의 관계를 도시한다. 또한 도 7은 도 5B의 상세한 챠트이며, 도 11은 도 9의 상세한 챠트이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 맥동 웜-업 사이클(실선의 제어 흐름)은, 시스템 콘트롤러(8)의 제어하에서, FS(연료 전지 시스템) 동작 제어 사이클과 같은 보다 큰 제어 사이클(점선으로 표시된 제어 흐름)을 중단하여, 이 사이클의 제어 흐름(점선)이 단계 S40에서 맥동 웜-업 사이클(실선)로 들어가고, 단계 S47에서 빠져나온다.
웜-업 사이클에서, 제어 흐름은 우선 단계 S41로 진입하며, 여기서 스택 온도 검출 신호(ST)로부터의 인터페이스 데이터(Ts)가 스택 온도(Ts)로서 판독된다.
이어, 결정 단계 S42에서, 스택 온도(Ts)는 맥동 웜-업 사이클 기준(Cst)(도 3A에 도시된 시간 간격(tf) 내에서의 임계값으로서)과 비교되어, 맥동 웜-업 모드(단계 S43 이하)가 아직 요구되는지 여부를 결정한다. 이 결정(S42)을 위하여, 초기에(도 5C에서 시간 t ＜ ta), 스택 온도(Ts)는 배터리 온도(Tb)를 나타낼 수 있다는 것이 주목된다. 따라서, 이 스택 온도(시간 ta 이전의 Ts)는 센서가 검출한 주변 또는 외부 공기 온도로 나타낼 수도 있다.
기준(Cst)이 만족되면(Ts≥Cst), 제어 흐름은, 스택(1)이나 배터리(7)도 연장된 웜-업이 필요하지 않으므로, 웜-업 사이클에서 빠져나와, 단계 S50으로 들어가 정상 운행으로 진입하여 전체 부하 세트(WL)에 필요한 전력을 공급한다. 그렇지 않으면(즉, Ts〈Cst), 제어 흐름은 다음 결정 단계 S43로 들어가, 맥동 웜-업 모드(S43 이하)에 진입하여, 여기서 스택(1)과 배터리(7)가 맥동 방식(도 5A의 G 및 도 5B의 Cp/Dp와 같이)으로 동시에 웜-업되어(도 5C의 Tb1, Tb2 및 Tb3와 같이), (도 5C에서 ta, tb, tc를 지난 시간 t의 경과로) 도 5C에서의 향상된 온도-상승 곡선(Tb)을 따른 기준(Cst)이 만족되고(시간 tc에서), 즉 정상 운행을 나타내는 직선의 온도-상승 곡선(Tbc)를 따르는 것보다 훨씬 먼저 만족된다.
단계 S43에서, 후술되는 기간(t1,t2) 카운트 플래그(Fc)는, Fc = 0(거짓)인지 체크된다. 그렇다면(즉, Fc = 0), 제어 흐름은 파라미터(Gm,tr1,tr2) 설정 처리(S30)에 진입한다. 그렇지 않으면, 즉 Fc가 1이면(참), 제어 흐름은 다른 결정 단계 S44로 들어간다.
파라미터 설정 처리(S30)에서, 도 4B에 도시된 바와 같이, 제어 흐름은 단계 S32로 들어가, 배터리 검출 신호(SG3)로부터의 인터페이스 데이터(Tb, SOC)가 배터리(7)의 현재 조건(도 5C에서 시간 t= 0, ta, tb 또는 tc에서)을 나타내는 SOC와 배터리 온도(Tb)와의 조합으로서 판독된다.
이어서, 단계 S33에서, 판독 온도(Tb)와 배터리(7)의 SOC에 근거하여, 연산 추정을 수행하여 배터리(7)에 대한 충전 가능값(Cp)(도 6A와 도 7 및 도 10 및 도 11에서의 관계를 가정하여), 또는 배터리(7)로부터의 방전 가능값(Dp)(도 6B, 도 7 및 도 10에서의 관계를 가정하여)를 결정한다.
후속 단계 S34에서, 연산 추정을 수행하여, 스택(1)이 단계 S33에서 추정된 배터리(7)에 단순히 충전(Cp)을 행하기 위한 필요 전력을 발생하는 기준값에 대하여, 보조 기기에서 기동을 위한 전력 소모(Wi)를 결정하며, 정상 또는 공장-설정 가능(factory-settable) 마진은 에너지 공급 장치(ES)의 저온 기동에서 웜-업의 현 재 조건하의 잠재적인 동작을 위하여 남겨진다. 이러한 기준값(Wi)은 보조 기기에서 상응하는 기준 전력 소모와 충전 가능값(Cp)간의 저장된 데이터 맵으로부터 판독될 수도 있다.
후속 단계 S35에서, 추가 연산 추정을 수행하여, 기준 전력 소모(Wi)에 대한 증분 보상값(Wc)을 제공하고, 상기 보상값(Wc)(도 6A, 도 6B 및 도 8에서의 관계를 가정하여)에 의하여 보상된 값(Wi)에 관하여, 보조 기기에서 기동을 위한 전력 소모(Wi)를 추정한다.
이 보상은, 현재의 웜-업 조건하에서 잠재적 동작에 대한 상술된 마진의 가능한 삭감의 임계 추정후에, 이것을 희생하여 허용된다. 따라서, 이 보상값(Wc)은 마진의 삭감에 상응하는 것이다. 정상 운행의 확립 후, 이러한 마진 삭감은 열 소모에 의하여 소비되는 에너지의 단순한 손실을 초래했을 것이라고 주목된다. 그러나, 저온 기동에서는, 스택(1)과 배터리(7)에서의 열 소모의 결과적인 증가는, 도 5C의 곡선(Tb)으로 도시된 바와 같이, 에너지 공급 장치(ES)의 웜-업의 점진적 촉진에 기여한다.
후속 단계 S36에서, 연산 추정을 수행하여 맥동(도 9 내지 도 11에서의 관계를 가정하여)을 위한 3개의 파라미터를 결정한다. 이 3개의 파라미터는, 보조 기기에서의 보상 전력 소모(Wi)와 배터리(7)에 대한 충전 가능값(Cp)과의 합(Wi+Cp)과 등가인, 스택(1)에서의 최대 발전(Gm)(도 6A)으로서의 펄스 레벨과, 도 7에서 도시한 충전(Cp)의 기간(t1)에 대응하는, 최대 발전(Gm)의 출력 가능 기간(t1)으로서의 펄스 기간과, 도 7에 도시한 방전(Dp)의 기간(t2)에 대응하는, 출력 가능 기 간(t1)의 필수적인 인터럽트 간격(t2)으로서의 펄스 간격이다. 인터럽트 간격(t2)동안, 스택(1)은, 보조 기기에서의 보상된 전력 소모(Wi)와 배터리(7)로부터의 방전 가능값(Dp) 간의 차(Wi - Dp)와 동일한 감소된 발전(Gr)(도 6B)을 가지도록 제어된다. 따라서, 여기서 사용된 바와 같이, 펄스 인터럽트 간격(t2)은 감소된 발전(Gr)의 기간(t2)으로 칭한다.
제어 흐름은 이제 결정 단계 S44에 진입했다.
도 4A에 도시한 바와 같이, 단계 S44에서, 콘트롤러(8)의 클록 카운터나 타이머에 질문한 후, 최대 발전(Gm)의 기간(t1)이 다 되었는 지의 여부를 결정한다. 기간(t1)이 다 되었으면, 제어 흐름은 다른 결정 단계 S45로 진입한다. 그렇지 않으면, 즉 t1이 다 되지 않으면, 제어 흐름은 다음 단계 S60으로 나아간다.
단계 S60에서, 기간 카운트 플래그(Fc)는 Fc=1이 되도록 설정되는데, 이는 최대 발전(Gm)의 기간(t1)의 시간 카운트 또는 감소된 발전(Gr)의 기간(t2)의 시간 카운트가 현재의 펄스와 관하여 지속되고 있다는 것을 의미한다.
후속 단계 S61에서, ES 제어 명령(CT1 내지 CT3)이 출력되어, 에너지 공급 장치(ES)가 최대 발전(Gm)의 스택(1)으로 동작되도록 제어됨으로써, 배터리(7)에 지속적인 충전(Cp)이 허용된다. 다음, 제어 흐름은 현재의 맥동 모드(S47에서)에서 빠져 나온다.
결정 단계 S45에서, 콘트롤러(8)에서 클록 카운터나 타이머에 질문한 후, 감소된 발전(Gr)의 기간(t2)이 다 되었는지의 여부를 결정한다. 기간(t2)이 다 되었으면, 제어 흐름은 후속 단계 S46으로 진행하여, 기간 카운트 플래그(Fc)는 Fc=0이 도록 설정된다. 그렇지 않으면, 즉 t2가 다 되지 않았다면, 제어 흐름은 다른 단계인 S70으로 나아간다.
단계 S70에서, 기간 카운트 플래그(Fc)는 Fc=1이 되도록 설정된다.
후속 단계 S71에서, ES 제어 명령(CT1 내지 CT3)이 출력되어, 에너지 공급 장치(ES)가 감소된 발전(Gr)의 스택(1)으로 구동되도록 제어되어, 배터리(7)로부터 방전(Dp)이 지속되게 한다. 다음, 제어 흐름은 현재의 맥동 모드(S47)를 빠져 나온다.
(제2 웜-업 제어에서의 연료 전지 시스템의 작동 조건)
제2 웜-업 제어에서 연료 전지 시스템(FS)의 동작 조건을 도 5A 내지 도 5C, 도 6A와 도 6B 및 도 7 내지 도 11을 참조로 설명한다. 이 설명은 제1 웜-업 제어에도 적용할 수 있다는 것이 주목된다.
제2 웜-업 제어가 반복되기 때문에(웜-업이 시작되는 t=0 에서 정상 운행이 시작되는 t=tc까지), 스택(1)에서의 발전(G)은, 비교적 짧은 기간(t1)(t=0에서 t11으로 설정되고, t=ta 에서 t12로 설정되고, t=tb에서 t13으로 설정된다)을 지속하는 최대 발전(Gm)(t=0에서 초기값(Gm1)에 설정되고, t=ta＞0에서 증가값 Gm2에 설정되고, t=tb＞ta에서 또 다른 증가값 Gm3에 설정된)의 주기적 발생과, 비교적 긴 기간(t2)(t=0에서 t21로 설정되고, t=ta에서 t22로 설정되고, t=tb에서 t23으로 설정된)을 지속하는 감소된 발전(Gr)(t=0에서 초기값 Gr1로 설정되고, t=ta에서 균등값 Gr2로 설정되고, t=tb에서 또 다른 균등값 Gr3로 설정된)의 간섭(intervening) 발생 간에서 맥동 방식으로(도 5A에서와 같이) 가변된다.
맥동 발전(G)과 동기되어, 배터리(7)의 충전/방전 동작은, 충전(Cp)(t=0에서 초기값 Cp1에 설정되고, t=ta에서 증가값 Cp2로 설정되고, t=tb에서 또 다른 증가값 Cp3로 설정된)의 주기적 발생과, 방전(Dp)(t=0에서 초기값 Dp1에 설정되고, t=ta에서 증가값 Dp2에 설정되고, t=tb에서 또 다른 증가값 Dp3로 설정된)의 간섭 발생 간에서 맥동 방식으로(도 5B에서와 같이) 제어되며, 이로 인해 배터리(7)의 자체열의 소모는, 도 5C에 도시된 바와 같은 온도(Tb) 상승과 유사하게, 점진적으로 증가된다.
도 5A에서의 최대 발전(Gm)값의 계단형 증가는 도 5C에서의 점진적 배터리 온도-상승(초기 기울기를 가지는 제1 곡선 세그먼트(Tb1)를 따라, 증가한 기울기를 가지는 제2 곡선 세그먼트(Tb2)를 따라, 그리고 점진적으로 증가한 기울기를 가지는 제3 곡선 세그먼트(Tb3)를 따라)을 고려하여, 계단형 변화 보상값(Wc)(t=ta에서 초기값(Wc1)에서 더 큰 Wc2로, t=tb에서 Wc2에서 더 큰 Wc3로 증가된)를 사용하여 제어된다.
최대 발전Gm)은, 도 6A에 도시한 바와 같이 Gm=Wi+Cp이며, 감소된 발전(Gr)은 도 6B에 도시한 바와 같이 Gr=Wi-Dp이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 각 기간(t1) 내에서의 에너지의 충전량(높이 Cp인 빗금친 영역)은, 후속하는 기간(t2) 내에서의 에너지 방전량(깊이 Dp인 공백 영역)에 대응한다.
보조 기기(IL)에서의 기준 전력 소모(Wi)는, 산화제(Og)의 산화에 의한 전해 질막(1c)의 열적 열화와 수소 공급 장치(2)의 구성 성분의 열적 열화를 고려하여 결정되는 스택(7)에서의 최소 발생으로서의 감소된 발전(Gr)과 방전 가능값(Dp)과의 합(Dp+Gr)보다 작은 것은 당연하다.
보상된 전력 소모(Wi)는 기준 전력 소모(Wi)보다 크게 설정되며, 따라서 공기 압축기(15)는 스택(1)에 대한 증가된(즉, 정상 운행보다 큰) 공기 공급 압력으로 제어되어, 그 결과 압축기(15)에서의 전력 소모(W2)는 증가한다. 이와 관련하여, 정상 운행은 기준 전력 소모(Wi)가 기동을 위한 보조 기기에서의 전력 소모(Wi)로서 직접 사용되는 경우를 나타내는 것으로 가정한다.
이 관계는 도 8에 도시되어 있으며, 여기서 제2 웜-업 제어(접미어 b)와 연계된 파라미터 G(스택에서의 발전), We(외부 부하(EL)에서의 전력 소모), Wi(보조 기기 또는 내부 부하(IL)에서의 보상 전력 소모), W1(제1 형태의 보조 기기에서의 전력 소모), 및 W2(제2 형태의 보조 기기에서의 전력 소모, 즉 이 경우에서 압축기(15))는, 동작 곡선(Tbc)이 도 5C에 도시된 정상 운행(접미어 a)과 연관된 파라미터(G, We, Wi, W1, W2)와 비교된다.
도 8에 도시된 바와 같이, Web=Wea 이고, W1b=W1a이나, W2b ＞W2a이다. 따라서, Wib ＞ Wia 이고, Gb ＞Ga이다. 즉, 저온 기동에서의 웜-업을 위해서는, 압축기(15)에서의 전력 소모(W2)는 정상 운행과 관련해 증가하며, 이로 인해 보상된 전력 소모(Wi)는 더 큰 값으로(상응하는 Wc 만큼) 설정된다. 압축기(15)에서의 전력 소모의 증가는 균형되는 연관 유체의 압력을 고려하여 결정되어, 압축기(15)의 작동 조건은, 수소 전극(1a)와 공기 전극(1b)간의 압력차에 의한 전해질막(1c)의 열화와, 스택(1)의 드라이아웃(dry-out)에 거의 영향을 미치지 않도록 설정된다.
제2 형태의 보조 기기는 라디에이터(18)를 바이패스하도록 제어되는 3방향 밸브(17)로 동작되는 라디에이터(18)의 냉각 팬(19)을 포함할 수도 있어서, 전력 소모(W2)가 따라서 증가되는 것이 명백할 것이다.
스택(1)은 최대 발전(Gm)을 위해 미리 설정된 작동 전압(V)을 구비하고 있으며, 스택 전류는 보조 기기에서의 전력 소모(Wi)가 증가함에 따라 증가되며, 이로 인해 스택(1)에서의 열 손실은 점진적으로 촉진된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 스택(1)에서의 최대 발전(Gm)의 기간(t1)은 배터리(7)의 목표 SOC가 하한(LL)에서 상한(UL)으로 상승하기 위하여 필요한 시간 간격에 대응하고, 스택(1)에서의 감소된 발전(Gr)의 기간(t2)은 배터리(7)의 목표 SOC가 상한(UL)에서 하한(LL)으로 하강하기 위하여 필요한 시간 간격에 대응하며, 이 때문에 배터리(7)에서의 전력 충전(Cp)과 방전(Dp)은 (도 7에 도시한 바와 같이) 균형이 이루어지고, 따라서 스택(7)에서의 발전(G)이 제어된다.
도 10에 도시한 바와 같이, 배터리(7)는, SOC가 증가함에 따라, 방전 가능값(Dp)이 증가하고 충전 가능값(Cp)이 감소하도록 구성된다. 따라서, 목표 SOC가 상한과 하한(UL,LL)사이에서 높게 설정된다면, 충전 가능값(Cp)은 감소하며, 스택(1)에서의 최대 발전(Gm)도 감소한다. 반대로, 목표 SOC가 낮게 설정되어 있다면, 감소된 발전(Gr)의 기간(t2)(즉, 목표 SOC가 상한(UL)에서 하한(LL))으로 변화하는데 필요한 시간)은 연장되며, 그 결과 웜-업 시간도 연장된다. 따라서, 본 실시예에서는, 목표 SOC는 동작점(Wp)에 근접하여 설정되어 있고, 여기서, 충전 가능값(Cp)과 방전 가능값(Dp)은 모두, 스택(1)에서의 발전(G)이 효율적으로 증감되는 데 충 분히 높게 설정될 수 있다.
목표 SOC의 상한(UL)과 하한(LL)은 비과도 레벨차(non-excessive level difference)로 설정되어, 기간(t1, t2)이 모두 단축되어, 그 결과 감소된 충전(Cp)으로 인한 발전(G)의 감소를 억제하고, 감소된 방전(Dp)으로 인하여 연장된 기간(t2)에 의한 웜-업 시간의 연장을 억제하게 된다.
목표 SOC에서의 작동 가능성을 위해, 기간(t1, t2)은 제2 웜-업 제어의 개시 직후에 SOC로 조정된다. 목표 SOC가 상기 개시 직후의 상기 SOC보다 더 크다면, 기간(t1)이 연장되어, 상기 SOC를 증가시킨다. 목표 SOC가 상기 개시 직후의 상기 SOC보다 낮으면, 기간(t2)이 연장되어 상기 SOC를 감소시킨다.
다음, 전력 방전 가능값(Dp)이 보상된 전력 소모(Wi)보다 작으면, 배터리(7)는 방전(Dp)을 위해 작동되며, 스택(1)에서의 발전(G)이 제어되어 전력 소모(Wi)와 방전(Dp)간의 차이로서 감소된 발전(Gr) 밑으로 떨어지지 않는다. 전력 방전 가능값(Dp)이 보상된 전력 소모(Wi)보다 클 경우, 스택(1)에서의 발전(G)은 중단되거나 감소된 발전(Gr)으로 제한된다. 바람직하게는, 이 발전(Gr)은 배터리(7)로부터의 방전을 제한함으로써 보장되어야 한다.
기간(t2)의 경과후, 스택(1)은 최대 발전(Gm)을 위하여 제어된다. 따라서, 스택(1)에서의 발전(G)은 맥동 방식으로 반복되어, 자체 열소모를 동반하여 스택(1)의 웜-업을 촉진하며, 반면에 배터리(7)는 간헐적 충전과 간헐적 방전과의 조합을 반복하여 자신의 웜-업을 달성한다.
배터리(7)에 대한 충전 가능값(Cp)이 배터리 온도(Tb)의 상승과 함께 증가하 면, 보상된 전력 소모(Wi)는 스택(1)에서의 발전(G)에 필요한대로 증가되어 충전(Cp)을 달성한다. 발전(G)의 결과적인 증가는 스택(1)에서의 열 소모를 또한 촉진시킨다.
(제2 웜-업 제어의 효과)
설명된 본 실시예에 따르면, 스택(1)에서의 맥동 발전(G)은 배터리(7)의 SOC에 대한 제한성으로 억제되어, 배터리(7)의 과도한 충전이나 방전이 제한된다.
배터리(7)로부터 방전이 일어나면, 스택(1)에서의 감소된 발전(Gr)은 기동을 위한 보조 기기에서의 전력 소모(Wi)와 방전 가능값(Dp)간의 차(Wi-Dp)보다 크게 유지된다. 상기 방전 가능값(Dp)이 전력 소모(Wi)를 넘어서면, 스택(1)에서의 상기 발전(Gr)은 중단된다. 따라서, 맥동 발전(G)에서도, 배터리(7)는 감소된 발전(Gr)에 대한 제한성에 의하여 과도한 방전이 방지된다.
전력 소모(Wi)를 넘어선 방전 가능값(Cp)의 경우, 방전(Dp)이 제한되어 그 결과, 무부하 조건에서 스택(1)을 통해 전달되는 산화제(Og)에 의한 산화로 인한 전해질막(1c)의 열적 열화를 방지할 수 있으며, 스택(1)에서의 발전(G)이 필요한 발전(Gr)을 넘어 유지하게 되어, 수소 재순환 조정의 요구사항들을 만족하고, 스택 동작의 중단을 방지할 수 있으며, 고전류 밀도 발전으로의 신속한 천이도 가능하다.
충분한 전력에서 충전(Cp)과 방전(Cp)을 가능하게 하는 목표 SOC를 제공함으로써, 스택(1)에서의 발전(G)은 확대된 변화 범위 내에서 허용되고, 감소된 충전 가능값(Cp)으로 인한 스택(1)에서의 최대 발전(Gm)의 감소를 방지할 수 있고, 또한 감소된 방전 가능값(Dp)으로 인한 최대 발전(Gm)의 간격(t2)의 연장도 억제할 수 있어, 보다 짧은 시간내에 웜-업이 완료될 수 있다.
목표 SOC의 상한(UL)에서, 스택(1)에서의 발전(G)은, 전력 소모(Wi)와 방전 가능값(Dp) 간의 차이(Wi-Dp)보다 높은 범위 내에서 감소된다. 전력 소모(Wi)를 넘어선 방전 가능값(Dp)의 경우, 스택(1)은 감소된 발전(Gr)을 위하여 동작되어, 그 결과, 스택(1)의 동작 중단없이 과도 충전을 방지할 수 있다.
목표 SOC의 하한(LL)에서, 스택(1)의 발전(G)은 전력 소모(Wi)와 충전 가능값(Cp)과의 합(Wi+Cp)보다 낮은 범위 내에서 증가되어, 그 결과, 과도한 방전을 방지할 수 있다.
배터리(7)의 충전과 방전은 목표 SOC의 상한과 하한(UL,LL)에 의해 제한되어, 단시간내에 배터리(7)의 웜-업이 촉진된다.
기준 전력 소모(Wi)보다 크도록 보상된 전력 소모(Wi)를 이용함으로써, 스택(1)에서의 최대 발전(Gm)은 정상 운행 모드보다 더 크도록 증가되어, 그 결과, 스택(1)에서의 열적 소실을 증가시키는 발전(G)을 증가시킨다.
공기 공급 장치(2)에서의 전력 소모(W2)는 증가되어, 스택(1)으로의 산화제(Og)의 흐름과 공급 압력을 증가시켜, 그 결과, 기동을 위한 보조 기기에서의 보상된 전력 소모(Wi)의 증가(Wc)를 가져오며, 이 증가는 스택(1)에서의 잉여 발전을 위한 마진으로서 작용하여, 저항기와 같은 추가 부품을 필요로 하지 않고, 스택(1)의 웜-업을 보다 단축시킨다.
라디에이터 냉각 팬(19)에서의 전력 소모도 증가될 수 있어, 그 결과 보상된 전력 소모(Wi)의 증가(Wc)를 가져온다.
기동을 위한 보조 기기에서의 전력 소모(Wi)는, 방전 가능값(Dp)과 스택(1)에서의 연관된 발전(Gr)과의 합(Dp+Gr) 하의 범위 내에서 보상에 의해 증가되어, 전력 소모(Wi) 증가로 인한 전력 부족의 우려없이, 배터리(7)에서의 과도한 방전을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 특정 용어를 사용해 설명했으나, 이는 설명을 위한 것이었으며, 다음의 청구항의 범위를 벗어나지 않고, 변화 및 변경이 행해질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 연료 전지 시스템을 저온 조건에서 효율적으로 단시간에 웜-업할 수 있도록 한다.

Claims (16)

  1. 연료 전지(1)와, 상기 연료 전지(1)에 연결된 전력 분배부(4)와, 상기 전력 분배부(4)에 연결된 2차 전지(7)를 구비하는 에너지 공급 장치(ES);
    상기 전력 분배부(4)에 연결된 부하 세트(WL,6); 및
    제1 전력(G; Gm)이 상기 연료 전지(1)에서 생성되어, 상기 2차 전지(7) 및 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제1 전력 분배(S22; SS61)와,
    상기 연료 전지(1)에서 생성된 제2 전력(G;Gr)과 상기 2차 전지(7)로부터 방전된 제3 전력(Dp; Dp)과의 조합(G + Dp; Gr + Dp)이 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제2 전력 분배(S17; S71)
    를 교대로 반복하도록 상기 전력 분배부(4)를 제어하여, 상기 에너지 공급 장치(ES)를 워밍(warming)하는 콘트롤러(8)를 구비하는 연료 전지 시스템(FS).
  2. 제1항에 있어서, 상기 부하 세트는 상기 연료 전지(1)의 발전용 보조 기기(IL)를 구비하는, 연료 전지 시스템(FS).
  3. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는, 상기 제1 전력(G)이,
    상기 연료 전지(1)의 발전 가능값; 및
    상기 보조 기기(IL)에서의 전력 소모(W1+W2)와 상기 2차 전지(7)로의 전력 충전 가능값(Cp)과의 합(W1+W2+Cp)보다 작도록 제어하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 연료 전지(1)의 제1 온도(Ts)와 상기 2차 전지(7)의 제2 온도(Tb)를 검출하도록 구성된 검출 시스템(DS)을 더 구비하며, 상기 콘트롤러(8)는,
    상기 제1 온도(Ts)가 상기 제2 온도(Tb)보다 상승 속도가 낮으면, 상기 제1 전력(G)을 증가시키고,
    상기 제1 온도(Ts)가 상기 제2 온도(Tb)보다 상승 속도가 높으면, 상기 제2 전력(G)을 감소시키도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  5. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는 상기 제1 전력(Gm)을 상기 2차 전지(7)의 SOC(state of charge)에 따른 제한 범위 내에서 제어하도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  6. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는.
    상기 제3 전력(Dp)과, 상기 보조 기기(IL)에서 소모될 제4 전력(Wi) 간의 차(Wi-Dp)보다 높은 범위 내로 상기 제2 전력(Gr)을 제한하고,
    상기 제3 전력(Dp)이 상기 제4 전력(Wi)보다 높으면, 상기 전력 분배부(4)가 상기 연료 전지(1)로부터의 전력 공급을 중단하도록 제어하는, 연료 전지 시스템(FS).
  7. 제6항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는, 상기 제3 전력(Dp)이 상기 제4 전력(Wi)보다 높으면, 상기 제3 전력(Dp)을 제한하도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  8. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는, 상기 연료 전지(1)의 발전량(G)의 변화가 시간과 함께 더욱 크게 되도록 상기 2차 전지(7)의 목표 SOC를 변화시키는, 연료 전지 시스템(FS).
  9. 제8항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는,
    상기 목표 SOC의 상한(UL)에 대하여, 상기 제2 전력(Gr)이, 상기 제3 전력(Dp)과 상기 보조 기기(IL)에서 소모될 제4 전력(Wi) 간의 차(Wi-Dp)보다 높은 범위 내에서 감소되도록 하고,
    상기 제3 전력(Dp)이 상기 제4 전력(Wi)보다 높으면, 상기 제2 전력(Gr)이 최소화되도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  10. 제8항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는 상기 목표 SOC의 하한(LL)에 대하여, 상기 보조 기기(IL)에서 소모될 제4 전력(Wi)과 상기 2차 전지(7)로의 충전 가능값(Cp)과의 합(Wi+Cp)보다 낮은 범위 내에서 제1 전력(Gm)이 증가되도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  11. 제2항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는 상기 보조 기기(IL)에서 소모될 제4 전력(Wi)이, 연료 전지(1)의 발전에 필요한 기준 소모 보다 높게 설정되도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보조 기기(IL)는 상기 연료 전지(1)에 산화제(Og)를 공급하도록 구성된 산화제 공급 장치(3)를 구비하고,
    상기 콘트롤러(8)는, 상기 산화제(Og)가 증가된 압력에서 증가된 유량으로 공급되도록, 상기 산화제 공급 장치(3)에서의 전력 소모(W2)를 증가시켜, 상기 제4 전력(Wi)를 증가시키도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  13. 제11항에 있어서, 상기 보조 기기(IL)는, 냉각팬(19)을 구비한 라디에이터(18)를 갖는 냉각수 라인(L4)과, 상기 라디에이터(18)를 바이패스하는 바이패스 부재(17)를 가지고, 상기 연료 전지(1)의 수냉(water cooling)용으로 구성된 냉각 시스템을 더 구비하고,
    상기 콘트롤러(8)는, 상기 바이패스 부재(17)의 동작으로 상기 냉각 팬(19)에서의 전력 소모(W2)를 증가시켜, 상기 제4 전력(Wi)을 증가시키도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  14. 제11항에 있어서, 상기 콘트롤러(8)는 상기 제4 전력(Wi)을, 상기 제2 전력(Gr)과 상기 제3 전력(Dp)과의 합(Gr+Dp)보다 낮은 범위 내로 제어하도록 구성된, 연료 전지 시스템(FS).
  15. 연료 전지(1)와, 상기 연료 전지(1)에 연결된 전력 분배부(4)와, 상기 전력 분배부(4)에 연결된 2차 전지(7)를 구비하는 에너지 공급 장치(ES);
    상기 전력 분배부(4)에 연결된 부하 세트(WL,6); 및
    제1 전력(G; Gm)이 상기 연료 전지(1)에서 생성되어, 상기 2차 전지(7) 및 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제1 전력 분배(S22; SS61)와,
    상기 연료 전지(1)에서 생성된 제2 전력(G;Gr)과 상기 2차 전지(7)로부터 방전된 제3 전력(Dp; Dp)과의 조합(G + Dp; Gr + Dp)을 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제2 전력 분배(S17; S71)
    를 교대로 반복하도록 상기 전력 분배부(4)를 제어하여, 상기 에너지 공급 장치(ES)를 워밍하는 제어 수단(8)을 구비하는 연료 전지 시스템(FS).
  16. 연료 전지(1), 상기 연료 전지(1)에 연결된 전력 분배부(4), 및 상기 전력 분배부(4)에 연결된 2차 전지(7)를 구비하는 에너지 공급 장치(ES)와, 상기 전력 분배부(4)에 연결된 부하 세트(WL,6)를 구비하는 연료 전지 시스템(FS)의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 방법은,
    제1 전력(G; Gm)이 상기 연료 전지(1)에서 생성되어, 상기 2차 전지(7) 및 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제1 전력 분배(S22; SS61); 및
    상기 연료 전지(1)에서 생성된 제2 전력(G;Gr)과 상기 2차 전지(7)로부터 방전된 제3 전력(Dp; Dp)과의 조합(G+Dp; Gr+Dp)이 상기 부하 세트(WL,6)에 분배되도록 하는 제2 전력 분배(S17;S71)를 교대로 반복하도록 상기 전력 분배부(4)를 제어하여, 상기 에너지 공급 장치(ES)를 워밍하는 제어 단계를 구비하는, 연료 전지 시스템(FS)의 제어 방법.
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