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KR101734649B1 - 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 실도로 주행시 수소 소모량을 정확하게 계산하여 연비 산출의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력 또는 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하여 퍼지되는 수소량을 계산하고, 이를 스택 전류 적산법에 의하여 계산된 수소 소모량에 더해줌으로써, 연료전지 차량의 실도로 주행시 수소 소모량을 정확하게 계산하여 연비 산출의 정확도를 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법{Method for calculating hydrogen comsumption amount of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 실도로 주행시 수소 소모량을 정확하게 계산하여 연비 산출의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량의 실도로 주행시, 차량의 연비 산출을 위하여 수소 소모량을 계산해야 하며, 현재 실도로 연비는 연료전지 스택 전류 적산법, 수소유량 측정법, 수소탱크 중량 측정법, 수소탱크 온도 및 압력 측정법 등이 있으며, 스택 전류 적산법과 수소탱크 온도 및 압력 측정법이 주로 사용되고 있다.
상기 수소탱크 중량 측정법은 시험 전후에 수소가 저장된 수소탱크의 무게 차이를 측정하여 수소 소모량을 계산하는 방법으로서, 정밀도는 높으나 실차 적용이 불가능한 단점이 있다.
상기 수소탱크 온도 및 압력 측정법은 주행 전후에 수소탱크의 온도 및 압력을 측정하여 수소 소모량을 계산하는 방법으로서, 실도로 주행시 연비 산출 활용은 가능하나, 온도 및 압력의 안정화 시간(약 1시간)이 필요하여 실도로 주행시 연비 산출 활용에 어려움이 있다.
상기 수소유량 측정법은 스택으로 공급되는 수소유량을 측정하여 계산하는 방법으로서, 별도의 유량계가 필요하고, 유량계가 있다 하더라도 기체 유량 측정의 정밀도가 낮아 실도로 주행시 연비 산출 활용에 어려움이 있다.
상기 스택 전류 적산법은 스택 전류 즉, 연료전지 스택에서 생성되는 전류를 적산하여 수소 소모량을 계산하는 방법으로서, 실도로 주행시 연비 산출 적용은 가능하나, 전류 생성에 사용되는 수소 이외의 수소(예를 들어, 전기생성을 위하여 스택에서 미반응되어 퍼지되는 잔여 수소 등)을 고려하지 않기 때문에 수소 소모량 계산의 정확도가 낮은 단점이 있다.
여기서, 종래의 수소 소모량 계산을 위한 스택 전류 적산법을 첨부한 도 1 및 도 2를 참조로 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 1에서 보듯이, 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위한 수소공급 시스템은 수소탱크(10)와, 수소탱크(10)로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브(12)와, 수소를 연료전지 스택(16)으로 가압 공급하는 이젝터(14) 등을 포함하여 구성된다.
이에, 상기 연료전지 스택은 수소공급 시스템으로부터 공급되는 수소와, 별도로 공기공급 시스템으로부터 공급되는 공기(산소)를 이용하여 주지된 바와 같은 전기 생성 동작을 하게 되고, 생성된 스택 전류는 전기부하(예, 주행용 모터, 배터리 등)에 충방전 가능하게 공급된다.
이때, 스택 전류를 전류센서에서 측정하는 바, 측정된 스택 전류를 적산하여 수소 소모량을 계산하게 된다.
그러나, 상기 스택 전류 적산법은 스택의 전류 생성에 사용되는 수소 이외의 수소(예를 들어, 전기생성을 위하여 스택에서 미반응되어 외부로 퍼지되는 잔여 수소 등)을 고려하지 않기 때문에, 수소 소모량 계산의 정확도가 낮아지고, 결국 연비 산출의 정확도를 떨어뜨리는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력 또는 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하여 퍼지되는 수소량을 계산하고, 이를 스택 전류 적산법에 의하여 계산된 수소 소모량에 더해줌으로써, 연료전지 차량의 실도로 주행시 수소 소모량을 정확하게 계산하여 연비 산출의 정확도를 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 스택에서 생성되는 스택 전류를 적산하여 수소 소모량을 계산하는 단계와; 연료전지 스택에서 미반응되어 외부로 퍼지되는 수소량을 계산하는 단계와; 스택 전류를 적산하여 계산된 수소 소모량에 외부로 퍼지되는 수소량을 더하여 최종 수소 소모량을 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 제공한다.
특히, 상기 외부로 퍼지되는 수소량을 맵테이블화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외부로 퍼지되는 수소량은 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하기 위한 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하여 계산된 후 적분된 것임을 특징으로 한다.
또는, 상기 외부로 퍼지되는 수소량은 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력을 이용하여 계산된 후 적분된 것임을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력 또는 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하여 스택에서 퍼지되는 퍼지수소량을 계산하고, 이를 스택 전류 적산법에 의하여 계산된 수소 소모량에 더해줌으로써, 연료전지 차량의 실도로 주행시 수소 소모량을 정확하게 계산할 수 있고, 그에 따라 클러스터에 표시되는 순간 및 평균 연비 계산의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 차량 연비 데이터 분석 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 도시한 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법에 의하여 계산된 수소 소모량과 실제 측정된 수소 소모량 간을 비교한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3을 참조하면, 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위한 수소공급 시스템은 수소탱크(10)와, 수소탱크(10)로부터의 수소압력을 조절하는 수소압력 제어용 밸브(12)와, 수소를 연료전지 스택(16)으로 가압 공급하는 이젝터(14) 등을 포함하여 구성되며, 상기 수소압력 제어용 밸브(12)의 출구측에는 수소압력을 측정하는 압력센서(13)가 배치되고, 연료전지 스택에는 스택 전류를 측정하는 전류센서(17)가 배치된다.
이에, 상기 연료전지 스택은 수소공급 시스템으로부터 공급되는 수소와, 별도로 공기공급 시스템으로부터 공급되는 공기(산소)를 이용하여 주지된 바와 같은 전기 생성 동작을 하게 되고, 생성된 스택 전류는 전기부하(예, 주행용 모터, 배터리 등)에 충방전 가능하게 공급된다.
이때, 스택 전류를 전류센서(17)에서 측정하게 되고, 측정된 스택 전류를 적산하여 수소 소모량을 계산하게 된다.
여기서, 연료전지 스택에서 미반응되어 외부로 퍼지되는 수소량을 고려하지 않기 때문에 스택 전류 적산법을 이용한 방법에 의하여 계산되는 최종 수소 소모량은 정확하지 못한 단점이 있다.
이에, 본 발명은 스택 전류를 적산하여 계산된 수소 소모량에 외부로 퍼지되는 퍼지수소량을 더하여 최종 수소 소모량을 산출하도록 함으로써, 보다 정확한 수소 소모량을 계산할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 연료전지 스택에서 생성된 전류를 적분하여 수소 소모량을 1차로 계산하고, 연료전지 스택에서 미반응되어 외부로 배출되는 퍼지 수소량을 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하거나 또는 수소압력 제어용 밸브의 후단압력을 이용하여 퍼지수소량을 별도로 2차 계산하여, 1차 계산된 수소 소모량과 2차 계산된 수소퍼지량을 합해줌으로써, 수소 퍼지량을 고려한 최종 수소 소모량이 산출된다.
통상, 수소유량계를 장착하여 수소압력 제어용 밸브의 PWM duty 및 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력에 따른 수소유량을 측정한 결과, PWM duty와 수소유량, 그리고 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력과 수소유량은 서로 비례 관계가 있는 것으로 측정되었으며, 이에 PWM duty 또는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력으로부터 수소소모량을 계산할 수 있다.
즉, 수소압력 제어용 밸브의 수소압력 제어를 위한 PWM duty가 증가할수록 수소유량도 증가하고, 또한 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력이 증가할수록 수소유량도 증가하므로, 이를 이용하여 스택에서 퍼지되는 수소량을 계산할 수 있다.
이렇게 수소압력 제어용 밸브의 PWM duty 또는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력별로 달라지는 퍼지 수소량을 계산하여 맵테이블화시킨다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법을 첨부한 도 4를 참조로 순서대로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 스택에서 생성된 전류를 적산하여 수소 소모량을 1차로 계산한다.
이어서, 상기 연료전지 스택에서 미반응되어 외부로 배출되는 퍼지 수소량을 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하거나 또는 수소압력 제어용 밸브의 후단압력을 이용하여 퍼지수소량을 별도로 2차 계산한다.
바람직하게는, 상기 수소압력 제어용 밸브의 PWM duty 또는 수소압력 제어용 밸브의 후단 압력별로 달라지는 퍼지 수소량을 맵테이블로부터 취출한 후, 이를 적분(적산)하여 줌으로써, 퍼지수소량에 대한 2차 계산이 이루어진다.
다음으로, 상기 1차 계산된 수소 소모량과 2차 계산된 수소퍼지량을 합해주는 과정을 진행함으로써, 수소 퍼지량을 고려한 최종 수소 소모량이 산출된다.
본 발명의 시험예로서, 상기한 1차 계산된 수소 소모량과 2차 계산된 수소퍼지량을 합해주는 과정을 이용하여 실차 주행모드에서의 수소 소모량 계산치를 산출하고, 이를 통상의 연비측정장비를 이용하여 측정된 실험 차량에서의 실제 소모된 수소 소모량(수소 소모량 실측치)과 비교하였는 바, 첨부한 도 7에서 보듯이 본 발명의 방법에 따라 산출된 수소 소모량이 실험 차량에서 측정된 수소 소모량과 유사함을 알 수 있었다.
또한, 기존의 수소탱크 중량측정법 및 스택 전류 적산법에 따른 수소 소모량을 계산하고, 이를 본 발명에 따른 방법으로 계산된 수소 소모량과 비교하는 시험을 실시하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
수소소모량 계산 방식 기존 방법 사용시 수소소모량(g) 본 발명의 방법 적용시 수소소소량(g)
①수소탱크 중량측정법 약 140.0 약 140.0
② 스택 전류 적산법 약 120.0 약 120.0
③ PWM duty 또는 압력 적산 - 6.0 이상
정확도(②+③/①) 85% 90%
위의 표 1에서 보듯이, 스택 전류 적산법만을 사용한 경우 수소 소모량의 정확도가 85% 이지만, 본 발명의 방법을 적용한 경우 수소 소모량의 정확도는 90%로서, 정확도가 약 5% 향상됨을 알 수 있었다.
10 : 수소탱크
12 : 수소압력 제어용 밸브
13 : 압력센서
14 : 이젝터
16 : 연료전지 스택
17 : 전류센서

Claims (4)

  1. 연료전지 스택에서 생성되는 스택 전류를 적산하여 수소 소모량을 계산하는 단계와;
    연료전지 스택에서 미반응되어 외부로 퍼지되는 수소량을 계산하는 단계와;
    스택 전류를 적산하여 계산된 수소 소모량에 외부로 퍼지되는 수소량을 더하여 최종 수소 소모량을 산출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 외부로 퍼지되는 수소량은 수소탱크로부터의 수소압력을 조절하기 위한 수소압력 제어용 밸브의 PWM 듀티를 이용하여 계산된 후 적분된 것임을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부로 퍼지되는 수소량을 맵테이블화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
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