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KR102485321B1 - 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR102485321B1
KR102485321B1 KR1020160140404A KR20160140404A KR102485321B1 KR 102485321 B1 KR102485321 B1 KR 102485321B1 KR 1020160140404 A KR1020160140404 A KR 1020160140404A KR 20160140404 A KR20160140404 A KR 20160140404A KR 102485321 B1 KR102485321 B1 KR 102485321B1
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KR
South Korea
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cooling water
line
loop
pcm
heater
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KR1020160140404A
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권혁률
이남우
나성욱
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현대자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 연료전치 차량용 열 관리 시스템에 관한 것으로서, 냉각수 펌프 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인; 냉각수 히터 및 PCM을 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택, 상기 냉각수 히터 및 PCM이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인; 라디에이터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택 및 상기 라디에이터가 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인; 및 상기 냉각수가 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며; 상기 PCM은 상기 냉각수 히터 및 상기 냉각수와 각각 열교환되도록 마련된다.

Description

연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어 방법{Thermal management system for fuel cell vehicle and control method thereof}
본 발명은 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange 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 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 냉각장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.
그런데, 종래의 연료전지 시스템은, 냉시동에 긴 시간이 소요되어, 운전자의 편의성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은, 냉시동성을 확보하기 위한 냉각수의 루프가 복잡하고 이러한 루프에 설치되는 많은 개수의 밸브가 설치되어, 시스템의 구조가 복잡하고 시스템의 중량이 크고 시스템의 설치 비용이 높다는 문제점이 있다.
또한, 또한, 종래의 연료전지 시스템은, 냉각수의 온도가 고온이 되어 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달하는 시간이 짧아 스택의 출력이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉시동성을 높일 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가 본 발명은, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 도달하는 시간을 증가시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 냉각수의 루프를 단순화시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
나아가 본 발명은, 냉각수 루프에 설치되는 밸브의 개수를 최소화시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템은, 냉각수 펌프 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인; 냉각수 히터 및 PCM을 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택, 상기 냉각수 히터 및 PCM이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인; 라디에이터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택 및 상기 라디에이터가 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인; 및 상기 냉각수가 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며; 상기 PCM은 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 비해 낮은 상변화 온도를 갖고, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 축열하기 위해 상기 냉각수 펌프의 미가동 상태에서 상기 냉각수 히터와 열교환되도록 마련되며, 또한 상기 냉각수와 열교환되도록 마련되고, 냉시동에서 상기 PCM의 온도가 상기 냉각수 히터에 의해 상기 상변화 온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 PCM에 축열된 열을 상기 냉각수를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달하기 위해, 상기 냉각수가 상기 제1 루프를 순환하게 마련될 수 있다.
바람직하게, 상기 냉각수 히터는, 상기 냉각수가 통과하도록 마련된 히터 하우징과, 상기 히터 하우징의 내부에 설치되며 상기 냉각수를 가열하는 히터 코어를 구비하며, 상기 PCM은 상기 냉각수와 접하도록 상기 히터 하우징의 내부에 설치된다.
바람직하게, 상기 냉각수 히터는, 상기 히터 코어와 상기 PCM을 열적으로 연결하도록 상기 히터 하우징의 내부에 설치되는 히트 파이프를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 냉각수 히터는, 상기 제2 라인을 중심으로 배치되는 적어도 하나의 히터 코어를 구비하며, 상기 PCM은 상기 히터 코어와 상기 제2 라인의 적어도 일부분을 둘러싸도록 설치된다.
바람직하게, 상기 냉각수 히터는, 상기 히터 코어와 상기 제2 라인을 열적으로 연결하도록 상기 히터 코어와 상기 제2 라인의 외주부에 권취된 금속 코일을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 PCM은 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 비해 낮은 상변화 온도를 갖는다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어방법은, (a) 상기 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 시동하는 경우에, 상기 스택에서 출력된 전력을 이용해 상기 냉각수 히터를 가동하고, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 상기 PCM에 축열하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행하며, 상기 PCM의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제1 루프에 순환시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 순환시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, (d) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제2 루프에 순환시키는 단계; (e) 상기 (d) 단계 이후에 수행하며, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하며, 상기 PCM은 상기 상변화온도가 상기 냉각수 온도 제한치에 비해 낮도록 마련된다.
바람직하게, 상기 (d) 단계를 수행할 때, 상기 냉각수 펌프는 미리 정해진 최대 출력으로 가동된다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템 및 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 냉시동 시 냉각수 히터에서 발생한 열을 PCM에 축열한 후 냉각수를 통해 스택에 공급함으로써, 스택에서 자체적으로 발생한 열만을 이용해 냉시동을 실시하는 경우에 비해, 냉시동에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
둘째, 본 발명은, 고출력 운전 시 냉각수의 열을 라디에이터와 PCM에 각각 전달하여 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 도달하는 시간을 지연시킴으로써 냉각수의 고온으로 인해 스택의 출력이 제한되는 것을 최소화시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은, 냉시동에 필요한 냉각수의 루프를 단순화시키고, 냉각수의 유동을 조절하기 위한 밸브의 설치 개수를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
도 2a 및 도 2b 도 1에 도시된 냉각수 히터와 PCM의 결합 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 냉각수 히터와 PCM의 다른 결합 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 냉각수 히터와 PCM의 또 다른 결합 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1에 도시된 열 관리 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
도 7은 도 6에 도시된 열 관리 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
도 11은 도 10에 도시된 열 관리 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열 관리 시스템(1)은, 냉각수가 각각 순환되는 제1 루프(130) 내지 제3 루프(150)를 형성할 수 있도록 상호 연결 및 차단되는 제1 라인(10) 내지 제4 라인(40)과, 이러한 제1 라인(10) 내지 제4 라인(40)을 각각 개폐하는 개폐 밸브(50)를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 라인(10)은, 냉각수를 펌핑하는 냉각수 펌프(60), 및 발전을 실시하는 연료전지 스택(70)(이하, '스택(70)'이라고 함)을 포함할 수 있다. 제1 라인(10)의 일단은 후술할 개폐 밸브(50)의 제1 포트(52)에 연결된다. 제1 라인(10)의 타단은 후술할 제2 라인(20)의 일단과 연결된다. 냉각수 펌프(60) 및 스택(70)은, 냉각수 펌프(60)에 의해 펌핑된 냉각수가 스택(70)으로 유입될 수 있도록 배치된다. 또한, 냉각수 펌프(60) 및 스택(70) 사이에는, 냉각수의 온도를 측정 가능성 온도 센서(11)와, 냉각수의 압력을 측정 가능한 압력 센서(12)와, 냉각수의 전도도를 측정 가능한 전도도 센서(13) 등이 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제2 라인(20)은, 냉각수를 가열하는 냉각수 히터(80), 및 냉각수 히터(80)나 냉각수로부터 전달된 열을 축열하거나 축열된 열을 냉각수에 전달하는 PCM(phase change material)(90)을 포함할 수 있다. 냉각수 히터(80)는 COD 통합 히터인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 라인(20)의 일단은 제1 라인(10)의 일단과 연결되고, 제2 라인(20)의 타단은 후술할 개폐 밸브(50)의 제2 포트(54)와 연결된다. 이처럼 제2 라인(20)이 설치되면, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 펌프(60), 스택(70), 냉각수 히터(80) 및 PCM(90)이 배열된 제1 루프(130)가 형성된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 결합 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 다른 결합 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 또 다른 결합 방법을 설명하기 위한 도면이다.
PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제2 라인(20)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환되도록 설치된다.
예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 냉각수 히터(80)는 제2 라인(20)을 중심으로 배치된 복수의 히터 코어들(82)과, 히터 코어들(82)을 제2 라인(20) 및 PCM(90)과 열적으로 연결하는 금속 코일(84)을 구비할 수 있다. PCM(90)은 냉각수 히터(80) 및 제2 라인(20)을 둘러싸도록 마련될 수 있다.
히터 코어들(82)은, 제2 라인(20)이 히터 코어들(82)의 사이에 위치하도록 미리 정해진 간격을 두고 배치될 수 있다. 이러한 히터 코어들(82)은 스택(70) 기타 외부의 전원으로터 공급된 전력에 의해 가동될 수 있다. 금속 코일(84)은 이러한 히터 코어들(82)과 제2 라인(20)을 열적으로 연결할 수 있도록 히터 코어들(82)과 제2 라인(20)의 외주부에 권취된다. 금속 코일(84)의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 금속 코일(84)은 열전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다. 이러한 금속 코일(84)은, 히터 코어(82), PCM(90), 및 제2 라인(20)을 통과하는 냉각수 사이의 열교환을 촉진할 수 있다.
PCM(90)은 히터 코어(82), 금속 코일(84), 및 제2 라인(20)의 적어도 일부분을 둘러싸도록 마련된다. 예를 들어, 히터 코어(82), 금속 코일(84), 및 제2 라인(20)의 적어도 일부분이 내부에 위치하도록 PCM팩(92)이 설치되고, 이러한 PCM팩(92)의 내부에 PCM(90)이 충전될 수 있다. 그러면, PCM(90)은 히터 코어(82), 금속 코일(84) 및 제2 라인(20) 사이에 형성된 틈새까지 충전될 수 있다. 이러한 PCM(90)에는, 도 2a에 도시된 바와 같이, PCM(90)의 온도를 측정 가능한 온도 센서(94)가 설치될 수 있다.
잠열(latent heat)이란 어떤 물질이 상변화 될 때 즉, 고체에서 액체(또는 액체에서 고체), 액체에서 기체(또는 기체에서 액체)가 될 때 흡수하거나 방출하는 열을 말한다. 잠열은 현열(sensible heat) 즉, 상변화가 일어나지 않은 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출하는 열에 비해 매우 크다.
PCM은, 이러한 잠열의 열 흡수 또는 열 방출 효과를 이용해 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지시키는 등의 목적을 위해 사용하는 물질이다. 이러한 PCM의 상변화 온도, 잠열량 등은 물질의 고유한 특성이므로, 사용 목적 내지는 사용 환경에 따라 적절한 PCM이 선택되어야 한다. 따라서, PCM(90)으로서 사용 가능한 PCM 역시 PCM(90)의 사용 목적 내지는 사용 환경을 고려해 선택되어야 한다.
그런데, PCM(90)은 냉각수 히터(80) 및 냉각수와 각각 열교환되도록 설치되므로, PCM(90)은 냉각수의 온도를 스택(70)의 구동에 적절한 온도로 유지 가능한 PCM으로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, PCM(90)은 상변화 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 비해 낮은 PCM으로 구성될 수 있다. PCM(90)으로서 사용 가능한 PCM의 구체적인 예는 아래의 표 1과 같다.
명칭 용융점
(℃)		 잠열
(KJ/Kg)		 액상밀도
(Kg/m³)		 액상비열
(KJ/Kg℃)		 고상비열
(KJ/Kg℃)
솔비탄 지방산에스테르 64~68 38.5 1003.4 4.548 6.163
스테아릭 산 70 327.1 794.2 3.92 3.19
세테아릴 알코올 65 217.8 861.94 7.163 6.997
부틸 파라벤 67~70 576.9 1059.14 7.235 3.414
부틸메톡시디벤조일메탄 81~84 140 1101.44 7.426 1.74
카나우바 왁스 81~86 566.8 819.34 10.842 2.421
이러한 PCM(90)은, 히터 코어(82), 및 제2 라인(20)을 통과 중인 냉각수와 각각 열교환될 수 있다. 예를 들어, PCM(90)는, 히터 코어(82)에서 방출된 열을 전달 받거나 제2 라인(20)을 통과하는 냉각수의 열을 전달 받거나 제2 라인(20)을 통과 중인 냉각수에 축열해둔 열을 전달할 수 있다.
한편, 제2 라인(20)은, 도 2a와 도시된 바와 같이, PCM팩(92)의 내부 공간을 관통하도록 마련된 복수의 분기관들(22)과, 제2 라인(20)을 통과 중인 냉각수를 분기관들(22)에 전달하는 유입 포트(24)와, 분기관들(22)을 통과한 냉각수를 제2 라인(20)에 재전달하는 토출 포트(26)를 구비할 수 있다. 또한, 히터 코어(82), 금속 코일(84), 및 PCM(90)은 분기관들(22)과 열교환되도록 설치될 수 있다. 이처럼 분기관들(22)을 마련하면, 히터 코어(82), 금속 코일(84), 및 PCM(90)과 열교환되는 제2 라인(20)의 표면적이 증가되어, 히터 코어(82), 금속 코일(84), 제2 라인(20), 및 PCM(90) 사이의 열교환을 촉진할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 히터(80)는, 냉각수가 통과하도록 마련된 히터 하우징(86)과, 히터 하우징(86)의 내부에 설치되며 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수를 가열하는 히터 코어(82)를 구비할 수 있다. PCM(90)은 히터 하우징(86)의 내부에 설치될 수 있다.
히터 하우징(86)은, 제2 라인(20)과 각각 연결되는 유입구(86a) 및 토출구(86b)를 구비할 수 있다. 그러면, 제2 라인(20)을 통과 중인 냉각수는, 유입구(86a)를 통해 히터 하우징(86)으로 유입되었다가 히터 코어(82) 및 PCM(90)과 열교환된 후 토출구(86b)를 통해 제2 라인(20)으로 재유입될 수 있다. 히터 코어(82)는, 이러한 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수를 가열할 수 있도록 히터 하우징(86)의 내부 공간에 설치된다.
PCM(90)은 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수와 열적으로 접촉될 수 있도록 히터 하우징(86)의 내부에 설치된다. 예를 들어, PCM(90)은 PCM팩(92)의 내부에 충전되고, PCM팩(92)은 히터 하우징(86)의 내부에 설치될 수 있다. 그러면, PCM(90)은 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수와 직접적으로 열교환된다. 또한, PCM(90)은 히터 코어(82)와는 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수를 매개로 간접적으로 열교환된다. 즉, 히터 하우징(86)의 내부에 형성된 냉각수의 자연 대류에 의해 히터 코어(82)에서 발생한 열이 PCM(90)에 전달되는 것이다.
예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 냉각수 히터(80)는, 냉각수가 통과하도록 마련된 히터 하우징(86)과, 히터 하우징(86)의 내부에 설치되며 히터 하우징(86)을 통과하는 냉각수를 가열하는 히터 코어(82)와, 히터 코어(82)와 PCM(90)을 열적으로 연결 가능한 히트 파이프(88)를 구비할 수 있다. PCM(90)은 히터 하우징(86)의 내부에 설치될 수 있다.
히트 파이프(88)는 일단이 히터 코어(82)와 열적으로 연결되고 타단이 PCM(90)과 열적으로 연결되도록 히터 하우징(86)의 내부에 설치될 수 있다. 히트 파이프(88)의 설치 개수는 특별히 한정되지 않으며, 적어도 하나의 히트 파이프(88)가 미리 정해진 간격을 두고 설치될 수 있다. 이러한 히트 파이프(88)는, 히터 코어(82)와 PCM(90)을 열적으로 직접 연결하여, 히터 코어(82)의 열을 냉각수를 매개로 PCM(90)에 비해 전달하는 경우에 비해, 히터 코어(82)와 PCM(90) 사이의 열교환을 촉진할 수 있다.
다음으로, 제3 라인(30)은 냉각수로부터 전달된 열을 외부로 방열하는 라디에이터(100)를 구비할 수 있다. 제3 라인(30)의 일단은 제1 라인(10)의 타단 및 제2 라인(20)의 일단과 연결되고, 제4 라인(40)의 타단은 후술할 개폐 밸브(50)의 제3 포트(56)에 연결된다. 이처럼 제3 라인(30)이 설치되면, 냉각수 펌프(60), 스택(70), 및 라디에이터(100)가 배열된 제2 루프(140)가 형성된다.
다음으로, 제4 라인(40)은 냉각수로부터 전달된 열을 이용해 차량의 실내 공간을 난방하는 난방 히터(110), 및 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 필터(120)를 구비할 수 있다. 이러한 제4 라인(40)의 일단은 냉각수 펌프(60)와 스택(70) 사이에 위치한 제1 라인(10)의 특정 지점(14)에 연결되고, 제4 라인(40)의 타단은 후술할 개폐 밸브(50)의 제4 포트(58)에 연결된다. 이처럼 제4 라인(40)이 설치되면, 냉각수 펌프(60), 난방 히터(110) 및 이온 필터(120)가 배열된 제3 루프(150)가 형성된다.
다음으로, 개폐 밸브(50)는, 제1 라인(10)의 일단과 연결된 제1 포트(52)와, 제2 라인(20)의 타단과 연결된 제2 포트(54)와, 제3 라인(30)의 타단과 연결된 제3 포트(56)와, 제4 라인(40)의 타단과 연결된 제4 포트(58)를 구비할 수 있다. 개폐 밸브(50)로서 사용 가능한 밸브의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 개폐 밸브(50)는 일반적으로 사용되는 4-WAY 밸브로 구성될 수 있다. 이러한 개폐 밸브(50)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 포트(52) 내지 제4 포트(58)를 선택적으로 개폐함으로써, 냉각수 펌프(60)에 의해 펌핑된 냉각수를 제1 루프(130) 내지 제3 루프(150) 중 적어도 하나의 루프에 순환시킬 수 있다.
한편, 전술한 각종의 센서들은 센싱한 정보들을 차량의 제어부에 전달하고, 이러한 차량의 제어부는 냉각수 펌프(60), 스택(70), 냉각수 히터(80), 라디에이터(100), 난방 히터(110), 개폐 밸브(50) 등 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)에 포함된 각종의 부재들을 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)의 제어 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전치 차량용 열 관리 시스템(1)의 제어 방법은, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉시동 단계(S 10)와, 정상 운전 단계(S 20)와, 고출력 운전 단계(S 30)를 포함할 수 있다.
먼저, 냉시동 단계(S 10)는, 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)을 시동하는 경우에, 스택(70)에서 출력된 전력을 이용해 냉각수 히터(80)를 가동하고, 냉각수 히터(80)에서 출력된 열을 PCM(90)에 축열하는 단계(12)와, 상기 S 12 단계 이후에 수행하며, PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제1 루프(130)에 순환시키는 단계(S 14)를 포함할 수 있다.
상기 S 12 단계는, 온도 센서(11)에 의해 측정된 냉각수의 온도가 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)이 시동되는 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 이러한 S 12 단계에서는, 냉각수 펌프(60)의 가동이 정지되어 제1 루프(130) 내지 제3 루프(150)에 냉각수가 순환되지 않는 상태에서, 스택(70)을 가동함과 함께 스택(70)에서 출력된 전력을 이용해 냉각수 히터(80)를 가동한다. 그러면, 스택(70)은 스택(70) 자체에서 발생한 열로 인해 승온되고, PCM(90)은 냉각수 히터(80)에서 발생한 열을 축열한다.
상기 S 14 단계는, 온도 센서(94)에 의해 측정된 PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 이러한 S 14 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동하여 냉각수를 펌핑함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제1 루프(130)에 순환시킨다. 그러면, 상기 S 12 단계에서 PCM(90)에 축열된 열은 제2 라인(20)을 통과하는 냉각수에 전달되고, PCM(90)에 의해 승온된 냉각수는 제1 라인(10)을 통해 스택(70)으로 전달된다. 즉, PCM(90)에 축열된 열을 냉각수를 매개로 스택(70)에 전달하는 것이다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)은, 스택(70) 자체에서 발생한 열만을 이용해 냉시동을 실시하는 경우에 비해, 스택(70)의 냉시동에 필요한 시간을 줄일 수 있다.
다음으로, 정상 운전 단계(S 20)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 정상 운전 단계(S 20)에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동하여 냉각수를 펌핑함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제1 루프(130)와 제2 루프(140)에 순환시킨다. 냉각수의 분배 비율은 특별히 한정되지 않으며, 냉각수의 분배 비율은 스택(70)의 상태에 따라 선택적으로 조절될 수 있다.
다음으로, 고출력 운전 단계(S 30)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 고출력 운전 단계(S 30)는, 냉시동이 완료된 이후에 수행하며, 스택(70)이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제2 루프(140)에 순환시키는 단계(S 32)와, 상기 S 32 단계 이후에 수행하며, 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제1 루프(130)와 제2 루프(140)에 순환시키는 단계(S 34)를 포함할 수 있다.
상기 S 32 단계는, 스택(70)이 고출력 상태로 가동되지만, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 아직 도달하지 못한 경우에 실시할 수 있다. 이러한 S 32 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 최대 출력으로 가동함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제2 루프(140)에만 순환시킨다. 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 아직 도달하지 못한 경우에는, PCM(90)은 냉각수의 열을 효율적으로 축열하지 못하므로, 냉각수 펌프(60)를 최대 출력으로 가동한 상태에서 라디에이터(100)에만 냉각수를 집중적으로 공급하여 라디에이터(100)에 의한 방열량을 극대화시키는 것이다.
상기 S 34 단계는, 스택(70)이 고출력 상태로 가동됨과 함께, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에 실시할 수 있다. 이러한 S 34 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제1 루프(130)와 제2 루프(140)에 순환시킨다. 상기 S 34 단계에서는, 냉각수가 제2 라인(20)으로는 유입되지 않으므로, PCM(90)은 상변화온도 이하까지 냉각된다. 이러한 상태에서, 냉각수 온도 제한치까지 승온된 냉각수가 제2 라인(20)으로 유입되면, 제2 라인(20)을 통과하는 냉각수는 PCM(90)에 의해 상변화온도까지 냉각된다. 따라서, 스택(70)으로 유입되는 냉각수의 온도는 이러한 냉각에 의해 냉각수 온도 제한치 미만까지 하강된다. 이러한 PCM(90)을 이용한 냉각수의 냉각은, PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상까지 승온되어 PCM(90)의 상변화가 완료될 때까지 지속될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)은, 라디에이터(100)만 이용해 냉각수를 냉각하는 경우에 비해, 냉각수의 고온으로 인해 스택(70)의 출력이 제한되는 것을 최소화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)의 제어 방법은, 모터를 이용해 회수한 회생 에너지를 이용해 냉각수 히터(80)를 가동하는 회생 에너지 회수 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 회생 에너지 회수 단계는, 회생 에너지를 모터 기타 전장 부품에 더 이상 저장 및 공급할 수 없을 경우에 실시할 수 있다. 이러한 회생 에너지 회수 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동하고, 회생 에너지를 이용해 냉각수 히터(80)를 가동함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제1 루프(130) 및 제2 루프(140)에 순환시킨다. 그러면, 회생에너지를 스택(70)에 전달하거나 PCM(90)에 축열할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)은, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 설치 위치에 있어서, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(1)과 차이점을 갖는다.
구체적으로, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제4 라인(40)의 일단과 연결된 특정 지점(14)과 냉각수 펌프(60) 사이에 위치하도록 제1 라인(10)에 설치된다. PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제1 라인(10)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환되도록 설치된다.
이하에서는, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)의 제어방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)의 제어방법은, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉시동 단계(S 110)와, 정상 운전 단계(S 120)와, 고출력 운전 단계(S 130)를 포함할 수 있다.
먼저, 냉시동 단계(S 110)는, 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)을 시동하는 경우에, 스택(70)에서 출력된 전력을 이용해 냉각수 히터(80)를 가동함과 함께 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제3 루프(150)에 순환시켜, 냉각수 히터(80)에서 출력된 열을 PCM(90)에 축열하는 단계(S 112)와, 상기 S 112 단계 이후에 수행하며, PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제1 루프(130)에 순환시키는 단계(S 114)를 포함할 수 있다.
상기 S 112 단계는, 온도 센서(11)에 의해 측정된 냉각수의 온도가 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)이 시동되는 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 상기 S 112 단계는, 냉각수 펌프(60) 및 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제3 루프(150)에 순환시킨다는 점을 제외하고는 전술한 S 12 단계와 동일하다. 이러한 S 112 단계에 의하면, 스택(70)은 스택(70) 자체에서 발생한 열로 인해 승온되고, PCM(90)은 냉각수 히터(80)에서 발생한 열을 축열한다.
상기 S 114 단계는, 온도 센서(94)에 의해 측정된 PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 상기 S 114 단계는, PCM(90)에 축열된 열을 제1 루프(130)를 순환하는 냉각수를 통해 스택(70)에 전달하여 냉시동에 소요되는 시간을 줄일 수 있다는 점에서 전술한 S 14 단계와 동일하다.
다음으로, 정상 운전 단계(S 120)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 정상 운전 단계(S 120)에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동하여 냉각수를 펌핑함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제1 루프(130) 내지 제3 루프(150)에 순환시킨다. 냉각수의 분배 비율은 특별히 한정되지 않으며, 냉각수의 분배 비율은 스택(70)의 상태에 따라 선택적으로 조절될 수 있다.
다음으로, 고출력 운전 단계(S 130)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 고출력 운전 단계(S 130)에서는, 냉각수 펌프(60)를 최대 출력으로 가동하여 냉각수를 펌핑함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제2 루프(140)에만 순환시킨다. 그러면, 라디에이터(100)의 방열량을 극대화시킴과 동시에 PCM(90)을 이용해 냉각수를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 도달하는 시점을 최대한 지연시킴으로써 냉각수의 고온으로 인해 스택(70)의 출력이 제한되는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(3)은, 냉각수 히터(80) 및 PCM(90)의 결합 관계와, 제4 라인(40)의 설치 구조에 있어서, 전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)과 차이점을 갖는다.
구체적으로, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)는 개별적으로 마련되되 열교환 부재(160)에 의해 열적으로 연결된다. 예를 들어, 열교환 부재(160)는 방열핀일 수 있다. 제1 라인(10)은 PCM(90)을 통과하도록 마련된다. 제4 라인(40)은, 일단이 냉각수 펌프(60)와 PCM(90) 사이에 위치한 제1 라인(10)의 특정 지점(15)에 연결되며, 냉각수 히터(80)를 통과하도록 마련된다. 즉, PCM(90)에는 제1 라인(10)이 통과하고, 냉각수 히터(80)에는 제4 라인(40)이 통과하는 것이다. 따라서, PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제1 라인(10)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환될 수 있다.
이러한 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(3)은, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)이 열교환 부재(160)에 의해 열적으로 연결되므로, 전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)과 동일한 방법에 의해 제어될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(4)은, 냉각수 히터(80), PCM(90), 제1 라인(10) 및 제4 라인(40)의 결합 관계에 있어서, 전술한 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(3)과 차이점을 갖는다.
구체적으로, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)는 개별적으로 마련되되 열교환 부재(170)에 의해 열적으로 연결된다. 예를 들어, 열교환 부재(170)는 방열핀일 수 있다. 제1 라인(10)은 냉각수 히터(80)를 통과하도록 마련된다. 제4 라인(40)은, 일단이 냉각수 펌프(60)와 냉각수 히터(80) 사이에 위치한 제1 라인(10)의 특정 지점(16)에 연결되며, PCM(90)을 통과하도록 마련된다. 즉, PCM(90)에는 제4 라인(40)이 통과하고, 냉각수 히터(80)에는 제1 라인(10)이 통과하는 것이다. 따라서, PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제4 라인(40)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환될 수 있다.
이러한 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(4)은, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)이 열교환 부재(170)에 의해 열적으로 연결되므로, 전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)과 동일한 방법에 의해 제어될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(5)은, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 설치 위치에 있어서, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)과 차이점을 갖는다.
구체적으로, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 난방 히터(110)에 비해 개폐 밸브(50)의 제4 포트(58) 쪽에 위치하도록 제4 라인(40)에 설치된다. PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제4 라인(40)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환되도록 마련된다.
이하에서는, 도 11을 참조하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(5)의 제어방법은, 도 11에 도시된 바와 같이, 냉시동 단계(S 210)와, 정상 운전 단계(S 220)와, 고출력 운전 단계(S 230)를 포함할 수 있다.
먼저, 냉시동 단계(S 210)는, 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)을 시동하는 경우에, 스택(70)에서 출력된 전력을 이용해 냉각수 히터(80)를 가동함과 함께 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제3 루프(150)에 순환시켜, 냉각수 히터(80)에서 출력된 열을 PCM(90)에 축열하는 단계(S 212)와, 상기 S 212 단계 이후에 수행하며, PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제1 루프(130)와 제3 루프(150)에 순환시키는 단계(S 214)를 포함할 수 있다.
상기 S 212 단계는, 온도 센서(11)에 의해 측정된 냉각수의 온도가 냉시동 온도 이하인 상태에서 스택(70)이 시동되는 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 상기 S 212 단계는, 냉각수 펌프(60) 및 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제3 루프(150)에 순환시킨다는 점을 제외하고는 전술한 S 12 단계와 동일하다. 이러한 S 212 단계에 의하면, 스택(70)은 스택(70) 자체에서 발생한 열로 인해 승온되고, PCM(90)은 냉각수 히터(80)에서 발생한 열을 축열한다.
상기 S 214 단계는, 온도 센서(94)에 의해 측정된 PCM(90)의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에 실시되는 것이 바람직하다. 상기 S 214 단계는, PCM(90)에 축열된 열을 제1 루프(130)를 순환하는 냉각수를 통해 스택(70)으로 전달할 수 있도록 냉각수를 제1 루프(130)와 제3 루프(150)에 순환시킨다는 점을 제외하고는 전술한 S 14 단계와 동일하다. 이러한 S 214 단계에 의하면, 스택(70)은 스택(70) 자체에서 발생한 열로 인해 승온되고, PCM(90)은 냉각수 히터(80)에서 발생한 열을 축열한다.
다음으로, 정상 운전 단계(S 220)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 정상 운전 단계(S 220)에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동하여 냉각수를 펌핑함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제1 루프(130) 내지 제3 루프(150)에 순환시킨다. 냉각수의 분배 비율은 특별히 한정되지 않으며, 냉각수의 분배 비율은 스택(70)의 상태에 따라 선택적으로 조절될 수 있다.
다음으로, 고출력 운전 단계(S 230)는, 냉시동의 완료 후 스택(70)이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에 실시할 수 있다. 이러한 고출력 운전 단계(S 230)는, 냉시동이 완료된 이후에 수행하며, 스택(70)이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 냉각수 펌프(60)와 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 제2 루프(140)에 순환시키는 단계(S 232)와, 상기 S 232 단계 이후에 수행하면, 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에, 냉각수 펌프(60) 및 개폐 밸브(50)를 이용해 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제2 루프(140)와 제3 루프(150)에 순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 S 232 단계는, 스택(70)이 고출력 상태로 가동되지만, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 아직 도달하지 못한 경우에 실시할 수 있다. 이러한 S 232 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 최대 출력으로 가동함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 제2 루프(140)에만 순환시킨다. 따라서, 냉각수 펌프(60)를 최대 출력으로 가동한 상태에서 라디에이터(100)에만 냉각수를 집중적으로 공급하여 라디에이터(100)에 의한 방열량을 극대화시킬 수 있다.
상기 S 234 단계는, 스택(70)이 고출력 상태로 가동됨과 함께, 냉각수의 온도가 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에 실시할 수 있다. 이러한 S 234 단계에서는, 냉각수 펌프(60)를 가동함과 함께, 개폐 밸브(50)를 가동하여 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 제2 루프(140)와 제3 루프(150)에 순환시킨다. 상기 S 234 단계에서는, 냉각수가 제4 라인(40)으로는 유입되지 않으므로, PCM(90)은 상변화온도 이하까지 냉각된다. 이러한 상태에서, 냉각수 온도 제한치까지 승온된 냉각수가 제4 라인(40)으로 유입되면, 제4 라인(40)을 통과하는 냉각수는 PCM(90)에 의해 상변화온도까지 냉각된다. 따라서, 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지 차량용 열 관리 시스템(5)은, 라디에이터(100)만 이용해 냉각수를 냉각하는 경우에 비해, 냉각수의 고온으로 인해 스택(70)의 출력이 제한되는 것을 최소화시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(6)은, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)의 설치 위치에 있어서, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)와 차이점을 갖는다.
구체적으로, 냉각수 히터(80)와 PCM(90)은, 라디에이터(100)와 개폐 밸브(50)의 제3 포트(56) 사이에 위치하도록 제3 라인(30)에 설치될 수 있다. PCM(90)은 냉각수 히터(80), 및 제3 라인(30)을 통과하는 냉각수와 각각 열교환되도록 마련된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1, 2, 3, 4, 5, 6 : 연료전지 차량용 열 관리 시스템
10 : 제1 라인
11 : 온도 센서
12 : 압력 센서
13 : 전도도 센서
20 : 제2 라인
22 : 분기관
24 : 유입 포트
26 : 토출 포트
30 : 제3 라인
40 : 제4 라인
50 : 개폐 밸브
52 : 제1 포트
54 : 제2 포트
56 : 제3 포트
58 : 제4 포트
60 : 냉각수 펌프
70 : 연료전지 스택
80 : 냉각수 히터
82 : 히터 코어
84 : 금속 코일
86 : 히터 하우징
86a : 유입구
86b : 토출구
88 : 히트 파이프
90 : PCM
92 : PCM팩
94 : 온도 센서
100 : 라디에이터
110 : 난방 히터
120 : 이온 필터
130 : 제1 루프
140 : 제2 루프
150 : 제3 루프

Claims (20)

  1. 냉각수 펌프 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인;
    냉각수 히터 및 PCM을 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택, 상기 냉각수 히터 및 PCM이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인;
    라디에이터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택 및 상기 라디에이터가 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인; 및
    상기 냉각수가 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며;
    상기 PCM은 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 비해 낮은 상변화 온도를 갖고, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 축열하기 위해 상기 냉각수 펌프의 미가동 상태에서 상기 냉각수 히터와 열교환되도록 마련되며, 또한 상기 냉각수와 열교환되도록 마련되고,
    냉시동에서 상기 PCM의 온도가 상기 냉각수 히터에 의해 상기 상변화 온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 PCM에 축열된 열을 상기 냉각수를 통해 상기 연료전지 스택으로 전달하기 위해, 상기 냉각수가 상기 제1 루프를 순환하게 마련되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 히터는, 상기 냉각수가 통과하도록 마련된 히터 하우징과, 상기 히터 하우징의 내부에 설치되며 상기 냉각수를 가열하는 히터 코어를 구비하며,
    상기 PCM은 상기 냉각수와 접하도록 상기 히터 하우징의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수 히터는,
    상기 히터 코어와 상기 PCM을 열적으로 연결하도록 상기 히터 하우징의 내부에 설치되는 히트 파이프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 히터는, 상기 제2 라인을 중심으로 배치되는 적어도 하나의 히터 코어를 구비하며,
    상기 PCM은 상기 히터 코어와 상기 제2 라인의 적어도 일부분을 둘러싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각수 히터는,
    상기 히터 코어와 상기 제2 라인을 열적으로 연결하도록 상기 히터 코어와 상기 제2 라인의 외주부에 권취된 금속 코일을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  6. 삭제
  7. 냉각수 펌프, 냉각수 히터, PCM 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인;
    상기 냉각수 펌프, 상기 냉각수 히터, 상기 PCM 및 상기 스택이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인;
    라디에이터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 냉각수 히터, 상기 PCM, 상기 스택 및 상기 라디에이터가 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인;
    이온 필터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 냉각수 히터와 상기 PCM 중 적어도 하나, 및 상기 이온 필터가 배열된 제3 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제4 라인; 및
    상기 냉각수가 상기 제1 루프, 상기 제2 루프 및 상기 제3 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인, 상기 제3 라인 및 상기 제4 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며;
    상기 PCM은 상기 냉각수 히터 및 상기 냉각수와 각각 열교환되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량용 열 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4 라인은 난방 히터를 더 구비하며,
    상기 제4 라인은 상기 제3 루프에 냉각수 펌프, 상기 냉각수 히터와 상기 PCM 중 적어도 하나, 상기 난방 히터 및 상기 이온 필터가 배열되도록 상기 제1 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  9. 냉각수 펌프 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인;
    상기 냉각수 펌프 및 스택이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인;
    라디에이터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택 및 상기 라디에이터가 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인;
    냉각수 히터, PCM 및 이온 필터를 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 냉각수 히터, 상기 PCM 및 상기 이온 필터가 배열된 제3 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제4 라인; 및
    상기 냉각수가 상기 제1 루프, 상기 제2 루프 및 상기 제3 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인, 상기 제3 라인 및 상기 제4 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며;
    상기 PCM은 상기 냉각수 히터 및 상기 냉각수와 각각 열교환되도록 마련되는 것을 특징으로 특징으로 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  10. 냉각수 펌프 및 연료전지 스택을 포함하는 제1 라인;
    상기 냉각수 펌프, 상기 스택이 배열된 제1 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인;
    라디에이터, 냉각수 히터 및 PCM을 구비하며, 상기 냉각수 펌프, 상기 스택, 상기 라디에이터, 상기 냉각수 히터 및 상기 PCM이 배열된 제2 루프를 형성하도록 상기 제1 라인과 연결되는 제3 라인; 및
    상기 냉각수가 상기 제1 루프 및 상기 제2 루프 중 적어도 하나의 루프를 순환하도록 상기 제1 라인, 상기 제2 라인 및 상기 제3 라인을 각각 개폐하는 개폐 밸브를 포함하며;
    상기 PCM은 상기 냉각수 히터 및 상기 냉각수와 각각 열교환되도록 마련되는 것을 특징으로 특징으로 연료전지 차량용 열 관리 시스템.
  11. 제1항에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 시동하는 경우에, 상기 스택에서 출력된 전력을 이용해 상기 냉각수 히터를 가동하고, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 상기 PCM에 축열하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행하며, 상기 PCM의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제1 루프에 순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    (d) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제2 루프에 순환시키는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계 이후에 수행하며, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프와 상기 제2 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계를 수행할 때, 상기 냉각수 펌프는 미리 정해진 최대 출력으로 가동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  15. 제7항에 따른 연료전지 열 관리 시스템의 제어방법에 있어서,
    (a) 상기 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 시동하는 경우에, 상기 스택에서 출력된 전력을 이용해 상기 냉각수 히터를 가동함과 함께 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제3 루프에 순환시켜, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 상기 PCM에 축열하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행하며, 상기 PCM의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제1 루프에 순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프, 상기 제2 루프 및 상기 제3 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    (d) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제2 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  18. 제9항에 따른 연료전지 열 관리 시스템의 제어방법에 있어서,
    (a) 상기 냉각수가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 시동하는 경우에, 상기 스택에서 출력된 전력을 이용해 상기 냉각수 히터를 가동함과 함께 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제3 루프에 순환시켜, 상기 냉각수 히터에서 출력된 열을 상기 PCM에 축열하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행하며, 상기 PCM의 온도가 상변화온도 이상으로 상승된 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제1 루프와 상기 제3 루프에 순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 정상 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제1 루프, 상기 제2 루프 및 상기 제3 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    (d) 상기 (b) 단계 이후에 수행하며, 상기 스택이 미리 정해진 고출력 상태로 가동되는 경우에, 상기 냉각수 펌프와 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 상기 제2 루프에 순환시키는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계 이후에 수행하며, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉각수 온도 제한치에 도달한 경우에, 상기 냉각수 펌프 및 상기 개폐 밸브를 이용해 상기 냉각수를 미리 정해진 분배 비율로 상기 제2 루프와 상기 제3 루프에 순환시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 PCM은 상기 상변화온도가 상기 냉각수 온도 제한치에 비해 낮도록 마련되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 제어 방법.
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