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KR102691017B1 - 연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법 - Google Patents

연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법 Download PDF

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KR102691017B1
KR102691017B1 KR1020190136759A KR20190136759A KR102691017B1 KR 102691017 B1 KR102691017 B1 KR 102691017B1 KR 1020190136759 A KR1020190136759 A KR 1020190136759A KR 20190136759 A KR20190136759 A KR 20190136759A KR 102691017 B1 KR102691017 B1 KR 102691017B1
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fuel cell
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김주한
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

실시 예의 연료 전지 차량은, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택과, 방전 제어 신호에 응답하여, 셀 스택의 양 출력단으로부터 출력되는 잔류 전압을 방전하는 방전부와, 방전부 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 방전부에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있는 우회 경로를 형성하는 방전 보조부 및 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있을 때, 방전 제어 신호를 생성하는 주 제어부를 포함한다.

Description

연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법{Fuel cell Vehicle and method for discharging remaining energy and performed in the vehicle}
실시 예는 연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법에 관한 것이다.
셀 스택을 포함하는 연료 전지를 갖는 차량(이하, ‘연료 전지 차량’이라 한다)에서, 차량의 시동이 꺼진 후 셀 스택의 공기 채널 내의 산소를 제거하여 셀 스택의 내구성을 개선시킬 필요가 있다. 또는, 연료 전지 차량의 충돌 시, 이차적인 감전 사고나 전기 화재 등을 방지하기 위해, 셀 스택에 잔류하는 전기 에너지를 제거할 필요가 있다. 또는, 연료 전지 차량의 시동이 꺼진 후 차량 정비 시 감전 사고를 방지하기 위해, 셀 스택에 잔류하고 있는 전기 에너지를 제거할 필요가 있다.
이와 같이, 연료 전지 차량의 시동이 꺼지거나 차량이 충돌할 때, 또는 정비 작업을 수행할 때, 셀 스택에 잔류하는 전기 에너지를 제거함으로써 연료 전지 차량의 전기적 안전성을 확보함이 매우 중요하다.
실시 예는 차량의 시동이 꺼지거나 차량이 충돌할 때 셀 스택에 잔류하는 전압을 방전하여 안정적으로 제거할 수 있는 연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법을 제공한다.
일 실시 예에 의한 연료 전지 차량은, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택; 방전 제어 신호에 응답하여, 상기 셀 스택의 양 출력단으로부터 출력되는 잔류 전압을 방전하는 방전부; 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 상기 방전부에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있는 우회 경로를 형성하는 방전 보조부; 및 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있을 때, 상기 방전 제어 신호를 생성하는 주 제어부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방전부는 상기 방전 제어 신호에 응답하여 적어도 하나의 구동 신호를 생성하는 서브 제어부; 일측이 상기 셀 스택의 상기 양 출력단 중 상기 잔류 전압의 고전위 레벨과 연결된 제1 출력단과 연결되는 적어도 하나의 저항을 포함하는 방열 저항단; 및 상기 적어도 하나의 저항의 타측과 상기 셀 스택의 상기 양 출력단 중 상기 잔류 전압의 저전위 레벨과 연결된 제2 출력단 사이에 연결되며, 상기 적어도 하나의 구동 신호에 응답하여 스위칭하는 적어도 하나의 제1 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 구동 신호는 제1 내지 제M 구동 신호(여기서, M은 2 이상의 양의 정수)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 저항은 서로 병렬 연결되며, 각각이 상기 제1 출력단과 연결되는 일측을 갖는 제1 내지 제M 저항을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 상기 제1 내지 제M 구동 신호에 응답하여 각각 스위칭하고, 상기 제1 내지 제M 저항의 타측과 상기 제2 출력단 사이에 각각 연결되는 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 내지 제M 저항 각각은 시스 히터, 세라믹 히터, 전기 저항 소자 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 저항체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 반도체 스위치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 스위치는 IGBT, SCR(Silicon Controlled Rectifiers), GTO(Gate Turn Off Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방전부는 COD 히터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 방전 보조부는 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 턴 온되는 제2 스위칭 소자; 및 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온될 때 상기 적어도 하나의 저항의 상기 타측을 상기 셀 스택의 상기 제2 출력단에 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 스위칭 소자는 제1 스위칭 제어 신호에 응답하여 턴 오프되고, 상기 제1 스위칭 제어 신호가 발생되지 않을 때 턴 온되는 노말리 클로즈 타입이고, 상기 주 제어부는 상기 방전 제어 신호가 발생될 때 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성 할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은 제2 스위칭 제어 신호에 응답하여, 상기 셀 스택의 상기 양 출력단으로부터 출력되는 상기 스택 전압을 부하로 제공하는 스위칭부를 더 포함하고, 상기 주 제어부는 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는가를 검사한 결과에 응답하여 상기 제2 스위칭 제어 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 주 제어부는 동작 전압이 인가될 때, 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는가를 검사한 결과에 따라, 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추었는가를 검사하는 시동 검사부를 더 포함하고, 상기 주 제어부는 상기 시동 검사부에서 검사된 결과에 응답하여 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 연료 전지 차량이 충돌하였는가를 검사하는 충돌 검사부를 더 포함하고, 상기 주 제어부는 상기 충돌 검사부에서 검사된 결과에 응답하여 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지 및 상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전하는 방전부를 포함하는 연료 전지 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법은, 상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사하는 단계; 상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전할 필요가 있을 때, 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있는가를 검사하는 단계; 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있을 때, 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시키는 단계; 및 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 상기 방전부에서 상기 잔류 전압을 우회 경로를 통해 방전시키는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사하는 단계는 상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추었는가를 검사하는 단계; 또는 상기 연료 전지 차량이 충돌하였는가를 검사하는 단계 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추거나 상기 연료 전지 차량이 충돌하였을 때, 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는 것으로 결정할 수 있다.
실시 예에 따른 연료 전지 차량 및 이 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법은 셀 스택의 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서 방전부 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때에도 방전 보조부를 이용하여 셀 스택의 잔류 전압을 방전시킬 수 있으므로, 셀 스택의 잔류 에너지 방전 기능을 보증하고 전기적 안정성을 확보하여 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 차량에 포함될 수 있는 연료 전지의 예시적인 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 차량에서 수행되는 실시 예에 의한 잔류 에너지 방전 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 연료 전지를 갖는 차량(이하, ‘연료 전지 차량’ 또는, ‘차량’이라 한다)을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 차량(300)의 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 의한 차량(300)은 셀 스택(cell stack)(310), 방전부(320), 방전 보조부(330) 및 주 제어부(370)를 포함할 수 있다. 또한, 차량(300)은 부하(360)를 더 포함할 수 있다. 또한, 차량(300)은 시동 검사부(380) 또는 충돌 검사부(350) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
먼저, 차량(300)에 포함될 수 있는 연료 전지의 일 례를 첨부된 도 2를 참조하여 다음과 같이 살펴보지만, 실시 예는 차량(300)에 포함되는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다.
연료 전지는 예를 들어 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 차량(300)에 포함될 수 있는 연료 전지의 예시적인 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 연료 전지는 제1 및 제2 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 집전판(112) 및 셀 스택(122)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 셀 스택(122)은 도 1에 도시된 셀 스택(310)의 실시 예에 해당할 수 있다.
셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수로서, 수십 내지 수백일 수 있다. N은 예를 들어, 100 내지 300, 바람직하게는 220일 수 있으나, 실시 예는 N의 특정한 수에 국한되지 않는다.
각 단위 셀(122-n)은 0.6 볼트 내지 1.0 볼트, 평균적으로 0.7볼트의 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 1≤n≤N이다. 따라서, 연료 전지로부터 출력되어 부하(360)로 공급하고자 하는 전압(이하, ‘스택 전압’이라 한다) 즉, 전력의 세기에 따라 N이 결정될 수 있다.
도 1에 도시된 부하(360)란, 차량(300)에서 스택 전압에 상응하는 전력을 요구하는 부분으로서, 배터리(예를 들어, 고전압 배터리), 인버터, 모터, 스택 전압을 승압하는 직류/직류 변환기, 전동식 조향 기기(MDPS: Motor Driven Power Steering), 라디에이터 팬, 헤드 라이트 등 차량의 구동에 필요한 부품 등을 의미할 수 있으며, 실시 예는 부하(360)의 특정한 종류에 국한되지 않는다.
또한, 스택 전압이란, 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2)으로부터 출력될 수 있다. 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2) 중 하나(OUT1)는 스택 전압의 고전위 레벨과 연결되고, 양 출력단(OUT1, OUT2) 중 다른 하나(OUT2)는 스택 전압의 저전위 레벨과 연결될 수 있다.
각 단위 셀(122-n)은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(210), 가스 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(222, 224), 개스킷(Gasket)(232, 234, 236) 및 분리판(또는, 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 또는 세퍼레이터(separator))(242, 244)을 포함할 수 있다.
막전극 접합체(210)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매 전극층이 부착된 구조를 갖는다. 구체적으로, 막전극 접합체(210)는 고분자 전해질막(또는, 프로톤(proton) 교환막)(212), 연료극(또는, 수소극 또는 산화 전극)(214) 및 공기극(또는, 산소극 또는 환원 전극)(216)을 포함할 수 있다. 또한, 막전극 접합체(210)는 서브 개스킷(238)을 더 포함할 수도 있다.
고분자 전해질막(210)은 연료극(214)과 공기극(216) 사이에 배치된다.
연료 전지에서 연료인 수소는 제1 분리판(242)을 통해 연료극(214)으로 공급되고, 산화제인 산소를 포함하는 공기는 제2 분리판(244)을 통해 공기극(216)으로 공급될 수 있다.
연료극(214)으로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 고분자 전해질막(212)을 통과하여 공기극(216)으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 가스 확산층(222, 224)과 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 통해 공기극(216)으로 전달될 수 있다. 전술한 동작을 위해, 연료극(214)과 공기극(216) 각각에는 촉매층이 도포될 수 있다. 이와 같이, 전자의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하여 전류가 생성된다. 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지는 전력을 발생함을 알 수 있다.
공기극(216)에서는 고분자 전해질막(210)을 통해 공급된 수소 이온과 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 통해 전달된 전자가 공기극(216)으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물(이하, ‘생성수’ 또는 ‘응축수’라 함)을 생성하는 반응을 일으킨다. 공기극(216)에서 생성된 생성수는 고분자 전해질막(212)을 투과하여 연료극(214)으로 전달될 수 있다.
경우에 따라, 연료극(214)을 양극(anode)이라 칭하고 공기극(216)을 음극(cathode)이라고 칭하거나 이와 반대로 연료극(214)을 음극이라 칭하고 공기극(216)을 양극이라고 칭할 수도 있다.
제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)은 반응 기체인 수소와 산소를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)은 막전극 접합체(210)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 제1 가스 확산층(222)은 제1 분리판(242)을 통해 공급되는 반응 기체인 수소를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다. 제2 가스 확산층(224)은 제2 분리판(244)을 통해 공급되는 반응 기체인 공기를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다.
개스킷(232, 234, 236)은 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하며, 제1 및 제2 분리판(242, 244)을 적층할 때 응력을 분산시키며, 유로를 독립적으로 밀폐시키는 역할을 수행한다. 이와 같이, 개스킷(232, 234, 236)에 의해 기밀/수밀이 유지됨으로써 전력을 생성하는 셀 스택(122)과 인접한 면의 평탄도가 관리되어, 셀 스택(122)의 반응면에 균일한 면압 분포가 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 분리판(242, 244)은 반응기체들 및 냉각매체를 이동시키는 역할과 복수의 단위 셀 각각을 다른 단위 셀과 분리시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 분리판(242, 244)은 막전극 접합체(210)와 가스 확산층(222, 224)을 구조적으로 지지하며, 발생한 전류를 수집하여 집전판(112)으로 전달하는 역할을 수행할 수도 있다.
제1 및 제2 분리판(242, 244)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 이격되어 제1 및 제2 가스 확산층(222, 224)의 외측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 분리판(242)은 제1 가스 확산층(222)의 좌측에 배치되고, 제2 분리판(244)은 제2 가스 확산층(224)의 우측에 배치될 수 있다.
제1 분리판(242)은 반응 기체인 수소를 제1 가스 확산층(222)을 통해 연료극(214)으로 공급하는 역할을 한다. 제2 분리판(244)은 반응 기체인 공기를 제2 가스 확산층(224)을 통해 공기극(216)으로 공급하는 역할을 한다. 그 밖에, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수도 있다.
한편, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양측단 각각에 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양측단 중 일측단에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양측단 중 타측단에 배치될 수 있다.
제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 금속 인서트가 플라스틱 사출물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속 인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다.
집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내측면(110AI, 110BI)과 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다. 집전판(112)은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 연료 전지가 사용되는 차량(300A)의 부하로 공급하는 역할을 한다.
이하, 셀 스택(310)의 잔류 에너지(예를 들어, 잔류 전압)를 방전시키는 방법을 수행하기 위한 차량(300)의 구성에 대해 다음과 같이 설명한다.
도 1을 참조하면, 방전부(320)는 주 제어부(370)로부터 출력되는 방전 제어 신호(DCS)에 응답하여, 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2)으로부터 출력되는 잔류 전압을 방전한다. 이하, 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2) 중에서 잔류 전압의 고전위 레벨과 연결된 출력단을 ‘제1 출력단’(OUT1)이라 칭하고, 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2) 중에서 잔류 전압의 저전위 레벨과 연결된 출력단을 ‘제2 출력단’(OUT2)이라 칭한다.
전술한 동작을 위해, 방전부(320)는 서브 제어부(322), 적어도 하나의 제1 스위칭 소자(또는, 제1 릴레이 소자) 및 방열 저항단(324)을 포함할 수 있다.
서브 제어부(322)는 주 제어부(370)로부터 출력되는 방전 제어 신호(DCS)에 응답하여 적어도 하나의 구동 신호를 생성하고, 생성된 적어도 하나의 구동 신호를 적어도 하나의 제1 스위칭 소자로 출력한다.
방열 저항단(324)은 적어도 하나의 저항을 포함한다. 적어도 하나의 저항의 일측은 제1 출력단(OUT1)과 연결될 수 있다.
적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 적어도 하나의 저항의 타측과 셀 스택(310)의 제2 출력단(OUT2) 사이에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 스위칭 소자는 적어도 하나의 구동 신호에 응답하여 스위칭할 수 있다.
실시 예에 의하면, 서브 제어부(322)로부터 출력되는 적어도 하나의 구동 신호는 제1 내지 제M 구동 신호를 포함할 수 있다. 여기서, M은 2 이상의 양의 정수일 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 저항은 서로 병렬 연결된 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM)을 포함하고, 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM) 각각(Rm)의 일측은 셀 스택(310)의 제1 출력단(OUT1)과 연결될 수 있다. 여기서, 1≤m≤M이다. 실시 예에 의하면, 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM) 각각(Rm)은 시스 히터, 세라믹 히터, 전기 저항 소자 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 저항체를 포함할 수 있으나, 실시 예는 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM) 각각(Rm)의 특정한 종류에 국한되지 않는다.
또한, 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)는 제1 내지 제M 구동 신호에 응답하여 각각 스위칭하고, 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM)의 타측과 제2 출력단(OUT2) 사이에 각각 연결될 수 있다. 즉, 제1-m 스위칭 소자(S1m)는 제m 구동 신호에 응답하여 스위칭하고, 제m 저항(Rm)의 타측과 제2 출력단(OUT2) 사이에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 반도체 스위치를 포함할 수 있으나, 실시 예는 제1 스위칭 소자의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 예를 들어, 반도체 스위치는 3단자를 갖는 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor), SCR(Silicon Controlled Rectifiers), GTO(Gate Turn Off Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1-m 스위칭 소자(S1m)가 IGBT로 구현될 경우, IGBT(S1m)의 게이트(gate) 단자(G)는 제m 구동 신호와 연결되고, IGBT(S1m)의 컬렉터(collector) 단자(C)는 제m 저항(Rm)의 타측과 연결되고, IGBT(S1m)의 이미터(emitter) 단자(E)는 제2 출력단(OUT2)과 연결될 수 있다.
실시 예에 의하면, 방전부(320)는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 포함할 수도 있다. 즉, 방전부(320)는 COD 히터의 역할을 수행할 수도 있다. 방전부(320)로서 COD 히터의 저항 발열체를 방전 저항으로 이용하여, 셀 스택(310)에 잔류하고 있는 전기 에너지를 방전시켜 소모함으로써, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 일정 수준 이하로 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 의한 차량(300)의 경우, 차량(300)의 충돌 후 60초 이내 DC 60V, AC 30V 미만으로 셀 스택(310)에 잔류하는 전기 에너지를 저감시킬 수 있다.
COD 히터는 연료 전지의 내구성을 증대시키기 위해, 셀 스택(310)의 스타트 업(S/U:Start Up) 및 셧 다운(S/D:Shutdown) 중 공기 채널에 존재하는 잔여 산소를 소모하기 위한 저항 발열체이다. COD 히터는 정상 운행 중인 차량(300)의 시동이 멈추었을 셀 스택(310)의 잔여 산소를 소모 즉, 잔류 전압을 방전시키는 역할과, 차량(300)의 충돌 시에 셀 스택(130)의 잔류 전압을 방전시키는 역할을 수행할 수 있다.
그 밖에, 방전부(320)의 역할을 수행하는 COD 히터는 관성에 의해 모터(미도시)에서 발생된 전기를 소모시켜, 고전압 배터리의 과충전을 방지하는 제동 저항(Breaking resister)으로서의 역할과, 발열체를 통해 냉각수를 가열하여 연료 전지에서 셀 스택(310)의 온도를 승온시켜 즉, 워밍업(Warm-up)하여 연료 전지의 출력 성능을 정상화시키고, 셀 스택(310)이 자체 반응열을 통해 승온할 수 있도록 부하(Load) 역할을 수행하는 등 부가적인 기능을 수행할 수도 있다.
한편, 방전 보조부(330)는 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 방전부(320)에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있는 우회 경로를 형성할 수 있다.
전술한 동작을 수행하기 위해, 실시 예에 의한 방전 보조부(330)는 제2 스위칭 소자(S2) 및 연결부(332)를 포함할 수 있다. 제2 스위칭 소자(S2)는 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때 턴 온될 수 있다. 예를 들어, 제2 스위칭 소자(S2)는 릴레이 소자(S2A)의 형태로 구현될 수 있으나, 실시 예는 제2 스위칭 소자(S2)의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 연결부(322)는 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온될 때 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM) 각각(Rm)의 타측을 셀 스택(310)의 제2 출력단(OUT2)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 연결부(322)는 일종의 배선일 수 있다.
실시 예에 의하면, 제2 스위칭 소자(S2)는 제1 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)에 응답하여 턴 오프되고, 제1 스위칭 제어 신호(SC1)가 발생되지 않을 때 또는 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)에 응답하여 턴 온될 수 있다. 이와 같이 제2 스위칭 소자(S2)는 일종의 노멀리(normally) 클로즈(close) 타입의 스위치일 수 있다.
전술한 차량(300)의 스위칭부(340)는 주 제어부(370)로부터 출력되는 제2 스위칭 제어 신호(SC2)에 응답하여, 스택 전압을 부하(360)로 제공할 수 있다. 주 제어부(370)는 잔류 전압을 방전시킬 필요성이 없을 때, 제2 스위칭 제어 신호(SC2)를 생성하여, 스택 전압이 부하(360)로 제공될 수 있도록 할 수 있다.
예를 들어, 스위칭부(340)는 2개의 제3-1 및 제3-2 스위칭 소자(또는, 제3-1 및 제3-2 릴레이 소자)(S31, S32)를 포함할 수 있다. 제3-1 스위칭 소자(S31)는 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2) 중 하나(OUT1)와 부하(360) 사이에 배치되고, 제2 스위칭 제어 신호(SC2) 중 하나인 제2-1 스위칭 제어 신호(S21)에 응답하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 제3-2 스위칭 소자(S32)는 셀 스택(310)의 양 출력단(OUT1, OUT2) 중 다른 하나(OUT2)와 부하(360) 사이에 배치되고, 제2 스위칭 제어 신호(SC2) 중 다른 하나인 제2-2 스위칭 제어 신호(S22)에 응답하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다.
주 제어부(370)는 방전 제어 신호(DCS)를 생성할 때 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 함께 생성하여, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시키도록 제어할 수 있다. 즉, 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서, 주 제어부(370)에서 방전 제어 신호(DCS)를 생성할 수 있다면, 잔류 전압을 방전부(320) 자체에서 방전시킬 수 있다. 주 제어부(370)는 외부로부터 동작 전압(예를 들어, “고” 레벨의 12볼트 전압)이 입력단자 IN을 통해 일정 시간 동안 인가될 때, 잔류 전압을 방전시킬 필요성이 있는가를 검사하고 검사된 결과에 따라, 방전 제어 신호(DCS), 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 또는 제2 스위칭 제어 신호(SC21, S22) 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
또한, 주 제어부(370)에서 생성된 제1 스위칭 제어 신호(SC1)에 응답하여 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 오프 또는 턴 온될 수 있다. 그러나, 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서, 주 제어부(370)에서 방전 제어 신호(DCS)를 생성할 수 없다면, 잔류 전압을 방전부(320) 자체에서 방전시킬 수 없으므로 방전 보조부(330)의 도움에 의해 잔류 전압을 방전시킬 수 있다. 이를 위해, 주 제어부(370)에서 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 생성할 수 없는 상황에서도, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 온될 수 있다.
주 제어부(370)는 시동 검사부(380) 및 충돌 검사부(350) 중 적어도 하나를 이용하여 잔류 전압을 방전시킬 필요성이 있는가를 검사할 수 있다.
시동 검사부(380)는 연료 전지 차량(300)의 시동이 멈추었는가(또는, 꺼졌는가)(shutdown)를 검사하고, 검사된 결과를 주 제어부(370)로 출력할 수 있다. 주 제어부(370)는 시동 검사부(380)에서 검사된 결과에 응답하여 방전 제어 신호(DCS), 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 또는 제2 스위칭 제어 신호(SC21, S22) 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
충돌 검사부(350)는 연료 전지 차량(300)이 충돌하였는가를 검사하고, 검사된 결과를 주 제어부(370)로 출력할 수 있다. 주 제어부(370)는 충돌 검사부(350)에서 검사된 결과에 응답하여 방전 제어 신호(DCS), 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 또는 제2 스위칭 제어 신호(SC21, S22) 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
이하, 전술한 구성을 갖는 차량(300)에서 셀 스택(310)의 잔류 에너지(또는, 잔류 전압)을 방전하는 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 3은 도 1에 도시된 차량(300)에서 수행되는 실시 예에 의한 잔류 에너지 방전 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
실시 예에 의한 차량(300)은 도 3에 도시된 방법과 다른 잔류 에너지 방전 방법을 수행할 수 있고, 실시 예에 의한 잔류 에너지 방전 방법은 도 1에 도시된 구성과 다른 구성을 갖는 차량(300)에서 수행될 수도 있다.
먼저, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사한다(제510 및 제512 단계).
예를 들어, 차량(300)에서 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사하는 단계는 차량(300)의 시동이 멈추었는가를 검사하는 단계(제510 단계) 또는 차량(300)이 충돌하였는가를 검사하는 단계(제512 단계) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 차량(300)의 시동이 멈추었는가를 검사한다(제510 단계). 만일, 차량(300)의 시동이 멈추지 않았다고 판단되면, 차량(300)이 충돌하였는가를 검사한다(제512 단계).
다른 실시 예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 달리, 차량(300)이 충돌하였는가를 먼저 검사한다(제512 단계). 만일, 차량(300)이 충돌하지 않았다고 판단되면, 차량(300)의 시동이 멈추었는가를 검사한다(제510 단계).
제510 단계는 시동 검사부(380)에서 수행되고, 제512 단계는 충돌 검사부(350)에서 수행될 수 있다.
시동 검사부(380) 및 충돌 검사부(350)에서 검사된 결과를 통해 차량(300)의 시동이 멈추거나 차량(300)이 충돌하지 않았다고 판단되면, 주 제어부(370)는 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전할 필요가 없다고 결정한다. 이때, 주 제어부(370)는 방전 제어 신호(DCS) 및 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 이용하여 방전부(320)가 잔류 전압을 방전하지 않고 방전 보조부(330)가 방전부(320)의 방전을 보조하지 않도록 제어할 수 있다. 또한, 주 제어부(370)는 제2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)를 이용하여 스택 전압이 부하(360)로 제공될 수 있도록 제어한다(제520 단계).
예를 들어, 차량(300)의 시동이 멈추지도 않고 차량(300)이 충돌하지도 않았다고 판단되면, 주 제어부(370)는 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전할 필요가 없다고 결정하여, 제1 레벨의 방전 제어 신호(DCS), 제1 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 및 제1 레벨의 제2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)를 생성하여 출력할 수 있다. 특히, 주 제어부(370)가 방전 제어 신호(DCS), 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 및 제2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)를 생성하기 위해서는 입력단자 IN을 통해 동작 전압 예를 들면 12볼트의 전압이 주 제어부(370)로 일정 시간 동안 인가될 필요가 있다.
서브 제어부(322)는 제1 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 주 제어부(370)에서 생성되어 인가될 경우, 구동 신호를 생성하지 않는다. 따라서, 제1-1 내지 제1-M 제1 스위칭 소자(S11 내지 S1M)는 턴 오프되므로, 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM)으로 인가된 셀 스택(310)의 출력이 방전되는 경로가 형성되지 않아, 방전부(320)에서 방전 동작이 일어나지 않는다.
제2 스위칭 소자(S2)는 제1 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)가 주 제어부(370)로부터 인가될 경우 턴 오프될 수 있다.
또한, 스위칭부(340)의 제3-1 및 제3-2 스위칭 소자(S31, S32)는 제1 레벨의 제2-1 및 제2-2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)에 각각 응답하여 턴 온될 수 있다. 따라서, 셀 스택(310)에서 생성된 스택 전압이 부하(360)로 제공될 수 있다.
또는, 방전부(320)가 COD 히터로 구현될 경우, 제520 단계가 수행되는 동안 COD 히터는 전술한 부가적인 기능 즉, 냉각수를 가열하는 동작을 수행할 수도 있다. 이 경우, 주 제어부(370)의 제어 하에, 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 오프되고, 스위칭부(340)의 제3-1 및 제3-2 스위칭 소자(S31, S32)는 턴 오프 또는 턴 온될 수 있고, 서브 제어부(322)는 주 제어부(370)의 제어 하에, 제1 내지 제M 구동 신호를 생성하여 제1-1 내지 제1-M 제1 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로 각각 제공할 수 있다.
한편, 시동 검사부(380) 또는 충돌 검사부(350)에서 검사된 결과 중 적어도 하나를 통해 차량(300)의 시동이 멈추거나 차량(300)이 충돌하였다고 판단되면, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있는가를 검사한다(제530 단계).
차량(300)의 충돌 시 엔진 룸이 변형되는 등 다양한 사유로 인해 주 제어부(370)가 손상되거나, 차량(300)에서 주 제어부(370)로 동작 전압을 제공하는 동작 전압 제공부(미도시)(예를 들어, 12볼트 전원 공급부)이 손상되거나, 차량(300)에서 동작 전압 제공부로부터 주 제어부(370)로 동작 전압이 제공되는 배선이 손상되거나, 주 제어부(370)로부터 방전부(320)로 방전 제어 신호(DCS)가 제공되는 배선(L)이 손상되는 등 다양한 사유로 인해 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전할 수 없는 상황이 있을 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 제530 단계는 주 제어부(370)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전할 필요가 있다고 결정할 때, 주 제어부(370)는 외부로부터 입력단자 IN을 통해 동작 전압이 일정 시간 동안 인가될 경우에 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있다고 결정하여 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)를 생성할 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 제530 단계는 서브 제어부(322) 및 방전 보조부(330)에서도 수행될 수도 있다. 예를 들어, 주 제어부(370)에서 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 생성되지만, 차량(300)의 충돌 등의 사유로 인해, 방전 제어 신호(DCS)가 방전부(320)로 제공되는 배선(L)이 끊어질 수 있다. 그 밖에 전술한 여러 가지 사유로 인해, 주 제어부(370)로부터 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)를 받지 못할 경우, 서브 제어부(322)는 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)를 턴 온시킬 수 있는 제1 내지 제M 구동 신호를 생성할 수 없다. 즉, 제1 내지 제M 구동 신호가 생성되지 않아 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)가 턴 오프될 때, 방전부(320)에서 잔류 전압을 방전시키기 위한 경로가 형성되지 않아, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없게 된다.
만일, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있다면, 방전부(320) 자체에서 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전한다(제540 단계). 즉, 제540 단계는 방전부(320) 자체에서 수행될 수 있다.
예를 들어, 차량(300)의 시동이 멈추거나 차량(300)이 충돌하였다고 판단되면, 주 제어부(370)는 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전할 필요가 있다고 결정하여, 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS), 제1 또는 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 및 제2 레벨의 제2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)를 생성하여 출력할 수 있다. 전술한 바와 같이, 주 제어부(370)가 방전 제어 신호(DCS), 제1 스위칭 제어 신호(SC1) 및 제2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)를 생성하기 위해 입력단자 IN을 통해 동작 전압 예를 들면 12볼트의 전압이 주 제어부(370)로 일정 시간 동안 인가되어야 한다.
서브 제어부(322)는 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 주 제어부(370)로부터 인가될 경우, 제1 내지 제M 구동 신호를 생성하여 제1-1 내지 제1-M 제1 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로 각각 출력한다. 따라서, 제1 내지 제M 구동 신호에 응답하여 제1-1 내지 제1-M 제1 스위칭 소자(S11 내지 S1M) 각각은 턴 온되고, 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM)으로 인가된 셀 스택(310)의 잔류 전압이 방전되는 경로가 형성됨으로써, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압이 방전될 때, 경로(I1A 내지 IMA)를 따라 방전 전류가 흐를 수 있다.
제2 스위칭 소자(S2)는 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)가 주 제어부(370)로부터 인가될 경우, 턴 온될 수 있다. 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 생성될 때, 주 제어부(370)는 제1 레벨 또는 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 생성할 수 있다. 만일, 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 생성될 때, 주 제어부(370)가 제1 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 생성한다면, 잔류 전압은 방전부(320) 자체에서만 방전된다. 그러나, 제2 레벨의 방전 제어 신호(DCS)가 생성될 때, 주 제어부(370)가 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)를 생성한다면, 잔류 전압은 방전부(320) 뿐만 아니라 방전 보조부(330)의 연결부(332)에 의해 형성된 우회 경로를 통해서도 방전될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 방전 보조부(332)의 우회 경로(332)에서 잔류 전압이 방전될 때, 경로(I1B 내지 IMB)를 따라 방전 전류가 흐를 수 있다.
또한, 스위칭부(340)의 제3-1 및 제3-2 스위칭 소자(S31, S32)는 제2 레벨의 제2-1 및 제2-2 스위칭 제어 신호(SC2:SC21, SC22)에 각각 응답하여 턴 오프될 수 있다. 따라서, 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있을 때, 셀 스택(310)에서 생성된 스택 전압이 부하(360)로 제공될 수 없다.
그러나, 방전부(320) 자체에서 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 방전부(320)에서 잔류 전압을 방전시킬 수 있는 우회 경로를 형성하여 잔류 전압을 방전한다(제550 단계). 제550 단계는 방전부(320)의 제1 내지 제M 저항(R1 내지 RM)과 방전 보조부(330)에서 수행될 수 있다.
결국, 전술한 실시 예에 의한 차량(300)은 다음과 같은 다양한 잇점을 가질 수 있다.
만일, 방전부(320)의 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로서 기계식 접점을 가지는 기계식 스위치를 이용할 경우, 잦은 접점 개폐 동작으로 인해 차량 내구 연한 동안 작동 내구성을 확보할 수 없다. 예를 들어, 기계식 스위치의 기계적 내구 수명은 대략 수십 만회 수준이다.
그러나, 실시 예에 의하면, 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로서 기계식 접점이 없는 반영구적인 반도체식 스위치 예를 들어, IGBT를 이용하므로, 차량 내구 연한에도 불구하고 방전부(320)의 반영구적인 작동 내구성을 확보할 수 있다. 게다가, 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로서 IGBT 같은 반도체식 스위치를 이용할 경우, 고속 스위칭이 가능하여 잔류 전압의 방전량을 능동적으로 임의로 가변 제어할 수도 있다. 예를 들어, IGBT가 턴 온/턴 오프되는 듀티(Duty)비를 제어하여 방전량을 조절할 수 있다.
만일, 방전부(320)에서 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로서 IGBT를 사용하고 방전 보조부(330)가 존재하지 않을 경우, 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)를 구동시키는 구동 신호가 서브 제어부(322)로부터 생성되지 않을 경우, 잔류 전압을 방전시킬 수 없게 된다.
예를 들어, 차량(300)의 충돌 시 주 제어부(370)가 손상되거나, 차량(300)에서 주 제어부(370)로 동작 전압을 제공하는 동작 전압 제공부(미도시)(예를 들어, 보조 배터리)가 손상되거나, 동작 전압 제공부로부터 주 제어부(370)로 동작 전압(예를 들어, 12볼트)이 제공되는 배선이 손상되거나, 주 제어부(370)로부터 방전부(320)로 방전 제어 신호(DCS)가 제공되는 배선(L)이 손상되거나, 주 제어부(370)로부터 제2 스위칭 소자(SC2)로 제1 스위칭 제어 신호(SC1)가 제공되는 배선이 손상되는 등 다양한 사유로 인해 서브 제어부(322)로부터 구동 신호가 생성되지 않을 수 있다. 이와 같이, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서 방전부(320)에서 잔류 전압을 방전시키지 못할 경우, 이차적인 감전 사고나 전기 화재 등이 발생할 수 있다.
그러나, 실시 예에 의한 차량(300)의 경우, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서 방전부(320)에서 자체적으로 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 또는, 제1 또는 제2 레벨의 제1 스위칭 제어 신호(SC1)가 주 제어부(370)로부터 제공되지 않을 때, 제2 스위치 소자(S2)가 턴 온된다. 따라서, 턴 온된 제2 스위칭 소자(S2)에 의해 방전 보조부(330)의 연결부(332)가 우회 경로로서 형성되고, 우회 경로(I1B 내지 IMB)를 따라 방전 전류가 흐르도록 하여, 잔류 전압이 방전될 수 있다.
결국, 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전시켜야 되는 상황에서 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자(S11 내지 S1M)로 구동 신호가 인가될 수 없을 때, 실시 예에 의한 차량(300)은 방전 보조부(330)를 이용하여 셀 스택(310)의 잔류 전압을 방전시켜, 셀 스택(310)에 잔류하는 전기 에너지를 소모시켜 일정 수준 이하로 저감하여, 전기적 안정성을 확보해 줄 수 있다. 이로 인해, 실시 예에 의한 차량(300)은 셀 스택(310)의 잔류 에너지 방전 기능을 보증할 수 있어, 높은 신뢰성을 갖는다.
전술한 다양한 실시 예들은 본 발명의 목적을 벗어나지 않고, 서로 상반되지 않은 한 서로 조합될 수도 있다. 또한, 전술한 다양한 실시 예들 중에서 어느 실시 예의 구성 요소가 상세히 설명되지 않은 경우 다른 실시 예의 동일한 참조부호를 갖는 구성 요소에 대한 설명이 준용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 차량

Claims (15)

  1. 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택;
    방전 제어 신호에 응답하여, 상기 셀 스택의 양 출력단으로부터 출력되는 잔류 전압을 방전하는 방전부;
    상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 상기 방전부에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있는 우회 경로를 형성하는 방전 보조부; 및
    상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있을 때, 상기 방전 제어 신호를 생성하는 주 제어부를 포함하는 연료 전지 차량.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 방전부는
    상기 방전 제어 신호에 응답하여 적어도 하나의 구동 신호를 생성하는 서브 제어부;
    일측이 상기 셀 스택의 상기 양 출력단 중 상기 잔류 전압의 고전위 레벨과 연결된 제1 출력단과 연결되는 적어도 하나의 저항을 포함하는 방열 저항단; 및
    상기 적어도 하나의 저항의 타측과 상기 셀 스택의 상기 양 출력단 중 상기 잔류 전압의 저전위 레벨과 연결된 제2 출력단 사이에 연결되며, 상기 적어도 하나의 구동 신호에 응답하여 스위칭하는 적어도 하나의 제1 스위칭 소자를 포함하는 연료 전지 차량.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 구동 신호는 제1 내지 제M 구동 신호(여기서, M은 2 이상의 양의 정수)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 저항은 서로 병렬 연결되며, 각각이 상기 제1 출력단과 연결되는 일측을 갖는 제1 내지 제M 저항을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 상기 제1 내지 제M 구동 신호에 응답하여 각각 스위칭하고, 상기 제1 내지 제M 저항의 타측과 상기 제2 출력단 사이에 각각 연결되는 제1-1 내지 제1-M 스위칭 소자를 포함하는 연료 전지 차량.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제1 내지 제M 저항 각각은
    시스 히터, 세라믹 히터, 전기 저항 소자 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 저항체를 포함하는 연료 전지 차량.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 스위칭 소자는 반도체 스위치를 포함하는 연료 전지 차량.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 반도체 스위치는
    IGBT, SCR(Silicon Controlled Rectifiers), GTO(Gate Turn Off Thyristors), BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)을 포함하는 연료 전지 차량.
  7. 제2 항에 있어서, 상기 방전부는 COD 히터를 포함하는 연료 전지 차량.
  8. 제2 항에 있어서, 상기 방전 보조부는
    상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 턴 온되는 제2 스위칭 소자; 및
    상기 제2 스위칭 소자가 턴 온될 때 상기 적어도 하나의 저항의 상기 타측을 상기 셀 스택의 상기 제2 출력단에 연결하는 연결부를 포함하는 연료 전지 차량.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자는 제1 스위칭 제어 신호에 응답하여 턴 오프되고, 상기 제1 스위칭 제어 신호가 발생되지 않을 때 턴 온되는 노말리 클로즈 타입이고,
    상기 주 제어부는 상기 방전 제어 신호가 발생될 때 상기 제1 스위칭 제어 신호를 생성하는 연료 전지 차량.
  10. 제9 항에 있어서,
    제2 스위칭 제어 신호에 응답하여, 상기 셀 스택의 상기 양 출력단으로부터 출력되는 스택 전압을 부하로 제공하는 스위칭부를 더 포함하고,
    상기 주 제어부는 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는가를 검사한 결과에 응답하여 상기 제2 스위칭 제어 신호를 생성하는 연료 전지 차량.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 주 제어부는
    동작 전압이 인가될 때, 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는가를 검사한 결과에 따라, 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성하는 연료 전지 차량.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추었는가를 검사하는 시동 검사부를 더 포함하고,
    상기 주 제어부는 상기 시동 검사부에서 검사된 결과에 응답하여 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성하는 연료 전지 차량.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 연료 전지 차량이 충돌하였는가를 검사하는 충돌 검사부를 더 포함하고,
    상기 주 제어부는 상기 충돌 검사부에서 검사된 결과에 응답하여 상기 방전 제어 신호, 상기 제1 스위칭 제어 신호 또는 상기 제2 스위칭 제어 신호 중 적어도 하나를 생성하는 연료 전지 차량.
  14. 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지 및 상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전하는 방전부를 포함하는 연료 전지 차량에서 수행되는 잔류 에너지 방전 방법에 있어서,
    상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사하는 단계;
    상기 셀 스택의 잔류 전압을 방전할 필요가 있을 때, 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있는가를 검사하는 단계;
    상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 있을 때, 상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시키는 단계; 및
    상기 방전부 자체에서 상기 잔류 전압을 방전시킬 수 없을 때, 상기 방전부에서 상기 잔류 전압을 우회 경로를 통해 방전시키는 단계를 포함하는 연료 전지 차량의 잔류 에너지 방전 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 잔류 전압을 방전할 필요가 있는가를 검사하는 단계는
    상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추었는가를 검사하는 단계; 또는
    상기 연료 전지 차량이 충돌하였는가를 검사하는 단계 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 연료 전지 차량의 시동이 멈추거나 상기 연료 전지 차량이 충돌하였을 때, 상기 잔류 전압을 방전시킬 필요가 있는 것으로 결정하는 연료 전지 차량의 잔류 에너지 방전 방법.
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