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技術 冷却システムおよびその運転方法

出願人 現代自動車株式会社
発明者 ハン、ス-ドンキム、ヒョン-コク
出願日 2016年6月6日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2016-112838
公開日 2017年1月26日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2017-022090
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体) 車両の電気的な推進・制動 機械または機関の冷却一般
主要キーワード 加圧キャップ 機能媒体 空洞現象 流動騒音 特定部品 進入条件 オフ条件 線形移動
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

冷却システムを提供する。

解決手段

冷却システムは、燃料電池スタックを通過する冷却水ライン冷却水循環させるポンプと、車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックの発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第2しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことができる。

概要

背景

車両は、インバータモータエンジンなどの駆動過程発熱する電装部品または燃料電池スタックの温度を駆動に適した温度に維持するために冷却システムを備える。冷却システムは、外部の空気を発熱体側に流入させて発熱体を冷却する空冷式と、冷却水循環させて発熱体を冷却させる水冷式区分される。通常、空冷式は、水冷式に比べて冷却性能が相対的に低く、車両には水冷式冷却システムが主に適用される。

車両で冷却システムを運転するとき、冷却水の温度と圧力は、冷却水の流れを制御するポンプバルブ類などの駆動品の作動状態と発熱体の発熱量に応じて随時変化する。一方、冷却水の圧力や温度が変化して特定部品作動範囲外れる場合、当該部品耐久性が低下して寿命が短縮し、流動騒音を誘発するなど、様々な問題をもたらすことがある。例えば、発熱体の発熱量が急激に低下して圧力が急低下する状態で、ポンプなどの回転体高速に回転する場合、空洞現象(Cavitation)によって冷却水中気泡が分離され、このような気泡の高速衝突によって部品の損傷が生じることがある。

したがって、冷却システムの寿命と品質を改善するためには、冷却水の運転圧力が適切に調節されるように冷却システムを設計する必要がある。

概要

冷却システムを提供する。冷却システムは、燃料電池スタックを通過する冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプと、車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックの発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第2しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことができる。

目的

本発明の実施形態により解決しようとする課題は、冷却水の運転圧力を効果的に制御することによって、寿命特性および騒音発生が改善された冷却システムおよびその運転方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

燃料電池スタックを通過する冷却水ライン冷却水循環させるポンプと、車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックの発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第2しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことを特徴とする燃料電池車両用冷却システム

請求項2

前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水の温度を検出する温度センサをさらに含み、前記制御器は、前記燃料電池スタックの発熱量および前記温度に基づいて、前記燃料電池スタックの発熱量および外気温度に応じて前記ポンプの回転速度を制御するフィードフォワード(feedforward)制御を行うか否かを決定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項3

前記制御器は、前記燃料電池スタックの発熱量が第3しきい値以上で、且つ、前記温度が第4しきい値以上であれば、前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項4

前記制御器は、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第3しきい値より小さいか、前記温度が前記第4しきい値より低ければ、前記フィードフォワード制御をオフすることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項5

前記制御器は、前記フィードフォワード制御がオフされると、現在の回転速度を所定時間維持するように前記ポンプを制御することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項6

前記制御器は、前記所定時間が経過すると、前記ポンプの回転速度を所定値下降制御することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項7

前記冷却水ラインの前記冷却水の運転圧力加圧したり減圧する加圧手段をさらに含み、前記制御器は、前記フィードフォワード制御がオフされると、前記冷却水の運転圧力を加圧する方向に前記加圧手段を駆動させることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池車両用冷却システム。

請求項8

燃料電池スタックの発熱量および前記燃料電池スタックを通過する冷却水ラインの冷却水の温度を取得する段階と、前記発熱量および前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの進入条件満足すると、前記冷却水ラインに前記冷却水を循環させるポンプの回転速度を前記発熱量および外気温度に応じて制御するフィードフォワード制御を行う段階と、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量または前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、前記フィードフォワード制御をオフする段階と、前記発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が第2しきい値以上であれば、車両の駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記冷却水ラインに配置される加熱手段を駆動させる段階と、前記発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる段階とを含むことを特徴とする燃料電池車両用冷却システムの運転方法

請求項9

前記フィードフォワード制御を行う段階は、前記発熱量が第3しきい値以上で、且つ、前記冷却水の温度が第4しきい値以上であれば、前記フィードフォワード制御を行う段階であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。

請求項10

前記フィードフォワード制御をオフする段階は、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量が前記第3しきい値より小さいか、前記冷却水の温度が前記第4しきい値より低ければ、前記フィードフォワード制御をオフする段階であることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。

請求項11

前記フィードフォワード制御がオフされた後、所定時間前記ポンプの現在の回転速度を維持し、前記所定時間が経過すると、前記ポンプの回転速度を所定値に下降制御する段階をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池車両用冷却システムの運転方法。

請求項12

請求項8〜11のいずれか1項に記載の方法を実行させるために記録媒体に保存されたプログラム

技術分野

0001

本発明は、冷却システムおよびその運転方法に関し、車両の燃料電池スタックを冷却するための冷却システムおよびその運転方法に関する。

背景技術

0002

車両は、インバータモータエンジンなどの駆動過程発熱する電装部品または燃料電池スタックの温度を駆動に適した温度に維持するために冷却システムを備える。冷却システムは、外部の空気を発熱体側に流入させて発熱体を冷却する空冷式と、冷却水循環させて発熱体を冷却させる水冷式区分される。通常、空冷式は、水冷式に比べて冷却性能が相対的に低く、車両には水冷式冷却システムが主に適用される。

0003

車両で冷却システムを運転するとき、冷却水の温度と圧力は、冷却水の流れを制御するポンプバルブ類などの駆動品の作動状態と発熱体の発熱量に応じて随時変化する。一方、冷却水の圧力や温度が変化して特定部品作動範囲外れる場合、当該部品耐久性が低下して寿命が短縮し、流動騒音を誘発するなど、様々な問題をもたらすことがある。例えば、発熱体の発熱量が急激に低下して圧力が急低下する状態で、ポンプなどの回転体高速に回転する場合、空洞現象(Cavitation)によって冷却水中気泡が分離され、このような気泡の高速衝突によって部品の損傷が生じることがある。

0004

したがって、冷却システムの寿命と品質を改善するためには、冷却水の運転圧力が適切に調節されるように冷却システムを設計する必要がある。

発明が解決しようとする課題

0005

本発明の実施形態により解決しようとする課題は、冷却水の運転圧力を効果的に制御することによって、寿命特性および騒音発生が改善された冷却システムおよびその運転方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0006

上記の課題を解決するための、本発明の一実施形態に係る冷却システムは、燃料電池スタックを通過する冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプと、車両の駆動モータから駆動電源を受け、前記冷却水ライン上に配置され、前記冷却水を加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックの発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が第2しきい値以上であれば、前記駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記加熱手段を駆動させ、前記燃料電池スタックの発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記ポンプの回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる制御器とを含むことができる。

0007

また、本発明の一実施形態に係る冷却システムの運転方法は、燃料電池スタックの発熱量および前記燃料電池スタックを通過する冷却水ラインの冷却水の温度を取得する段階と、前記発熱量および前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの進入条件満足すると、前記冷却水ラインに冷却水を循環させるポンプの回転速度を前記発熱量および外気温度に応じて制御するフィードフォワード制御を行う段階と、前記フィードフォワード制御を行っている間に、前記発熱量または前記冷却水の温度が予め設定されたフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、前記フィードフォワード制御をオフする段階と、前記発熱量が第1しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が第2しきい値以上であれば、車両の駆動モータの発電で発生する余剰電力で前記冷却水ラインに配置される加熱手段を駆動させる段階と、前記発熱量が前記第1しきい値より小さく、且つ、前記回転速度が前記第2しきい値より小さければ、前記加熱手段をオフさせる段階とを含むことができる。

発明の効果

0008

本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックの発熱量が急減することによって、冷却水の運転圧力が低下して発生する空洞現象を防止することが可能である。

図面の簡単な説明

0009

本発明の実施形態に係る冷却システムの概略的な構造図である。
図1加圧手段の概略的な断面図である。
本発明の第1実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。
本発明の第1実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。
本発明の第2実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。
本発明の第2実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。
本発明の第3実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。

実施例

0010

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。

0011

本発明の実施形態を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

0012

明細書全体において、ある部分が他の部分に「連結」されているとするとき、これは、「直接的に連結」されている場合のみならず、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

0013

以下、必要な図面を参照して、本発明の実施形態に係る冷却システムおよびその運転方法について説明する。

0014

図1は、本発明の実施形態に係る冷却システムの概略的な構造図である。また、図2は、図1の加圧手段の概略的な断面図である。

0015

図1を参照すれば、本発明の実施形態に係る冷却システムは、ポンプ(pump)11と、ラジエータ(radiator)12と、三方バルブ(3−way valve)13と、温度センサ14−1と、圧力センサ14−2と、冷却水タンク(reservoir tank)15と、加圧手段16と、加熱手段(heater)17と、制御器18などを含むことができる。一方、図1に示された構成要素は必須ではなく、本発明の実施形態に係る冷却システムは、それよりも多いか、少ない構成要素を含むように実現されてもよい。

0016

ポンプ11は、冷却水をポンピングして冷却水ラインに循環させる。ポンプ11は、燃料電池スタック20側に冷却水を供給する第1冷却水ラインL1上に位置する。第1冷却水ラインL1に流入した冷却水は、ポンプ11によってポンピングされて燃料電池スタック20側に供給される。

0017

燃料電池スタック20は、複数の燃料電池が連続的に配列された電気発生集合体である。燃料電池スタック20は、各燃料電池燃料酸化剤が供給されることによって、燃料と酸化剤との電気化学的な反応により電気エネルギーを発生させる。燃料電池スタック20は、電気エネルギーを発生させる過程で熱を共に発生させ、これを冷却させられるように冷却水が流通可能な構造に設けられる。

0018

第1冷却水ラインL1を通して燃料電池スタック20に供給された冷却水は、燃料電池スタック20を通過しながら燃料電池スタック20で発生した熱を吸収することによって、燃料電池スタック20を冷却する。

0019

燃料電池スタック20を通過しながら熱を吸収した冷却水は、第2冷却水ラインL2に排出される。第2冷却水ラインL2には第3および第4冷却水ラインL3、L4が連結される。つまり、第2冷却水ラインL2は、第3冷却水ラインL3と第4冷却水ラインL4とに分岐する。

0020

第3冷却水ラインL3は、燃料電池スタック20を通過した冷却水をバイパスさせる冷却水ラインである。第3冷却水ラインL3に流入した冷却水は、ラジエータ12を通過せず、三方バルブ13にバイパスされる。

0021

第4冷却水ラインL4は、燃料電池スタック20を通過した冷却水をラジエータ12に供給するための冷却水ラインである。

0022

ラジエータ12は、第4冷却水ラインL4上に位置し、冷却水を空気の流れによって冷却する機能を果たす。第4冷却水ラインL4に流入した冷却水は、ラジエータ12によって冷却された後、三方バルブ13に流入する。

0023

三方バルブ13は、冷却水の温度に応じて制御器18により開閉され、冷却水がラジエータ12側に選択的に流入できるように冷却水の流れを制御する。

0024

冷却水が所定温度以上に加熱された場合、三方バルブ13は、第1冷却水ラインL1と第4冷却水ラインL4とを連結する。これにより、燃料電池スタック20を通過して第2冷却水ラインL2に排出された冷却水は、第4冷却水ラインL4に流れる。第4冷却水ラインL4に流入した冷却水は、第4冷却水ラインL4に位置するラジエータ12によって冷却された後、三方バルブ13によって第1冷却水ラインL1に再循環される。

0025

反面、冷却水の温度が所定温度より低い場合、三方バルブ13は、第1冷却水ラインL1と第3冷却水ラインL3とを連結する。これにより、燃料電池スタック20を通過して第2冷却水ラインL2に排出された冷却水は、第3冷却水ラインL3に流れる。第3冷却水ラインL3に流入した冷却水は、第3冷却水ラインL3によってラジエータ12をバイパスした後、三方バルブ13によって第1冷却水ラインL1に再循環される。

0026

温度センサ14−1は、冷却水ライン上に位置し、冷却水ラインを通過する冷却水の温度を検出する。

0027

圧力センサ14−2は、冷却水ライン上に位置し、冷却水ラインを通過する冷却水の運転圧力を検出する。

0028

一方、図1では、温度センサ14−1および圧力センサ14−2が第2冷却水ラインL2に配置され、燃料電池スタック20を通過して第2冷却水ラインL2に排出される冷却水の温度および運転圧力を測定する場合を例に挙げて示した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されず、温度センサ14−1または圧力センサ14−2の設置位置は変更が可能である。例えば、温度センサ14−1および圧力センサ14−2は、第1冷却水ラインL1に配置され、第1冷却水ラインL1を通して燃料電池スタック20に供給される冷却水の温度および運転圧力を検出することもできる。

0029

冷却水タンク15は、冷却水を貯蔵し、ラジエータ12に冷却水を補充する機能を果たす。冷却水タンク15からラジエータ12に供給される冷却水は、第4冷却水ラインL4に流入する。

0030

冷却水タンク15から冷却水が流入するラジエータ12の上端には加圧手段16が結合される。

0031

加圧手段16は、冷却水ラインの冷却水の運転圧力を加圧したり減圧させるために用いられる。

0032

図2を参照すれば、本発明の一実施形態に係る加圧手段16は、加圧キャップ形態で、シリンダ21と、加圧プレート22と、加圧スプリング23と、駆動部(actuator)24などを含むことができる。

0033

シリンダ21は、中空状の密閉型シリンダであって、内部に加圧プレート22および加圧スプリング23を備える。

0034

加圧プレート22は、シリンダ21の内側で往復線形移動可能に設けられ、加圧スプリング23によって支持される。加圧プレート22は、シリンダ21の内部のガス圧縮または膨張させる役割を果たす。

0035

加圧スプリング23は、加圧プレート22を支持し、加圧プレート22とシリンダ21との間に配置される。

0036

駆動部24は、ハウジング25に固定され、電磁式バルブ形態で設けられる。駆動部24は、制御器(図1図面符号18参照)から入力される制御信号に応じて加圧プレート22のシリンダ21内の位置を能動的に調節する。つまり、制御器18の制御信号に応じて加圧プレート22を前進または後進(図中の下にまたは上に)移動させる。

0037

加圧プレート22は、駆動部24によって駆動され、シリンダ21の内部に圧力を加えたり圧力を減らすことによって、結果的に冷却水ラインの圧力を調節する役割を果たす。

0038

つまり、駆動部24が加圧プレート22を引いて図上の上に動くときは、冷却水ラインの圧力が減少し、加圧プレート22を押して加圧するときには、加圧スプリング23の力に至るまで冷却水ラインの圧力を増加させることになる。

0039

駆動部24が加圧プレート22を完全に引いて、冷却水タンク15に連結される管路と、ラジエータ12に連結される管路とが連通するときには、冷却水ラインの圧力は外気圧と等しくなる。

0040

加圧スプリング23は、加圧プレート22を支持し、加圧プレート22とハウジング25との間に配置される。

0041

さらに図1をみると、加熱手段17は、冷却水ラインに沿って流れる冷却水を加熱する。加熱手段17は、駆動モータ30に連結され、駆動モータ30から駆動電源を受ける。駆動モータ30は、車両の動力を発生させる手段であって、制動時などには発電機として動作して電気エネルギーを生成したりする。一方、図1では、加熱手段17がポンプ11と燃料電池スタック20との間に位置することによって、第1冷却水ラインL1に沿って流れる冷却水を加熱する場合を例に挙げて示したが、本発明の実施形態はこれに限定されず、加熱手段17の冷却水ライン上の位置は変更が可能である。

0042

制御器18は、冷却システムの全般的な運転を制御する。

0043

制御器18は、燃料電池スタック20のスタック電流に基づいて燃料電池スタック20の発熱量を取得することができる。また、制御器18は、冷却水ラインに設けられた温度センサ14−1および圧力センサ14−2により冷却水ラインの冷却水の温度および冷却水の運転圧力を取得することができる。

0044

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量およびポンプ11の回転速度(RPM)に基づいて加熱手段17の発熱を制御することもできる。

0045

制御器18は、冷却水ラインの冷却水の運転圧力に応じて加圧手段16の加圧/減圧を制御することもできる。

0046

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量および冷却水の温度に基づいてポンプ11の制御モードを選択し、制御モードに応じて互いに異なる制御アルゴリズムを用いてポンプ11の回転速度(RPM)を制御することができる。例えば、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量および冷却水の温度に基づいてフィードフォワード(Feed Forward)制御モードおよびマップMAP)制御モードのうちのいずれか1つを、ポンプ11の回転速度(RPM)を制御するための制御モードとして選択することができる。フィードフォワード制御モードは、燃料電池スタック20の発熱量および外気温度に基づいてポンプ11の回転速度(RPM)を制御する制御モードであり、マップ制御モードは、冷却水の温度ごとに対応するポンプ11の回転速度(RPM)をマッピングさせた回転速度マップに基づいてポンプ11の回転速度(RPM)を制御する制御モードである。

0047

冷却システムは、車両の加速による燃料電池スタック20の高出力区間では、冷却システムのポンプ11をフィードフォワード制御モードで制御し、加速ペダルに対する運転者の操作がなくて車両が惰力走行を始めると、フィードフォワード制御モードを解除する。車両の惰力走行時、燃料電池スタック20は、補機類の駆動に必要な最小限のスタック電流を出力し、これによって、燃料電池スタック20の発熱量も急激に減少する。このように、燃料電池スタック20の発熱量が急激に減少する場合、冷却水の膨張を発生させる熱源が無くなることによって、冷却水の運転圧力が急低下する。燃料電池スタック20の発熱量の急減によって冷却水の運転圧力が急低下する場合、ポンプ11の前段の負圧を発生させてポンプ11の前段の空洞現象を発生させることがある。空洞現象が発生した状態で、ポンプ11などの回転体が高速に回転する場合、空洞現象によって冷却水中の気泡が分離され、このような気泡の高速衝突によって部品の損傷が生じることがある。また、空洞現象によって燃料電池スタック20の沸点下降し、ポンプ11などの回転体の流動騒音が発生するなど、多様な問題を発生させることがある。

0048

本発明の実施形態は、かかる問題を解決するためのものであって、車両が加速後に惰力走行を行う場合のように、燃料電池スタック20の発熱量が急激に減少する状況で、ポンプ11の前段の負圧と燃料電池スタック20の前段の正圧緩和させて空洞現象を防止することによって、かかる問題を解決する。

0049

以下、必要な図面を参照して、本発明の実施形態に係る冷却システムの運転方法について詳細に説明する。

0050

図3は、本発明の第1実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートであり、図4は、本発明の第1実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。

0051

図3を参照すれば、制御器18は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック20の制御モードを選択するために、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を取得する(S100)。

0052

燃料電池スタック20の発熱量は、燃料電池スタック20の出力電流に対応する。したがって、前記S100段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の出力電流ごとに対応する発熱量をマッピングして保存する発熱量マップから、現在の燃料電池スタック20の出力電流に対応する発熱量を取得することができる。

0053

前記S100段階で、冷却水の温度は、温度センサ14−1により取得される。

0054

制御器18は、前記S100段階により燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度が取得されると、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する(S110)。

0055

前記S110段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。

0056

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量および外気温度に基づいてポンプ11の回転速度を制御するフィードフォワード制御を行う(S120)。

0057

フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する(S130)。

0058

前記S130段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。

0059

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ(OFF)する(S140)。そして、ポンプ11の回転速度が所定値に下降するようにポンプ11の駆動を制御し、加圧手段16によって冷却水の運転圧力が上昇するように加圧手段16の駆動部(図2の図面符号24参照)を制御する(S150)。

0060

制御器18は、前記S150段階によりポンプ11の回転速度が所定値に低下すると、マップ制御モードに入る。制御器18は、マップ制御モードに入ることによって、冷却水の温度に応じてポンプ11の回転速度を制御するマップ制御を行う(S160)。

0061

前記S160段階で、制御器18は、冷却水の温度ごとに対応するポンプ11の回転速度をマッピングさせた回転速度マップに基づいてポンプ11の回転速度をマップ制御する。つまり、制御器18は、現在の冷却水の温度に対応する回転速度を回転速度マップから検出し、検出された回転速度を目標にポンプ11の回転速度を制御する。

0062

前記S160段階で、回転速度マップは、車両の燃費を考慮してポンプ11の回転速度が不必要に高くならないように設定される。つまり、回転速度マップにおいて、各冷却水の温度に対応する回転速度は、フィードフォワード制御モードにおけるポンプ11の回転速度に比べて相対的に小さく設定される。一方、冷却システムは、マップ制御モードとして動作中には、ラジエータ12に空気を循環させるファン(図示せず)と三方バルブ13の冷却性能が極大化されるようにラジエータ12のファンと三方バルブ13を制御することができる。これは、マップ制御時、ポンプ11の回転速度が相対的に低くて冷却性能が低下する現象補完し、フィードフォワード制御モードの再進入に備えるためである。

0063

以下、図4を参照して、上述した本発明の第1実施形態に係る冷却システムの運転方法を車両の惰力走行区間に適用する場合について例を挙げて説明する。

0064

図4を参照すれば、第1区間は、車両が加速を持続して燃料電池スタック20のスタック電流が所定値以上に高く維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御を行う区間である。図4に示されていないが、車両が加速を持続する場合、燃料電池スタック20の持続的な発熱によって燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度はフィードフォワード制御モードの進入条件を満足する。

0065

第2区間は、運転者が加速ペダルから足を離して車両が惰力走行することによって、燃料電池スタック20のスタック電流が補機類の駆動に必要な最小限に維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御をオフする区間である。運転者が加速ペダルから足を離した状態は、加速ペダル位置センサ(Acceleration Position Sensor、APS)により取得される加速ペダルの操作状態から検出される。車両は、燃料電池スタック20の高出力区間(第1区間)が持続された状態で、加速ペダル位置センサにより運転者が加速ペダルから足を離した状態が検出されると、惰力駆動が進行すると判断して、燃料電池スタック20の出力電流を最小限に低下させる。

0066

図4に示されているように、時間t1で車両が惰力走行を始めることによって、燃料電池スタック20はスタック電流が急激に低下し、これによって、燃料電池スタック20の発熱量も急激に低下する。これにより、燃料電池スタック20の発熱量がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足してフィードフォワード制御が解除される。

0067

冷却システムは、車両の惰力走行が始まってフィードフォワード制御が解除されることによって、ポンプ11の回転速度が所定値R1に低下するようにポンプ11の駆動を制御する。以降、冷却システムは、ポンプ11の回転速度が所定値R1に低下すると(時間t2)、現在の冷却水の温度に対応する回転速度を回転速度マップから取得し、これに基づいてポンプ11の回転速度を制御するマップ制御を行う。

0068

上述のように、本発明の第1実施形態では、ポンプ11の回転速度に対するフィードフォワード制御がオフされる時点でポンプ11の回転速度を所定値以下に下降させることによって、燃料電池スタック20の急激な出力低下による空洞現象を防止することができる。つまり、フィードフォワード制御のオフ時にポンプ11の回転速度を急激に下降させる場合、燃料電池スタック20の入口側圧力であるポンプ11の正圧は下降し、ポンプ11の前段圧力である負圧は上昇して、燃料電池スタック20の入口側の正圧とポンプ11の前段の負圧が緩和され、これによって、冷却水の運転圧力の低下による空洞現象が防止される。

0069

本発明の第1実施形態では、フィードフォワードモードが解除されると、加圧手段16の圧力が上昇制御されるように加圧手段16を駆動することによって、加圧手段16によって上昇した冷却水の運転圧力を用いてポンプ11の前段の圧力を正圧側に上昇させることによって、ポンプ11の前段の負圧を緩和させることもできる。

0070

図5は、本発明の第2実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートであり、図6は、本発明の第2実施形態に係る冷却システムの運転方法を惰力走行区間に適用する場合を例に挙げて説明するための図である。

0071

図5を参照すれば、制御器18は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック20の制御モードを選択するために、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を取得する(S200)。

0072

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する(S210)。

0073

前記S210段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。

0074

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量および外気温度に基づいてポンプ11の回転速度(RPM)を制御するフィードフォワード制御を行う(S220)。

0075

フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する(S230)。

0076

前記S230段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。

0077

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ(OFF)する(S240)。また、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量およびポンプ11の回転速度が加熱手段17の駆動条件を満足するかを判断し(S250)、加熱手段17の駆動条件を満足する場合、加熱手段17を駆動させて冷却水を加熱する(S260)。

0078

前記S250段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量より小さく、且つ、ポンプ11の回転速度が予め設定されたしきい速度以上であれば、加熱手段17の駆動条件を満足すると判断する。

0079

以降、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量とポンプ11の回転速度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック20の発熱量とポンプ11の回転速度が加熱手段17のオフ条件を満足するかを確認する(S270)。

0080

前記S270段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量より小さく、且つ、ポンプ11の回転速度も予め設定されたしきい速度より小さければ、加熱手段17のオフ条件を満足すると判断する。

0081

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量とポンプ11の回転速度が加熱手段17のオフ条件を満足する場合、加熱手段17をオフして冷却水の加熱を中断させる(S280)。

0082

以下、図6を参照して、上述した本発明の第2実施形態に係る冷却システムの運転方法を車両の惰力走行区間に適用する場合について例を挙げて説明する。

0083

図6を参照すれば、第1区間は、車両が加速を持続して燃料電池スタック20のスタック電流が所定値以上に高く維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御を行う区間である。第2区間は、運転者が加速ペダルから足を離して車両が惰力走行することによって、燃料電池スタック20のスタック電流が補機類の駆動に必要な最小限に維持される区間で、冷却システムがフィードフォワード制御をオフする区間である。

0084

図6に示されているように、時間t1で車両が惰力走行を始めることによって、燃料電池スタック20はスタック電流が急激に低下して、燃料電池スタック20の発熱量も急激に低下する。一方、フィードフォワード制御がオフされても、ポンプ11の回転速度は、所定時間以上最高値である現在の回転速度を時間t3まで維持した後に下降制御される。

0085

このように、車両が惰力走行を始めると、フィードフォワード制御がオフされて燃料電池スタック20のスタック電流が低下した状態で、一定時間ポンプ11の回転速度が最高値を維持するので、加熱手段17の駆動条件を満足して加熱手段17が駆動を始める。ポンプ11の回転速度が一定時間最高値を維持してから下降制御されると、加熱手段17は、駆動をオフして冷却水の加熱を中断する。

0086

一方、車両が惰力走行する場合、加熱手段17は、駆動モータ30の発電で発生する余剰電力を用いて駆動される。

0087

車両が惰力走行を始める場合、燃料電池スタック20の発熱量は急激に減少する。これによって、冷却水ライン内の熱源が無くなって冷却水の膨張が行われず、空洞現象が発生する。したがって、本発明の第2実施形態では、運転者の足が加速ペダルから離れて車両が惰力走行を始める場合、駆動モータ30の発電で発生する余剰電力を用いて加熱手段17を駆動させることによって、燃料電池スタック20の発熱量の減少によるポンプ11の前段の負圧を緩和させて空洞現象を防止することができる。

0088

図7は、本発明の第3実施形態に係る冷却システムの運転方法を示すフローチャートである。

0089

図7を参照すれば、制御器18は、車両が走行中の状態で、燃料電池スタック20の制御モードを選択するために、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を取得する(S300)。

0090

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足するかを判断する(S310)。

0091

前記S310段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量以上で、且つ、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度以上であれば、フィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると判断する。

0092

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの進入条件を満足すると、フィードフォワード制御モードに入る。そして、フィードフォワード制御モードに入ることによって、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量および外気温度に基づいてポンプ11の回転速度(RPM)を制御するフィードフォワード制御を行う(S320)。

0093

フィードフォワード制御モードに入った状態で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量と冷却水の温度を持続的にモニタリングして、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足するかを確認する(S330)。

0094

前記S330段階で、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量が予め設定されたしきい量より小さいか、冷却水の温度が予め設定されたしきい温度より低くなると、フィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると判断する。

0095

制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量または冷却水の温度がフィードフォワード制御モードの解除条件を満足すると、フィードフォワード制御をオフ(OFF)する(S340)。また、制御器18は、燃料電池スタック20の発熱量の減少によって冷却水の運転圧力が低下するのを防止するために、加圧手段16が加圧方向に動作して冷却水の運転圧力を上昇させるように加圧手段16の駆動部24を制御する(S350)。

0096

以降、制御器18は、車両が運転者の加速ペダル操作によって加速するなどによって燃料電池スタック20の出力電流が上昇する場合(S360)、加圧手段16を前記S350段階の前の状態に原状復帰させる。そして、冷却水の運転圧力に連動して加圧手段16の加圧プレート22の位置が制御されるように、冷却水の運転圧力に基づいて加圧手段16の駆動部24を制御する(S370)。

0097

車両が惰力走行を始める場合、燃料電池スタック20の発熱量は急激に減少する。これによって、冷却水ライン内の熱源が無くなって冷却水の膨張が行われず、空洞現象が発生する。したがって、本発明の第3実施形態では、運転者の足が加速ペダルから離れて車両が惰力走行を始める場合、加圧手段16を加圧方向に駆動させて冷却水の運転圧力を上昇させることによって、燃料電池スタック20の発熱量の減少によるポンプ11の前段の負圧を緩和させて空洞現象を防止することができる。

0098

本発明の実施形態に係る冷却システムの運転方法は、ソフトウェアにより実行される。ソフトウェアで実行されるとき、本発明の構成手段は、必要な作業を実行するコードセグメントである。プログラムまたはコードセグメントは、プロセッサ読取機能媒体に保存されたり、伝送媒体または通信網で搬送波と結合されたコンピュータデータ信号によって伝送される。

0099

コンピュータ読取可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み込まれるデータが保存される全種類の記録装置を含む。コンピュータ読取可能な記録装置の例としては、ROM、RAM、CD−ROM、DVD−ROM、DVD−RAM、磁気テープフロッピーディスクハードディスク光データ記憶装置などがある。また、コンピュータ読取可能な記録媒体は、ネットワークでつながったコンピュータ装置に分散して分散方式でコンピュータ読取可能なコードが保存されて実行される。

0100

これまで参照した図面と記載された発明の詳細な説明は単に本発明の例示的なものであって、これは、単に本発明を説明するための目的で使用されたものであり、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。そのため、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから容易に選択して代替できる。また、当業者は、本明細書で説明された構成要素の一部を性能の劣化なく省略したり性能を改善するために構成要素を追加することができる。それだけでなく、当業者は、工程環境や装備により本明細書で説明した方法段階順序を変更することもできる。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態ではなく、特許請求の範囲およびその均等物によって決定されなければならない。

0101

11:ポンプ
12:ラジエータ
13:三方バルブ
14−1:温度センサ
14−2:圧力センサ
15:冷却水タンク
16:加圧手段
17:加熱手段
18:制御器
21:シリンダ
22:加圧プレート
23:加圧スプリング
24:駆動部

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