KR101134647B1 - 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 수소탱크로부터 스택에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 레귤레이터, 상기 레귤레이터의 개폐량을 조절하도록 작동되는 작동부, 상기 레귤레이터로부터 스택에 공급되는 수소의 압력을 감지하는 제 1압력감지수단, 상기 스택으로부터 레귤레이터로 재순환되는 수소의 압력을 감지하는 제 2압력감지수단 및 차량의 필요부하 및 상기 제 1 및 제 2압력감지수단으로부터 감지된 압력에 기초하여 상기 작동부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 작동부는 상기 제어부의 제어에 따라 구동되는 모터와 상기 모터 구동에 의해 승강 동작하는 작동축을 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 전기적인 신호에 의해 구동되는 모터를 구동시켜 수소 압력을 조절하는 전기 구동식 레귤레이터를 제어하여 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어할 수 있다.
상기와 같은 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 이용하는 것에 의해, 본 발명은 전기적인 신호에 의해 구동되는 모터를 구동시켜 수소 압력을 조절하는 전기 구동식 레귤레이터를 제어하여 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 수소연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어하고 압력을 추종하는 전기 구동식 압력제어 레귤레이터를 제어하는 수소연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 수소연료전지 차량은 시동 신호와 동시에 수소 화학 반응을 통한 자동차 동력원을 발생하여 주행을 가능하게 되는 원리이다.
도 1은 수소연료전지 차량의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 수소연료전지 차량은 수소탱크(501)에서 고압레귤레이터(502)와 저압레귤레이터(503)를 경유하여 스택(600)으로 수소연료가 공급된다.
수소블로워(HB)는 저압레귤레이터(503)에 연결된 펌프(P) 및 각종 밸브(V)를 포함하는 구성이다.
그 외 미설명 부호 '504'는 급속해빙 물탱크, '505'는 전동물펌프, '506'는 써모스탯, '507'는 스택 냉각용 라디에이터, '508'는 에어컨 컨덴서, '509'는 전동식 냉매압축기, '510'는 물탱크, '511'는 가습기, '512'는 구동모터, '513'는 각종 제어기, '514'는 공기블로워, '515'는 공기필터이다.
수소 연료전지 차량의 연료공급계통은 차량의 앞쪽에 위치하며 일반 가솔린 및 디젤 차량의 엔진에 해당하는 것으로 연료전지 차량의 상부에 위치한다.
현재, 국내에서는 다이어프램을 이용한 기계식 저압 레귤레이터에 대한 기술 개발이 진행되고 있지만, 시스템의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어하고, 압력을 추종할 수 있는 전기 구동식 압력제어 레귤레이터에 대한 기술 개발은 아직 기술적 검토 단계에 있어 완성차 업체의 개발 요구에 의해 많은 기술 개발이 필요한 실정이다.
특히, 종래의 전기 구동식 압력제어 레귤레이터는 차량의 주행상태에 따라 스택에 공급되는 수소의 유량을 조절하도록 제어유닛으로부터 특정한 목표 압력을 설정하여 제어하더라도, 외압에 의해서 오차가 발생하여 수소의 유량을 정확하게 제어하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전기적인 신호로 구동되는 모터에 의해 수소 압력을 조절하는 전기 구동식 레귤레이터를 제어하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어하는 전기 구동식 압력제어 레귤레이터를 제어하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외압이 발생하더라도 스택에 공급되는 수소 유량을 정확하게 제어할 수 있는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 수소탱크로부터 스택에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 레귤레이터, 상기 레귤레이터의 개폐량을 조절하도록 작동되는 작동부, 상기 레귤레이터로부터 스택에 공급되는 수소의 압력을 감지하는 제 1압력감지수단, 상기 스택으로부터 레귤레이터로 재순환되는 수소의 압력을 감지하는 제 2압력감지수단 및 차량의 필요부하 및 상기 제 1 및 제 2압력감지수단으로부터 감지된 압력에 기초하여 상기 작동부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 작동부는 상기 제어부의 제어에 따라 구동되는 모터와 상기 모터 구동에 의해 승강 동작하는 작동축을 포함한다.
상기 레귤레이터는 수소탱크로부터 공급되는 수소를 저유량으로 스택에 공급하는 저유량 이젝터, 고유량의 수소를 스택에 공급하는 고유량 이젝트, 상기 작동축의 승강 동작에 따라 승강 동작하고, 저유량 이젝터를 개폐하는 제 1디스크가 구비되는 제 1샤프트 및 상기 제 1샤프트가 일정 높이 이하로 승강 동작함에 따라 상기 고유량 이젝터를 개폐하는 제 2디스크가 구비된 제 2샤프트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 차량의 메인 제어부와 CAN 통신을 수행하는 CAN 송수신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 CAN 통신을 통해 상기 메인 제어부로부터 입력되는 목표 압력에 기초하여 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터는 3상 BLDC 모터이며, 상기 BLDC 모터의 회전자에 대응되는 면에 일정 간격으로 설치되어 상기 회전자의 회전각을 감지하는 회전감지부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터의 회전자는 12극으로 구비되고, 고정자는 9극으로 구비되며, 상기 회전감지부는 30˚간격으로 설치되는 3개의 홀센서로 구비되고, 상기 제어부는 6스텝 120˚ 도통 여자 방식에 의해 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 전기적인 신호에 의해 모터를 구동시켜 전기 구동식 레귤레이터를 제어하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법에 있어서, (a) 초기 구동시 모터를 초기위치로 이동시키는 초기화를 수행하는 단계, (b) 상기 (a)단계가 정상적으로 완료되면, CAN 통신을 통해 메인 제어부로부터 목표 압력을 수신하여 모터를 구동하는 단계, (c) 스택에 공급되는 현재 압력을 감지하는 단계, (d) 감지된 현재 압력과 목표 압력을 비교하는 단계, (e) 상기 비교 결과, 상기 감지된 현재 압력과 목표 압력의 압력차에 비례하여 목표 스텝을 증가시키거나 감소시켜 설정되는 스텝값에 따라 모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계는 (a1) 현재 위치를 기준 위치로 설정하고, 목표 위치를 모터가 최대 회전 가능한 스텝으로 설정하는 단계, (a2) 상기 최대 회전 가능한 스텝만큼 상기 모터를 정회전 구동하는 단계 및 (a3) 상기 정회전 구동된 위치를 현재 위치로 설정하여 상기 최대 회전 가능한 스텝만큼 상기 모터를 역회전 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계는 (a4) 상기 정회전 및 역회전 구동을 수행한 후 감지된 현재 스텝이 설정된 스텝과 다른 경우, 구동시간이 최대 구동시간 이내인가를 검사하는 단계, (a5) 상기 정회전 및 역회전 구동시 스택에 공급되는 수소 압력을 감지하고, 감지된 압력이 정상압력 범위 이내인가를 검사하는 단계 및 상기 (a4) 및 (a5)단계의 검사결과, 적어도 어느 하나 이상을 초과하는 경우, 초기화 에러를 통지하는 명령을 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (e)단계는 목표 압력과 현재 압력과의 차에 비례하여 압력 조절 범위를 조절하는 비례 제어 방식을 이용해 압력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
(f) 상기 (e)단계에서 설정된 목표 압력에 따른 스텝 명령에 따라 모터의 스텝을 설정하여 모터를 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (f)단계는 (f1) 상기 설정된 목표 스텝에 따라 실제 모터가 구동되는 현재 스텝과 상기 목표 스텝을 비교하는 단계, (f2) 상기 비교결과, 상기 현재 스텝이 목표 스텝보다 큰 경우, 상기 현재 스텝에 1을 더한 설정 스텝에 따라 모터를 정회전 구동하는 단계 및 (f3) 상기 비교결과, 상기 현재 스텝이 목표 스텝보다 작은 경우, 상기 현재 스텝에서 1을 뺀 설정 스텝에 따라 모터를 역회전 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (f2)단계는 (f21) 홀센서를 이용하여 상기 모터의 정회전 구동을 수행한 후의 스텝을 검사하는 단계, (f22) 상기 검사결과, 상기 설정 스텝과 상기 검사된 스텝이 동일한가를 비교하는 단계 및 (f23) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 동일하면, 다시 상기 설정 스텝에 1을 더해 현재 스텝으로 설정한 후, 상기 (f1)단계 내지 (f3)단계를 반복 수행하는 단계 및 (f24) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 서로 다르면, 상기 (f)단계로 진행하여 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (f3)단계는 (f31) 홀센서를 이용하여 상기 모터의 역회전 구동을 수행한 후의 현재 스텝을 검사하는 단계, (f32) 상기 검사결과, 상기 설정 스텝과 상기 검사된 스텝이 동일한가를 비교하는 단계, (f33) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 동일하면, 다시 상기 설정 스텝에서 1을 배 현재 스텝으로 설정한 후, 상기 (f1)단계 내지 (f3)단계를 반복 수행하는 단계 및 (f34) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 서로 다르면, 상기 (f)단계로 진행하여 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전기적인 신호에 의해 구동되는 모터를 구동시켜 수소 압력을 조절하는 전기 구동식 레귤레이터를 제어하여 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어할 수 있다.
그리고 본 발명은 초기 구동시 초기화 과정을 통해 수행하여 모터의 위치를 기억하는 별도의 기억수단을 구비할 필요없이 모터의 현재 위치를 신속하게 초기위치로 초기화할 수 있다.
특히 본 발명은 초기 구동시 초기화 과정에서 모터의 동작 오류 및 연결관이나 수소공급시스템의 기구적인 이상을 검출함으로써, 시스템을 구성하는 각 장치들의 이상을 신속하게 검출하여 시스템이 정상적인 상태로 동작할 수 있게 한다.
또한 본 발명은 목표 압력과 압력과의 차에 비례하여 압력 조절 범위를 조절하는 비례 제어방식에 따른 압력 제어방법을 사용하여 압력이 증가 되는데 걸리는 시간이 모터 스텝의 증가 시간보다 늦어짐에 따른 시간차로 인해 발생되는 리플을 제거할 수 있다.
또한 본 발명은 모터의 실제 스텝과 목표 스텝을 비교한 결과에 따라 모터를 한 스텝씩 정회전 또는 역회전 구동하여 외압이 발생하더라도 스택에 공급되는 수소 압력을 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 수소 연료전지 차량의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치의 구성을 나타낸 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 모터와 홀센서의 예시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
도 5는 도 4에 도시된 초기화 과정을 설명하는 흐름도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치의 구성을 나타낸 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 모터와 홀센서의 예시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
도 5는 도 4에 도시된 초기화 과정을 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치의 구성을 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 모터와 홀센서의 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치(10)는 수소탱크(1)로부터 스택(2)에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 레귤레이터(20), 레귤레이터(20)의 개폐량을 조절하도록 작동되는 작동부(30), 스택(2)에 공급되는 수소 압력과 스택(2)으로부터 재순환되는 수소 압력을 감지하는 압력감지수단(40) 및 차량의 필요부하 및 상기 압력감지수단(40)의 감지압력에 따라 상기 작동부(30)의 구동을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
레귤레이터(20)는 수소탱크(1)로부터 수소를 공급받는 공급유로(21)와 저유량의 수소를 스택(2)에 공급하는 저유량 이젝터(22), 고유량의 수소를 스택(2)에 공급하는 고유량 이젝터(23), 작동부(30)의 승강 동작에 따라 승강 동작하고, 하단에 저유량 이젝터(22)를 개폐하는 제 1디스크(241)가 구비되는 제 1샤프트(24), 제 1샤프트(24)가 일정 높이 이하로 승강 동작함에 따라 고유량 이젝터(23)를 개폐하는 제 2디스크(251)가 구비된 제 2샤프트(25)를 포함한다.
압력감지수단(40)은 스택(2)에 공급되는 수소 압력을 감지하는 제 1압력센서(41)와 스택(2)으로부터 재순환되는 수소 압력을 감지하는 제 2압력센서(42)를 포함한다.
즉, 제 1압력센서(41)는 스택(2) 입구의 온도를 감지하는 제 1온도센서(43)와 함께 저유량 이젝터(22)와 스택(2) 사이에 설치된다.
그리고 제 2압력센서(42)는 스택(2) 출구의 온도를 감지하는 제 2온도센서(44)와 함께 스택(2)과 레귤레이터(20) 사이에 설치된다.
작동부(30)는 제어부(50)의 제어신호에 의해 구동되는 모터(31) 및 모터(31)의 회전운동에 의해 승강 동작하는 작동축(32)을 구비한다.
모터(31)는 3상 브러시리스 직류모터(BlushLess Direct Current Motor)로 구비된다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 모터(31)의 고정자(311)는 9극으로 구비되고, 회전자(312)는 12극으로 구비된다.
이와 같이 구성되는 모터(31)는 최대 60스텝(step) 동안 회전 가능하고, 한 스텝당 약 10˚만큼 회전한다.
그리고 모터(31)에는 회전자(312)의 위치를 검출하기 위해 고가의 엔코더(encorder) 대신에 약 30˚간격으로 설치되는 세 개의 홀센서(46)가 설치된다. 홀센서(46)는 회전자(312)의 회전시 자기장에 변화에 따라 회전자(312)의 회전각을 감지한다.
다시 도 2에서, 작동축(32)은 모터(30)의 한 스텝당 약 0.1mm씩 승강 동작하여 하단에 연결된 레귤레이터(20)의 제 1샤프트(24)를 승강 동작하게 한다.
이에 따라, 제 1샤프트(24)는 작동부(32)의 하강 동작에 의해 하강 동작하여 저유량 이젝터(22)를 개방하고, 작동축(32)이 상승 동작하면 제 1디스크(241)의 하면에 설치되는 제 1스프링(26)의 복원력을 제공받아 상승 동작하여 저유량 이젝터(22)를 폐쇄한다.
마찬가지로, 제 2샤프트(26)는 제 1샤프트(24)가 일정 높이 이하로 하강하면서 제 1샤프트(24)에 의해 제 2샤프트(25)가 하방으로 눌리면서 하강 동작하여 고유량 이젝터(23)를 개방하고, 제 1샤프트(24) 및 제 2샤프트(25)가 상승 동작하면 제 2디스크(251)의 하면에 설치되는 제 2스프링(27)의 복원력을 제공받아 상승 동작하여 고유량 이젝터(23)를 폐쇄한다.
작동축(32)에는 작동축(32)의 승강 위치를 감지하여 제어부(50)로 전달하는 위치센서(45)가 설치될 수도 있다.
제어부(50)는 미도시된 CAN 송수신기를 통해 차량의 ECU(Electronic Control Unit), MCU(Motor Control Unit), TCU(Transmission Control Unit)와 같은 메인 제어부(100)와 CAN 통신을 수행한다.
즉, 제어부(50)는 메인 제어부(100)로부터 제어부(50)를 초기화하는 레셋 명령, 차량의 필요부하에 따라 스텝으로 모터(31)를 제어하는 수동 모드인 스텝 모드 또는 스택(2)의 압력 상태에 따라 이용해 모터(31)를 제어하는 자동 모드인 압력 모드를 설정하는 모드설정 명령, 스텝 모드 설정시 목표 스텝을 입력받는 스텝 명령 및 압력 모드시 목표 압력을 입력받는 압력 명령을 수신한다.
그리고 제어부(50)는 CAN 통신을 통해 메인 제어부(100)로 스텝제어 에러, 압력제어 에러, 모터 과전류 에러, 제어부(50)의 초기화 에러, 한계 온도 초과 에러, 압력센서 에러 및 온도센서 에러와 같은 이상 발생을 통지하는 신호를 송신한다.
결국, 제어부(50)는 제 1 및 제 2압력센서(41,42)로부터 감지된 수소 압력과 메인 제어부(100)로부터 수신된 명령에 따라 작동부(30)의 모터(31) 구동을 제어한다.
특히, 제어부(50)는 메인 제어부(100)로부터 전달된 스텝 명령에 의한 목표 스텝과 현재 스텝을 비교하여 그 결과에 따라 모터(31)를 구동하는 스텝값을 순차적으로 증가시키거나 감소시켜 모터(31)를 제어하고자 하는 정확한 스텝으로 제어한다.
이를 위해, 제어부(50)는 비교, 판단 연산을 담당하는 논리연산장치(ALU), 명령어의 해석과 실행을 담당하는 제어유닛(Control Unit) 및 프로그램이나 명령을 기억하는 메모리로 이루어진다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법을 도 4 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이고, 도 5는 도 4에 도시된 초기화 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법은 미도시된 이그니션 키가 조작되면 메인 구동부(100) 및 제어부(50)는 배터리로부터 전원을 인가받아 CAN 통신을 시작한다. 이때, 제어부(50)는 메인 제어부(100)로부터 초기화 명령을 전달받아 작동부(30)의 모터(31)를 초기위치로 이동시키는 초기화 과정을 수행한다(S10).
이러한 초기화 과정을 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 메인 제어부(100)로부터 초기화 명령을 수신하면(S30), 제어부(50)는 모터(31) 및 작동축(32)의 위치를 미저장하고 있는 상태이므로, 현재 위치를 '0'으로 설정하고, 목표위치를 최대 회전 가능한 스텝인 '60'으로 설정하며, 에러코드를 정상상태를 나타내는 '0'으로 설정한다(S31).
그리고 제어부(50)는 정회전 방향으로 최대 회전 가능한 스텝인 60스텝 만큼 모터(31)를 구동하도록 제어한 후(S32), 홀센서(46)의 감지신호를 이용해 모터(31)의 현재 위치가 60인가를 검사한다(S33).
검사결과, 현재 위치가 60이 아닌 경우, 제어부는 상기 모터의 구동시간이 최대 모터 구동시간으로 설정되는 200ms 이내인가를 검사한다(S34).
만약, 구동시간이 200ms 이내인 경우, 제어부는 모터가 최대 회전 가능한 스텝인 60까지 회전한 것을 판단하여 현재 위치를 '60'으로 설정한다(S35).
반면, 구동시간이 200ms를 초과하는 경우, 제어부(50)는 모터(31) 동작 오류로 인한 이상 발생으로 판단하여 에러코드를 이상 상태를 나타내는 '1'로 설정한 후(S36), CAN 통신을 통해 초기화 에러 발생을 통지하는 신호를 메인 제어부(100)로 전송하고, 제 S42단계로 진행하여 초기화 과정을 종료한다.
제 S33단계의 검사결과 현재 위치가 60이거나, 제 S34단계의 검사결과 구동시간이 200ms 이내여서 현재 위치를 60으로 설정한 경우, 제어부(50)는 목표위치를 0으로 설정한다(S37).
이어서, 제어부(50)는 모터(31)를 60스텝 만큼 역회전 구동시키도록 제어한 후(S38), 홀센서(46)의 감지신호를 이용해 현재 위치가 0인가를 검사한다(S39).
검사결과, 현재 위치가 0이 아닌 경우, 제어부(50)는 모터(31)의 구동시간이 200ms 이내인가를 검사한다.
검사결과, 200ms를 초과하는 경우, 제어부(50)는 모터(31) 동작 오류로 인한 이상 발생으로 판단하여 현재위치를 0으로 설정하고, 에러코드를 1로 설정한 후(S41), CAN 통신을 통해 초기화 에러 발생을 통지하는 신호를 메인 제어부(100)로 전송하고, 제 S42단계로 진행하여 초기화 과정을 종료한다.
반면, 제 S39단계에서 현재 위치가 0인 경우, 제어부(50)는 정상적으로 초기화 과정을 진행한 것으로 판단하여 에러코드를 0으로 유지한 상태에서 초기화 과정을 종료한다(S42).
이에 따라, 본 발명은 모터의 위치를 기억하는 별도의 기억수단을 구비할 필요없이 모터의 현재 위치를 신속하게 초기위치로 초기화할 수 있다.
그리고 본 발명은 제 S34단계 및 S40단계에서 구동시간이 최대 구동시간 이내인가를 검사하여 모터의 동작 오류를 검출함과 동시에, 스택에 공급되는 압력이 미리 설정되는 정상압력 범위인가를 검사할 수도 있다.
즉, 본 발명은 모터의 구동에 의해 수소가 스택에 공급되면서 변화되는 압력이 미리 설정된 정상압력 범위에 미달하는 경우, 수소가 공급되는 연결관이나 수소 공급시스템의 기구적인 이상을 검출할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 초기 구동시 모터의 동작 오류 및 연결관이나 수소공급시스템의 기구적인 이상을 검출함으로써, 시스템을 구성하는 각 장치들의 이상을 신속하게 검출하여 시스템이 정상적인 상태로 동작할 수 있게 한다.
다시 도 4에서, 제 S10단계의 초기화 과정이 정상적으로 수행된 경우, 제어부(50)는 CAN 통신을 통해 수동모드인 스텝 모드 설정 명령이 입력되는가를 검사한다(S11).
제 S11단계에서 스텝 모드 설정 명령이 미입력된 경우, 제어부(50)는 CAN 통신을 통해 목표 압력을 설정하는 압력 명령을 수신하고, 설정된 목표 압력에 따라 모터(31)를 구동하도록 제어한다(S17).
이어서, 제어부(50)는 제 1 및 제 2압력센서(41,42)를 이용해 스택에 공급되는 수소 압력 및 재순환되는 수소 압력을 감지하고(S13), 감지된 현재 압력과 목표 압력을 비교한다(S14).
비교결과, 현재 압력이 목표압력보다 작은 경우, 제어부(50)는 비례 제어 방식에 따라 현재 압력과 목표 압력의 압력차에 비례해서 목표 스텝을 점차로 증가시키고(S15), 증가된 목표 스텝을 이용한 스텝 명령을 발생한다.
반면, 비교결과, 현재 압력이 목표압력보다 큰 경우, 제어부(50)는 비례 제어 방식에 따라 현재 압력과 목표 압력의 압력차에 비례해서 목표 스텝을 점차로 감소시키고(S16), 감소된 목표 스텝을 이용한 스텝 명령을 발생한다.
즉, 압력제어에 있어서, 현재 압력과 목표 압력의 압력차를 보상하기 위해 모터 스텝을 증가시켜 압력을 증가시키는 경우, 압력이 증가 되는데 걸리는 시간이 모터 스텝의 증가 시간보다 늦어짐에 따라 시간차가 발생하여 리플이 크게 발생한다.
따라서 본 발명은 목표 압력과 압력과의 차에 비례하여 압력 조절 범위를 조절하는 비례 제어방식에 따른 압력 제어방법을 사용하여 리플을 제거할 수 있다.
한편, 제 S11단계에서 스텝 모드 설정 명령이 입력되면, 제어부(50)는 CAN 통신을 통해 목표 스텝을 입력받은 후(S17), 제 S18단계로 진행한다.
그래서 제 18단계에서 제어부(50)는 설정된 목표 스텝에 따는 스텝 명령에 기초하여 모터(31)를 구동한다.
즉, 제어부(50)는 수동 모드인 스텝 모드로 설정된 상태에서, 메인 제어부(100)로부터 운전자의 액셀러레이터 조작에 의해 계산된 목표 스텝을 설정하거나, 자동 모드인 압력 모드로 설정된 상태에서 제어부(50)가 메인 제어부(100)로부터 입력되는 압력 명령에 따라 계산된 스텝값으로 목표 스텝을 설정할 수도 있다.
이어서 제어부(50)는 실제 모터(31)가 구동되는 현재 스텝과 목표 스텝을 비교한다.
상기 비교 결과, 현재 스텝이 목표 스텝보다 작은 경우(S19), 제어부(50)는 정회전 다음 시퀀스 명령, 즉 상기 현재 스텝에 1을 더한 스텝값으로 현재 스텝을 설정하여 모터를(31) 정회전 구동한다(S20).
제 S21단계에서 제어부(50)는 홀센서(46)를 통해 감지된 모터(31)의 현재 스텝(이하 '감지 스텝'이라 함)과 제 S20단계에서 설정된 현재 스텝(이하 '설정 스텝'이라 함)이 동일한가를 검사한다.
검사결과, 감지 스텝과 설정 스텝이 서로 동일한 경우, 제어부(50)는 모터(31)가 정상적으로 정회전한 것으로 판단하여 설정 스텝에 1을 더해 현재 스텝으로 설정한 후(S22), 제 S19단계로 진행하여 수소 연료전지 차량의 구동이 종료될 때까지 모터(31)의 제어동작을 반복 수행한다.
만약, 제 S21단계의 검사결과, 감지 스텝과 설정 스텝이 서로 다른 경우, 제어부(50)는 모터(31)의 정회전 동작에 이상이 발생한 것으로 판단하여 정회전 동작이 정상적으로 이루어질 때까지, 상기 제 S19단계로 진행하여 이후 과정을 반복 수행한다.
한편, 상기 제 S19단계에서 현재 스텝과 목표 스텝의 비교결과, 현재 스텝이 목표 스텝보다 큰 경우(S23), 제어부(50)는 역회전 다음 시퀀스 명령, 즉 현재 스텝에서 1을 뺀 스텝값으로 현재 스텝을 설정하여 모터(31)를 역회전 구동한다(S24).
제 S24단계에서 제어부(50)는 홀센서(46)를 통해 감지된 모터(31)의 현재 스텝, 즉 감지 스텝과 제 S24단계에서 설정된 현재 스텝, 즉 설정 스텝이 동일한가를 검사한다.
검사 결과, 감지 스텝과 설정 스텝이 서로 동일한 경우, 제어부(50)는 모터(31)가 정상적으로 역회전된 것으로 판단하여 설정 스텝에서 1을 배서 현재 스텝으로 설정한 후(S26), 제 S19단계로 진행하여 수소 연료전지 차량의 구동이 종료될 때까지 모터(31)의 제어동작을 반복 수행한다.
만약, 제 S24단계의 검사결과, 감지 스텝과 설정 스텝이 서로 다른 경우, 제어부(50)는 모터(31)의 역회전 동작에 이상이 발생한 것으로 판단하여 역회전 동작이 정상적으로 이루어질 때까지, 상기 제 S19단계로 진행하여 이후 과정을 반복 수행한다.
이에 따라, 본 발명은 모터의 실제 스텝과 목표 스텝을 비교한 결과에 따라 모터를 한 스텝씩 정회전 또는 역회전 구동하여 외압이 발생하더라도 스택에 공급되는 수소 압력을 정확하게 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 전기적인 신호에 의해 구동되는 모터를 구동시켜 수소 압력을 조절하는 전기 구동식 레귤레이터를 제어하여 차량의 필요부하 및 스택의 압력 상태에 따라 수소 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 수소탱크 2: 스택
10: 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치
20: 레귤레이터 21: 공급유로
22: 저유량 이젝터 23: 고유량 이젝터
24,25: 샤프트 241,251: 디스크
26,27: 스프링 30: 작동부
31: 모터 32: 작동축
41,42: 압력센서 43,44: 온도센서
45: 위치센서 46: 홀센서
50: 제어부 100: 메인 제어부
10: 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치
20: 레귤레이터 21: 공급유로
22: 저유량 이젝터 23: 고유량 이젝터
24,25: 샤프트 241,251: 디스크
26,27: 스프링 30: 작동부
31: 모터 32: 작동축
41,42: 압력센서 43,44: 온도센서
45: 위치센서 46: 홀센서
50: 제어부 100: 메인 제어부
Claims (13)
- 수소탱크로부터 스택에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 레귤레이터,
상기 레귤레이터의 개폐량을 조절하도록 작동되는 작동부,
상기 레귤레이터로부터 스택에 공급되는 수소의 압력을 감지하는 제 1압력감지수단,
상기 스택으로부터 레귤레이터로 재순환되는 수소의 압력을 감지하는 제 2압력감지수단,
차량의 필요부하 및 상기 제 1 및 제 2압력감지수단으로부터 감지된 압력에 기초하여 상기 작동부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 작동부는 상기 제어부의 제어에 따라 구동되는 모터와 상기 모터 구동에 의해 승강 동작하는 작동축을 포함하며,
상기 모터는 상기 모터는 3상 BLDC 모터이며, 상기 BLDC 모터의 회전자에 대응되는 면에 일정 간격으로 설치되어 상기 회전자의 회전각을 감지하는 회전감지부를 구비하고,
상기 레귤레이터는 수소탱크로부터 공급되는 수소를 저유량으로 스택에 공급하는 저유량 이젝터,
고유량의 수소를 스택에 공급하는 고유량 이젝트,
상기 작동축의 승강 동작에 따라 승강 동작하고, 저유량 이젝터를 개폐하는 제 1디스크가 구비되는 제 1샤프트 및
상기 제 1샤프트가 일정 높이 이하로 승강 동작함에 따라 상기 고유량 이젝터를 개폐하는 제 2디스크가 구비된 제 2샤프트를 포함하며,
상기 제어부는 상기 모터의 초기 구동시 상기 모터를 최대 회전 가능한 스텝만큼 정방향으로 구동한 후 다시 역방향으로 구동하면서 상기 회전감지부로부터 감지되는 모터의 위치에 기초하여 상기 모터를 초기위치로 이동시키는 초기화 과정을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
차량의 메인 제어부와 CAN 통신을 수행하는 CAN 송수신부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 CAN 통신을 통해 상기 메인 제어부로부터 입력되는 목표 압력에 기초하여 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 모터의 회전자는 12극으로 구비되고,
고정자는 9극으로 구비되며,
상기 회전감지부는 30˚간격으로 설치되는 3개의 홀센서로 구비되고,
상기 제어부는 6스텝 120˚ 도통 여자 방식에 의해 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치. - 전기적인 신호에 의해 모터를 구동시켜 전기 구동식 레귤레이터를 제어하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법에 있어서,
(a) 초기 구동시 모터를 초기위치로 이동시키는 초기화를 수행하는 단계,
(b) 상기 (a)단계가 정상적으로 완료되면, CAN 통신을 통해 메인 제어부로부터 목표 압력을 수신하여 모터를 구동하는 단계,
(c) 스택에 공급되는 현재 압력을 감지하는 단계,
(d) 감지된 현재 압력과 목표 압력을 비교하는 단계 및
(e) 상기 비교 결과, 상기 감지된 현재 압력과 목표 압력의 압력차에 비례하여 목표 스텝을 증가시키거나 감소시켜 설정되는 스텝값에 따라 모터를 구동하는 단계를 포함하고,
상기 (a)단계는 (a1) 현재 위치를 기준 위치로 설정하고, 목표 위치를 모터가 최대 회전 가능한 스텝으로 설정하는 단계,
(a2) 상기 최대 회전 가능한 스텝만큼 상기 모터를 정회전 구동하는 단계,
(a3) 상기 정회전 구동된 위치를 현재 위치로 설정하여 상기 최대 회전 가능한 스텝만큼 상기 모터를 역회전 구동하는 단계,
(a4) 상기 정회전 및 역회전 구동을 수행한 후 감지된 현재 스텝이 설정된 스텝과 다른 경우, 구동시간이 최대 구동시간 이내인가를 검사하는 단계,
(a5) 상기 정회전 및 역회전 구동시 스택에 공급되는 수소 압력을 감지하고, 감지된 압력이 정상압력 범위 이내인가를 검사하는 단계 및
상기 (a4) 및 (a5)단계의 검사결과, 적어도 어느 하나 이상을 초과하는 경우, 초기화 에러를 통지하는 명령을 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법. - 삭제
- 삭제
- 제 6항에 있어서, 상기 (e)단계는
목표 압력과 현재 압력과의 차에 비례하여 압력 조절 범위를 조절하는 비례 제어 방식을 이용해 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법. - 제 6항 또는 제 9항에 있어서,
(f) 상기 (e)단계에서 설정된 목표 압력에 따른 스텝 명령에 따라 모터의 스텝을 설정하여 모터를 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법. - 제 10항에 있어서, 상기 (f)단계는
(f1) 상기 설정된 목표 스텝에 따라 실제 모터가 구동되는 현재 스텝과 상기 목표 스텝을 비교하는 단계,
(f2) 상기 비교결과, 상기 현재 스텝이 목표 스텝보다 큰 경우, 상기 현재 스텝에 1을 더한 설정 스텝에 따라 모터를 정회전 구동하는 단계 및
(f3) 상기 비교결과, 상기 현재 스텝이 목표 스텝보다 작은 경우, 상기 현재 스텝에서 1을 뺀 설정 스텝에 따라 모터를 역회전 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법. - 제 11항에 있어서, 상기 (f2)단계는
(f21) 홀센서를 이용하여 상기 모터의 정회전 구동을 수행한 후의 스텝을 검사하는 단계,
(f22) 상기 검사결과, 상기 설정 스텝과 상기 검사된 스텝이 동일한가를 비교하는 단계 및
(f23) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 동일하면, 다시 상기 설정 스텝에 1을 더해 현재 스텝으로 설정한 후, 상기 (f1)단계 내지 (f3)단계를 반복 수행하는 단계 및
(f24) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 서로 다르면, 상기 (f)단계로 진행하여 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법. - 제 11항에 있어서, 상기 (f3)단계는
(f31) 홀센서를 이용하여 상기 모터의 역회전 구동을 수행한 후의 현재 스텝을 검사하는 단계,
(f32) 상기 검사결과, 상기 설정 스텝과 상기 검사된 스텝이 동일한가를 비교하는 단계,
(f33) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 동일하면, 다시 상기 설정 스텝에서 1을 배 현재 스텝으로 설정한 후, 상기 (f1)단계 내지 (f3)단계를 반복 수행하는 단계 및
(f34) 상기 비교결과, 상기 설정 스텝과 검사된 스텝이 서로 다르면, 상기 (f)단계로 진행하여 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020100017844A KR101134647B1 (ko) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020100017844A KR101134647B1 (ko) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR1020100017844A KR101134647B1 (ko) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | 수소 연료전지 차량용 레귤레이터 제어장치 및 제어방법 |
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160076400A (ko) | 2014-12-22 | 2016-06-30 | (주)모토닉 | 고압 레귤레이터 |
| KR20160076401A (ko) | 2014-12-22 | 2016-06-30 | (주)모토닉 | 고압 레귤레이터의 구동장치 및 구동방법 |
| KR20180039487A (ko) | 2016-10-10 | 2018-04-18 | (주)모토닉 | 고압 레귤레이터 |
| EP3309433A1 (en) | 2016-10-11 | 2018-04-18 | Motonic Corporation | Safe valve for high pressure regulator |
| KR20190067464A (ko) | 2017-12-07 | 2019-06-17 | 현대자동차주식회사 | 고압용기에 체결될 수 있는 레귤레이터 고장진단방법 |
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