KR101240984B1 - 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법 - Google Patents

수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온의 외기 조건에서 연료전지 시스템 수소 공급 라인의 시동시 초기 수소 온도 측정치를 통해 수소 압력 센서가 정상 작동할 수 있는 추정 온도를 구하고, 스택 입구의 수소 온도가 상기 추정 온도 이상일 경우 수소 압력 센서가 정상작동 하는 것으로 판단하여 시스템 운전을 수행함으로, 외기 온도 조건에 관계없이 정확하게 수소 압력 정상 판단을 수행할 수 있는 연료전지 시스템 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 연료전지 시스템 스택 입구단의 시동시 초기 수소 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 초기 수소 온도를 이용하여 수소 압력 센서가 정상작동 할 수 있는 임계 온도를 추정하는 임계 온도 추정 단계; 스택 입구단의 수소 온도와 상기 임계 온도를 비교하는 수소 온도 비교 판단 단계; 및 상기 수소 온도 비교 판단 단계에서 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상일 경우, 상기 수소 압력 센서를 통해 수소 압력을 측정하고, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위 이내일 경우 수소 압력 제어를 수행하고 스택 전류제한을 최대값으로 설정하는 정상 운전 모드를 실행하는 시스템 운전 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법을 제공한다.

Description

수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법{Control method of fuel cell system that estimating malfunction of hydrogen pressure sensor}
본 발명은 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온의 외기 조건에서 연료전지 시스템 수소 공급 라인의 시동시 초기 수소 온도 측정치를 통해 수소 압력 센서가 정상 작동할 수 있는 추정 온도를 구하고, 스택 입구의 수소 온도가 상기 추정 온도 이상일 경우 수소 압력 센서가 정상작동 하는 것으로 판단하여 시스템 운전을 수행함으로, 외기 온도 조건에 관계없이 정확하게 수소 압력 정상 판단을 수행할 수 있는 연료전지 시스템 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 연료전지 자동차는 수소를 원료로 사용하여 동력을 얻는 자동차이다. 상기 연료전지 자동차의 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지 운전시 수소 압력을 체크하여 상기 수소 압력이 정상 범위에 있을 때 수소 압력 제어를 수행하고 전류제한 제어를 수행한다. 즉, 고출력 구간에서 스택의 수소 소모에 의해 수소 압력이 낮아지는 것을 보상하기 위하여 수소공급장치의 이젝터를 구동시키고, 이를 통해 수소 압력이 일정한 범위의 값을 유지하도록 한다.
그러나 상기 연료전지 시스템에서는, 냉 시동시 수소 압력 센서의 결빙 또는 기타 오류로 인해 수소 압력 값이 정상 범위를 벗어나거나, 정상 범위에 있더라도 값 변동 없이 오랜 시간 유지하다가 정상으로 돌아오는 경우가 빈번히 발생한다.
첨부된 도 3은 외기 온도에 따른 수소 압력 센서의 오동작 및 정상동작 패턴을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 임계값(Est_Tc) 이상의 온도 조건에서는 수소 압력센서가 정상 작동하여 수소 압력의 실시간 변화가 측정됨을 관찰할 수 있지만, 임계값 이하의 저온 조건에서는 수소 압력센서가 정상 작동하지 못함을 알 수 있다.
즉, 수소 압력 센서가 결빙 등으로 인하여 정상작동 하지 못할 경우, 측정된 수소 압력은 정상 압력 구간 이상(A 구간)이나 이하(C 구간)에서 고정된 상태로 지속 되거나, 정상 압력 구간 이내(B 구간)에 있더라도 수소 압력의 실시간 변화가 측정되지 않는 무변환 홀딩 현상이 일어나게 된다.
이처럼 수소 압력 센서가 정상 범위 밖에서 오동작할 경우 전류제한이 빈번하게 발생하고 그 해제 조건을 판단하기 힘든 문제가 있으며, 상기 수소 압력 센서가 정상 범위 내에서 오동작할 경우 이젝터 압력 제어가 오동작하여 스택에 손상을 줄 우려가 있다. 또한, 저온 조건에서는 상기 수소 압력 센서를 통해 측정된 수소 압력이 정상 압력 구간 이내에 있더라도 수소 압력 측정치의 신뢰성이 떨어지며, 수소 압력 값을 정확하게 파악할 수 없기 때문에 올바른 시스템 제어가 이루어질 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 저온의 외기 조건에서 수소 공급 라인의 시동시 초기 수소 온도를 통해 수소 압력 센서의 측정값이 유효가 될 추정 온도를 구하고, 스택 입구의 수소 온도가 상기 추정 온도 이상일 경우에만 수소 압력을 판단하여 이젝터 제어와 전류제한 제어를 수행하도록 함으로, 외기 온도 조건에 관계없이 정확하게 수소 압력 정상 판단을 수행할 수 있는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법은, 연료전지 시스템 스택 입구단의 시동시 초기 수소 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 초기 수소 온도를 이용하여 수소 압력 센서가 정상작동 할 수 있는 임계 온도를 추정하는 임계 온도 추정 단계; 스택 입구단의 수소 온도와 상기 임계 온도를 비교하는 수소 온도 비교 판단 단계; 및 상기 수소 온도 비교 판단 단계에서 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상일 경우, 상기 수소 압력 센서를 통해 수소 압력을 측정하고, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위 이내일 경우 수소 압력 제어를 수행하고 스택 전류제한을 최대값으로 설정하는 정상 운전 모드를 실행하는 시스템 운전 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수소 온도 비교 판단 단계에서 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 미만일 경우, 상기 시스템 운전 단계는 수소 압력 제어를 수행하지 않고 스택 전류제한을 최소값으로 설정하는 제한 운전 모드를 실행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시스템 운전 단계는, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위를 벗어날 경우 수소 압력 제어를 수행하지 않고 스택 전류제한을 최소값으로 설정하는 제한 운전 모드를 실행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 임계 온도 추정 단계는 상기 초기 수소 온도를 임계 온도 추정 맵에 적용하여 임계 온도를 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법에 의하면, 수소 압력 센서를 통해 측정된 수소 압력 값이 정상 범위에 있더라도 수소 온도가 추정 온도 값 미만일 경우 제한 운전을 시행함으로 수소 압력 센서의 오작동 상황에 효율적으로 대처할 수 있으며, 안정적인 연료전지 시스템 제어를 수행할 수 있다.
또한, 냉 시동이나 상온 시동의 구분없이 모든 온도 구간에서 능동적으로 수소 압력 정상 판단을 수행할 수 있으며, 운전 온도 및 주행 패턴에 따라 수소 공급 시스템의 온도가 변화하더라도 정상 운전 상황과 제한 운전 상황을 정확히 판별할 수 있게 되어 연료전지 스택의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어 방법의 과정을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 스택 입구단 초기 수소 온도를 통해 수소 압력 센서 정상 작동 추정 온도를 구하는 추정맵을 나타내는 도면.
도 3은 온도에 따른 수소 압력 센서의 오동작 및 정상동작 패턴을 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 수소 압력 센서가 결빙 또는 기타 오류로 인하여 정상 작동하지 못하는 저온 상황에서, 상기 수소 압력 센서가 정상 작동할 수 있는 임계 온도를 스택 입구단의 초기 수소 온도 측정치를 통해 추정하고, 스택 운전에 따라 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상이 될 경우 상기 수소 압력 센서가 정상 작동하는 것으로 판단하여 이젝터 제어 및 전류제한 제어를 수행하는 방법에 관한 것이다.
즉, 수소 온도 측정치를 통해 수소 압력 센서의 오작동 여부를 추정하고, 상기 수소 압력 센서가 오작동 상황이 아닌 것으로 판별될 경우 수소 압력 측정치가 정상 범위에 있는지를 체크 하는 2단계의 과정을 통해 수소 압력 제어와 전류제한 제어를 수행함으로 정확한 연료전지 시스템 제어가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 상기 제어 방법의 구체적인 과정을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 제어 방법에 의하면, 먼저 시동시 스택 입구단의 초기 수소 온도(Tc)를 측정하여 저장한다(S110). 상기 초기 수소 온도는 외기 온도에 큰 영향을 받으며, 이는 연료전지 시스템의 수소 압력 센서가 결빙되었는지 여부를 판단할 수 있는 지표가 될 수 있다.
다음으로, 측정된 상기 초기 수소 온도를 이용하여 수소 압력 센서가 정상작동 할 수 있는 임계온도(Est_Tc)를 추정한다. 이때, 본 발명에서는 임계 온도 추정 맵을 이용하여 상기 임계온도를 구할 수 있다(S120). 상기 임계 온도 추정 맵은 연료전지 시스템의 시동시 스택 입구단 초기 수소 온도와 수소 압력 센서 정상 작동 온도와의 상관관계를 학습하여 구할 수 있다.
도 2는 상기 임계 온도 추정 맵의 실시예를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 임계 온도 추정 맵은 측정된 초기 수소 온도(Tc)를 입력으로 받아서, 수소 압력 센서가 정상작동 할 수 있는 임계 온도(Est_Tc)를 반환할 수 있다.
상기 임계 온도 추정 맵은 초기 수소 온도(Tc)가 낮을수록 추정되는 임계 온도(Est_Tc)가 높아짐을 관찰할 수 있는데, 이는 초기 수소 온도(Tc)가 낮을수록 수소 압력 센서의 결빙 상태가 해제되는데 많은 시간이 소요되기 때문이다. 초기 수소 온도는 외기 온도를 반영하는 것으로서, 초기 수소 온도(Tc)가 낮을수록 외기 온도는 낮음을 의미한다. 기체상태의 수소는 연료전지 시스템의 운전에 따라 짧은 시간에 온도가 올라갈 수 있지만, 외기 온도가 낮을수록 수소 압력 센서의 결빙 상태가 해제되는데에는 많은 시간이 소요될 수 있다.
따라서, 초기 수소 온도(Tc)가 낮을수록 스택 입구단의 수소 온도가 더 높은 임계 온도(Est_Tc)를 넘어설 때 수소 압력 센서의 결빙 상태가 해제되는 것으로 추정할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 임계 온도(Est_Tc)를 추정한 후, 스택 입구단의 수소 온도를 측정하여 이를 상기 임계 온도와 비교한다(S130). 이때, 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상일 경우, 연료전지 시스템은 충분히 가열이 된 상태로서 수소 압력 센서의 결빙 상태가 해제되고 정상작동 할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 반면에, 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 미만일 경우에는, 수소 압력 센서의 결빙 상태가 아직 해제되지 않은 것으로서 오작동 상황으로 판단할 수 있다.
스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상이면, 수소 압력 센서가 정상 작동하여 그 측정값을 신뢰할 수 있으므로, 상기 수소 압력 센서를 통해 수소 압력을 측정하여 정상 운전 범위 내에 있는지 비교한다(S140).
이때, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위(정상 압력 범위) 이내라면(Plow<수소 압력<Phigh), 정상 운전 모드를 실행하여 수소 압력 제어를 수행하고 스택 전류제한을 최대값으로 설정한다(S150, S152). 반면에, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위를 벗어난다면, 제한 운전 모드를 실행하여 수소 압력 제어를 수행하지 않고 전류 제한 제어를 최소값으로 설정한다(S160, S162).
상기 정상 운전 모드에서는 고출력 구간에서 수소 압력 강하를 보상하기 위해 이젝터를 동작시켜 수소 압력 제어를 수행하며, 전류 제한값을 최대로 설정함으로 연료전지 시스템이 정상 운전될 수 있도록 한다. 반면에, 제한 운전 모드에서는 이젝터를 동작시키지 않으며, 전류 제한값을 최소로 설정하여 최소한의 운전만 수행될 수 있도록 한다.
한편, 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 미만일 경우, 수소 압력 센서가 결빙 또는 기타 오류로 인하여 오작동할 가능성이 높으므로 상기 제한 운전 모드를 실행한다. 즉, 수소 압력 제어를 수행하지 않으며 전류 제한값을 최소로 설정한다(S160, S162).
따라서, 본 발명은 저온의 외기 조건에서 수소 압력 센서의 결빙으로 인한 오작동이 발생할 때, 잘못된 수소 압력 측정값을 통해 연료전지 시스템을 운전하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 수소 압력 센서의 오작동 상황에 효율적으로 대처할 수 있으며, 안정적인 연료전지 시스템 제어를 수행할 수 있게 된다. 이에 따라 정상 운전 상황과 제한 운전 상황을 정확히 판별하여 연료전지 스택의 손상을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

Claims (4)

  1. 연료전지 시스템 스택 입구단의 시동시 초기 수소 온도를 측정하는 단계;
    측정된 상기 초기 수소 온도를 이용하여 수소 압력 센서가 정상작동 할 수 있는 임계 온도를 추정하는 임계 온도 추정 단계;
    스택 입구단의 수소 온도와 상기 임계 온도를 비교하는 수소 온도 비교 판단 단계; 및
    상기 수소 온도 비교 판단 단계에서 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 이상일 경우, 상기 수소 압력 센서를 통해 수소 압력을 측정하고, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위 이내일 경우 수소 압력 제어를 수행하고 스택 전류제한을 최대값으로 설정하는 정상 운전 모드를 실행하는 시스템 운전 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 온도 비교 판단 단계에서 스택 입구단의 수소 온도가 상기 임계 온도 미만일 경우,
    상기 시스템 운전 단계는 수소 압력 제어를 수행하지 않고 스택 전류제한을 최소값으로 설정하는 제한 운전 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시스템 운전 단계는, 측정된 상기 수소 압력이 정상 운전 범위를 벗어날 경우 수소 압력 제어를 수행하지 않고 스택 전류제한을 최소값으로 설정하는 제한 운전 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계 온도 추정 단계는 상기 초기 수소 온도를 임계 온도 추정 맵에 적용하여 임계 온도를 구하는 것을 특징으로 하는 수소 압력 센서 오작동 추정을 통한 연료전지 시스템 제어 방법.
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