KR101364144B1 - 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브는 펄스신호로 회전되는 스테핑 모터(10)와, 스테핑 모터(10)의 회전각보다 상대적으로 더 작은 회전각도를 출력하는 감속기(20)와, 감속기(20)의 출력각도로 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 열어 주는 플랩밸브(30)와, 감속기(20)에 연동되어 플랩밸브(30)의 개도각 변화에 따른 신호값을 발생하는 밸브센서모듈(70)과, 밸브센서모듈(70)의 신호값 이상시 밸브 작동이상을 표시하는 디스플레이(80)로 구성됨으로써, 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 극히 정밀하게 제어할 수 있고 특히 밸브의 작동 이상 유무가 신속히 체크되는 특징을 갖는다.

Description

펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브 및 이의 제어방법{Back Pressure Control Valve Based on Pulse Driven and Operation Method thereof}

본 발명은 공기유량조절밸브에 관한 것으로, 특히 플랩밸브의 개도향 변화가 펄스신호(Pulse Signal)로 회전되는 스테핑 모터(Stepping Motor)를 통해 이루어짐으로써 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 극히 정밀하게 제어할 수 있는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지차량은 연료전지스택으로 공급된 수소의 화학반응을 위해 공기가 반드시 공급되어야 하고, 또한 공기량도 수소 반응에 따라 정밀하게 조절되어야 한다.

이를 위해, 연료전지차량에는 연료전지스택으로 공기를 공급하기 위한 공기유량조절밸브(Back Pressure Control Valve)가 사용되며, 공기유량조절밸브는 정역회전되는 모터와 이를 통해 회전되는 기어로 이루어진 감속기로 개폐되는 플랩밸브로 구성된다.

그러므로, 공기유량조절밸브는 모터의 구동으로 플랩밸브가 열릴 때 연료전지스택으로 이어진 공기통로도 열려짐으로써 공기 흐름을 형성하고, 반면 모터의 정지로 플랩밸브가 닫힐 때 연료전지스택으로 이어진 공기통로도 닫혀짐으로써 공기 흐름을 차단한다.

통상, 공기유량조절밸브는 온(On)-오프(Off)제어되므로 밸브 온(On)시 플랩밸브도 오픈상태(Open Status)로 전환되고, 반면 밸브 오프(Off)시 플랩밸브도 클로우즈상태(Close Status)로 전환되며, 또는 그 역으로 작동된다.

공기유량조절밸브에는 플랩밸브의 개도각 검출을 위해 검출센서가 더 구비될 수 있다.

이러한 경우, 상기 검출센서는 밸브 온(On)시 플랩밸브의 오픈 상태(Open Status)와 밸브 오프(Off)시 플랩밸브의 클로우즈 상태(Close Status)를 검출함으로써, 플랩밸브가 밸브의 온(On)-오프(Off)에 따라 정상적으로 작동되는지 여부가 확인될 수 있다.

국내특허공개 10-2010-0057335(2010년05월31일)

상기 특허문헌은 버터플라이 밸브에 마그네틱 센서를 설치하여 밸브 내부의 개폐상태를 정확하게 확인할 수 있는 기술의 예를 나타낸다.

이를 위해, 상기 특허문헌은 버터플라이 밸브가 회전력의 방향을 전환하여 전달하기 위한 기어박스와, 기어박스에 연결된 연결축과, 연결축으로 회전되어 밸브를 개폐시키는 밸브 디스크와, 밸브 디스크의 일단에 설치된 영구자석과, 영구자석으로부터 발생되는 자력을 감지하기 위한 마그네틱 센서 및 밸브 디스크의 개폐상태를 외부에 표시하는 지시계로 구성된다.

그러므로, 상기 특허문헌은 마그네틱 센서로 밸브 디스크의 개폐상태를 정확히 검출함으로써 밸브가 고장상태(Failure)로 작동되는 상황을 미연에 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이 밸브에 적용되어 밸브의 개폐를 검출하는 마그네틱 센서가 밸브 고장 진단에 응용됨으로써, 밸브와 연관된 설비가 밸브의 고장상태(Failure)로 인해 받을 수 있는 악영향으로부터 보호될 수 있는 효과를 얻게 된다.

하지만, 공기유량을 정밀 제어하여 연료전지스택에서 요구하는 공기유량에 정밀하게 맞춰야 하는 공기유량조절밸브는 상기 특허문헌과 같이 밸브의 온오프에 대한 밸브 고장 판단 만으로는 연료전지스택에 미치는 악영향을 방지하는 충분한 효과를 달성할 수 없게 된다.

이는, 연료전지스택이 작동중인 상황에서 공기유량조절밸브의 고장이나 작동 이상이 판단되면, 공기유량조절밸브는 연료전지스택의 수소 화학반응에 필요한 공기를 전혀 공급하지 못하거나 또는 요구량에 맞춘 적합한 공기유량을 공급하지 못하게 된다.

이러한 상태에서 연료전지스택은 공기유량조절의 실패로 인해 악영향을 받을 수밖에 없고, 악영향을 받은 연료전지스택은 내구성저하와 운전 안정성 저하를 일으키고, 이로 인해 내구성저하된 연료전지스택의 운영은 연료 소모량을 증가시킬 수밖에 없다.

그러므로, 공기유량조절밸브에 적용된 센서는 정밀한 밸브플랩의 개도각 제어로 공기유량의 제어정밀도를 보다 향상하는데 치중되고, 이를 위해 정밀한 밸브플랩의 개도각 제어로 공기유량의 제어정밀도를 보다 향상하도록 밸브플랩의 개도각을 보다 정밀하게 검출할 수 있는 고 사양의 센서가 적용된다.

그렇지만, 이러한 경우라도 공기유량조절밸브의 고장(Fail)을 포함한 작동불량시 연료전지스택에 끼치는 악영향 해소에는 근본적인 해결책이 될 수 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 펄스신호(Pulse Signal)로 구동되는 스테핑 모터(Stepping Motor)의 회전각도가 감속기의 감속비로 전환된 후 플랩밸브의 개도각 변화 값인 개도량으로 전환됨으로써, 모터의 온시 플랩밸브가 오픈 상태(Open Status)로 변화되고 반면 모터의 오프시 플랩밸브가 클로우즈 상태(Close Status)로 변화되는 제어방식에 비해 공기유량을 극히 정밀하게 제어하여 연료전지스택으로 공급할 수 있는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브 및 이의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 플랩밸브의 개도각 변화 값인 개도량을 검출하는 센서신호로 플랩밸브의 작동 이상 유무가 신속히 체크됨으로써, 공기유량조절밸브의 고장이 신속히 판단되고 이를 인식한 운전자의 신속한 후속조치로 부정확한 공기유량공급에 의해 연료전지스택이 받는 악영향을 차단할 수 있는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브 및 이의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기유량조절밸브는 1 펄스신호에 해당하는 입력회전각도로 회전되는 스테핑 모터와;

상기 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해주는 감속기와;

상기 감속기에 연결되고, 상기 감속기가 상기 출력회전각도로 회전됨으로써 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 열어 주거나 닫아주는 플랩밸브와;

상기 출력회전각도에 따라 변화되는 신호값을 발생하도록 상기 감속기의 회전을 검출하는 밸브센서모듈과;

상기 신호값을 통해 상기 스테핑 모터의 구동을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)의 출력신호로 밸브 작동상태가 표시되는 디스플레이;

가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 감속기에는 상기 스테핑 모터의 온(On)시 함께 온(On)되어 상기 감속기의 구속 상태를 해제해주는 라쳇(Ratchet)이 더 구비되고, 상기 플랩밸브의 주변부위로는 수분의 결빙 시 열을 가하는 히터가 더 구비된다.

상기 스테핑 모터의 펄스신호는 1 펄스신호당 1.8도 회전각이고, 상기 감속기는 30:1의 감속비로 설정되며, 상기 감속기의 감속비로 조절되는 상기 플랩밸브의 개도량은 0.06도이다.

상기 감속기는 상기 스테핑 모터에 연결되어 회전되는 스테핑기어와, 상기 스테핑기어에 맞물려 회전속도를 감속하고 토크를 증대하는 감속기어와, 상기 감속기어를 통해 회전되어 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 밸브기어와, 상기 밸브기어의 회전으로 탄성 변형되도록 상기 밸브기어에 결합된 리턴스프링으로 구성된다.

상기 밸브센서모듈은 상기 스테핑 모터의 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 감속기의 밸브기어에 연결된 센서가이드바와, 외부기기 연결용 하우징커낵터를 갖춘 센서하우징과, 상기 센서하우징의 내부에서 상기 센서가이드바와 함께 회전되는 회전판과, 상기 회전판의 회전각도 변화를 검출하는 센서와, 상기 센서의 검출신호를 신호값으로 전환해 상기 ECU로 전송하는 센서기판으로 구성된다.

상기 센서는 상기 회전판의 회전에 의한 각도변화를 검출하는 캐리어(Carrier)와, 상기 캐리어가 접촉되도록 상기 캐리어의 회전각도 변화영역에 위치되는 디텍터(Detector)로 구성된다.

상기 캐리어는 상기 회전판의 축홀을 중심으로 서로 대향되는 위치로 구비된 한 쌍의 제1캐리어와 제2캐리어로 구성되고; 상기 디텍터는 상기 센서가이드바가 결합되는 상기 센서기판의 축홀에 대해 동심원을 이루면서 양끝부위가 단락된 한 쌍의 제1위치필름과 제2위치필름으로 이루어진다.

상기 제1위치필름은 상기 제1캐리어와 접촉되고, 상기 제2위치필름은 상기 제2캐리어와 접촉된다.

상기 제1위치필름과 상기 제2위치필름은 카본(Carbon)재질이고, 상기 센서기판에 코팅된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 제어방법은 연료전지스택이 작동되면, 공기유량제어밸브의 구동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)와 밸브 오픈신호(Open Signal)가 연이어 발생되고, 이어 스테핑 모터가 온(On) 상태로 전환되는 밸브구동단계;

상기 스테핑 모터로 회전되는 감속기를 통해 플랩밸브가 회전되고, 상기 플랩밸브의 회전으로 연료전지스택에 이어진 공기통로가 열려지며, 상기 연료전지스택로 공급되는 공기유량이 상기 열려진 공기통로를 통과하는 밸브동작단계;

상기 감속기의 회전각 변화가 밸브센서모듈로 검출되고, 상기 밸브센서모듈의 검출된 신호값이 ECU로 전송되며, 상기 밸브센서모듈의 신호값이 상기 ECU에서 정상적인 신호값으로 판단되면, 상기 ECU는 밸브의 정상 동작 상태로 판단하고, 상기 ECU는 상기 밸브센서모듈의 신호값을 기반으로 상기 공기유량을 제어하는 센서기반제어단계;

상기 밸브센서모듈의 신호값을 정상적인 신호값으로 판단한 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 밸브정상인식단계;

가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브 오픈신호는 펄스신호이다.

상기 밸브동작단계가 수행된 후, 상기 감속기의 회전각 변화가 밸브센서모듈로 검출되고, 상기 밸브센서모듈의 검출된 신호값이 ECU로 전송되며, 상기 밸브센서모듈의 신호값이 상기 ECU에서 정상적인 신호값으로 판단되지 않으면 상기 ECU는 밸브의 비정상 동작 상태로 판단하고, 상기 ECU는 상기 공기유량의 제어를 중단하는 센서무시제어단계; 상기 밸브센서모듈의 신호값을 비정상적인 신호값으로 판단한 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 Error신호를 보내주는 밸브비정상인식단계;

가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 펄스신호로 구동되는 스테핑 모터(Stepping Motor)의 회전각도가 감속기의 감속비로 전환된 후 플랩밸브의 개도각 변화 값인 개도량으로 전환됨으로써, 온오프타입 모터에 비해 연료전지스택으로 공급되는 공기유량이 극히 정밀하게 제어되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 플랩밸브의 개도각 변화 값인 개도량을 검출하는 센서신호로 플랩밸브의 작동 이상 유무가 신속히 체크됨으로써 공기유량조절밸브의 고장이 신속히 판단되고, 이를 통해 공기 유량의 부정확한 공급으로 인한 연료전지스택 내구성 감소가 예방되고, 특히 안정적인 연료전지스택의 내구성으로 연료전지 차량의 운전 안정성이 개선됨은 물론 연료 소모량도 축소되는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 공기유량조절밸브의 상태(Status)표시를 플랩밸브의 작동이상에 따른 고장여부가 운전자에게 신속히 제공됨으로써, 그에 따른 운전자의 대처도 신속하게 수행되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브에 적용된 밸브센서모듈의 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 정상 동작 상태 로직이고, 도 4는 본 발명에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 비정상 동작 상태 로직이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1(가)는 본 실시예에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 공기유량조절밸브는 밸브하우징(1)과, ECU(Engine Control Unit)로 연결된 메인기판(40)과 회로를 이루는 스테핑 모터(10)와, 스테핑 모터(10)의 회전을 감속하고 토크(Torque)를 증대하는 감속기(20)와, 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 변화시켜주도록 감속기(20)로 회전하는 플랩밸브(30)와, 플랩밸브(30)의 주변부위로 구비된 히터(60)와, 플랩밸브(30)의 정상작동여부를 판단하도록 감속기(20)의 작동에 연동되어 발생되는 신호를 상기 메인기판(40)으로 전송하는 밸브센서모듈(70)과, 밸브의 작동이 정상인지 여부를 운전자에게 알려주는 디스플레이(80)로 구성된다.

상기 밸브하우징(1)은 내부로 설치공간을 제공하는 하우징바디(2)와, 하우징바디(2)의 한쪽으로 형성되어 플랩밸브(30)로 개폐되는 공기통로(3)가 포함된다.

상기 하우징바디(2)에는 내부의 설치공간에 조립된 스테핑 모터(10)와 감속기(20)가 외부로 노출되지 않도록 가려주는 컨트롤박스(4)가 결합된다.

통상, 상기 하우징바디(2)와 상기 컨트롤박스(4)는 후크나 걸쇠를 이용한 착탈식 결합구조가 적용될 수 있다.

상기 스테핑 모터(10)는 1개 펄스신호(One Pulse Signal)를 기반으로 회전되고, 1개 펄스신호에 의한 스테핑 모터(10)의 회전각도는 감속기(20)를 구성하는 기어가 갖는 감속비와 연계되어 설정된다.

상기 감속기(20)에는 라쳇(50, Ratchet)이 더 구비되며, 상기 라쳇(50)은 스테핑 모터(10)의 온시 함께 온되어 감속기(20)의 구속 상태를 해제해줌으로써 스테핑 모터(10)로 회전에 따라 감속기(20)도 함께 회전되도록 작용한다.

통상, 상기 라쳇(50)은 빠져나오(인출)거나 들어(인입)가는 스트로크를 갖는 로드가 구비된 솔레노이드로 작동되며, 상기 솔레노이드는 ECU로 온오프 제어된다.

상기 플랩밸브(30)는 감속기(20)를 통해 회전되도록 감속기(20)와 연결되고 하우징바디(2)에 지지된 회전축과, 회전축의 회전각 증가에 따라 공기통로(3)를 열어주는 개도각도 함께 증가되는 원판형 밸브바디로 구성된다.

상기 밸브바디의 최대 개도각은 90도 이다.

상기 히터(60)는 하우징바디(2)를 이용해 플랩밸브(30)의 주변으로 구비됨으로써 플랩밸브(30)가 수분(물)결빙으로 고착된 경우 열을 이용해 고착상태를 해소하여 준다.

상기 밸브센서모듈(70)은 밸브하우징(1)과 조립된 컨트롤박스(4)에 결합된다.

상기 디스플레이(80)는 연료전지스택에 공기유량이 정상적으로 공급되는지 여부를 밸브의 정상(OK) 또는 고장(Error)으로 운전자에게 인식되도록 운전석으로 구비되고, 통상 LED(Light-Emitting Device)가 적용되지만, 청각적 인식을 위해 부저(Buzzer)가 적용될 수도 있다.

한편, 도 1(나)는 감속기(20)의 구성으로서, 상기 감속기(20)는 1개 펄스신호에 의한 스테핑 모터(10)의 회전각도가 정해지는 감속비를 갖도록 다수의 기어로 구성된다.

상기 감속기(20)는 스테핑 모터(10)로 직접 회전되는 스테핑기어(21)와, 스테핑기어(21)에 맞물려 회전속도를 감속하고 토크를 증대하는 감속기어(22)와, 스테핑 모터(10)의 1개 펄스신호(One Pulse Signal)에 기반된 개도각으로 플랩밸브(30)를 회전시켜주도록 감속기어(22)를 통해 회전되는 밸브기어(23)로 구성된다.

본 실시예에서 플랩밸브(30)의 개도각 단위는 약 0.06도로 설정되고, 이를 위해 스테핑 모터(10)는 1개 펄스신호로 약 1.8도 회전되며, 감속기(20)는 약 30:1의 감속비로 설정된다.

감속기(20)의 약 30:1 감속비는 스테핑기어(21)와 감속기어(22) 및 밸브기어(23)의 기어잇수로 설정된다.

그러므로, 스테핑 모터(10)가 1개 펄스신호로 약 1.8도 회전되면, 스테핑 모터(10)로 회전되는 스테핑기어(21)와 이에 맞물린 감속기어(22)를 거친 밸브기어(23)에서 발생되는 회전각도는 0.06도로 감소되고 더불어 토크(Torque)는 증대된다.

그러면, 플랩밸브(30)는 상기 밸브기어(23)의 토크를 받아 회전되면서 밸브기어(23)의 회전각도인 0.06도 만큼 개도각에 변화를 가져오고, 이러한 플랩밸브(30)의 개도각 변화로 연료전지스택으로 공급되는 공기유량은 그 만큼 증가되거나 또는 감소된다.

본 실시예에서 스테핑 모터(10)의 1개 펄스신호(One Pulse Signal)를 기반으로 한 제어는 ECU로 제어되며, ECU는 함께 회로가 구성되는 메인기판(40)으로 스테핑 모터(10)를 제어한다.

이와 같이 플랩밸브(30)는 0.06도 개도각으로 공기유량을 증가하거나 또는 감소시킬 수 있고, 이로부터 온오프타입 모터에 비해 연료전지스택으로 공급되는 공기유량이 극히 정밀하게 제어될 수 있다.

이에 더해, 상기 감속기(20)에는 리턴스프링(24)이 더 구비되고, 상기 리턴스프링(24)의 양단은 밸브기어(23)에 고정됨으로써 스테핑 모터(10)의 온시 밸브기어(23)로 탄성변형되고, 스테핑 모터(10)의 오프 전환시 밸브기어(23)를 역회전시켜줌으로써 스테핑 모터(10)의 작동 없이도 감속기(20)를 초기상태로 복귀시킬 수 있다.

본 실시예에서 상기 감속기어(22)와 상기 밸브기어(23)사이에는 다른 기어비를 갖는 별도의 기어가 더 구비될 수 있다.

한편, 도 2는 본 실시예에 따른 밸브센서모듈의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 밸브센서모듈(70)은 플랩밸브(30)를 회전시켜주는 밸브기어(23)에 연결되는 센서가이드바(71)와, ECU나 디스플레이(80)를 연결할 수 있는 하우징커낵터(73)를 갖춘 센서하우징(72)으로 이루어지고, 센서가이드바(71)는 센서하우징(72)의 내부에서 연결된 상태로 일체화 된다.

그러므로, 상기 밸브센서모듈(70)은 공기유량조절밸브와는 별개로 이루어진 모듈타입으로 제조될 수 있고, 밸브센서모듈(70)의 불량으로 인한 공기유량조절밸브의 고장시 밸브센서모듈(70)만 간단히 교체될 수 있는 편리함이 있다.

본 실시예에서 상기 밸브센서모듈(70)은 센서하우징(72)의 내부에서 센서가이드바(71)에 결합되어 센서가이드바(71)와 함께 회전되는 회전판(74)과, 회전판(74)의 회전각도 변화를 검출하는 센서와, 센서의 검출신호를 신호값으로 전환해 출력해주는 센서기판(77)으로 구성된다.

상기 센서는 회전판(74)의 회전에 의한 각도변화를 검출하는 캐리어(75, Carrier)와, 캐리어(75)가 접촉되도록 캐리어(75)의 회전각도 변화영역에 위치된 디텍터(76,Detector)로 구성된다.

상기 캐리어(75)는 센서가이드바(71)가 결합되는 회전판(74)의 축홀을 중심으로 서로 대향되는 위치로 구비된 한 쌍의 제1캐리어(75-1)와 제2캐리어(75-2)로 구성되고, 회전판(74)에 구비되어 센서기판(77)에 구비된 디텍터(76)로 향하도록 배열된다.

상기 디텍터(76)는 센서가이드바(71)가 결합되는 센서기판(77)의 축홀에 대해 동심원을 이루도록 배열되지만 서로 이어지지 않는 한 쌍의 제1위치필름(76-1)과 제2위치필름(76-2)으로 이루어지고, 상기 제1위치필름(76-1)과 상기 제2위치필름(76-2)은 카본(Carbon)재질로 이루어져 센서기판(77)에 코팅된다.

상기 한 쌍의 제1위치필름(76-1)과 제2위치필름(76-2)은 각각 약 90도의 회전각도를 커버하며, 이는 플랩밸브(30)의 개도각이 90도에서 최대로 열림에 기인된다.

상기 제1위치필름(76-1)은 제1캐리어(75-1)와 접촉되고, 상기 제2위치필름(76-2)은 제2캐리어(75-2)와 접촉된다.

한편, 도 3은 본 실시예에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 정상 동작 상태로직을 나타낸다.

연료전지스택이 작동되면, S10 및 S20과 같이 공기유량제어밸브의 구동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)와 밸브 오픈신호(Open Signal)가 연이어 발생되고, 이어 S30과 같이 스테핑 모터(10)는 온(On) 상태로 전환된다.

상기 밸브 오픈신호(Open Signal)는 스테핑 모터(10)에 주는 1개 펄스신호이거나 또는 그 이상의 펄스신호일 수 있다.

이어, S40은 스테핑 모터(10)의 구동으로 공기유량제어밸브가 정상적으로 작동되는 상태이다.

통상, 공기유량제어밸브의 작동여부는 밸브 개폐신호를 홀센서에서 인식함으로써 판단되지만, 경우에 따라 공기통로(3)를 통과하는 공기유량이 유량센서로 검출되고, ECU가 유량센서의 검출 값 유무를 체크함으로써 판단될 수 있다.

상기와 같은 공기유량제어밸브의 정상 작동상태는 스테핑 모터(10)의 회전을 감속한 감속기(20)의 밸브기어(23)로 플랩밸브(30)가 회전됨으로써 공기통로(3)가 열리고, 열려진 공기통로(3)를 통해 공기가 연료전지스택으로 공급됨으로써 연료전지스택의 작동도 정상인 상태이다.

전술한 바와 같이, 상기 1개 펄스신호를 받은 스테핑 모터(10)는 약 1.8도 회전되고, 이는 감속기(20)에서 약 30:1의 감속비로 전환된 후 밸브기어(23)에 연결된 플랩밸브(30)의 0.06도 개도각 열림으로 전환된다.

이러한 플랩밸브(30)의 개도각은 연료전지스택의 운전조건 변화로 스테핑 모터(10)가 새로운 펄스신호를 받을 때 까지 지속된다.

플랩밸브(30)의 개도각 변화 값은 플랩밸브(30)의 개도량으로 정의된다.

S50과 S60은 공기유량제어밸브의 정상 작동상태에서, 플랩밸브(30)의 개도량이 측정되는 과정으로서, 이는 밸브센서모듈(70)을 통해 신호값이 검출되고, ECU가 밸브센서모듈(70)의 신호값을 기반으로 판단한다.

S50과 같이 감속기(20)의 밸브기어(23)에 연계된 센서가이드바(71)가 회전되면, S60에서는 메인기판(40)을 거쳐 밸브센서모듈(70)의 신호값이 전송된 ECU를 통해 플랩밸브(30)의 정상 작동상태가 체크된다.

상기 밸브센서모듈(70)의 신호값은 디텍터(76)를 코팅한 센서기판(77)을 통해 발생된다.

이러한 과정은, 센서기판(77)에 코팅된 디텍터(76)에 접촉된 캐리어(75)가 상기 회전판(74)과 함께 회전되고, 캐리어(75)의 회전은 디텍터(76)에 대한 접촉위치변화를 가져옴으로써 센서기판(77)에서는 접촉위치변화에 따라 변화된 신호 값이 발생되어 구현된다.

상기 센서기판(77)의 변화된 신호 값은 메인기판(40)으로 전송되고, 메인기판(40)은 이를 ECU로 전송함으로써 ECU에서는 전송된 신호 값의 변화를 근거로 플랩밸브(30)의 개도각이 정상적으로 열렸는지 여부가 체크된다.

S60은 밸브센서모듈(70)의 신호값 변화가 체크됨으로써 ECU는 밸브센서모듈(70)의 신호값 변화로 플랩밸브(30)의 개도량을 파악한다.

이러한 상태에서 ECU가 연료전지스택의 운전조건 변화를 검출하면, 연료전지스택의 운전조건 변화로 인해 요구되는 공기유량의 증가나 감소에 맞추도록 또 다른 펄스신호를 스테핑 모터(10)에 준다.

이로 인해, 스테핑 모터(10)의 회전각이 변화되고, 스테핑 모터(10)의 변화된 회전각은 감속기(20)를 거쳐 공기유량이 변화되는 플랩밸브(30)의 개도각 변화로 나타나고, 플랩밸브(30)의 개도각 변화는 밸브센서모듈(70)로 검출되어 ECU로 전송된다.

상기와 같은 과정을 통해 ECU는 공기유량조절밸브를 제어하고 더불어 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 정밀 제어한다.

S70은 공기유량조절밸브가 어떠한 에러(Error)도 일어나지 않는 상태로 정상 작동됨에 따른 대응이다.

이 경우, ECU는 OK신호를 디스플레이(80)로 보내줌으로써 운전자는 공기유량조절밸브가 정상적으로 작동되고 있음을 인식할 수 있게 된다.

반면, 도 4는 본 실시예에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 비정상 동작 상태로직을 나타낸다.

연료전지스택이 작동되면, S100 및 S110과 같이 공기유량제어밸브의 구동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)와 밸브 오픈신호(Open Signal)가 연이어 발생되고, 이어 S120과 같이 스테핑 모터(10)는 온(On)상태로 전환된다.

상기 밸브 오픈신호(Open Signal)는 스테핑 모터(10)에 주는 1개 펄스신호이거나 또는 그 이상의 펄스신호일 수 있다.

이어, S130은 스테핑 모터(10)의 구동에도 불구하고 공기유량제어밸브가 정상적으로 작동되지 않는 상태이다.

그러므로, 공기유량제어밸브의 정상적이지 않은 작동상태는 스테핑 모터(10)가 구동된 상태이므로 플랩밸브(30)의 작동불량이나 미작동 또는 플랩밸브(30)의 개도량이 설정값과 일치되지 않는 경우를 의미하며, 이는 공기유량제어밸브의 오작동으로 정의된다.

S140과 S150은 공기유량제어밸브의 오작동상태에서, 플랩밸브(30)의 개도량이 측정되는 과정으로서, 이는 밸브센서모듈(70)을 통해 신호값이 검출되고, ECU가 밸브센서모듈(70)의 신호값을 기반으로 판단한다.

S140과 같이 감속기(20)의 밸브기어(23)에 연계된 센서가이드바(71)가 회전되면, S60에서는 메인기판(40)을 거쳐 밸브센서모듈(70)의 신호값이 전송된 ECU를 통해 플랩밸브(30)의 비정상 작동상태가 체크된다.

상기 밸브센서모듈(70)의 신호값은 디텍터(76)를 코팅한 센서기판(77)을 통해 발생된다.

이 경우, 메인기판(40)을 거쳐 센서기판(77)의 신호 값을 전송받은 ECU는 전송된 신호 값이 설정된 값과 일치되는지 여부를 판단하지만, 전송된 신호 값은 설정된 값과 일치되지 않게 된다.

그러므로, ECU는 밸브센서모듈(70)을 인식함에도 공기유량조절밸브의 작동상태가 정상이 아닌 것으로 판단한다.

S150은 공기유량조절밸브의 오작동 상태에 따른 대응으로서, 이 경우 ECU는 Error신호를 디스플레이(80)로 보내줌으로써 운전자는 공기유량조절밸브가 비정상이거나 또는 고장임을 인식할 수 있게 된다.

한편, S200은 디스플레이(80)를 통해 공기유량조절밸브가 비정상이거나 또는 고장임을 인식한 운전자가 취하는 후속대응으로서, 운전자는 차량을 정지함으로써 공기유량조절밸브가 정상적이지 못한 상태에서 연료전지스택이 작동됨을 사전에 차단해할 수 있다.

이어지는 조치로 운전자는 공기유량조절밸브의 부품을 교체하거나 또는 수리하는 조취를 취할 수 있게 된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브는 펄스신호로 회전되는 스테핑 모터(10)와, 스테핑 모터(10)의 회전각보다 상대적으로 더 작은 회전각도를 출력하는 감속기(20)와, 감속기(20)의 출력각도로 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 열어 주는 플랩밸브(30)와, 감속기(20)에 연동되어 플랩밸브(30)의 개도각 변화에 따른 신호값을 발생하는 밸브센서모듈(70)과, 밸브센서모듈(70)의 신호값 이상시 밸브 작동이상을 표시하는 디스플레이(80)로 구성됨으로써, 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 극히 정밀하게 제어할 수 있고 특히 밸브의 작동 이상 유무가 신속히 체크될 수 있다.

1 : 밸브하우징 2 : 하우징바디
3 : 공기통로 4 : 컨트롤박스
10 : 스테핑 모터
20 : 감속기 21 : 스테핑기어
22 : 감속기어 23 : 밸브기어
24 : 리턴스프링 30 : 플랩밸브
40 : 메인기판 50 : 라쳇(Ratchet)
60 : 히터
70 : 밸브센서모듈 71 : 센서가이드바
72 : 센서하우징 73 : 하우징커낵터
74 : 회전판 75 : 캐리어(Carrier)
75-1 : 제1디텍터 75-2 : 제2디텍터
76 : 디텍터(Detector) 76-1 : 제1위치필름
76-2 : 제2위치필름 77 : 센서기판
80 : 디스플레이

Claims (12)

1 펄스신호에 해당하는 입력회전각도로 회전되는 스테핑 모터와;
상기 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해주는 감속기와;
상기 감속기에 연결되고, 상기 감속기가 상기 출력회전각도로 회전됨으로써 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 열어 주거나 닫아주는 플랩밸브와;
상기 출력회전각도에 따라 변화되는 신호값을 발생하도록 상기 감속기의 회전을 검출하는 밸브센서모듈과;
상기 신호값을 통해 상기 스테핑 모터의 구동을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)의 출력신호로 밸브 작동상태가 표시되는 디스플레이;가 포함되고,
상기 밸브센서모듈은 상기 스테핑 모터의 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 감속기의 밸브기어에 연결된 센서가이드바와, 외부기기 연결용 하우징커낵터를 갖춘 센서하우징과, 상기 센서하우징의 내부에서 상기 센서가이드바와 함께 회전되는 회전판과, 상기 회전판의 회전각도 변화를 검출하는 센서와, 상기 센서의 검출신호를 신호값으로 전환해 상기 ECU로 전송하는 센서기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 1에 있어서, 상기 감속기에는 상기 스테핑 모터의 온(On)시 함께 온(On)되어 상기 감속기의 구속 상태를 해제해주는 라쳇(Ratchet)이 더 구비되고, 상기 플랩밸브의 주변부위로는 수분의 결빙 시 열을 가하는 히터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 1에 있어서, 상기 스테핑 모터의 펄스신호는 1 펄스신호당 1.8도 회전각이고, 상기 감속기는 30:1의 감속비로 설정되며, 상기 감속기의 감속비로 조절되는 상기 플랩밸브의 개도량은 0.06도인 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 감속기는 상기 스테핑 모터에 연결되어 회전되는 스테핑기어와, 상기 스테핑기어에 맞물려 회전속도를 감속하고 토크를 증대하는 감속기어와, 상기 감속기어를 통해 회전되어 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 밸브기어와, 상기 밸브기어의 회전으로 탄성 변형되도록 상기 밸브기어에 결합된 리턴스프링으로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

삭제

청구항 1에 있어서, 상기 센서는 상기 회전판의 회전에 의한 각도변화를 검출하는 캐리어(Carrier)와, 상기 캐리어가 접촉되도록 상기 캐리어의 회전각도 변화영역에 위치되는 디텍터(Detector)로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 6에 있어서, 상기 캐리어는 상기 회전판의 축홀을 중심으로 서로 대향되는 위치로 구비된 한 쌍의 제1캐리어와 제2캐리어로 구성되고; 상기 디텍터는 상기 센서가이드바가 결합되는 상기 센서기판의 축홀에 대해 동심원을 이루면서 양끝부위가 단락된 한 쌍의 제1위치필름과 제2위치필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 7에 있어서, 상기 제1위치필름은 상기 제1캐리어와 접촉되고, 상기 제2위치필름은 상기 제2캐리어와 접촉되는 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 제1위치필름과 상기 제2위치필름은 카본(Carbon)재질이고, 상기 센서기판에 코팅되는 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브.

연료전지스택이 작동되면, 공기유량제어밸브의 구동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)와 밸브 오픈신호(Open Signal)가 연이어 발생되고, 이어 스테핑 모터가 온(On) 상태로 전환되는 밸브구동단계;
상기 스테핑 모터로 회전되는 감속기를 통해 플랩밸브가 회전되고, 상기 플랩밸브의 회전으로 연료전지스택에 이어진 공기통로가 열려지며, 상기 연료전지스택로 공급되는 공기유량이 상기 열려진 공기통로를 통과하는 밸브동작단계;
상기 감속기의 회전각 변화가 밸브센서모듈로 검출되고, 상기 밸브센서모듈의 검출된 신호값이 ECU로 전송되며, 상기 밸브센서모듈의 신호값이 상기 ECU에서 정상적인 신호값으로 판단되면, 상기 ECU는 밸브의 정상 동작 상태로 판단하고, 상기 ECU는 상기 밸브센서모듈의 신호값을 기반으로 상기 공기유량을 제어하는 센서기반제어단계;
상기 밸브센서모듈의 신호값을 정상적인 신호값으로 판단한 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 밸브정상인식단계;가 포함되어 수행되며,
상기 밸브오픈신호는 상기 스테핑모터가 수신하는 펄스신호이고, 상기 ECU는 상기 연료전지스택의 운전조건 변화를 검출할 때 상기 펄스신호를 요구하는 공기유량에 맞춘 새로운 펄스신호로 변화시켜줌으로써 상기 연료전지스택의 작동 동안 상기 공기유량 제어를 지속하는 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 제어방법.

삭제

청구항 10에 있어서, 상기 밸브동작단계가 수행된 후, 상기 감속기의 회전각 변화가 밸브센서모듈로 검출되고, 상기 밸브센서모듈의 검출된 신호값이 ECU로 전송되며, 상기 밸브센서모듈의 신호값이 상기 ECU에서 정상적인 신호값으로 판단되지 않으면 상기 ECU는 밸브의 비정상 동작 상태로 판단하고, 상기 ECU는 상기 공기유량의 제어를 중단하는 센서무시제어단계;
상기 밸브센서모듈의 신호값을 비정상적인 신호값으로 판단한 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 Error신호를 보내주는 밸브비정상인식단계;
가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 펄스기반작동 타입 공기유량조절밸브의 제어방법.

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