KR101394971B1 - 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법 - Google Patents

차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법 Download PDF

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김민진
손영준
박구곤
배병찬
임성대
최영우
박석희
양태현
이원용
김창수
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 공정변수를 기반으로 품질변수를 예측하여 실시간으로 제공할 수 있는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법을 제공한다.

Description

차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR SOFTSENSING FULE CELL VEHICLE SYSTEM }
본 발명은 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 공정변수를 기반으로 품질변수를 예측하여 실시간으로 제공할 수 있는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석연료는 매장량이 매우 제한되어 있어 고갈될 수밖에 없다. 특히, 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주배출원이 화석연료이기 때문에 선진국들은 화석연료를 줄이기 위해 대체에너지나 원자력을 이용한 수소에너지 개발 등에 주력하고 있다. 대체에너지로 부각되고 있는 에너지원은 태양에너지, 풍력발전, 수소에너지, 바이오메스 등 여러 가지가 있다. 태양열이나 풍력은 보조설비를 갖추어야 하며, 집열판이나 풍차를 설치하려면 넓은 공간이 필요하며 생태계 파괴, 소음 등의 또 다른 환경문제도 발생한다. 미래에너지는 환경친화(Environmental acceptability), 경제성(Economic productibility), 수급안정성(Eternal capability) 등의 요건이 필요하다.
연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.
연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.
연료전지 차량은 수소와 산소의 화학 반응을 이용하는 연료 전지가 전기 모터를 구동시키는 방식의 미래형 자동차이며, 미래 자동차 산업을 주도할 가능성이 높다. 이 기술의 장점은 획기적인 연비향상을 통한 운행비용절감과 함께 배기가스 감소에 따른 대기오염방지 효과를 기대할 수 있다.
연료전지 자동차의 상용화를 위해서는 합리적인 가격의 연료전지 자동차 제조 방법, 효율성 높은 연료전지 시스템의 개발, 합리적인 가격으로 대량의 수소를 얻는 기술, 안전한 수소 수송 시스템, 수소 저장소, 차량용 충전을 위한 합리적인 가격의 가압장치 및 수소 인프라의 구축등 해결해야 할 많은 문제점이 있다. 그 중 연료전지 시스템 운전 시 운전의 안정성 및 시스템의 성능 향상을 위해 센서로 직접 측정이 불가능한 품질변수의 예측기술이 필요하다.
한국공개특허 [10-2012-0064204]에서는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기 및 이를 이용한 응축수 드레인 제어 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2012-0064204]
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공정변수를 기반으로 연료전지 시스템 운전 시 운전의 안정성 및 시스템의 성능 향상을 위해 센서로 직접 측정이 불가능한 품질변수를 예측하여 제공하기 위한 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치에 있어서, 차량용 연료전지 시스템(40)의 자체 컨트롤부와 연결 되는 연결부(100); 상기 연결부(100)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 데이터를 입력받는 수집부(200); 상기 수집부(200)와 연결되어 상기 입력받은 데이터를 기반으로 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 품질변수를 예측하는 품질변수 예측부(300); 및 상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 예측된 품질변수를 출력시키는 모니터링부(400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수집부(200)는 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나의 정보를 수집하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 품질변수 예측부(300)에서 예측 가능한 품질변수는 차량용 연료전지 스택의 플러딩 인덱스(flooding index)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모니터링부(400)는 연료전지 차량의 운전석 내부에 구비되어 모니터링이 가능한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)는 전원공급용 배터리를 포함하여 구성되며, 상기 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)에 전원을 공급하는 전원공급부(600);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)는 상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 모든 데이터를 저장 및 관리하는 데이터 저장부(700); 및 상기 데이터 저장부(700)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)을 해석하여 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 특성을 추정하는 연료전지 해석부(800);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법에 있어서, 차량용 연료전지 시스템(40)의 자체 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 품질변수 예측부(300) 및 모니터링부(400)를 포함하여 구성되는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)의 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법에 있어서, 품질변수에 영향을 미치는 공정변수를 선정하는 공정변수 선정 단계(S10); 상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 가변에 따라 품질변수인 차량용 연료전지 스택 수소극 플러딩 지수 또는 차량용 연료전지 스택 산소극 플러딩 지수의 측정결과를 수집하는 모델링 데이터 수집 단계(S20); 상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)에서 수집된 상기 공정변수와 품질변수의 상관성을 표현하는 경험모델을 구축하는 모델 구축 단계(S30); 상기 모델구축 단계(S30)에서 구축된 모델의 회귀분석에 따른 결정계수(R2: R-square)를 검증하는 모델 정확도 검증 단계(S40); 및 상기 정확도 검증 단계(S40)에서 모델의 회귀분석에 따른 결정계수가 미리 결정된 허용값 이상일 경우 상기 검증 단계에서 검증된 모델을 적용시키는 모델 적용 단계(S50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공정변수 선정 단계(S10)의 공정변수는 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)는 상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 운전 가능 범위를 결정하는 운전범위 설정단계(S21); 상기 운전범위 설정단계(S21)에서 설정된 범위에 따라 공정변수의 체계적인 실험계획법을 수립하는 실험계획법 수립단계(S22); 및 상기 실험계획법 수립단계(S22)에서 수립된 실험계획법에 따라 공정변수의 변화된 값에 따른 차량용 연료전지 스택의 수소극 또는 산소극 배출구의 습도를 측정하는 습도 측정 단계(S23);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 모델 구축 단계(S30)는 차량용 연료전지 스택의 수소극 및 차량용 연료전지 스택의 산소극 각각에서, 모델로 예측된 습도가 100%를 기준으로 미리 결정된 플러딩 값 이상이면 플러딩, 그 이하이면 플러딩이 아닌 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법에 의하면, 공정변수를 기반으로 품질변수를 실시간으로 예측하여 연료전지 시스템 운전 시 운전의 안정성 및 시스템의 성능 향상을 위한 정보로 사용 되는 직접 측정이 불가능한 품질변수를 실시간으로 제공받을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 수소 연료를 직접 충전하여 사용하는 연료전지 차량의 개념도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치의 개념도.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법의 순서도.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 관리 장치는 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 수소 연료를 직접 충전하여 사용하는 연료전지 차량의 개념도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치의 개념도이며, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치 및 방법은 차량용 연료전지 시스템의 공정변수를 입력받아 상기 차량용 연료전지 시스템의 품질변수를 실시간으로 예측하고, 연료전지 시스템 운전 시 운전의 안정성 및 시스템의 성능 향상을 위한 정보로 사용 되는 직접 측정이 불가능한 품질변수를 실시간으로 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 연료전지 차량은 수소 연료를 직접 충전하여 사용한다. 연료전지의 에너지원인 연료로 수소, 메탄올 및 가솔린 등이 이용될 수 있지만 메탄올, 가솔린의 경우에는 수소발생장치(개질기)가 추가되어야 하는 기술적 난제와 고비용 문제 때문에 단순히 수소를 연료로 주입한 차량이 현재의 일반적인 연료전지 자동차이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수소 연료를 직접 충전하여 사용하는 연료전지 차량의 차량용 연료전지 시스템(40)은 크게 차량용 연료전지 모듈(10)과 전기차량모듈(20)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 차량용 연료전지 모듈(10)은 차량용 연료전지 스택(11), DC/DC컨버터(12) 및 주변장치(BOP)(13)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 주변장치(BOP)(13)는 스택공기 블로워, 스택 냉각용 물펌프, 스택용 가습기, 수소 공급장치(수소탱크, 레귤레이터, 제어기), 재순환장치(블로워, 이젝터), 열교환기, 라디에이터, 냉각 팬, 제어장치, 각종 밸브 및 센서 등이 될 수 있다. 또한, 상기 전기차량모듈(20)은 배터리(29), 차량용 보조기기(21), DC/AC컨버터(22), 모터(23), 변속기(24) 및 바퀴(25)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 상기 배터리(29)가 생략 될 수 있다.
수소 연료를 직접 충전하여 사용하는 연료전지 자동차의 작동 원리에 대해 간략하게 설명하면, 상기 수소 연료(30)가 상기 차량용 연료전지 스택(11)에 공급되면 전기가 발생된다. 발생된 전기를 상기 DC/DC컨버터(12)를 이용하여 필요한 DC 전력으로 변환 시키고, 변환된 DC 전력은 상기 주변장치(BOP)(13)와 상기 배터리(29)에 공급된다. 상기 배터리(29)에 공급된 전력은 상기 차량용 보조기기(21)와 상기 DC/AC인버터(22)에 공급된다. 상기 DC/AC 인버터에 공급된 전력은 AC 전력으로 변환되며, 변환된 AC 전력은 상기 모터(23)를 가동한다. 상기 모터(23)에 의해 기계적인 에너지로 변형된 동력은 상기 변속기(24)를 통해 상기 바퀴(25)로 전달되며 연료전지 차량을 구동한다.
만약, 상기 배터리(29)가 생략 된다면 변환된 DC 전력은 상기 주변장치(BOP)(13), 상기 차량용 보조기기(21) 및 상기 DC/AC인버터에 공급된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치는 연결부(100), 수집부(200), 품질변수 예측부(300) 및 모니터링부(400)를 포함하여 구성된다.
일반적인 차량용 연료전지 모듈(10)은 차량용 연료전지 스택(11)의 상태를 입력받아 연료전지를 컨트롤 하며, 외부와 연결 가능한 컨트롤부(미도시)를 포함하여 구성된다. 이러한 외부 연결용 컨트롤부(미도시)는 상기 차량용 연료전지 모듈(10)뿐 아니라 상기 전기차량모듈(20)에도 포함되어 구성이 가능하며, 상기 차량용 연료전지 모듈(10) 및 상기 전기차량모듈(20)을 포함하여 구성되는 상기 차량용 연료전지 시스템(40)에도 구성이 가능하다.
연결부(100)는 차량용 연료전지 시스템(40)의 자체 컨트롤부와 연결 된다. 여기서, 상기 연결부(100)는 상기 수집부(200)에서 요구하는 정보를 제공할 수 있으며 차량용 연료전지 모듈(10), 전기차량모듈(20) 또는 차량용 연료전지 시스템(40)의 자체 컨트롤부에 연결할 수 있다.
수집부(200)는 상기 연결부(100)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 데이터를 입력받는다. 상기 차량용 연료전지 시스템(40)에서 입력되는 데이터는 직접 측정된 데이터, 외부로부터 입력받은 데이터 및 상기 직접 측정된 데이터를 이용하여 산출된 데이터가 될 수 있다. 이때, 상기 수집부(200)는 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나의 정보를 수집하는 것을 특징으로 할 수 있다.
품질변수 예측부(300)는 상기 수집부(200)와 연결되어 상기 입력받은 데이터를 기반으로 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 품질변수를 예측한다. 이때, 상기 품질변수 예측부(300)에서 예측 가능한 품질변수는 차량용 연료전지 스택의 플러딩 인덱스(flooding index)인 것을 특징으로 할 수 있다. 고분자 전해질 연료전지에서 셀 내부에서 물이 정상적으로 외부로 배출되지 못하는 경우 이를 플러딩(Flooding)이라고 하며, 플러딩이 발생하게 되면 연료나 산소가 전극촉매까지 이동하기가 어려워지기 때문에 셀의 전압이 떨어지게 된다. 특히 스택의 경우 각 셀간의 전압편차가 심해지는 주요한 원인 중의 하나이다.
스택의 경우 각 셀간으로 균일한 연료나 공기의 공급이 이루어지지 않을 경우 유량이 상대적으로 낮은 특정 셀에서 플러딩 현상이 발생할 수 있다. 이외에도 스택 입출구에서의 차압의 정도, 연료나 공기 이용율, 스택의 운전온도, 냉각수의 입출구 온도 편차 등 다양한 원인에 의해서 플러딩이 발생할 수 있으므로 스택 내의 물 관리(Water Management)는 매우 중요하다.
모니터링부(400)는 상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 예측된 품질변수를 출력시킨다. 이때, 상기 모니터링부(400)는 연료전지 차량의 운전석 내부에 구비되어 모니터링이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
연료전지 차량에 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)를 연결하려 할 때, 상기 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)의 모든 구성요소가 하나의 조립체로 형성될 경우, 일반적인 연료전지 차량은 차량용 연료전지 시스템(40)이 차량의 뒤쪽, 차량의 바닥 및 차량의 앞쪽 등에 설치되어 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)의 모든 구성요소가 상기 차량용 연료전지 시스템(40)에 설치될 경우 운전석에서 직접 모니터링 및 조작이 어려울 수 있다. 그러므로 상기 연결부(100)와 다른 구성요소간의 연결을 케이블로 하여, 상기 연결부(100)가 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 컨트롤부에 연결됨으로 다른 구성요소들을 자유롭게 배치할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자적인 제어를 하는 장치이므로 고접압이 발생되는 상기 차량용 연료전지 시스템(40)과 일정거리 이상 이격되어 전자파장애(EMI: Electro-Magnetic Interference)와 전기적 감수성(EMS: Electro-Magnetic Susceptibility) 등 전기 전자 기기로부터 불필요하게 발생되는 전자파 노이즈를 줄여 전자파 내성을 강화하는 장점도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)는 전원공급용 배터리를 포함하여 구성되며, 상기 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)에 전원을 공급하는 전원공급부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)는 데이터 저장부(700) 및 연료전지 해석부(800)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
데이터 저장부(700)는 상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 모든 데이터를 저장 및 관리한다. 이때 저장되는 데이터는 수집부에 수집된 공정변수, 공정변수를 기반으로 예측된 품질변수, 품질변수를 예측하기 위해 구축된 경험모델 및 경험델이 적용되어 품질변수를 예측한 기간 등이 될 수 있다.
연료전지 해석부(800)는 상기 데이터 저장부(700)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)을 해석하여 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 특성을 추정한다. 여기서 해석된 차량용 연료전지 시스템(40)의 특성 정보는 향후 차량용 연료전지 시스템(40)의 성능 및 수명 등을 향상시키기 위한 연구 자료로 활용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법은 차량용 연료전지 시스템(40)의 자체 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 품질변수 예측부(300) 및 모니터링부(400)를 포함하여 구성되는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)의 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법에 있어서, 공정변수 선정 단계(S10), 모델링 데이터 수집 단계(S20), 모델 구축 단계(S30), 모델 정확도 검증 단계(S40) 및 모델 적용 단계(S50)를 포함하여 이루어진다.
공정변수 선정 단계(S10) 품질변수에 영향을 미치는 공정변수를 선정한다. 이때, 상기 공정변수 선정 단계(S10)의 공정변수는 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
모델링 데이터 수집 단계(S20)는 상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 가변에 따라 품질변수인 차량용 연료전지 스택 수소극 플러딩 지수 또는 차량용 연료전지 스택 산소극 플러딩 지수의 측정결과를 수집한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)는 운전범위 설정단계(S21), 실험계획법 수립단계(S22) 및 습도 측정 단계(S23)를 포함하여 이루어질 수 있다.
운전범위 설정단계(S21)는 상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 운전 가능 범위를 결정한다.
실험계획법 수립단계(S22)는 상기 운전범위 설정단계(S21)에서 설정된 범위에 따라 공정변수의 체계적인 실험계획법을 수립한다. 다시 말해, 상기 운전범위 설정단계(S21)에서 설정된 운전 가능 범위를 기준으로 모든 값에 따라 측정을 하려면 많은 시간과 자원이 소모 되므로 체계적인 실험계획법에 따라 공정변수의 운전 가능 범위 중 측정에 사용될 값을 설정할 수 있다.
습도 측정 단계(S23)는 상기 실험계획법 수립단계(S22)에서 수립된 실험계획법에 따라 공정변수의 변화된 값에 따른 차량용 연료전지 스택의 수소극 또는 산소극 배출구의 습도를 측정한다.
모델 구축 단계(S30)는 상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)에서 수집된 상기 공정변수와 품질변수의 상관성을 표현하는 경험모델을 구축한다. 이때, 상기 모델 구축 단계(S30)는 차량용 연료전지 스택의 수소극 및 차량용 연료전지 스택의 산소극 각각에서, 모델로 예측된 습도가 100%를 기준으로 미리 결정된 플러딩 값 이상이면 플러딩, 그 이하이면 플러딩이 아닌 것으로 판정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 일반적으로 100% 이상이면 플러딩으로 판정하는 것이 바람직하다.
모델 정확도 검증 단계(S40)는 상기 모델구축 단계(S30)에서 구축된 모델의 회귀분석에 따른 결정계수(R2: R-square)를 검증한다.
회귀 분석은 한 변수를 이용하여 다른 변수의 값을 설명하거나 예측할 수 있는 모형으로 자료를 분석하는 것이다. 이때 설명하는 변수를 독립 변수 또는 설명 변수라 하고 설명이 되거나 예측이 되는 변수를 종속 변수 또는 반응 변수라고 한다. 설명하는 독립 변수가 하나인 경우 단순 회귀 분석, 설명하는 독립 변수가 두 개 이상인 경우는 다중 회귀 분석이라고 한다.
결정계수(R2)는 표본회귀선이 종속변수인 Y의 변동량을 어느정도 설명해주느냐를 나타내주며, SSR/SST(SSR: Model의 Sum of square 값, SST: Corrected Total의 Sum of square 값)의 결과값으로 구할 수 있다.
회귀분석에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 결정계수 값이 높을수록 신뢰도가 높다.
모델 적용 단계(S50)는 상기 정확도 검증 단계(S40)에서 모델의 회귀분석에 따른 결정계수가 미리 결정된 허용값 이상일 경우 상기 검증 단계에서 검증된 모델을 적용시킨다. 상기 정확도 검증 단계(S40)에서 모델의 회귀분석에 따른 결정계수가 미리 결정된 허용값 미만일 경우 상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)부터 상기 단계들을 순차적으로 반복할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 차량용 연료전지 모듈 11: 차량용 연료전지 스택
12: DC/DC컨버터 13: 주변장치(BOP)
20: 전기차량모듈 21: 차량용 보조기기
22: DC/AC인버터 23: 모터
24: 변속기 25: 바퀴
29: 배터리 30: 수소 연료
40: 차량용 연료전지 시스템
1000: 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치
100: 연결부 200: 수집부
300: 예측부 400: 모니터링부
600: 전원공급부 700: 데이터 저장부
800: 연료전지 해석부
S10: 공정변수 선정 단계 S20: 모델링 데이터 수집 단계
S21:　운전범위 설정단계 S22: 실험계획법 수립단계
S23:　습도 측정 단계 S30: 모델 구축 단계
S40: 모델 정확도 검증 단계 S50: 모델 적용 단계

Claims (10)

  1. 차량용 연료전지 시스템(40)의 외부 연결용 컨트롤부와 연결 되는 연결부(100);
    상기 연결부(100)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 공정변수를 입력받는 수집부(200);
    상기 수집부(200)와 연결되어 상기 입력받은 공정변수를 기반으로 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 품질변수를 예측하는 품질변수 예측부(300);
    상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 예측된 품질변수를 출력시키는 모니터링부(400);
    상기 품질변수 예측부(300)와 연결되어 모든 데이터를 저장 및 관리하는 데이터 저장부(700); 및
    상기 데이터 저장부(700)와 연결되어 상기 차량용 연료전지 시스템(40)을 해석하여 상기 차량용 연료전지 시스템(40)의 특성을 추정하는 연료전지 해석부(800);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 수집부(200)는
    차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나의 공정변수를 수집하는 것을 특징으로 하고,
    상기 품질변수 예측부(300)에서 예측 가능한 품질변수는
    차량용 연료전지 스택의 플러딩 인덱스(flooding index)인 것을 특징으로 하며,
    상기 데이터 저장부(700)는 수집부에서 수집된 공정변수, 공정변수를 기반으로 예측된 품질변수, 품질변수를 예측하기 위해 구축된 경험모델 및 경험델이 적용되어 품질변수를 예측한 기간 중 선택되는 적어도 어느 하나의 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 모니터링부(400)는
    연료전지 차량의 운전석 내부에 구비되어 모니터링이 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)는
    전원공급용 배터리를 포함하여 구성되며, 상기 차량용 연료전지 시스템 관리 장치(1000)에 전원을 공급하는 전원공급부(600);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치.
  6. 삭제
  7. 차량용 연료전지 시스템(40)의 외부 연결용 컨트롤부와 착탈 가능하며, 연결부(100), 수집부(200), 품질변수 예측부(300) 및 모니터링부(400)를 포함하여 구성되는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 장치(1000)의 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법에 있어서,
    품질변수에 영향을 미치는 공정변수를 선정하는 공정변수 선정 단계(S10);
    상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 가변에 따라 품질변수인 차량용 연료전지 스택 수소극 플러딩 지수 또는 차량용 연료전지 스택 산소극 플러딩 지수의 측정결과를 수집하는 모델링 데이터 수집 단계(S20);
    상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)에서 수집된 상기 공정변수와 품질변수의 상관성을 표현하는 경험모델을 구축하는 모델 구축 단계(S30);
    상기 모델구축 단계(S30)에서 구축된 모델의 회귀분석에 따른 결정계수(R2: R-square)를 검증하는 모델 정확도 검증 단계(S40); 및
    상기 정확도 검증 단계(S40)에서 모델의 회귀분석에 따른 결정계수가 미리 결정된 허용값 이상일 경우 상기 검증 단계에서 검증된 모델을 적용시키는 모델 적용 단계(S50);
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 모델링 데이터 수집 단계(S20)는
    상기 공정변수 선정 단계(S10)에서 선정된 공정변수의 운전 가능 범위를 결정하는 운전범위 설정단계(S21);
    상기 운전범위 설정단계(S21)에서 설정된 범위 중 실험계획법에 따라 공정변수의 운전 가능 범위 중 측정에 사용될 값을 설정하여 실험계획법을 수립하는 실험계획법 수립단계(S22); 및
    상기 실험계획법 수립단계(S22)에서 수립된 실험계획법에 따라 공정변수의 변화된 값에 따른 차량용 연료전지 스택의 수소극 또는 산소극 배출구의 습도를 측정하는 습도 측정 단계(S23);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 공정변수 선정 단계(S10)의 공정변수는
    차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 유량, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 과급율, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구 수소 습도, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 유량, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 과급율, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구 산소 습도, 차량용 연료전지 스택 수소극 주입구와 배출구의 압력차, 차량용 연료전지 스택 산소극 주입구와 배출구의 압력차 및 차량용 연료전지 스택의 운전 전류 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 모델 구축 단계(S30)는
    차량용 연료전지 스택의 수소극 및 차량용 연료전지 스택의 산소극 각각에서, 모델로 예측된 습도가 100%를 기준으로 미리 결정된 플러딩 값 이상이면 플러딩, 그 이하이면 플러딩이 아닌 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템 소프트센싱 방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030016450A (ko) * 2001-08-16 2003-03-03 금호석유화학 주식회사 다차원 상관관계법에 의한 전력원의 성능 특성 예측방법
JP2007157414A (ja) * 2005-12-02 2007-06-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法
US20080182139A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Gm Global Technology Operations, Inc. Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack
US20110244350A1 (en) * 2008-12-26 2011-10-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030016450A (ko) * 2001-08-16 2003-03-03 금호석유화학 주식회사 다차원 상관관계법에 의한 전력원의 성능 특성 예측방법
JP2007157414A (ja) * 2005-12-02 2007-06-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法
US20080182139A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Gm Global Technology Operations, Inc. Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack
US20110244350A1 (en) * 2008-12-26 2011-10-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

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