KR101655552B1

KR101655552B1 - 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템

Info

Publication number: KR101655552B1
Application number: KR1020140147906A
Authority: KR
Inventors: 한수동; 김형국
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: KR20160050220A

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 냉각수 히터 내 설치된 써모커플들의 배열에 따른 히터 내부 온도의 분포 및 변화를 토대로 냉각수 유량 및 수위를 예측 가능한 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택의 냉각수 히터 내부에 삽입되는 복수의 써모커플이 상하방향 및 전후방향으로 배열되어 설치되고, 연료전지 제어부에서는 상기의 각 써모커플로부터 감지한 히터 내부의 온도 정보를 기반으로 히터 내부의 위치별 온도 및 온도 변화를 파악하여서 히터 내부의 냉각수 유량 및 수위를 예측하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템 {System for estimating cooling water amount and level in fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 냉각수 히터의 내부 온도 분포를 파악하여 스택 냉각계의 냉각수 유량 및 수위를 예측하기 위한 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템에 관한 것이다.

기존 연료전지 차량의 냉각계 유량 측정의 직접적인 방법은 유량계를 루프에 설치하는 것이고, 간접적인 방법으로는 냉각수 순환펌프의 회전수(rpm)와 냉각계 각 부위의 압력값을 기반으로 추정하는 방법이 있다. 전자의 경우는 유량계 전/후단의 직선 구간 확보 등으로 패키지 및 원가 등에서 불리한 면이 있었고, 후자의 경우는 냉각수 온도 및 기포 유무에 따라 변수가 많은 관계로 정확한 유량 계측이 어려운 면이 있었다.

또한 냉각계 수위 예측의 경우에는 특정 위치에서의 온도값을 기반으로 수위를 판단하거나 압력값의 급격한 변화를 기반으로 예측을 하는 경우가 많았다. 압력값으로 수위를 판단하는 경우는 수위 판단이 센서 감지부를 기반으로 1레벨 밖에 구분되지 않는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 냉각수 히터 내 설치된 써모커플(T/C)들의 배열에 따른 히터 내부 온도의 분포 및 변화를 토대로 냉각수 유량 및 수위를 예측 가능한 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 연료전지 스택의 냉각수 히터 내부에 삽입되는 복수의 써모커플이 상하방향 및 전후방향으로 배열되어 설치되고, 연료전지 제어부에서는 상기의 각 써모커플로부터 감지한 히터 내부의 온도 정보를 기반으로 히터 내부의 위치별 온도 및/또는 온도 변화를 파악하여서 히터 내부의 냉각수 유량 및/또는 수위를 예측하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수가 풀(full)로 만충된 경우, 상기 써모커플들의 온도 정보를 기반으로, 히터 내부 온도가 낮아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 증가한 것으로 판단하고, 히터 내부 온도가 높아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 감소한 것으로 판단한다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수 유량이 일정하게 고정되고 히터 내부의 냉각수 수위가 만충되지 않은 경우, 히터 내부의 상단부 온도가 상승한 것으로 인지되면 히터 내부의 냉각수 수위가 낮아진 것으로 판단한다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부의 상하방향을 기준으로, 히터 중앙부의 온도 변화량이 히터 상단부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량 저하가 발생한 것으로 판단하고, 히터 상단부의 온도 변화량이 히터 중앙부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 수위 저하가 발생한 것으로 판단한다.

본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템에 의하면, 연료전지 히터 내부에 설치된 써모커플들을 이용하여 히터 내부 온도뿐 아니라 히터 내 냉각수 유량 및 수위를 예측할 수 있고, 히터 내 냉각수 유량 및 수위를 예측함으로써 기존에 냉각수 유량 및 수위 측정을 위해 사용되던 유량계 혹은 수위센서의 기능을 대체할 수 있고, 히터 내부 온도 분포의 신속한 파악으로 히터 과열을 방지할 수 있다.

또한, 기존에 사용되던 수위센서 혹은 압력센서 및 온도센서를 이용한 1레벨 수위 구분이 아닌, 여러 단계의 냉각수 수위 레벨을 판단할 수 있고, 냉각수 수위 저하 및 냉각수 유량 저하를 구분 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 히터 내 냉각수 만충시 히터 내부 온도 정보를 기반으로 냉각수 유량 예측 방법을 설명하기 위한 개요도
도 2는 본 발명에 따라 히터 내 냉각수 비만충시(불완전 충전시) 히터 내부 온도 정보를 기반으로 냉각수 수위 예측 방법을 설명하기 위한 개요도
도 3은 히터 내부 온도 데이터로서 매트릭스 형태로 배열된 데이터 집합인 매트릭스 데이터 세트를 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

알려진 바와 같이, 연료전지 차량의 스택 냉각계에는 연료전지 스택의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터와 스택에 냉각수를 공급하는 냉각수 펌프 등이 구성된다.

본 발명에서는 냉각수 히터 내부에 설치된 히터 과열 감지용 써모커플(Thermocouple, T/C)들을 이용하여 히터 내부의 온도뿐 아니라 히터 내부의 냉각수 유량 및 수위를 예측할 수 있도록 한다.

특히, 본 발명에서는 히터 내부에 매트릭스 형태로 배열된 다수의 써모커플로부터 수집되는 온도 정보들을 기반으로 냉각수 수위 저하의 위치(높이)를 세밀하게 판단할 수 있을 뿐만 아니라 온도 변화의 정보들을 기반으로 냉각수 수위 변화/저하시와 냉각수 유량 변화/저하시를 구분할 수 있으며, 이러한 장점으로부터 시스템 정지가 아닌 보다 세분화된 시스템 운전 대응이 가능하게 한다.

도 1은 히터 내 냉각수 만충시 히터 내부 온도 정보를 기반으로 냉각수 유량 예측 방법을 설명하기 위한 개요도이고, 도 2는 히터 내 냉각수 비만충시(불완전 충전시) 히터 내부 온도 정보를 기반으로 냉각수 수위 예측 방법을 설명하기 위한 개요도로서, 여기서 x(Tmn)으로 표시된 곳은 히터 내 써모커플이 설치된 위치를 개략적으로 보여준다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 스택의 냉각수 히터(10) 내부에는 복수의 써모커플(Thermocouple, T/C)(12)이 삽입되어 설치되고, 이때 복수의 써모커플(12)은 히터(10) 내에 상하방향 및 전후방향으로 나열되어 매트릭스 형태의 배열을 이룬다.

그리고, 도면으로 나타내지는 않았지만, 연료전지 시스템의 통합 제어를 위한 연료전지 제어부(미도시)에서는 상기 복수의 써모커플(12)로부터 수집되는 온도 정보를 기반으로 냉각수 히터(10)의 내부 온도 분포 및 변화를 위치별로 파악한다.

상기 연료전지 제어부에서는 히터(10) 내부의 위치별 온도 정보 및 변화를 파악하기 위해, 복수의 써모커플(12)로부터 수집되는 온도 정보를 한 개의 정보 단위로 취급할 수 있도록 매트릭스 데이터 세트(Matrix data set, 도 3 참조)로 구축하여 모니터링함으로써 각 써모커플들의 위치에 따라 히터 내부의 온도 분포를 파악할 수 있게 된다.

도 3은 써모커플들로부터 수집한 온도 정보를 기반으로 히터 내부 온도 분포를 m x n 매트릭스 데이터 세트(matrix data set) 형태로 나타낸 것이다.

알려진 바에 의하면, 냉각수 히터는 열전달 조건이 냉각수 강제 냉각 -> 냉각수 담수 냉각(유동 정지) -> 냉각수 공기 노출 순으로 악화되므로, 열전달 조건이 악화되는 순서에 따라 히터 내부 온도(써모커플의 측정온도 값)는 상승하게 된다.

이러한 원리를 이용하여 그리고, 도 1 및 도 2의 우측 그래프와 같은 맵핑(mapping)화를 통해, 본 발명에서는 냉각계의 냉각수 유량 및 수위 예측이 가능하다.

즉, 상기의 연료전지 제어부에서는 히터(10) 내부의 각 써모커플(12)로부터 감지한 히터 내부의 온도 정보를 기반으로 히터 내부의 위치별 온도(히터 내부의 온도 분포) 및 온도 변화의 정보를 파악하여서 히터 내부의 냉각수 유량 및 수위를 예측한다.

먼저, 히터(10) 내부에 냉각수가 풀(full)로 만충시(완충시) 써모커플(12)들로부터 수집한 히터 내부 온도 분포 정보를 통해 냉각수 유량을 예측할 수 있다.

냉각수가 히터(10) 내부에 풀(full)로 완충이 되어 히터(10)를 통과할 경우 히터(10)의 냉각수 입구 온도(T_in)를 고정된 값으로 가정하면 유량의 대소에 따라 히터(10) 내부의 온도분포는 도 1의 우측 그래프와 같은 분포를 보이게 된다.

히터(10) 내부의 중앙부 온도가 상하 양끝부에 비해 높은 이유는 히터 중앙의 냉각 조건이 양끝에 비해 불리하기 때문이다. 따라서 히터 내부에 냉각수 유량이 많아지면 히터 내부의 온도(써모커플의 측정값)는 낮아지게 되고(도 1의 C 곡선 대비 A 곡선 참조), 히터 내부에 냉각수 유량이 적어지면 히터 내부의 온도는 높아지게 된다(도 1의 C 곡선 대비 B 곡선 참조).

따라서, 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수가 풀(full)로 만충된 경우 히터(10) 내 써모커플(12)들의 온도 정보를 기반으로, 히터 내부 온도가 낮아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 증가한 것으로 판단하고, 히터 내부 온도가 높아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 감소한 것으로 판단한다.

또한, 히터(10) 내 냉각수의 불완전 충진상태(히터 내 냉각수가 가득 채워지지 않은 상태) 또는 냉각수 리크로 인한 냉각수 수위 저하시, 써모커플(12)들로부터 수집하는 온도 정보를 기반으로 한 히터 내부 온도 분포를 통해 히터(10) 내 냉각수 수위를 예측할 수 있다.

도 2를 참조하면, 히터(10)의 냉각수 입구 온도와 냉각수 유량을 고정된 값으로 가정할 경우, 즉 히터(10)의 냉각수 입구 온도와 냉각수 유량이 고정된 값을 가지는 동시에, 히터 내 냉각수 수위가 점차 저하되면 공기 중으로 노출되는 상단부 써모커플들의 수가 많아지게 되어, 도 2의 우측 그래프와 같이 냉각수 수위가 낮아질수록 상단부 써모커플들의 온도(즉, 히터 내부의 상단부 온도)가 점차 상승하는 형태를 가지게 된다. 이러한 온도 분포의 상승 경향을 근거로 히터 내부 냉각수 수위를 예측 가능하게 된다.

따라서, 상기 연료전지 제어부에서는 히터(10) 내부에 냉각수 유량이 일정하게 고정되고 히터 내부에 냉각수가 만충되지 않은 경우, 써모커플(12)들의 온도 정보를 기반으로 히터 내부의 상단부 온도가 상승한 것으로 인지되면 히터 내부의 냉각수 수위가 낮아진 것으로 판단한다.

즉, 연료전지 제어부에서는 히터(10) 내부에 냉각수 유량이 일정하게 고정되고 히터 내부에 냉각수가 만충되지 않은 경우, 히터(10) 내부의 상하방향을 기준으로 상단부에 배치된 써모커플들의 측정 온도가 하단부에 배치된 써모커플 대비 상승하면 히터 내부의 냉각수 수위가 낮아지는 것으로 판단한다.

히터(10) 내 냉각수 수위가 만충된 상태로 고정되는 동시에 히터 내 냉각수 유량이 변화 및 감소시에는, 도 1에서 보는 바와 같이 히터 중앙부의 온도 변화량(Ta1)이 히터 상단부의 온도 변화량(Tb1)보다 크게 된다. 반면, 히터(10) 내 냉각수 유량이 고정되는 동시에 히터 내 냉각수의 수위 변화 및 감소시에는, 히터 상단부의 온도 변화량(Tb2)이 히터 중앙부의 온도 변화량(Ta2)보다 크게 되는데, 이러한 경향을 이용하면 온도변화의 원인이 냉각수의 유량 변화/감소인지 수위 변화/감소인지 구분 가능하게 된다.

따라서, 상기 연료전지 제어부에서는 히터(10) 내부의 상하방향을 기준으로, 히터 중앙부의(즉, 히터 중앙부에 배치된 써모커플들의) 온도 변화량이 히터 상단부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량 변화/저하가 발생한 것으로 판단하고, 히터 상단부의 온도 변화량이 히터 중앙부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 수위 변화/저하가 발생한 것으로 판단한다.

이와 같이 본 발명에서는 히터 중앙부의 온도 상승량과 히터 상단부의 온도 상승량을 비교 판단하여 냉각수 수위 저하로 인한 온도 변화인지 혹은 냉각수 유량 저하로 인한 온도 변화인지 구분 가능하다.

이에 따라, 일괄적인 시스템 정지가 아닌 전자의 경우(히터 중앙부의 온도 변화량(Ta1)이 히터 상단부의 온도 변화량(Tb1)보다 큰 경우)에는 냉각수 펌프의 회전수(rpm)를 상승시키거나 시스템 내부에 냉각수 유량 저하의 원인을 파악하는 것이 바람직하고, 후자의 경우(히터 상단부의 온도 변화량(Tb2)이 히터 중앙부의 온도 변화량(Ta2)보다 큰 경우)에는 히터 내부 냉각수 상단부의 기포 제거 및 냉각수 보충을 하는 것이 바람직하다.

보통 히터 내 냉각수 수위가 감소/저하되어 운전(스택의 운전)되는 경우 히터의 냉각수 입구(도 2의 14 참조) 혹은 출구(도 2의 16 참조) 주변 상단에 기포가 트랩되는 경우가 많은데, 만약 T₁₁(도 1 내지 3 참조)의 온도 상승이 지배적이면 히터(10)의 냉각수 입구(14) 측에 근접한 전단 밸브(도 2의 18 참조)를 일시적으로 오픈(OPEN)하고 T_1n(도 1 내지 3 참조)의 온도 상승이 지배적이면 히터의 냉각수 출구(16) 측에 근접한 후단 밸브(도 2의 22 참조)를 일시적으로 오픈하여 냉각계 내 기포 제거로 히터 내 냉각수 수위 회복이 가능하다.

즉, 히터 중앙부의 온도 변화량이 히터 상단부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되는 경우, 즉 히터 내 냉각수 수위가 저하된 경우, 더 세부적으로 히터 내 상단부의 과열 위치(일례로, T₁₁ 혹은 T_1n)를 판단한 후 히터 내 특정 부위의 기포를 리저버(20)로 토출시켜 냉각수 수위를 회복 가능하다.

상기와 같은 방법을 통해 히터 내 냉각수 유량 및 수위를 예측함으로써 기존에 냉각수 유량 및 수위 측정을 위해 사용되던 유량계 혹은 수위센서의 기능을 대체할 수 있고, 히터 내부 온도 분포의 신속한 파악으로 히터 과열을 방지할 수 있다.

또한, 종래기술에 따라 수위센서 혹은 압력센서 및 온도센서를 이용하여 냉각수 수위를 판단하는 경우 수위 판단이 센서 감지를 기반으로 1레벨 밖에 구분되지 않는 반면, 본 발명에서는 여러 단계의 냉각수 수위 레벨 구분이 가능하고, 냉각수 수위 저하 및 냉각수 유량 저하를 구분 가능한 이점이 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 히터
12 : 써모커플
14 : 냉각수 입구
16 : 냉각수 출구
18 : 전단밸브
20 : 리버저
22 : 후단밸브

Claims

연료전지 스택의 냉각수 히터 내부에 삽입되는 복수의 써모커플이 상하방향 및 전후방향으로 배열되어 설치되고, 연료전지 제어부에서는 상기의 각 써모커플로부터 감지한 히터 내부의 온도 정보를 한 개의 정보단위로 취급할 수 있도록 매트릭스 데이터 세트로 구축하여 모니터링함으로써 히터 내부의 위치별 온도 또는 온도 변화를 파악하여서 히터 내부의 냉각수 유량 또는 수위를 예측하되,
상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부의 상하방향을 기준으로, 히터 중앙부의 온도 변화량이 히터 상단부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량 저하가 발생한 것으로 판단하고, 히터 상단부의 온도 변화량이 히터 중앙부의 온도 변화량보다 큰 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 수위 저하가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수가 풀(full)로 만충된 경우 상기 써모커플들의 온도 정보를 기반으로 히터 내부 온도가 낮아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 증가한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수가 만충된 경우 상기 써모커플들의 온도 정보를 기반으로 히터 내부 온도가 높아진 것으로 인지되면 히터 내 냉각수 유량이 감소한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 제어부에서는 히터 내부에 냉각수 유량이 일정하게 고정되고 히터 내부의 냉각수 수위가 만충되지 않은 경우, 히터 내부의 상단부 온도가 상승한 것으로 인지되면 히터 내부의 냉각수 수위가 낮아진 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 유량 및 수위 예측 시스템.
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