KR101704134B1 - 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법 - Google Patents

연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스택 냉각 펌프에 구비된 모터의 출력(토크)를 측정하여 냉각수에 정상적인 전용 냉각수가 주입되었는지 여부와 냉각수에 불순물이 주입되었는지 여부를 판단하여 운전자에게 알려주는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법은 속도제어기에서 속도지령의 변화여부를 판단하는 단계, 냉각펌프에 구비된 모터의 속도가 일정하게 유지되면, 상기 냉각펌프의 정상상태의 출력과 현재상태의 출력을 비교하여 오차값의 발생 여부를 판단하는 단계 및 상기 오차값과 설정된 기준값을 비교하여 냉각수 조성에 이물질 포함 여부를 판단한다.

Description

연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법{Method for determining state of stack cooling water of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 차량의 스택 냉각 펌프에 구비된 모터의 출력(토크)을 이용하는 기술에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료극(anode)에 연료(수소)가 공급되는 동시에 산화극에 산화제(산소)가 공급됨에 따라, 연료극에서 촉매반응을 통하여 수소 이온을 분리하고, 이를 전해질막을 통하여 공기극인 산화극(cathode)으로 전달하면, 산화극에서는 연료극으로부터 이동해 온 수소이온과 전자, 그리고 산소가 참여하는 전기화학적 반응이 일어나며, 이 반응중의 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 얻을 수 있도록 한 것이다.
이러한 연료전지 시스템을 차량 동력원으로 적용함에 있어서, 대용량의 출력을 요구하므로 단위 구성인 연료전지 셀을 수십 개에서 수백 개 이상 적층시킨 연료전지 스택(이하, 스택이라 칭함)이 탑재된다.
스택의 효율적인 연료전지 반응을 위해서는 적정 온도를 유지할 필요가 있으며, 이를 위해 연료전지 시스템에는 냉각 펌프를 이용하여 냉각수를 스택으로 순환시킬 수 있는 열 및 물 관리 시스템이 포함되어 있다.
본 발명은 스택 냉각 펌프에 구비된 모터의 출력(토크)를 측정하여 냉각수에 정상적인 전용 냉각수가 주입되었는지 여부와 냉각수에 불순물이 주입되었는지 여부를 판단하여 운전자에게 알려주는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단방법은 속도제어기에서 속도지령의 변화 여부를 판단하는 단계, 냉각펌프에 구비된 모터의 속도가 일정하게 유지되면, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 시간 평균값((Iqcmd)mean) 및 표준편차((Iqcmd)std)를 계산하는 단계, 제 1 경과 시간이 상기 설정된 시간을 초과하였는지 여부를 판단하는 단계, 상기 제 1 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 현재의 냉각펌프에 구비된 모터의 속도에서 전류지령(Iqnormal), 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값((Iqcmd)min) 및 최대 기준값((Iqcmd)max)을 산출하는 단계, 상기 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 시간 평균값이 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최대 기준값보다 작고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값보다 크고, 전류지령(((Iqcmd)mean) - (Iqnormal))의 오차가 기준값(
Figure 112016072749336-pat00024
)을 초과하고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 표준 편차가 기준값(
Figure 112016072749336-pat00025
) 미만으로 기준시간 이상 유지되는 경우에는 냉각수 조성에 이물질이 포함되어 있다고 판단하는 단계, 제 2 경과 시간이 상기 설정된 시간을 초과하였는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 제 2 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 냉각수에 이상을 알리는 단계를 포함한다.
또한, 상기 속도제어기는 상기 속도지령 및 피드백된 상기 모터의 속도 및 위치의 센싱값을 수신하여 상기 모터의 토크를 발생시킬 수 있다.
삭제
삭제
삭제
또한, 상기 냉각수의 이상을 알리는 방법은 상기 연료전지 차량 내 구비된 클러스터 및 경고등을 이용할 수 있다.
또한, 상기 전류제어기는 상기 전류지령과 피드백된 전류의 센싱값을 수신하여 출력부의 출력 전류를 제어하는 상전압 출력값을 생성할 수 있다.
삭제
본 기술은 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환용 냉각 펌프에 구비된 모터의 출력(토크)의 변화를 이용하여 냉각수의 조성이 정상인지 여부를 판단할 수 있다.
아울러, 본 기술은 냉각수에 불순물 주입 여부 또는 어는점 상태 이상 여부를 파악함으로써, 스택의 절연 저하 및 동결에 의한 차량 시동 실패를 방지할 수 있다.
아울러, 본 기술은 냉각수에 불순물 주입에 따른 잦은 이온 제거 필터 교체를 방지할 수 있으며, 불순물에 의한 냉각 배관 및 스택 냉각판의 부식을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 속도에 따른 펌프 입출구 압력차이, 냉각수 유량 및 모터 출력을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 상태에 따라 모터 출력을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 속도를 제어하는 인버터의 제어기 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 냉각수의 정상 여부를 판단하는 순서도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1의 (i), (ii) 및 (iii)은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 회전속도에 따른 냉각 펌프의 압력차이, 냉각수 유량 및 모터 출력을 설명하는 도면이다.
정상적인 연료전지 차량의 스택 냉각수가 스택 냉각 배관에 주입된 경우에는 냉각수의 물성값이 동일하기 때문에 하기의 수식과 같이 냉각 펌프의 압력차(△P)와 냉각수 유량(Q)이 정상상태 값의 정상범위 이내로 운전되어 이들의 곱인 모터 출력(Power)을 나타낸다.
Figure 112014119739436-pat00004
도 1의 (i)을 참조하면, 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm)와 압력차(△P)를 그래프로 설명한 것이다. 여기서, 도 1의 (i)에서는 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm)에 따른 압력차(△P)가 정상범위의 값을 갖고, 정상범위 이내로 운전될 경우와 냉각수 내 이물질이 포함된 경우에 냉각 펌프의 회전속도에 따른 압력차(△P)가 정상범위보다 더 커지거나 작아지는 것을 나타내고 있다.
도 1의 (ii)를 참조하면, 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm)와 냉각수의 유량(Q)을 그래프로 설명한 것이다. 여기서, 도 1의 (ii)에서는 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm)에 따른 냉각수의 유량(Q)이 정상범위의 값을 갖고, 정상범위 이내로 운전될 경우와 냉각수 내 이물질이 포함된 경우에 냉각 펌프의 회전속도에 따른 냉각수의 유량(Q)이 정상범위보다 더 커지거나 작아지는 것을 나타내고 있다.
도 1의 (iii)을 참조하면, 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm)와 모터 토크(τ)를 그래프로 설명한 것이다. 여기서, 도 1의 (iii)에서는 하기의 수식과 같이 냉각 펌프의 회전속도(모터의 회전속도, Rpm, ω)에 따른 모터 토크(τ)가 정상범위의 값을 갖고, 정상범위 이내로 운전될 경우와 냉각수 내 이물질이 포함된 경우에 냉각 펌프의 회전속도에 따른 모터 토크(τ)가 정상범위보다 더 커지거나 작아지는 것을 나타내고 있다.
Figure 112014119739436-pat00005
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 상태에 따라 모터 출력을 설명하는 도면이다.
도 2의 (i)을 참조하면, 시간에 따른 냉각수 조성이 비정상인 경우(냉각수 조성이 이물질이 섞인 경우)에 모터 출력을 그래프로 설명한 것이다. 여기서, 냉각수 내 이물질이 많이 포함될수록 시간에 따른 모터 출력이 정상범위보다 더 커지거나 작아지는 것을 알 수 있다.
도 2의 (ii)를 참조하면, 시간에 따른 냉각수가 부족한 경우에 모터 출력을 그래프로 설명한 것이다. 여기서, 냉각수가 부족한 경우에 시간에 따른 모터 출력이 정상범위보다 더 커지거나 작아지는 것을 알 수 있다. 특히, 냉각수가 부족한 경우에는 모터 출력의 변화량이 매우 크다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 속도를 제어하는 인버터의 제어기 구조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 정상적인 스택 냉각수 주입여부는 모터의 출력(토크)를 통해 확인할 수 있다.
모터의 출력(토크)을 확인하는 방법은 DC단 전류 및 전압을 측정하거나, 3상 전류 및 전압을 측정하거나, 토크 센서를 이용하거나, 3상 전류 측정 후 속도 및 전압의 변화에 따른 기 설정된 토크 맵을 이용할 수 있다.
본 발명에서는 추가 센서 장착이 불필요한 전류지령을 이용하여 모터 출력(토크)을 계산할 수 있다.
여기서, 속도지령과 피드백된 모터부(130)의 속도 및 위치의 센싱값을 받아 모터 토크를 발생시키기 위하여 전류지령을 생성하는 속도제어기(100)와, 전류지령과 피드백된 전류의 센싱값을 받아 출력부(120)의 출력 전류를 제어하기 위하여 상전압 출력(PWM duty)값을 생성하는 전류제어기(110)로 구성된다. 속도 제어기(100)에서 출력된 전류지령은 모터의 출력(토크)와 비례하기 때문에 모터의 전류지령이나 전류센서를 통해 확인 가능한 3상 전류 측정값(3상 전류의 백터합)을 이용하여 모터 출력(토크)를 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스택 냉각수의 정상 여부를 판단하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 스택 냉각수의 정상 여부를 판단하는 방법은 하기와 같다.
Figure 112014119739436-pat00006
는 동기좌표계 q축 전류지령이고,
Figure 112014119739436-pat00007
는 전류지령의 시간 평균값 또는 q축 전류지령의 시간 평균값,
Figure 112014119739436-pat00008
는 전류지령의 표준편차 또는 q축 전류지령의 표준편차,
Figure 112014119739436-pat00009
는 전류지령의 최소 기준값,
Figure 112014119739436-pat00010
는 전류지령의 최대 기준값,
Figure 112014119739436-pat00011
는 정상적인 연료전지 전용 냉각수 순환 시 q축 전류지령을 나타낸다.
아울러, Time 1 및 Time2는 각각 제 1 경과 시간과 제 2 경과시간을 나타내고, △T는 기준 시간(제어기능 수행 시간주기)을 나타내고, T1은 설정된 시간을 나타낸다.
먼저, 속도지령의 변경 여부를 확인한다(S10). 여기서, 속도지령의 변경 여부를 확인하는 이유는 속도지령이 변경될 경우 속도를 높이거나, 낮추기 위하여 전류지령도 변경되기 때문에 정확한 판단이 어려울 수 있으므로 판단의 정확도를 높이기 위하여 모터의 속도가 일정하게 유지되는 구간에서만 스택 냉각수의 정상 여부를 판단할 수 있다.
다음으로, 모터의 속도가 일정하게 유지되면, 현재시간을 기준으로 T1 (설정된 시간) 동안의 q축 전류지령의 시간 평균값 및 표준편차를 계산한다(S20).
다음으로, 제 1 경과 시간과 기준시간을 합산한다(S30).
다음에는, 제 1 경과 시간이 설정된 시간을 초과하였는지를 여부를 판단한다(S40).
다음으로, 제 1 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 현재의 냉각펌프에 구비된 모터의 속도에서 전류지령(Iqnormal), 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값((Iqcmd)min) 및 최대 기준값((Iqcmd)max)을 산출한다(S50).
다음에는, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 시간 평균값이 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최대 기준값보다 작고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값보다 크면, 전류지령(((Iqcmd)mean) - (Iqnormal))의 오차가 기준값(
Figure 112016072749336-pat00012
)을 초과하고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 표준편차가 기준값(
Figure 112016072749336-pat00013
) 미만으로 기준시간 이상 유지되는 경우에는 냉각수 조성에 이물질이 포함되어 있다고 판단할 수 있다(S60-S70).
여기서, 기준값(
Figure 112014119739436-pat00014
)은 모터 속도(토크)가 증가함에 따라 전류지령도 증가하여 고장 상태에서의 오차가 달라지므로 고정값이 아닌 모터 속도(토크)에 따라 다양하게 설정 가능하다.
다음으로, 제 2 경과 시간과 기준시간을 합산한다(S80).
다음에는, 제 2 경과 시간이 설정된 시간을 초과하였는지 여부를 판단하여 제 2 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 냉각수 조성에 이물질이 포함되는 등의 이상이라고 감지하고 클러스트 표시 또는 경고등을 포함하는 방법을 이용하여 운전자에게 스택 냉각수에 이상이 있음을 알릴 수 있다(S90-S100).
전술한 바와 같이, 본 기술은 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환용 냉각 펌프에 구비된 모터의 출력값의 변화를 이용하여 냉각수의 조성이 정상인지 여부를 판단할 수 있다.
아울러, 본 기술은 냉각수에 불순물 주입 여부 및 어는점 상태 이상 여부를 파악함으로써, 스택의 절연 저하 및 동결에 의한 차량 시동 실패를 방지할 수 있다.
아울러, 본 기술은 냉각수에 불순물 주입에 따른 잦은 이온 제거 필터 교체를 방지할 수 있으며, 불순물에 의한 냉각 배관 및 스택 냉각판의 부식을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 구성과 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 속도제어기에서 속도지령의 변화 여부를 판단하는 단계;
    냉각펌프에 구비된 모터의 속도가 일정하게 유지되면, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 시간 평균값((Iqcmd)mean) 및 표준편차((Iqcmd)std)를 계산하는 단계;
    제 1 경과 시간이 상기 설정된 시간을 초과하였는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제 1 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 현재의 냉각펌프에 구비된 모터의 속도에서 전류지령(Iqnormal), 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값((Iqcmd)min) 및 최대 기준값((Iqcmd)max)을 산출하는 단계;
    상기 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 시간 평균값이 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최대 기준값보다 작고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 최소 기준값보다 크고, 전류지령(((Iqcmd)mean) - (Iqnormal))의 오차가 기준값(
    Figure 112016072749336-pat00022
    )을 초과하고, 전류제어기에서 설정된 시간 동안의 전류지령의 표준 편차가 기준값(
    Figure 112016072749336-pat00023
    ) 미만으로 기준시간 이상 유지되는 경우에는 냉각수 조성에 이물질이 포함되어 있다고 판단하는 단계;
    제 2 경과 시간이 상기 설정된 시간을 초과하였는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제 2 경과 시간이 설정된 시간보다 초과되면, 냉각수에 이상을 알리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 속도제어기는 상기 속도지령 및 피드백된 상기 모터의 속도 및 위치의 센싱값을 수신하여 상기 모터의 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수의 이상을 알리는 방법은 상기 연료전지 차량 내 구비된 클러스터 및 경고등을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류제어기는 상기 전류지령과 피드백된 전류의 센싱값을 수신하여 출력부의 출력 전류를 제어하는 상전압 출력값을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 냉각수 상태 판단 방법.
  8. 삭제
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