KR101744829B1 - 연료전지 진단 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 진단 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템은, 일정 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 신호 측정부; 일정 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 잡음 측정부; 및 상기 신호 측정부와 잡음 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 진단 시스템 및 그 방법{FUEL CELL STACK DIAGNOSIS SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 진단 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 상태진단의 신뢰성 향상을 위한 전압측정 장치가 구비된 연료전지 진단 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 전기화학 반응을 일으키는 전극, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막, 상기 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, 이하 연료전지라 칭함)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다. 그리고, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 자동차관련 산업에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
통상 연료전지의 성능과 수명은 연료전지의 운전조건에 의해 큰 영향을 받는다. 이에 관련업계에서는 연료전지의 운전조건을 최적의 상태로 유지하기 위한 정보를 얻기 위해 연료전지 상태진단을 실시하고 있다.
일반적으로 연료전지 상태진단방법에는 전류-전압 곡선 측정을 통한방식과 연료전지 임피던스 측정을 통한 연료전지 상태진단 방법이 있다.
상기 연료전지 임피던스 측정은 일반적으로 연료전지에 교류전류를 흐르게 하거나, 연료전지로부터 교류전류를 출력하고 연료전지의 교류전압을 측정하여 연료전지의 임피던스를 계산하는 방식으로 수행 된다.
이때 일반적으로 다음의 관계식이 성립한다.
Figure 112015122265952-pat00001
여기서, Vac(f)는 주파수 f에서 연료전지 교류전압, Iac(f)는 주파수 f에서 연료전지 교류전류, Z(f)는 주파수 f에서 연료전지 임피던스를 각각 의미한다.
한편, 연료전지 자동차의 주행 시에는 사용자의 가/감속 행위에 의해 연료전지의 전압이 크게 바뀌는 것이 일반적이며, 이 때, 연료전지의 전압 스펙트럼은 넓은 영역으로 퍼지게 된다.
또한, 연료전지 자동차에 부착되어 있는 모터, 인버터 및 컨버터의 동작주파수로 인해 연료전지의 전압은 매우 다양하고 불규칙한 스펙트럼을 갖게 된다.
상기한 두 가지 원인으로 인해 연료전지 전압의 스펙트럼과 연료전지 상태진단 주파수 대역이 겹치게 되면 연료전지 상태진단의 측정오차가 커져 상태진단 신뢰성이 하락하게 되는 문제점이 있다.
한편, 관련업계에는 다음과 같은 연료전지 임피던스 측정에 관한 기술들이 공지 되어 있다.
예컨대, 특허문헌 1(미국등록특허 제8889309호)에는 연료전지 차량 임피던스 측정 시 측정오차 방지 위해 연료전지의 출력고정 하는 내용을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌1은 연료전지 출력고정 시 차량주행성 저하되는 단점과 차량주행성 저하 방지를 위해 고전압배터리와 공조제어 필요하므로 시스템 복잡성 증가되는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 2(미국등록특허 제8241802호)에는 임피던스 측정 정확도 향상을 위해 DC/DC 컨버터 통과 이후 임피던스를 측정하는 내용을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌 2는 차량 가/감속에 의한 임피던스 측정 오차 제거 불가하고, 전기동력부품이 스택에 인가하는 교류잡음 제거가 불가한 문제점이 있다.
이처럼, 연료전지 자동차 환경에서 연료전지 임피던스 측정 정확도를 향상 시키려는 지속되고 있으며, 이는 연료전지의 성능, 내구성, 사용성(Useability) 이 연료전지 상태와 밀접관 관계를 갖기 때문이다.
그러나, 종래의 임피던스 측정 기술은 전술한 문제점들로 인해 연료전지 상태진단의 측정오차가 커져 상태진단 신뢰성이 하락하게 되는 문제점이 있으므로 보다 신뢰할 수 있는 연료전지 임피던스 측정 기술이 절실히 요구된다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
특허문헌 1 : 미국등록특허 제8889309호 (2014.11.18. 등록) 특허문헌 2 : 미국등록특허 제8241802호 (2012.08.14. 등록)
본 발명의 실시예는 연료전지 차량의 진단 신뢰성 향상을 위하여 연료전지 진단 신호 주파수를 제외한 신호 인근 주파수 밴드를 잡음 영역으로 정의하여 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고 산출된 SNR가 일정 기준치 이상인 경우에만 차량 제어에 사용함으로써 연료전지 상태진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 연료전지 진단 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 진단 시스템은, 일정 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 신호 측정부; 일정 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 잡음 측정부; 및 상기 신호 측정부와 잡음 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 산출된 SNR의 값이 상기 기준치 미만이면 해당 연료전지 상태진단 데이터를 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기할 수 있다.
또한, 상기 잡음 측정부는, 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)를 잡음 영역으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 교류전압의 신호 영역을 상기 제2 교류전압의 잡음 영역으로 나누어 상기 SNR을 산출할 수 있다.
또한, 상기 신호 측정부는, 1kHz의 연료전지 진단 주파수에 근접한 980Hz의 차단 주파수를 갖고 있어 상기 연료전지 진단 주파수의 인근 잡음으로 인한 험 잡음을 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 연료전지 진단 시스템은, 일정 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 신호 측정부; 연료전지의 고전압을 분압회로를 통해 측정할 수 있도록 구성되어 소정 잡음영역의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 잡음 측정부; 및 상기 신호 측정부와 잡음 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 잡음 측정부는, 측정된 연료전지의 제2 교류전압 값 중 최대전압 값과 최소전압 값의 차이인 전압편차를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 상태에서, 상기 전압편차를 소정 기준편차와 더 비교하여 상기 전압편차가 소정 기준편차 미만인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 잡음 측정부는, 직류전압과 교류전압을 모두 측정하기 위한 분압회로를 통해 연료전지의 고전압을 스케일 다운하여 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 일정 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압 및 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 통합 측정부; 및 상기 통합 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 차량의 진단 신뢰성 향상을 위한 전압 측정 장치가 구비된 연료전지 진단 시스템의 연료전지 진단 방법은, a) 일정 차단주파수 이상의 연료전지 전압신호를 수집하여 소정 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 단계; b) 일정 통과대역의 연료전지 전압신호를 수집하여 소정 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 단계; c) 상기 측정된 제1 교류전압의 신호 영역과 제2 교류전압의 잡음 영역을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하는 단계; 및 d) 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 c) 단계는, 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)를 상기 잡음 영역으로 정의 하여 상기 SNR를 산출할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 제2 교류전압 값 중 최대전압 값과 최소전압 값의 차이인 전압편차를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 상태에서, 상기 전압편차를 소정 기준편차와 비교하는 단계; 및 상기 전압편차가 소정 기준편차 미만인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰하는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 산출된 SNR의 값이 상기 기준치 미만이면 해당 연료전지 상태진단 데이터를 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 신호 측정부와 잡음 측정부의 각 측정 전압을 통해 산출된 연료전지 상태진단 데이터의 SNR의 값을 계산하고, 상기 SNR 값이 일정 수치 이상인 경우에만 차량 진단 및 제어에 반영함으로써 연료전지 상태진단의 측정오차를 줄이고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 잡음의 전압편차가 소정 기준편차 미만인 조건이 충족되는 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단함으로써 정상진단이 불가한 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지 전압측정 방식을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신뢰도를 향상시킴으로써 이와 관련된 연료전지 차량의 제어 성능, 내구성 및 사용성의 고객 만족도를 증가시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 전기동력부품들에 의한 동작주파수의 예시를 나타낸다.
도 2는 종래의 차량 가/감속에 따른 연료전지 상태진단 주파수 간섭을 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 연료전지 차량의 주행 시 연료전지 전압을 고속으로 측정한 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 정의된 SNR과 종래의 SNR를 비교하여 나타낸다.
도 6는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전압측정 장치의 적용 효과를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 연료전지 차량의 주행 시에 임피던스 측정의 정확도를 하락시키는 원인에 대해 설명한다.
연료전지 차량의 주행 시 임피던스 측정의 정확도를 하락은 크게 전기동력부품에 의한 잡음 및 차량의 가/감속에 따른 스택전압 변동에 의한 잡음에 원인이 있다.
먼저, 전기동력부품에 의한 잡음은 고전압 컨버터(High Voltage DC-DC converter), 저전압 컨버터(Low Voltage DC-DC converter) 및 인버터(Inveter) 등의 부품에서 기인한 것이다.
이러한 전기동력부품들은 불규칙한 동작주파수를 갖고 있으며, 이들의 동작이 서로 결합되어 더욱 불규칙한 주파수 특성을 보인다. 이로 인해 특정영역의 주파수를 회피하여 연료전지 상태진단 주파수를 선택하는 방법으로는 전기동력부품에 의한 잡음을 제거 할 수 없다.
예를 들면, 도 1은 종래의 전기동력부품들에 의한 동작주파수의 예시를 나타낸다.
첨부된 도 1을 참조하면, Case 1에서는 전기동력부품 노이즈가 특정한 피크(Peak)의 형태를 갖고 있으며 연료전지 상태진단 주파수를 침범하지 않는다. 반면 Case 2에서의 전기동력부품 노이즈는 연료전지 상태진단 주파수를 포함하는 밴드(Band)의 형태를 갖고 있기 때문에 잡음을 제거할 수 없다.
다음, 차량 가/감속에 따른 스택전압 변동에 의한 노이즈는 그 특성상 매우 넓고 큰 스펙트럼을 가지며, 그로 인해 연료전지 상태진단 주파수를 간섭하여 연료전지 상태진단 신뢰성을 하락시킨다.
예를 들면, 도 2는 종래의 차량 가/감속에 따른 연료전지 상태진단 주파수 간섭을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 2를 참조하면, 0.01V의 진폭을 가진 22Hz의 연료전지 상태진단 주파수는 연료전지 전압변동에 의한 잡음이 더해져 0.03894V의 보강간섭 혹은 0.01894V의 상쇄간섭의 값을 갖게 된다. 이처럼 노이즈에 의한 간섭은 연료전지 상태진단 신뢰성을 하락시킨다.
한편, 도 3은 종래의 연료전지 차량의 주행 시 연료전지 전압을 고속으로 측정한 결과를 나타낸다.
첨부된 도 3을 참조하면, 앞서 언급한 전기동력 부품에 의한 잡음과 연료전지 전압 급하락 등의 문제가 실제 연료전지 차량에서 관측되고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템(100)은 연료전지(110), 신호 측정부(120), 잡음 측정부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
연료전지(110)는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell)로 구성될 수 있다.
신호 측정부(120)는 연료전지(110)의 상태진단 신호 측정용 전압(이하, 제1 교류전압이라 명명함)을 측정한다.
잡음 측정부(130)는 연료전지(110)의 상태진단 잡음 측정용 전압(이하, 제2 교류전압이라 명명함)을 측정한다.
제어부(140)는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 상태진단을 위한 각부의 전반적인 동작을 제어한다.
제어부(140)는 신호 측정부(120)와 잡음 측정부(130)에서 각각 측정된 교류전압 신호를 통해 산출되는 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 정의하고, 그 SNR의 값을 바탕으로 연료전지 상태진단 결과의 신뢰성 여부를 판단한다.
예컨대, 제어부(140)는 신호 측정부(120)와 잡음 측정부(130)를 통해 산출된 SNR 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어(운전)에 반영하고, 상기 기준치 미만인 상태진단 데이터는 제어에 반영하지 않고 폐기할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 잡음 측정부(130)를 통해 측정된 전압 중 최대 전압 값과 최소 전압 값의 전압편자(Vfc)가 소정 기준편차 미만인 경우에만 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하고, 상기 기준편차 미만인 상태진단 데이터는 제어에 반영하지 않고 폐기할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 정의된 SNR과 종래의 SNR를 비교하여 나타낸다.
첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 SNR은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112015122265952-pat00002
이 때, 상기 잡음 측정부(130)가 갖는 잡음 영역은 상태진단 신호 주파수를 제외한 신호 주파수 인근 밴드(Band)로 정의되는 특징이 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 SNR 정의 방식은, 아래의 수학식 3과 같이 일반적인 SNR 방식에서 잡음이 신호와 같은 주파수에 정의 되는 것과 구분된다.
Figure 112015122265952-pat00003
한편, 상기 도 4에서는 생략되었으나 연료전지 연료전지(10)에 진단용 교류 전류를 주입하기 위한 신호 발생부를 더 포함할 수 있다.
따라서, 제어부(140)는 상기 연료전지(110)의 전류와 상기 신호 발생부의 진단용 교류전류가 중첩되어 부하(미도시)로 흐르는 상태에서, 신호 측정부(120)와 잡음 측정부(130)의 각 측정 교류전압을 통해 산출된 SNR의 값을 바탕으로 상태진단 데이터의 사용여부를 판단하여 신뢰성이 향상된 연료전지 스택의 상태 및/또는 고장을 진단할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템(100)의 연료전지 상태진단의 신뢰성 향상을 위한 전압측정 장치를 이루는 신호 측정부(120) 및 잡음 측정부(130)의 구조는 다양한 형태로 구현이 가능하며, 이를 후술되는 다양한 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.
[제1 실시예]
도 6는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 연료전지 상태진단 주파수는 1kHz로 가정한다(예; 수백~수천 Hz).
신호 측정부(120)는 980Hz의 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터(High Pass Filter, HPF)와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정한다.
잡음 측정부(130)는 800~1200Hz의 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter, BPF)와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정한다.
이하 설명되는 본 발명의 실시예에 따른 전압측정 장치를 이용한 연료전지 진단 방법은 상기 각 부의 세부구성이 하나의 연료전지 진단 시스템(100)에 통합될 수 있으므로 연료전지 진단 시스템(100)을 주체로 설명한다.
한편, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압측정 장치를 이용한 연료전지 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 연료전지 진단 시스템(100)은 연료전지 상태진단이 시작되면(S101), 신호 측정부(120)를 통해 980Hz 이상의 연료전지 전압신호를 수집하여 1kHz의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정한다(S102). 여기서, 신호 측정부(120)에서 측정된 1kHz의 진폭을 신호 영역(Asignal(1kHz))으로 정의 한다.
이 때, 신호 측정부(120)가 갖는 980Hz의 차단주파수는 상태진단주파수 1kHz와 주파수 도메인에서 매우 가까운 거리에 위치하고 있어, 상태진단주파수 1kHz 인근의 잡음으로 인한 험 잡음(Hum noise)을 효과적으로 제거 할 수 있다.
연료전지 진단 시스템(100)은 잡음 측정부(130)를 통해 800~1200Hz 영역의 연료전지 전압신호를 수집하여 800~1200Hz의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정한다(S103). 이 때, 잡음 측정부(130)에서 측정된 800~1200Hz의 진폭 합계를 잡음 영역(Anoise(800Hz~1200Hz이고, 1000Hz는 제외))으로 정의 한다.
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 측정된 제1 교류전압의 신호 영역과 제2교류전압의 잡음 영역에 따른 SNR을 연산하되,
Figure 112015122265952-pat00004
의 식을 통해 0부터 1까지의 값을 갖는 SNR를 산출한다(S104).
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 산출된 SNR 값을 미리 설정된 일정 기준치(예; 0.7)와 비교하여 상기 기준치를 이상이면(S105; 예), 취득된 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영한다(S106).
반면, 연료전지 진단 시스템(100)은 상기 산출된 SNR 값이 상기 기준치를 미만이면(S105; 아니오), 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 없는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기한다(S107).
이후, 연료전지 진단 시스템(100)은 리턴 하여 연료전지 상태진단이 종료될 때까지 상기 과정을 반복한다.
[제2 실시예]
한편, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 연료전지 상태진단 주파수는 1kHz로 가정한다(예; 수백~수천 Hz).
신호 측정부(120)는 980Hz의 차단 주파수를 갖는 HPF와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정한다.
잡음 측정부(130)는 직접적으로 측정할 수 없는 연료전지(110)의 고전압을 복수의 저항이 병렬로 배치된 분압회로를 통해 측정할 수 있도록 구성되어 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정한다. 잡음 측정부(130)는 직류전압 및 교류전압을 모두 측정하기 위한 분압회로로써 450V의 고전압을 5V~10V로 스케일 다운하여 측정할 수 있다.
또한, 잡음 측정부(130)는 분합회로를 통해 측정된 연료전지의 제2 교류전압 값 중에서 최대 전압 값과 최소 전압 값의 차이인 전압편차(Vfc)를 측정할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 전압측정 장치를 이용한 연료전지 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 9를 참조하면, 연료전지 진단 시스템(100)은 연료전지 상태진단이 시작되면(S201), 신호 측정부(120)를 통해 980Hz 이상의 연료전지 전압신호를 수집하여 1kHz의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 신호용 제1 교류전압을 측정한다(S202). 여기서, 신호 측정부(120)에서 측정된 1kHz의 진폭을 신호 영역(Asignal(1kHz))으로 정의 한다.
이 때, 신호 측정부(120)가 갖는 980Hz의 차단주파수는 상태진단주파수 1kHz와 주파수 도메인에서 매우 가까운 거리에 위치하고 있어, 상태진단주파수 1kHz 인근의 잡음으로 인한 험 잡음(Hum noise)을 효과적으로 제거 할 수 있다.
연료전지 진단 시스템(100)은 잡음 측정부(130)를 통해 연료전지의 전압을 측정하여 스펙트럼 분석을 실시하고 미리 설정된 잡음영역(예; 800~1200Hz)의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정한다(S203).
여기서, 상기 미리 설정된 잡음영역에서의 진폭 합계를 Anoise(800Hz~1200Hz이고, 1000Hz는 제외)으로 정의 한다.
이 때, 잡음 측정부(130)에서는 측정된 연료전지의 전압 값 중 최대전압 값과 최소전압 값의 차이인 전압편차(Vfc)를 측정할 수 있다.
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 측정된 제1 교류전압의 신호 영역과 제2교류전압의 잡음 영역에 따른 SNR을 연산하되,
Figure 112015122265952-pat00005
의 식을 통해 0부터 1까지의 값을 갖는 SNR를 산출한다(S204).
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 산출된 SNR 값이 일정 기준치(예; 0.7) 이상이고(S205; 예), 상기 전압편차(Vfc)가 소정 기준편차(예; 50V) 미만이면(S206; 예), 취득된 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단한다(S207).
즉, 연료전지 진단 시스템(100)은 연료전지 상태진단을 위한 신호와 잡음의 SNR 값이 상기 기준치 이상인 조건과 잡음의 전압편차(Vfc)가 상기 기준편차 미만인 조건이 모두 충족되는 경우에만 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단한다.
반면, 연료전지 진단 시스템(100)은 상기 산출된 SNR 값이 상기 기준치를 미만이거나(S205; 아니오), 상기 전압편차(Vfc)가 상기 기준편차 이상이면(S206; 아니오), 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 없는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기한다(S208).
이후, 연료전지 진단 시스템(100)은 리턴 하여 연료전지 상태진단이 종료될 때까지 상기 과정을 반복한다.
[제3 실시예]
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 진단을 위한 전압측정 장치를 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예는 상기 제1 실시예와 유사하며, 신호 측정과 잡음 측정이 하나의 통합 측정부(150)를 통해 함께 측정되는 점이 다르다.
이하 설명에서도 연료전지 진단을 위한 연료전지 상태진단 주파수는 1kHz로 가정한다(예; 수백~수천 Hz).
통합 측정부(150)는 800~1200Hz의 통과대역을 갖는 BPF와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압 및 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제1 교류전압을 측정한다.
한편, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전압측정 장치를 이용한 연료전지 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 11을 참조하면, 연료전지 진단 시스템(100)은 연료전지 상태진단이 시작되면(S301), 통합 측정부(150)를 통해 연료전지 전압신호를 수집하여 1kHz 진폭의 신호 영역(Asignal(1kHz))을 가지는 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정한다(S302).
연료전지 진단 시스템(100)은 통합 측정부(150)를 통해 800~1200Hz 영역의 연료전지 전압신호에서 1KHz를 제외한 잡음 영역(Anoise(800Hz~1200Hz이고, 1000Hz는 제외))을 가지는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정한다(S303).
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 측정된 제1 교류전압의 신호 영역과 제2교류전압의 잡음 영역에 따른 SNR을 연산하되,
Figure 112015122265952-pat00006
의 식을 통해 0부터 1까지의 값을 갖는 SNR를 산출한다(S304).
연료전지 진단 시스템(100)은 상기 산출된 SNR 값을 미리 설정된 일정 기준치(예; 0.7)와 비교하여 상기 기준치를 이상이면(S305; 예), 취득된 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 취득하고 연료전지 차량의 진단 및 제어에 반영한다(S306).
반면, 연료전지 진단 시스템(100)은 상기 S305 단계에서 산출된 SNR 값이 상기 기준치를 미만이면(S305; 아니오), 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 없는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 진단 및 제어에 반영하지 않고 폐기한다(S307).
이후, 연료전지 진단 시스템(100)은 리턴 하여 연료전지 상태진단이 종료될 때까지 상기 과정을 반복한다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 각 실시예간의 치환 또는 변경이 가능하다.
예컨대, 상기 제2 실시예에서는 잡음의 전압편차(Vfc)가 소정 기준편차 미만인 조건이 충족되는 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하고 있으며, 이는 다른 실시예에서도 적용이 가능함은 자명하다. 따라서, 연료전지 전압이 급변하는 구간 등의 정상진단이 불가한 노이즈를 제거할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전압측정 장치의 적용 효과를 나타낸다.
첨부된 도 12를 참조하면, 본 발명의 미적용 시의 그래프에는 연료전지 차량 전장부품 동작 주파수 혼입(연료전지 상태진단장치 동작-500Hz 연료전지 차량 전장부품 동작 주파수-400~600Hz)문제와 연료전지 전압 급변 시 상태진단장치 주파수가 묻히는 문제로 인해 임피던스 측정 편차가 매우 심하게 나타난다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 전압측정 장치의 적용 시 그래프는 신호 대 잡음비가 기준치 이상인 상태진단 데이터만 획득함으로써 임피던스 측정 편차를 제거할 수 있는 효과를 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 신호 측정부와 잡음 측정부의 각 측정 전압을 통해 산출된 연료전지 상태진단 데이터의 SNR의 값을 계산하고, 상기 SNR 값이 일정 수치 이상인 경우에만 차량 진단 및 제어에 반영함으로써 연료전지 상태진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 잡음의 전압편차가 소정 기준편차 미만인 조건이 충족되는 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단함으로써 정상진단이 불가한 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 연료전지 진단 시스템 110: 연료전지
120: 신호 측정부 130: 잡음 측정부
140: 제어부 150: 통합 측정부

Claims (15)

  1. 일정 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 신호 측정부;
    일정 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 잡음 측정부; 및
    상기 신호 측정부와 잡음 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함하되,
    상기 잡음 측정부는 상기 일정 통과대역에서 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)를 잡음 영역으로 정의하여 상기 제2 교류전압을 측정하는 연료전지 진단 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 SNR의 값이 상기 기준치 미만이면 해당 연료전지 상태진단 데이터를 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기하는 연료전지 진단 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 교류전압의 신호 영역을 상기 제2 교류전압의 잡음 영역으로 나누어 상기 SNR을 산출하는 연료전지 진단 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 측정부는,
    1kHz의 연료전지 진단 주파수에 근접한 980Hz의 차단 주파수를 갖고 있어 상기 연료전지 진단 주파수의 인근 잡음으로 인한 험 잡음을 제거하는 연료전지 진단 시스템.
  6. 일정 차단 주파수를 갖는 하이 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 신호 측정부;
    연료전지의 고전압을 분압회로를 통해 측정할 수 있도록 구성되어 소정 잡음 영역의 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 잡음 측정부; 및
    상기 신호 측정부와 잡음 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함하되,
    상기 잡음 측정부의 잡음 영역은 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)를 잡음 영역으로 정의하는 것을 특징으로 하는 연료전지 진단 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 잡음 측정부는,
    측정된 연료전지의 제2 교류전압 값 중 최대전압 값과 최소전압 값의 차이인 전압편차를 측정하는 연료전지 진단 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 상태에서, 상기 전압편차를 소정 기준편차와 더 비교하여 상기 전압편차가 소정 기준편차 미만인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰하는 것으로 판단하는 연료전지 진단 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 잡음 측정부는,
    직류전압과 교류전압을 모두 측정하기 위한 분압회로를 통해 연료전지의 고전압을 스케일 다운하여 측정하는 연료전지 진단 시스템.
  10. 일정 통과대역을 갖는 밴드 패스 필터와 전압측정회로로 구성되어 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압 및 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 통합 측정부; 및
    상기 통합 측정부에서 각각 측정된 교류전압을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하고, 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 제어부를 포함하되,
    상기 통합 측정부는 상기 일정 통과대역에서 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)를 잡음 영역으로 정의하여 상기 제2 교류전압을 측정하는 연료전지 진단 시스템.
  11. 연료전지 차량의 진단 신뢰성 향상을 위한 전압 측정 장치가 구비된 연료전지 진단 시스템의 연료전지 진단 방법에 있어서,
    a) 일정 차단주파수 이상의 연료전지 전압신호를 수집하여 소정 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 신호 측정용 제1 교류전압을 측정하는 단계;
    b) 일정 통과대역의 연료전지 전압신호를 수집하여 소정 진폭을 갖는 연료전지 상태진단 잡음 측정용 제2 교류전압을 측정하는 단계;
    c) 상기 측정된 제1 교류전압의 신호 영역과 제2 교류전압의 잡음 영역을 통해 연료전지 상태진단 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 산출하는 단계; 및
    d) 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰할 수 있는 것으로 판단하여 연료전지 차량의 제어에 반영하는 단계를 포함하되,
    상기 c) 단계는, 연료전지 상태진단 신호 주파수를 제외한 상기 신호 주파수 인근 밴드(Band)의 잡음 영역에서 측정된 제2 교류전압을 활용하여 상기 SNR를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 진단 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 제2 교류전압 값 중 최대전압 값과 최소전압 값의 차이인 전압편차를 측정하는 단계를 포함하는 연료전지 진단 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 산출된 SNR의 값이 일정 기준치 이상인 상태에서, 상기 전압편차를 소정 기준편차와 비교하는 단계; 및
    상기 전압편차가 소정 기준편차 미만인 경우에만 해당 연료전지 상태진단 데이터를 신뢰하는 것으로 판단하는 단계를 포함하는 연료전지 진단 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 산출된 SNR의 값이 상기 기준치 미만이면 해당 연료전지 상태진단 데이터를 연료전지 차량의 제어에 반영하지 않고 폐기하는 단계를 포함하는 연료전지 진단 방법.
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