KR101755805B1

KR101755805B1 - 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101755805B1
Application number: KR1020150097525A
Authority: KR
Inventors: 조성문; 전강식; 김세훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-07-07
Also published as: DE102016212117A1; US20190178748A1; US20170010178A1; US10598564B2; KR20170006622A; US10209158B2

Abstract

본 발명은 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 키 오프 시 웨이크업(wakeup) 동작을 수행하는 과정에서 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 고압 압력센서의 센싱값(즉, 수소탱크 압력) 변화를 기반으로 수소탱크 내 솔레노이드밸브의 기밀 불량에 의한 리크를 감지하고 리크 상태 및 정도를 판단하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법 {Apparatus and method for detecting leak in hydrogen tank of fuel cell vehicle}

본 발명은 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 솔레노이드밸브의 기밀 불량에 의한 리크를 감지하고 리크 정도를 판단하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.

수소연료전지 차량 내 핵심 부품 중 하나인 수소탱크는 수소 리크가 운전자 및 보행자들의 안전과 직결되기 때문에 안전한 상태를 유지하여야 한다. 이는 수소탱크 내 수소는 순도가 매우 높아서 약간의 발화만 있어도 점화되어 폭발하기 때문이다. 외부 리크는 수소가스가 외부로 새는 소리나 차량 내에 설치된 수소농도센서의 감지로 바로 판단 및 조치 가능하지만, 수소탱크 내 리크는 그 판단이 어려워 수소연료공급라인에 리크가 발생하거나 차량 사고 발생시에는 언제든지 외부 리크로 이어져 대형 사고가 발생할 가능성을 갖는다.

여기서, 외부 리크란 수소연료전지 차량 밖으로 차량 연료인 수소가스가 노출되어 대기로 방출되는 리크를 말하며, 발생 원인으로는 연료공급라인 등의 배관 분리 및 파손 등이 있다. 수소탱크 내 리크는 수소탱크의 입구에 결합된 솔레노이드밸브의 단독 고장 발생으로 인한 수소탱크의 내부 누기를 말하며, 발생 원인으로는 솔레노이드밸브 내부의 기밀 유지 실패 등이 있다.

좀더 설명하면, 수소탱크 내 리크는 수소탱크 자체의 리크(즉, 수소탱크 내 솔레노이드밸브의 기밀 불량에 의한 리크)로 인해 수소연료가스가 새고 있는 상황에서 수소탱크가 연료공급라인과 연결되어 있음에 의해 외부로는 누설되지 않고 있는 상태를 말한다.

다시 말해, 도 1을 참조하면, 수소탱크 내 리크는 수소탱크 입구에 직접 결합된 상시 닫힘 방식의 솔레노이드밸브가 수소탱크와 연료공급배관 간에 유로를 완벽히 차단하지 못하여 수소탱크 내부 수소가스가 연료공급배관 내부로 새어 나오는 현상을 말한다.

수소탱크의 솔레노이드밸브 단독 고장시 차량 안전성에 문제는 없으나, 잠재적 위험이 있으므로 허용량 이상의 누설이 발생하는 차량은 기능 불량으로 단품 교환이 필요하다.

이는 수소탱크 내 리크가 발생한 상태에서는 차량 사고나 품질 불량으로 수소연료공급라인과 맞물린 부분에서 조그마한 리크라도 발생되면 수소탱크압이 완전 소진될 때까지 지속적으로 외부 리크가 발생하기 때문이다.

즉, 수소탱크 내 리크는 수소연료가스가 외부로 노출되지는 않지만 잠재적인 위험 요소로 작용하기 때문에 정확하게 감지하는 것이 필요하다.

또한, 외부 리크가 발생할 때에는 수소연료공급배관 부위만 조치하고 수소탱크 내 리크는 미조치한 채로 차량 점검을 완료할 수 있으므로, 수소탱크 내 리크를 정확하게 감지하는 것이 필요하다.

한국공개특허 10-2008-0004967

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 키 오프 시 웨이크업(wakeup) 동작을 수행하는 과정에서 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 고압 압력센서의 센싱값(즉, 수소탱크 압력) 변화를 기반으로 수소탱크 내 솔레노이드밸브의 기밀 불량에 의한 리크를 감지하고 리크 상태 및 정도를 판단하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 수소탱크에 저장된 수소가스를 연료공급라인을 통해 공급받아 발전하는 연료전지 스택을 탑재한 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법으로서, a) 차량의 키 오프 이후 기설정된 일정시간이 경과한 다음 하기 1차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa1)을 파악하는 과정; b) 상기 스택의 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 압력차에 의해 연료전지 스택으로 주입시키는 1차 웨이크업을 수행하는 과정; c) 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)을 파악하여 1차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa1)과 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법을 제공한다.

본 발명의 구현예에 의하면, 상기 c) 과정에서는 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1)이 동일하면, 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하며, 구체적으로 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 과다 리크가 발생한 것으로 판단한다.

또한, 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법은, 상기 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1) 간에 차이값을 1차 웨이크업 시의 수소탱크 압력 강하량(Pc1=Pa1-Pb1)으로 파악하는 과정; 상기 1차 웨이크업 수행 후 기설정된 일정시간이 경과한 다음, 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 주입시키는 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)을 파악하는 과정; 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 상기 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;을 포함하며, 여기서 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)은 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)에서 상기 1차 웨이크업 시의 수소탱크 압력 강하량(Pc1)을 차감한 값과 동일한 값이다.

상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)은 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)에서 상기 압력 강하량(Pc1)을 차감한 값(P0-Pc1)과 동일하므로, 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 상기 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단 가능하다.

따라서, 상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는, Pb1 < Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하고, 구체적으로 Pb1 < Pa2 조건을 만족하면 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단한다.

또한, 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법은, 상기 1차 웨이크업 수행 후 기설정된 일정시간이 경과한 다음, 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 주입시키는 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)을 파악하는 과정; 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)을 상기 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)과 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;을 포함하며, 상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는, P0=Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하고, 구체적으로 P0=Pa2 조건을 만족하면 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단한다.

여기서, 상기의 수소탱크 압력은 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 전단에 장착된 고압 압력센서의 센싱값이다.

또한 본 발명은, 차량 정차시 수소연료공급라인에서 연료전지 스택으로 압력차에 의해 수소가스를 주입시키기 위한 웨이크업 기능을 수행하는 수소연료전지 차량에 있어서, 수소가스를 저장하는 수소탱크 입구에 결합 장착되어 상기 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브; 상기 솔레노이드밸브의 전단에 장착되어 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 압력값을 검출하는 고압 압력센서; 상기 웨이크업 기능을 수행하기 전과 후에 검출한 상기 고압 압력센서의 센싱값을 기반으로, 상기 솔레노이드밸브의 고장으로 인한 수소탱크의 내부 리크 발생을 판단하는 차량 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 수소연료전지 차량의 안전과 직결되는 수소탱크 내 리크 여부를 정확하게 판단함으로써 이에 대한 조치를 가능하게 하여 차량 안전성을 확보할 수 있다.

또한 본 발명은 수소탱크 내 리크 판단을 위한 기술로서 추가적인 하드웨어가 필요 없을 뿐만 아니라 추가적인 센서부도 필요 없어 현재 차량에 기적용되어 있는 구성품들을 활용하여 구현 가능하다.

도 1은 일반적인 수소연료전지 차량의 수소탱크와 연결되는 연료공급배관의 구조를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법을 설명하기 위하여, 수소탱크 내 리크 발생 여부 및 리크 발생 정도에 따른 웨이크업 발생시의 수소탱크 압력 거동을 나타낸 개념도
도 3은 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법을 설명하기 위한 순서도

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

본 발명에서는, 수소탱크 내 솔레노이드밸브의 기밀 불량에 의한 리크를 감지하고 리크 상태 및 정도를 판단하기 위하여, 다시 말해 수소탱크의 입구 측에 결합된 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크의 내부 리크를 감지하고 리크 상태 및 정도를 판단하기 위하여, 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 수소탱크 압력센서(혹은 고압 압력센서라고 함)를 이용하여 검출한 압력값 및 압력 변화를 기반으로 수소탱크 내 리크를 감지하고 리크 정도를 판단한다.

수소연료전지 차량의 수소탱크는 일반적으로 수소탱크 내 연료량을 산출하기 위해 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 고압 압력센서를 직접 수소탱크 내에 장착되지 않고, 수소탱크 입구에 직접 결합된 솔레노이드밸브 바로 앞단에 장착된다. 이는 상시 닫힘 방식의 솔레노이드밸브를 적용함으로써 정차시 전원 미인가 상태에서 연료공급배관 상에 외부 리크가 있더라도 수소탱크 내 수소가스의 누설을 방지하기 위한 추가적인 안전장치로서 기능하도록 하기 위함이고, 고압 압력센서의 불량 등으로 인한 교체시 압력센서를 안전하게 교체할 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 연료전지 차량의 장시간 주차/정차시에는 외기가 차량 스택 내로 유입되어 연료전지 스택 내 전극막 촉매에 산화막을 형성하며, 이는 스택 성능의 저하를 유발한다. 또한 스택 내로 공기가 유입된 상태에서 시동시 시동 절차에 따라 수소 공급이 먼저 이루어지는데, 이때 공급된 수소와 기존에 외부로부터 유입된 공기가 화학반응을 하면서 순간 스택 내 고전압이 의도치 않게 형성된다. 이는 고전압 단품이나 스택 자체 내구에도 불리하게 작용하는데, 왜냐하면 정해진 스펙(specification) 대비 큰 고전압이 형성되기 때문이다. 이러한 2가지 이유로 ACV(Air-Cut Valve)를 추가 장착하여 외부로부터의 공기유입을 막으려고 하지만, 이는 외기의 유입속도를 지연시킬 뿐 완전 밀폐가 아니므로 유입 자체를 막을 수는 없는 상황이다.

이처럼 스택 외부로부터의 공기유입은 원천 봉쇄가 불가능하므로, 알려진 바와 같이, 차량의 장시간 주차시 수소탱크의 솔레노이드밸브를 미개방한 상태에서 일정시간 경과 후 기존 수소연료공급라인에 잔존해 있는 수소를 수소공급밸브(스택으로 수소가스를 공급하기 위한 밸브)와 수소압조절밸브(스택으로 공급하는 수소가스의 압력을 조절하기 위한 밸브)를 통해 스택 내로 압력차(스택과 연료공급라인 간에 압력차)에 의해 주입시키는 웨이크업(wakeup) 동작을 2회 반복한다. 이렇게 스택 내로 주입된 수소는 앞서 설명한 외부에서 유입된 공기 중 산소와 반응을 하여 산소를 제거하는데 그 목적이 있다.

이렇게 함으로써 스택 내 전극막 촉매에 산화막 형성을 억제시켜 스택 성능 저하를 방지하며, 다음 시동시 시동절차에 따라 수소를 공급할 때 의도치 않은 고전압 형성을 막을 수 있다.

결국 스택 내구 성능 향상과 시동시 스펙 대비 큰 고전압 형성을 막고자 기존 연료공급라인에 잔존해 있던 수소를 사용하는 것인데, 한번 웨이크업 시마다 연료공급라인의 압력강하가 발생하고, 그로 인해 차후 시동 시도를 위해 솔레노이드밸브를 오픈시 소음이 크게 발생하고 충격에 의한 솔레노이드밸브의 내부 기밀 손상이 초래될 수 있어, 통상적으로 최대 2회까지만 웨이크업이 가능하다.

본 발명에서는 기존 수소연료전지 차량의 하드웨어를 그대로 사용하면서 기존 웨이크업 제어 로직에 수소탱크 내 리크 판단 알고리즘을 추가하여 수소 연료전지 차량의 수소 안전성을 증대하고자 한다.

그리고 솔레노이드밸브의 내구성 확보 및 차후 시동 시도를 위해 솔레노이드밸브 개방시 소음 저감을 위하여, 웨이크업 동작은 최대 2회만 실시한다.

기본 웨이크업 동작시 스택 내에는 상대적으로 낮은 압력이 형성되어 있고, 수소탱크의 솔레노이드밸브가 미개방 상태라고 하여도 수소연료공급라인에는 이미 고압 상태의 수소가스가 채워져 있기 때문에, 웨이크업 동작이 수행되는 순간 즉, 웨이크업 동작을 위한 수소공급밸브와 수소압조절밸브의 오픈시, P3(도 2 참조) 정도의 압력 강하가 수소탱크 압력을 대변하는 고압 압력센서의 센싱값에 순간 일어난다. 이러한 압력 강하 발생시의 압력 변화 정도를 기반으로 수소탱크 내 리크 발생 여부를 감지하여 과다 리크, 미세 리크, 및 정상 상태(리크 미발생)를 판단한다.

여기서, 수소탱크의 내부 리크 발생 여부 및 리크 발생 정도에 따른 웨이크업 발생시의 수소탱크 압력 거동을 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.

수소탱크 내 과다 리크 발생을 판단 시에는, 차량의 키 오프(Key Off) 시 일정 시간마다 웨이크업 동작을 수행한 후, 즉 차량의 키 오프 시 일정 시간이 경과한 뒤 수소연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 공급하기 위해 수소공급밸브와 수소압조절밸브를 개방한 후, 웨이크업 동작 전후의 고압 압력센서의 센싱값을 비교하여 압력차가 미발생한 것으로 파악되면 즉시 수소탱크 내 과다 리크 발생을 판단 및 확정한다.

이는, 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 리크가 과다한 경우에는 솔레노이드밸브가 오픈된 상태인 것으로 간주할 수 있으므로, 상기 웨이크업 동작을 수행하고 일정시간(예를 들어, 2초) 후 수소공급밸브 및 수소압조절밸브가 클로즈된 후에 고압 압력센서의 센싱값에 압력 강하가 일어날 시점에 수소탱크에 저장되어 있는 수소가스가 바로 누기되어 수소연료공급라인을 채워서 압력 강하가 일어나지 않기 때문이다.

구체적으로, 상기 수소탱크 압력을 대변하는 고압 압력센서가 직접 수소탱크 내에 장착되지 않고 수소탱크 입구에 직접 결합된 솔레노이드밸브의 전단에서 수소탱크 압력을 검출하도록 장착되어 있기 때문에, 상기 웨이크업 동작시 수소연료공급라인에서 연료전지 스택 내로 주입된 수소량만큼 고압 압력센서의 센싱값에 압력 강하가 일어나야 하는데, 과다한 수소탱크 내 리크로 인해, 상기 웨이크업 동작 이후 단시간 내에 수소탱크에서 누기된 수소가스가 수소연료공급라인을 채워 고압 압력센서의 센싱값에 압력 강하가 미발생한 것으로 검출되기 때문이다.

따라서, 상기 고압 압력센서를 통해 웨이크업 동작 전후로 솔레노이드밸브의 전단에서 수소탱크 압력(구체적으로, 수소탱크의 압력을 대변하는 센싱값)을 검출하고, 이렇게 검출한 웨이크업 동작 전후의 수소탱크 압력 값에 차이가 미발생하면 상기 스택 내로 주입된 수소량만큼 솔레노이드밸브의 불량으로 인한 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

실제로 수소탱크 내에 고압 압력센서가 직접 장착된 것이 아니기 때문에 이러한 압력 강하 센싱 현상이 발생하게 된다. 만약 수소탱크 내에 고압 압력센서를 직접 장착 후, 고압의 수소가스가 수소탱크 내에 있는 상태로 교체를 위해 탈거시에는 엄청난 고압의 수소가스가 외부로 대량 누기될 뿐만 아니라, 작업자 역시 매우 위험한 환경에 노출될 수밖에 없기 때문에, 상기 고압 압력센서는 통상적으로 솔레노이드밸브의 전단에 장착된다. 이와 더불어 상시 닫힘 방식의 솔레노이드 밸브를 적용함으로써 정차시 전원 미인가 상태에서 상기 고압 압력센서를 불량으로 교체시에도 안전하게 교체할 수가 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 수소탱크 내에 과다 리크가 발생한 경우에는 웨이크업 이벤트의 발생시마다 수소탱크 압력을 대변하는 고압 압력센서의 센싱값에 변화가 없으며, 이는 수소탱크 입구 내 솔레노이드밸브의 단독 고장으로 인해 수소탱크 입구의 기밀 유지가 유지되지 못하기 때문이다.

또한, 수소탱크 내에 미세 리크가 발생한 경우에는 웨이크업 이벤트 발생시 수소탱크 압력을 대변하는 고압 압력센서의 센싱값에 P3 만큼의 변화가 발생하긴 하나, 다음 웨이크업 전까지 일정시간이 경과하는 중에 솔레노이드밸브를 통해 수소탱크에서 누기된 수소압이 연료공급라인에 서서히 충전되어 상기 고압 압력센서의 센싱값이 키 오프(key off) 시의 수소탱크압(P0)까지 상승 유지된다.

이는, 수소탱크 내 미세 리크로 인해 고압 압력센서의 센싱값이 점차 증가되어, 1차 웨이크업으로 P3 만큼 압력 강하된 수소탱크 압력(P0-P3)이, 1차 웨이크업 후 일정시간이 경과한 뒤의 수소탱크 압력보다 더 커졌기 때문이거나, 또는 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)까지 상승되었기 때문이다.

여기서, 수소탱크 내 과다 리크는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크의 내부 리크가 미세 리크 대비 상대적으로 크게 발생하여서 웨이크업 시마다 연료공급라인에서 강하된 수소압이 즉각적으로 충진 가능한 리크 상태를 말하며, 이때의 솔레노이드밸브는 오픈된 상태로 간주할 수 있을 정도로 기밀 상태가 불량한 상태이다. 그리고, 수소탱크 내 미세 리크는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크의 내부 리크가 과다 리크 대비 상대적으로 작게 발생하여서 1차 웨이크업 시 압력 강하된 수소탱크 압력이 2차 웨이크업 이전에 일정량 이상 충진 가능한 리크 상태를 말한다.

또한, 수소탱크 내 리크가 미발생한 정상 상태의 경우에는 웨이크업 이벤트 발생시마다 연료공급라인에서 스택으로 주입되는 수소량만큼 일정량(P3)의 압력 강하가 발생하여 고압 압력센서의 센싱값이 감소하며, 이는 솔레노이드밸브에 의한 수소탱크 입구의 기밀 유지가 이루어져 웨이크업 발생시 강하된 수소탱크 압력이 양호하게 유지되기 때문이다.

한편, 본 발명에 따른 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치를 다음과 같이 구성될 수 있으며, 이러한 구성은 종래 수소연료전지 차량에 기적용되고 있는 하드웨어를 그대로 활용하여 구현 가능하다.

도 3에 보이듯, 차량 정차시 수소연료공급라인에서 연료전지 스택으로 압력차에 의해 수소가스를 주입시키기 위한 웨이크업 기능을 수행하는 수소연료전지 차량에 있어서, 상기 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치는, 수소가스를 저장하는 수소탱크(10)의 입구에 결합 장착되어 상기 입구를 개폐하는 솔레노이드밸브(12); 상기 솔레노이드밸브(12)의 전단에 장착되어 수소탱크(10) 압력을 대변할 수 있는 압력값을 검출하는 고압 압력센서(14); 상기 웨이크업 기능을 수행하기 전과 후에 검출한 상기 고압 압력센서(14)의 센싱값을 기반으로, 상기 솔레노이드밸브(12)의 고장/불량으로 인한 수소탱크 내 리크를 판단하는 차량 제어기(20);를 포함하며, 또한 연료공급라인 상에 연료전지 스택으로 수소를 공급가능하게 장착되고, 차량의 키 오프(key off) 시 상기 웨이크업 기능을 수행하기 위하여 스택으로 수소를 공급하는 수소공급밸브(16); 연료공급라인 상에 장착되어 연료전지 스택으로 공급되는 수소압을 조절가능하게 구성되고, 차량의 키 오프(key off) 시 상기 웨이크업 기능을 수행하기 위하여 스택으로 공급되는 수소가스 압력을 조절하는 수소압조절밸브(18);를 포함하여 구성된다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 수소탱크 내 리크 감지 방법을 설명하면 다음과 같다.

앞서 언급한 바와 같이, 수소탱크 압력은 수소탱크 압력을 대변하는 값으로서, 솔레노이드밸브의 전단에 장착된 고압 압력센서의 센싱값과 동일한 의미로 혼용됨을 밝혀둔다.

먼저, 본 발명에서는 차량의 키 오프(Key off) 시의 수소탱크 압력(P0) 즉, 고압 압력센서(14)의 센싱값을 차량 제어기(20) 내 메모리에 저장한다.

웨이크업 동작을 제어하는 차량 제어기(20) 내 리얼 타이머를 이용하여, 키 오프(key off) 후 기설정된 일정시간(키 오프 후 1차 웨이크업이 발생하는데 걸리는 시간)이 경과한 것을 인지하면, 수소탱크 압력(Pa1)을 센싱하여 파악한다.

다음, 스택의 연료공급라인에 장착된 수소압조절밸브(18)와 수소공급밸브(16)를 기설정된 일정시간 동안 개방하여 1차로 웨이크업을 수행하고, 상기 수소압조절밸브(18)와 수소공급밸브(16)를 닫아 1차 웨이크업을 완료한 뒤, 다시 수소탱크 압력(Pb1)을 센싱하여 파악한다. 이때 상기 웨이크업 시 스택 내로 주입된 수소량만큼 발생한 수소탱크 압력 강하량(Pc1=Pa1-Pb1)을 산출 파악한다.

그리고, 상기 1차 웨이크업 동작 이전의 수소탱크 압력(Pa1)과 1차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb1)을 비교하여, 1차 웨이크업 동작 이전의 수소탱크 압력(Pa1)과 1차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb1)이 동일한 조건(Pa1=Pb1 조건)을 만족하면 수소탱크 내 과다 리크가 발생한 것으로 판단하고, 1차 웨이크업 동작 이전의 수소탱크 압력(Pa1)과 1차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb1)이 동일한 조건(Pa1=Pb1 조건)을 불만족하면 다시 상기 리얼 타이머를 이용하여 1차 웨이크업 이후 기설정된 일정시간(1차 웨이크업과 2차 웨이크업 간에 시간차로 설정됨)이 경과한 여부를 파악한다.

상기 1차 웨이크업 완료 이후 설정된 일정시간이 경과한 것을 인지하면, 다시 한번 수소탱크 압력(Pa2)을 센싱하여 파악한다.

여기서, 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)은 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)에서 상기 1차 웨이크업 시의 수소탱크 압력 강하량(Pc1)을 차감한 값과 동일하므로, 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 상기 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단 가능하다.

다음, 1차 웨이크업 시와 마찬가지로, 수소압조절밸브(18)와 수소공급밸브(16)를 개방하여 2차 웨이크업을 수행하고 상기 두 밸브를 닫아 웨이크업을 완료한 뒤, 웨이크업 동작 이후의 고압 압력센서(14)를 통해 수소탱크 압력(Pb2)을 센싱하여 파악하고, 2차 웨이크업에 따른 수소탱크의 압력 강하량(Pc2=Pa2-Pb2)을 산출 파악한다.

이어서, 상기 차량의 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb2)을 비교하여, 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb2)이 동일한 조건(P0=Pb2 조건)을 만족하면 수소탱크 내 과다 리크가 발생한 것으로 판단하고, 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업 동작 이후의 수소탱크 압력(Pb2)이 동일한 조건(P0=Pb2 조건)을 불만족하면 수소탱크 내 과다 리크가 미발생한 것으로 판단한다.

그리고, 수소탱크 내 미세 리크 발생 여부를 판단하기 위하여, 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)에서 1차 웨이크업 시 강하된 압력 강하량(Pc1=Pa1-Pb1)을 차감한 값(P0-Pc1)을, 1차 웨이크업 완료 이후 일정시간이 경과한 뒤 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)과 비교하여, 상기의 값(P0-Pc1)이 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)보다 작은 조건(P0-Pc1<Pa2 조건)(혹은 Pb1<Pa2 조건)을 만족하거나 또는 키 오프(key off) 시의 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)이 동일한 조건(P0=Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단하고, 상기 두 조건을 모두 불만족하면 수소탱크 내 리크가 미발생한 정상 상태인 것으로 판단한다.

이는, 상기의 P0-Pc1<Pa2 조건을 만족하는 경우, 수소탱크 내 미세 리크 발생으로 인해 연료공급라인에 수소가스가 서서히 충진되어, 1차 웨이크업 완료 이후 기설정된 일정시간이 경과한 뒤 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)이 1차 웨이크업으로 압력 강하된 수소탱크 압력(P0-Pc1)보다 커진 것으로 판단되기 때문이다.

또한, 상기의 P0=Pa2 조건을 만족하는 경우는, 수소탱크 내 미세 리크 발생에 의해 수소연료공급라인이 1차 웨이크업을 수행하기 전 수소탱크 압력(P0) 압력까지 서서히 충진되어 도달한 것으로 판단할 수 있기 때문이다.

이렇게 수소탱크 내 리크 발생을 판단하게 되는 경우 클러스터의 경고등 점등 등을 통해 운전자가 인지할 수 있도록 유도할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 수소탱크 내 리크 감지 방법에 의하면, 수소탱크 내부 리크를 감지 및 판단하기 위하여 추가적인 제어 및 동작을 취할 필요 없이, 기존과 같이 웨이크업을 수행하는 과정에서 고압 압력센서에 의해 수소탱크 압력을 모니터링한 결과를 가지고 수소탱크 내 리크를 그 정도(과다/미세)까지 구분하여 판단할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 기존에 수소 리크 농도 센서의 감지 및 수소가스의 누설 소리로 외부 리크를 감지하는 것과 별도로, 수소탱크 압력의 변화를 기반으로 수소탱크 내 리크를 감지하므로, 수소연료전지 차량의 외부 리크와 더불어 발생한 경우에도 수소탱크 내 리크에 대한 조치가 가능하고, 외부 리크가 미발생한 경우에는 수소탱크 내 리크가 있는지 여부를 판단하여 클러스터에 경고등을 점등하는 등에 의해 운전자에게 알려 사전 조치를 유도할 수 있으며, 이에 의해 수소연료전지 차량의 안전성을 유지 확보할 수 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 : 수소탱크
12 : 솔레노이드밸브
14 : 고압 압력센서
16 : 수소공급밸브
18 : 수소압조절밸브
20 : 차량 제어기

Claims

수소탱크에 저장된 수소가스를 연료공급라인을 통해 공급받아 발전하는 연료전지 스택을 탑재한 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법으로서,
a) 차량의 키 오프 이후 기설정된 일정시간이 경과한 다음 하기 1차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa1)을 파악하는 과정;
b) 상기 스택의 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 압력차에 의해 연료전지 스택으로 주입시키는 1차 웨이크업을 수행하는 과정;
c) 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)을 파악하여 1차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa1)과 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;을 포함하며,
상기 1차 웨이크업 수행 후 기설정된 일정시간이 경과한 다음, 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 주입시키는 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)을 파악하는 과정;
차량의 키 오프 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)을 상기 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)과 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 c) 과정에서는 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1)이 동일하면, 수소탱크 내부 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 c) 과정에서는 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1)이 동일하면, 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 과다 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1) 간에 차이값을 1차 웨이크업 시의 수소탱크 압력 강하량(Pc1=Pa1-Pb1)으로 파악하는 과정;
상기 1차 웨이크업 수행 후 기설정된 일정시간이 경과한 다음, 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 주입시키는 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)을 파악하는 과정;
상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 상기 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)은 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)에서 상기 1차 웨이크업 시의 수소탱크 압력 강하량(Pc1)을 차감한 값과 동일한 값인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는, 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)이 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)보다 작은 조건(Pb1 < Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는, 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)이 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)보다 작은 조건(Pb1 < Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는,
키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)이 동일한 조건(P0=Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정에서는,
키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)과 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)이 동일한 조건(P0=Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 고장에 의한 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
청구항 1 내지 7 및 청구항 9와 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소탱크 압력은 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 전단에 장착된 고압 압력센서의 센싱값인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.
차량 정차시 수소연료공급라인에서 연료전지 스택으로 압력차에 의해 수소가스를 주입시키기 위한 웨이크업 기능을 수행하는 수소연료전지 차량에 있어서,
수소가스를 저장하는 수소탱크 입구에 결합 장착되어 상기 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브;
상기 솔레노이드밸브의 전단에 장착되어 수소탱크 압력을 대변할 수 있는 압력값을 검출하는 고압 압력센서;
상기 웨이크업 기능을 수행하기 전과 후에 검출한 상기 고압 압력센서의 센싱값을 기반으로, 상기 솔레노이드밸브의 고장으로 인한 수소탱크의 내부 리크 발생을 판단하는 차량 제어기;를 포함하며,
상기 차량 제어기는 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하여 Pb1 < Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 차량 제어기는 스택의 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 압력차에 의해 연료전지 스택으로 주입시키는 1차 웨이크업의 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1)이 동일하면, 수소탱크 내부 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 차량 제어기는 스택의 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 압력차에 의해 연료전지 스택으로 주입시키는 1차 웨이크업 수행 전과 후의 수소탱크 압력(Pa1,Pb1)이 동일하면, 수소탱크 내 과다 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
삭제
청구항 12에 있어서,
상기 차량 제어기는 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하여 Pb1 < Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 차량 제어기는 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)을 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)과 비교하여 P0=Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 차량 제어기는 차량의 키 오프(key off) 시 파악하여 저장해둔 수소탱크 압력(P0)을 2차 웨이크업 수행 이전의 수소탱크 압력(Pa2)과 비교하여 P0=Pa2 조건을 만족하면 수소탱크 내 미세 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
청구항 12 내지 14 및 청구항 16 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소탱크 압력은 수소탱크의 입구를 기밀하게 개폐하는 솔레노이드밸브의 전단에 장착된 고압 압력센서의 센싱값인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 장치.
수소탱크에 저장된 수소가스를 연료공급라인을 통해 공급받아 발전하는 연료전지 스택을 탑재한 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법으로서,
차량의 키 오프 이후 상기 스택의 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 압력차에 의해 연료전지 스택으로 주입시키는 1차 웨이크업을 수행하고, 상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)을 파악하는 과정;
상기 1차 웨이크업 수행 후 기설정된 일정시간이 경과한 다음, 연료공급라인에 잔존해 있는 수소가스를 스택으로 주입시키는 2차 웨이크업을 수행하기 이전의 수소탱크 압력(Pa2)을 파악하는 과정;
상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)과 상기 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)을 비교하고, 그 비교 결과에 의해 수소탱크 내 리크 발생을 판단하는 과정;을 포함하며,
상기 1차 웨이크업 수행 후의 수소탱크 압력(Pb1)이 2차 웨이크업 수행 전의 수소탱크 압력(Pa2)보다 작은 조건(Pb1 < Pa2 조건)을 만족하면 수소탱크 내 리크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 수소탱크 내 리크 감지 방법.