KR102068009B1 - 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법 - Google Patents

연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시 에에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법은, 공기 공급 장치의 블로어를 통과하는 공기 유량 값을 측정하는 단계; 스택의 입구 또는 출구의 공기 압력 값을 측정하는 단계; 상기 스택의 부하 값을 측정하는 단계; 상기 블로어의 제어 신호 값을 측정하는 단계; 상기 공기 공급 장치가 정상 작동하는 상태에서 측정된 상기 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로 복수 개의 해석적 중첩 값들을 도출하는 단계; 및 실제 측정된 상기 공기 유량 값 및 상기 공기 압력 값을 상기 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 공기 공급 장치의 고장을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법{FAULT DIAGNOSIS METHOD OF FUEL CELL AIR SUPPLY SYSTEM}
아래의 설명은 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템으로 구성된다.
연료전지 시스템은 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출한다. 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)과, 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓과, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성된다.
연료전지에서는 수소가 양극(Anode, "연료극"이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, "공기극" 또는 "산소극"이라고도 함)으로 공급된다. 연료전지의 양극은 탱크에 담겨있는 수소를 사용하기 때문에, 밸브나 압력조절장치가 정상적으로 작동하는 경우에는 배관에 이물질이 끼거나 유량 공급에 문제가 발생하는 경우가 비교적 적다. 그러나, 연료전지의 음극은 외부 공기를 흡입하여 사용하기 때문에 이를 정제하기 위한 필터가 설치되는데, 장시간 필터 교환 없이 작동할 경우 필터가 막혀서 스택에 공기가 원활하게 공급되지 못하는 현상이 발생할 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 공기 유량 신호, 압력 신호, 제어 신호 및 연료전지 스택의 부하의 설정 값 또는 측정 값을 이용하여 연료전지 공기 공급 장치에서 발생할 수 있는 기계적인 고장을 검출하고 진단할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예의 목적은 시동 시 및 정상 운전 시 실시간으로 고장을 검출하고 진단할 수 있는 연료전기 공기 공급 장치의 고장 진단 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법은, 스택의 부하 값을 통해 필요로 하는 공기 유량을 설정하는 단계; 공기 공급 장치의 블로어를 통과하는 공기 유량 값을 측정하는 단계; 상기 스택의 입구 또는 출구의 공기 압력 값을 측정하는 단계; 상기 스택의 부하 값을 측정하는 단계; 상기 블로어의 제어 신호 값을 산출하여 출력하는 단계; 상기 공기 공급 장치가 정상적으로 작동하는 상태에서 측정된 상기 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로 복수 개의 해석적 중첩 값들을 도출하는 단계; 및 실제 측정된 상기 공기 유량 값 및 상기 공기 압력 값을 상기 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 공기 공급 장치의 고장을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 해석적 중첩 값은, 상기 공기 유량 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 압력 값; 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 압력 값; 및 상기 제어 신호 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 유량 값을 포함할 수 있다.
상기 고장을 진단하는 단계는, 상기 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차로 설정하는 단계; 상기 제 2 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 2 압력 잔차로 설정하는 단계; 상기 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차로 설정하는 단계; 및 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차에 기초하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장 유형을 진단하는 단계는, 복수의 고장 유형 각각에 대해, 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구하는 단계; 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차에 안정 계수를 곱하여 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을 설정하는 단계; 및 상기 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차와 비교하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장 유형을 결정하는 단계는, 일정 시간 간격으로 고장 유형을 결정하고, 설정 시간 동안 어느 하나의 고장 유형이 설정 횟수 이상으로 결정될 경우, 상기 어느 하나의 고장 유형을 상기 공기 공급 장치의 고장 유형으로 결정할 수 있다.
상기 안정 계수는 3 내지 6의 값을 가질 수 있다.
상기 복수 개의 해석적 중첩 값은 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 유량 값을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 해석적 중첩 값은, 상기 공기 유량 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 압력 값; 상기 제어 신호 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 유량 값; 및 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 유량 값을 포함할 수 있다.
상기 고장을 진단하는 단계는, 상기 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차로 설정하는 단계; 상기 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차로 설정하는 단계; 상기 제 2 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 2 유량 잔차로 설정하는 단계; 및 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차에 기초하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장 유형을 진단하는 단계는, 복수의 고장 유형 각각에 대해, 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구하는 단계; 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차 각각의 표준 편차에 안정 계수를 곱하여 제 1 압력 허용 값, 제 1 유량 허용 값 및 제 2 유량 허용 값을 설정하는 단계; 및 상기 제 1 압력 허용 값, 제 1 유량 허용 값 및 제 2 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차와 비교하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 해석적 중첩 값은 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 압력 값을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법은, 다양한 입력 값, 예를 들어, 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로, 복수 개의 해석적 중첩 값들을 얻고, 이러한 복수 개의 해석적 중첩 값들을 통해 고장을 감지하므로, 여러가지의 고장 유형을 동시에 진단할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 해석적 중첩 값들을 통해 고장을 감지하므로, 보다 정확하게 고장을 진단할 수 있다.
또한, 일 실시 에에 따르면, 공기 공급 장치를 유동하는 공기의 온도 값을 통해 유량 값 및 압력 값을 보정함으로써 보다 정확하게 고장을 진단할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 복수 개의 입력 값들 중 선택적으로 입력 값을 선택하여 고장을 진단할 수 있으므로, 사용하는 장치의 실정에 맞추어 별도의 장비 부가 없이 고장을 진단할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 한 번의 진단 결과가 아닌 진단 횟수도 동시에 고려하므로 보다 정확하게 고장을 진단할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 개략도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법의 순서도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 실제 측정된 공기 유량 값 및 공기 압력 값을 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 고장을 진단하는 방법의 구체적인 순서도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차에 기초하여 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 방법의 구체적인 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 고장에 따른 정규화된(nomalized) 잔차의 변화 패턴을 도시하는 표이다.
도 6은 도 5의 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차만을 정규화하여 도시하는 표이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 신경망 훈련 패턴을 도시하는 표이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 개략도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법의 순서도이다. 도 3은 일 실시 예에 따른 실제 측정된 공기 유량 값 및 공기 압력 값을 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 고장을 진단하는 방법의 구체적인 순서도이다. 도 4는 일 실시 예에 따른 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차에 기초하여 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 방법의 구체적인 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 공기 공급 장치(1)는 공기 필터(10), 유량계(11), 블로어(12), 가습기(13), 스택(14), 전력 변환계(15), 밸브(16), 온도계(T), 압력계(P), 전류계(I) 및 전압계(V)를 포함할 수 있다.
공기 필터(10)는 외부로부터 유입되는 공기의 불순물을 걸러낼 수 있다.
유량계(11)는 외부로부터 유입되는 공기의 유량을 측정할 수 있다. 유량계(11)에서 측정된 공기 유량 값은 제어부(미도시)로 전달될 수 있다. 제어부는 유량계(11)에서 측정된 유량과, 후술하는 다른 입력 값들에 기초하여 블로어(12)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 다른 입력 값들은 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 포함할 수 있다.
블로어(12)는 모터를 통해 공기를 연료전지의 스택에 공급할 수 있다. 예를 들어, 블로어(12)는 압축기 및 송풍기를 포함할 수 있다. 블로어(12) 모터의 회전 수가 증가할수록 연료전지의 스택에 공급되는 공기 유량이 증가할 수 있다.
가습기(13)는 외부로부터 공급되는 공기에 수분을 공급할 수 있다.
스택(14) 및 전력 변환계(15)는 기에 포함된 산소와 수소를 전기 화학 반응시켜 전기를 생성할 수 있다. 스택(14)은 전기 화학 반응을 위한 캐소드 및 애노드와, 전기 화학 반응으로 인해 발생된 열을 냉각시키기 위한 냉각 장치를 포함할 수 있다. 전력 변환계(15)는 생성된 전기를 외부로 전달할 수 있다.
밸브(16)는 블로어(12) 및 가습기(13) 사이에 배치되는 제 1 밸브(161)와, 가습기(13)로부터 외부로 향하는 배관에 배치되는 제 2 밸브(162)를 포함할 수 있다.
온도계(T)는 스택의 입구 또는 출구에 배치되어, 공기의 온도를 측정할 수 있다. 도 1에는 온도계(T)가 스택의 입구 및 출구에 모두 배치된 것으로 도시되나, 이에 제한되지 않음을 밝혀 둔다.
압력계(P)는 스택의 입구 또는 출구에 배치되어, 공기의 압력을 측정할 수 있다. 도 1에는 압력계(P)가 스택의 입구 및 출구에 모두 배치된 것으로 도시되나, 이에 제한되지 않음을 밝혀 둔다.
전류계(I) 및 전압계(V)는 각각 연료전지 스택의 전류 및 전압을 측정할 수 있다.
연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법은, 스택의 부하 값을 통해 필요로 하는 공기 유량을 설정하는 단계(S100), 공기 공급 장치의 블로어를 통과하는 공기 유량 값을 측정하는 단계(S200), 스택의 입구 또는 출구의 공기 압력 값을 측정하는 단계(S300), 블로어의 제어 신호 값을 측정하는 단계(S400), 공기 공급 장치가 정상적으로 작동하는 상태에서 측정된 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로 복수 개의 해석적 중첩 값들을 도출하는 단계(S500), 실제 측정된 공기 유량 값 및 공기 압력 값을 상기 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 공기 공급 장치의 고장을 진단하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
단계(S100)에서, 전류계(I)는 스택의 부하 값을 통해 필요로 하는 공기 유량을 측정할 수 있다. 스택의 부하 값은, 예를 들어, 스택에서 생성되는 전류 값일 수 있다. 전류계(I)는 측정된 부하 값을 제어부로 전송할 수 있다.
단계(S200)에서, 유량계(11)는 공기 공급 장치의 블로어를 통과하는 공기 유량 값을 측정할 수 있다. 유량계(11)는 측정된 공기 유량 값을 제어부로 전송할 수 있다.
단계(S300)에서, 압력계(P)는 스택의 입구 또는 출구의 공기 압력 값을 측정할 수 있다. 압력계(P)는 측정된 공기 압력 값을 제어부로 전송할 수 있다.
단계(S400)에서, 제어부는 블로어(12)의 제어 신호 값을 측정할 수 있다. 제어부는 공기 유량을 제어하기 위해 공기 공급 장치인 블로어 모터의 회전수를 제어할 수 있다. 제어부는 정상 작동 제어를 위해, 설정된 유량 값과 실제 측정된 공기 유량 값을 비교하여, 블로어를 제어할 수 있다.
단계(S500)에서, 제어부는 공기 공급 장치(1)가 정상적으로 작동하는 상태에서 측정된 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로 복수 개의 해석적 중첩 값들을 도출할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 공기 공급 장치(1)의 고장 유형을 진단하기 위한 복수 개의 입력 값을 얻을 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 입력 값은, 부하 값(스택 전류, Is), 공기 유량 값(Qam), 공기 압력 값(Pam), 공기 온도 값(Tam) 및 제어 신호 값(Ua)을 포함할 수 있다. 본원에서, 하첨자 "a"는 공기(air)를 의미하고, "m"은 측정(measurement)을 의미하고, "s"는 설정(set)을 의미함을 밝혀 둔다. 예를 들어, Qam 은 측정된 공기 유량 값을 의미하고, 후술하는 Qas는 설정된 공기 유량 값을 의미한다.
부하 값(스택 전류, Is)는 주어진 설정 값을 사용할 수도 있고, 또는 측정 값을 사용할 수 있다. "부하 값을 측정"한다는 것은 주어진 설정 값을 구하는 것 또는 실제 측정 값을 구하는 것을 의미할 수 있음을 밝혀 둔다. 이하, 설명의 편의를 위해 부하 값(Is)은 설정 값을 의미하는 것을 기준으로 설명하기로 한다. 한편, 제어 신호 값(Ua)은 블로어에서 제어부에 의해 측정되는 값인데, 아래의 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
<수학식 1>
Ua=f(Qam-Qas)
즉, 제어 신호 값(Ua)은 실제 측정된 공기 유량 값(Qam) 및 설정 유량 값(Qas)의 차이에 관한 함수로 결정될 수 있다. 그 외의, 입력 값들, 예를 들어, 공기 유량 값(Qam), 공기 압력 값(Pam) 및 공기 온도 값(Tam)은 각각 유량계(11), 압력계(P) 및 온도계(T)에서 측정되고, 제어부로 전송될 수 있다.
한편, 제어부는 입력 값들을 변수로 이용하여 정상적인 작동 상태를 예측하는 해석적 중첩 값을 계산할 수 있다. 제어부는 입력 값들을 복수 개의 해석적 중첩식에 대입하여 복수 개의 해석적 중첩 값을 도출할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 해석적 중첩식은, 유량과 압력 관계식, 부하와 압력 관계식, 출력 신호와 유량 관계식, 및/또는 부하와 유량 관계식을 포함할 수 있다.
유량과 압력 관계식은, 공기 공급 장치(1)에서 유량 값과 압력 값과의 상관 관계식을 의미한다. 예를 들어, 유량과 압력 관계식은 베르누이 방정식으로 유도 가능하다. 유량과 압력 관계식은 아래 수학식 2와 같다.
<수학식 2>
Paq=f1(Qam)
수학식 2에서, Paq는 제 1 해석적 압력 값을 의미한다. 즉, 유량과 압력 관계식을 통해 제 1 해석적 압력 값이 도출될 수 있다.
부하와 압력 관계식은, 공기 공급 장치(1)에서 부하 값과 압력 값과의 상관 관계식을 의미한다. 예를 들어, 부하 값과 압력 값과의 상관 관계식은, 부하(Is)와 연동되는 공기 유량 값과, 유량과 압력과의 관계식인 <수학식 2>를 이용하여 도출될 수 있다. 부하와 압력 관계식은 베르누이 방정식으로 유도 가능하다. 부하와 압력 관계식은 아래 수학식 3과 같다.
<수학식 3>
Paref=f2(Is)
수학식 3에서, Paref는 제 2 해석적 압력 값을 의미한다. 본원에서, 하첨자 "q"는 실제 측정 값을 기초로 도출된 해석적 중첩 값을 의미하는 데 사용되고, 하첨자 "ref"는 설정 값을 기초로 도출된 해석적 중? 값을 의미하는 데 사용됨을 밝혀 둔다.
출력 신호와 유량 관계식은, 공기 공급 장치(1)에서 제어 신호 값과 유량 값과의 상관 관계식을 의미한다. 제어 신호에 비례하여 블로어 모터의 회전수 RPM이 변하며, RPM에 연동하여 공기 유량이 변한다. 이러한 관계에 기초하여, 제어 신호 값과 유량 값과의 상관 관계식이 도출될 수 있다. 출력 신호와 유량 관계식은 아래 수학식 4와 같다.
<수학식 4>
Qau=f3(Ua)
수학식 4에서, Qau는 제 1 해석적 유량 값을 의미한다.
부하와 유량 관계식은, 공기 공급 장치(1)에서 부하 값과 유량 값과의 상관 관계식을 의미한다. 정상 상태에서는 블로어는 스택의 전기 부하에 연동하여 필요한 산소량과 공기비를 결정하므로, 이를 통해 부하와 유량 관계식이 도출될 수 있다. 부하와 유량 관계식은 아래 수학식 5와 같다.
<수학식 5>
Qaref=f4(Is)
수학식 5에서, Qaref는 제 2 해석적 유량 값을 의미한다.
단계(S600)에서, 제어부는, 실제 측정된 공기 유량 값 및 공기 압력 값을 상기 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 공기 공급 장치의 고장을 진단할 수 있다. 구체적으로, 단계(S600)는, 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차로 설정하는 단계(S610)와, 제 2 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 2 압력 잔차로 설정하는 단계(S620)와, 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차로 설정하는 단계(S630)와, 제 2 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 2 유량 잔차로 설정하는 단계(S640)와, 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차에 기초하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 단계(S650)를 포함할 수 있다.
단계(S610)에서, 제어부는 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차(R1)로 설정할 수 있다. 단계(S620)에서, 제어부는 제 2 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 2 압력 잔차(R2)로 설정할 수 있다. 단계(S630)에서, 제어부는 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차(R3)로 설정할 수 있다. 단계(S640)에서, 제어부는 제 2 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 2 유량 잔차(R4)로 설정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 압력 잔차(R1, R2)와, 제 1 및 제 2 유량 잔차(R3, R4)는 아래와 같은 수학식 6으로 구해질 수 있다.
<수학식 6>
R1=f1(Qam)-Pam=Paq-Pam
R2=f2(Is)-Pam=Paref-Pam
R3=f3(Ua)-Qam=Qau-Qam
R4=f4(Is)-Qam=Qaref-Pam
단계(S650)에서, 제어부는 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차에 기초하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 공기 공급 장치(1)가 작동하는 동안, 실시간으로 측정된 잔차들(R1, R2, R3, R4) 중 적어도 하나가 허용 범위를 일정 횟수 이상 초과하는 경우 고장으로 간주할 수 있다. 허용 범위는 공기 공급 장치(1)의 품질이나 운전 관리 정도에 따라 사용자가 설정할 수 있다.
단계(S650)는, 실시간으로 복수 개의 고장 유형을 실시간으로 감지할 수 있다. 예를 들어, 단계(S650)는, 복수의 고장 유형 각각에 대해, 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구하는 단계(S651)와, 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차에 안정 계수를 곱하여 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을 설정하는 단계(S652)와, 상기 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차와 비교하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정하는 단계(S653)를 포함할 수 있다.
단계(S651)에서, 제어부는 복수의 고장 유형 각각에 대해, 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구할 수 있다. 예를 들어, 복수의 고장 유형으로는, 공기 누설, 막힘, 블로어 성능 저하, 유량 센서 불량 및/또는 압력 센서 불량 등이 있을 수 있다. 제어부는, 각각의 고장 유형에서 측정된 각각의 잔차들(R1, R2, R3, R4)의 표준편차 값을 구할 수 있다.
예를 들어, 공기 누설 상태에서의 R1, R2, R3 값이 각각 0, +1, -1이고, 막힘 상태에서의 R1, R2, R3 값이 각각 0, -1, -1이고, 블로어 성능 저하 상태에서의 R1, R2, R3값이 각각 0, +1, +1이고, 유량 센서 불량 상태에서의 R1, R2, R3값이 각각 -1, 0, +1이고, 압력 센서 불량 상태에서의 R1, R2, R3값이 각각 +1, +1, 0일 때(도 5 참조).
단계(S652)에서, 제어부는 제 1 압력 잔차(R1), 제 2 압력 잔차(R2), 제 1 유량 잔차(R3) 및 제 2 유량 잔차(R4) 각각의 표준 편차에 안정 계수(n)를 곱하여 제 1 압력 허용 값(TR1), 제 2 압력 허용 값(TR2), 제 1 유량 허용 값(TR3) 및 제 2 유량 허용 값(TR4)을 설정할 수 있다. 안정 계수(n)는 품질 관리에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들어, 3 내지 6일 수 있다. 안정 계수(n)는 경우에 따라서 더 적은 값이나 클 값도 사용될 수 있음을 밝혀 둔다. 예를 들어, 안정 계수(n)는 아래와 같은 수학식 7을 통해 결정될 수 있다.
<수학식 7>
TR1=n*표준편차(R1)
TR2=n*표준편차(R2)
TR3=n*표준편차(R3)
TR4=n*표준편차(R4)
단계(S653)에서, 제어부는 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값, 제 1 유량 허용 값 및 제 2 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차와 비교하여 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정할 수 있다.
단계(S652)에서, 제어부는 일정 시간 간격으로 고장 유형을 결정하고, 설정 시간 동안 어느 하나의 고장 유형이 설정 횟수 이상으로 설정될 경우, 상기 어느 하나의 고장 유형을 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 10초 간격으로 고장 유형을 결정할 수 있다. 10초 마다 같은 고장 유형이 결정될 수도 있고, 다른 고장 유형이 결정될 수 있다. 설정 시간은 1분일 수 있다. 설정 횟수는 4회일 수 있다. 이 경우, 1분동안 4회 이상의 어느 하나의 고장 유형이 결정될 경우, 제어부는 해당 고장 유형을 공기 공급 장치의 고장 유형으로 최종 결정할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 제어부는 보다 정확하게 고장 유형을 진단할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 고장에 따른 잔차의 변화 패턴을 도시하는 표이다. 도 6은 도 5의 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차만을 도시하는 표이다. 도 7은 일 실시 예에 따른 신경망 훈련 패턴을 도시하는 표이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 시동 시 각각의 고장 유형들에 따른 잔차들(R1, R2, R3, R4)와, 정상 부하 제어 운전 시 각각의 고장 유형들에 따른 잔차들(R1, R2, R3, R4)을 일 예시적으로 도시한다. 입력 패턴으로 +1, -1, 0 값만이 사용되었으나, 이는 장치 상태에 맞추어 정규화(normalized)된 값으로, 실제 입력 값은 -1~1 사이의 중간값이 사용될 수도 있다. 각각의 고장 유형에서 구해진 잔차들(R1, R2, R3, R4)을 통해, 실시간으로 고장 유형이 검출될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 제 1 압력 잔차(R1), 제 2 압력 잔차(R2) 및 제 1 유량 잔차(R3)를 통해 고장 유형을 진단하는 것을 기준으로 설명하기로 하며, 이에 제한되지 않음을 밝혀 둔다. 예를 들어, 고장 유형을 진단하는 것은, 제 1 압력 잔차(R1), 제 2 압력 잔차(R2), 제 1 유량 잔차(R3) 및 제 2 유량 잔차(R4) 중 임의의 2개 이상의 값들, 바람직하게는 3개 이상의 값들에 기초하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 제 1 압력 잔차(R1), 제 1 유량 잔차(R2) 및 제 2 유량 잔차(R4)를 통해 고장 유형이 진단될 수도 있다.
예를 들어, 안정 계수가 1이라고 할 때, 제 1 압력 허용 값(TR1), 제 2 압력 허용 값(TR2) 및 제 1 유량 허용 값(TR3)은 각각, 0.8367, 0.8944 및 0.8944일 수 있다. 이와 같이, 제 1 압력 허용 값(TR1), 제 2 압력 허용 값(TR2) 및 제 1 유량 허용 값(TR3)이 결정될 경우, 제어부는 다양한 패턴 분류 방식을 이용하여 고장을 진단할 수 있다. 예를 들어, 패턴 분류 방식으로는 If Then Rule, 인공지능(신경망)이나, 퍼지 로직, 퍼지 클러스터링, KNN, NP 및 이들의 조합과, 다양한 통계적인 방식이 있을 수 있다. 이하 If Then Rule를 일 예시로 설명하기로 한다.
예를 들어, 시동 시 If Then Rule은 아래와 같이 적용될 수 있다.
IF |R1| <TR1 and |R2|< TR2 and |R3|< TR3 Then 정상 상태
Else IF R1> TR1 and R2> TR2 and R3< TR3 Then 공기공급 장치 누설
Else IF |R1| <TR1 and R2< TR2 and R3> TR3 Then 공기공급 장치 막힘
Else IF |R1| <TR1 and R2> TR2 and R3> TR3 Then 블로어 성능 저하
Else IF R1 <TR1 and |R2|< TR2 and R3> TR3 Then 유량 센서 불량
Else IF R1 >TR1 and R2> TR2 and |R3|< TR3 Then 압력 센서 불량
END
한편, 일 실시 예에 따른 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법은, 공기 공급 장치가 정상 부하 제어 운전시에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (11)

  1. 외부로부터 유입되는 공기의 유량을 측정 가능한 유량계와, 스택과, 공기를 상기 스택에 공급 가능한 블로어와, 스택의 입구 또는 출구에 배치되는 압력계를 포함하는 공기 공급 장치의 고장을 진단하는 방법에 있어서,
    스택의 부하 값을 통해 필요로 하는 공기 유량을 설정하는 단계;
    공기 공급 장치의 블로어를 통과하는 공기 유량 값을 측정하는 단계;
    상기 스택의 입구 또는 출구의 공기 압력 값을 측정하는 단계;
    상기 블로어의 제어 신호 값을 산출하여 출력하는 단계;
    상기 공기 공급 장치가 정상적으로 작동하는 상태에서 측정된 상기 공기 유량 값, 공기 압력 값, 부하 값 및 제어 신호 값을 기초로 복수 개의 해석적 중첩 값들을 도출하는 단계; 및
    실제 측정된 상기 공기 유량 값 및 상기 공기 압력 값을 상기 복수 개의 해석적 중첩 값과 비교하여 복수의 공기 공급 장치의 고장 유형을 동시에 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 공기 공급 장치의 고장 유형은, 상기 공기 공급 장치의 누설, 막힘, 상기 블로어의 성능 저하, 상기 유량계의 불량 및 상기 압력계의 불량 중 둘 이상을 포함하는. 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 해석적 중첩 값은,
    상기 공기 유량 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 압력 값;
    상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 압력 값; 및
    상기 제어 신호 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 유량 값을 포함하는 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고장을 진단하는 단계는,
    상기 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차로 설정하는 단계;
    상기 제 2 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 2 압력 잔차로 설정하는 단계;
    상기 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차로 설정하는 단계; 및
    상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차의 변화 패턴을 통해 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 단계를 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고장 유형을 진단하는 단계는,
    복수의 고장 유형 각각에 대해, 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구하는 단계;
    상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차 각각의 표준 편차에 안정 계수를 곱하여 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을 설정하는 단계; 및
    상기 제 1 압력 허용 값, 제 2 압력 허용 값 및 제 1 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 2 압력 잔차 및 제 1 유량 잔차와 비교하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고장 유형을 결정하는 단계는,
    일정 시간 간격으로 고장 유형을 결정하고, 설정 시간 동안 어느 하나의 고장 유형이 설정 횟수 이상으로 결정될 경우, 상기 어느 하나의 고장 유형을 상기 공기 공급 장치의 고장 유형으로 결정하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 안정 계수는 3 내지 6의 값인, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 해석적 중첩 값은 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 유량 값을 더 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 해석적 중첩 값은,
    상기 공기 유량 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 압력 값;
    상기 제어 신호 값을 기초로 도출된 제 1 해석적 유량 값; 및
    상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 유량 값을 포함하는 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고장을 진단하는 단계는,
    상기 제 1 해석적 압력 값 및 공기 압력 값의 차이를 제 1 압력 잔차로 설정하는 단계;
    상기 제 1 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 1 유량 잔차로 설정하는 단계;
    상기 제 2 해석적 유량 값 및 공기 유량 값의 차이를 제 2 유량 잔차로 설정하는 단계; 및
    상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차에 기초하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 진단하는 단계를 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고장 유형을 진단하는 단계는,
    복수의 고장 유형 각각에 대해, 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차 각각의 표준 편차를 구하는 단계;
    상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차 각각의 표준 편차에 안정 계수를 곱하여 제 1 압력 허용 값, 제 1 유량 허용 값 및 제 2 유량 허용 값을 설정하는 단계; 및
    상기 제 1 압력 허용 값, 제 1 유량 허용 값 및 제 2 유량 허용 값을, 실제 측정된 상기 제 1 압력 잔차, 제 1 유량 잔차 및 제 2 유량 잔차와 비교하여 상기 공기 공급 장치의 고장 유형을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수 개의 해석적 중첩 값은 상기 부하 값을 기초로 도출된 제 2 해석적 압력 값을 더 포함하는, 연료전지 공기 공급 장치의 고장 진단 방법.
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