KR102231125B1 - 연료전지 시스템의 다단계 고장 진단 방법 및 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 다단계 고장 진단 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템의 계층적 고장 분류 방법, 다단계 고장 진단 방법 및 고장 진단 장치가 개시된다. 연료전지 시스템은 계층에 따라 서브 시스템, 컴포넌트, 엘리먼트 수준으로 분류될 수 있고, 다단계 고장 진단 방법은 복수의 서브 시스템들로 구성된 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계, 및 측정 데이터 및 제어 신호를 이용하여, 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 다단계 고장 진단 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTI-STAGE FAULT DIAGNOSIS OF FUEL CELL SYSTEMS}
아래의 설명은 연료전지 시스템의 고장을 분류하고 진단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템의 일종이다. 연료전지 시스템은 복수의 서브 시스템들로 구성될 수 있는데, 연료전지 시스템을 구성하는 복수의 서브 시스템들은 스택과 스택을 제외한 주변 운전장치(BoP, Balance of Plant)를 포함할 수 있다. 스택과 스택을 제외한 주변 운전장치는 구성이 다르고, 연료전지 시스템 내에서 기능과 역할이 다르다. 따라서, 연료전지 시스템에서 스택 또는 주변 운전장치 중 어느 것에서 고장이 발생하였는지에 따라 고장에 대한 대처 방법 또한 달라질 수 있다. 그렇기 때문에, 연료전지 시스템 고장 시에 어느 서브 시스템에서 고장이 발생하였는지를 우선적으로 판단하는 기술이 필요한 실정이다.
일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 장치에 의해 수행되는 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법은, 상기 연료전지 시스템을 계층에 따라 시스템, 서브 시스템, 상위 컴포넌트, 하위 컴포넌트 및 엘리먼트로 순차적으로 구분하여 상기 연료전지 시스템의 고장을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 서브 시스템은, 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물 관리 장치, 전력 변환기 및 제어기의 서브 시스템을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 장치에 의해 수행되는, 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법은 복수의 서브 시스템들로 구성된 상기 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계; 및 측정 데이터와 제어 신호를 이용하여, 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 상기 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 상기 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 상기 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물관리 장치, 그리고 전력 변환기와 제어기의 서브 시스템을 포함할 수 있다.
상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계는, 상기 연료전지 시스템에 고장이 발생한 것으로 검출된 경우, 상기 스택의 내부 부품에 의한 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치(Balance of Plant: BOP)에 의해 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하는 단계는, 상기 스택의 내부 부품에 의해 비가역적으로 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치에 의해 가역적으로 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출하는 단계는, 상기 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다단계 고장 진단 장치는, 상기 연료전지 시스템에서 상기 고장이 발생된 서브 시스템에 대해서만 컴포넌트의 고장 진단을 수행하고, 나머지 서브 시스템들에 대해서는 상기 고장 진단을 수행하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법을 수행하는 다단계 고장 진단 장치는, 복수의 서브 시스템들로 구성된 상기 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 서브 시스템 고장 검출부 및 측정 데이터를 이용하여, 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 상기 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출하는 컴포넌트 고장 검출부를 포함할 수 있다.
상기 컴포넌트 고장 검출부는, 상기 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 상기 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트를 검출할 수 있다.
일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 장치는 상기 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 상기 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하는 엘리먼트 고장 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은, 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 전력 변환기, 물 관리 장치 및 제어기의 서브 시스템들을 포함할 수 있다.
상기 서브 시스템 고장 검출부는, 상기 시스템에 고장이 발생한 것으로 검출된 경우, 상기 스택의 내부 부품에 의한 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치에 의해 고장이 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다.
상기 서브 시스템 고장 검출부는, 스택 고장 검출부를 포함할 수 있고, 상기 스택 고장 검출부는, 상기 스택 고장이, 스택 내부 부품에 의해 비가역적으로 발생한 것인지 또는 주변 운전장치에 의해 가역적으로 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다.
상기 서브 시스템 고장 검출부는, 상기 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다.
상기 다단계 고장 진단 장치는, 상기 연료전지 시스템에서 상기 고장이 발생된 서브 시스템에 대해서만 컴포넌트 고장 진단을 수행하고, 나머지 서브 시스템들에 대해서는 상기 고장 진단을 수행하지 않을 수 있다.
다른 실시예에 따른 복수의 서브 시스템들을 포함하는 연료전지 시스템의 고장을 진단하는 다단계 고장 진단 장치는, 센서를 이용한 측정 데이터를 이용하여, 상기 복수의 서브 시스템들 중에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 서브 시스템 고장 검출부; 및 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 컴포넌트들 중에서 상기 고장의 원인이 되는 컴포넌트를 검출하는 컴포넌트 고장 검출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 연료전지 시스템 내에서 서브 시스템에서 컴포넌트, 그리고 엘리먼트 수준가지 어느 부분까지 고장이 발생하였는지를 단계별로 용이하게 진단할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템 내에서 어느 부분에서 고장이 발생하였는지를 진단할 수 있어, 사용자 또는 관리자가 고장의 발생에 따른 적합한 조치를 취할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 서브 시스템 별 고장 검출 및 컴포넌트 별 고장 검출 단계에서 스택의 손상을 초래하는 주변 운전장치의 갑작스러운 고장뿐만 아니라, 당장에 영향이 미미한 초기 고장을 미리 발견하고, 이에 대한 조치를 취함으로써, 연료전지 시스템의 장기 신뢰성을 향상시키는 데에 기여할 수 있다.
일 실시예에 따르면 연료전지의 성능 및 내구성의 향상을 도모할 수 있다.
일 실시예에 따르면 연료전지의 성능 및 내구성의 향상을 도모함으로써, 가정용/건물용 및 자동차용 연료전지 상용화의 필수 요구사항인, 시스템 안정화를 도모할 수 있다.
일 실시예에 따르면 연료전지 상용화의 필수 요구사항인, 시스템 안정화를 도모하기 위한 핵심 기술로서, 높은 시장성을 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 시스템의 전체적인 개요를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 달리 명시되지 않는 한 일반적으로 "하나 이상의"를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 시스템의 전체적인 개요를 도시하는 도면이다.
다단계 고장 진단 시스템은 연료전지 시스템(110)의 고장을 검출하고, 정확한 고장의 원인을 진단하기 위하여, 연료전지 시스템(110)에 대하여 시스템 단계에서부터 엘리먼트 단계까지 다단계 방식으로 접근할 수 있다. 다단계 고장 진단 시스템은 순차적인 방식으로 서브 시스템, 컴포넌트 및 엘리먼트로 구분된 연료전지 시스템(110)에 대하여 탑-다운(top-down) 흐름으로 고장의 원인을 진단할 수 있다. 이를 통해, 연료전지 시스템(110)은 연료전지 시스템(110)의 어떤 부분에서 고장이 발생하였는지를 검출하고, 시스템의 고장에 대한 원인을 특정 부분으로 한정지음으로써, 세분화된 고장 진단을 용이하게 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 다단계 고장 진단 시스템은 연료전지 시스템(110) 및 다단계 고장 진단 장치(120)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 다단계 고장 진단 장치(120)는 연료전지 시스템(110)으로부터 측정 데이터 및 제어 신호를 수집할 수 있다. 다단계 고장 진단 장치(120)는 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 연료전지 시스템(110)에 대한 고장 진단 결과를 산출할 수 있다. 사용되는 데이터는, 예를 들어 자동 및 수동으로 측정되는 센서 값과 제어 신호를 모두 포함할 수 있다.
일 실시예에서 다단계 고장 진단 장치(120)는 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 연료전지 시스템(110)의 고장을 검출할 수 있고, 연료전지 시스템(110)의 어느 부분에서 고장이 발생하였는지를 진단할 수 있다.
일 실시예에서, 다단계 고장 진단 장치(120)는 연료전지 시스템(110)을 계층에 따라 시스템, 서브 시스템, 상위 컴포넌트, 하위 컴포넌트 및 엘리먼트로 순차적으로 구분하여 연료전지 시스템(110)의 고장을 진단할 수 있다. 여기서, 서브 시스템은, 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물 관리 장치, 전력 변환기 및 제어기의 서브 시스템을 포함할 수 있다.
본 명세서에서의 서브 시스템은 부위라고도 지칭될 수 있고, 컴포넌트는 부품이라고도 지칭될 수 있다. 또한, 본 명세서에서의 엘리먼트는 요소로도 지칭될 수도 있다.
이하에서는, 도면들을 참조하여 다단계 고장 진단 방법을 보다 자세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 단계(210)에서 다단계 고장 진단 장치는 복수의 서브 시스템들로 구성된 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다. 여기서 연료전지 시스템은 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물 관리 장치, 전력 변환기 및 제어기의 서브 시스템으로 구분될 수 있다. 일 실시예에서 다단계 고장 진단 장치는 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다.
다단계 고장 진단 장치는 연료전지 시스템에 고장이 발생한 것으로 검출된 경우, 스택의 내부 부품에 의한 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치에 의해 고장이 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다. 스택에 고장이 발생한 경우, 고장의 원인이 스택 자체의 고장이 될 수도 있지만, 실시 예에 따라 주변 운전장치에 고장에 의해서도 스택에서 고장이 발생한 것으로 진단될 수도 있다. 따라서, 스택에 고장이 발생한 것으로 결정된 경우, 그 원인이 스택의 고장 때문인지 또는 그 주변의 운전장치의 고장 때문인지 정확하게 파악해야, 연료전지 시스템의 고장에 대한 대처가 적합하게 수행될 수 있다. 또한, 다단계 고장 진단 장치는 스택에서 발생한 고장에 대하여, 스택의 내부 부품에 의해 비가역적으로 고장인 발생한 것인지, 또는, 주변 운전장치에 의해 가역적으로 고장이 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다. 스택 자체의 고장일 경우에는 회복이 어렵지만(일명, '비가역적 고장'), 운전장치의 고장일 경우에는 운전장치가 정상으로 돌아오면 스택 성능은 회복될 수 있다(일명, '가역적 고장').
다단계 고장 진단 장치는, 연료전지 시스템에서 고장이 발생된 서브 시스템에 대해서만 고장 진단을 수행하고, 나머지 서브 시스템들에 대해서는 고장 진단을 수행하지 않을 수 있다. 즉, 다단계 고장 진단 장치는 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템에 한정하여, 서브 시스템에 포함된 컴포넌트 및 엘리먼트 중 적어도 하나에 대한 고장 진단을 수행할 수 있다.
단계(220)에서 다단계 고장 진단 장치는, 측정 데이터 및 제어 신호 등을 이용하여, 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출할 수 있다. 상위 컴포넌트가 하위 컴포넌트를 포함하지 않는 경우, 사용자 또는 관리자는 고장의 원인이 되는 것으로 검출된 상위 컴포넌트에 대한 조치를 취함으로써, 연료전지 시스템을 정상인 상태로 복구할 수 있다.
상위 컴포넌트가 하나 이상의 하위 컴포넌트를 포함하는 경우, 단계(230)에서 다단계 고장 진단 장치는 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트를 검출할 수 있다. 하위 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하지 않는 경우, 사용자 또는 관리자는 고장의 원인이 되는 것으로 검출된 하위 컴포넌트에 대한 조치를 취함으로써, 연료전지 시스템을 정상인 상태로 복구할 수 있다.
하위 컴포넌트가 하나 이상의 엘리먼트를 포함하는 경우, 단계(240)에서 다단계 고장 진단 장치는 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출할 수 있다. 사용자 또는 관리자는 고장의 원인이 되는 것으로 검출된 엘리먼트에 대한 조치를 취함으로써, 연료전지 시스템을 정상인 상태로 복구할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면 연료전지 시스템은 복수의 서브 시스템들(310)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 서브 시스템들(310)은 하나 이상의 컴포넌트(320 및 330)를 포함할 수 있는데, 여기서 컴포넌트는 상위 컴포넌트(320) 및 하위 컴포넌트(330)로 구성될 수 있다. 컴포넌트(320 및 330)가 상위 컴포넌트(320)와 하위 컴포넌트(330)로 구성된 경우, 상위 컴포넌트(320)는 하위 컴포넌트(330)를 포함할 수 있고, 하위 컴포넌트(330)는 하나 이상의 엘리먼트(340)를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서 서브 시스템들(310)은 연료 공급 장치, 스택, 전력 변환기/제어기, 공기 공급 장치, 물 관리 장치 및 열 관리 장치로 구분될 수 있다.
연료 공급 장치는 직접 수소를 사용하거나, 화석연료를 사용하여 수소로 변환하여 연료를 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 스택은 전력을 생산하는 서브 시스템이고, 전력 변환기/제어기는 전력을 변환하고 제어를 수행하는 서브 시스템일 수 있다. 공기 공급 장치는 스택 부하에 연동하여 공기량을 제어하고, 물 관리 장치는 공기 공급 장치, 연료 공급 장치 또는 열 관리 장치 중 적어도 하나의 일부로, 가습기 중심으로 구성되어 공기나 연료의 습도를 조절할 수 있다. 열 관리 장치는 스택의 온도를 적정하게 유지하는 기능을 수행할 수 있다.
스택은 성능이 회복될 수 있는 가역적인 고장의 경우와 회복이 어려운 비가역적인 고장의 경우로 구분될 수 있다. 스택의 가역적 고장은 드라잉, 플러딩 및 연료/공기 부족 상태를 포함할 수 있다. 이는 주로 주변의 운전장치 고장에 의해 발생할 수 있다. 비가역적 고장은 스택 자체의 고장으로 상위 컴포넌트(320)로 n개의 셀과 매니폴드, 체결판 등을 포함할 수 있고, 각각의 셀은 분리판(separator), MEA(Membrane-Electrode Assembly), GDL(Gas diffusion layer) 및 가스킷(gasket)의 하위 컴포넌트(330)를 포함할 수 있다. MEA는 전해질막(electrolyte)과 전극(electrode)을 엘리먼트(340)로 포함할 수 있다.
공기공급장치는 상위 컴포넌트(320)로 블로어(blower), 필터(filter), 센서(sensor) 및 배관 설비(line)을 포함할 수 있으며, 하위 컴포넌트로 블로어에서 베어링 및 회전장치 등의 기계적인 고장과 전기적인 모터 고장을 포함할 수 있다. 열 관리 장치는 상위 컴포넌트(320)로 스택 배관부(stack line), 열교환기 및 열저장조 배관부(reservoir line)을 포함할 수 있다. 스택 배관부와 열저장조 배관부는 하위 컴포넌트(330)로 펌프(pump), 센서, 그리고 배관(pipe) 등을 포함할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 다단계 고장 진단 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 다단계 고장 진단 장치(400)는 본 명세서에서 설명한 다단계 고장 진단 방법을 수행하는 다단계 고장 진단 장치에 대응할 수 있다. 일 실시예에서 다단계 고장 진단 장치(400)는 서브 시스템 고장 검출부(410), 컴포넌트 고장 검출부(420) 및 엘리먼트 고장 검출부(430)를 포함할 수 있다.
서브 시스템 고장 검출부(410)는 센서를 이용한 측정 데이터 및 제어 신호를 이용하여 복수의 서브 시스템들 중에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 서브 시스템 고장 검출부(410)는 스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료공급장치, 물 관리 장치 및 전력 변환기와 제어기를 포함하는 서브 시스템들로 구성된 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다. 또한, 서브 시스템 고장 검출부(410)는 연료전지 시스템에 고장이 발생한 것으로 검출된 경우, 스택에서 고장이 발생한 것인지, 또는 주변 운전장치에서 고장이 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 서브 시스템 고장 검출부(410)는 서브 시스템 별 특성 값 및 잔차(residual)를 산출할 수 있다. 서브 시스템 고장 검출부(410)는 측정 데이터에 기초하여 앞서 산출한 잔차에 대한 분석을 수행할 수 있다. 서브 시스템 고장 검출부(410)는 잔차가 미리 정해진 허용 값을 벗어나는 패턴에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다. 여기서, 서브 시스템별 특성 값은 해석적 중첩식을 지칭할 수 있다
해석적 중첩식은 특성이나 위치가 다른 센서의 측정값을 이용하여 특정 측정값을 산출하기 위한 식이 될 수 있고, 이를 위해 인공 신경망(Artificial Neural Network: ANN), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine: SVM), 선형 회귀식, 일반회귀 신경망(General Regression Neural Network: GRNN) 및 앙상블 회귀 중 적어도 하나의 회귀모델식이 사용될 수 있다.
잔차는 예측 값과 측정 값의 차이 또는, 예측 값과 다른 모델식을 이용하여 산출된 예측 값의 차이를 의미할 수 있다. 서브 시스템 고장 검출부(410)는 산출된 잔차 값이 서로 다른 고장에 대해 상대적으로 같은 크기를 갖도록 잔차 값에 대한 정규화를 수행할 수 있다.
허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어 허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값의 n배수가 될 수 있다. 여기서 n은 자연수가 될 수 있다.
서브 시스템 고장 검출부(410)는 잔차의 패턴을 고장 분류 패턴으로 이용하여, 신경망, 서포트 벡터 머신, 선형 회귀식, 일반회귀 신경망 및 앙상블 회귀 방법 중 적어도 하나의 회귀모델식을 이용하여 서브 시스템 별 고장의 발생 여부를 진단할 수 있고, 고장이 발생한 서브 시스템을 검출할 수 있다.
서브 시스템 고장 검출부(410)는 서브 시스템의 고장을 검출하기 위하여, 서브 시스템의 고장 여부를 확인할 수 있는 특성 식 및 특성 값을 이용할 수 있다.
예를 들어, 서브 시스템 고장 검출부(410)는 스택의 고장 여부를 판단하기 위하여, 공정 상태에 따른 전압과 전류의 관계를 이용할 수 있다. 또한, 서브 시스템 고장 검출부(410)는 공기 공급 장치를 통해 예상되는 공기량의 변화로 서브 시스템의 고장을 검출할 수 있다. 서브 시스템 고장 검출부(410)는 물 관리 장치에 연동된 시스템의 모니터링 변수를 이용하여 물 관리 장치의 고장을 검출할 수 있고, 각 시스템의 제어를 위한 측정 변수, 제어 신호 및 추가되는 모니터링 신호를 통해 연료 공급 장치의 고장을 검출할 수 있다.
실시예에 따라 서브 시스템 고장 검출부(410)는 스택 고장 검출부를 포함할 수도 있다. 스택 고장 검출부는 스택 고장이 스택 내부 부품에 의해 비가역적으로 발생한 것인지 또는, 주변 운전장치에 의해 가역적으로 발생한 것인지 여부를 판단할 수 있다.
컴포넌트 고장 검출부(420)는 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 컴포넌트들 중에서 고장의 원인이 되는 컴포넌트를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 컴포넌트 고장 검출부(420)는 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호를 이용하여, 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트를 검출할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 컴포넌트 고장 검출부(420)는 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 고장의 원인이 되는 하위 컴포넌트를 검출할 수도 있다.
일 실시예에서, 컴포넌트 고장 검출부(420)는 공기 공급 장치에 고장이 발생한 것으로 판단된 경우에, 공기량, 제어 신호 및 압력 신호 중 적어도 하나를 이용하여, 블로어(압축기), 센서, 라인(배관), 필터 등을 포함하는 컴포넌트의 고장 여부를 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 컴포넌트 고장 검출부(420)는 열 관리 장치에 고장이 발생한 것으로 판단된 경우에, 제어를 위한 구동 펌프와 밸브, 센서 및 열교환기에 대한 고장을 검출할 수 있다.
엘리먼트 고장 검출부(430)는 고장의 원인이 되는 상위 컴포넌트 또는 하위 컴포넌트 중 어느 하나에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 연료전지 시스템 120, 400: 다단계 고장 진단 장치
310: 서브 시스템 320: 상위 컴포넌트
330: 하위 컴포넌트 340: 엘리먼트
410: 서브 시스템 고장 검출부 420: 컴포넌트 고장 검출부
430: 엘리먼트 고장 검출부

Claims (20)

  1. 다단계 고장 진단 장치에 의해 수행되는, 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법에 있어서,
    상기 연료전지 시스템을 계층에 따라 시스템, 서브 시스템, 상위 컴포넌트, 하위 컴포넌트 및 엘리먼트로 순차적으로 구분하여 상기 연료전지 시스템의 고장을 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 고장을 진단하는 단계는,
    상기 연료전지 시스템에 포함된 복수의 서브 시스템들 중에서 고장이 발생한 서브 시스템이 검출된 경우, 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 한정하여, 상위 컴포넌트, 하위 컴포넌트 및 엘리먼트에 대해 다단계 방식으로 고장의 원인을 결정하는 단계; 및
    상기 연료전지 시스템을 위한 전력을 생산하는 스택에서 발생한 고장에 대하여, 상기 스택의 내부 부품에 의해 비가역적인 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치에 의해 가역적인 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 고장을 진단하는 단계는, 상기 연료전지 시스템에 포함된 모든 서브 시스템에 대해 서브 시스템별 특성 값 및 잔차를 산출하고, 상기 잔차가 허용 값을 벗어나는 패턴에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값의 자연수 배수인,
    다단계 고장 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 시스템은,
    스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물 관리 장치, 전력 변환기 및 제어기의 서브 시스템을 포함하는,
    다단계 고장 진단 방법.
  3. 다단계 고장 진단 장치에 의해 수행되는, 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법에 있어서,
    복수의 서브 시스템들로 구성된 상기 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계;
    측정 데이터 및 제어 신호를 이용하여, 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 고장이 발생한 상위 컴포넌트를 검출하는 단계;
    상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트가 하위 컴포넌트를 포함하지 않는 경우, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트를 고장의 원인으로 결정하는 단계;
    상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트가 하나 이상의 하위 컴포넌트를 포함하는 경우, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 고장이 발생한 하위 컴포넌트를 검출하는 단계;
    상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하지 않는 경우, 상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트를 고장의 원인으로 결정하는 단계; 및
    상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하는 경우, 상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계는,
    상기 연료전지 시스템을 위한 전력을 생산하는 스택에서 발생한 고장에 대하여, 상기 스택의 내부 부품에 의해 비가역적인 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치(Balance of Plant: BOP)에 의해 가역적인 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계는,
    상기 연료전지 시스템에 포함된 모든 서브 시스템에 대해 서브 시스템별 특성 값 및 잔차를 산출하고, 상기 잔차가 허용 값을 벗어나는 패턴에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값의 자연수 배수인,
    다단계 고장 진단 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 물 관리 장치, 전력 변환기 및 제어기의 서브 시스템을 포함하는,
    다단계 고장 진단 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제3항에 있어서,
    상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트를 검출하는 단계는,
    상기 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 단계
    를 포함하는,
    다단계 고장 진단 방법.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제3항에 있어서,
    상기 다단계 고장 진단 장치는,
    상기 연료전지 시스템에서 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 대해서만 고장 진단을 수행하고, 나머지 서브 시스템들에 대해서는 상기 고장 진단을 수행하지 않는,
    다단계 고장 진단 방법.
  11. 제1항 내지 제3항, 제6항, 제9항 및 제10항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 인스트럭션들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
  12. 연료전지 시스템에 대한 다단계 고장 진단 방법을 수행하는 다단계 고장 진단 장치에 있어서,
    복수의 서브 시스템들로 구성된 상기 연료전지 시스템에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 서브 시스템 고장 검출부;
    측정 데이터 및 제어 신호를 이용하여, 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 상위 컴포넌트들 중에서 고장이 발생한 상위 컴포넌트를 검출하는 컴포넌트 고장 검출부; 및
    고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하는 엘리먼트 고장 검출부를 포함하고,
    상기 컴포넌트 고장 검출부는, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트가 하위 컴포넌트를 포함하지 않는 경우, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트를 고장의 원인으로 결정하고, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트가 하나 이상의 하위 컴포넌트를 포함하는 경우, 상기 고장이 발생한 상위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 하위 컴포넌트 중에서, 고장이 발생한 하위 컴포넌트를 검출하고, 상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하지 않는 경우, 상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트를 고장의 원인으로 결정하고,
    상기 엘리먼트 고장 검출부는,
    상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하는 경우, 상기 고장이 발생한 하위 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하고,
    상기 서브 시스템 고장 검출부는, 스택 고장 검출부를 포함하고,
    상기 스택 고장 검출부는, 상기 연료전지 시스템을 위한 전력을 생산하는 스택에서 발생한 고장에 대하여, 상기 스택의 내부 부품에 의해 비가역적인 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치(Balance of Plant: BOP)에 의해 가역적인 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하고,
    상기 서브 시스템 고장 검출부는,
    상기 연료전지 시스템에 포함된 모든 서브 시스템에 대해 서브 시스템별 특성 값 및 잔차를 산출하고, 상기 잔차가 허용 값을 벗어나는 패턴에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하고,
    상기 허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값의 자연수 배수인,
    다단계 고장 진단 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    스택, 공기 공급 장치, 열 관리 장치, 연료 공급 장치, 전력 변환기, 물 관리 장치 및 제어기의 서브 시스템들을 포함하는,
    다단계 고장 진단 장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 서브 시스템 고장 검출부는,
    상기 복수의 서브 시스템들에 대한 측정 데이터 및 제어 신호에 기초하여 상기 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는,
    다단계 고장 진단 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 다단계 고장 진단 장치는,
    상기 연료전지 시스템에서 상기 고장이 발생한 서브 시스템에 대해서만 고장 진단을 수행하고, 나머지 서브 시스템들에 대해서는 상기 고장 진단을 수행하지 않는,
    다단계 고장 진단 장치.
  20. 복수의 서브 시스템들을 포함하는 연료전지 시스템의 고장을 진단하는 다단계 고장 진단 장치에 있어서,
    센서를 이용한 측정 데이터를 이용하여, 상기 복수의 서브 시스템들 중에서 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하는 서브 시스템 고장 검출부;
    상기 고장이 발생한 서브 시스템에 포함되는 컴포넌트들 중에서 상기 고장이 발생한 컴포넌트를 검출하고, 상기 고장이 발생한 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하지 않는 경우, 상기 고장이 발생한 컴포넌트를 고장의 원인으로 결정하는 컴포넌트 고장 검출부; 및
    상기 고장이 발생한 컴포넌트가 엘리먼트를 포함하는 경우, 상기 고장이 발생한 컴포넌트에 포함된 하나 이상의 엘리먼트 중에서, 고장의 원인이 되는 엘리먼트를 검출하는 엘리먼트 고장 검출부를 포함하고,
    상기 서브 시스템 고장 검출부는,
    상기 연료전지 시스템을 위한 전력을 생산하는 스택에서 발생한 고장에 대하여, 상기 스택의 내부 부품에 의해 비가역적인 고장이 발생한 것인지 또는 주변 운전장치(Balance of Plant: BOP)에 의해 가역적인 고장이 발생한 것인지 여부를 판단하고,
    상기 서브 시스템 고장 검출부는,
    상기 연료전지 시스템에 포함된 모든 서브 시스템에 대해 서브 시스템별 특성 값 및 잔차를 산출하고, 상기 잔차가 허용 값을 벗어나는 패턴에 기초하여 고장이 발생한 서브 시스템을 검출하고,
    상기 허용 값은, 각 서브 시스템이 고장나지 않은 상태에서 산출된 잔차의 표준편차 값의 자연수 배수인,
    다단계 고장 진단 장치.
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