KR102249759B1 - 압력센서의 옵셋 보정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력센서의 옵셋 보정 방법에 관한 것으로서, 연료전지 시스템에서 수소 압력을 검출하는 압력센서의 센싱값 옵셋을 정확히 보정할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 시스템의 시동 후 수소 공급이 시작된 상태에서 제어기가 수소 압력을 검출하는 압력센서의 센싱값을 입력받는 단계; 상기 제어기가 상기 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 동안의 시간을 카운트하는 단계; 상기 제어기가 저장된 설정 데이터를 이용하여 상기 카운트 된 시간에 해당하는 옵셋값을 산출하는 단계; 및 상기 옵셋값이 산출되면 상기 제어기가 이후의 압력센서 센싱값을 상기 산출된 옵셋값만큼 실시간으로 보정하는 단계를 포함하는 압력센서의 옵셋 보정 방법이 개시된다.

Description

압력센서의 옵셋 보정 방법{METHOD FOR COMPENSATING OFFSET OF PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력센서의 옵셋 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 수소 압력을 검출하는 압력센서의 센싱값 옵셋을 정확히 보정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차 중 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료 가스인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 및 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함한다.
통상의 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크), 레귤레이터, 수소압력조절밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워나 컴프레서, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
수소공급장치에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 레귤레이터에서 일정 압력으로 감압된 후 연료전지 스택에 공급되는데, 이때 감압된 수소는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다.
또한, 연료전지 스택에서 반응 후 남은 수소는 스택 수소극(연료극, 애노드) 출구단을 통해 배출되거나 수소 재순환 장치에 의해 스택 수소극 입구단으로 재순환된다.
도 1은 수소공급장치를 나타내는 개략도로서, 수소압력조절밸브(1), 압력센서(2,4), 연료전지 스택(3), 수소 재순환 장치가 도시되어 있다.
미도시된 수소탱크로부터 레귤레이터를 거친 수소는 수소압력조절밸브(1)에 의해 압력 조절된 후 연료전지 스택(3)으로 공급되는데, 수소압력조절밸브(1)는 레귤레이터에 의해 감압된 수소를 스택 운전 조건에 적절한 압력으로 조절한다.
이때, 제어기가 스택(3)의 전, 후단에 설치된 압력센서(2,4)의 센싱값을 피드백 받아 수소압력조절밸브(1)의 작동을 제어하여 수소 압력을 조절한다.
수소 재순환 장치는 수소 공급의 신뢰성을 높이고 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장치로, 도 1에는 블로워 타입의 수소 재순환 장치를 예시하고 있다.
도시된 바와 같이, 수소 재순환 장치는 재순환 라인(6)에 재순환 블로워(7)를 설치하여 구성될 수 있고, 연료전지 스택(3)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
또한, 연료전지에서는 스택(3) 내부의 전해질막을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어지고, 따라서 정해진 주기에 맞추어 수소퍼지밸브(5)를 열어 퍼지를 실시한다.
즉, 연료전지 스택(3)의 수소극 출구측 라인에 수소 퍼지를 위한 수소퍼지밸브(5)를 설치하여 수소극의 수소를 주기적으로 배출함으로써 연료전지 스택으로부터 질소와 물 등의 이물질을 수소와 함께 배출 및 제거하고, 이를 통해 수소 이용률을 높이는 것이다.
한편, 수소 연료는 일례로 스택 전류량에 따라 조절하여 공급해야 하는데, 연료전지 스택(3)에 공급되는 연료량, 즉 수소 공급량은 수소압력조절밸브(1)를 이용하여 수소 공급압력을 제어함으로써 조절할 수 있고, 스택 전류를 증가시키기 위해서는 수소 공급압력을 증가시켜 스택 내 반응면에서의 수소량을 증가시켜야 한다.
이때, 스택 전류량과 압력이 상응하도록 정밀하게 수소 공급이 제어되어야 하고, 만약 요구되는 수소 압력보다 높게 수소가 공급될 경우 에너지 효율이 감소하여 연비가 악화된다.
또한, 수소 압력이 낮을 경우 단시간에 스택 내구성을 급격히 저하시켜 스택에 심각한 손상을 줄 수 있다.
이와 같이 연료전지 시스템에서의 수소 공급은 스택의 내구성 및 성능에 직결되는 것으로, 연료전지 시스템의 운전 동안 수소 공급은 항상 정상적인 상태를 유지해야 하고, 이를 위해 수소 압력을 검출하는 압력센서(2,4) 또한 항상 정상적인 상태를 유지해야 한다.
특히, 연료전지 시스템에서 압력센서(2,4)는 수소가 흐르는 배관에 설치되어 수소 압력을 검출하는 센서로서, 신뢰성 있는 수소 공급량 제어를 위해 매우 중요한 역할을 하는 부품이다.
만약, 압력센서(2,4)의 고장이나 센싱값의 옵셋(offset)이 발생한 경우, 연료전지 시스템의 손상을 초래할 수 있으므로, 압력센서의 옵셋 등 비정상적인 상황이 발생하였을 때, 이를 신속히 감지하고 정상적인 수소 공급이 이루어지도록 하는 것이 중요하다.
압력센서의 신뢰에 대한 중요성을 감안하여 2개의 압력센서(2,4)를 장착하여 각 센서의 센싱값을 동시에 모니터링할 수 있는데, 제어기가 요구하는 압력과 입/출구 압력센서의 검출압력(센싱값)을 분석하여 고장 여부를 판단한다.
일례로, 압력센서의 고장 진단 방법으로 스택 입구 압력센서와 스택 출구 압력센서의 센싱값을 비교하여 두 센싱값의 차이로부터 고장을 판단할 수 있고, 차이값이 일정범위를 넘어 두 센서의 센싱값이 크게 상이한 값을 나타내는 등의 간단한 고장 상태를 확인하는 것이 가능하다.
그러나, 고장 발생시 대응할 수 있는 방안이 부재한 상태이다.
또한, 수소 압력센서의 경우 지속적으로 열화되므로 정기적인 옵셋 보정이 필요한데, 압력센서의 센싱값에 '-' 옵셋이 발생한 경우, 즉 실제 수소 압력에 비해 낮은 수소 압력 값이 센싱된 경우, 이를 피드백 값으로 하여 수소 압력을 제어하였을 때, 제어된 수소 압력이 실제 요구 수치에 비해 높아지게 되므로, 수소극(연료극)의 압력이 요구 수치보다 높아 발생하는 수소 크로스오버(crossover)량이 증가하여 연비 저하를 초래할 수 있다.
또한, 압력센서의 센싱값에 '+' 옵셋이 발생한 경우, 즉 실제 수소 압력에 비해 높은 수소 압력 값이 센싱된 경우, 제어된 수소 압력이 실제 요구 수치에 비해 낮아지게 되므로, 수소극의 압력이 요구 수치보다 낮아 발생하는 연료전지 열화(수소 부족에 기인함)의 문제가 나타날 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 한국 등록특허 제10-1601460(2016.3.2.)에는, 압력센서의 센싱값에 옵셋이 발생한 경우 이를 보정하는 종래의 방법으로서, 제어기 내부의 대기압 센서를 기준으로 압력센서의 옵셋을 보정하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기의 종래 방법에 따르면, 제어기의 측정 오차와 대기압 센서의 오차가 발생할 수 있음을 감안하였을 때 큰 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다.
더욱이, 수소극(연료극)을 주기적으로 대기압 환경에 노출시킨 뒤 보정해야 하는 문제점이 존재하는데, 수소극을 대기압 환경에 노출시킬 경우 수소/산소 계면이 형성되어 시동시에 공기극(캐소드)의 카본 부식을 유발시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 시스템에서 수소 압력을 검출하는 압력센서의 옵셋 발생 여부를 판단하고 압력센서의 상태에 따라 정확한 옵셋값을 산출하여 압력센서 센싱값의 옵셋을 정확히 보정할 수 있는 압력센서의 옵셋 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 시동 후 수소 공급이 시작된 상태에서 제어기가 수소 압력을 검출하는 압력센서의 센싱값을 입력받는 단계; 상기 제어기가 상기 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 동안의 시간을 카운트하는 단계; 상기 제어기가 저장된 설정 데이터를 이용하여 상기 카운트 된 시간에 해당하는 옵셋값을 산출하는 단계; 및 상기 옵셋값이 산출되면 상기 제어기가 이후의 압력센서 센싱값을 상기 산출된 옵셋값만큼 실시간으로 보정하는 단계를 포함하는 압력센서의 옵셋 보정 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 압력센서의 옵셋 보정 방법에 의하면, 연료전지 시스템의 시동시마다 수소 공급이 시작된 상태에서 시동 초기의 압력센서 센싱값이 제1 압력에서 제2 압력까지 상승하는 동안의 압력 상승 시간(Δt)을 이용하여 압력센서의 옵셋 발생 여부 판단, 옵셋 발생 상태 판단('-', '+' 옵셋 구분), 옵셋값 산출, 및 압력센서의 정확한 옵셋 보정을 수행할 수 있고, 이를 통해 연료전지 스택이 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 운전되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 압력센서의 신뢰성 및 옵셋 보정의 신뢰성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 압력센서의 '-' 옵셋 발생시 수소극(연료극)의 압력이 요구 수치보다 높아 발생하는 수소 크로스오버량 증가로 인한 연비 저하의 문제점을 개선할 수 있게 되고, 압력센서의 '+' 옵셋 발생시 수소극의 압력이 요구 수치보다 낮아 발생하는 수소 부족으로 인한 연료전지 열화의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
또한, 옵셋 보정시 종래 방법과 달리 수소극을 대기에 노출시키지 않으므로, 수소극 대기 노출시 발생하는 수소/산소 계면 형성으로 인한 공기극 카본 부식의 발생을 방지할 수 있고, 종래의 옵셋 보정시 연료전지 열화의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
또한, 지속적으로 열화되는 압력센서에 대한 정기적인 고장 진단 및 옵셋 보정이 가능하고, 압력센서의 옵셋 과다시 고장으로 진단하여 센서 교체를 유도할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템에서 수소 압력센서의 설치 상태를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 옵셋 보정 과정을 수행하는 제어기 및 압력센서를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 옵셋 보정 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에서 압력센서의 정상 상태와 옵셋이 발생한 상태일 때의 압력 센싱값을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에서 카운트 된 시간으로부터 옵셋값을 산출할 수 있는 설정 데이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에서 옵셋값과 옵셋 상태에 따른 상승 시간을 그래프로 비교하여 예시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 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.
이하의 설명에서는, 연료전지 시스템에서 수소의 압력을 검출하는 압력센서로서, 본 발명에 따른 옵셋 보정의 대상이 되는 압력센서, 즉 본 발명에 따라 센싱값 옵셋 보정 및 고장 판단이 수행되는 압력센서가, 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택(3)에 공급되는 수소의 압력(즉, 수소 공급압력)을 검출하도록 연료전지 스택의 입구측 배관(즉, 스택의 수소극 입구측에 연결된 수소 공급 배관)에 설치된 압력센서(2)인 경우의 예를 들어 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명이 상기와 같이 스택 입구측 수소 압력센서(즉, 입구 압력센서)에 대한 고장 판단 및 옵셋 보정으로 한정되는 것은 아니며, 연료전지 스택의 출구측 배관, 즉 스택의 수소극 출구측에 연결된 배관에 설치된 출구 압력센서(도 1에서 도면부호 4임)에 대해서도 본 발명에 따른 고장 판단 및 옵셋 보정 방법을 동일하게 적용할 수 있다.
이때, 입구 압력센서와 출구 압력센서에 대해 각각 본 발명에 따른 방법을 적용하여 개별적으로 고장 판단 및 옵셋 보정을 수행할 수 있다.
또한, 이하의 설명에서는 압력센서의 센싱값 옵셋(offset)(편차)에 있어서 실제 수소 압력보다 낮은 수소 압력이 압력센서에 의해 센싱되어 압력센서의 센싱값이 실제 수소 압력보다 낮은 값을 나타내는 옵셋 상태를 '-' 옵셋으로 정의한다.
아울러, 센싱값 옵셋에 있어서 실제 수소 압력보다 높은 수소 압력이 압력센서에 의해 센싱되어 압력센서의 센싱값이 실제 수소 압력보다 높은 값을 나타내는 옵셋 상태를 '+' 옵셋으로 정의한다.
도 2는 본 발명에 따른 옵셋 보정 과정을 수행하는 제어기 및 압력센서를 예시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 옵셋 보정 과정을 나타내는 순서도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 수소의 압력을 검출하는 수소 압력센서(2)가 수소 공급 배관에 설치될 수 있고, 압력센서(2)로부터 전기적인 신호로 출력되는 수소 압력 센싱값을 제어기(10)가 입력받도록 되어 있다.
또한, 상기 제어기(10)가 도 3에 나타낸 본 발명에 따른 옵셋 보정 과정을 수행하며, 제어기(10)에 의해 수행되는 옵셋 보정 과정은 연료전지 시스템의 시동(S11) 후에 진행되는 보정 가능 여부 판단 단계(S12), 압력 상승 시간 측정 단계(S13-S16), 옵셋값 산출 단계(S17), 고장 판단 단계(S18), 및 옵셋 보정 단계(S19)를 포함한다.
먼저, 제어기(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료전지 시스템의 시동(S11) 후 연료전지 시스템에서 수집되는 정보에 기초하여 보정 가능 여부를 판단하고(S12), 보정 가능 조건을 모두 만족할 경우에만 본 발명에 따른 이후의 옵셋 보정 과정을 수행한다.
여기서, 보정 가능 조건을 만족함은 연료전지 시스템의 시동 후 수소 공급이 시작되기 전에 연료전지 스택(3)에서의 수소 압력이 대략 일정한 값을 유지하는 조건, 즉 수소 압력의 스테디(steady)한 조건을 만족하는 경우를 의미한다.
보다 상세하게는, 보정 가능 조건을 만족함은 수소 압력이 일정한 값을 유지하고 있는 조건 또는 일정한 값을 유지할 수 있는 조건을 만족하는 경우를 의미하며, 이러한 보정 가능 조건은 압력센서의 센싱값이 초기 압력범위 이내를 유지하는 조건을 포함한다.
즉, 제어기가 압력센서의 센싱값을 입력받아 압력센서의 센싱값이 미리 설정된 초기 압력범위 이내를 유지할 경우 보정 가능 조건을 만족하는 것으로 판단하도록 하는 것이다.
이에 더하여 상기 보정 가능 조건은 스택 전압이 설정전압 미만인 조건을 더 포함할 수 있고, 이에 더하여 수소 퍼지 미작동인 조건을 더 포함할 수 있으며, 이에 더하여 워터 트랩(8)의 드레인 밸브(9)가 닫힌 상태인 조건을 더 포함할 수 있다.
상기 제어기(10)가 연료전지 시스템 제어기이고, 도 2에 예시한 바와 같이, 제어기(10)에 의해 수소퍼지밸브(5) 및 드레인 밸브(9)의 작동을 제어하도록 되어 있다면, 제어기(10)가 수소퍼지밸브(5) 및 드레인 밸브(9)의 미작동 상태를 알 수 있게 된다.
수소 퍼지는 수소퍼지밸브(5)의 주기적인 개폐작동에 의해 이루어지는 것으로, 수소 퍼지 미작동인 조건은 수소퍼지밸브(5)의 개폐작동이 없는 조건을 의미한다.
또한, 통상의 연료전지 시스템에는 연료전지 스택(3)에서 배출되는 물을 저장하는 워터 트랩(8)을 구비하고 있는바, 이러한 워터 트랩(8)에는 저장된 물을 외부로 배출하기 위해 개방되는 드레인 밸브(9)가 설치되어 있다.
이러한 드레인 밸브(9)가 개방되어 워터 트랩(8) 내 물이 배출될 때, 특히 애노드 워터 트랩의 물이 배출될 때, 연료전지 수소 압력의 변화가 발생할 수 있으며, 따라서 제어기(10)는 드레인 밸브(9)의 미작동 상태, 즉 닫힌 상태를 유지할 경우에 보정 가능 조건을 만족하는 것으로 판단한다.
좀더 상세하게 설명하면, 상기한 보정 가능 여부 판단을 위해 제어기에는 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2)이 미리 설정되어 저장되고, 보정 가능 여부 판단 과정에서 제어기는 압력센서에 의해 검출되는 초기 압력값, 즉 압력센서의 초기 센싱값이 상기 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2) 사이의 범위인 초기 압력범위 이내인지를 판단한다.
즉, 압력센서의 초기 센싱값이 초기 압력 하한값 이상이면서 초기 압력 상한값 이하일 경우(Pi1≤초기 센싱값≤Pi2), 압력센서의 초기 센싱값이 상기 초기 압력범위 이내인 것으로 판단하도록 하는 것이다.
여기서, 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2)은 모두 대기압 이하의 압력값으로 설정될 수 있고, 초기 압력 상한값이 초기 압력 하한값보다 큰 압력값으로 설정된다.
또한, 상기 초기 압력 하한값과 초기 압력 상한값은 모두 후술하는 제1 압력(P1)보다 낮은 압력값으로 설정된다.
또한, 제어기는 보정 가능 여부 판단 과정에서 전압검출부에 의해 검출되는 스택 전압을 설정전압과 비교하여 설정전압 미만인지를 판단하고, 수소 퍼지 미작동 및 워터 트랩 드레인 미작동 상태인지를 확인한다.
상기한 보정 가능 조건은 연료전지의 시동 초기에 연료전지 수소 압력의 스테디한 상태를 확인하기 위하여 제어기 내에 미리 정해지는 조건으로, 상기한 보정 가능 조건을 만족할 경우 연료전지 수소 압력의 스테디한 상태인 것으로 판단할 수 있다.
즉, 연료전지 수소 압력의 스테디한 상태를 확인하여 보정 가능 여부를 판단하는 것이며, 수소 압력의 스테디한 상태에서만 제어기에 의한 압력센서 옵셋 보정이 수행되도록 하는 것이다.
연료전지 시스템 운전 중의 수소 압력은 연료전지의 전류 출력, 연료전지 내의 물질 전달, 수소 퍼지 및 워터 트랩 드레인 작동에 의한 압력 변화가 발생함에 따라 스테디 상태 확보가 어렵다.
따라서, 본 발명에서는 시동 초기의 압력센서 센싱값이 초기 압력범위 이내인 조건, 스택 전압이 설정전압 미만인 조건, 그리고 연료전지 수소 퍼지 미작동 및 워터 트랩의 드레인(물 배출) 미작동인 조건을 만족할 때, 상기한 수소 압력의 스테디 상태인 것으로 판단하여 압력센서의 옵셋 보정 과정을 진행한다.
또한, 연료전지 시스템의 시동(재시동 포함) 초기에는 연료전지의 수소 압력이 급변하지 않으며, 상기 초기 압력범위를 규정하고 있는 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2)은 수소 압력의 스테디한 상태를 유지하는 조건을 만족시키는 대기압 이하의 압력값으로 설정된다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템의 시동이 종료될 때 연료전지 스택에 일종의 저항으로 작용하는 전기 부하장치를 연결하여 스택 내 잔류 수소 또는 산소를 제거하는 COD(Cathode Oxygen Depletion)가 수행되며, 이때 스택 내 수소극(연료극)에서는 대기압보다 낮은 음압이 형성된다.
따라서, 시동 초기의 스테디 상태를 유지하는 조건에서 수소 압력은 대기압 이하의 압력을 나타내며, 이에 따라 상기 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2)은 대기압 이하의 압력값으로 제어기(10)에 미리 설정된다.
또한, 연료전지 시동 초기에 보정 가능 여부를 판단하기 위한 설정전압은 연료전지 스택 내부의 연료전지 반응이 없는 상태를 확인하기 위한 특정한 값으로 설정된다.
다음으로, 상기 제어기(10)는 연료전지 시스템의 시동 후 상기한 보정 가능 조건을 모두 만족하는 것으로 판단하고 나면, 수소 공급이 시작된 뒤 압력센서(2)에 의해 검출되는 압력값, 즉 압력센서의 센싱값이 미리 설정된 제1 압력(P1)에 도달할 때 시간을 카운트하기 시작한다(S13,S14).
이후 제어기는 수소 압력, 즉 상기 압력센서의 센싱값이 상승하여 제2 압력(P2)에 도달하면(S15) 시간 카운트를 종료하고, 메모리에 기록 및 저장한다(S16).
여기서, 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)은 대기압보다 큰 특정 압력값으로 제어기(10)에 미리 설정된다.
상기와 같이 제어기(10)는 압력센서(2)의 센싱값이 제1 압력(P1)에 도달한 후 계속 상승하여 제2 압력(P2)에 도달할 때까지의 시간, 즉 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)에 도달하는 동안의 압력 상승 시간(Δt)을 카운트하고, 이어 상기 카운트 된 시간(Δt)으로부터 설정 데이터를 이용하여 옵셋값을 산출해낸다(S17).
상기 설정 데이터는 제어기의 메모리에 미리 입력 및 저장되는 설정 정보로서, 이는 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 시간(P1→P2의 압력 상승 시간)과 옵셋값의 상관 관계를 정의해놓은 데이터가 되며, 상기 카운트 된 시간으로부터 옵셋값이 구해질 수 있는 맵 또는 수식이 될 수 있다.
상기 맵의 경우 카운트 된 시간에 따라 옵셋값이 맵 값으로서 미리 설정되어 있는 것이 될 수 있고, 수식은 카운트 된 시간을 변수로 하여 옵셋값이 계산될 수 있는 함수로 미리 구해져서 이용될 수 있다.
상기한 맵 또는 수식의 설정 데이터는 선행 시험 및 평가를 통해 취득된 데이터들을 이용하여 구해질 수 있는데, 선행 시험 및 평가 과정에서 동일한 연료전지 시스템 및 동일 사양의 센서가 이용된다.
이때, 압력센서에 임의의 옵셋(옵셋값을 알고 있는 것임)을 미리 생성해 놓고, 연료전지 시스템을 충분한 시간 동안 소우킹(soaking) 한 뒤, 동일한 시동 조건 및 운전 조건으로 수소를 공급하여 압력센서의 센싱값이 제1 압력에서 제2 압력에 도달할 때까지의 시간을 기록한다.
또한, 이러한 과정을 압력센서의 옵셋(알고 있는 옵셋값)을 바꿔가면서 반복하여 상기 시간과 옵셋값의 상관 관계를 정의한 맵, 즉 시간을 입력변수로 하여 시간에 해당하는 옵셋값이 구해질 수 있는 맵을 작성한 뒤, 제어기에 입력 및 저장하여 사용한다.
또는 반복 시험을 통해 옵셋값과 시간 데이터들이 구해지면, 이들 데이터를 이용하여 다항식 커브 피팅(polynomial curve fitting) 과정을 통하여 상기한 설정 데이터로서의 수식, 즉 시간을 변수로 하면서 옵셋값이 구해질 수 있는 상기한 수식이 구해질 수 있다.
여기서, 예로서 2차 다항식 커브 피팅(2nd polynomial curve fitting) 과정을 통해 2차 함수로서 수식이 구해질 수 있고, 아래의 수식은 보다 구체적인 일례를 나타낸 것이다.
[수학식 1]
Figure 112017035073785-pat00001
여기서, 시뮬레이션의 예로서, A = -5.571, B = -11.85, C = 3.714, x = (Δt-60)/36.1가 될 수 있고, 이때 Δt는 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)에 도달할 때까지의 압력 상승 시간을 나타낸다.
옵셋값 산출과 관련하여 좀더 설명하면, 본 발명에서는 연료전지 스택의 수소극(연료극)이 수소 압력에 있어서 스테디한 상태임을 확인하고, 이어 수소 공급이 시작된 뒤 압력(압력센서의 센싱값) 상승 시간(압력 상승 속도와 관계됨)를 기반으로 옵셋을 보정한다.
도 4는 압력센서의 정상 상태와 옵셋이 발생한 상태일 때의 압력 센싱값을 비교하여 나타낸 도면으로, 연료전지 시스템의 시동시 수소 공급이 시작되고 난 후의 시동 초기에 압력센서의 센싱값은 센서 상태에 따라 상승 속도가 달라진다.
도 4를 참조하여 설명하면, 시동시 수소 압력에 있어서 시동목표압력이 정해져 있고, 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)은 수소 공급이 시작되고 난 뒤 일정 압력 이상으로 상승한 상태의 수소 압력값으로 설정될 수 있다.
이때, 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)은 대기압보다 큰 특정 압력값으로 설정될 수 있고, 제2 압력(P2)은 제1 압력(P1)보다 높은 값이지만 정해진 시동목표압력보다는 낮은 값으로 설정된다.
또한, 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 상승하여 제2 압력(P2)에 도달하는데 어느 정도의 시간이 소요될 수 있게 상기 제1 압력 및 제2 압력이 설정된다.
도 4에서 'Δtoffset ,+'은 압력센서에 '+' 옵셋이 발생한 상태일 때 제1 압력(P1)에서 상승하여 제2 압력(P2)에 도달하는 동안 카운트 된 시간을 나타내고, 'Δtoffs et,-'은 압력센서에 '-' 옵셋이 발생한 상태일 때 카운트 된 시간을 나타낸다.
또한, 'Δtnormal'은 압력센서가 옵셋 발생 없이 정상인 상태일 때 카운트 된 시간을 나타낸다.
도 4에서 수소 공급이 시작된 시동 초기에 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에 도달한 뒤 상승하여 제2 압력(P2)에 도할 때까지의 시간을 카운트해보면, 압력센서에 '+' 옵셋(편차)이 발생한 경우 압력센서의 센싱값은 압력센서의 정상인 경우에 비해 대체로 높은 값을 나타낸다.
또한, 압력센서에 '-' 옵셋이 발생한 경우 압력센서의 센싱값은 압력센서의 정상인 경우에 비해 대체로 낮은 값을 나타낸다.
특히, '+' 옵셋이 발생한 경우 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)에 도달할 때까지의 카운트 된 시간은 압력센서 정상 경우의 카운트 된 시간보다 짧은 시간(작은 시간)을 나타낸다.
그리고, '-' 옵셋이 발생한 경우 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)에 도달할 때까지의 카운트 된 시간은 압력센서 정상 경우의 카운트 된 시간보다 긴 시간(큰 시간)을 나타낸다.
즉, 정리하면, 'Δtoffset ,+ < Δtnormal < Δtoffset ,-'의 관계가 되며, 이러한 관계를 이용하여, 상기 카운트 된 시간으로부터 압력센서의 '+' 옵셋이 발생한 상태인지, 아니면 '-' 옵셋이 발생한 상태인지, 아니면 압력센서의 정상 상태인지를 판단할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에서 카운트 된 시간으로부터 옵셋값을 산출할 수 있는 설정 데이터의 예를 나타내는 도면으로, 도시된 바와 같이, 상기 카운트 된 시간이 'Δtnormal'보다 작은 값이면 압력센서의 '+' 옵셋이 발생한 상태이고, 반대로 상기 카운트 된 시간이 'Δtnormal'보다 큰 값이면 압력센서의 '-' 옵셋이 발생한 상태이다.
결국, 압력센서(2)의 정상 상태에서의 시간 'Δtnormal'가 제어기(10)에 미리 입력 및 저장되어 있고, 시간 카운트 종료 후 카운트 된 시간을 'Δtnormal'과 비교하면 압력센서의 옵셋 발생 여부 및 옵셋 발생 상태('-' 옵셋 또는 '+' 옵셋)를 판단할 수 있다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, '+' 옵셋 발생 상태에서의 옵셋값(Poffset)은 양(+)의 값으로 설정되고, '-' 옵셋 발생 상태에서의 옵셋값(Poffset)은 음(-)의 값으로 설정된다.
다음으로, 제어기(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 카운트 된 시간으로부터 옵셋값이 산출되고 나면, 상기 산출된 옵셋값의 절대값이 정해진 값을 초과하는 옵셋 과다 상태일 경우 압력센서(2)의 고장으로 판단한다(S18).
상기와 같이 옵셋값 과다의 압력센서 고장을 판단한 경우에는 제어기(10)가 연료전지 시스템을 즉시 셧다운(shutdown)시키도록 설정될 수 있다.
반면, 상기 산출된 옵셋값의 절대값이 정해진 값 미만일 경우, 압력센서(2)의 센싱값에 대하여 옵셋을 보정하면 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지 시스템을 운전할 수 있는 상태이므로, 이후 상기 산출된 옵셋값을 이용하여 압력센서의 센싱값을 실시간으로 보정한다(S19).
여기서, 압력센서의 보정 전 실시간 센싱값이 'Pmeasure'이고, 상기 산출된 옵셋값이 'Poffset'이며, 실시간 보정된 압력센서의 센싱값이 'Pcalibration'이라면, 보정된 압력센서의 센싱값은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Pcalibraion = Pmeasure - Poffset
또한, 상기 S18 단계에서 산출된 옵셋값의 절대값이 정해진 값을 초과하는 경우는 압력센서(2)의 고장으로 판단하는데, 보다 상세하게는 산출된 옵셋값 'Poffset'이 미리 설정된 옵셋 상한값 'Poffset ,high'를 초과한 경우이거나 미리 설정된 옵셋 하한값 'Poffset ,low' 미만인 경우, 제어기(10)가 압력센서(2)의 옵셋 과다 고장으로 판단하도록 설정될 수 있다.
여기서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 'Poffset ,high'는 양의 값으로 설정되고, 'Poffset,low'는 음의 값으로 설정된다.
하기 표 1은 제1 압력(P1)을 110kPa, 제2 압력(P2)을 120kPa로 설정하여 압력 상승 시 옵셋값(Poffset)(kPa)과 옵셋에 따른 상승 시간(Δt)(msec)을 비교하여 나타낸 것이고, 도 6은 옵셋값과 옵셋에 따른 상승 시간을 그래프로 비교하여 나타낸 도면이다.
Figure 112017035073785-pat00002
이와 같이 하여, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 시동시마다 수소 공급이 시작된 상태에서 시동 초기의 압력센서 센싱값이 제1 압력에서 제2 압력까지 상승하는 동안의 압력 상승 시간(Δt)을 이용하여 압력센서의 옵셋 발생 여부 판단, 옵셋 발생 상태 판단('-', '+' 옵셋 구분), 옵셋값 산출, 및 압력센서의 정확한 옵셋 보정을 수행할 수 있고, 이를 통해 연료전지 스택이 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 운전되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 압력센서의 신뢰성 및 옵셋 보정의 신뢰성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 압력센서의 '-' 옵셋 발생시 수소극(연료극)의 압력이 요구 수치보다 높아 발생하는 수소 크로스오버량 증가로 인한 연비 저하의 문제점을 개선할 수 있게 되고, 압력센서의 '+' 옵셋 발생시 수소극의 압력이 요구 수치보다 낮아 발생하는 수소 부족으로 인한 연료전지 열화의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
또한, 옵셋 보정시 종래 방법과 달리 수소극을 대기에 노출시키지 않으므로, 수소극 대기 노출시 발생하는 수소/산소 계면 형성으로 인한 공기극 카본 부식의 발생을 방지할 수 있고, 종래의 옵셋 보정시 연료전지 열화의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
또한, 지속적으로 열화되는 압력센서에 대한 정기적인 고장 진단 및 옵셋 보정이 가능하고, 압력센서의 옵셋 과다시 고장으로 진단하여 센서 교체를 유도할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 수소압력조절밸브
2 : 압력센서
3 : 연료전지 스택
5 : 수소퍼지밸브
6 : 재순환 라인
7 : 재순환 밸브
8 : 워터트랩
9 : 드레인 밸브
10 : 제어기

Claims (12)

  1. 연료전지 시스템의 시동 후 수소 공급이 시작된 상태에서 제어기가 수소 압력을 검출하는 압력센서의 센싱값을 입력받는 단계;
    상기 제어기가 상기 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 동안의 시간을 카운트하는 단계;
    상기 제어기가 저장된 설정 데이터를 이용하여 상기 카운트 된 시간에 해당하는 옵셋값을 산출하는 단계; 및
    상기 옵셋값이 산출되면 상기 제어기가 이후의 압력센서 센싱값을 상기 산출된 옵셋값만큼 실시간으로 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 설정 데이터는 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 동안의 시간에 따른 값으로 옵셋값이 설정되어 있는 맵이거나, 상기 시간을 변수로 하여 옵셋값이 구해질 수 있는 수식인 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 시스템의 시동 후 수소 공급이 시작되기 전에 상기 제어기가 연료전지 시스템에서 수집되는 정보에 기초하여 보정 가능 조건을 만족하는지를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 보정 가능 조건을 만족할 경우에만 상기 센싱값을 입력받는 단계, 상기 시간을 카운트하는 단계, 상기 옵셋값을 산출하는 단계, 및 상기 압력센서의 센싱값을 실시간 보정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 정보는 압력센서의 센싱값을 포함하고,
    상기 보정 가능 조건은,
    상기 압력센서의 센싱값이 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2) 사이의 범위인 초기 압력범위 이내인 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 초기 압력 하한값(Pi1)과 초기 압력 상한값(Pi2)은 대기압 이하의 압력값으로 제어기에 설정되는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 정보는 전압검출부에 의해 검출되는 연료전지 스택 전압을 더 포함하고,
    상기 보정 가능 조건은,
    상기 검출된 연료전지 스택 전압이 설정전압 미만인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 정보는 수소퍼지밸브에 의해 수행되는 수소 퍼지의 작동 상태와 워터 트랩의 드레인 작동 상태 중 하나 또는 둘을 더 포함하고,
    상기 보정 가능 조건은,
    수소 퍼지의 미작동 상태인 조건과, 워터 트랩의 드레인 밸브가 닫힌 상태인 조건 중 하나 또는 둘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)은 대기압보다 높은 압력값으로 제어기에 설정되는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 압력(P1)과 제2 압력(P2)은 정해진 시동목표압력보다 낮은 압력값으로 제어기에 설정되는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기에는 옵셋 발생 없이 정상 상태인 압력센서의 센싱값이 제1 압력(P1)에서 제2 압력(P2)으로 상승하는 동안의 압력 상승 시간이 미리 저장되어 있고,
    상기 설정 데이터에는,
    상기 시간을 카운트하는 단계에서 카운트 되는 시간이 상기 미리 저장된 압력 상승 시간보다 작을 경우의 옵셋값이 양의 값으로 설정되어 있고,
    상기 카운트 되는 시간이 상기 미리 저장된 압력 상승 시간보다 클 경우의 옵셋값이 음의 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 압력센서 센싱값을 실시간 보정하는 단계에서 실시간 보정된 압력센서의 센싱값은 압력센서의 보정 전 센싱값과 상기 설정 데이터로부터 산출된 옵셋값을 이용하여 하기 식 E1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
    E1: Pcalibraion = Pmeasure - Poffset
    여기서, Pmeasure는 압력센서의 보정 전 센싱값, Poffset는 설정 데이터로부터 산출되는 옵셋값, Pcalibration은 실시간 보정된 압력센서의 센싱값임.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기가 상기 산출된 옵셋값의 절대값이 정해진 값을 초과하는 옵셋 과다 상태일 경우 압력센서의 고장으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 옵셋 보정 방법.
KR1020170046436A 2017-04-11 2017-04-11 압력센서의 옵셋 보정 방법 KR102249759B1 (ko)

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