KR102286838B1 - 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치 - Google Patents

연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전 장치에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장을 보다 정확하게 진단하여 어떤 밸브의 고장인지 개방 고장인지 폐쇄 고장인지를 판단하고, 밸브 고장을 판단 시 연료전지의 정상 발전을 위한 목표 공기공급유량을 보정하여 비상운전을 정상적으로 수행가능하게 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치 {Device for valve failure diagnosis and emergency driving of fuel cell air supply system}
본 발명은 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장을 보다 정확하게 판단하고 밸브 고장을 판단 시 연료전지의 정상 발전을 위한 비상운전을 수행가능하게 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량이 강판 주행 시에는 회생제동에 의해 고전압 배터리가 충전되며, 특히 장강판을 주행 시에는 지속적인 회생제동으로 인해 고전압 배터리가 만충되고 나면 추가적인 회생제동 에너지는 잉여전력이 된다.
이러한 잉여전력을 소모하기 위해, 연료전지 차량의 경우 공기공급시스템의 공기공급제어밸브(ACV, Air control valve)를 닫아서 연료전지로 공급되는 공기를 바이패스시킴으로써 연료전지 내부로의 공기 공급을 중단하는 효과를 유도하거나 공기 공급을 최소화하는데, 이를 위해서는 공기공급시스템을 구성하고 있는 공기공급제어밸브(ACV) 및 공기압력제어밸브(APC, Air pressure control valve)와 같은 밸브 등의 정상적인 작동이 필수적이며, 따라서 상기 공기공급제어밸브(ACV) 및 공기압력제어밸브(APC)의 정상작동 유무를 확인할 수 있는 고장진단 기능이 필요하다.
한국공개특허 제2016-0133895호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장을 보다 정확하게 진단하여 어떤 밸브의 고장인지 개방 고장인지 폐쇄 고장인지를 판단하고, 밸브 고장을 판단 시 연료전지의 정상 발전을 위한 목표 공기공급유량을 보정하여 비상운전을 정상적으로 수행가능하게 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지로 공기를 압축시켜 공급하는 공기압축기; 상기 공기의 연료전지내 공급 여부를 제어하는 공기공급제어밸브; 상기 연료전지로 공급되는 공기의 압력을 제어하는 공기압력제어밸브; 차량의 주행 중에 상기 연료전지의 발전 정지 시 또는 상기 연료전지의 최소 발전 시, 연료전지 입구측의 압력센싱값과 상기 공기압축기의 작동속도에 따른 연료전지 입구측의 압력추정값 간에 차이값을 이용하여 상기 공기공급제어밸브와 공기압력제어밸브의 고장 여부를 판단하는 연료전지 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치를 제공한다.
구체적으로, 상기 제어부는 공기공급제어밸브에 바이패스 작동을 지시하고 공기압력제어밸브에 개방 작동을 지시한 경우, 상기 차이값이 임계값1을 초과하면 상기 압력센싱값이 상기 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 연료전지 입구측의 압력상승시간을 이용하여 공기공급제어밸브와 공기압력제어밸브 중 어느 하나의 고장을 판단하며, 상기 압력상승시간이 임계시간1을 초과하고 임계시간1-1 미만이면 상기 공기압력제어밸브의 개방 불량에 따른 고장을 판단하고, 상기 압력상승시간이 임계시간1 이하이면 상기 공기공급제어밸브의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 따른 고장을 판단한다.
또한, 상기 제어부는 공기공급제어밸브에 바이패스 작동을 지시하고 공기압력제어밸브에 폐쇄 작동을 지시한 경우, 상기 차이값이 임계값2를 초과하면 상기 압력센싱값이 상기 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 연료전지 출구측의 압력하강시간을 이용하여 공기압력제어밸브의 고장 여부를 판단하며, 상기 압력하강시간이 임계시간2를 초과하면 상기 공기압력제어밸브의 폐쇄 불량에 따른 고장을 판단한다.
아울러, 상기 공기압력제어밸브의 개방 불량에 의한 고장 판단 시 공기압력제어밸브의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기공급제어밸브의 개방 옵셋을 산출하고, 상기 공기공급제어밸브의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 의한 고장 판단 시 공기공급제어밸브의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기압력제어밸브의 개방 옵셋을 산출하고, 상기 공기압력제어밸브의 폐쇄 불량에 의한 고장 판단 시 공기압력제어밸브의 정상 폐쇄 시와 폐쇄 불량 시 간에 공기공급제어밸브의 개방 옵셋을 산출하며, 이렇게 산출한 각 옵셋을 이용하여 공기압축기의 작동속도를 상향 제어함으로써 연료전지의 비상운전을 정상적으로 수행가능하게 한다.
본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전 장치에 의하면, 연료전지 차량의 주행 중에 공기공급시스템의 밸브가 사용되지 않는 조건(예를 들어, 연료전지의 발전 정지 시 또는 최소 발전 시)에서 상기 밸브의 고장을 구체적으로 진단할 수 있으며, 그에 따라 공기공급제어밸브와 공기압력제어밸브 중 어느 밸브에 고장이 발생한 것인지 그리고 해당 밸브의 어떤 고장(개방 불량 또는 폐쇄 불량 등)이 발생한 것인지를 판단할 수 있고, 이렇게 구체적인 판단 결과를 이용하여 연료전지의 비상운전을 정상적으로 수행가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전 과정을 나타낸 흐름도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템의 공기압축기 회전속도와 공기공급제어밸브 및 공기압력제어밸브의 압력 변동을 나타낸 그래프
알려진 바와 같이, 연료전지시스템은 연료(수소)가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템으로서, 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지와, 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급시스템, 연료전지에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급시스템, 및 연료전지의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리시스템 등으로 구성된다.
상기 공기공급시스템은 공기공급라인에 설치되어 있는 유량센서를 이용한 목표 공기공급유량의 피드백 제어를 통해 공기압축기(혹은 에어블로워)의 회전속도를 제어하며, 공기압력제어밸브에 의해 연료전지의 공기극(cathode)측 압력을 조절하게 된다.
이러한 연료전지시스템을 탑재하고 있는 차량은 강판 주행 시에 지속적인 회생제동으로 인해 고전압 배터리가 만충되고 나면 추가적인 회생제동 에너지가 잉여전력이 된다.
상기 잉여전력을 소모하기 위해, 상기 공기공급시스템은 연료전지 내부로의 공기 유입을 차단하여 연료전지의 발전을 정지시키거나 또는 공기 유입을 최소화하여 연료전지의 최소 발전이 일어나도록 하고, 동시에 차량의 전력 소모 부품을 구동시켜 잉여전력을 소모하도록 한다.
이를 위해서는 공기공급제어밸브(ACV) 및 공기압력제어밸브(APC)와 같이 공기공급시스템에 구비되어 있는 밸브의 정상 작동이 확보되어야만 하며, 따라서 밸브의 정상작동 여부를 확인할 수 있는 고장 진단 기술이 요구된다.
이에 본 발명에서는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장을 진단하여 밸브의 정상작동 여부를 확인할 수 있도록 하고, 이때 밸브 고장을 보다 정확하게 진단하여 어떤 밸브의 고장이 발생한 것인지 개방 고장인지 폐쇄 고장인지를 구체적으로 판단할 수 있도록 하며, 이에 고장이 발생한 밸브 및 고장 종류에 따라 연료전지의 정상 발전을 위한 목표 공기공급유량을 보정하여 비상운전을 정상적으로 수행가능하도록 한다.
통상 연료전지의 발전 정지 시에는 공기공급제어밸브와 상시 오픈 타입의 공기압력제어밸브 및 공기압축기 등을 포함하는 공기공급시스템의 구동이 정지되고, 회생제동에 따른 잉여전력을 소모시키고자 하는 경우 연료전지는 최소 발전 모드에 진입하고 상기 공기압축기가 작동된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1은 차량의 연료전지 공기공급시스템을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전 장치를 이용한 밸브 고장진단 및 비상운전 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 공기공급시스템의 공기압축기 회전속도와 공기공급제어밸브 및 공기압력제어밸브의 압력 변동을 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료전지 공기공급시스템은 연료전지(10)의 공기극 입구측에 연결된 공기공급라인(11)에 공기압축기(18), 압력센서(16), 공기공급제어밸브(12) 등이 설치되고, 연료전지(10)의 공기극 출구측에 연결된 공기배출라인(13)에 공기압력제어밸브(14) 등이 설치된다.
상기 공기압축기(18)는 공기를 압축하여 연료전지(10)로 공급하는 역할을 하며, 고전압 배터리의 전압을 감지하는 BPCU(Blower Pump control unit)(20)에 의해 작동 제어된다.
상기 압력센서(16)는 연료전지(10)의 공기극 입구(이하, '연료전지의 입구'라고 약칭함)측 및 공기공급라인(11)의 공기압력을 검출하는 역할을 하며, 공기배출라인(13)에 설치되는 것도 가능하다.
상기 공기공급제어밸브(12)는 공기압축기(18)에서 공급되는 공기의 연료전지 유입/공급 여부를 제어하기 위한 것으로서, 공기공급라인(11)을 통해 공기압축기(18)에서 연료전지(10)의 입구측으로 이동하는 공기의 유동을 제어하게 되며, 연료전지(10)의 발전 정지 시 또는 최소 발전 시 공기공급라인(11)을 통해 공급되는 공기가 연료전지(10)내로 유입되는 것을 차단하기 위해 닫힘 제어된다.
상기 공기공급제어밸브(12)는 공기공급라인(11)의 연료전지 입구측으로 공급되는 공기를 공기배출라인(13)의 연료전지의 공기극 출구(이하, '연료전지의 출구'라고 약칭함)측으로 바이패스시킬 수 있는 바이패스 유로가 구비되어 있고, 닫힘 작동 시 공기공급라인(11)과 공기배출라인(13) 사이에 연결되어 있는 바이패스 유로를 개방할 수 있다.
상기 공기압력제어밸브(14)는 연료전지(10)로 공급되는 공기의 압력을 제어하는 것으로서, 연료전지(10)에서 공기배출라인(13)으로 배출되는 공기 압력을 제어하여 공기공급라인(11)의 공기공급 압력을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 압력센서(16)와 공기공급제어밸브(12) 및 공기압력제어밸브(14) 등은 연료전지 제어부(FCU)(미도시)에 의해 제어된다.
상기 연료전지 제어부(FCU)는 차량의 회생제동으로 회수된 잉여전력을 소모시키기 위해 공기압축기(18)를 구동시킬 때 공기공급제어밸브(12)를 바이패스 모드로 작동시켜 연료전지(10)로 불필요한 공기 유입이 일어나지 않도록 한다.
이렇게 잉여전력을 소모시키는 경우 고전압 배터리(차량 구동모터의 전원)의 전압을 안정적으로 제어하고 과방전을 방지할 수 있게 된다.
상기 연료전지 제어부(FCU)는 차량 주행 중에 지속적인 장기 회생제동이 일어날 때(예를 들어, 장강판 주행을 할 때) 연료전지(10)의 발전 전력이 충전되는 고전압 배터리가 만충전되는 경우 연료전지(10)의 발전을 정지시키고, 상기 고전압 배터리의 만충전 이후에도 회생제동이 지속됨에 의해 잉여전력이 발생하는 경우 연료전지(10)를 최소 발전 모드로 제어하여, 고전압 배터리가 만충전된 상태에서 발생하는 추가적인 회생제동 에너지(잉여전력)를 소모시키기 위해 공기압축기(18)를 구동시킨다.
이에 연료전지 제어부(FCU)는 차량의 주행 중에 연료전지(10)의 발전 정지 시 또는 최소 발전 시(즉, 연료전지가 발전 정지 모드 또는 최소 발전 모드에 진입하게 되면) 공기공급시스템의 밸브 고장 진단을 시작하고, 도 2에 나타낸 바와 같은 제어를 수행한다.
여기서, 도 2를 참조하여 상기 연료전지 제어부(FCU)의 밸브 고장 진단 방식 및 비상운전 제어 방식을 설명하도록 한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 공기공급제어밸브(12)와 공기압력제어밸브(14)에 지시한 작동 지령을 판별한다.
상기 공기공급제어밸브(12)에 바이패스 작동을 지시하지 않은 경우, 공기압축기(18)에서 압송되는 공기가 공기공급라인(11)읕 통해 연료전지(10)내로 유입되면 연료전지(10)의 발전 정지 모드 및 최소 발전 모드가 해제되며, 밸브 고장 진단을 진행하기 위한 조건이 불만족된다.
상기 공기공급제어밸브(12)에 바이패스 작동을 지시한 경우, 공기압력제어밸브(14)의 작동 지령이 개방 모드인지 여부를 판단한다.
상기 공기압력제어밸브(14)에 개방 작동을 지시한 경우, BPCU(20)에 요청하여 공기압축기(18)의 작동을 공기공급라인(11)의 공기 압력(또는 유량)에 따른 주기적 진동 제어 방식으로 제어한다. 이때 공기압축기(18)는 BPCU(20)에서 결정한 오실레이션 목표값을 추종하여 동작하게 된다.
다음, 압력센서(16)의 센싱값 즉, 공기공급라인(11)의 연료전지 입구측(혹은 공기배출라인의 연료전지 출구측)에서 검출된 압력센싱값과, 상기 공기압축기(18)의 회전속도에 따른 연료전지 입구측의 압력추정값(즉, 오실레이션 목표값) 간에 차이값을 산출하고, 산출한 차이값이 설정된 임계값1을 초과하는지 여부를 판단한다.
상기 공기압축기(18)의 주기적 진동 제어는 공기압축기(18)의 회전속도가 최고속도와 최저속도 사이의 값으로 주기적으로 변동하도록 제어하는 구동제어방식이고, 상기 압력추정값은 공기압축기(18)의 작동속도(회전속도)에 따른 연료전지 입구측의 공기압력값이다.
상기 임계값1은 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량 시 또는 공기공급제어밸브(12)의 바이패스 불량 및 개방 불량 시 연료전지(10)의 입구측 공기압력이 비정상적으로 상승함을 판단하기 위해 설정되는 편차값이며, 사전 실험 및 평가 등을 통해 도출된 값으로서 결정된다.
상기 압력센싱값과 압력추정값 간에 차이값이 임계값1을 초과하면, 연료전지 입구측의 압력상승시간을 이용하여 공기공급제어밸브(12)와 공기압력제어밸브(14) 중 어느 하나의 고장 여부를 판단한다. 그리고, 상기 차이값이 임계값1 이하이면 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량에 따른 고장 및 공기공급제어밸브(12)의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 따른 고장이 미발생한 것으로 판단한다.
상기 압력상승시간은 공기공급제어밸브(12) 및 공기압력제어밸브(14)의 정상 개방 시 연료전지(10)의 입구측 압력(즉, 압력센싱값)이 상승하여 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 시간이다.
상기 압력상승시간이 설정된 임계시간1을 초과하면 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량(폐쇄된 상태 포함)에 따른 밸브 고장이 발생한 것으로 판단하고, 상기 압력상승시간이 설정된 임계시간1 이하이면 공기공급제어밸브(12)의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단한다.
구체적으로, 상기 압력상승시간이 임계시간1을 초과하고 임계시간1-1 미만이면 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량 고장이 발생한 것으로 판단한다.
여기서, 상기 임계시간1은 연료전지 제어부(FCU)에 구성되어 있는 제1테이블맵에 의해 결정되고, 상기 제1테이블맵은 연료전지 입구측의 압력센싱값에 따른 임계시간1을 제공할 수 있도록 사전 구성되어 연료전지 제어부(FCU)에 저장된다.
그리고, 상기 임계시간1-1은 공기압력제어밸브(14)의 정상 개방 시 연료전지 입구측의 공기압력이 압력추정값까지 상승하는데 걸리는 시간으로서 상기 임계시간1보다 큰 값으로서 결정되며, 연료전지 제어부(FCU)에 구성되어 있는 제2테이블맵에 의해 결정되고, 상기 제2테이블맵은 연료전지 입구측의 압력센싱값에 따른 임계시간1-1을 제공할 수 있도록 사전 구성되어 연료전지 제어부(FCU)에 저장된다.
상기 공기공급제어밸브(12)가 바이패스 모드로 작동 시 공기압축기(18)를 구동시키는 경우 공기공급라인(11)의 연료전지 입구측(즉, 공기압축기의 출구측)의 공기압력이 상승하게 되며, 이때 상기 공기공급제어밸브(12) 또는 공기압력제어밸브(14)가 완전(100%) 개방되어 있으면 연료전지 입구측의 압력상승시간이 길어져 압력추정값까지 상승하는데 걸리는 시간이 임계시간1-1 이상이 되지만, 공기공급제어밸브(12)의 고장(개방 불량 또는 바이패스 불량) 또는 공기압력제어밸브(14)의 고장(개방 불량) 시에는 연료전지 입구측의 공기압력이 압력추정값까지 상승하는데 걸리는 시간이 단축된다(도 3참조).
특히, 공기공급제어밸브(12)는 공기공급시스템의 설계 구조상 공기압축기(18)와의 거리(유로 길이)가 공기압력제어밸브(14) 대비 상대적으로 가깝기 때문에 공기압력제어밸브(14)의 고장 시보다 공기공급제어밸브(12)의 고장 시 공기압력이 압력추정값까지 상승하는데 걸리는 시간이 더 단축된다.
따라서 상기 압력상승시간이 임계시간1을 초과하고 임계시간1-1 미만인 것으로 판단되면 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량 고장을 진단할 수 있고, 상기 압력상승시간이 임계시간1 이하이면 공기공급제어밸브(12)의 개방 불량 고장 또는 바이패스 불량 고장을 진단할 수 있다.
한편, 상기 공기압력제어밸브(14)에 폐쇄 작동을 지시한 경우 공기압축기(18)의 회전속도가 감소하도록 제어되고, 이에 공기압력제어밸브(14)가 정상적으로 폐쇄 작동하는 경우 연료전지 입구측의 공기압력이 감소하게 된다.
따라서, 공기압력제어밸브(14)에 폐쇄 작동을 지시한 경우, 공기압축기(18)의 작동속도에 따른 연료전지 입구측의 압력추정값과 압력센서(16)가 측정한 연료전지 입구측의 압력센싱값 간에 차이값을 산출하고, 산출한 차이값이 설정된 임계값2를 초과하는지 여부를 판단한다.
여기서, 상기 임계값2는 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량 시 연료전지(10)의 입구측 공기압력이 비정상적으로 하강함을 판단하기 위해 설정되는 편차값이며, 사전 실험 및 평가 등을 통해 도출된 값으로서 결정된다.
상기 압력센싱값과 압력추정값 간에 차이값이 임계값2를 초과하면, 연료전지 입구측의 압력하강시간을 이용하여 공기압력제어밸브(14)의 고장 여부를 판단한다. 상기 차이값이 임계값2 이하이면 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량에 따른 고장이 미발생한 것으로 판단한다.
상기 압력하강시간은 공기압력제어밸브(14)의 정상 폐쇄 시 연료전지(10)의 입구측 압력(즉, 압력센싱값)이 하강하여 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 시간이다.
상기 압력하강시간이 설정된 임계시간2를 초과하면 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량(개방된 상태 포함)에 따른 밸브 고장이 발생한 것으로 판단하고, 상기 압력하강시간이 임계시간2 이하이면 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량에 따른 고장이 미발생한 것으로 판단한다.
상기 임계시간2는 연료전지 제어부(FCU)에 구성되어 있는 제3테이블맵에 의해 결정되고, 상기 제3테이블맵은 연료전지 입구측의 압력센싱값에 따른 임계시간2를 제공할 수 있도록 사전 구성되어 연료전지 제어부(FCU)에 저장된다.
상기 공기압력제어밸브(14)가 폐쇄 모드로 작동 시 공기압축기(18)의 작동속도(회전속도)가 감소하여 연료전지 입구측의 공기압력이 하강하는 것이 정상이며, 상기 공기압력제어밸브(14)가 완전(100%) 폐쇄되어 있는 경우 불완전 폐쇄 모드 또는 개방 모드일 때 대비 연료전지 입구측의 압력하강시간이 단축된다(도 3참조).
즉, 공기압력제어밸브(14)가 폐쇄 불량에 따른 고장이 발생하는 경우 정상 폐쇄 시 대비 압력하강시간이 증가하게 되며, 따라서 상기 압력하강시간이 설정된 임계시간2를 초과하면 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량 고장을 진단할 수 있다.
한편, 차량의 주행 중에 상기와 같이 공기공급제어밸브(12) 또는 공기압력제어밸브(14)의 고장이 발생하는 경우, 연료전지(10)의 발전을 위한 공기 공급이 정상적으로 이루어지지 못하게 된다.
이에 상기의 밸브 고장이 발생한 것으로 판단한 경우, 아래와 같은 방식으로 연료전지(10)의 비상운전을 제어한다.
먼저, 공기압력제어밸브(14)의 개방 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단한 경우, 공기압력제어밸브(14)가 정상적으로 개방 작동할 때 연료전지 입구측으로 공급되는 공기압력(혹은 공기유량)에 따른 공기공급제어밸브(12)의 개방량과, 상기 공기압력제어밸브(14)의 개방 고장 발생 시 실제 공기공급제어밸브(12)의 개방량 간에 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋에 따라 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 조절하여 연료전지의 발전을 위한 목표 공기공급유량 대비 부족한 공기공급량을 보정해줄 수 있다.
다시 말해, 공기압력제어밸브(14)의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기공급제어밸브(12)의 개방 옵셋을 산출하고, 상기 옵셋을 이용하여 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 제어한다.
다음, 공기공급제어밸브(12)의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단한 경우, 공기공급제어밸브(12)가 정상적으로 개방 작동할 때 연료전지 입구측으로 공급되는 공기압력(혹은 공기유량)에 따른 공기압력제어밸브(14)의 개방량과, 상기 공기공급제어밸브(12)의 개방 또는 바이패스 고장 발생 시 실제 공기압력제어밸브(14)의 개방량 간에 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋에 따라 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 조절하여 연료전지(10)의 발전을 위한 목표 공기공급유량 대비 부족한 공기공급량을 보정/보상해줄 수 있다.
다시 말해, 공기공급제어밸브(12)의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기압력제어밸브(14)의 개방 옵셋을 산출하고, 상기 옵셋을 이용하여 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 제어한다.
그리고, 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단한 경우, 공기압력제어밸브(14)가 정상적으로 폐쇄 작동할 때 연료전지 입구측으로 공급되는 공기압력(혹은 공기유량)에 따른 공기공급제어밸브(12)의 개방량과, 상기 공기압력제어밸브(14)의 폐쇄 고장 발생 시 실제 공기공급제어밸브(12)의 개방량 간에 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋에 따라 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 조절하여 연료전지(10)의 발전을 위한 목표 공기공급유량 대비 부족한 공기공급량을 보정해줄 수 있다.
다시 말해, 공기압력제어밸브(14)의 정상 폐쇄 시와 폐쇄 불량 시 간에 공기공급제어밸브(12)의 개방 옵셋을 산출하고, 상기 옵셋을 이용하여 공기압축기(18)의 작동속도를 상향 제어한다.
이로써 연료전지(10)의 발전을 위한 목표 공기공급유량 대비 부족한 공기공급량을 보정해줄 수 있으며, 보정된 목표 공기공급유량으로 연료전지(10)의 비상운전을 정상적으로 실행할 수 있게 된다.
상기와 같이 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장을 진단하는 경우, 연료전지 차량의 주행 중 주행 성능에 영향을 미치지 않는 조건하에서 공기공급제어밸브(12)와 공기압력제어밸브(14)의 고장 여부를 판단할 수 있으며, 또한 어떤 밸브에 어떤 고장이 발생한 것인지를 구체적으로 판단할 수 있다.
좀더 말하면, 연료전지(10)의 발전 정지 시 또는 최소 발전 시와 같이 연료전지(10)의 공기 공급 제어 및 공기 압력 제어가 불필요한 때에 밸브 고장을 판단하므로 차량의 주행 성능에 영향을 미치지 않는 무관한 상태에서 실시간으로 밸브 고장을 진단 가능하고, 뿐만 아니라 차량 정비 중에도 진단기를 차량에 연결하여 연료전지 공기공급시스템을 강제구동시킴으로써 공기공급시스템의 밸브 고장을 진단하는 것도 가능하다.
이렇게 연료전지시스템의 공기 공급 및 압력을 제어하는 공기공급시스템의(밸브가 사용되지 않는 주행 상태에서) 밸브 고장을 구체적으로 진단함으로써 고장이 발생한 밸브의 종류 및 고장 종류(개방 또는 폐쇄 고장 등)에 따라 목표 공기공급유량을 적절하게 보정하여 비상운전이 정상적으로 수행될 수 있도록 한다.
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 : 연료전지
11 : 공기공급라인
12 : 공기공급제어밸브
13 : 공기배출라인
14 : 공기압력제어밸브
16 : 압력센서
18 : 공기압축기
20 : BPCU

Claims (9)

  1. 연료전지로 공기를 압축시켜 공급하는 공기압축기;
    상기 공기의 연료전지내 공급 여부를 제어하는 공기공급제어밸브;
    상기 연료전지로 공급되는 공기의 압력을 제어하는 공기압력제어밸브;
    차량의 주행 중에 상기 연료전지의 발전 정지 시 또는 상기 연료전지의 최소 발전 시, 연료전지 입구측의 압력센싱값과 상기 공기압축기의 작동속도에 따른 연료전지 입구측의 압력추정값 간에 차이값을 이용하여 상기 공기공급제어밸브와 공기압력제어밸브의 고장 여부를 판단하는 연료전지 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 공기공급제어밸브에 바이패스 작동을 지시하고 공기압력제어밸브에 개방 작동을 지시한 경우, 상기 차이값이 임계값1을 초과하면 상기 압력센싱값이 상기 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 연료전지 입구측의 압력상승시간을 이용하여 공기공급제어밸브와 공기압력제어밸브 중 어느 하나의 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력상승시간이 임계시간1을 초과하고 임계시간1-1 미만이면 상기 공기압력제어밸브의 개방 불량에 따른 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력상승시간이 임계시간1 이하이면 상기 공기공급제어밸브의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 따른 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 공기공급제어밸브에 바이패스 작동을 지시하고 공기압력제어밸브에 폐쇄 작동을 지시한 경우, 상기 차이값이 임계값2를 초과하면 상기 압력센싱값이 상기 압력추정값까지 도달하는데 걸리는 연료전지 출구측의 압력하강시간을 이용하여 공기압력제어밸브의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 압력하강시간이 임계시간2를 초과하면 상기 공기압력제어밸브의 폐쇄 불량에 따른 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 공기압력제어밸브의 개방 불량에 의한 고장 판단 시, 공기압력제어밸브의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기공급제어밸브의 개방 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋을 이용하여 공기압축기의 작동속도를 상향 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기공급제어밸브의 개방 불량 또는 바이패스 불량에 의한 고장 판단 시, 공기공급제어밸브의 정상 개방 시와 개방 불량 시 간에 공기압력제어밸브의 개방 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋을 이용하여 공기압축기의 작동속도를 상향 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 공기압력제어밸브의 폐쇄 불량에 의한 고장 판단 시, 공기압력제어밸브의 정상 폐쇄 시와 폐쇄 불량 시 간에 공기공급제어밸브의 개방 옵셋을 산출하고, 산출한 옵셋을 이용하여 공기압축기의 작동속도를 상향 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기공급시스템의 밸브 고장진단 및 비상운전을 위한 장치.
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