KR102621525B1 - 연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 워터 트랩에 구비될 수 있는 정전용량형 수위센서의 수위 측정 방법에 관한 것으로서, 복수개의 전극에서 측정된 출력 값에 따라 워터 트랩 장치 내의 수위를 검출함에 있어서, 각 전극의 출력 기준값을 재설정하고, 물의 유입 속도를 고려하여 수위 판정을 실시함으로써, 온도 및 전극 별 편차에 의한 영향을 제거하고, 특히 긴 시간에 걸쳐 천천히 유입되는 물에 대한 수위 검지가 가능한 연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법을 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법 {A method for leveling of capacitive level sensor for water trap of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 연료전지 시스템의 워터 트랩에 설치되는 복수개의 전극이 배열된 정전용량형 수위센서에서 실제 수위를 정확하게 검출할 수 있는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템의 주된 구성 중 연료 전지 스택은 일종의 발전 장치로서, 공기 중의 산소와 외부에서 공급된 수소를 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
즉, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
이러한 연료전지 스택의 반응에 있어서, 스택의 연료극 출구에서 나오는 가스에는 공기극에서 건너온 응축수가 다량으로 포함되어 있는데, 이 응축수가 원활하게 배출되지 않을 경우에는 스택 내부에 그대로 쌓여 수소의 반응을 방해하게 되고, 결국 스택의 출력 및 운전 안정성을 저해하므로, 연료전지 시스템에 연료극 응축수를 제거하기 위한 워터 트랩이 설치되고 있다. 따라서, 연료전지 스택에서 생성된 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지게 되어 있으며, 아래로 떨어진 물은 워터 트랩 장치에 모이게 된다.
이러한 워터 트랩 장치는 응축수를 모았다가 일정 수위 이상이 되면 워터 트랩의 일단에 설치된 드레인 밸브등을 통하여 외부로 배출하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 연료전지 스택에서 발생된 물이 중력에 의하여 낙하되어 워터 트랩 내에 일정량 이상의 물이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서에서 감지하여 워터 트랩 바닥쪽 드레인 밸브의 개방에 의해, 물이 외부로 배출된다.
다만, 정전용량형 수위센서를 통하여 워터 트랩 장치에 저장된 물의 최고수위를 감지하는 경우, 물의 양이 증가하는 것에 의한 것과 별도로, 워터 트랩 내부의 온도가 증가할 때, 고온 상태에 의해 정전용량형 수위센서가 오작동을 일으키는 경우가 있을 수 있다. 이에 따라, 워터 트랩 내부의 수위가 실제보다 높게 측정되어 불필요하게 드레인 밸브가 개방되는 상황이 발생할 수 있다.
또한, 워터 트랩 장치 내로 매우 느린 속도로 물이 유입되는 경우, 정상적으로 수위를 출력하지 못하는 구간이 발생할 수 있으며, 온도 변화에 의한 영향을 받는 경우라면 더욱 수위 측정이 곤란해지는 문제가 있다. 이 경우, 수위 상승을 제대로 검출하지 못할 가능성이 있으며, 이로 인해 스택 내부 플러딩 발생 및 스택의 출력이 저하되는 문제가 발생될 우려가 존재하였다.
일본 공개 특허 제2014-144240호 (2014. 08. 07.)
본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복수개의 전극에서 측정된 출력 값에 따라 워터 트랩 장치 내의 수위를 검출함에 있어서, 온도 및 전극 별 편차에 의한 영향을 제거하고, 특히 긴 시간에 걸쳐 천천히 유입되는 물에 대한 수위 검지가 가능한 연료전지 시스템의 워터 트랩용 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 정전용량 측정을 위한 복수개의 전극을 포함하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법에 있어서, 제어기에서 각 전극의 출력값을 입력받고, 상기 각 전극의 출력값으로부터 워터 트랩 내 초기 수위를 결정하는 단계; 제어기에 의해, 각 전극의 현재 출력값으로 각 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계; 제어기에 의해, 재설정된 출력 기준값에 따라 각 전극의 출력 변화량을 확인하는 단계; 제어기에 의해, 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)을 확인하고, 상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)과 임계값을 비교하는 단계; 및 제어기에 의해, 상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 상기 임계값 보다 더 큰 경우 해당 전극 위치를 수위로 출력하는 단계;를 포함하며, 상기 임계값은 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 빠른 경우에 적용되는 제1임계값과 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 느린 경우에 적용되는 제2임계값으로 구분 설정되는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 워터 트랩 내부가 고온인 상태에서도, 정전용량형 수위센서를 이용하여 정확하게 수면 높이를 결정할 수 있다.
또한, 워터 트랩 내부의 고온 상태에 따른 오작동을 고려하기 위해 워터 트랩에 별도로 구비하였던 온도 센서를 구비하지 않을 수 있다. 이에 따라, 연료전지 워터트랩의 구성이 간소화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 워터 트랩에 아날로그 방식의 수위 센서를 채택하는 것에 비하여 수위 측정의 신속한 응답성을 확보하여 적절한 시점에 드레인 밸브를 개방하여 물을 외부로 배출할 수 있다. 따라서, 잘못 측정된 수위에 의해 연료 전지 시스템 또는 스택이 과도하게 생성된 수분에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 워터 트랩 내로 물이 천천히 유입됨에 따라 수위 변화가 느리게 발생하는 경우라도, 정확하게 현재 수위를 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복수개의 전극을 포함하는 정전용량형 수위센서의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서에서 전극의 출력 값을 나타낸 것으로써, 실제 수면의 높이에 따라 상, 하부에 배치된 인접한 전극 간의 출력 값이 변할 수 있는 여러 경우의 수를 나타낸 표이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법에서, 워터 트랩 내부의 수면이 상승하는 경우, 실제 수면 높이를 출력하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법에서, 워터 트랩 내부의 수면이 하강하는 경우, 실제 수면 높이를 출력하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서에서의 복수개의 전극의 출력 값을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법의 각 단계를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템과 연료전지 시스템에 구비되는 복수개의 밸브의 개방/폐쇄를 조절할 수 있는 제어부등을 포함하여 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템의 구성 중 스택으로부터 생성된 물이 배출되는 부분의 구성에 대하여 살펴보면, 스택에서 생성되는 응축수를 포집할 수 있도록 스택과 연결되는 워터 트랩(10)과, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 워터 트랩(10)의 일단, 바람직하게는 하단부에 외부로 연결될 수 있는 드레인 밸브가 연료 전지 시스템에 존재할 수 있다.
워터 트랩(10)은 스택에서 생성된 응축수를 일시적으로 저장하였다가 한번에 외부로 배기하기 위한 구성으로서, 드레인 밸브가 개방됨에 따라, 중력에 의해 워터 트랩(10) 내부의 물이 외부로 배기될 수 있다. 다만, 드레인 밸브를 개방하는 주기 및/또는 빈도는 연료전지 시스템 전체의 효율에 영향을 미칠 수 있으므로, 드레인 밸브의 개방이 실제로 필요한 정확한 시점에 밸브를 개방하는 것이 중요하다.
다시 말하자면, 워터 트랩(10) 내부에 물(응축수)이 없는 경우에 드레인 밸브가 개방된다면, 연료 전지 시스템 내의 수소가 드레인 밸브를 통해 불필요하게 외부로 배기될 수 있으므로, 차량의 연료 효율에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 또한, 워터 트랩(10) 내부에 다량의 물이 생성되었음에 불구하고 외부로 배출되지 않는다면, 스택의 수분 과다 및 플러딩 현상(flooding)에 의해 연료 전지 시스템에 손상이 발생할 수 있다.
따라서, 워터 트랩(10)에는 내부의 수위를 측정하기 위한 센서가 워터 트랩 내부의 일면에 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 트랩은 정전용량형 수위센서를 구비할 수 있으며, 바람직하게는 복수개의 전극(100)을 포함하는 정전용량형 수위센서를 워터 트랩 내벽 일면에 구비할 수 있다.
특히, 본 발명에서의 정전용량형 수위센서는 센서 내부에 다수의 전극을 가지며, 다수의 전극으로부터 n개의 정전용량 데이터를 수집할 수 있도록 구성되는 통상적인 정전용량형 수위센서이다. 따라서, 이러한 정전용량형 수위센서에서는 각 전극이 위치한 높이까지 물이 차게 되는 경우 해당 전극의 정전용량 변화가 발생하게 되고, 이 정전용량의 변화량, 즉 전극의 출력 변화량을 검출함에 따라 수위를 측정할 수 있도록 구성된다. 여기서, 전극의 출력 변화량은 해당 전극의 현재 출력값과 해당 전극 출력에 대하여 미리 설정된 출력 기준값의 차이로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 수위센서는 MCU(Micro control unit)(110)를 포함할 수 있다. 해당 MCU(110)는 각 전극(100)에서 측정되는 정전용량의 값(출력 값) 및 이와 관계된 값들을 수집하고, 상기 출력 값에 기반하여 드레인 밸브의 개폐 여부를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 전극(100)을 포함하는 정전용량형 수위센서의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 정전용량형 수위센서는 복수개의 전극(100)을 포함할 수 있다. 복수개의 전극(100)은 나란히 배치될 수 있으며, 바람직하게는 중력방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
또한, 복수개의 전극(100)은 해당 전극에 대응되는 출력 값이 미리 설정될 수 있다. 바람직하게는 출력 값은 해당 전극의 하단 높이에 대응되는 값으로서 설정될 수 있다. 따라서, 복수개의 전극(100) 중 낮은 위치에 배치되는 전극은 상대적으로 출력 값이 낮으며, 높은 위치에 배치되는 전극은 상대적으로 높은 출력 값을 가질 수 있다. 나아가, 복수개의 전극(100)은 서로 다른 출력 값을 각각 일정하게 출력할 수 있다. 즉, 복수개의 전극(100)은 각각 해당 전극의 하단 높이에 대응되는 값을 수위로써 출력할 수 있다. (도 5 참고)
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법에서는 우선, 복수개의 전극(100)에서 내보내는 출력 값의 변화량을 측정할 수 있다. 상세하게는 MCU(110)에 의해 복수개의 전극(100) 출력 값의 변화량(X)을 일정 주기 간격으로 측정하거나 또는 수위 출력값을 갱신하기 전까지 지속적으로 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에서 변화량(X)을 측정하는 일회의 실시 시간은 일정 시간으로 지정된 짧은 시간으로써 매우 짧은 시간 구간(간격)을 의미할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 일정 시간 동안의 전극 출력값의 변화량(X)을 측정하며, 해당 측정을 주기적으로 반복하여 실시할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 특정 조건(예를 들면, 수위 출력값의 갱신)에 따른 기간 동안 변화량(X)을 측정함에 있어서, 미리 설정된 시간 간격에 따라 실시할 수 있다.
정전용량형 수위센서의 복수개의 전극 중, 하나의 전극에서 물에 의해 전극이 공기와 접촉하는 면적이 줄어듦에 따라, 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상으로 변화할 수 있다. 즉, 물에 의하여 전극이 공기에 노출되는 면적이 변하는 경우에만 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상으로 변화할 수 있다.
반면, 하나의 전극에서, 전극의 모든 면이 물에 잠기거나, 공기에 노출되어 있는 상태, 즉, 수면이 해당 전극면에 존재하지 않는 경우에서는 물의 수위가 변화하더라도 전극이 공기에 노출되는 면적이 즉각적으로 달라지지는 않는다. 따라서, 이러한 경우에는 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상으로 변하지 않는다.
그러므로, 본 발명의 MCU(110)에서는 전극(100) 출력 값의 변화량(X)을 소정의 임계값(A)와 비교할 수 있으며, 이에 따라 해당 전극의 범위(해당 전극의 하단 높이와 상단 높이 사이)에 실제 수면이 위치하는지를 우선적으로 판단할 수 있다.
임계값(A)은 정전용량형 수위센서에서 각 전극이 위치한 높이에서의 수위 변화가 발생하는 경우, 해당 전극의 출력 값의 변화량을 기초로 선정된 값이며, MCU에는 이러한 임계값(A)에 대한 정보가 저장된다. 나아가, 소정의 임계값(A)은 정전용량의 측정 단위 및 정밀도에 따라, 나아가 연료전지 시스템의 규모에 따라 가변적으로 설정될 수 있다.
이러한, 전극(100) 출력 값의 변화량(X)과 소정의 임계값(A)의 비교는 워터 트랩(10) 내부로 물이 유입되어 수면이 상승하는 것에 의해 전극의 측정값이 변화하는 정도와 온도가 변함에 따라 전극의 측정값이 변화하는 정도가 상이하다는 차이에 기반한 것 일 수 있다. 즉, 워터 트랩(10) 내부의 온도가 고온이 되는 경우, 워터 트랩(10) 내부의 수증기 압이 증가할 수 있으며, 증가된 수증기압에 의해 워터 트랩(10) 내부의 정전용량형 수위센서의 전극(100) 표면에 액적이 맺힐 수 있다. 이에 따라, 액적이 맺힌 전극에서는 실제 해당 높이까지 물이 차오르지 않았음에도 액적에 의해 미약한 수준의 출력 값을 출력할 수 있다.
다만, 고온의 다습한 환경에서는 다량의 액적이 형성될 수 있으며, 이에 따라 하나의 전극에서 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상의 출력 값을 출력할 수도 있다.
따라서, 본 발명에서는 정전용량형 수위센서에서 측정된 값이 실제 수면의 상승 또는 하강에 의한 것임을 보다 정확히 하기 위하여, 즉, 다량의 액적이 생성되는 경우까지도 모두 고려하여, 서로 인접하여 배치될 수 있는 상부 전극 및 하부 전극 간의 출력 값 변화량(X)을 비교하여 실제 수면의 높이를 예측할 수 있다. 본발명에서 지칭하는 상부 전극 및/또는 하부 전극은 상대적인 개념으로써, 복수개의 전극에 있어서, 상대적으로 위에 배치된 전극이 상부 전극, 상대적으로 아래에 배치된 전극이 하부 전극일 수 있다. 따라서, 도 1의 ② 내지 ⑨의 위치에 배치된 전극은 상부 전극 또는 하부 전극이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극(100)의 출력 값을 나타낸 것으로써, 수면의 높이에 따라 상, 하부에 배치된 인접한 전극 간의 출력 값을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 상부 전극(100T)와 하부전극(100B)의 아래에 수면이 위치하는 경우, 두 전극 모두에서 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이하의 값을 나타내고 있다.
수면이 계속 상승하여 실제 수면이 하부 전극의 하단 높이를 초과하여 하부 전극이 공기와 노출되는 면적이 줄어드는 경우, 즉, 하부 전극이 물에 잠기는 경우에는 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)보다 클 수 있다. 다만, 이 경우, 수면의 높이가 상부 전극의 높이에 이르지 못하였으므로 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)은 소정의 임계값(A)보다는 작을 수 있다.
만일, 하부 전극에 모두 물이 찬 후, 수면의 높이가 아직 상부 전극의 높이에 이르지 못한 경우, 최초의 상태(수면의 높이가 하부 전극의 최하단 높이에 이르지 못한 상태)와 마찬가지로 상부 전극 및 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)은 소정의 임계값(A)보다는 작을 수 있다.
나아가, 수면의 높이가 상부 전극의 최하단 높이에 이르러 상부 전극이 수면으로 잠기기 시작하는 경우, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)은 소정의 임계값(A)보다 클 수 있다. 이 때 하부 전극의 경우, 전극의 전부가 물에 잠겨있는 상태이므로 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)은 소정의 임계값(A)보다는 작을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 워터 트랩(10) 내부의 수면이 상승하는 경우, 실제 수면 높이를 출력하는 과정을 도시한 순서도이다. 도 3을 참고하면, 수위가 상승하는 경우, 우선, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)을 초과하는지를 판단할 수 있다.
만일, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)를 초과하는 경우, 해당 전극에 다량의 액적이 맺히거나, 해당 전극이 가지는 범위의 높이에 실제 수면이 존재하는 것으로써, 하부 전극의 아래에 위치하는 또 다른 전극 값과 비교하여, 다량의 액적에 의한 것인지 실제 수면이 존재하는 것인지 여부를 판단할 수 있다. 이 경우, 실제 수면의 높이 판단에 있어, 하부 전극이 새로운 상부 전극으로서 판단의 기준이 될 수 있다.
반면, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)을 초과하지 않는 경우에는 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)과 소정의 임계값(A)을 비교할 수 있다. 이 경우, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이하인 경우, 실제 수면은 하부 전극의 아래 또는 하부 전극과 상부 전극 사이의 일지점에 위치할 수 있다. (도 2의 첫 번째 및 세 번째 경우에 해당) 또한, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상인 경우, 실제 수면은 상부 전극의 하단 높이와 상단 높이 사이의 어느 높이에 위치하는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, MCU(110)에서는 상부 전극에 대응되는 출력값 및 수위(상부 전극의 하단 높이)를 실제 수면의 높이로서 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 워터 트랩(10) 내부의 수면이 하강하는 경우, 실제 수면 높이를 출력하는 과정을 도시한 순서도이다. 수면이 하강하는 경우, 실제 수면 높이를 출력하는 과정은 수면이 상승하는 경우 수면 높이를 출력하는 과정에서 상부, 하부 전극과 위/아래 개념을 바꾸어(Reverse) 판단하는 과정일 수 있다.
도 4를 참고하면, 수위가 하강하는 경우, 우선, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)을 초과하는지를 판단할 수 있다.
만일, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)를 초과하는 경우, 해당 전극에 다량의 액적이 맺히거나, 해당 전극이 가지는 범위의 높이에 실제 수면이 존재하는 것으로써, 상부 전극의 위에 위치하는 또 다른 전극 값과 비교할 수 있다. 이 경우, 실제 수면의 높이 판단에 있어, 상부 전극이 새로운 하부 전극으로서 판단의 기준이 될 수 있다.
반면, 상부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A)을 초과하지 않는 경우, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)과 소정의 임계값(A)을 비교할 수 있다. 이 경우, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이하인 경우, 실제 수면은 상부 전극의 위 또는 상부 전극과 하부 전극 사이의 일지점에 위치할 수 있다. (도 2의 첫 번째 및 세 번째 경우에 해당) 또한, 하부 전극의 전극 출력 값의 변화량(X)이 소정의 임계값(A) 이상인 경우, 실제 수면은 하부 전극의 최상단 높이와 최하단 높이 사이의 어느 일 지점에 위치하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, MCU(110)에서는 하부 전극에 대응되는 출력값 및 수위(하부 전극의 하단 높이)를 실제 수면의 높이로서 판단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 전극(100)의 출력 값을 나타낸 그래프이다. 도 5에서는 수면의 높이에 따라 전극 값의 출력이 변화하는 추이를 나타내고 있다. 즉, 도 1 내지 도 5를 참고하면, 도 1의 ① 내지 ⑩의 위치에 배열된 전극은 미리 설정된 값(해당 전극의 하단 높이에 대응되는 값)을 출력할 수 있으며, 도 3 및 도 4의 전극 수위 출력 방법에 따라, 출력한다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, MCU(110)에서는 전극의 출력 값에 기반하여, 실제 수면 높이의 범위를 판단할 수 있다.
다만, 도 5를 참고하면, 전술한대로 본 발명에서는 하나의 전극이 출력하는 값은 해당 전극 하단 높이로써 일정한 출력 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 실제 수위가 높아짐에 따라, 계단식 형태의 출력 값이 출력될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 출력 형태는, 워터 트랩(10)의 특성과 관련있는 것으로서, 워터 트랩(10)에서는 정밀한 수면의 높이를 측정하는 것이 요구된다기 보다는 실제 수면이 어느 범위(range) 내에 위치하는지를 파악하여, 드레인 밸브의 개방이 필요한 시점인지 아닌지를 정확히 판단하는 것이 중요할 수 있다.
즉, 정확한 수면의 높이를 측정하기 위해 걸리는 시간 및 과정을 단축하면서, 실제 수면이 어느 범위 이내에 존재하는지를 빠르게 파악하여, 일정 정도 이상의 물이 차오른 경우, 드레인 밸브를 개방하여 물을 외부로 배출하는 것이 워터 트랩(10)의 목적인 바, 연료전지 시스템에 탑재되는 워터 트랩(10)의 정전용량형 수위센서는 해당 목적에 부합하는 수위 출력 방법 및 구성이 요구될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 아날로그 수위센서에 비해 신속한 응답성을 확보할 수 있으며, 드레인 밸브 제어의 관점에서, 워터 트랩(10) 내부의 실제 수위가 어느 높이에 위치하는지를 정확히 판단할 수 있다.
한편, 이와 같은 수위 측정 방법을 사용하더라도, 온도의 영향을 받아 수위 출력의 오류가 발생하는 것을 완전히 방지할 수는 없다. 또한, 스택에서 발생한 물이 워터 트랩 측으로 천천히 유입되는 경우, 특정 시간 동안의 출력 변화량 값이 매우 작아 검지하지 못하는 상황이 발생할 수도 있다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계를 거치며, 이후 각 전극의 출력 변화량을 확인하여 수위를 검출할 수 있도록 구성된다.
이 때, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 물의 유입 속도가 빠른지 여부를 확인할 수 있는 단계를 거치게 되고, 그 확인 결과에 따라 임계값 결정하며, 결정된 임계값에 따라 워터 트랩 내 수위를 결정하여 최종 출력하게 된다.
도 6에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법의 각 단계를 도시한 것이다.
먼저, 도 6의 단계 S601에 도시된 것처럼, 각 전극의 출력값으로부터 워터 트랩 내 수위를 결정하는 단계를 실시하게 된다. 본 단계에서 수위를 결정하는 것은 앞서 도 2 내지 4에서 설명된 것과 같은 방식이 적용될 수 있다.
또한, 도 1에서와 같은 정전용량형 수위센서를 이용함에 있어서, 각 전극의 출력값을 MCU(110)가 입력받아, 서로 인접한 전극의 출력값의 차이를 계산하고, 이들 차이값으로부터 수위를 검출할 수 있다. 즉, 물이 차 있는 위치의 전극에서는 인접한 전극의 출력값과의 차이가 상대적으로 커지게 되므로, 해당 출력값 차이가 최대로 나타나는 전극의 위치를 기반으로 수위를 결정하게 된다. 본 단계(S601)은 시동 후 초기 수위를 검지하기 위한 단계에 해당하며, 예를 들어, 인접한 상하 전극 간의 출력값의 차이를 계산한 다음, 그 차이가 가장 큰 최대값(Cmax)을 결정하고, 위 최대값(Cmax)이 미리 설정된 기준값(X)을 초과하는 경우, 해당 최대값의 출력 위치를 기준으로 수위를 결정할 수 있으며, 반대로 최대값(Cmax)이 기준값(X) 이하인 경우에는 지정된 초기값, 예를 들어, 최저 수위로 현재 수위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 6번째 전극과 5번째 전극의 출력값의 차이가 최대인 경우, 6번째 전극과 5번째 전극 사이에 해당되는 수위를 표시해줄 수 있으며, 이 경우 해당 수위는 전극의 높이와 관련된 값으로 표현될 수 있다.
다만, 단계 S601에서 수위를 결정하는 것은 이러한 방식으로 한정되는 것은 아니며, 수위를 측정할 수 있는 방법이라면 제한 없이 적용될 수 있다.
단계 S601은 초기 수위를 결정하는 용도로 사용할 수 있으며, 이후 수위를 출력하는 과정은 도 6에서와 같이, 단계 S602 내지 단계 S606을 반복하여 진행할 수 있다. 예를 들어, 차량 시동 시를 기준으로, 단계 S601을 실시하고, 이후 주행 중에는 단계 S602 내지 S606을 반복 실시하도록 구성될 수 있다. 한편, 주행 중, 차량이 정차하는 경우에는 단계 S601로부터 다시 실시하도록 구성할 수도 있다.
구체적으로, 초기 수위가 결정되었다면, 각 전극의 현재 출력값으로 각 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계(S602)가 수행된다. 본 단계 S602는 각 전극의 출력 기준값을 리셋하는 단계로써, 이를 통해 온도 변화 및 전극 별 편차에 의한 영향을 제거할 수 있다. 따라서, 수위 변화에 따른 전극의 출력 변화량을 확인함에 있어서, 온도 및 전극 별 편차에 의한 영향이 출력 변화량에 포함되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 재설정된 출력 기준값을 토대로, 각 전극의 출력 변화량을 확인하는 단계가 실시된다(S603). 본 단계는 앞서 설명한 것과 마찬가지로, 특정 전극에서 현재의 전극 출력값과 해당 전극의 출력 기준값과의 차이로 각 전극의 출력 변화량을 결정하게 된다. 여기서, 해당 전극의 출력 기준값은 단계 S602를 통해 재설정된 출력 기준값이다.
상기 단계를 통해, 각 전극의 출력 변화량이 확인되면, 이를 토대로 수위를 결정하는 과정이 진행된다. 이와 관련, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 물의 유입 속도에 따라 수위 판정 과정을 구분하여 수행하는 것에 특징이 있다.
그러므로, 도 6의 단계 S604에서와 같이, 물의 유입 속도가 빠른지 혹은 느린지 여부, 즉, 워터 트랩 내 수위 변화 속도가 빠른지 혹은 느린지를 확인하는 단계(S604)를 실시할 수 있으며, 그 결과에 따라 수위 판정을 위한 임계값을 달리 설정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수위 판정을 위한 임계값은 물의 유입 속도가 느린 경우, 즉, 워터 트랩 내 수위 변화 속도가 느린 경우에는 상대적으로 작은 값이 되도록 설정하고, 물의 유입 속도가 빠른 경우, 즉, 워터 트랩 내 수위 변화 속도가 빠른 경우에는 상대적으로 큰 값이 되도록 설정한다. 이는 물의 유입 속도가 빠른 경우, 즉 응축수가 다량 발생하여 워터 트랩 내의 수위 변화가 급격히 발생하는 경우에는 전극의 출력 변화량이 커지는 반면, 물의 유입 속도가 느린 경우에는 워터 트랩 내의 수위 변화가 천천히 발생하는 경우이므로, 상대적으로 전극의 출력 변화량이 작아지기 때문이다. 따라서, 물의 유입 속도가 느린 경우에는 상대적으로 작은 임계값을 적용하여야만 정확하게 수위를 측정할 수 있게 된다.
따라서, 단계 S605에서는 물의 유입 속도(수위 변화 속도)에 따라 수위 판정을 위한 임계값을 결정하고, 이 임계값을 각 전극의 출력 변화량의 최대값과 비교하게 된다(S605). 비교 결과 출력 변화량의 최대값이 임계값 보다 더 큰 경우 해당 전극 위치, 즉, 출력 변화량이 최대인 전극의 위치를 워터 트랩의 수위로 출력하게 된다(S606).
단계 S604에서 워터 트랩 내로 유입되는 물이 빠르게 증가하는지 또는 느리게 증가하는지 여부는 특정 전극에서 짧은 단위 시간 동안 전극 출력 변화량을 기반으로 결정될 수 있다. 즉, 특정 전극에서 단위 시간 당 전극 출력 변화량이 미리 결정된 소정의 값(Y) 보다 크다면, 물의 유입이 상대적으로 빠른 경우라고 판단할 수 있다. 반면, 단위 시간 당 전극 출력 변화량이 미리 설정된 소정의 값(Y) 보다 작거나 같다면, 물의 유입이 상대적으로 느린 경우라고 판단할 수 있다.
즉, 위 판단 결과에 따라 물의 유입 속도가 기준 이하로 느린 경우라면, 기설정된 임계값(Z) 보다 작은 임계값(W)에 의해 수위 판정을 실시함이 바람직하다.
위 임계값들을 구분하기 위해, 임계값(Z)를 제1임계값이라 하고, 임계값(W)를 제2임계값이라 한다. 제1임계값은 앞서 도 3, 4 등에서 설명되는 임계값(A)와 같은 값일 수 있으며, 따라서, 제2임계값은 임계값(A) 보다는 작은 값으로 설정될 수 있다. 이 때, 상기 제2임계값은 운전 조건에 따라 최소로 유입되는 물의 양에 따른 수위 변화를 감지할 수 있도록 설정되어야 하는 바, 바람직하게는 차량의 아이들 상태에서 생성되는 응축수가 워터 트랩 내로 유입됨에 따라 발생하는 수위 변화를 감지할 수 있도록 제2임계값이 설정될 수 있다. 따라서, 아이들 상태에서의 워터 트랩 내 수위 변화를 반복적으로 확인하고, 해당 수위 변화량에 따른 전극의 출력 변화량을 감안하여 제2임계값을 미리 설정한 다음, MCU(110)에 저장할 수 있다.
서로 다른 제1임계값과 제2임계값을 물의 유입 속도, 즉, 워터 트랩 내의 수위 변화 속도에 따라 달리 적용함으로써, 물이 천천히 증가하는 경우라 하더라도, 효과적으로 수위 변화를 검출할 수 있다.
도 7은 도 6의 예를 보다 구체적으로 설명하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정전용량형 수위센서의 수위 출력 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 7에 도시된 것처럼, 단계 S701에서는 인접하는 전극의 정전용량에 대한 출력값(Ci+1, Ci)을 MCU(110)가 입력받아, 이들 정보로부터 인접하는 전극의 출력값 차이를 산출한다.
특히, 본 단계(S701)은 시동 후 초기 수위를 검지하기 위한 사전 단계에 해당하는 것으로, 시동 후 각 전극의 출력값을 MCU(110)가 입력받아, 서로 인접한 전극의 출력값의 차이를 계산하는 단계이다. MCU(110)은 단계 S701을 통해 계산된 인접 상하 전극의 출력값 차이에 대한 정보를 수집하고, 이들 차이값 중 최대값(Cmax)을 결정하고(S702), 이를 초기 수위 검출에 이용한다.
즉, 단계 S703을 통해, 상하 전극 출력값 차이의 최대값(Cmax)를 초기 수위 결정을 위한 초기 기준값(X)과 비교하고, 그 결과 최대값(Cmax)이 초기 기준값(X) 보다 큰 경우, 해당 전극 위치를 현재 수위로 출력하게 된다(S704). 반면, 최대값(Cmax)이 초기 기준값(X) 보다 작거나 같은 경우라면, 지정된 값(H)으로 수위를 출력한다(S705). 여기서, 지정된 값(H)이란, 물이 전혀 없거나 가득 찬 경우를 의미할 수 있다. 또한, 지정된 값을 결정하는 것은 이전 주행 시의 최종 수위 기록을 참조하거나 다른 센서 등을 통해 초기 수위를 결정하는 다양한 방식이 적용될 수 있다.
단계 S704 또는 S705를 통해 초기 수위가 결정되었다면, 각 전극의 정전 용량 증가분에 해당되는 전극의 출력 변화량(ΔCi)를 리셋하는 과정을 거친다(S706).
본 단계 S706은 앞서 도 6의 단계 S602에 대응되는 것으로, 현재의 전극 출력값을 기준으로 전극의 출력 변화량(ΔCi)을 "0"로 설정함으로써, 각 전극의 현재 출력값으로 출력 기준값을 재설정하게 된다. 따라서, 본 단계(S706)과 같이 전극의 출력 변화량을 주기적으로 리셋하는 과정을 통해, 리셋 시점 이후의 짧은 시간 동안의 전극의 출력 변화량만을 확인하고, 이를 통해 수위 변화 발생을 검출하도록 구성된다.
이 후, 단계 S707을 통해 재설정된 출력 기준값을 이용하여 각 전극의 출력 변화량(ΔCi)을 새롭게 검출, 확인하게 된다.
다음으로, 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)을 갖는 전극을 확인하고, 해당 전극의 단위 시간당 전극의 출력 변화량의 최대값((ΔCi/Δt)max)을 확인하고(S708), 이 값((ΔCi/Δt)max)을 소정의 값(Y)와 비교하여, 물의 유입 속도에 대한 판정을 실시한다(S709).
특히, 단계 S708 및 S709에서, 해당 전극의 단위 시간당 전극의 출력 변화량의 최대값((ΔCi/Δt)max)을 확인하고 이를 특정 값(Y)와 비교하는 것은 물이 얼마나 빠르게 워터 트랩 내로 유입되고 있는지를 확인하기 위함이다. 본 단계들을 통해, 온도에 의한 센서 정전용량 출력의 변화가 발생하는지 여부에 따른 선별적 판단이 가능하게 되는데, 이는 단위 시간당 전극의 출력 변화량이 큰 경우라면, 물에 의한 수위 변화로 판정할 수 있기 때문이다 반면, 단위 시간당 전극의 출력 변화량이 작은 경우라면, 온도 변화에 의해 전극의 출력 변화가 발생하는 경우일 수 있으므로, 이에 대한 추가적인 판단이 필요하다.
본 발명의 바람직한 구현예에서는, 단위 시간당 전극의 출력 변화량이 작은 경우 실제 물의 유입에 의해 전극의 출력 변화가 발생하였는지 여부를 판정하기 위하여, 단계 별로 서로 다른 임계값을 적용한다.
구체적으로, 해당 전극의 단위 시간당 전극의 출력 변화량의 최대값((ΔCi/Δt)max)이 소정의 값(Y) 보다 크다면, 상대적으로 빠른 속도로 물이 워터 트랩 내로 유입되는 상황이다. 반면, 해당 전극의 단위 시간당 전극의 출력 변화량의 최대값((ΔCi/Δt)max)이 소정의 값(Y) 보다 작거나 같다면, 상대적으로 느린 속도로 물이 워터 트랩 내로 유입되거나 온도에 의해 전극의 출력 변화가 발생한 상황이다.
따라서, 단계 S708 및 단계 S709를 통해, 물이 빠르게 유입되는 상황으로 판단되었다면, 정상적인 제1임계값(Z)과 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)을 비교하게 되고(S710), 물이 느리게 유입되는 상황이라면, 물에 의한 작은 수위 변화와 온도에 의해 전극의 출력 변화가 발생하는 것을 효과적으로 구분하여 검출할 수 있도록, 제1임계값(Z)에 비하여 상대적으로 작은 제2임계값(W)과 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)을 비교하게 된다(S711).
비교 결과, 제1임계값(Z) 또는 제2임계값(W) 보다 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 더 작은 경우에는, 물에 의한 수위 변화가 없는 것으로 보아, 단계 S706로 복귀하여 단계 S706 내지 S709의 과정을 반복 실시한다.
한편, 제1임계값(Z) 또는 제2임계값(W) 보다 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 더 큰 경우에만 해당 전극 위치를 현재의 수위로 출력한다(S712).
앞서 설명한 바와 같이, 제2임계값(W)는 제1임계값(Z) 보다는 작은 값으로 설정될 수 있다. 또한, 제2임계값(W)은 온도 변화에 따른 센서 출력 변화량을 구분할 수 있으며, 최저의 응축수 생성량에 따른 수위 변화를 검출할 수 있도록 설정되어야 한다. 바람직하게 상기 제2임계값(W)은 차량의 아이들 상태에서 생성되는 응축수가 워터 트랩 내로 유입되는 양에 따라 결정되며, 이러한 응축수 유입에 따른 수위 변화를 검출해 낼 수 있는 값이 될 수 있다.
이와 같은 과정을 거쳐, 단계 S712를 통해 결정된 위치로 수위 정보가 갱신되며, 다시 수위 변화를 검출하기 위하여, 단계 S706으로 복귀하도록 제어 로직을 구성할 수 있다.
이상과 같은 방법을 통해, 온도 및 전극 편차에 의한 수위 측정 오류를 방지할 수 있으며, 물의 유입 속도가 충분히 느린 경우라 하더라도, 정확하게 수위 변화를 감지하여 정확한 수위를 검출할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 워터 트랩
100 : 전극
110 : MCU

Claims (7)

  1. 정전용량 측정을 위한 복수개의 전극을 포함하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법에 있어서,
    제어기에서 각 전극의 출력값을 입력받고, 상기 각 전극의 출력값으로부터 워터 트랩 내 초기 수위를 결정하는 단계;
    제어기에 의해, 각 전극의 현재 출력값으로 각 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계;
    제어기에 의해, 재설정된 출력 기준값에 따라 각 전극의 출력 변화량을 확인하는 단계;
    제어기에 의해, 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)을 확인하고, 상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)과 임계값을 비교하는 단계; 및
    제어기에 의해, 상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 상기 임계값 보다 더 큰 경우 해당 전극 위치를 수위로 출력하는 단계;를 포함하며,
    상기 임계값은 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 빠른 경우에 적용되는 제1임계값과 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 느린 경우에 적용되는 제2임계값으로 구분 설정되고,
    상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 상기 임계값 보다 더 큰 경우 해당 전극 위치를 수위로 출력하는 단계;를 수행한 이후,
    각 전극의 현재 출력값으로 각 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계; 이후의 과정을 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2임계값은 상기 제1임계값 보다 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제2임계값은 차량의 아이들 상태에서 생성되는 응축수가 워터 트랩 내로 유입됨에 따라 발생하는 수위 변화를 감지할 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 빠른지 혹은 상대적으로 느린지를 확인함에 있어서,
    상기 제어기에서는 전극의 출력 변화량이 최대인 전극을 선정하고, 해당 전극의 단위 시간 당 전극 출력 변화량을 미리 설정된 소정의 값(Y)과 비교하여, 상기 단위 시간 당 전극 출력 변화량이 소정의 값(Y) 보다 큰 경우에는 상기 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 빠른 것으로 결정하고, 상기 단위 시간 당 전극 출력 변화량이 소정의 값(Y) 보다 작거나 같은 경우에는 상기 워터 트랩 내 수위 변화가 상대적으로 느린 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각 전극의 출력 변화량 중 최대값(ΔCmax)이 상기 임계값 보다 작거나 같은 경우 수위 변화가 없는 것으로 보아, 각 전극의 현재 출력값으로 각 전극의 출력 기준값을 재설정하는 단계로 복귀하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 워터 트랩 내 초기 수위를 결정하는 단계는,
    시동 후 각 전극의 출력값으로부터 서로 인접한 상하 전극의 출력값 차이들을 계산하는 단계;
    계산된 상하 전극의 출력값 차이들 중 최대값(Cmax)을 결정하는 단계; 및
    상기 상하 전극 출력값 차이들 중 최대값(Cmax)를 미리 설정된 초기 기준값(X)과 비교하고, 상기 상하 전극 출력값 차이들 중 최대값(Cmax)이 초기 기준값(X) 보다 큰 경우, 해당 전극 위치를 현재 수위로 출력하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 수위센서 수위 출력 방법.

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