KR102671051B1 - 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법은, 열교환기 열전달율에 대한 측정값 및 예측값을 수득하는 단계; 상기 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하는 단계; 계산된 잔차가 임계값을 초과하는지 결정하는 단계; 상기 계산된 잔차가 임계값을 초과하는 것으로 결정하는 경우, 열관리 시스템의 고장을 검출하는 단계; 스택 라인의 냉각수 유량, 저장조 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하고, 잔차 패턴을 확인하는 단계; 및 상기 잔차 패턴을 이용하여 상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법{Fault detection of fuel cell thermal management system and fault diagnosis method of components}

본 발명의 다양한 실시예는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 연료전지 열관리 시스템의 고장을 검출하고, 나아가 부품별 고장을 진단할 수 있는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법에 관한 것이다.

연료전지는 고효율, 친환경, 높은 출력밀도 등과 같은 장점을 가지고 있어 유망한 미래 청정 에너지기술로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 연료전지 시스템의 신뢰성을 보장하기 위해서는 초기 결함에 대한 정확한 진단이 필요하다. 연료전지 시스템은 스택, 연료 공급, 열 관리, 물 관리, 공기 공급 및 전력 인버터와 같은 여러 하위 시스템을 포함하는 복잡한 시스템이다. 따라서, 하위 시스템 수준에서 구성 요소 수준까지 단계적으로 계측적 방법을 사용하여 결함을 정확하게 진단할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 열교환기의 열전달율을 이용하여 열관리 시스템의 고장을 검출하고, 냉각수 유량, 냉각수 온도와 관련된 추가 잔차를 활용하여 펌프, 센서(열전대) 등 열관리 시스템 부품별 고장의 원인을 진단할 수 있는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack), 열교환기(Heat Exchanger, HEX), 스택 펌프(Stack Pump), 저장조(Reservoir), 저장조 펌프(Reservoir Pump), 저장조 라인(Reservoir coolant line), 스택 라인(Stack coolant line), 연료전지 스택 라인의 스택입구 온도를 측정하는 스택입구 열전대, 연료전지 스택 라인의 스택출구 온도를 측정하는 스택출구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 입구온도를 측정하는 열교환기 입구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 출구온도를 측정하는 열교환기 출구 열전대 및 제어부를 포함하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법에 관한 것으로,

열교환기 열전달율에 대한 측정값 및 예측값을 수득하는 단계;

상기 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하는 단계;

계산된 잔차가 임계값을 초과하는지 결정하는 단계;

상기 계산된 잔차가 임계값을 초과하는 것으로 결정하는 경우, 열관리 시스템의 고장을 검출하는 단계;

스택 라인의 냉각수 유량, 저장조 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하고, 잔차 패턴을 확인하는 단계; 및

상기 잔차 패턴을 이용하여 상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계를 포함한다.

본 발명은 열교환기를 통한 열전단율의 잔차를 통해 열관리 시스템의 오류를 감지할 수 있다. 그 다음 추가 잔차를 측정하여 각 구성 요소들의 고장을 진단할 수 있다. 본 발명에서는 연료전지 시스템의 작동을 위한 필수 센서(펌프 제어 신호 및 열전대)를 통해 잔차를 측정할 수 있어 추가 구성이 불필요하다. 즉, 연료전지 시스템의 작동을 위한 필수 센서(펌프 제어 신호 및 열전대)만으로도 열교환기, 펌프 및 열전대들의 고장을 감지할 수 있다. 또한, 진단에 활용되는 센서 자체의 고장까지도 감지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3의 (a)는 정상 상태일 때, (b)는 열교환기의 파울링(HEX Fouling)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다.
도 4의 (a)는 스택입구 열전대(Stack-in TC), (b)는 스택출구 열전대(Stack-out TC), (c)는 스택 펌프(Stack Pump)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다.
도 5의 (a)는 저장조 펌프(Reservoir Pump), (b)는 열교환기 입구 열전대(HEX-in TC), (c)는 열교환기 출구 열전대(HEX-out TC)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료전지 스택의 예열 장치 의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 연료전지 열관리 시스템은, 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack), 열교환기(Heat Exchanger, HEX), DI Tank, 스택 펌프(Stack Pump), 저장조(Reservoir), 저장조 펌프(Reservoir Pump), 팬(Fan), 저장조 라인(Reservoir coolant line), 스택 라인(Stack coolant line), 연료전지 스택 라인의 스택입구 온도를 측정하는 스택입구 열전대, 연료전지 스택 라인의 스택출구 온도를 측정하는 스택출구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 입구온도를 측정하는 열교환기 입구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 출구온도를 측정하는 열교환기 출구 열전대 및 제어부를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2를 참고하면, 실시간으로 열교환기 열전달율에 대한 측정값 및 예측값을 수득하는 단계(S100); 상기 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하는 단계(S200); 계산된 잔차가 임계값을 초과하는지 결정하는 단계(S300); 계산된 잔차가 임계값을 초과하는 것으로 결정하는 경우, 열관리 시스템의 고장을 검출하는 단계(S400); 스택 라인의 냉각수 유량, 저장조 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하고, 잔차 패턴을 확인하는 단계(S500); 잔차 패턴을 이용하여 상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.

열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 측정값 및 예측값을 수득하는 단계(S100) 및 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하는 단계(S200)에서는, 하기 계산식을 통해 계산될 수 있다.

(1) 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 측정값 (UA_{hex_m})

여기서, Q_st.= (E_thermo * n_cell - V_stack) * I_stack 이고,

E_thermo은 열역학적 단위전지 이론 전압

n_cell은 스택 내 셀 개수

V_stack은 스택 전압

I_stack은 스택 전류

T_st.out은 스택 라인 스택출구 온도

T_st.in은 스택 라인 스택입구 온도

T_hex.out은 저장조 라인 열교환기 출구 온도

T_hex.in은 저장조 라인 열교환기 입구 온도이다.

(2) 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 예측값 (UA_{hex_p})

여기서, U_st.pump은 스택 라인 펌프 제어신호

U_re.pump은 저장조 라인 펌프 제어신호이다.

(3) 열교환기 열전달율의 측정값 및 예측값의 잔차(R₁)

상기 계산식을 참고하면, 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 측정값 (UA_{hex_m})은, 스택 전압, 스택 전류 및 기존의 열전대를 이용하여 계산된 온도값을 이용하고, 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 예측값 (UA_{hex_p})은 스택 라인 펌프의 제어신호, 저장조 라인 펌프의 제어신호 및 저장조 라인 열교환기 입구 온도값을 인풋(input)으로 하여 선형 회귀 모델(linear regression model)을 통해 수득할 수 있다. 즉, 별도의 추가 센서 없이도 열관리 시스템의 고장을 검출할 수 있다.

다음으로 계산된 잔차(R1)가 임계값을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다.(S300)

다음으로, 계산된 잔차가 임계값을 초과하는 것으로 결정하는 경우, 열관리 시스템의 고장을 검출할 수 있다.(S400) 본 발명에서는 열교환기 열전달율(UA_hex)을 열관리 시스템의 고장 검출에 대한 대표값으로 활용할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 열관리 시스템의 어떠한 부품에 고장이 발생하더라도 열전달율 잔차(R₁)에 변동성을 나타내도록 하여, 열교환기 열전달율을 통해 열관리 시스템의 고장을 검출할 수 있다.

다음으로, 스택 라인의 냉각수 유량, 저장조 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값의 잔차를 계산하고, 잔차 패턴을 확인할 수 있고,(S500) 상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단할 수 있다.(S600)

스택 라인의 냉각수 유량(M_st)에 대한 측정값, 예측값 및 잔차는 하기 계산식을 통해 계산될 수 있다.

(1) 스택 라인의 냉각수 유량(M_st)에 대한 측정값 (M_{st._m})

여기서, C_pw은 물의 비열이다.

(2) 스택 라인의 냉각수 유량(M_st)에 대한 예측값 (M_{st._p})

(선형 회귀 모델을 통해 수득)

(3) 스택 라인의 냉각수 유량(M_st)의 측정값 및 예측값의 잔차(R₂)

저장조 라인의 냉각수 유량(M_re)에 대한 측정값, 예측값 및 잔차는 하기 계산식을 통해 계산될 수 있다.

(1) 저장조 라인의 냉각수 유량(M_re)에 대한 측정값(M_{re._m})

(2) 저장조 라인의 냉각수 유량(M_re)에 대한 예측값(M_{re._p})

(선형 회귀 모델을 통해 수득)

(3) 저장조 라인의 냉각수 유량(M_re) 의 측정값 및 예측값의 잔차(R₃)

저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값, 예측값 및 잔차는 하기 계산식을 통해 계산될 수 있다.

(1) 저장조 라인 열교환기 출구 온도(T_hex.out)에 대한 측정값(T_{hex.out_m})

(2) 저장조 라인 열교환기 출구 온도(T_hex.out)에 대한 예측값(T_{hex.out_p})

(가우시안 프로세스 회기(Gaussian process regression) 모델을 통해 수득)

(3)저장조 라인 열교환기 출구 온도(T_hex.out)의 측정값 및 예측값의 잔차(R₄)

본 발명에서는, 스택 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인의 냉각수 유량을 측정하기 위한 별도의 유량계 없이 스택 전압 및 온도값으로부터 계산할 수 있다. 또한, 고가의 압력 센서와 같은 별도의 추가 센서없이도 고장을 진단할 수 있다.

한편, 상술한 측정값, 예측값 및 잔차의 계산식은 하기 표 1과 같이 정리할 수 있다.

[표 1]

한편, 앞선 계산식에서 계산된 잔차(R₁, R₂, R₃, R₄) 값을 실시간으로 수득한 후, 평균 및 표준 편차를 기반으로 일반화될 수 있다. 평균 기반으로 일반화된 잔차는 R_{avg_nornal}, 표준 편차를 기반으로 일반화된 잔차는 R_{std_normal}로 표시되고, 하기 식을 통해 잔차값은 +1, 0, -1의 형태로 패턴화될 수 있다.

즉, 실시간으로 계산된 잔차값과 R_{avg_nornal}의 차이가 R_{std_normal}의 n 배보다 크면 +1 또는 -1로 정의될 수 있다. 그렇지 않으면 0으로 정의될 수 있다. 즉, 잔차값은 +1, 0, -1의 형태로 패턴화되고, 하기 표 2와 같은 분류 모델에 입력될 수 있다.

[표 2]

즉, 표 2를 참고하면, 잔차(R₁, R₂, R₃, R₄) 패턴 및 분류 모델을 통해 열교환기, 스택 라인 및 저장조 라인의 고장을 진단할 수 있다. 보다 구체적으로, R1이 -1이고, R2가 0이고, R3가 -1이고, R4가 -1일때, 열교환기(Heat exchanger)의 파울링(Fouling) 고장이라고 진단할 수 있다.

또한, R1이 -1이고, R2가 -1이고, R3가 0이고, R4가 1일때, 스택 라인(Stack coolant line)에서의 스택입구 열전대(Stack-in TC)의 고장이라고 감지할 수 있다. R1이 1이고, R2가 1이고, R3가 0 또는 1이고, R4가 1일때, 스택출구 열전대(Stack-out TC)의 고장이라고 감지할 수 있다. R1이 -1이고, R2가 -1이고, R3가 0이고, R4가 0일때, 스택 펌프(Stack Pump)의 고장이라고 감지할 수 있다.

또한, R1이 1이고, R2가 0이고, R3가 -1이고, R4가 0일때, 저장조 라인(Reservoir coolant line)에서 저장조 펌프(Reservoir Pump)의 고장이라고 감지할 수 있다. R1이 1이고, R2가 0이고, R3가 -1이고, R4가 0일때, 열교환기 입구 열전대(HEX-in TC)의 고장이라고 감지할 수 있다. 즉, 저장조 펌프 및 열교환기 입구 열전대의 결함은 겹치는 잔차 패턴을 가지는데, 이는 저장조의 열전대 및 열교환기 입구 열전대를 비교하여 구분할 수 있다. 즉, 두 열전대에 의해 측정된 온도의 차이가 정상 상태 범위를 벗어났는지, 편차가 + 또는 -인지 여부를 평가하여 저장조 펌프 및 열교환기 입구 열전대의 결함을 각각 진단할 수 있다. 한편, R1이 -1이고, R2가 0이고, R3가 1이고, R4가 -1일때, 열교환기 출구 열전대(HEX-out TC)의 고장이라고 감지할 수 있다.

도 3의 (a)는 정상 상태일 때, (b)는 열교환기의 파울링(HEX Fouling)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다. 도 4의 (a)는 스택입구 열전대(Stack-in TC), (b)는 스택출구 열전대(Stack-out TC), (c)는 스택 펌프(Stack Pump)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다. 도 5의 (a)는 저장조 펌프(Reservoir Pump), (b)는 열교환기 입구 열전대(HEX-in TC), (c)는 열교환기 출구 열전대(HEX-out TC)의 실시간 고장 감지 및 진단 결과이다.

도 3 내지 도 5의 결과들을 참고하면, 앞선 표 2의 잔차 패턴 및 분류 모델과 일치함을 알 수 있다.

본 발명에서는 연료전지 시스템의 작동을 위한 필수 센서(펌프 제어 신호 및 열전대)만으로도 열교환기, 펌프 및 열전대들의 고장을 감지할 수 있다. 또한, 진단에 활용되는 센서 자체의 고장까지도 감지할 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack), 열교환기(Heat Exchanger, HEX), 스택 펌프(Stack Pump), 저장조(Reservoir), 저장조 펌프(Reservoir Pump), 저장조 라인(Reservoir coolant line), 스택 라인(Stack coolant line), 연료전지 스택 라인의 스택입구 온도를 측정하는 스택입구 열전대, 연료전지 스택 라인의 스택출구 온도를 측정하는 스택출구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 입구온도를 측정하는 열교환기 입구 열전대, 저장조 라인의 열교환기 출구온도를 측정하는 열교환기 출구 열전대 및 제어부를 포함하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법에 있어서,
   열교환기 열전달율에 대한 측정값 및 예측값을 수득하는 단계;
   수득된 상기 열교환기 열전달율에 대한 측정값에서 상기 열교환기 열전달율에 대한 예측값을 빼는 계산을 통해 상기 측정값 및 예측값의 대표 잔차(R1)를 계산하는 단계;
   상기 계산된 대표 잔차가 임계값을 초과하는지 결정하는 단계;
   상기 계산된 대표 잔차가 임계값을 초과하는 것으로 결정하는 경우, 열관리 시스템의 고장을 검출하는 단계;
   스택 라인의 냉각수 유량, 저장조 라인의 냉각수 유량 및 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값의 추가 잔차(R2, R3, R4)를 계산하고, 상기 대표 잔차와 상기 추가 잔차에 기초하여 생성된 잔차 패턴을 확인하는 단계; 및
   상기 잔차 패턴을 이용하여 상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계를 포함하고,
   상기 잔차 패턴을 확인하는 단계에서, 잔차 패턴 및 분류 모델을 통해 상기 열교환기, 스택 라인 및 상기 저장조 라인을 포함하는 부품의 고장을 진단하되,
   상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계에서, 하기 표에 기초하여, 잔차 패턴을 확인하는 경우에, 겹치는 잔차 패턴을 가지는 경우, 제1 부품의 열전대와 상기 제1 부품과 겹치는 잔차 패턴을 가지는 제2 부품의 열전대를 각각 비교하는 단계를 더 포함하고,
   상기 열교환기 열전달율에 대한 측정값 및 예측값은 하기 식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하고,
   (1) 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 측정값 (UA_{hex_m})
   
   여기서, Q_st.= (E_thermo * n_cell - V_stack) * I_stack 이고,
   E_thermo은 열역학적 단위전지 이론 전압
   n_cell은 스택 내 셀 개수
   V_stack은 스택 전압
   I_stack은 스택 전류
   T_st.out은 스택 라인 스택출구 온도
   T_st.in은 스택 라인 스택입구 온도
   T_hex.out은 저장조 라인 열교환기 출구 온도
   T_hex.in은 저장조 라인 열교환기 입구 온도이다.
   (2) 열교환기 열전달율(UA_hex)에 대한 예측값(UA_{hex_p})
   
   여기서, U_st.pump은 스택 라인 펌프 제어신호
   U_re.pump은 저장조 라인 펌프 제어신호이고,
   상기 예측값(UA_{hex_p})은 선형 회귀 모델(linear regression model)을 통해 수득한다.
   상기 열관리 시스템의 부품별 고장을 진단하는 단계에서는,
   열교환기 파울링(Fouling), 스택입구 열전대(Stack-in TC), 스택출구 열전대(Stack-out TC), 스택 펌프(Stack Pump), 저장조 펌프(Reservoir Pump), 열교환기 입구 열전대(HEX-in TC) 및 열교환기 출구 열전대(HEX-out TC)의 고장을 진단하되,
   하기 표를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스택 라인의 냉각수 유량에 대한 측정값 및 예측값은 하기 식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법.
   (1) 스택 라인의 냉각수 유량(M_st)에 대한 측정값 (M_{st._m})
   
   여기서, C_pw은 물의 비열이다.
   (2) 스택 라인의 냉각수 유량(M_st)에 대한 예측값 (M_{st._p})
   
   여기서, 예측값 (M_{st._p})은 선형 회귀 모델을 통해 수득한다.
3. 제1항에 있어서,
   상기 저장조 라인의 냉각수 유량에 대한 측정값 및 예측값은 하기 식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법.
   (1) 저장조 라인의 냉각수 유량(M_re)에 대한 측정값(M_{re._m})
   
   (2) 저장조 라인의 냉각수 유량(M_re)에 대한 예측값(M_{re._p})
   
   여기서, 예측값 (M_{re._p})은 선형 회귀 모델을 통해 수득한다.
4. 제1항에 있어서,
   상기 저장조 라인 열교환기 출구 온도에 대한 측정값 및 예측값은 하기 식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법.
   (1) 저장조 라인 열교환기 출구 온도(T_hex.out)에 대한 측정값(T_{hex.out_m})
   
   (2) 저장조 라인 열교환기 출구 온도(T_hex.out)에 대한 예측값(T_{hex.out_p})
   
   여기서, 예측값(T_{hex.out_p})은 가우시안 프로세스 회귀(Gaussian process regression) 모델을 통해 수득한다.
5. 제1항에 있어서,
   상기 잔차 패턴을 확인하는 단계에서는,
   측정값 및 예측값의 잔차값이 +1, 0 및 -1로 패턴화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리 시스템 고장 검출 및 부품 별 고장 진단 방법.