KR20030095350A - 연료 전지 시스템의 고장 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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후존종지
보라니쉬스프라모드
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 고장을 검출하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 다수의 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그를 생성하는 단계와, 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트를 생성하는 단계와, 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 단계 및 범위 플래그 및 레이트 플래그를 분류하여 고장 검출 결정을 하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템의 고장 검출 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM FAULT DETECTION}
본 발명은 일반적으로 연료 전지 시스템 분야에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 연료 전지 시스템의 고장 검출에 관한 것이다.
다양한 응용에 있어서, 연료 전지는 화석 연료를 태우는 전기 발전소에 비해상대적으로 깨끗하고 고 효율의 전력을 제공하는 데 사용된다. 종래의 연료 전지 시스템은 연료 전지 및 연료 전지 제어기를 포함한다.
연료 전지는 연료 가스, 전형적으로 수소 및 산화제 가스, 전형적으로 공기 또는 산소를 전해질 막의 마주 보는 표면에 접촉하게 하는 수단을 전형적으로 포함한다. 화학적 반응으로 인해 막 양단에 전압이 발생하고 이 전압은 외부 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이 반응의 부산물은 전형적으로 물인 화학적 부산물 및 열을 포함한다. 또한, 연료 전지는 연료 전지의 임계 동작 파라메터를 측정하기 위한 다수의 센서와 연료 및 산화제 가스 흐름을 조절하기 위한 다수의 엑추에이터를 전형적으로 포함한다. 연료 전지 제어기는 전형적으로 공칭 제어 전략(nominal control strategy)을 구현하기 위한 전자 프로세서를 전형적으로 포함하는데, 여기서 공칭 제어 전략이란 측정된 동작 파라메터 및 원하는 동작 파라메터 세트로부터 가스 흐름 조절(gas flow modulation)을 계산하는 알고리즘이다.
그러나 공칭 제어 전략은 정상적으로 동작하는 연료 전지를 가정한다. 연료 전지 부분적 실패("고장"이라고도 지칭됨)가 발생한 경우, 시스템 성능은 일반적으로 저하되는 경향이 있다. 이러한 성능 저하는 적어도 두 가지 원인이 결합하여 발생하는데, 하나는 연료 전지 능력 감소와 다른 하나는 공칭 제어 전략과 부분적으로 실패한 연료 전지의 동적 행태(dynamic behavior) 사이의 불일치이다. 두 번째 원인이 중요한 요소인 경우, 그 고장을 검출하고 분류할 수 있다면, 부분적으로 실패한 연료 전지의 동적 행태에 맞쳐진 또 다른 제어 전략을 채택할 수 있으며,따라서 분실된 성능의 일부분을 회복할 수 있다. 그러므로, 연료 전지 시스템 고장을 검출함으로써 일부 부분적으로 실패한 연료 전지의 성능을 개선할 기회가 존재한다.
위에서 설명한 기회는 본 발명의 일 실시예에서 연료 전지 시스템의 고장을 검출하는 방법에 의해 이루어지는 데, 이 방법은 다수의 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계(range limits) 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그(range flags)를 생성하는 단계와, 연료 전지 측정치들을 미분(differentiate)하여 다수의 연료 전지 레이트(fuel cell rate)를 생성하는 단계와, 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 단계 및 범위 플래그 및 레이트 플래그를 분류(classfy)하여 고장 검출 결정을 하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
105 : 연료 전지110 : 범위 한계 비교기
120 : 미분기130 : 레이트 한계 비교기
140 : 고장 분류기150 : 동적 필터
160 : 잔류 컴퓨터170 : 잔류 문턱값 비교기
본 발명의 이들 및 다른 피쳐, 측면 및 장점은, 유사한 문자가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 후속하는 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도면은 장치(100)의 블록도를 예시하는데, 이 장치는 연료 전지(105), 동적 필터(dynamic filter)(150), 범위 한계비교기(110), 미분기(120), 레이트 한계 비교기(130), 잔류 컴퓨터(residual computer)(160), 잔류 문턱값 비교기(170) 및 고장 분류기(140)를 포함한다. 동작시, 동적 필터(150)는 연료 전지(105)로부터 필터링되지 않은 다수의 연료 전지 측정치의 동적 필터링을 수행하여 다수의 연료 전지 측정치를 생성한다. 범위 한계 비교기(110)는 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그를 생성한다. 미분기(differentiator)(120)는 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트를 생성하고, 레이트 한계 비교기(130)는 이 다수의 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성한다. 연료 전지 측정치로부터, 잔류 컴퓨터(residual computer)(160)는 잔류 통계치를 계산하고 잔류 문턱값 비교기(residual threshold comparator)(170)는 이 잔류 통계를 잔류 문턱값에 비교하여 잔류 플래그를 생성한다. 고장 분류기(140)는 범위 플래그, 레이트 플래그 및 잔류 플래그를 분류하여 고장 검출 결정을 한다. 고정 검출 결정에 응답하여, 연료 전지 제어기(180)는 연료 전지(195)의 상황에 적합한 제어 전략을 채택한다.
연료 전지(105)는 유동 연료 물질(flowing fuel material), 유동 산화제 물질(flowing oxidizer material) 및 촉매 물질을 포함하고, 유동 연료 물질, 유동 산화제 물질 및 촉매 물질 사이의 화학 반응을 촉진하도록 구성된 임의의 장치 또는 시스템을 포함한다. 연료 전지(105)의 예는 중합체 전해질 막 연료 전지, 알칼라인 연료 전지, 인산형 연료 전지(phosphoric acid fuel cells), 녹은 탄산염 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지를 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "동적 필터링"은 입력 신호의 현재 및 과거 값으로부터 출력 신호를 계산하는 임의의 프로세스를 지칭한다. 동적 필터링의 예는 저역통과 필터, 대역통과 필터, 고역통과 필터 및 칼만 필터, 또한 중간값 필터, 최소값 필터 및 최대값 필터를 포함하나 여기에 제한되지 않는 이산 시간 등급 필터(discrete-time rank filters)의 이산 시간 및 연속 시간 구현을 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "칼만 필터링"은 이노베이션(innovation)을 계산함으로써 전파된 동적 모델을 이용하는 신호 프로세싱의 임의의 방법을 지칭하며, 여기서 이노베이션이란 동적 모델에 의해 생성된 입력 신호와 신호 추정치간의 차이이다. 칼만 필터의 예는 위너 필터(Wiener filters), 유한 구간 및 무한 구간 칼만 필터, 루엔베르거 관찰자(Luenberger observers) 및 연장된 칼만 필터를 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "미분(differentiating)"은 AC 결합 필터링 및 후 미분(AC coupled filtering and backward differencing)을 포함하나 여기에 제한되지 않는 타임 디리버티브(time derivative)를 근사화하는 임의의 방법을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "잔류 통계치"는 연료 전지(105)가 정상적으로 동작하는 경우 공칭적으로 0이고 연료 전지(105)가 고장을 나타내는 경우 공칭적으로 0이 아닌 임의의 수학량이다. 잔류 통계치의 계산 방법의 예로는 다음과 같으나 여기에 제한되는 것은 아니다.
(1) 물리적 중복성을 사용하는 단계, 예로,여기서이고 각각 잔류 통계치, 연료 전지 전압 측정치 및 중복 연료 전지 전압 측정치를 나타내며,은 실수 세트를 나타낸다.
(2) 분석 중복성을 사용하여 정적 또는 동적으로 물리량을 연관시키는 단계, 예로, 여기서이고 각각 전력 측정치, 전압 측정치 및 전류 측정치를 나타내거나, 또는 예를 들어,
,
여기서은 연료 전지 상태 벡터(측정되었다고 가정함)이고,은 연료 전지 입력 벡터(측정되었다고 가정함)이며,은 선형 연료 전지 모델을 나타낸다.
(3) 칼만 필터의 이노베이션, 예로
여기서은 칼만 필터 상태 벡터이고,는 측정된 연료 전지 출력 벡터이며,은 연료 전지 상태 벡터(측정되지 않았다고 가정함)이며,는 선형 연료 전지 모델 출력 매트릭스를 나타내고,는 칼만 필터 이득 매트릭스이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "범위 플래그", "레이트 플래그" 및 "잔류 플래그"는 범위 한계 비교기(110), 레이트 한계 비교기(130) 및 잔류 문턱값 비교기(170)가 각각 범위 한계, 레이트 한계 및 잔류 문턱값보다 큰 입력을 감지하는 경우 참값을 가지고 그렇지 않은 경우에는 거짓값을 갖는 제 각각의 이진 신호를 포함하는, 아마도 벡터 값으로 표현되는(possibly vector-valued) 신호를 나타낸다. 범위 플래그, 레이트 플래그 및 잔류 플래그는 예를 들어 제 각각의 비교기 입력 신호를 포함하는 예비 신호도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "고장 검출 결정"은 연료 전지(105)의 상황을 연료 전지 제어기(180)에 전달하는데 사용되는 임의의 신호, 예를 들어 정수 값 신호 및 디코딩된 이진 신호를 포함하나 여기에 제한되지 않는 임의의 신호를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, "범위 플래그, 레이트 플래그 및 잔류 플래그의 분류"는 플래그를 고장 검출 결정에 정적으로 매핑하는 임의의 방법, 예를 들어 결합(조합) 로직, 결정 트리 및 테이블 룩업을 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다.
범위 한계 비교기(110), 미분기(120), 레이트 한계 비교기(130), 고장 분류기(140), 동적 필터(150), 잔류 컴퓨터(160) 및 잔류 문턱값 비교기(170)는 지적한 기능들을 수행할 수 있는 임의의 전기 또는 전자 장치 또는 시스템을 포함한다. 그 예로는 어레이 프로세서, 마이크로컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로제어기 및 단일 칩 디지털 신호 프로세서(DSPs)를 포함하나 여기에 제한되는 것은 아닌 아날로그 전자 계산 모듈 및 디지털 전자 계산 모듈(디지털 컴퓨터)을 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다.
도면의 실시예에 따른 보다 상세한 실시예에 있어서, 연료 전지 측정치는 전압, 온도, 전력, 전류, 압력, 가스 흐름 및 농도로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 수량을 포함한다. 이들 연료 전지 측정치는 개별 전지에 지역적인 다수의 수량 또는 연료 전지(105)의 전지 스택에 전역적인 수량을 지칭할 수도 있다.
본 발명의 특정 특징들만 본 명세서에서 설명되고 도시되었지만, 당업자라면 다수의 수정 및 변경이 가능할 것이다. 그러므로, 첨부한 청구항이 본 발명의 참된 사상내에 들어가는 한 이러한 모든 수정 및 변경을 커버하려한다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 따라, 연료 전지 시스템 고장을 검출함으로써 일부 부분적으로 실패한 연료 전지의 성능을 개선할 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료 전지 시스템의 고장을 검출하는 방법에 있어서,
    다수의 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계(a plurality of range limits) 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그(a plurality of range flags)를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트(fuel cell rates)를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 단계와,
    상기 범위 플래그 및 상기 레이트 플래그를 분류하여 고장 검출 결정을 하는 단계
    를 포함하는 고장 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 측정치는 전압, 온도, 전력, 전류, 압력, 가스 흐름 및 농도로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 수량을 포함하는
    고장 검출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    필터링되지 않은 다수의 연료 전지 측정치를 동적으로 필터링하여 상기 연료 전지 측정치를 생성하는 단계를 더 포함하는
    고장 검출 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 측정치로부터 잔류 통계치를 계산하는 단계와,
    상기 잔류 통계치를 잔류 문턱값에 비교하여 잔류 플래그를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 분류 단계는 상기 잔류 플래그를 사용하는 단계를 포함하는
    고장 검출 방법.
  5. 연료 전지 시스템의 고장 검출 방법에 있어서,
    필터링되지 않은 다수의 연료 전지 측정치를 동적 필터링하여 다수의 연료 전지 측정치를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 단계와,
    상기 연료 전지 측정치로부터 잔류 통계치(residual statistic)를 계산하는 단계와,
    상기 잔류 통계치를 잔류 문턱값에 비교하여 잔류 플래그를 생성하는 단계와,
    상기 범위 플래그, 상기 레이트 플래그 및 상기 잔류 플래그를 분류하여 고장 검출 결정을 하는 단계
    를 포함하는 고장 검출 방법.
  6. 연료 전지(105)와,
    상기 연료 전지(105)로부터의 다수의 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그를 생성하는 데 적합한 범위 한계 비교기(110)와,
    상기 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트를 생성하는 데 적합한 미분기(120)와,
    상기 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 데 적합한 레이트 한계 비교기(130)와,
    상기 범위 플래그 및 상기 레이트 플래그를 분류하여 고정 검출 결정을 하는 데 적합한 고장 분류기(140)
    를 포함하는 장치(100).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 측정치는 전압, 온도, 전력, 전류, 압력, 가스 흐름 및 농도로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 수량을 포함하는
    장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지(105)로부터 필터링되지 않은 다수의 연료 전지를 동적 필터링하여 상기 연료 전지 측정치를 생성하는 데 적합한 동적 필터(150)를 더 포함하는
    장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 전지 측정치로부터 잔류 통계치를 계산하는 데 적합한 잔류 컴퓨터(160)와,
    상기 잔류 통계치를 잔류 문턱값에 비교하여 잔류 플래그를 생성하는 데 적합한 잔류 문턱값 비교기(170)와,
    상기 잔류 플래그를 사용하는 상기 고장 분류기(140)
    를 더 포함하는 장치.
  10. 연료 전지(105)와,
    상기 연료 전지(105)로부터 필터링되지 않은 다수의 연료 전지 측정치를 동적 필터링하여 다수의 연료 전지 측정치를 생성하는 데 적합한 동적 필터(150)와,
    상기 연료 전지 측정치를 다수의 범위 한계 제 각각에 비교하여 다수의 범위 플래그를 생성하는 데 적합한 범위 한계 비교기(110)와,
    상기 연료 전지 측정치를 미분하여 다수의 연료 전지 레이트를 생성하는 데 적합한 미분기(120)와,
    상기 연료 전지 레이트를 다수의 레이트 한계 제 각각에 비교하여 다수의 레이트 플래그를 생성하는 데 적합한 레이트 한계 비교기(130)와,
    상기 연료 전지 측정치로부터 잔류 통계치를 계산하는 데 적합한 잔류 컴퓨터(160)와,
    상기 잔류 통계치를 잔류 문턱값에 비교하여 잔류 플래그를 생성하는 데 적합한 잔류 문턱값 비교기(170)와,
    상기 범위 플래그, 상기 레이트 플래그 및 상기 잔류 플래그를 분류하여 고장 검출 결정을 하는 데 적합한 고장 분류기(140)
    를 포함하는 장치(100).
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