KR20160061460A - 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법에 관한 것으로서, 수소 압력센서의 고장 또는 비정상값 출력 등의 이상을 감지하여 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 연료전지 스택이 운전되지 않도록 하는 수소 압력센서의 고장 진단 및 오차 보정 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, a) 재순환 라인에 설치된 재순환 블로워의 정지 상태에서 제어기가 진단 모드로 진입하는 단계; b) 제어기가 연료전지 스택에 수소압력조절밸브를 이용하여 정해진 진단압력으로 수소를 공급하는 단계; c) 제어기가 수소배출밸브를 정해진 시간 동안 개방하여 연료전지 스택으로부터의 수소 배출에 의해 재순환 라인에서 수소 흐름이 발생되도록 하는 단계; d) 제어기가 수소 흐름이 발생하는 동안 센서에 의해 측정되는 재순환 블로워의 회전수를 입력받아 단위시간당 회전수 변화량을 산출하는 단계; 및 e) 제어기가 수소배출밸브를 폐쇄하고 산출된 단위시간당 회전수 변화량 정보를 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터와 비교하여 수소 압력센서의 고장 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법이 개시된다.

Description

연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법{Fault diagnosis method for hydrogen pressure sensor of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 수소의 공급압력을 검출하는 압력센서의 고장을 진단하기 위한 방법에 관한 것이다.

친환경 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전온도를 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 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.

상기 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(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 조절하도록 제어되며, 이때 수소압력조절밸브(1)에 의해 조절되는 수소 압력은 스택(3) 전, 후단에 각각 설치되는 2개의 압력센서(2,4) 값을 피드백 받아 제어된다.

수소 재순환 장치는 수소 공급의 신뢰성을 높이고 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장치로, 재순환 방법에 여러 가지가 있으나, 기계적으로 수소 유량을 증가시켜줄 수 있는 블로워 타입이 널리 적용되고 있다.

이러한 수소 재순환 장치는 재순환 라인(6)에 재순환 블로워(7)를 설치하여 연료전지 스택(3)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.

상기 재순환 블로워(7)는 스택(3)에서 요구하는 수소량에 따라 회전수가 제어되며, 상기 재순환 블로워(7)의 회전수(rpm)에 따라 수소 재순환 유량이 제어된다.

또한, 연료전지에서는 스택(3) 내부의 전해질막을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어지며, 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 배출시킴으로써 연료전지 스택으로부터 질소, 물 등의 이물질을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이는 것이다.

이와 같이 연료전지 스택 내 이물질의 배출시에는 수소 농도 증가, 수소 이용률 증대, 기체 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.

한편, 연료전지 자동차에 공급되는 수소 연료는 스택 전류량에 맞도록 공급되어야 하는데, 연료전지 스택(3)에 공급되는 연료량, 즉 수소 공급량은 수소압력조절밸브(1)를 통해 압력으로 제어하며, 스택 전류를 증가시키기 위해서는 수소 공급압력을 증가시켜 스택 내 반응면에서의 수소량을 증가시켜야 한다.

결국, 스택 전류량과 압력이 상응하도록 정밀하게 수소 공급이 제어되어야 하며, 만약 요구되는 수소 압력보다 높게 수소가 공급될 경우 에너지 효율이 감소하여 연비가 악화된다.

또한, 수소 압력이 낮을 경우 단시간에 내구를 급격히 저하시켜 스택에 심각한 손상을 줄 수 있다.

이와 같이 연료전지 시스템에서 수소 공급은 스택의 내구/성능에 직결되는 문제이며, 항상 정상적으로 작동되어야 하는바, 이를 위해 스택(3)에 공급되는 수소 압력을 검출하는 압력센서(2,4)는 항상 정상적인 상태를 유지해야 한다.

상기 압력센서(2,4)는 신뢰성 있는 수소 공급량 제어를 위해 중요한 역할을 하는 부품이며, 압력센서의 고장 또는 검출값 편차가 발생할 경우 연료전지 시스템의 손상을 초래하게 되므로, 비정상적인 상황이 발생하였을 때 이를 신속히 감지하고 정상적인 수소 공급이 이루어지도록 하는 것이 필요하다.

이와 같이 압력센서의 신뢰에 대한 중요성을 감안하여 통상 2개의 압력센서(2,4)를 장착하여 모니터링하며, 더불어 제어기가 요구하는 압력과 입/출구 압력센서의 검출압력(센싱값)을 분석하여 고장 여부를 판단한다.

종래의 압력센서 고장 진단 방법으로 입구 압력센서와 출구 압력센서의 값을 비교하여 두 값의 차이로부터 고장을 판단하고 있는데, 차이값이 일정범위를 넘어 두 센서의 센싱값이 크게 상이한 값을 나타내거나, 간단한 고장 상태만이 확인 가능하고, 특히 고장 발생시에 대응할 수 있는 방안이 부재한 상태이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 수소 압력센서의 고장 또는 비정상값 출력 등의 이상을 감지하여 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 연료전지 스택이 운전되지 않도록 하는 수소 압력센서의 고장 진단 및 오차 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 압력센서가 정상적인 값을 출력하지 못할 경우 옵셋을 확인하고 출력값(센싱값)을 보정할 수 있는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수소 공급량 제어의 신뢰성 확보를 위해 연료전지 스택의 입, 출구측에 각각 설치되던 압력센서 2개 중 하나를 삭제하고 1개의 압력센서만을 이용하여 수소 공급량을 제어할 수 있도록 함으로써 비용 절감을 도모할 수 있는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수소 압력센서 2개 적용시 고장이 발생한 센서를 검출하여 고장 상태를 정확히 알려줄 수 있도록 하는 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, a) 재순환 라인에 설치된 재순환 블로워의 정지 상태에서 제어기가 진단 모드로 진입하는 단계; b) 제어기가 연료전지 스택에 수소압력조절밸브를 이용하여 정해진 진단압력으로 수소를 공급하는 단계; c) 제어기가 수소배출밸브를 정해진 시간 동안 개방하여 연료전지 스택으로부터의 수소 배출에 의해 재순환 라인에서 수소 흐름이 발생되도록 하는 단계; d) 제어기가 수소 흐름이 발생하는 동안 센서에 의해 측정되는 재순환 블로워의 회전수를 입력받아 단위시간당 회전수 변화량을 산출하는 단계; 및 e) 제어기가 수소배출밸브를 폐쇄하고 산출된 단위시간당 회전수 변화량 정보를 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터와 비교하여 수소 압력센서의 고장 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 수소 압력센서 고장 진단 방법에 의하면, 수소 압력센서의 고장 또는 비정상값 출력 등의 이상을 감지하고 고장 또는 이상 발생시에 자체 옵셋 보정을 통하여 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 연료전지 스택이 운전되지 않도록 하는 효과가 있다.

또한, 수소 공급의 부족 상태를 방지하여 스택 손상을 방지하고 스택 성능 및 내구 향상, 신뢰성 향상에 기여할 수 있으며, 신뢰성 있는 수소 공급 및 정밀한 수소 압력 제어가 가능하다.

또한, 수소 공급량 제어의 신뢰성 확보를 위해 연료전지 스택의 입, 출구측에 각각 설치되던 압력센서 2개 중 하나를 삭제하고 1개의 압력센서만을 이용하여 수소 공급량을 제어할 수 있도록 함으로써 비용 절감을 달성할 수 있게 된다.

또한, 압력센서 2개 적용시에 두 센서값이 비정상적인 차이를 나타낼 때 실제 문제가 발생한 압력센서를 검출할 수 있고, 주행 중 원하는 시점에 진단이 가능하며, 고장 또는 이상이 발생하더라도 단품 수리 없이 차량 주행이 가능해진다.

도 1은 수소공급장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고장 진단 과정에서 사용될 데이터를 취득 및 저장하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 최초 시동시에 취득하여 제어기에 저장되는 고장 진단용 데이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고장 진단 과정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에서 오차 보정을 위한 보상값(옵셋값) 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 고장 상태와 정상 상태의 단위시간당 회전수 변화량 데이터를 예시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

다음의 설명에서 수소공급장치의 구성에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하며, 본 발명을 적용하는 경우 연료전지 스택(3)의 수소극(애노드) 출구측에 설치된 압력센서(4)는 삭제될 수 있다.

본 발명에서는 수소 재순환 장치의 재순환 블로워(7)를 이용하여 수소 공급량 조절을 위한 수소 압력 제어가 정상적으로 이루어지고 있는지, 아니면 수소 압력센서(2)의 고장으로 비정상적으로 이루어지고 있는지를 판단하여 수소 압력센서의 고장 여부를 결정한다.

재순환 블로워(7)는 재순환 라인(6)에 일정 유량의 수소 흐름이 발생할 경우 전원 공급 없이 수소 흐름에 의해 회전되는데, 이때 재순환 라인(6) 및 재순환 블로워(7)를 통과하는 수소의 유량과 압력에 따라 재순환 블로워의 회전수(rpm)가 정해진다.

또한, 재순환 블로워(7)의 정지상태에서 재순환 라인(6)에 상기한 수소 흐름이 갑자기 발생하면, 수소 흐름에 의해 재순환 블로워가 회전되기 시작하면서(전원 공급 없이 회전) 재순환 블로워의 회전수가 일정 수준까지 점차 상승하게 되는데, 회전수가 상승하는 과도 구간의 재순환 블로워의 회전수 변화량은 수소 공급압력에 따라 달라진다.

이때, 재순환 블로워의 단위시간(예, 1초)당 회전수 변화량(회전수 변화의 상승 기울기)은 재순환 라인(6) 및 재순환 블로워(7)를 통과하는 수소 유량 및 압력의 변화, 나아가 연료전지 스택(3)으로 공급되는 수소 공급압력과 관계가 있다.

이에 본 발명에서는 일정 유량의 수소 흐름을 발생시켰을 때 재순환 블로워(7)의 회전수 정보를 측정한 뒤 측정된 재순환 블로워의 회전수 정보를 이용하여 수소 압력센서(2)의 고장 여부를 진단하고, 수소 압력센서의 고장을 판단한 경우 진단 과정에서 측정된 재순환 블로워의 회전수 정보를 이용하여 수소 압력센서의 오차를 보정한다.

즉, 재순환 블로워(7)가 회전하지 않는 상태에서 일정 유량 이상의 수소 흐름이 발생하면 재순환 블로워(7)가 전원 공급 없이 수소 흐름에 의해 회전하는데, 이때 시간에 따른 회전수 변화량을 취득하여 제어기가 저장하고 있는 데이터와 비교함으로써 고장 여부를 판단하고, 이후 압력 검출시 수소 압력센서(2)의 오차를 보정하는 것이다.

상기 재순환 블로워(7)가 설치된 재순환 라인(6)에서의 수소 흐름은 수소탱크에 저장된 수소를 연료전지 스택(3)에 공급하고 있는 상태에서 연료전지 스택(3)으로부터 수소를 배출시키는 수소배출밸브(5)를 개방하였을 때 발생한다.

보다 상세하게는 연료전지 스택(3)으로의 수소 공급압력을 수소압력조절밸브(1)를 통해 일정 압력으로 유지하고 있는 상태에서 수소배출밸브(5)를 개방하였을 때 상기한 수소 흐름이 발생하게 된다.

따라서, 수소배출밸브를 개방한 시점부터 재순환 블로워의 회전수가 상승하는 구간에서 측정된 재순환 블로워의 회전수 정보를 이용하여 단위시간당 회전수 변화량을 산출하게 된다.

먼저, 본 발명에 따른 고장 진단 과정에 앞서 고장 진단에 사용할 상기 데이터를 취득하여 제어기에 저장해야 하는데, 재순환 블로워(7)의 단품 편차 또는 실차 조건에 따른 편차 등을 제거하기 위해 연료전지 시스템이 탑재된 실차 상태에서 차량 출고 후 최초 시동시에 상기 데이터가 취득 및 저장되도록 함이 바람직하다.

즉, 차량 최초 시동시에 수소 공급에 따른 재순환 블로워(7)의 회전수 변화가 취득되면 제어기가 그 값을 저장하는데, 도 2는 고장 진단 과정에서 사용될 데이터를 취득 및 저장하는 과정을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참조하여 단계별로 설명하면, 차량 최초 시동시(S1)에 재순환 블로워(7)를 전원 온(on) 상태로 유지하되, 블로워 모터에 구동전원이 인가되지 않도록 하여 재순환 블로워(7)의 회전수를 0rpm 상태로 유지한다.

이때, 제어기는 재순환 블로워(7)의 회전수 측정이 가능한 상태로 진입하는데, 재순환 블로워(7)가 아직 회전되지 않고 있는 상태에서 재순환 블로워(7)의 회전수를 검출하는 센서의 출력값을 입력 및 저장할 수 있는 상태로 대기한다.

이어 제어기는 최소 공급 가능한 수소 압력으로 수소를 공급하는데(S2), 연료전지 스택(3)의 애노드 입구측에 설치된 수소 압력센서(2)의 출력값(검출값)이 정해진 압력을 나타내도록 수소압력조절밸브(1)를 제어하여 수소탱크로부터 연료전지 스택(3)으로의 수소 공급 상태가 되도록 한다.

이후 연료전지 스택(3)으로부터 수소를 배출시킬 수 있는 수소배출밸브(5)를 개방하여 재순환 라인(6)에 수소 흐름을 발생시키고(S3), 수소 흐름에 의해 재순환 블로워(7)가 회전될 수 있도록 한다.

이때, 재순환 블로워(7)의 회전수는 일정 수준까지 상승하는데, 재순환 블로워(7)의 회전수가 상승하는 과도 구간에서 제어기는 센서에 의해 측정되는 회전수(rpm)로부터 회전수 상승 기울기, 즉 단위시간당 재순환 블로워(7)의 회전수 변화량을 산출하여 저장한다(S4).

물론, 상기 단위시간당 회전수 변화량과 더불어 수소 압력센서(2)의 출력값인 수소 공급압력값을 함께 저장한다.

이후 수소배출밸브(5)를 다시 닫아 재순환 블로워(7)를 정지상태로 만들어준 후, 수소 공급압력을 설정량(D)(예, 5kPa)만큼 변화시켜(S5) 동일한 방법으로 단위시간당 회전수 변화량을 취득한다(S4,S5).

또한, 상기와 같이 수소 공급압력을 설정량만큼 단계적으로 변화시켜 후술하는 진단압력을 포함하여 각 압력에서의 단위시간당 회전수 변화량을 취득한다.

여기서, 수소배출밸브(5)는 연료전지 스택(3)의 수소극(애노드) 출구측에 설치된 기존의 수소퍼지밸브가 될 수 있다.

또한, 단위시간당 회전수 변화량 취득시 각 압력 변화 단계마다 수소 압력센서(2)의 출력값이 이전 압력보다 설정량(D)만큼 높은 압력을 나타내도록 수소압력조절밸브(1)를 제어하여 연료전지 스택(3)으로의 수소 공급압력이 설정량만큼 증가되도록 한다.

상기와 같이 수소 공급압력을 증가시킨 후 다시 수소배출밸브(5)를 개방하여 단위시간당 재순환 블로워(7)의 회전수 변화량을 산출하고, 이때의 수소 공급압력과 함께 산출된 회전수 변화량 데이터를 저장한다.

이러한 수소배출밸브(5)의 개방, 회전수 측정 및 회전수 변화량 산출, 데이터 저장 과정을 매 압력 변화 단계마다 반복한다.

도 3은 본 발명에서 상기한 방법으로 최초 시동시에 취득하여 제어기에 저장되는 고장 진단용 데이터의 예를 나타내는 도면으로, 수소 공급압력을 최소 공급 가능 수소 압력인 A에서부터 C까지 설정량(D)만큼 단계적으로 증가시켰을 때 구해지는 단위시간당 회전수 변화량 데이터를 나타내고 있다.

예시된 바와 같이, 수소 공급압력을 증가시킬 때마다 단위시간당 회전수 변화량(회전수 상승 기울기) 또한 상승하게 된다.

상기와 같은 방법으로 고장 진단용 데이터가 확보되고 나면, 이 데이터를 참조하여 압력센서(2)의 고장 진단을 실시한다.

도 4는 본 발명에 따른 고장 진단 과정을 나타내는 순서도이다.

수소 압력센서(2)의 고장 진단은 연료전지 스택(3)의 전류를 사용하지 않는 구간에서 실시될 수 있으며, 바람직하게는 후술하는 바와 같이 재순환 블로워(7)의 회전 발생을 위해 수소배출밸브(5)를 통해 수소를 배출시켜 재순환 라인(6)에서의 수소 흐름을 발생시켜야 하므로 차량 주행 중에 고장 진단을 실시한다.

이때, 고장 진단은 기본적으로 정해진 센서 점검 주기와 차량 주행 상태 및 연료전지 운전 상태를 확인하여 실시하는데(S11,S12), 정해진 센서 점검 주기(예, 300hr)가 지난 상태에서 차량 주행 상태 및 연료전지 운전 상태가 진단 조건을 만족하는 경우, 즉 현재 차속이 설정속도를 초과하고 수소 소모량이 0인 진단 조건을 만족할 때 실시한다.

차량 주행 중에 수소 배출은 법규와 무관하며, 고장 진단 실시 과정에서 수소를 짧은 시간 동안이나마 배출시켜야 하는 만큼 차량 주행 중에 고장 진단이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 고장 진단 과정은, 1) 재순환 블로워(7)의 정지 상태에서 제어기가 진단 모드로 진입하는 단계(S13), 2) 연료전지 스택(3)에 수소압력조절밸브(1)를 이용하여 정해진 압력으로 수소를 공급하는 단계(S14), 3) 수소배출밸브(5)를 정해진 시간 동안 개방하여 수소 배출에 의해 재순환 라인(6)에서 수소 흐름이 발생되도록 하는 단계, 4) 재순환 블로워(7)의 회전수를 측정하고 단위시간당 회전수 변화량(회전수 변화의 상승 기울기)을 산출하는 단계(S15), 5) 수소배출밸브(5)를 폐쇄하고 산출된 단위시간당 회전수 변화량 정보로부터 압력센서(2)의 고장 여부를 판단하는 단계(S16,S17)를 포함한다.

제어기가 상기 진단 모드로 진입하게 되면 재순환 블로워(7)의 회전수 측정이 가능한 상태로 진입하는데, 재순환 블로워 정지 상태에서 재순환 블로워의 회전수를 검출하는 센서의 출력값을 입력받을 수 있는 상태가 된다(S13).

이어 수소 공급 단계에서는 수소탱크에 저장된 수소를 연료전지 스택(3)에 공급하되, 압력센서(2)의 출력값(검출값)이 미리 정해진 진단압력(대표 압력)을 나타내도록 수소압력조절밸브(1)를 제어한다(S14).

여기서, 진단압력으로는 데이터 취득 단계에서 이용된 수소 공급압력 중에 대표되는 압력값(예, 30kPa)을 사용한다.

이때, 제어기는 압력센서(2)의 검출값을 피드백 받아 수소탱크에 저장된 고압의 수소가 레귤레이터에서 감압된 뒤 수소압력조절밸브(1)에 의해 상기 진단압력에 해당하는 압력으로 연료전지 스택(3)에 공급되도록 하며, 수소압력조절밸브(1)를 피드백되는 압력센서(2)의 검출값에 기초하여 제어한다.

이어 수소배출밸브(수소퍼지밸브)(5)의 개방은 재순환 라인(6)에 수소 유량이 발생하도록 강제로 수소를 배출시키는 단계로, 수 초(약 1 ~ 2초)간 수소배출밸브(5)를 개방하여 재순환 라인(6) 쪽에 수소 공급으로 인한 수소 흐름이 발생되도록 한다.

이어 제어기는 수소 배출 시간 동안 재순환 블로워(7)의 회전수를 센서로부터 입력받아 재순환 블로워(7)의 단위시간당 회전수 변화량(회전수 상승 기울기)을 산출하고(S15), 산출된 단위시간당 회전수 변화량을 기 저장된 동일 진단압력값에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터와 비교하여(S16), 두 값의 차이가 존재할 경우 수소 압력센서(2)의 고장인 것으로 판정한다.

여기서, 고장이 아닌 경우 수소 압력센서(2)의 검출값으로 수소압력조절밸브(1)를 제어하여(즉, 수소 공급압력을 조절하여) 수소 공급유량을 조절하는 통상의 시스템 운전이 이루어지게 된다(S17,S19).

반면, 제어기가 수소 압력센서(2)의 고장임을 확인한 경우 클러스터 내 경고램프 등의 차량 내 경고장치를 작동시켜 센서 고장 정보 출력을 통해 운전자에게 센서 고장 상태를 알려준다(S17,S18).

또한, 제어기는 수소 압력센서(2)의 고장 확인 후에는 연료전지 시스템의 운전 동안 수소 압력센서(2)의 출력값(검출값)을 보정한 뒤 보정된 압력값을 이용하여 연료전지 스택(3)에 필요한 수소 공급량을 조절하게 된다.

이때, 보정된 압력값을 이용한 수소압력조절밸브(1)의 제어를 통하여 연료전지 스택(3)으로의 수소 공급압력 및 수소 공급량을 제어하는데, 보정을 위해서는 고장 진단 결과 데이터로부터 보상값(옵셋값)를 산출한 뒤 보상값만큼 수소 압력센서(2)의 검출값을 옵셋 보정하게 된다.

도 5는 오차 보정을 위한 보상값(옵셋값) 산출 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 보상값을 산출하고 이후 수소 압력센서(2)의 검출값을 보정하기 위해서는 수소 압력센서(2)의 고장 종류를 구분하여야 하며, 고장 진단 결과 데이터를 이용하여 센서 고장으로 인해 수소 공급압력 과다(수소 과급 상태)가 발생할 수 있는 상태인지, 수소 공급압력 부족이 발생할 수 있는 상태인지를 구분한다.

즉, 고장 진단 과정에서 산출된 단위시간당 회전수 변화량이 비교 데이터로 저장되어 있는 단위시간당 회전수 변화량(차량 최초 시동시 구해짐)보다 클 경우 수소 공급압력 과다 상태, 그 반대이면 수소 공급압력 부족 상태인 것으로 구분한다.

여기서, 상기 산출된 변화량 데이터는 고장 진단 과정에서의 측정치, 즉 센서에 의해 측정된 블로워 회전수로부터 산출된 값이고, 상기 저장된 변화량 데이터는 센서 정상 상태로 차량 최초 시동시에 측정된 측정치이면서 정상 추정치가 된다.

도 6은 고장 진단 과정에서 산출된 변화량 데이터와 비교 데이터로 저장된 변화량 데이터를 나타내는 도면으로, 수소 공급압력 과다(수소 과급 상태)가 발생할 수 있는 고장 상태의 단위시간당 회전수 변화량 데이터, 수소 공급압력 부족(수소 부족 상태)이 발생할 수 있는 고장 상태의 단위시간당 회전수 변화량 데이터, 그리고 정상 상태에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터(차량 최초 시동시 측정된 정상 추정치인 비교 데이터와 차이가 없음)를 함께 예시하고 있다.

먼저, 고장 진단시에 진단압력(대표압력)으로 30kPa이 적용되었을 때, 수소 압력센서(2)의 고장이 도 6의 (1)로 표기된 수소 공급압력 부족 상태인 경우, 수소 압력센서(2)가 30kPa을 출력하도록 수소를 공급하였으나, 재순환 블로워(7)의 회전수가 정상 추정치에 비해 크게 부족한 상태가 된다.

이는 수소 압력센서(2)의 고장으로 인해 실제 수소가 30kPa에 해당하는 공급량보다 적게 공급됨을 의미하며, 수소 압력센서(2)의 출력값(30kPa)과 실제 압력값(22kPa)의 차이가 약 8kPa로, 옵셋값 8kPa의 압력에 해당하는 수소 공급이 부족할 수 있음을 의미한다.

즉, 수소 압력센서(2)의 검출값이 30kPa을 나타내고 있으나, 실제 연료전지 스택(3)에 공급되는 수소의 압력값은 22kPa이라는 의미이다.

이러한 상황이 유지될 경우 연료전지 시스템의 내구 저하가 발생하므로, 보상값을 산출한 뒤 산출된 보상값(옵셋값)을 이용하여 수소 압력센서(2)의 검출값을 보정해야 한다(S27~S30).

예를 들어, 연료전지 시스템의 운전 중에 30kPa에 해당하는 수소 공급량이 필요할 경우, 산출된 보상값이 8kPa일 때, 목표 수소 압력 30kPa에 보상값 8kPa을 더하여 압력센서(2)의 검출값이 38kPa을 나타내도록 수소압력조절밸브(1)를 제어하고, 이를 통해 실제 수소 공급압력이 30kPa로 조절될 수 있도록 한다.

상기 보상값은 고장 진단시 산출된 변화량 데이터와 차량 최초 시동시 저장된 변화량 데이터를 이용하여 구하며, 도 6의 (1)과 같이 고장 진단시 상기 산출된 변화량 데이터에서 30kPa에 해당하는 변화량 값이 구해지고, 차량 최초 시동시 저장된 변화량 데이터(정상 추정치)에서 상기 변화량 값에 해당하는 압력값이 38kPa로 구해졌다면, 보상값은 8kPa이 된다.

반면, 고장 진단시에 진단압력(대표압력)으로 30kPa이 적용되었을 때, 수소 압력센서(2)의 고장이 도 6의 (2)로 표기된 수소 공급압력 과다 상태인 경우, 수소 압력센서(2)가 30kPa을 출력하도록 수소를 공급하였으나, 재순환 블로워(7)의 회전수가 정상 추정치에 비해 크게 높은 상태가 된다.

이는 수소 압력센서(2)의 고장으로 인해 실제 수소가 30kPa에 해당하는 공급량에 비해 많게 공급됨을 의미하며, 수소 압력센서(2)의 출력값(30kPa)과 실제 압력값(33kPa)의 차이가 약 3kPa로, 옵셋값 3kPa의 압력에 해당하는 수소 과급이 이루어질 수 있음을 의미한다.

즉, 수소 압력센서(2)의 검출값이 30kPa을 나타내고 있으나, 실제 연료전지 스택(3)에 공급되는 수소의 압력값은 33kPa이라는 의미이다.

이러한 상황이 유지될 경우 연료전지 시스템의 효율 저하로 차량 연비 악화가 발생하므로, 보상값을 산출한 뒤 산출된 보상값을 이용하여 수소 압력센서(2)의 검출값을 보정해야 한다.

예를 들어, 연료전지 시스템의 운전 중에 30kPa에 해당하는 수소 공급량이 필요할 경우, 산출된 보상값이 3kPa일 때, 목표 수소 압력 30kPa에 보상값 3kPa을 차감하여 압력센서(2)의 검출값이 27kPa을 나타내도록 수소압력조절밸브(1)를 제어하고, 이를 통해 실제 수소 공급압력이 30kPa로 조절될 수 있도록 한다.

도 6의 (2)와 같이 고장 진단시 산출된 변화량 데이터에서 30kPa에 해당하는 변화량 값이 구해지고, 차량 최초 시동시 저장된 변화량 데이터(정상 추정치)에서 상기 변화량 값에 해당하는 압력값이 33kPa로 구해졌다면, 보상값은 3kPa이 된다.

본 발명에서 수소 공급압력 과다 상태가 발생할 수 있는 센서 고장인 경우(S22) 압력 편차(상기 보상값, 즉 옵셋값)를 설정값(X)과 비교하여(S24), 설정값을 초과할 경우에만 압력 보정을 실시하고, 그렇지 않다면 보정을 미실시할 수 있다(S25).

다만, 이후 수소 압력센서의 점검 주기를 짧게 줄여 센서 고장 진단 과정을 좀더 자주 실시한다(S26).

또한, 본 발명에서 압력 보정이 완료된 후 수소 압력센서의 고장 진단을 재실시하여 올바르게 보정이 이루어졌는지를 확인한다(S31).

이와 같이 하여, 본 발명에서는 수소 재순환 장치의 재순환 블로워(7)를 이용하여 수소 압력센서(2)의 고장 진단 및 고장시 센서값 보정이 이루어지는바, 수소압력조절밸브(1)의 제어시에 보정된 센서값(압력값)을 이용하게 되면서 연료전지 스택(3)이 수소 공급의 과급 또는 부족 상태에서 운전되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 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 : 수소 압력센서
3 : 연료전지 스택
5 : 수소퍼지밸브
6 : 재순환 라인
7 : 재순환 블로워

Claims (13)

1. a) 재순환 라인에 설치된 재순환 블로워의 정지 상태에서 제어기가 진단 모드로 진입하는 단계;
   b) 제어기가 연료전지 스택에 수소압력조절밸브를 이용하여 정해진 진단압력으로 수소를 공급하는 단계;
   c) 제어기가 수소배출밸브를 정해진 시간 동안 개방하여 연료전지 스택으로부터의 수소 배출에 의해 재순환 라인에서 수소 흐름이 발생되도록 하는 단계;
   d) 제어기가 수소 흐름이 발생하는 동안 센서에 의해 측정되는 재순환 블로워의 회전수를 입력받아 단위시간당 회전수 변화량을 산출하는 단계; 및
   e) 제어기가 수소배출밸브를 폐쇄하고 산출된 단위시간당 회전수 변화량 정보를 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터와 비교하여 수소 압력센서의 고장 여부를 판단하는 단계;
   를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 진단 모드 진입 후 수소 압력센서의 고장 여부를 판단하는 상기 a)에서 e)까지의 단계들을, 정해진 센서 점검 주기가 지난 상태에서 현재 차속이 설정속도를 초과하고 수소 소모량이 0인 진단 조건을 만족할 때 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 기 저장된 단위시간당 회전수 변화량 데이터는,
   a') 재순환 블로워의 정지 상태에서 연료전지 스택에 수소압력조절밸브를 이용하여 상기 진단압력으로 수소를 공급하는 단계;
   b') 제어기가 수소배출밸브를 정해진 시간 동안 개방하여 수소 배출에 의해 재순환 라인에서 수소 흐름이 발생되도록 하는 단계;
   c') 제어기가 수소 흐름이 발생하는 동안 센서에 의해 측정되는 재순환 블로워의 회전수를 입력받아 단위시간당 회전수 변화량을 산출하는 단계;
   를 통해 제어기에서 취득되어 저장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 진단압력을 포함하여 수소 공급압력을 설정량만큼 단계적으로 변화시켜 각 수소 공급압력에 대해 상기 a'), b'), 및 c')의 단계를 반복함으로써 복수의 압력에 대한 단위시간당 회전수 변화량을 산출하여 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 기 저장된 단위시간당 회전수 변화량 데이터는 차량 출고 후 최초 시동시에 취득되어 저장되는 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 e) 단계에서, 상기 산출된 단위시간당 회전수 변화량과 상기 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량의 차이가 존재할 경우 수소 압력센서의 고장인 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 e) 단계에서 수소 압력센서의 고장인 것으로 판정한 경우 차량 내 경고장치를 작동시켜 센서 고장 상태를 운전자에게 알려주는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
8. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 e) 단계에서,
   상기 산출된 단위시간당 회전수 변화량이 상기 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량보다 클 경우 수소 공급압력 과다 상태가 발생할 수 있는 고장 상태이고,
   상기 산출된 단위시간당 회전수 변화량이 상기 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량보다 작을 경우 수소 공급압력 부족 상태가 발생할 수 있는 고장 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 수소 공급압력 과다 상태가 발생할 수 있는 고장 상태인 것으로 판단한 경우, 보상값이 설정을 초과할 경우에만 수소 압력센서의 검출값을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 수소 공급압력 과다 상태가 발생할 수 있는 고장 상태인 것으로 판단한 경우, a) ~ e) 단계로 진행되는 수소 압력센서의 고장 진단을 위한 센서 점검 주기를 짧게 줄이는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
    
11. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 고장 상태인 것으로 판단한 경우, d) 단계에서 산출된 단위시간당 회전수 변화량 정보와 기 저장된 동일 진단압력에서의 단위시간당 회전수 변화량 데이터로부터 구해진 보상값을 이용하여 수소 압력센서의 검출값을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
    
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소배출밸브를 개방한 시점부터 재순환 블로워의 회전수가 상승하는 구간에서 측정된 재순환 블로워의 회전수를 이용하여 단위시간당 회전수 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소배출밸브는 연료전지 스택의 애노드 출구측에 설치된 수소퍼지밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법.
    
    
    
    

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