KR20190073993A - 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 고장 진단 장치가 개시된다. 상기 연료 전지 고장 진단 장치는, 연료 전지 스택의 애노드측에서 발생되어 워터 트랩에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 수위 센서, 상기 생성수에 대한 드레인 제어를 위한 드레인 밸브, 상기 드레인 밸브의 위치를 센싱하는 드레인 밸브 위치 센서, 및 상기 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료 전지 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 연료 전지 수소 배출과 관련한 고장 진단을 실행하는 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법에 대한 것이다.
연료 전지 시스템에서 연료로 사용되는 수소는 기존 화석 연료 대비 효율이 높고 친환경적이라는 면에서 차세대 시스템의 연료로 적극적으로 개발되고 있다. 그러나, 수소 누출시 위험도가 크다. 이에 따라 연료 전지 시스템에서 수소 배출 관련 진단은 안전 측면 및 효율 향상/내구를 위하여 가장 기본적이면서 필수적인 요소이다.
부연하면, 누출시 안전 위험, 퍼지 불가시 수소 농도 확보 불가로 효율/내구 저하가 발생한다. 비록 일반적으로 수소 배출 관련 센서 및/또는 액츄에이터에 대한 고장 진단을 수행하고 있지만 그 진단 범위가 매우 제한적이다.
또한, 이러한 제한적인 진단 범위 때문에 고장 상황을 특정하지 못하여 수소 관련 안전 이슈로 보수적인 제어를 시행(ex. 셧다운)하여 운전을 제한하고 있다. 따라서, 정확하면서 고장을 정밀하게 특정할 수 있는 진단 기술이 필수적으로 요구되고 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 연료 전지 시스템에서 수소 배출 관련 진단 영역을 확대하여 고장 상황을 특정하고 그 결과를 상황에 따라 제어에 활용할 수 있는 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고장 항목의 심각도를 고려한 비상 운전 및/또는 페일 세이프(fail-safe)를 실시하여 수소 안전 전략을 확보할 수 있는 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 과도한 셧다운을 완화하고, 운전성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 연료 전지 시스템에서 수소 배출 관련 진단 영역을 확대하여 고장 상황을 특정하고 그 결과를 상황에 따라 제어에 활용할 수 있는 연료 전지 고장 진단 장치를 제공한다.
상기 연료 전지 고장 진단 장치는,
연료 전지 스택의 애노드측에서 발생되어 워터 트랩에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 수위 센서;
상기 생성수에 대한 드레인 제어를 위한 드레인 밸브;
상기 드레인 밸브의 위치를 센싱하는 드레인 밸브 위치 센서; 및
상기 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고장 진단은 생성수의 수위 미증가 오류 진단, 생성수의 수위 정상 범위 이탈 진단, 드레인 밸브 개방 오류 진단, 드레인 밸브 폐쇄 오류 진단, 및 드레인 밸브 위치 센서 개방 오류 진단 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생성수의 수위 미증가 오류 진단은 상기 수위 센서의 수위 센서값을 적산하여 산출되는 제 1 전류 적산값을 이용하여 수위 상승 여부에 따라 상기 수위 센서의 고장여부를 판단하며 상기 제 1 전류 적산값 계산시 연료 전지 스택 온도 및 연료 전지 스택 전류 중 적어도 하나를 고려하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 스택 온도는 연료 전지 스택의 입구단 온도 또는 출구단 온도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생성수의 수위 정상 범위 이탈 진단은 상기 수위 센서값이 특정값 보다 작거나 크고 상기 제 1 전류 적산값이 일정 시간보다 길게 유지되는 지에 따라 상기 생성수의 수위 정상 범위 이탈 여부를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전류 적산값이 제 1 설정 적산 기준값 이상이고 상기 수위 센서값이 제 1 특정값이상으로 제 1 일정 시간 유지되거나 상기 수위 센서값이 제 2 특정값 이하이고 상기 제 1 전류 적산값이 제 2 설정 적산 기준값 이상으로 제 2 일정 시간 유지되면 상기 제어기가 연료 전지 운전시부터 상기 수위 센서값이 적산되는 제 2 전류 적산값 기준으로 상기 드레인 밸브를 오픈하여 드레인 제어를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 개방 오류 진단은 밸브 개방 명령 일정 시간내 상기 생성수의 수위 감소 없고, 상기 드레인 밸브 위치 센서상 닫힘 상태가 일정 시간 유지시 고장을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브의 개방이 고장이면 상기 생성수가 누적되는 것을 방지하면서 운전이 가능하도록 전류 제한 제어, 전류 적산값 기준 드레인 실시 제어, 및 연료 전지 스택의 운전 온도 상향 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 폐쇄 오류 진단은 밸브 폐쇄 명령 일정 시간내 상기 생성수의 수위가 설정 기준값 이하로 유지되고 상기 드레인 밸브 위치 센서상 개방 상태가 일정 시간 유지시 고장을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브의 폐쇄가 고장이면 수소 누출을 방지하기 위해 시스템 셧다운 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 위치 센서 개방 오류 진단은 상기 드레인 밸브의 개방중 상기 생성수의 수위 감소가 감지되나 상기 드레인 밸브 위치 센서상 개방 상태 유지시 고장으로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 사용자 알람을 표시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 정비를 위한 고장 코드를 별도로 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 고장 진단 장치는, 상기 연료 전지 스택의 수소 농도 유지 제어를 위한 수소 퍼지 밸브;를 포함하며, 상기 수소 퍼지 밸브가 상시 폐쇄 고장 또는 밸브 개방 불가이면 상기 제어기는 상기 드레인 밸브를 이용하여 퍼지 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브가 상시 폐쇄 고장이면, 상기 제어기는 운전 온도를 상향하고 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드레인 밸브 위치 센서가 센서 공급 전원 단선 고장, 센서 공급 전원 단락 고장, 센서 단선 고장, 및 센서 단락 고장 중 어느 하나이면, 상기 제어기는 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 수위 센서가 연료 전지 스택의 애노드측에서 발생되어 워터 트랩에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 단계; 드레인 밸브가 상기 생성수에 대한 드레인 제어를 수행하는 단계; 드레인 밸브 위치 센서가 상기 드레인 밸브의 위치를 센싱하는 단계; 및 제어기가 상기 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템에서 수소 배출 관련 진단 영역을 확대하여 고장 상황을 특정하고 그 결과를 상황에 따라 제어에 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 고장 항목의 심각도를 고려한 비상 운전 및/또는 페일 세이프(fail-safe)를 실시하여 수소 안전 전략을 확보할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소 퍼지 밸브 위치 센서의 오동작에 대한 정확성(rationality) 진단, 단선/단락외에도 드레인 밸브 개방 및 차단 동작 오류에 대한 정확성 진단을 수행할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 센서값 신뢰성 확보 불가 상황시 오동작 진단, 추가적인 정확성 진단을 통한 수소 노출 위험시 안전 확보 리액션을 적용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 심각도를 고려한 차별적 리액션 수행을 통한 과도한 셧다운을 회피하고, 운전성을 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 고장 진단 장치의 구성 블럭도이다.
도 1b는 도 1에 도시된 제어기의 세부 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 미증가 오류 및 수위 정상 범위 이탈에 대한 정확성(rationality) 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 개방 및 폐쇄 오류 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 위치 센서 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 1b는 도 1에 도시된 제어기의 세부 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수위 미증가 오류 및 수위 정상 범위 이탈에 대한 정확성(rationality) 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 개방 및 폐쇄 오류 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 위치 센서 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 고장 진단 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 고장 진단 장치(100)의 구성 블럭도이다. 도 1a를 참조하면, 연료 전지 고장 진단 장치(100)는, 연료 전지 스택(110), 상기 연료 전지 스택(110)의 수소 농도 유지 제어를 위한 수소 퍼지 밸브(120), 수소 퍼지 밸브(120)의 위치(열린 정도)를 센싱하는 수소 퍼지 밸브 위치 센서(121), 연료 전지 스택(110)의 애노드(anode)측에서 발생되는 생성수를 저장하는 워터 트랩(130), 워터 트랩(130)에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 수위 센서(131), 워터 트랩(130)내 생성수에 대한 드레인 제어를 위한 드레인 밸브(140), 드레인 밸브(140)의 위치(열린 정도)를 센싱하는 드레인 밸브 위치 센서(141) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제어기(150)는 수소 퍼지 밸브 센서(121), 수위 센서(131) 및 드레인 밸브 위치 센서(141) 등으로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행한다. 대응 제어는 고장 상황을 특정하고 그 결과의 심각도를 고려한 상황에 따른 제어이다. 이러한 대응 제어에 따라 효과적인 비상 운전 및 페일-세이프를 실시한다.
따라서, 운전자의 안전과 주행 가능 범위를 극대화하여 운전성을 극대화할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에서는 정확성(Rationality) 진단을 제안뿐만 아니라 셧다운을 완화하고 운전 영역을 확대하는 전략을 구현한다.
제어기(150)는 차량 내부에 설치되는 VCU(Vehicle Control Unit) 등이 될 수 있으며, 이와 별도로 구성될 수도 있다. 도 1a의 경우, 애노드(Anode)측에서 사용 후에도 수소 재순환을 통하여 수소 사용률 향상을 위한 별도 경로가 존재한다. 또한, 본 발명의 일실시예에서는 본 발명의 명확한 이해를 위해 수소 공급 관련 제어에 관련되는 공급 계통은 생략하기로 한다.
도 1b는 도 1에 도시된 제어기의 세부 구성 블럭도이다. 도 1b를 참조하면, 제어기(150)는 수소 퍼지 밸브 센서(121), 수위 센서(131) 및 드레인 밸브 위치 센서(141) 등으로부터 생성되는 센싱 정보를 획득하는 획득 모듈(151), 센싱 정보를 이용하여 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하는 판단 모듈(152), 특정된 고장 상황의 심각도를 고려하여 상황에 따른 대응 제어를 실행하는 제어 실행 모듈(153), 대응제어에 따른 알람을 표시하는 표시기(154) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 표시기(154)는 램프, 디스플레이 등이 될 수 있다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 "획득 모듈", "판단 모듈", "제어 실행 모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다
이러한 진단/ 대응 제어(즉 리액션) 항목은 아래 표 1과 같이 정리할 수 있다.
| 고장 대상 |
고장 진단 및 대응 제어 항목 |
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| 고장 상황 | 대응 제어 | |
| 수소 퍼지 밸브 |
상시 개방 고장(명령 무관) | 시스템 셧다운 |
| 상시 폐쇄 고장(명령 무관) | 리액션 : 드레인 밸브를 이용한 퍼지 수행 (일반 기술 : 시스템 셧다운) |
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| 밸브 개방 불가 | 리액션 : 드레인 밸브를 이용한 퍼지 수행 (일반 기술 : 시스템 셧다운) |
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| 밸브 폐쇄 불가 | 시스템 셧다운 | |
| 수소 퍼지 밸브 위치 센서 |
센서 공급 전원 단선/단락 고장 | 시스템 셧다운 |
| 센서 단선/단락 고장 | 시스템 셧다운 | |
| 수위 센서 |
센서 단선/단락 고장 | 시스템 셧다운 |
| 수위 미감소 오류 | 시스템 셧다운 | |
| 수위 미증가 오류 | 전류 적산 계산시 온도 및 전류를 고려하여 오진단 | |
| 수위 정상 범위 이탈 정확성(Rationality) 진단 | 수위 센서값이 특정값 이하로 전류 적산값이 일정 이상 유지시, 전류적산 기준 드레인 실시 | |
| 드레인 밸브 |
상시 개방 고장(명령 무관) | 시스템 셧다운 |
| 상시 폐쇄 고장(명령 무관) | 리액션 : 운전 온도 상향 정상 운전 시행 (일반 기술 : 시스템 셧다운) | |
| 밸브 개방 오류 Rationality 진단 | 밸브 개방중 수위 감소 없고, 위치 센서상 닫힘 표시 상태 유지시, 전류제한, 드레인 밸브 이용 퍼지 수행, 운전 온도 상향 정상 운전 시행 |
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| 밸브 폐쇄 오류 Rationality 진단 | 밸브 폐쇄중 수위 기준값 이하 유지, 위치 센서상 개방 표시 상태 유지시, 시스템 셧다운 시행 (안전 측면) |
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| 드레인 밸브 센서 |
센서 공급 전원 단선/단락 고장 | 리액션 : 정상 운전 시행 (일반 기술 : 시스템 셧다운) |
| 센서 단선/단락 고장 | 리액션 : 정상 운전 시행 (일반 기술 : 시스템 셧다운) | |
| 위치 센서 개방 오류 Rationality 진단 | 밸브 개방중 수위 감소 감지되나, 위치 센서상 개방 상태 유지시, 정상운전 (정비를 위한 고장코드는 별도 생성) |
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위 표 1을 참조하여 설명하면, 수소 퍼지 밸브와 관련한 진단 및 대응 제어는 다음과 같다.
① 상시 개방 고장(명령 무관) : 상시 밸브 개방 명령이 전달되는 상황이며, 일반적으로 제어 명령 라인의 단선/단락에 의해 발생한다. 제어기(150)에서 송출되는 명령과 무관하게 밸브는 개방 동작을 수행하므로 수소 누출의 위험이 크므로 시스템 셧다운을 시행한다.
② 상시 폐쇄 고장(명령 무관) : 상시 밸브 폐쇄 명령이 전달되는 상황이며, 일반적으로 제어 명령 라인의 단선/단락에 의해 발생한다. 제어기(150)에서 송출되는 명령과 무관하게 수소 퍼지 밸브는 폐쇄 동작을 수행하므로 수소 누출의 위험이 적다. 따라서, 시스템 셧다운은 불필요하다. 일반적으로는 시스템 셧다운이 실행되었다. 단, 비상 운전으로 드레인 밸브를 이용한 수소 퍼지를 수행하여 수소 농도 제어를 시행한다.
③ 밸브 개방/폐쇄 불가 : 수소 퍼지 밸브(120)의 단선/단락은 아니지만 개방/폐쇄 명령을 송출했으나 실제 개도값은 개방/폐쇄 상태가 아닌 상황이며, 일반적으로 밸브 액츄에이터의 고장의 의해 발생한다. 개방 명령이지만 수소 퍼지 밸브(120)는 폐쇄 상태를 유지하는 상황에서는 수소 누출의 위험이 적어 시스템 셧다운은 불필요하다.
단, 비상운전으로 드레인 밸브(140)를 이용한 수소 퍼지를 수행하여 수소 농도 제어를 시행한다. 하지만, 폐쇄 명령이지만 밸브는 개방 상태를 유지하는 상황에서는 수소 누출의 위험이 크므로 시스템 셧다운을 시행한다.
위 진단은 명령대비 일정 개도값 이상(혹은 이하)으로 일정 시간 유지될 때 판단가능하다. 선행적으로 밸브 및 밸브 위치 센서 단선/단락이 아닌 상황이어야 한다.
표 1을 참조하여 설명하면, 다음으로 수소 퍼지 밸브 위치 센서 관련 진단 및 대응 제어는 다음과 같다.
센서 공급 전원 단선/단락 고장, 센서 단선/단락 고장 : 수소 퍼지 밸브 위치 센서(121)의 공급 전원 및 센서 자체의 단선/단락에 의해 발생한다. 이러한 경우 수소 퍼지 밸브(120)의 위치를 알 수 없기 때문에 수소 누출의 위험이 크므로 시스템 셧다운을 시행한다.
표 1을 참조하여 설명하면, 다음으로 수위 센서 관련 진단 및 대응 제어는 다음과 같다.
① 수위 센서 단선/단락 : 수위 센서(혹은 공급 전원)의 단선/단락에 의해 발생한다. 워터 트랩(Water Trap((130)내 생성수의 양을 알 수 없는 상황으로 수위 기반 드레인이 불가하다. 따라서 전류 적산값 기준 드레인 비상운전을 실시한다. 이때, 생성수 배출 및 수소 누출을 고려하여 전류 적산값과 드레인 밸브(140)의 개방시간을 함께 설정한다.
② 수위 미감소 오류 : 드레인 밸브 개방 동작 명령 후 일정 시간내 수위가 일정 이상으로 일정 시간 이상 유지시에 고장으로 판단한다. 수위 센서(131)를 신뢰할 수 없는 상황으로 전류 적산값 기준 드레인 비상운전을 실시한다. 이때, 수위 기준치와 동작 명령 후 수위 모니터링 시간은 드레인 개방시 생성수 배출 속도를 고려하여 설정한다.
③ 수위 미증가 오류 : 전류 적산값이 일정 이상임에도 불구하고 수위 상승이 없을시 고장으로 판단한다. 전류 적산 계산시에는 온도 및 전류를 고려하여 오진단을 최소화한다. 실제로 온도가 일정 이상시 물이 액체상태로 상변화가 저온에 비해 어렵고, 전류가 일정 이상 출력되고 있는 상황이 아닐 때에는 센서 옵셋에 의한 의도하지 않게 적산값이 상승한다. 진단 확정시, 수위 센서를 신뢰할 수 없는 상황으로 전류 적산값 기준 드레인 비상운전을 실시한다. 한편, 일반적인 방식의 경우 온도 및/또는 전류 미고려로 오진단 및 불필요 리액션 수행 가능성 존재한다.
④ 수위 정상 범위 이탈 정확성(Rationality) 진단 : 수위 센서값이 특정값 이하로(혹은 이상) 전류 적산값 일정 이상시까지 유지시 고장으로 판단한다. 이와 같은 고장은 수위 센서의 특성상 센서의 특정값 이하값이 빈(Empty) 상황 혹은 만수 상황을 모두 나타낼 수 있을 때 의미가 있다. 고장 발생시에 만수 상황이라 가정하고 전류 적산값 기준 드레인 비상운전을 실시한다.
이러한 전류 적산값 기준 드레인 비상 운전 과정을 보여주는 도면이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, 연료 전지가 운전하는 상태에서 드레인 밸브(140)의 온/오프 수행 여부를 확인하고, 수행되지 않았으면 전류 적산값 1, 2를 리셋한다(단계 S210,S220,S221).
이와 달리, 단계 S220에서 드레인 밸브(140)의 온/오프가 없었다면 연료 전지 스택 온도가 기준값(A1)보다 작고, 연료 전지 스택 전류가 기준값(B1)보다 큰다면 전류 적산값 1을 계산하기 시작하고 이 값에 따라 수위 센서(131)의 정상 여부를 판단한다(단계 S230,S240,S250,S260). 이때, 전류 적산값 1을 계산할 때 연료 전지 스택 온도는 연료 전지 스택의 입구단 온도 혹은 출구단 온도를 사용할 수 있다.
또한, 전류 적산값 1 계산시 연료 전지 스택 온도와 연료 전지 스택 전류중 하나만 사용해도 무관하나, 두 가지 모두 사용시 적산값 정확도가 높다. 이러한 연료 전지 스택 온도와 연료 전지 스택 전류를 센싱하기 위해 온도 센서(미도시) 및 전류 센서(미도시)가 구성된다. 이러한 온도 센서 및 전류 센서는 별도로 구성될 수도 있고, 연료 전지 스택내에 구성될 수도 있다.
단계 S260에서, 수위 센서가 정상이면, 전류 적산값1이 특정값(C1) 이상이고, 수위 센서값이 특정값(D1)이상으로 일정 시간 유지되면, 제어기(150)가 전류 적산값 2 기준으로 상기 드레인 밸브를 오픈하여 드레인 제어를 실시한다(단계 S270,S280,S290). 이때, 전류 적산값 2는 연료 전지 운전시(S210)부터 센서값을 적산하여 산출된 값이다.
또한, 단계 S260에서, 수위 센서가 정상이면, 수위 센서값이 특정값(D2) 이하이고 전류 적산값1이 특정값(C2) 이상으로 일정 시간 유지되면, 제어기(150)가 전류 적산값 2 기준으로 상기 드레인 밸브를 오픈하여 드레인 제어를 실시한다(단계 S261,S263,S290). 수위 센서의 정상 여부는 센서 단선/단락 고장 여부에 따라 결정된다.
전류 적산값 1, 2는 개별 혹은 공용으로 사용가능하다. 개별로 사용시에는 스택 온도 및 전류에 무관하게 전류 적산값 2를 계산해도 무관하다. 또한, 정상 범위 이탈 Rationality 진단시 수위값은 센서 특성에 따라 일정 이상 혹은 이하시에 진단 가능하다.
표 1을 참조하여 설명하면, 다음으로 드레인 밸브 관련 진단 및 대응 제어는 다음과 같다.
① 상시 개방 고장(명령 무관) : 상시 밸브 개방 명령이 전달되는 상황이며, 일반적으로 제어 명령 라인의 단선/단락에 의해 발생한다. 제어기(150)에서 송출되는 명령과 무관하게 드레인 밸브(140)는 개방 동작을 수행하므로 수소 누출의 위험이 크다. 따라서, 시스템 셧다운을 시행한다.
② 상시 폐쇄 고장(명령 무관) : 상시 밸브 폐쇄 명령이 전달되는 상황이며, 일반적으로 제어 명령 라인의 단선/단락에 의해 발생한다. 제어기(150)에서 송출되는 명령과 무관하게 드레인 밸브(140)는 폐쇄 동작을 수행하므로 수소 누출의 위험이 적다. 따라서, 시스템 셧다운은 불필요하다. 단, 비상 운전으로 연료전지 운전 온도를 상향하여 정상 운전 가능하도록 제어를 시행한다.
③ 밸브 개방 오류 Rationality 진단 : 밸브 개방 명령 일정 시간내 수위 감소 없고, 위치 센서상 닫힘 상태가 일정 유지시 고장으로 판단한다. 해당 고장은 드레인 밸브(140)의 개방이 정상적으로 되지 않는 경우로 수소 누출의 위험이 적으므로 시스템 셧다운은 불필요하다. 단, 개방이 정상적으로 되지 않으면 생성수가 계속 쌓이게 되므로 생성수를 최대한 줄이면서 운전을 가능하도록 전류 제한 제어, 전류 적산 기반 드레인 실시 제어, 연료 전지 스택의 운전 온도 상향 제어를 수행한다.
④ 밸브 폐쇄 오류 정확성(Rationality) 진단 : 밸브 폐쇄 명령중 수위가 기준값 이하 유지되고, 위치 센서상 개방 상태 유지시 고장으로 판단한다. 해당 고장 상황은 드레인 밸브(140)의 동작이 정상적이지 않아 드레인 밸브(140)가 계속 열려 있는 상황으로 수소 누출의 위험이 크므로 시스템 셧다운을 시행한다.
이러한 드레인 밸브 관련 진단 및 대응 제어와 관련하여 상세한 과정이 도 3에 도시된다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 개방 및 폐쇄 오류 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 연료 전지가 운전하는 상태에서 드레인 밸브 개방 명령이 있으면, 수위 센서가 정상이고 드레인 밸브 위치 센서가 정상인지를 확인한다(단계 S310,S320,S330).
단계 S330에서, 확인 결과, 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서가 정상이면 개방 명령이 일정 시간(A3초)이내이고 연료 전지 스택 온도가 설정값(B3)이상이고 개방 전후 감소량이 설정값(C3)보다 적으면 전류 제한 제어, 전류 적산값 기준 드레인 실시 제어, 및 연료 전지 스택의 운전 온도 상향 제어를 실행한다(단계 S340,S350,S360,S370).
또한, 단계 S350에서 연료 전지 스택 온도가 설정값(B3)보다 크지 않고 개방 전후 수위 감소량이 설정값(D3)보다 적으면, 전류 제한 제어, 전류 적산값 기준 드레인 실시 제어, 및 연료 전지 스택의 운전 온도 상향 제어를 실행한다(단계 S350,S361,S370).
한편, 드레인 밸브 폐쇄 명령이 있으면, 수위 센서가 정상이고 드레인 밸브 위치 센서가 정상인지를 확인한다(단계 S321,S330).
단계 S330에서, 확인 결과, 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서가 정상이면 수위 센서값이 특정값(E3)보다 작고 드레인 밸브가 개방상태이고, 이러한 개방 상태가 일정시간(F3초) 유지되면 시스템 셧다운 제어를 실행한다(단계 S331,S333,S335,S337).
표 1을 참조하여 설명하면, 다음으로 드레인 밸브 위치 센서 관련 진단 및 대응 제어는 다음과 같다.
① 센서 공급 전원 및 센서 단선/단락 고장 : 드레인 밸브(140)의 위치를 신뢰할 수 없는 상황으로 실제 밸브의 상태를 모니터링 할 수 없다. 하지만, 드레인 밸브 자체의 단선/단락에 의한 개방 진단이 별도로 존재하며, 개방 명령과 수위센서 기반 리액션이 추가로 존재하여 해당 항목에 대한 리액션은 불필요하다. 일반적인 셧다운 리액션 대비 다른 항목들에 대한 진단 및 정확성(Rationality) 항목을 통한 과도한 리액션이 회피 가능하다.
② 위치 센서 개방 오류 Rationality 진단 : 밸브 개방 명령중 수위가 일정 이상 감소됨이 감지되나, 위치 센서상 개방 상태 유지시 고장으로 판단한다. 위 단선/단락 항목과 동일하게 드레인 밸브 자체의 개방 진단, 수위 센서 기반 Rationality 진단 항목 기반으로 리액션이 가능하므로 해당 항목에 대한 리액션은 불필요하다. 위 드레인 밸브 위치 센서 관련 진단의 경우 모두 별도 차량 리액션은 없으나 센서 자체의 문제가 있으므로 차량 정비를 위해 서비스 램프등을 활용한 사용자 알림을 제공할 수 있다.
이러한 드레인 밸브 위치 센서 관련 진단 및 대응 제어를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 드레인 밸브 위치 센서 정확성 진단 및 리액션 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 연료 전지가 운전하는 상태에서 드레인 밸브 개방 명령이 있으면, 수위 센서가 정상이고 드레인 밸브 위치 센서가 정상인지를 확인한다(단계 S410,S420,S430).
단계 S430에서, 확인 결과, 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서가 정상이면 개방 명령이 일정 시간(A4초)이내이고 연료 전지 스택 온도가 설정값(B4)이상이고 개방 전후 수위 감소량이 설정값(C4)보다 크고 드레인 밸브 닫힘으로 판단되면 고장으로 진단을 확정한다(단계 S440,S450,S460,S470,S480).
단계 S450에서 연료 전지 스택 온도가 설정값(B4)보다 작으면 개방 전후 수위 감소량이 설정값(D4)보다 작고 드레인 밸브 닫힘으로 판단되면 고장으로 진단을 확정한다(단계 S451,S470,S480).
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 연료 전지 고장 진단 장치
110: 연료 전지 스택
120: 수소 퍼지 밸브
121: 수소 퍼지 밸브 위치 센서
130: 워터 트랩
131: 수위 센서
140: 드레인 밸브
141: 드레인 밸브 위치 센서
150: 제어기
110: 연료 전지 스택
120: 수소 퍼지 밸브
121: 수소 퍼지 밸브 위치 센서
130: 워터 트랩
131: 수위 센서
140: 드레인 밸브
141: 드레인 밸브 위치 센서
150: 제어기
Claims (19)
- 연료 전지 스택의 애노드측에서 발생되어 워터 트랩에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 수위 센서;
상기 생성수에 대한 드레인 제어를 위한 드레인 밸브;
상기 드레인 밸브의 위치를 센싱하는 드레인 밸브 위치 센서; 및
상기 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행하는 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고장 진단은 생성수의 수위 미증가 오류 진단, 생성수의 수위 정상 범위 이탈 진단, 드레인 밸브 개방 오류 진단, 드레인 밸브 폐쇄 오류 진단, 및 드레인 밸브 위치 센서 개방 오류 진단 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 생성수의 수위 미증가 오류 진단은 상기 수위 센서의 수위 센서값을 적산하여 산출되는 제 1 전류 적산값을 이용하여 수위 상승 여부에 따라 상기 수위 센서의 고장여부를 판단하며 상기 제 1 전류 적산값 계산시 연료 전지 스택 온도 및 연료 전지 스택 전류 중 적어도 하나를 고려하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택 온도는 연료 전지 스택의 입구단 온도 또는 출구단 온도인 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 생성수의 수위 정상 범위 이탈 진단은 상기 수위 센서값이 특정값 보다 작거나 크고 상기 제 1 전류 적산값이 일정 시간보다 길게 유지되는 지에 따라 상기 생성수의 수위 정상 범위 이탈 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 전류 적산값이 제 1 설정 적산 기준값 이상이고 상기 수위 센서값이 제 1 특정값이상으로 제 1 일정 시간 유지되거나, 상기 수위 센서값이 제 2 특정값 이하이고 상기 제 1 전류 적산값이 제 2 설정 적산 기준값 이상으로 제 2 일정 시간 유지되면 상기 제어기가 연료 전지 운전시부터 상기 수위 센서값이 적산되는 제 2 전류 적산값 기준으로 상기 드레인 밸브를 오픈하여 드레인 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 개방 오류 진단은 밸브 개방 명령 일정 시간내 상기 생성수의 수위 감소 없고, 상기 드레인 밸브 위치 센서상 닫힘 상태가 일정 시간 유지시 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 드레인 밸브의 개방이 고장이면 상기 생성수가 누적되는 것을 방지하면서 운전이 가능하도록 전류 제한 제어, 전류 적산값 기준 드레인 실시 제어, 및 연료 전지 스택의 운전 온도 상향 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 폐쇄 오류 진단은 밸브 폐쇄 명령 일정 시간내 상기 생성수의 수위가 설정 기준값 이하로 유지되고 상기 드레인 밸브 위치 센서상 개방 상태가 일정 시간 유지시 고장을 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 드레인 밸브의 폐쇄가 고장이면 수소 누출을 방지하기 위해 시스템 셧다운 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 위치 센서 개방 오류 진단은 상기 드레인 밸브의 개방중 상기 생성수의 수위 감소가 감지되나 상기 드레인 밸브 위치 센서상 개방 상태 유지시 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 사용자 알람을 표시하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 11 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 위치 센서의 개방이 고장이면 상기 제어기는 정비를 위한 고장 코드를 별도로 생성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 수소 농도 유지 제어를 위한 수소 퍼지 밸브;를 포함하며, 상기 수소 퍼지 밸브가 상시 폐쇄 고장 또는 밸브 개방 불가이면 상기 제어기는 상기 드레인 밸브를 이용하여 퍼지 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 드레인 밸브가 상시 폐쇄 고장이면, 상기 제어기는 운전 온도를 상향하고 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 드레인 밸브 위치 센서가 센서 공급 전원 단선 고장, 센서 공급 전원 단락 고장, 센서 단선 고장, 및 센서 단락 고장 중 어느 하나이면, 상기 제어기는 정상 운전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 장치.
- 수위 센서가 연료 전지 스택의 애노드측에서 발생되어 워터 트랩에 저장되는 생성수의 수위를 센싱하는 단계;
드레인 밸브가 상기 생성수에 대한 드레인 제어를 수행하는 단계;
드레인 밸브 위치 센서가 상기 드레인 밸브의 위치를 센싱하는 단계; 및
제어기가 상기 수위 센서 및 드레인 밸브 위치 센서로부터 생성되는 센싱 정보를 기반으로 고장 진단을 실행하여 고장 상황을 특정하고 상기 고장 상황에 따른 대응 제어를 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 고장 진단은 생성수의 수위 미증가 오류 진단, 생성수의 수위 정상 범위 이탈 진단, 드레인 밸브 개방 오류 진단, 드레인 밸브 폐쇄 오류 진단, 및 드레인 밸브 위치 센서 개방 오류 진단 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지 고장 진단 방법.
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