KR20220054924A - 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치 - Google Patents

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정성철
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치에 관한 것으로, 시스템내 통합밸브의 작동 이상 여부를 정확하고 신속하게 판단하여 통합밸브의 작동 이상으로 인해 초래되는 문제를 방지할 수 있도록 한, 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치 {Device for diagnosing valve failure of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치에 관한 것으로, 상세하게는 시스템내 밸브의 고장 여부를 판단하여 밸브의 고장에 따라 초래되는 문제를 방지할 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 스택은 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다.
이러한 연료전지 스택과 함께 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택과 더불어 연료전지 스택에 반응가스를 공급하기 위한 장치들을 포함하여 구성된다.
또한 연료전지 시스템은, 연료전지 스택에서 미반응된 수소를 재순환시켜 사용하며, 재순환 수소의 불순물 비율이 상승하면 배기관으로 배출한다. 아울러 연료전지 스택에서 수소와 산소의 반응에 의해 생성된 물을 워터트랩에 저장하였다가 일정 수위로 상승하면 배기관으로 배출한다. 이때 수위센서를 이용하여 워터 트랩의 수위 레벨을 감지한다.
연료전지 시스템에서 물 배출 기능 및 수소 퍼지 기능을 겸비한 통합밸브는, 스택 반응물인 물과 재순환된 수소가 하나의 통로를 통해 배출되도록 상기 통로를 개방하거나 차단하는 기능을 한다.
워터트랩의 구조는 물과 수소가 공존할 경우 물이 먼저 배출되고 물 배출이 완료되면 수소 배출이 시작되도록 설계되어 있다. 이러한 워터트랩의 물 배출 완료 여부는 상기 수위센서를 통해 판단하게 된다.
상기 통합밸브가 정상적으로 작동하여 수소 배출을 완료하면, 연료전지 스택의 내부 수소 농도가 상승되었다고 추정하거나, 또는 수소압력센서의 대기압 보상을 실시할 수 있다.
한편, 상기 수위센서는 워터트랩 내부의 물 높이 변화만 감지할 수 있다.
따라서, 통합밸브가 개방 모드로 작동하는 경우 워터트랩에서 실제로 물이 배출되었는지 여부는 상기 수위센서의 신호값 변화를 통해 제어기에서 판단할 수 있다.
그리고, 상기 워터트랩에 수위센서로 측정불가한 수소만 존재하는 상황에서 수소 퍼지를 수행할 경우, 실제로 수소가 퍼지되었는지 여부는 제어기에서 판단할 수 없다.
따라서, 상기 통합밸브가 이물질이나 빙결 또는 고장 등으로 인해 개방되지 않는 경우, 또는 수소 퍼지 중에 통합밸브가 닫힐 경우, 제어기로부터의 퍼지 지령에 따라 실제로 수소 퍼지가 정상적으로 수행 완료되었는지 여부를 알 수 없게 된다.
연료전지 스택의 수소 농도를 추정할 때, 수위센서를 통해 검출한 물 없음 정보와 통합밸브 개방지령 유지시간을 이용하여 수소퍼지량을 계산하고 연료전지 스택의 수소농도 상승 수준을 추정하기 때문에, 실제로 수소 퍼지가 이루어지지 않은 경우에도 스택의 수소 농도가 상승한 것으로 판단하게 된다.
이 경우, 실제 연료전지 스택의 수소 농도가 상승하지 않았음에도 불구하고 스택의 수소 농도가 상승하였음을 전제로 스택이 운전되기 때문에, 연료전지 스택의 출력 저하 또는 수소 부족에 따른 스택의 내구성 저하가 발생할 수 있다.
아울러, 수소압력센서의 대기압 보정이 수행될 때, 실제 통합밸브가 미작동하는 상황에서 수소압력센서의 보정이 알맞은 값으로 학습되지 않음으로 인해, 정상 주행 중 스택이 수소 과압 상태로 운전됨에 따라 수소 연비가 악화된다.
공개특허 제2017-0136738호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 시스템내 통합밸브의 작동 이상 여부를 정확하고 신속하게 판단하여 상기 통합밸브의 작동 이상으로 인해 초래되는 문제를 방지할 수 있도록 한, 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 연료전지 스택에서 배출되는 물과 수소를 저장하는 워터트랩; 상기 워터트랩에 저장된 물과 수소가 배출되는 통로를 개폐하는 통합밸브; 상기 통합밸브의 개폐 작동을 지령한 경우 상기 통합밸브의 작동을 위한 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브가 정상 작동되지 않은 것으로 판단되면 상기 통합밸브를 강제 구동 모드에 진입시키고, 상기 통합밸브가 강제 구동 모드에 진입한 후에도 정상 작동되지 않으면 상기 통합밸브가 고장난 것으로 판단하는 제어기;를 포함하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로일 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되지 않으면 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 미실행하고 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력을 검출하기 위한 수소압력센서의 제로값 보정을 미실행한다.
그리고 상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로일 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되면 설정된 시간이 경과한 후 연료전지 스택의 수소 농도 추정 및 상기 수소압력센서의 제로값 보정을 실행한다.
또한 상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로가 아닐 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되는 동시에 상기 워터트랩의 수위가 감소되지 않으면, 설정된 시간이 경과한 후 상기 통합밸브의 배출유로가 막힌 것으로 판단한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제어기는, 통합밸브의 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되지 않으면 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 미실행하고, 상기 통합밸브가 정상 작동되면 설정된 시간이 경과한 후 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 실행한다.
또한 상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브의 고장이 판단된 동시에 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력이 감소된 것으로 판단되면 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 중단시킨다.
또한 상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브의 고장이 판단된 동시에 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력이 감소되지 않은 것으로 판단되면 상기 연료전지 스택의 출력을 설정된 기준출력 이하로 제한한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제어기는, 통합밸브에 개방 작동을 지령한 경우, 통합밸브의 구동전류가 증가하는 중에 상기 구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변경되면, 통합밸브의 개방 작동이 정상적으로 실행된 것으로 판단한다.
그리고 상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 통합밸브의 구동전류가 감소하는 중에 상기 구동전류의 순간변화율이 음(-)의 값에서 양(+)의 값으로 변경되었다가 다시 음(-)의 값으로 변경되면, 통합밸브의 닫힘 작동이 정상적으로 실행된 것으로 판단한다.
아울러 상기 제어기는, 통합밸브를 강제 구동 모드에 진입시키는 경우, 정해진 개방 듀티 사이클과 개방 작동 횟수에 따른 작동을 통합밸브에 지령한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치는, 통합밸브의 작동 특성을 활용하여 통합밸브의 정상 작동 여부를 판단하며, 그에 따라 워터트랩에 압력센서를 추가로 설치하지 않고도 통합밸브의 작동 이상 여부를 정확하게 판단할 수 있으며, 또한 통합밸브의 작동 불량에 즉각적으로 대처하여 통합밸브의 작동 이상으로 인해 초래되는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 통합밸브의 구동전류 파형을 나타낸 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 통합밸브의 듀티 사이클을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 통합밸브의 개방 지령 시 고장 진단 방법을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 통합밸브의 닫힘 지령 시 고장 진단 방법을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따라 통합밸브의 작동 상태를 판단하는 과정을 나타낸 도면.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 통합밸브의 작동 이상 여부를 정확하고 신속하게 판단하고, 상기 통합밸브의 작동 이상에 즉각적으로 대처하여, 상기 통합밸브의 작동 이상으로 인해 초래되는 문제를 방지할 수 있도록 한다.
본 발명에서는, 워터트랩에 압력센서를 추가로 설치하지 않고, 통합밸브의 작동 특성을 활용하여 통합밸브의 정상 작동 여부를 판단한다.
이러한 본 발명에 의하면, 워터트랩에 저장된 물의 높이가 제로(0%)인 상태에서 통합밸브를 개방하여 워터트랩에 저장된 수소만을 시스템의 배기관으로 퍼지하고자 하는 경우, 통합밸브의 오작동으로 인한 수소 퍼지 불량 및 수소 과다 퍼지를 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 통합밸브를 개방시킨 상태에서 연료전지 스택의 수소공급라인에 설치된 수소압력센서의 대기압 보정을 실행하고자 하는 경우, 통합밸브의 오작동으로 인해 발생할 수 있는 수소압력센서의 보정값 학습 불량을 방지할 수 있다.
첨부한 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)과 워터트랩(20)과 통합밸브(30)와 수위센서(22)와 수소압력센서(12) 및 제어기(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서는 상기 통합밸브(30)의 이상 진단 및 그에 따른 대응 제어와 주로 관련된 구성에 대해 설명하나, 상기 연료전지 시스템은 상기의 구성 외에 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)에 수소를 공급하기 위한 수소공급장치와 상기 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치 등을 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지 스택(10)은 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다.
상기 연료전지 스택(10)은 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기중의 산소가 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생성할 때 수소와 산소의 반응으로 인해 물을 생성하게 된다.
상기 스택(10)에서 생성된 물은 중력에 의해 낙하하여 스택(10) 하측에 배치된 워터트랩(20)에 모이게 된다. 상기 스택(10)에서 생성된 물이 워터트랩(20)으로 배출될 때 스택(10)내 일부 수소가 물과 함께 워터트랩(20)으로 배출된다.
상기 워터트랩(20)은, 연료전지 스택(10)에서 배출되는 물과 수소를 저장하며, 워터트랩(20) 내에 저장된 물의 높이가 일정 수위 이상이 되면 시스템 외부로 물을 배출하게 되며, 물 배출이 완료되면 수소 배출을 시작할 수 있게 된다.
이를 위해 수위센서(22)는 상깅 워터트랩(20)에 저장된 물의 높이를 감지할 수 있도록 구성되고, 통합밸브(30)는 물과 수소의 배출을 위한 워터트랩(20)의 통로를 개폐할 수 있도록 구성된다.
연료전지 스택(10)에서 미반응되어 워터트랩(20)에 모인 수소는 스택(10)으로 재순환되어 사용된다. 즉, 스택(10)으로 재순환되는 수소(즉, 재순환 수소)는 워터트랩(20)을 거쳐서 스택(10)으로 회수된다.
그러나 재순환 수소의 불순물 비율이 높은 경우, 워터트랩(20)에 포집된 수소는 스택(10)으로 재순환되지 않고 물과 함께 시스템 외부로 배출된다.
상기 워터트랩(20)에 모인 수소를 시스템 외부로 배출하는 것을 '수소 퍼지'라고 한다.
통합밸브(30)는 워터트랩(20)에 저장된 물 또는 수소를 시스템의 배기관으로 배출시키기 위한 통로를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 구성된다. 즉, 통합밸브(30)는 연료전지 시스템의 배기관에 연결된 워터트랩(20)의 통로를 개폐할 수 있도록 구성된다. 다시 말해, 통합밸브(30)는 워터트랩(20)에 저장된 물과 수소가 배출되는 통로를 개폐하도록 작동될 수 있다.
상기 통합밸브(30)는 구동전류가 인가될 때 작동되는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 구체적으로, 상기 통합밸브(30)는 개폐 작동을 위한 구동전류가 코일에 인가될 때 플런저가 개방 위치로 이동함에 의해 통합밸브(30)의 내부유로가 개방되는 밸브일 수 있다.
상기 통합밸브(30)는 물과 수소의 유입을 위한 유입구와 물과 수소의 배출을 위한 배출구를 구비할 수 있으며, 상기 유입구와 배출구 사이에 통합밸브(30)의 내부유로가 형성될 수 있다. 워터트랩(20)에 저장된 물과 수소는 상기 통합밸브(30)의 내부유로를 통해 시스템의 배기관으로 배출될 수 있다.
수소압력센서(12)는, 연료전지 스택(10)의 수소공급라인(14)에 설치되어 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력을 측정할 수 있도록 구성된다.
제어기(40)는 통합밸브(30)의 개방 작동 및 폐쇄 작동을 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 제어기(40)는 통합밸브(30)의 작동이 필요한지 여부를 판단하고 필요에 따라 통합밸브(30)를 개방 모드 또는 폐쇄 모드로 작동시킨다.
제어기(40)는 수위센서(22)의 신호를 이용하여 워터트랩(20)의 수위를 인지하고 워터트랩(20)의 수위 변동을 감지한다.
제어기(40)는 수위센서(22)의 신호를 통해 워터트랩(20)의 물 배출이 완료되었는지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 워터트랩(20)에서 실제로 물이 배출되었는지 여부는 제어기(40)가 수위센서(22)의 신호를 기반으로 판단하게 된다.
제어기(40)는, 워터트랩(20)으로부터 연료전지 스택(10)으로 재순환되는 수소의 불순물 비율이 높은 것으로 판단되면, 통합밸브(30)를 개방시켜서 수소를 시스템의 배기관으로 퍼지시킨다.
제어기(40)는, 워터트랩(20)의 물 배출이 완료된 시점부터 통합밸브(30)의 개방 명령이 유지된 시간을 기초로, 통합밸브(30)의 개방 시 시스템의 배기관으로 퍼지되는 수소의 양(즉, 수소 퍼지량)을 계산할 수 있다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)가 정상적으로 개방 작동하여 워터트랩(20)의 수소 퍼지가 완료된 것으로 판단되면, 스택(10)에서 불순물 비율이 높은 수소가 배출됨에 따라 스택(10)의 내부 수소 농도가 워터트랩(20)의 수소 퍼지가 수행되기 이전보다 상승한 것으로 추정할 수 있다.
제어기(40)는, 워터트랩(20) 내 수소가 스택(10)으로 회수되는 경우 수소공급장치(미도시)로부터 연료전지 스택(10)에 공급되는 수소의 양과 워터트랩(20)으로부터 스택(10)에 공급되는 재순환 수소의 양을 기초로 스택(10)의 내부 수소 농도를 추정할 수 있다. 또한 제어기(40)는, 워터트랩(20) 내 수소가 시스템의 배기관으로 퍼지되는 경우 수소공급장치로부터 스택(10)에 공급되는 수소의 양과 워터트랩(20)으로부터 배출되는 수소퍼지량을 기초로 스택(10)의 수소 농도를 추정할 수 있다.
또한 제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수소 퍼지가 완료되면, 통합밸브(30)가 개방되어 대기와 연통됨에 따라 수소공급라인(14)에 설치된 수소압력센서(12)의 제로값 보정을 실시할 수 있다.
제어기(40)는, 스택(10)에 수소 공급이 차단된 상황에서 일정 주기로 통합밸브(30)를 개방시킴으로써 수소압력센서(12)를 대기에 노출시켜 수소압력센서(12)의 제로값을 보정할 수 있다. 상기 수소압력센서(12)의 제로값 보정은 통합밸브(30)가 개방됨에 따라 수소압력센서(12)가 대기와 연통됨에 의해 수행될 수 있다.
워터트랩(20)의 수소 퍼지를 위해 통합밸브(30)가 개방되는 경우 수소압력센서(12)는 대기와 연통되어 대기압을 감지하게 되므로, 제어기(40)는 워터트랩(20)의 수소 퍼지가 완료될 때 상기 수소압력센서(12)의 보정값(즉, 대기압)을 학습하게 된다.
다시 말해, 통합밸브(30)가 정상적으로 개방 작동된 경우, 제어기(40)는 수소압력센서(12)가 측정한 압력값(즉, 대기압)을 수소압력센서(12)의 제로(0)값으로 설정하게 된다.
또한 제어기(40)는, 통합밸브(30)의 작동을 명령한 경우 통합밸브(30)의 개방 작동을 위한 구동전류의 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개폐 작동이 정상적으로 실행되었는지 여부를 판단할 수 있다.
통합밸브(30)는, 상기 구동전류가 공급되는 경우 개방 작동을 하게 되고 상기 구동전류의 공급이 중단되면 폐쇄 작동을 하게 된다.
도 2에 보듯이, 제어기(40)가 통합밸브(30)에 개방 명령을 지시하면, 통합밸브(30)에 인가되는 구동전류는 시간이 경과함에 따라 증가하게 되고, 통합밸브(30)의 개방 작동이 실행 완료될 때 노치 모양의 전류 파형이 발생하게 된다.
또한 도 2에 보듯이, 제어기(40)가 통합밸브(30)에 폐쇄 명령을 지시하면, 통합밸브(30)에 인가되는 구동전류는 시간이 경과함에 따라 감소하게 되고, 통합밸브(30)의 닫힘 작동이 실행 완료될 때 혹 모양의 전류 파형이 발생하게 된다.
제어기(40)는, 구동전류의 시간에 따른 순간변화율(기울기)을 계산하여 구동전류의 파형 변화를 감지할 수 있다. 이때 구동전류의 순간변화율은 구동전류의 시간에 따른 변화를 나타내는 함수의 미분값을 계산하여 구할 수 있다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)의 개방 작동을 위해 상기 구동전류가 증가하는 중에, 구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변경되면, 통합밸브(30)의 개방 작동이 정상적으로 실행 완료된 것으로 판단하게 된다.
그리고 제어기(40)는, 통합밸브(30)의 닫힘 작동을 위해 상기 구동전류가 감소하는 중에, 구동전류의 순간변화율이 음의 값에서 양의 값으로 변경되었다가 다시 음의 값으로 변경되면, 통합밸브(30)의 닫힘 작동이 정상적으로 실행 완료된 것으로 판단하게 된다.
이와 같이 제어기(40)는, 통합밸브(30)의 개방 작동 또는 닫힘 작동을 명령하는 경우 상기 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 정상 작동 여부를 판단할 수 있다.
또한 제어기(40)는, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 작동이 미실행된 것으로 판단되면, 즉 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 작동 불량이 진단되면, 통합밸브(30)의 고장 여부를 보다 정확하게 판단하기 위해 통합밸브(30)를 강제 구동 모드에 진입시킨다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)를 강제 구동 모드에 진입시키는 경우, 정해진 개방 듀티 사이클과 개방 작동 횟수에 따른 작동 지령을 통합밸브(30)에 전달한다. 상기 개방 듀티 사이클은 통합밸브(30)의 개방 작동 시간일 수 있다. 통합밸브(30)는 상기 개방 작동 횟수에 따라 개폐 작동을 강제로 반복하게 된다.
좀더 말해, 제어기(40)는 통합밸브(30)의 고장 여부를 재판단하기 위해 통합밸브(30)의 개방 듀티 사이클과 개방 작동 횟수가 정해져 있는 강제 구동 모드에 통합밸브(30)를 진입시킨다.
통합밸브(30)는, 강제 구동 모드에 진입하게 되면, 워터트랩(20) 내부의 실시간 수위 및 수소량 등에 상관없이, 정해져 있는 개방 듀티 사이클과 개방 작동 횟수에 따른 작동 지령을 제어기(40)로부터 받게 된다.
예를 들어, 강제 구동 모드의 경우, 통합밸브(30)의 개방 듀티 사이클이 100%로 설정될 수 있고, 통합밸브(30)의 개방 작동 횟수는 4회로 설정될 수 있다.
통합밸브(30)의 개방 듀티 사이클은 정해진 기준작동시간에 대한 비율일 수 있다. 예를 들어, 통합밸브(30)의 기준작동시간이 1초이고 통합밸브(30)의 개방 듀티 사이클이 100% 이면, 통합밸브(30)는 1회 작동하는 경우 1초 동안 개방된다.
또한 통합밸브(30)는 강제 구동 모드에 진입하는 경우 정해진 개방 작동 횟수만큼 주기적으로 작동하게 된다.
통합밸브(30)는 강제 구동 모드에 진입하는 경우, 일반 구동 모드 대비 개방 듀티 사이클이 증대될 수 있고 개방 작동 간격이 단축될 수 있다.
여기서 상기 일반 구동 모드는 워터트랩(20)에서 물 또는 수소를 배출시키기 위한 통합밸브(30)의 작동 제어 모드이다. 상기 일반 구동 모드의 경우, 통합밸브(30)의 개방 듀티 사이클이 100% 미만으로 제어되고, 워터트랩(20)의 물 또는 수소 배출이 필요한 시기에 통합밸브(30)가 개방 제어된다.
이와 같이 제어기(40)는, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 작동 이상을 판단하게 되면 통합밸브(30)를 강제 구동 모드에 진입시키고, 강제 구동 모드에 진입한 통합밸브(30)의 정상 작동 여부에 따라 통합밸브(30)의 작동 이상 여부를 진단한다.
제어기(40)는 강제 구동 모드에 진입한 통합밸브(30)의 작동 이상을 판단하게 되면 통합밸브(30)의 고장 발생을 확정한다.
또한 제어기(40)는, 통합밸브(30)에 개방 작동을 지령한 경우, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개방 작동이 미실행된 것으로 판단되면, 즉시 연료전지 스택(10)의 내부 수소 농도 추정을 취소하여 미실행한다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)가 지령에 따라 정상적으로 개방 작동하는 경우, 워터트랩(20)의 수소 배출이 완료되고 통합밸브(30)의 개방 작동이 종료되면, 즉 통합밸브(30)의 작동 모드가 개방 모드에서 닫힘 모드로 정상 전환되면, 통합밸브(30)의 개방 작동 종료 시점에 예정되어 있는 수소 농도 추정 작동을 실행한다.
제어기(40)는 스택(10)의 내부 수소 농도를 추정하기 위한 수소 농도 추정부를 포함하여 구성될 수 있으며, 수소 농도 추정 작동이 취소되는 경우 상기 수소 농도 추정부는 미작동하게 된다.
또한 제어기(40)는, 통합밸브(30)에 개방 작동을 지령한 경우, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개방 작동이 미실행된 것으로 판단되면, 통합밸브(30)의 개방 작동 종료 시점에 예정되어 있는 수소압력센서(12)의 보정값 학습을 취소하여 미실행한다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)가 정상적으로 개방 작동하는 경우, 통합밸브(30)의 개방 작동에 따라 수소압력센서(12)가 대기압에 노출될 때 수소압력센서(12)로부터 취득한 신호값을 수소압력센서(12)의 제로값으로 설정하게 된다.
제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수위가 제로(0%)일 때 통합밸브(30)가 정상적으로 개방 작동하는 경우, 워터트랩(20)의 수소 배출이 정상적으로 이루어지는 것으로 판단할 수 있다.
따라서 제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수위가 제로(0%)일 때 통합밸브(30)가 지령에 따라 정상적으로 개방 작동하면, 설정된 시간이 경과한 뒤 수소압력센서(12)의 보정값 학습을 실행하고, 또한 스택(10)의 내부 수소 농도 추정을 실행한다.
제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수위가 제로(0%)일 때 통합밸브(30)의 작동 이상을 진단하는 경우, 수소압력센서(12)의 제로값 보정을 취소함으로써 수소압력센서(12)의 제로값 보정 불량 및 그에 따른 수소 연비 악화를 방지할 수 있도록 한다.
또한 제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수위가 제로(0%)일 때 통합밸브(30)의 작동 이상을 진단하는 경우, 스택(10)의 수소 농도 추정을 실행 취소함으로써 수소 농도 추정 오류를 방지한다.
스택(10)의 내부 수소 농도를 추정할 때 오류가 발생하는 경우 정상 주행 중 스택(10)의 내부 수소 압력이 과압 상태가 됨에 따라 수소 연비가 악화될 수 있다.
제어기(40)는, 워터트랩(20)의 수위가 제로가 아닐 때 통합밸브(30)가 개방 모드로 작동 중인 것으로 판단되나, 설정된 시간이 경과한 뒤에도 워터트랩(20)의 수위가 실제 감소되지 않으면, 통합밸브(30)의 배출유로가 막힘으로 인한 고장이 발생한 것으로 확정한다.
다시 말해 제어기(40)는, 통합밸브(30)가 지령에 따라 개방 모드로 작동된 것으로 판단되나 워터트랩(20)의 수위가 제로가 아님에도 불구하고 워터트랩(20)의 수위가 감소되지 않으면, 통합밸브(30)의 배출유로가 막힘으로 인한 고장이 발생한 것으로 판단한다. 통합밸브(30)의 배출유로가 막히게 되면 통합밸브(30)가 개방 작동되더라도 워터트랩(20)의 물 배출이 이루어지지 않는다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)에 닫힘 작동을 지령한 경우, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 닫힘 작동이 정상 실행된 것으로 판단되면, 통합밸브(30)의 개방 명령이 유지된 시간(즉, 개방 명령 유지 시간)을 기초로 수소퍼지량을 계산하고 상기 수소퍼지량을 이용하여 연료전지 스택(10)의 내부 수소 농도를 추정한다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)에 닫힘 작동을 지령하기 직전에, 워터트랩(20)의 물 배출이 완료된 시점부터 통합밸브(30)의 개방 명령이 유지된 시간을 기초로 수소퍼지량을 계산한다.
또한 제어기(40)는, 통합밸브(30)에 닫힘 작동을 지령한 경우, 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 닫힘 작동이 미실행된 것으로 판단되면, 스택(10)의 내부 수소 농도 추정을 취소하고 통합밸브(30)를 강제 구동 모드에 진입시킨다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)에 닫힘 작동을 지령한 경우 통합밸브(30)가 강제 구동 모드에 진입한 후에도 닫힘 모드로 미작동하게 되면, 통합밸브(30)의 고장을 확정한다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)의 고장을 확정한 경우 수소압력센서(12)를 통해 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소 압력을 측정하고, 이어서 시간이 경과함에 따라 스택(10)으로 공급되는 수소 압력이 감소되는 것으로 판단되면 스택(10)으로의 수소 공급을 중단시킨다. 제어기(40)는, 스택(10)으로의 수소 공급을 중단시킴으로써 수소공급라인(14)에서 과다한 수소가 대기로 누출되는 것을 방지하고 차량 승객의 안전을 보장할 수 있도록 한다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)의 고장을 확정한 경우 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력이 감소되지 않는 것으로 판단되면 스택(10)의 출력을 제한하여 스택(10)을 운전시킨다.
제어기(40)는, 통합밸브(30)의 고장이 확정된 상황에서 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력 저하가 미발생한 것으로 판단되면 수소의 대기 누출이 미발생하거나 또는 수소의 대기 누출이 미비한 것으로 판단하며, 또한 스택(10)의 내부 수소 농도 추정을 미실시함에 따라 스택(10)의 온전한 성능을 확보하기 어렵기 때문에 출력을 제한한 상태로 스택(10)의 운전을 제어한다. 이때 스택(10)의 출력은 사전 설정된 기준출력 이하로 제한될 수 있다.
이하, 첨부된 도 4를 참조하여 통합밸브(30)에 개방 작동을 지령할 때 통합밸브(30)의 고장 여부를 판단하는 방법 및 통합밸브(30)의 고장 진단 시 대응 방법을 설명하도록 한다.
여기서는 도 4를 참조하여 통합밸브(30)의 고장 판단 과정 및 고장 대응 과정을 순차적으로 설명하나, 그 순서에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 제어기(40)로부터 통합밸브(30)로 개방 명령이 내려지고(S100), 수위센서(22)의 신호를 기초로 워터트랩(20)의 수위가 판단된다. 워터트랩(20)의 수위는 워터트랩(20)의 내측 저면에서 내측 상면까지의 높이를 기준으로 0% ~ 100%로 계산될 수 있다.
다음, 상기 워터트랩(20)의 수위가 0% 인지 여부를 판단한다(S110). 워터트랩(20)의 수위가 0% 인 경우 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개방 작동 여부를 판단한다(S120). 상기 밸브구동전류는 통합밸브(30)의 작동을 위해 통합밸브(30)의 코일에 인가되는 구동전류이다.
상기 통합밸브(30)가 개방 작동된 것으로 판단되면 이후 수소압력센서(12)의 제로값 보정 및 스택(10)의 수소 농도 추정을 실행한다(S130). 통합밸브(30)가 개방된 상태에서 대기에 노출된 수소압력센서(12)는, 대기압이 제로값으로 보정된다.
또한 상기 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)가 개방 작동되지 않은 것으로 판단되면, 즉 통합밸브(30)가 개방 작동 불량인 것으로 판단되면, 연료전지 스택(10)의 내부 수소 농도 추정 및 수소압력센서(12)의 제로값 보정이 즉시 취소되고(S140), 통합밸브(30)는 강제 구동 모드에 진입하게 된다(S150).
밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 상기 강제 구동 모드에 진입한 통합밸브(30)의 개폐 작동 여부를 판단한다(S160). 상기 통합밸브(30)의 개폐 작동이 정상적으로 실행되지 않으면 통합밸브(30)의 고장 발생이 확정된다(S170).
그리고 상기 밸브구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변동되면, 통합밸브(30)가 정상 작동 모드로 회복되어 정상 작동되는 것으로 판단된다.
한편, 상기 S110 단계에서 워터트랩(20)의 수위가 0% 가 아닌 것으로 판단되면 워터트랩(20)의 수위 감소가 발생하는지 여부를 판단한다(S180).
워터트랩(20)의 수위 감소가 발생하면 상기 S110 단계로 돌아가서 다시 워터트랩(20)의 수위를 판단한다.
워터트랩(20)의 수위 감소가 미발생하면, 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 취득하고, 상기 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개방 작동 여부를 판단한다(S190).
통합밸브(30)가 개방 작동 중인 것으로 판단되면, 통합밸브(30)의 개방 명령이 유지된 시간(즉, 개방 명령 유지 시간)을 측정하고, 상기 개방 명령 유지 시간을 정해진 기준시간과 비교한다(S200). 상기 개방 명령 유지 시간이 기준시간을 경과하면, 통합밸브(30)는 실제로 개방 작동되고 있으나 워터트랩(20)의 수위가 감소되지 않는 것이므로, 통합밸브(30)의 배출유로가 막힘으로 인해 통합밸브(30)의 고장이 발생한 것으로 확정한다(S210).
상기 통합밸브(30)가 개방 상태가 아닌 것으로 판단되면, 연료전지 스택(10)의 내부 수소 농도 추정 및 수소압력센서(12)의 제로값 보정이 즉시 취소되고(S140), 통합밸브(30)는 강제 구동 모드에 진입하게 된다(S150).
상기 강제 구동 모드에 진입한 통합밸브(30)의 개폐 작동 여부는 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 재판단한다(S160). 상기 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 개폐 작동이 미실행된 것으로 판단되면 통합밸브(30)의 고장 발생이 확정된다(S170).
아울러, 상기 밸브구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변동되면, 통합밸브(30)는 정상 작동 모드로 회복되어 정상 작동되는 것으로 판단된다.
상기와 같이 강제 구동 모드를 통해 통합밸브(30)의 작동 불량 여부를 재판단함으로써 통합밸브(30)의 고장 진단에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
통합밸브(30)의 일시적인 고착 상태로 인한 작동 불량이 발생하는 경우, 밸브 코일에 전자기력을 유도함에 따라 밸브에 외력이 인가되어 밸브 고착이 해소될 수 있다. 구체적으로, 수분 빙결에 의해 통합밸브(30)의 고착이 발생한 경우 코일에 인가되는 전류(즉, 밸브구동전류)에 의해 코일 온도가 상승되어 코일 주변부를 히팅하는 효과가 발생하고, 그에 따라 수분 빙결에 의한 밸브 고착이 해소될 수 있다.
이하, 첨부된 도 5를 참조하여 통합밸브(30)에 닫힘 작동을 지령할 때 통합밸브(30)의 고장 여부를 판단하는 방법 및 통합밸브(30)의 고장 진단 시 대응 방법을 설명하도록 한다.
여기서는 도 5를 참조하여 통합밸브(30)의 고장 판단 과정 및 고장 대응 과정을 순차적으로 설명하나, 그 순서에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 제어기(40)로부터 통합밸브(30)로 닫힘 명령이 내려지면(S300) 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 취득하고, 상기 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브(30)의 닫힘 작동 여부를 판단한다(S310).
상기 S310 단계의 판단 결과, 통합밸브(30)가 실제로 닫힘 작동 중인 것으로 판단되면, 워터트랩(20)으로부터 배출되는 수소량(즉, 수소퍼지량)을 계산하고(S320) 연료전지 스택(10)의 내부 수소 농도를 추정한다(S330). 상기 수소퍼지량은, 통합밸브(30)의 개방 명령이 유지된 시간을 기초로 계산될 수 있다.
상기 S310 단계의 판단 결과, 통합밸브(30)가 닫힘 작동 불량인 것으로 판단되면, 즉시 연료전지 스택(10)의 수소 농도 추정은 취소되고(S340) 통합밸브(30)는 강제 구동 모드에 진입하게 된다(S350).
이어서, 상기 강제 구동 모드에 진입한 통합밸브(30)의 개폐 작동 여부를 판단한다(S360). 통합밸브(30)의 개폐 작동 여부는 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 판단된다.
상기 강제 구동 모드에 따른 통합밸브(30)의 개폐 작동이 실행되면, 통합밸브(30)에 개방 명령이 내려진다(S370). 그리고 상기 강제 구동 모드에 따른 통합밸브(30)의 개폐 작동이 실행되지 않으면, 최종적으로 통합밸브(30)의 고장이 판단된다(S380).
상기 강제 구동 모드에 따른 통합밸브(30)의 작동이 정상 실행되지 않는 경우, 즉 통합밸브(30)의 고장이 확정된 경우, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력을 측정하고(S390) 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력이 감소되는지를 판단한다(S400). 연료전지 스택(10)의 수소량이 변동되지 않는 상황에서, 상기 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력이 감소되는 것으로 판단되면 스택(10)으로의 수소 공급을 중단한다(S410).
통합밸브(30)의 닫힘 불량에 따른 고장이 확정된 상황에서 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력이 감소되는 경우, 스택(10)으로의 수소 공급을 즉시 중단함으로써 과다한 수소가 대기로 누출되는 것을 방지하여 승객의 안전을 보장하도록 한다.
상기 스택(10)으로 공급되는 수소의 압력 감소가 감지되지 않는 경우, 통합밸브(30)의 닫힘 불량에 따른 고장이 확정된 상황이기는 하나 통합밸브(30)를 통해 누출되는 수소의 양은 미비한 것으로 판단하고, 또한 스택(10)의 수소 농도 추정이 취소됨에 따라 스택(10)의 온전한 성능을 보장하기 어려우므로 스택(10)의 출력을 제한한다(S420).
이하, 도 6을 참조하여 밸브구동전류를 활용하여 통합밸브(30)의 작동 불량을 판단하는 과정을 설명하도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 통합밸브(30)에 개방 작동 또는 닫힘 작동을 명령하고(S500) 정해진 시간이 경과하면(S510) 밸브구동전류를 주기적으로 측정하고(S520) 밸브구동전류의 순간변화율을 계산한다(S540). 상기 밸브구동전류의 순간변화율은 미분계수를 계산하는 방식으로 산출할 수 있다. 상기 순간변화율을 산출하기 전에 밸브구동전류의 노이즈를 제거하여 전류 데이터를 정제할 수 있다(S530).
다음, 통합밸브(30)에 내려진 작동 명령이 개방 명령인지를 판단하고(S550), 시간이 경과함에 따라 상기 밸브구동전류의 순간변화율의 부호가 정해진 바에 따라 변동되는지를 판단한다(S560,S570).
상기 밸브구동전류의 순간변화율의 부호가 시간에 따라 반대 부호로 변동되었다가 원래의 부호로 복귀되는 것으로 판단되는 경우, 통합밸브(30)가 정상적으로 작동하는 것으로 판단하고 그 외의 경우는 통합밸브(30)가 작동 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단한다.
도 2를 참조하면, 통합밸브(30)에 개방 명령이 내려지는 경우 밸브구동전류는 증가하게 된다. 통합밸브(30)에 개방 명령이 내려진 이후에 측정된 밸브구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변동되면, 통합밸브(30)가 정상 작동되는 것으로 판단된다(S580). 그리고, 상기 밸브구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변동되는 조건이 불만족되는 경우, 통합밸브(30)는 개방 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단된다(S590).
또한, 통합밸브(30)가 폐쇄 명령을 받는 경우 밸브구동전류는 감소하게 된다. 통합밸브(30)가 폐쇄 명령을 받은 이후에 측정된 밸브구동전류의 순간변화율이 음의 값에서 양의 값으로 변경되었다가 다시 음의 값으로 변경되면, 통합밸브(30)가 정상 작동되는 것으로 판단한다(S580). 그리고, 상기 밸브구동전류의 순간변화율이 음의 값에서 양의 값으로 변경되었다가 다시 음의 값으로 변경되는 조건이 불만족되는 경우, 통합밸브(30)는 폐쇄 불량에 따른 고장이 발생한 것으로 판단된다(S590).
통합밸브(30)가 실제로 개방 작동되거나 또는 폐쇄 작동되는 경우, 통합밸브(30)의 플런저가 통합밸브(30) 내부의 소정 위치에 도달하여 정지하게 되면 상기 플런저를 작동시키는 코일에 역기전력이 발생하며, 그에 따라 도 2에 도시된 그래프의 a 구간 및 b 구간에서 보듯이 소정 형상의 전류 파형이 발생하게 된다.
구체적으로, 통합밸브(30)가 개방 명령을 받은 경우, 통합밸브(30)의 개방 작동이 완료됨에 따라 도 2의 a 구간에 보듯이 노치 모양의 전류 파형이 발생하게 되고, 따라서 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 상기와 같이 통합밸브(30)의 개방 작동 여부를 판단할 수 있다.
또한 통합밸브(30)가 폐쇄 명령을 받은 경우, 통합밸브(30)의 폐쇄 작동이 완료됨에 따라 도 2의 b 구간에 보듯이 혹 모양의 전류 파형이 발생하게 되고, 따라서 밸브구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 상기와 같이 통합밸브(30)의 폐쇄 작동 여부를 판단할 수 있다.
통합밸브(30)에 밸브구동전류를 인가하였으나 통합밸브(30)가 정상 작동되지 않고 고착 불량 등이 발생하는 경우, 밸브구동전류의 파형에서 도 2의 a 구간 또는 b 구간과 같은 파형은 발생하지 않는다.
이와 같이 상기 밸브구동전류의 파형 특성을 이용하여 통합밸브(30)의 정상 작동 여부를 판단함으로써 워터트랩(20)에 별도의 압력센서를 추가 설치하지 않아도 워터트랩(20)의 수위가 0% 인 상황에서 수소 퍼지가 정상적으로 수행되는지를 판단할 수 있다.
이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택
12 : 수소압력센서
14 : 수소공급라인
20 : 워터트랩
22 : 수위센서
30 : 통합밸브
40 : 제어기

Claims (11)

  1. 연료전지 스택에서 배출되는 물과 수소를 저장하는 워터트랩;
    상기 워터트랩에 저장된 물과 수소가 배출되는 통로를 개폐하는 통합밸브;
    상기 통합밸브의 개폐 작동을 지령한 경우 상기 통합밸브의 작동을 위한 구동전류의 순간변화율 정보를 기초로 통합밸브가 정상 작동되지 않은 것으로 판단되면 상기 통합밸브를 강제 구동 모드에 진입시키고, 상기 통합밸브가 강제 구동 모드에 진입한 후에도 정상 작동되지 않으면 상기 통합밸브가 고장난 것으로 판단하는 제어기;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로일 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되지 않으면 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 미실행하고 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력을 검출하기 위한 수소압력센서의 제로값 보정을 미실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로일 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되면 설정된 시간이 경과한 후 연료전지 스택의 수소 농도 추정 및 상기 수소압력센서의 제로값 보정을 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 워터트랩의 수위가 제로가 아닐 때 통합밸브의 개방 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되는 동시에 상기 워터트랩의 수위가 감소되지 않으면, 설정된 시간이 경과한 후 상기 통합밸브의 배출유로가 막힌 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브의 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되지 않으면 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 미실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브의 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브가 정상 작동되면 설정된 시간이 경과한 후 연료전지 스택의 수소 농도 추정을 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브의 고장이 판단된 동시에 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력이 감소된 것으로 판단되면 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 중단시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 상기 통합밸브의 고장이 판단된 동시에 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 압력이 감소되지 않은 것으로 판단되면 상기 연료전지 스택의 출력을 설정된 기준출력 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브에 개방 작동을 지령한 경우, 통합밸브의 구동전류가 증가하는 중에 상기 구동전류의 순간변화율이 양(+)의 값에서 음(-)의 값으로 변경되었다가 다시 양(+)의 값으로 변경되면, 통합밸브의 개방 작동이 정상적으로 실행된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브에 닫힘 작동을 지령한 경우, 통합밸브의 구동전류가 감소하는 중에 상기 구동전류의 순간변화율이 음(-)의 값에서 양(+)의 값으로 변경되었다가 다시 음(-)의 값으로 변경되면, 통합밸브의 닫힘 작동이 정상적으로 실행된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는, 통합밸브를 강제 구동 모드에 진입시키는 경우, 정해진 개방 듀티 사이클과 개방 작동 횟수에 따른 작동을 통합밸브에 지령하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 밸브 고장 진단 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170136738A (ko) 2016-06-02 2017-12-12 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 워터트랩 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115158104A (zh) * 2022-07-18 2022-10-11 中通客车股份有限公司 一种车载氢系统的充压控制方法及系统

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