KR20220080573A - 연료전지차량의 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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김민택
예창환
권순길
박효진
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지차량의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 연료전지스택에 연결되는 메인 릴레이, 상기 메인 릴레이에 연결되는 전력 변환기, 일단이 상기 연료전지스택 및 상기 메인 릴레이에 연결되고 타단이 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터에 연결되는 히터 릴레이 및 상기 메인 릴레이, 상기 전력 변환기 및 상기 히터 릴레이와 연결되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 차량이 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이의 오프 및 온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 상기 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 기반으로 메인 릴레이 고장을 진단하고 진단결과를 출력한다.

Description

연료전지차량의 고장 진단 장치 및 방법{FAULT DIAGNOSTIC APPARATUS AND METHOD FOR FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 연료전지차량의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
환경오염에 대한 관심이 증가함에 따라 친환경 에너지원에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지를 에너지원으로 하는 연료전지시스템이 주목을 받고 있다. 이러한 연료전지시스템을 탑재한 연료전지차량은 연료전지에서 생산되는 전력을 이용하여 전기 모터를 구동한다.
연료전지차량에 적용되는 스택 메인 릴레이는 융착 고장 발생 시 자체 진단이 불가능하다. 이에, 기존에는 별도의 스택 메인 릴레이 융착 고장 감지 기능을 이용하여 스택 메인 릴레이 융착 고장을 진단하고 있다. 그러나, 스택 메인 릴레이 융착 고장과 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터 동작 지연 고장에 의한 현상이 동일하여, COD 히터 고장으로 오진단하는 상황이 발생한다. COD 히터 고장으로 오진단되는 경우, 정확한 고장 원인 파악이 불가하여 오정비 가능성이 있다. 또한, 스택 메인 릴레이 융착 고장 시 히터 릴레이를 온(ON) 하여도 COD 히터 작동이 불가하여 스택 내 잔류 전압 강제 소진이 불가하므로 스택 내구성이 악화되며 차량의 시동 오프(OFF) 시간이 길어진다.
KR 101566720 B1 KR 101673822 B1 KR 1020200075931 A
본 발명은 연료전지차량의 스택 메인 릴레이 융착 고장 발생 시 이를 감지하여 고장 진단하는 연료전지차량의 고장 진단 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 장치는 연료전지스택에 연결되는 메인 릴레이, 상기 메인 릴레이에 연결되는 전력 변환기, 일단이 상기 연료전지스택 및 상기 메인 릴레이에 연결되고 타단이 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터에 연결되는 히터 릴레이 및 상기 메인 릴레이, 상기 전력 변환기 및 상기 히터 릴레이와 연결되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 차량이 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이의 오프 및 온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 상기 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 기반으로 메인 릴레이 고장을 진단하고 진단결과를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이를 온 한 시점부터 기정해진 시간 동안 스택 전압을 모니터링하여 스택 전압 소진 지연이 발생하는지를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 히터 릴레이를 오프 한 후 제1 스택 전압을 검출하고, 상기 히터 릴레이를 온 한 후 제2 스택 전압을 검출하고, 상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 상기 스택 전압 변화량을 연산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인 경우, 메인 릴레이 고장을 1차 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 스택 전압 변화량이 상기 기준 변화량 미만이 아닌 경우, 상기 COD 히터의 동작 지연 고장을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 전력 변환기의 출력 전압을 상한 전압 및 하한 전압으로 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 전력 변환기의 출력 전압이 상기 상한 전압으로 가변 제어되면 제1 전력 변환기 전력을 검출하고, 상기 전력 변환기의 출력 전압이 상기 하한 전압으로 가변 제어되면 제2 전력 변환기 전력을 검출하고, 상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는지 여부에 따라 메인 릴레이 고장을 2차 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 초과이며 제2 기준 전력 미만인 경우, 메인 릴레이 융착 고장을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 제1 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이거나 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 이하 또는 상기 제2 기준 전력 이상인 경우, 상기 COD 히터의 동작 지연 고장을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 변환기는, BHDC(Bidirectional High Voltage DC-DC Converter)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지스택의 메인 릴레이, 전력 변환기 및 히터 릴레이와 연결되는 제어기를 포함하는 연료전지차량의 고장 진단 방법에 있어서, 차량의 셧다운 시퀀스 진입을 감지하는 단계, 상기 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이의 오프 및 온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 상기 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 기반으로 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계 및 상기 메인 릴레이 고장을 진단한 결과를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는, 상기 히터 릴레이를 온 한 시점부터 기정해진 시간 동안 스택 전압을 모니터링하는 단계 및 상기 스택 전압을 모니터링한 결과에 근거하여 스택 전압 소진 지연이 발생하는지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는, 상기 히터 릴레이의 오프 시 및 온 시 스택 전압을 검출하여 스택 전압 변화량을 연산하는 단계, 상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인지를 확인하는 단계 및 상기 스택 전압 변화량이 상기 기준 변화량 미만인 경우 메인 릴레이 고장을 1차 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는, 상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만이 아닌 경우, COD 히터의 동작 지연 고장을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는, 상기 전력 변환기의 출력 전압을 상한 전압으로 가변 제어하여 제1 전력 변환기 전력을 검출하는 단계, 상기 전력 변환기의 출력 전압을 하한 전압으로 가변 제어하여 제2 전력 변환기 전력을 검출하는 단계 및 상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는 경우 메인 릴레이 고장을 2차 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 2차 결정하는 단계는, 상기 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 초과이며 제2 기준 전력 미만인 경우, 메인 릴레이 융착 고장을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는, 상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하지 않는 경우, COD 히터의 동작 지연 고장을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지스택의 (+) 단자에 연결되는 메인 릴레이의 융착 고장을 감지하므로, 적절한 페일 세이프(fail-safe) 동작을 통해 스택의 내구성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, (+) 메인 릴레이 융착 고장을 진단할 수 있어 COD 히터 릴레이 고장 오진단에 따른 오정비를 방지할 수 있고, (+) 메인 릴레이 융착 고장 상태로 지속하는 운전 상황을 사전에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, (+) 메인 릴레이 융착 고장으로 차량 시동 또는 셧다운 시 COD 히터가 미작동하더라도 전력 변환기의 전압 제어에 의해 스택 내 잔류 전압을 소진하는데 소요되는 시간이 단축될 수 있다. 또한, COD 히터 미작동으로 인한 스택 내구성 저하를 방지할 수 있어 연료전지 교체에 따른 정비 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지차량의 고장 진단 장치는 연료전지스택(110), 전력 변환기(120), 고전압 배터리(130), COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(140), 제어기(Fuel Cell Control Unit, FCU)(150), 제1 메인 릴레이(RL1), 제2 메인 릴레이(RL2), 및 히터 릴레이(RL3)를 포함할 수 있다.
연료전지스택(이하, 스택)(110)은 수소 탱크(미도시)에서 공급받은 수소와 외부 공기에서 포집한 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생산할 수 있다. 스택(110)은 2개의 촉매 전극 즉, 애노드(anode, 양극)와 캐소드(cathode, 음극)를 포함할 수 있다. 수소(hydrogen)와 산소(oxygen)가 애노드와 캐소드로 각각 공급되면, 애노드는 수소를 양자(protons) 즉, 수소 이온과 전자(electrons)로 분리할 수 있다. 수소 이온은 전해질층을 거쳐 캐소드로 이동하고, 캐소드에서 수소 이온이 산소와 결합하여 물을 생성할 수 있다. 전자는 외부 회로를 거치며 전류를 발생시킨다. 즉, 애노드와 캐소드의 전위차로 인해 전기에너지가 생산될 수 있다. 스택(110)에서 발생되는 전기에너지는 모터(미도시)의 구동에너지로 사용될 수 있다.
전력 변환기(120)는 고전압 배터리(130)로부터 출력되는 전력 또는 고전압 배터리(130)로 입력되는 전력을 변환할 수 있다. 예컨대, 전력 변환기(120)는 고전압 배터리(130)로부터 출력되는 전압을 모터 구동에 요구되는 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, 전력 변환기(120)는 스택(110)에서 출력되는 전압을 고전압 배터리(130)의 충전을 위해 요구되는 충전 전압으로 변환할 수 있다. 이러한 전력 변환기(120)는 양방향 고전압 직류-직류 컨버터(Bidirectional High Voltage DC-DC Converter, BHDC)로 구현될 수 있다.
전력 변환기(120)는 제어기(150)의 지시에 따라 출력 전압을 가변할 수 있다. 전력 변환기(120)는 출력 전압을 상한 전압 또는 하한 전압으로 조절할 수 있다. 여기서, 상한 전압 및 하한 전압은 전력 변환기(120)의 최대 작동 전압 및 최저 작동 전압으로 사전에 미리 설정될 수 있다.
제1 메인 릴레이(RL1)와 제2 메인 릴레이(RL2)는 스택(110)과 전력 변환기(120) 사이에 배치될 수 있다. 제1 메인 릴레이(RL1)와 제2 메인 릴레이(RL2)는 스택 메인 릴레이로 통칭할 수 있다. 제1 메인 릴레이(RL1)는 스택(110)의 (-) 단자에 연결되고, 제2 메인 릴레이(RL2)는 스택(110)의 (+) 단자에 연결될 수 있다. 본 명세서에서 제1 메인 릴레이(RL1)와 제2 메인 릴레이(RL2)는 (-) 메인 릴레이와 (+) 메인 릴레이로 각각 혼용될 수 있다.
고전압 배터리(130)는 스택(110)에서 생산되는 전기에너지를 저장(충전)하거나 저장된 전기에너지를 방출(방전)할 수 있다. 고전압 배터리(130)는 전력 변환기(120)에 의해 변환된 전력을 공급받거나 저장된 전력을 전력 변환기(120)에 전달할 수 있다.
COD 히터(140)는 스택 내구성 향상을 위해 연료전지 시동 온(start) 및 오프(stop, shut down) 시 내부 저항 부하를 이용하여 스택(110) 내 잔류 전압을 강제 소진하는 역할을 한다. 다시 말해서, COD 히터(140)는 차량 시동(start) 및 셧다운(shut down) 시 스택(110) 내 잔류하는 산소와 수소를 제거하여 스택(110)의 열화를 방지할 수 있다.
COD 히터(140)는 제1 메인 릴레이(RL1)와 스택(110)의 (-) 단자에 연결되고, 히터 릴레이(RL3)의 일단과 연결될 수 있다. 히터 릴레이(RL3)의 타단은 스택(110)의 (+) 단자 및 제2 메인 릴레이(RL2)에 연결될 수 있다. 히터 릴레이(RL3)는 제어기(150)의 지시에 따라 온 또는 오프 될 수 있다.
제어기(150)는 차량 내 통신망을 이용하여 전력 변환기(120), 제1 메인 릴레이(RL1), 제2 메인 릴레이(RL2) 및 히터 릴레이(RL3)와 연결될 수 있다. 차량 내 통신망은 CAN(Controller Area Network), MOST(Media Oriented Systems Transport) 네트워크, LIN(Local Interconnect Network), 이더넷(ethernet) 및/또는 X-by-Wire(Flexray) 등으로 구현될 수 있다.
제어기(150)는 제1 메인 릴레이(RL1) 및/또는 제2 메인 릴레이(RL2)를 온 및/또는 오프 제어하며 전력 변환기(120)를 제어하여 스택(110)과 고전압 배터리(130) 간 전력 전달 및 전력 변환을 통해 구동 모터(미도시)를 구동시킬 수 있다.
제어기(150)는 메인 릴레이(RL1 및 RL2)를 온 하여 고전압 시스템을 작동시킬 수 있다. 또한, 제어기(150)는 COD 히터(140)의 작동이 필요한 조건(예: 시동 온/오프 및 기타 운전 조건)에서 제2 메인 릴레이(RL2)를 오프하고 히터 릴레이(RL3)를 온 하여 스택(110) 내부 잔류 전압이 COD 히터(140)를 통해 소진되도록 제어할 수 있다.
제어기(150)는 연료전지차량의 시동 오프 중 스택 전압 소진 지연이 발생하는 경우 메인 릴레이 융착 고장 진단을 수행할 수 있다. 제2 메인 릴레이(RL2)의 유착 고장 시 히터 릴레이(RL3)의 온 제어에 관계없이 COD 히터(140)의 기능 작동이 불가하며 고전압 배터리(130)로부터 전류가 지속적으로 공급되어 전압 소진이 지연될 수 있다. 제어기(150)는 운전 상황별로 명령을 송신하여 메인 릴레이(RL1, RL2) 및 히터 릴레이(RL3)를 온 및/또는 오프 제어하며 전력 변환기(120)의 전압을 제어하여 전력 전달 및 변환을 수행할 수 있다.
제어기(150)는 통신 회로(151), 프로세서(152) 및 메모리(153)를 포함할 수 있다. 통신 회로(151)는 차량 내 통신망을 이용하여 전력 변환기(120), 제1 메인 릴레이(RL1), 제2 메인 릴레이(RL2) 및 히터 릴레이(RL3) 중 적어도 하나에 제어 신호를 전송(송신)할 수 있다. 또한, 통신 회로(151)는 전력 변환기(120), 제1 메인 릴레이(RL1), 제2 메인 릴레이(RL2) 및 히터 릴레이(RL3) 중 적어도 하나로부터 전송되는 상태 신호(예: 온 신호 또는 오프 신호) 등을 수신할 수 있다.
프로세서(152)는 제어기(150)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(152)는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), DSP(Digital Signal Processor), PLD(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), CPU(Central Processing unit), 마이크로 컨트롤러(microcontrollers) 및 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 메모리(153)는 프로세서(152)에 의해 실행되는 명령어들(instructions)을 저장하는 저장매체(non-transitory storage medium)일 수 있다. 메모리(153)는 프로세서(152)에 동작에 따라 발생되는 데이터를 저장할 수 있고, 각종 설정 정보를 저장할 수도 있다. 메모리(153)는 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크(hard disk), RAM(Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), EPROM(Erasable and Programmable ROM) 및 레지스터(register) 등의 저장매체(기록매체) 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
프로세서(152)는 차량이 셧다운 시퀀스에 진입하는지를 확인할 수 있다. 프로세서(152)는 통신 회로(151)를 통해 상위제어기(예: 차량 제어기(VCU) 등) 또는 센서 등으로부터 셧다운 시퀀스 진입을 알리는 정보(신호)를 수신할 수 있다.
프로세서(152)는 차량이 셧다운 시퀀스에 진입하면, 히터 릴레이(RL3)를 온 하여 COD 히터(140)를 작동시킬 수 있다. 이때, COD 히터(140)는 스택(110) 내 잔류 전압을 소진할 수 있다. 프로세서(152)는 히터 릴레이(RL3)를 온 한 시점부터 기정해진 시간(T1) 동안 스택(110)의 출력 전압(즉, 스택 전압)을 모니터링한다. 이때, 프로세서(152)는 전압 센서 또는 전압계 등을 이용하여 스택 전압을 모니터링할 수 있다.
프로세서(152)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 기준 전압을 초과하는지를 확인할 수 있다. 프로세서(152)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 기준 전압을 초과하면 스택 메인 릴레이 고장 가능성이 있다고 판정할 수 있다. 프로세서(152)는 기정해진 시간 내 스택 전압이 기준 전압 이하로 떨어지면 스택 메인 릴레이(메인 릴레이) 정상으로 판정할 수 있다.
프로세서(152)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 메인 릴레이 고장 여부를 판단하기 위한 1차 고장 진단을 수행할 수 있다. 프로세서(152)는 히터 릴레이(RL3)의 오프 및 온 제어를 통해 스택 전압 변화량을 모니터링하여 메인 릴레이 고장 여부를 1차 판정할 수 있다. 프로세서(152)는 히터 릴레이(RL3)를 온 상태에서 오프 상태로 전환한 후 제1 스택 전압을 검출하고, 히터 릴레이(RL3)를 오프 상태에서 온 상태로 다시 전환한 후 제2 스택 전압을 검출한다. 프로세서(152)는 제1 스택 전압과 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화량을 연산한다. 프로세서(152)는 전압 변화량이 기준 변화량 미만인지를 확인하여 메인 릴레이 고장 또는 COD 히터 고장을 1차적으로 판정할 수 있다. 여기서, 기준 변화량은 실험치에 기반하여 사전에 설정될 수 있다. 프로세서(152)는 전압 변화량이 기준 변화량 이상이면 COD 히터 고장으로 결정할 수 있다.
프로세서(152)는 전압 변화량이 기준 변화량 미만이면 2차 고장 진단을 수행할 수 있다. 프로세서(152)는 전력 변환기(120)의 출력 전압(전력 변환기 전압)을 가변 제어하며 전력 변환기(120)의 출력 전력(전력 변환기 전력)을 모니터링할 수 있다. 프로세서(152)는 전력 변환기(120)가 상한 전압을 출력하도록 제어하고, 이때, 전력 센서 등을 이용하여 제1 전력 변환기 전력을 검출할 수 있다. 또한, 프로세서(152)는 전력 변환기(120)가 하한 전압을 출력하도록 제어하고 전력 변환기 전압이 하한 전압일 때 제2 전력 변환기 전력을 검출할 수 있다. 프로세서(152)는 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는지를 확인하여 메인 릴레이 고장 또는 COD 히터 고장을 2차적으로 판정할 수 있다. 프로세서(152)는 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하면, 메인 릴레이 융착 고장을 결정(확정)할 수 있다. 프로세서(152)는 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하지 않으면, COD 히터 고장을 결정할 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(152)는 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며, 제2 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 초과 제2 기준 전력 미만이면 제2 메인 릴레이(RL2)의 융착 고장을 결정할 수 있다. 한편, 프로세서(152)는 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 이상이거나 또는 제2 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 이하 또는 제2 기준 전력 이상인 경우, COD 히터 동작 지연 고장을 결정할 수 있다.
프로세서(152)는 고장 진단이 완료되면 진단된 고장을 나타내는 진단 코드를 메모리(153)에 저장하며 출력 장치(예: 디스플레이 및/또는 클러스터 등)에 출력할 수 있다. 프로세서(152)는 (+) 메인 릴레이 융착 고장이 확정(결정)되면 해당 고장에 대응하는 진단 코드를 메모리(153)에 저장하며 디스플레이에 표시할 수 있다. 또한, 프로세서(152)는 COD 히터 고장이 결정되면, 이를 나타내는 진단 코드를 메모리(153)에 저장하며 클러스터에 COD 히터 동작 지연 고장을 나타내는 경고등을 점등시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 제어기(150)는 차량이 셧다운 시퀀스에 진입하는지를 확인한다(S100). 제어기(150)는 스택(110)이 셧다운을 시작하면 제2 메인 릴레이(RL2)를 오프 하며 히터 릴레이(RL3)를 온 하여 COD 히터(140)를 작동시킨다. COD 히터(140)는 스택(110) 내 잔여 전압을 소진할 수 있다.
제어기(150)는 차량이 셧다운 시퀀스에 진입하면 히터 릴레이(RL3) 온 시점부터 기정해진 시간(T1) 동안 스택(110)의 출력 전압(이하, 스택 전압)을 모니터링한다(S110). 제어기(150는 전압 센서 등을 이용하여 스택 전압을 검출할 수 있다.
제어기(150)는 스택 전압이 기준 전압을 초과하는지를 확인할 수 있다(S120). 제어기(150)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 기준 전압을 초과하면 스택 전압이 정상적으로 소진되지 않는다고 판단할 수 있다. 즉, 제어기(150)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 스택 전압 소진 지연이 발생하고 있다고 판단할 수 있다.
제어기(150)는 스택 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 히터 릴레이(RL3)를 오프 및 온(오프/온) 제어하며 스택 전압 변화량을 모니터링할 수 있다(S130). 제어기(150)는 히터 릴레이(RL3)를 오프 시킨 후 다시 온 시킬 수 있다. 제어기(150)는 전압계 또는 전압 센서 등을 이용하여 히터 릴레이(RL3) 오프 시 스택 전압(제1 스택 전압)을 검출하고, 히터 릴레이(RL3) 온 시 스택 전압(제2 스택 전압)을 검출할 수 있다. 제어기(150)는 제1 스택 전압과 제2 스택 전압을 이용하여 스택 전압 변화량을 산출할 수 있다.
제어기(150)는 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인지를 확인할 수 있다(S140). 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만이면 메인 릴레이 융착 고장으로 인해 COD 히터(140)가 작동 불가 상태일 수 있으므로, 제어기(150)는 메인 릴레이 고장을 1차적으로 결정할 수 있다.
제어기(150)는 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인 경우, 전력 변환기(120)의 출력 전압을 가변 제어한다(S150). 제어기(150)는 메인 릴레이 고장이 1차적으로 결정되면, 전력 변환기(120)가 상한 전압 및 하한 전압을 출력하도록 제어할 수 있다. 전력 변환기(120)의 출력 전압을 하한 전압으로 낮추면, 스택 전압도 낮아지기 때문에 메인 릴레이 융착 고장이 발생한 경우에도 스택(110) 내 잔류 전압을 소진하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
제어기(150)는 전력 변환기(120)의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기(120)의 출력 전력을 모니터링할 수 있다(S160). 제어기(150)는 전력 변환기 전압이 상한 전압 일 때 제1 전력 변환기 전력을 검출하고, 전력 변환기 전압이 하한 전압일 때 제2 전력 변환기 전력을 검출할 수 있다.
제어기(150)는 전력 변환기(120)의 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는지를 확인할 수 있다(S170). 제어기(150)는 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 제2 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력을 초과하며 제2 기준 전력 미만인지를 확인할 수 있다.
제어기(150)는 전력 변환기(120)의 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는 경우, 메인 릴레이 융착 고장을 판정할 수 있다(S180). 제어기(150)는 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 제2 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력을 초과하며 제2 기준 전력 미만인 경우 (+) 메인 릴레이(RL2)의 융착 고장을 결정할 수 있다.
제어기(150)는 메인 릴레이 융착 고장이 판정되면, 판정 결과에 대응하는 진단 코드를 저장 및 표시할 수 있다(S190). 제어기(150)는 진단 코드를 메모리(153)에 저장하며 디스플레이 또는 클러스터 등의 표시 장치에 출력할 수 있다.
S120에서 스택 전압이 기준 전압을 초과하지 않는 경우, 제어기(150)는 메인 릴레이 정상을 판정할 수 있다(S200). 제어기(150)는 기정해진 시간 동안 스택 전압이 정상적으로 소진되어 스택 전압이 기준 전압 이하로 떨어지면 메인 릴레이가 정상이다라고 판정할 수 있다. 즉, 제어기(150)는 스택 전압 소진 지연이 발생하지 않으면 메인 릴레이 정상을 결정할 수 있다.
S140에서 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만이 아니거나, S170에서 전력 변환기(120)의 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하지 않으면, 제어기(150)는 히터 고장(히터 동작 지연 고장)을 확정할 수 있다(S210). COD 히터(140)의 정상 작동에 의해 스택 전압이 소진되는 경우, 스택 전압 변화량이 기준 변화량 보다 훨씬 크므로, 제어기(150)는 스택 전압 변화량이 기준 변화량 이상으로 큰 경우 히터 동작 지연 고장을 결정할 수 있다. 제어기(150)는 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 이상이거나 제2 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만 또는 제2 기준 전력 이상인 경우, 히터 동작 지연 고장을 결정할 수 있다. 제어기(150)는 히터 동작 지연 고장이 결정되면 해당 고장을 나타내는 경고를 출력 장치(예: 디스플레이 및/또는 스피커 등)에 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 연료전지차량의 고장 진단 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지스택(이하, 스택)의 (+) 메인 릴레이(RL2) 융착 고장이 발생한 경우, (+) 메인 릴레이(RL2)가 오프(OFF)되고 COD 히터 릴레이(RL3)가 온(ON) 되었지만, COD 히터(140)가 작동되지 않아서 스택 전압이 정상적으로 소진되지 않고 일정 시간 T1 동안 기준 전압 V1 초과 상태로 유지될 수 있다.
제어기(150)가 전력 변환기(120)를 정전압 제어 시 전력 변환기(120)의 출력 전류도 정전류로 출력되므로, 전력 변환기 전력이 고정값으로 출력된다. 이때, 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 보다 낮다.
이러한 결과를 기반으로, 연료전지차량의 고장 진단 장치는 COD 히터 릴레이(RL3) 오프/온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 모니터링하여 스택 메인 릴레이 융착 고장을 정확하게 감지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 연료전지스택에 연결되는 메인 릴레이;
    상기 메인 릴레이에 연결되는 전력 변환기;
    일단이 상기 연료전지스택 및 상기 메인 릴레이에 연결되고 타단이 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터에 연결되는 히터 릴레이; 및
    상기 메인 릴레이, 상기 전력 변환기 및 상기 히터 릴레이와 연결되는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 차량이 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이의 오프 및 온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 상기 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 기반으로 메인 릴레이 고장을 진단하고 진단결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이를 온 한 시점부터 기정해진 시간 동안 스택 전압을 모니터링하여 스택 전압 소진 지연이 발생하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 히터 릴레이를 오프 한 후 제1 스택 전압을 검출하고, 상기 히터 릴레이를 온 한 후 제2 스택 전압을 검출하고, 상기 제1 스택 전압과 상기 제2 스택 전압을 이용하여 상기 스택 전압 변화량을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인 경우, 메인 릴레이 고장을 1차 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 스택 전압 변화량이 상기 기준 변화량 미만이 아닌 경우, 상기 COD 히터의 동작 지연 고장을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전력 변환기의 출력 전압을 상한 전압 및 하한 전압으로 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전력 변환기의 출력 전압이 상기 상한 전압으로 가변 제어되면 제1 전력 변환기 전력을 검출하고, 상기 전력 변환기의 출력 전압이 상기 하한 전압으로 가변 제어되면 제2 전력 변환기 전력을 검출하고, 상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는지 여부에 따라 메인 릴레이 고장을 2차 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 초과이며 제2 기준 전력 미만인 경우, 메인 릴레이 융착 고장을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 이상이거나 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 이하 또는 상기 제2 기준 전력 이상인 경우, 상기 COD 히터의 동작 지연 고장을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 변환기는,
    BHDC(Bidirectional High Voltage DC-DC Converter)로 구현되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 장치.
  11. 연료전지스택의 메인 릴레이, 전력 변환기 및 히터 릴레이와 연결되는 제어기를 포함하는 연료전지차량의 고장 진단 방법에 있어서,
    차량의 셧다운 시퀀스 진입을 감지하는 단계;
    상기 셧다운 시퀀스 진입 시 상기 히터 릴레이의 오프 및 온 제어에 따른 스택 전압 변화량 및 상기 전력 변환기의 전압 가변 제어에 따른 전력 변환기 전력을 기반으로 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계; 및
    상기 메인 릴레이 고장을 진단한 결과를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는,
    상기 히터 릴레이를 온 한 시점부터 기정해진 시간 동안 스택 전압을 모니터링하는 단계; 및
    상기 스택 전압을 모니터링한 결과에 근거하여 스택 전압 소진 지연이 발생하는지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는,
    상기 히터 릴레이의 오프 시 및 온 시 스택 전압을 검출하여 스택 전압 변화량을 연산하는 단계;
    상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만인지를 확인하는 단계; 및
    상기 스택 전압 변화량이 상기 기준 변화량 미만인 경우 메인 릴레이 고장을 1차 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는,
    상기 스택 전압 변화량이 기준 변화량 미만이 아닌 경우, COD 히터의 동작 지연 고장을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는,
    상기 전력 변환기의 출력 전압을 상한 전압으로 가변 제어하여 제1 전력 변환기 전력을 검출하는 단계;
    상기 전력 변환기의 출력 전압을 하한 전압으로 가변 제어하여 제2 전력 변환기 전력을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하는 경우 메인 릴레이 고장을 2차 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 2차 결정하는 단계는,
    상기 제1 전력 변환기 전력이 제1 기준 전력 미만이며 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 제1 기준 전력 초과이며 제2 기준 전력 미만인 경우, 메인 릴레이 융착 고장을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 메인 릴레이 고장을 진단하는 단계는,
    상기 제1 전력 변환기 전력과 상기 제2 전력 변환기 전력이 상기 메인 릴레이 고장 진단 조건을 만족하지 않는 경우, COD 히터의 동작 지연 고장을 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 고장 진단 방법.
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