KR101426386B1

KR101426386B1 - 공기유량조절밸브 및 이에 구비된 능동히터 제어방법

Info

Publication number: KR101426386B1
Application number: KR1020120039187A
Authority: KR
Inventors: 노종상; 손을호; 박준홍
Original assignee: 주식회사 동희홀딩스
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2014-08-05
Also published as: KR20130116626A

Abstract

본 발명의 공기유량조절밸브는 스테핑모터(10)를 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 회로를 이루고, 차량시동(Key-On)후 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 개폐하는 플랩밸브(30)가 수분의 결빙으로 열리지 않을 때 ECU의 제어에 의해 온(On)으로 전환되어 열을 발생시켜주는 능동히터(60)가 더 포함됨으로써, 플랩밸브(30)의 고착시에 만 능동히터(60)가 온(On)으로 전환될 수 있어 차량 시동(Key-On)과 동시에 작동될 때 발생되었던 밸브 내구성 저하와 불필요한 연료소모가 방지되는 특징을 갖는다.

Description

공기유량조절밸브 및 이에 구비된 능동히터 제어방법{Back Pressure Control Valve and Active Heater Operation Method thereof}

본 발명은 공기유량조절밸브에 관한 것으로, 특히 공기유량조절밸브의 상태와 연계시켜 히터를 능동적으로 제어함으로써 차량의 시동(Key-On)시 동시에 히터도 작동될 때 발생되었던 밸브 내구성 저하와 불필요한 연료소모를 줄일 수 있는 공기유량조절밸브 및 이에 구비된 능동히터 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지차량은 연료전지스택으로 공급된 수소의 화학반응을 위해 공기가 반드시 공급되어야 하고, 또한 공기량도 수소 반응에 따라 정밀하게 조절되어야 한다.

이를 위해, 연료전지차량에는 연료전지스택으로 공기를 공급하기 위한 공기유량조절밸브(Back Pressure Control Valve)가 사용되며, 공기유량조절밸브는 정역회전되는 모터와 감속기의 회전력으로 개폐되는 플랩밸브 및 플랩밸브의 개도각 검출을 위한 검출센서로 구성된다.

그러므로, 공기유량조절밸브는 모터의 구동으로 플랩밸브가 열릴 때 연료전지스택으로 이어진 공기통로도 열려짐으로써 공기 흐름을 형성하고, 반면 모터의 정지로 플랩밸브가 닫힐 때 연료전지스택으로 이어진 공기통로도 닫혀짐으로써 공기 흐름을 차단하게 된다.

통상, 공기유량조절밸브는 겨울철이나 여름철과 같이 매우 큰 외부환경 변화에 직면하는 차량과 동일한 조건에 마주할 수밖에 없다.

특히, 연료전지스택에서 발생된 수분(물)이 공기유량조절밸브로 모여지는 특성상 겨울철 영하의 온도에서는 플랩밸브의 고착을 가져오는 수분(물)의 결빙에 대한 대책이 반드시 요구된다.

이를 위한 한 방법으로 플랩밸브부위에 히터(Heater)가 더 설치되고, 겨울철 영하의 온도에서는 상기 히터의 열을 이용해 수분(물)의 결빙이 제거됨으로써 플랩밸브의 고착 현상을 해소하여 준다.

국내실용신안등록공개 20-0298331(2002년12월03일)

상기 특허문헌은 스로틀밸브에 히터가 설치되고, 상기 히터의 열로 공정중 발생되는 반응 부산물인 파우더의 내부 적층을 최소화할 수 있는 기술의 예를 나타낸다.

이를 위해, 상기 특허문헌은 스로틀밸브를 구성하는 개스량 조절판이 축설된 회전축에 히터가 장착되고, 상기 히터는 밸브의 내부로 파우더가 적출될 우려가 있음을 검출한 제어기의 제어로 작동됨으로써 히터의 열기를 개스 조절판으로 빠르게 전달하도록 구성된다.

그러므로, 상기 특허문헌은 스로틀밸브가 히터의 열을 이용함으로써 공정중 발생되는 반응 부산물인 파우더의 내부 적층을 최소화할 수 있고, 이로부터 스로틀밸브를 갖춘 설비 가동시간 연장 및 생산성을 향상 시킬 수 있게 된다.

하지만, 연료전지스택의 공기유량을 제어하는 공기유량조절밸브에 적용된 히터는 차량의 시동(Key-On)이 이루어지면 동시에 히터 온(Heater On)상태로 전환되도록 제어되고, 이로 인해 히터의 제어가 공기유량조절밸브의 상태와 전혀 무관하게 이루어지게 된다.

그러므로, 차량의 시동 및 꺼짐(Key-On 및 Key-Off)과 함께 온(On) 및 오프(Off)되는 히터 제어는 공기유량조절밸브의 내구성 저하를 유발하고, 특히 불필요한 연료 소모도 유발할 수밖에 없다.

이에 따라, 연료전지스택의 공기유량을 제어하는 공기유량조절밸브에 적용된 히터의 경우도 상기 특허문헌과 같이 공기유량조절밸브의 상태와 연계된 능동적인 제어로 구현될 수 있는 기술이 요구되고 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 밸브구동신호(Valve Command Signal)로 오픈(Open)되지 못할 경우에 외부의 온도환경을 고려해 플랩밸브의 고착상태가 체크되고, 플랩밸브의 고착시에 만 히터(Heater)가 온(On)으로 전환됨으로써, 밸브 상태와 연계된 히터의 능동적인 제어로 차량 시동(Key-On)과 동시에 작동될 때 발생되었던 밸브 내구성 저하와 불필요한 연료소모를 줄일 수 있는 공기유량조절밸브 및 이에 구비된 능동히터 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지스택으로 이어지는 공기통로의 열림각도 조절로 통과되는 공기유량을 제어하는 플랩밸브와, ECU(Engine Control Unit)의 제어로 회전되는 스테핑모터와, 상기 스테핑모터의 회전으로 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 감속기가 구비된 공기유량조절밸브에 있어서,

상기 ECU와 회로를 이루도록 연결되고, 차량시동(Key-On) 후 상기 플랩밸브의 열림이 수분의 결빙에 의해 상기 ECU로 인식되지 못하면, 상기 ECU의 제어에 의해 온(On)으로 전환되어 발생되는 열로 상기 결빙을 녹여주는 능동히터;

가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 능동히터는 상기 스테핑 모터와 상기 ECU의 회로가 구성되는 메인기판을 통해 상기 ECU로 제어된다.

상기 스테핑 모터는 1 펄스신호에 해당하는 입력회전각도로 회전되고, 상기 감속기는 상기 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해주며, 상기 플랩밸브는 상기 감속기와 함께 상기 출력회전각도로 회전되어 상기 공기통로를 열어 주거나 닫아주고, 상기 스테핑 모터의 온(On)시 함께 온(On)되는 라쳇(Ratchet)이 상기 감속기의 구속 상태를 해제하며, 상기 감속기의 회전이 밸브센서모듈의 신호값으로 검출되어 상기 ECU로 전송되며, 밸브 작동상태가 표시되는 디스플레이가 상기 ECU의 출력신호로 작동되도록 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기유량조절밸브의 능동히터제어방법은 차량시동(Key-On)이 수행되면, ECU에서 공기유량제어밸브의 작동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)가 발생되고, 연료전지스택으로 이어지는 공기통로의 열림각도를 조절하는 플랩밸브와 연결된 감속기를 구속하고 있던 라쳇과 스테핑 모터를 모두 온(On)상태로 전환시켜주는 밸브구동단계;

상기 ECU는 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태가 확인될 경우 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 반면, 상기 정상 작동상태가 확인 되지 않을 경우 정상 작동상태 확인을 위해 대기시간을 갖는 밸브체크단계;

상기 대기시간 후, 상기 ECU는 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태가 확인될 경우 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 반면, 상기 정상 작동상태가 확인 되지 않을 경우 상기 플랩밸브의 고착상태로 판단하는 이중밸브체크단계;

상기 플랩밸브의 고착상태로 판단되면, 상기 ECU는 히터를 온(On)으로 전환시켜주는 히터가동단계;

상기 히터의 온(On)전환 후, 상기 ECU는 상기 스테핑 모터를 반복적으로 온(On) 및 오프(Off)하여 모터 토글(Motor Toggle)을 수행하는 밸브작동시도단계;

상기 모터 토글 수행으로 상기 플랩밸브가 작동되고, 이를 인식한 상기 ECU가 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태를 확인하면, 상기 ECU는 히터를 오프(Off)로 전환시켜주는 히터중지단계;

상기 히터의 오프(Off)전환 후, 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주고, 상기 공기유량제어밸브의 작동상태확인을 중지하는 밸브체크중지단계;

상기 작동상태확인이 중지되면, 상기 ECU는 상기 라쳇과 상기 스테핑 모터 및 상기 히터를 모두 오프(Off)상태로 전환시켜주는 밸브체크완료단계;

가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브체크단계에서, 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태 확인은 밸브 개폐신호를 검출하는 홀센서로 판단된다.

상기 이중밸브체크단계에서, 상기 플랩밸브의 고착상태판단은 외부온도환경을 기반으로 한 수분(물)의 결빙으로 결정된다.

상기 밸브작동시도단계에서, 상기 모터 토글은 상기 히터의 온(On)전환 상태에서 수행된다.

상기 밸브체크완료단계가 끝나면, 상기 ECU는 상기 연료전지스택의 운전조건에 맞춰 요구되는 공기유량이 공급되도록 상기 스테핑 모터에 펄스신호를 보내 상기 플랩밸브의 개도각을 제어하는 밸브정상제어단계;

가 수행되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 밸브구동신호(Valve Command Signal)로 오픈(Open)되지 못할 경우에 만 히터(Heater)가 온(On)으로 전환됨으로써, 차량 시동(Key-On)과 동시에 작동될 때 발생되었던 밸브 내구성 저하가 방지되고 불필요한 연료소모도 방지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수분(물)의 결빙을 가져오는 외부의 낮은 온도환경에서도 공기유량조절밸브의 정확한 작동이 보장됨으로써 공기유량의 부정확한 제어로 인한 연료전지스택의 내구성 감소가 예방되고, 이를 통해 연료전지 차량의 운전 안정성 도 개선되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 능동히터를 갖춘 공기유량조절밸브의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공기유량조절밸브의 능동히터 제어로직이며, 도 3은 본 발명에 따른 공기유량조절밸브가 능동히터의 작동 없이도 정상적으로 작동되는 상태이고, 도 4은 본 발명에 따른 공기유량조절밸브가 능동히터의 작동을 필요로 하는 상태이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 능동히터를 갖춘 공기유량조절밸브의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 공기유량조절밸브는 밸브하우징(1)과, ECU(Engine Control Unit)로 연결된 메인기판(40)과 회로를 이루는 스테핑 모터(10,Stepping Motor)와, 모터(10)의 회전을 감속하고 토크(Torque)를 증대하는 감속기(20)와, 연료전지스택으로 공급되는 공기유량을 변화시켜주도록 감속기(20)로 회전하는 플랩밸브(30)와, 플랩밸브(30)의 주변부위로 구비되고 상기 ECU와 연계된 능동히터(60)와, 플랩밸브(30)의 정상작동여부를 판단하도록 감속기(20)의 작동에 연동되어 발생되는 신호를 상기 메인기판(40)으로 전송하는 밸브센서모듈(70)과, 밸브의 작동이 정상인지 여부를 운전자에게 알려주는 디스플레이(80)로 구성된다.

상기 밸브하우징(1)은 내부로 설치공간을 제공하는 하우징바디(2)와, 하우징바디(2)의 한쪽으로 형성되어 플랩밸브(30)로 개폐되는 공기통로(3)가 포함된다.

상기 하우징바디(2)에는 내부의 설치공간에 조립된 스테핑 모터(10)와 감속기(20)가 외부로 노출되지 않도록 가려주는 컨트롤박스(4)가 결합된다.

통상, 상기 하우징바디(2)와 상기 컨트롤박스(4)는 후크나 걸쇠를 이용한 착탈식 결합구조가 적용될 수 있다.

상기 스테핑 모터(10)는 1개 펄스신호(One Pulse Signal)를 기반으로 회전되고, 상기 감속기(20)는 1개 펄스신호에 의한 스테핑 모터(10)의 회전각도가 정해지는 감속비를 갖도록 다수의 기어로 구성된다. 1개 펄스신호에 의한 스테핑 모터(10)의 회전각도는 감속기(20)를 구성하는 기어가 갖는 감속비와 연계되어 설정된다.

일례로, 플랩밸브(30)의 개도각 단위는 약 0.06도로 설정되면, 이를 위해 스테핑 모터(10)는 1개 펄스신호로 약 1.8도 회전되며, 감속기(20)는 약 30:1의 감속비로 설정된다.

이를 위한, 상기 감속기(20)는 스테핑 모터(10)에 연결되어 회전되는 스테핑기어(21)와, 스테핑기어(21)에 맞물려 회전속도를 감속하고 토크를 증대하는 감속기어(22)와, 스테핑 모터(10)의 1개 펄스신호(One Pulse Signal)에 기반된 개도각으로 플랩밸브(30)를 회전시켜주도록 감속기어(22)를 통해 회전되는 밸브기어(23)로 구성된다.

이에 더해, 상기 감속기(20)에는 리턴스프링(24)이 더 구비되고, 상기 리턴스프링(24)의 양단은 밸브기어(23)에 고정됨으로써 스테핑 모터(10)의 온(On)시 밸브기어(23)로 탄성변형되고, 스테핑 모터(10)의 오프(Off) 전환시 밸브기어(23)를 역회전시켜줌으로써 스테핑 모터(10)의 작동 없이도 감속기(20)를 초기상태로 복귀시킬 수 있다.

또한, 상기 감속기(20)에는 라쳇(50, Ratchet)이 더 구비되며, 상기 라쳇(50)은 스테핑 모터(10)의 온(On)시 함께 온(On)되어 감속기(20)의 구속 상태를 해제해줌으로써 스테핑 모터(10)로 회전에 따라 감속기(20)도 함께 회전되도록 작용한다.

통상, 상기 라쳇(50)은 빠져나오(인출)거나 들어(인입)가는 스트로크를 갖는 로드가 구비된 솔레노이드로 작동되며, 상기 솔레노이드는 ECU로 온오프 제어된다.

상기 플랩밸브(30)는 감속기(20)를 통해 회전되도록 감속기(20)와 연결되고 하우징바디(2)에 지지된 회전축과, 회전축의 회전각 증가에 따라 공기통로(3)를 열어주는 개도각도 함께 증가되는 원판형 밸브바디로 구성된다.

상기 밸브바디의 최대 개도각은 90도 이다.

상기 능동히터(60)는 하우징바디(2)를 이용해 플랩밸브(30)의 주변으로 구비됨으로써 수분(물)결빙으로 고착된 플랩밸브(30)의 고착부위에 열을 가할 수 있다.

본 실시예의 경우, 상기 능동히터(60)는 ECU와 이어지도록 회로를 구성함으로써 ECU로 온(On) 및 오프(Off)가 제어된다.

통상, 상기 능동히터(60)는 스테핑 모터(10)와 ECU의 회로가 구성되는 메인기판(40)을 통해 ECU의 제어를 받게 된다.

하지만, 경우에 따라 상기 능동히터(60)는 ECU와 직접적으로 회로를 구성함으로써 ECU가 직접 제어할 수도 있다.

그러므로, 상기 능동히터(60)는 차량의 시동(Key-On)이 이루어지더라도 동시에 히터 온(Heater On)상태로 전환되지 않고, 차량시동(Key-On) 후 ECU가 밸브의 정상작동을 확인하지 못 할 때 ECU의 제어로 온(On)될 수 있다.

이로 인해, ECU와 연계되어 제어되는 능동히터(60)는 차량의 시동 및 꺼짐(Key-On 및 Key-Off)과 함께 온(On) 및 오프(Off)될 때와 달리, 공기유량조절밸브의 내구성 저하를 방지하고 특히 불필요한 연료 소모도 방지될 수 있다.

상기 밸브센서모듈(70)은 밸브하우징(1)과 조립된 컨트롤박스(4)에 결합된다.

본 실시예에서 상기 밸브센서모듈(70)은 플랩밸브(30)를 회전시켜주는 감속기(20)에 연결되어 회전됨으로써 플랩밸브(30)의 개도각 변화 값인 개도량이 검출되고, 플랩밸브(30)의 검출된 개도량은 메인기판(40)을 거쳐 ECU로 전달됨으로써 작동되는 공기유량조절밸브의 에러(Error)나 또는 고장(Fail)을 인식할 수 있다.

또한, 상기 밸브센서모듈(70)은 ECU나 디스플레이(80)를 연결할 수 있도록 하우징커낵터가 구비된 센서하우징으로 이루어짐으로써 공기유량조절밸브와는 별개로 이루어진 모듈타입으로 제조될 수 있다.

이로 인해, 상기 밸브센서모듈(70)은 밸브센서모듈(70)의 불량으로 인한 공기유량조절밸브의 고장시 밸브센서모듈(70)만 간단히 교체될 수 있는 편리함이 있다.

상기 디스플레이(80)는 연료전지스택에 공기유량이 정상적으로 공급되는지 여부를 밸브의 정상(OK) 또는 고장(Error)으로 운전자에게 인식되도록 운전석으로 구비되고, 통상 LED(Light-Emitting Device)가 적용되지만, 청각적 인식을 위해 부저(Buzzer)가 적용될 수도 있다.

상기 디스플레이(80)는 밸브센서모듈(70)에서 전송된 플랩밸브(30)의 개도각 변화 값인 개도량으로 공기유량조절밸브의 에러(Error)나 또는 고장(Fail)을 인식하는 ECU로 제어된다.

한편, 도 2는 본 실시예에 따른 공기유량조절밸브의 능동히터제어로직을 나타낸다.

차량시동(Key-On)이 수행되면, S10과 같이 공기유량제어밸브의 구동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)가 발생되고, 또한 S20과 같이 감속기(20)를 구속하고 있던 라쳇(50)과 모터(10)가 모두 온(On)상태로 전환된다.

상기 밸브 구동신호(Command Signal)는 스테핑 모터(10)에 보내지는 1개 펄스신호이거나 또는 그 이상의 펄스신호일 수 있다.

이때, 능동히터(60)는 차량시동(Key-On)에도 온(On)으로 전환되지 않는데, 이는 상기 능동히터(60)가 ECU와 회로를 이룸으로써 차량시동(Key-On)과 무관하게 작동됨에 기인된다.

S30은 밸브 구동신호(Command Signal)가 발생되고 연이어 라쳇(50)과 스테핑 모터(10)가 모두 온(On)상태로 전환된 후, 공기유량제어밸브가 정상적인 작동상태인지가 체크되는 상태이다.

통상, 공기유량제어밸브의 작동여부는 밸브 개폐신호를 홀센서에서 인식함으로써 판단되지만, 경우에 따라 공기통로(3)를 통과하는 공기유량이 유량센서로 검출되고, ECU가 유량센서의 검출 값 유무를 체크함으로써 판단될 수 있다.

S30의 체크 결과로서, 공기유량제어밸브의 작동이 정상적으로 나타날 경우 어떠한 에러(Error)도 없는 상태로 판단하고, 이어 S100으로 넘어가 ECU는 OK신호를 디스플레이(80)로 보내줌으로써 운전자에게 공기유량조절밸브가 정상적으로 작동되고 있음을 인식시켜 준다.

이러한 상태는 도 3에 도시된 바와 같이 공기유량조절밸브의 플랩밸브(30)가 정상적으로 열려지는 상태로서, 이 경우 가장 큰 특징은 공기유량조절밸브의 정상적인 작동으로 차량시동(Key-On)이 되었음에도 능동히터(60)가 작동되지 않음에 있다.

이는, 능동히터(60)가 ECU와 회로를 이루어 ECU에 의해 제어되는 구성을 가짐에 기인된다.

이로 인해, 공기유량조절밸브의 정상 작동하에서는 불필요하던 능동히터(60)의 열발생이 가져왔던 밸브 내구성 저하가 방지되고, 특히 불필요한 연료 소모도 방지된다.

반면, S30의 체크 결과로서, 공기유량제어밸브의 열림이 정상적이지 않으면 S40으로 넘어가 공기유량제어밸브의 정상 작동여부를 기다리는 대기단계가 수행된다.

상기 대기단계는 초(Second)단위이며, 일례로 10초가 주어질 수 있다.

이어, S50에서는 S40의 체크 결과 공기유량제어밸브의 작동이 정상적으로 나타날 경우, 비록 대기단계를 수행하였지만 공기유량제어밸브가 어떠한 에러(Error)도 없는 상태로 판단한다.

그러므로, S100으로 넘어가 ECU는 OK신호를 디스플레이(80)로 보내줌으로써 운전자에게 공기유량조절밸브가 정상적으로 작동되고 있음을 인식시켜 준다.

이 경우도 S30의 체크 결과로 공기유량제어밸브의 작동이 정상적일 때 도 3을 근거로 설명된 경우와 같다.

반면, S50에서도 S40의 체크 결과로 공기유량제어밸브의 작동이 비정상으로 나타날 경우, ECU는 공기유량제어밸브의 작동 불가 원인을 판단한다.

이때, ECU는 밸브작동불가 원인이 다양할 수 있지만, 본 실시예의 경우 체크된 외부온도환경을 기반으로 현재 온도로 인해 수분(물)의 결빙 가능성이 있는지 여부를 우선적으로 체크한 다음, 수분(물)의 결빙 가능성이 높을 경우 밸브작동불가 원인을 플랩밸브(30)의 고착상황으로 판단한다.

S60은 ECU가 밸브작동불가 원인을 플랩밸브(30)의 고착으로 판단하고, 이로 인해 ECU는 능동히터(60)를 온(On)상태로 전환해 배터리 전원이 공급되도록 함으로써 능동히터(60)가 발열됨을 나타낸다.

상기 능동히터(60)의 발열은 도 4로 도시되며, 도시된 바와 같이 능동히터(60)에서 발생되는 열이 플랩밸브(30)의 고착을 가져온 결빙구간(Fz)에 집중됨으로써 결빙구간(Fz)이 신속하게 해소될 수 있다.

상기와 같은 능동히터(60)의 작동은 초(Second)단위로 소정시간동안 지속된다.

S70은 능동히터(60)의 작동중 밸브작동여부가 반복적으로 체크되는 과정으로서, 이는 스테핑 모터(10)에 온(On)신호와 오프(Off)신호를 반복적으로 주는 모터 토글(Motor Toggle)로 수행된다.

상기와 같은 모터 토글(Motor Toggle)이 이루어지면, 스테핑 모터(10)를 통해 회전되는 감속기(20)와 연결된 플랩밸브(30)에서는 열림(Open Status)과 닫힘(Close Status)이 반복되는 플랩밸브 토글(Flap Valve Toggle)이 이루어진다.

S80은 S70의 플랩밸브 토글 결과로서, 플랩밸브(30)의 열림(Open Status)과 닫힘(Close Status)이 정상적으로 이루어지고, 이를 통해 밸브작동이 정상으로 돌아온 상태를 나타낸다.

상기와 같이 밸브작동이 정상 작동상태로 돌아옴이 ECU에서 확인되면, ECU는 능동히터(60)를 오프(Off)상태로 즉시 전환시켜준다.

이어, S80의 체크결과 밸브작동이 정상이고 더불어 능동히터(60)가 오프(Off)되었으면, S90과 같이 ECU는 OK신호를 디스플레이(80)로 보내줌으로써 운전자에게 공기유량조절밸브가 정상적으로 작동되고 있음을 인식시켜 준다.

상기와 같은 단계를 거쳐 공기유량조절밸브의 정상작동이 최종적으로 확인되면, S200과 같이 ECU는 라쳇(50)과 스테핑 모터(10) 및 히터(60)를 모두 오프(Off)로 전환시켜 준다.

한편, S300은 공기유량제어밸브가 어떠한 Error도 없는 상태에서 정상적으로 작동됨으로써, 연료전지스택에서 요구되는 공기유량이 공기유량제어밸브를 통해 정밀하게 제어됨을 나타낸다.

이러한 공기유량제어밸브의 공기유량제어는 도 3에 도시된 바와 같이, 스테핑 모터(10)가 구동되면, 스테핑 모터(10)를 통해 감속기(20)가 작동되고, 감속기(20)를 통해 플랩밸브(30)가 회전됨으로써 플랩밸브(30)의 개도각 만큼 공기통로(3)도 열리게 되고, 열려진 공기통로(3)를 통과한 공기유량이 연료전지스택으로 공급됨으로써 이루어진다.

이 경우, 스테핑 모터(10)가 1개 펄스신호로 약 1.8도 회전되고, 약 30:1의 감속비를 갖는 감속기(20)를 통해 플랩밸브(30)는 약 0.06도 회전되어진다.

그러므로, 연료전지스택으로 공급되는 공기유량은 공기통로(3)를 약 0.06도의 개도각으로 변화시켜주는 플랩밸브(30)를 통해 극히 정밀하게 제어된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 공기유량조절밸브는 스테핑모터(10)를 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 회로를 이루고, 차량시동(Key-On)후 연료전지스택으로 이어진 공기통로를 개폐하는 플랩밸브(30)가 수분의 결빙으로 열리지 않을 때 ECU의 제어에 의해 온(On)으로 전환되어 열을 발생시켜주는 능동히터(60)가 더 포함됨으로써, 플랩밸브(30)의 고착시에 만 능동히터(60)가 온(On)으로 전환될 수 있어 차량 시동(Key-On)과 동시에 작동될 때 발생되었던 밸브 내구성 저하와 불필요한 연료소모가 방지될 수 있다.

1 : 밸브하우징 2 : 하우징바디
3 : 공기통로 4 : 컨트롤박스
10 : 스테핑 모터 20 : 플랩밸브
30 : 감속기 31 : 스테핑기어
32 : 감속기어 33 : 밸브기어
40 : 메인기판 50 : 라쳇(Ratchet)
60 : 능동히터
70 : 밸브센서 80 : 디스플레이

Claims

연료전지스택으로 이어지는 공기통로의 열림각도 조절로 통과되는 공기유량을 제어하는 플랩밸브와, ECU(Engine Control Unit)의 제어로 회전되는 스테핑모터와, 상기 스테핑모터의 회전으로 상기 플랩밸브를 회전시켜주는 감속기가 구비된 공기유량조절밸브에 있어서,
상기 ECU와 회로를 이루도록 연결되고, 차량시동(Key-On) 후 상기 플랩밸브의 열림이 수분의 결빙에 의해 상기 ECU로 인식되지 못하면, 상기 ECU의 제어에 의해 온(On)으로 전환되어 발생되는 열로 상기 결빙을 녹여주는 능동히터;
가 더 포함된 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 능동히터는 상기 스테핑 모터와 상기 ECU의 회로가 구성되는 메인기판을 통해 상기 ECU로 제어되는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 스테핑 모터는 1 펄스신호에 해당하는 입력회전각도로 회전되고, 상기 감속기는 상기 입력회전각도를 상대적으로 더 작은 출력회전각도로 전환해주며, 상기 플랩밸브는 상기 감속기와 함께 상기 출력회전각도로 회전되어 상기 공기통로를 열어 주거나 닫아주고, 상기 스테핑 모터의 온(On)시 함께 온(On)되는 라쳇(Ratchet)이 상기 감속기의 구속 상태를 해제하며, 상기 감속기의 회전이 밸브센서모듈의 신호값으로 검출되어 상기 ECU로 전송되며, 밸브 작동상태가 표시되는 디스플레이가 상기 ECU의 출력신호로 작동되도록 구성
된 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브.
차량시동(Key-On)이 수행되면, ECU에서 공기유량제어밸브의 작동을 위한 밸브 구동신호(Command Signal)가 발생되고, 연료전지스택으로 이어지는 공기통로의 열림각도를 조절하는 플랩밸브와 연결된 감속기를 구속하고 있던 라쳇과 스테핑 모터를 모두 온(On)상태로 전환시켜주는 밸브구동단계;
상기 ECU는 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태가 확인될 경우 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 반면, 상기 정상 작동상태가 확인 되지 않을 경우 정상 작동상태 확인을 위해 대기시간을 갖는 밸브체크단계;
상기 대기시간 후, 상기 ECU는 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태가 확인될 경우 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주는 반면, 상기 정상 작동상태가 확인 되지 않을 경우 상기 플랩밸브의 고착상태로 판단하는 이중밸브체크단계;
상기 플랩밸브의 고착상태로 판단되면, 상기 ECU는 히터를 온(On)으로 전환시켜주는 히터가동단계;
상기 히터의 온(On)전환 후, 상기 ECU는 상기 스테핑 모터를 반복적으로 온(On) 및 오프(Off)하여 모터 토글(Motor Toggle)을 수행하는 밸브작동시도단계;
상기 모터 토글 수행으로 상기 플랩밸브가 작동되고, 이를 인식한 상기 ECU가 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태를 확인하면, 상기 ECU는 히터를 오프(Off)로 전환시켜주는 히터중지단계;
상기 히터의 오프(Off)전환 후, 상기 ECU는 운전자가 인식할 수 있는 디스플레이로 OK신호를 보내주고, 상기 공기유량제어밸브의 작동상태확인을 중지하는 밸브체크중지단계;
상기 작동상태확인이 중지되면, 상기 ECU는 상기 라쳇과 상기 스테핑 모터 및 상기 히터를 모두 오프(Off)상태로 전환시켜주는 밸브체크완료단계;
가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 밸브체크단계에서, 상기 공기유량제어밸브의 정상 작동상태 확인은 밸브 개폐신호를 검출하는 홀센서로 판단되는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 밸브체크단계에서, 상기 대기시간은 초(Second)단위인 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 이중밸브체크단계에서, 상기 플랩밸브의 고착상태판단은 외부온도환경이 수분의 결빙온도 이하일 때, 고착상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 히터가동단계에서, 상기 히터의 가동시간은 초(Second)단위인 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 밸브작동시도단계에서, 상기 모터 토글은 상기 히터의 온(On)전환 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 밸브체크완료단계가 끝나면, 상기 ECU는 상기 연료전지스택의 운전조건에 맞춰 요구되는 공기유량이 공급되도록 상기 스테핑 모터에 펄스신호를 보내 상기 플랩밸브의 개도각을 제어하는 밸브정상제어단계;
가 수행되는 것을 특징으로 하는 공기유량조절밸브에 구비된 능동히터 제어방법.