KR101567237B1 - 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 일반 도로 주행시와 험로 주행시를 구분하여 냉각수 부족 상태를 보다 정확하게 감지할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치되어 냉각수 흐름 압력을 검출하는 제1압력센서; 냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버 내 냉각수 수위를 감지하기 위한 수위센서 또는 냉각수 압력을 검출하는 제2압력센서; 상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 차량의 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직에 따라 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치, 및 이를 이용한 냉각수 부족 감지 방법이 개시된다.

Description

연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting lack of cooling water in the thermal management system for fuel cell}
본 발명은 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 도로 주행시와 험로 주행시를 구분하여 냉각수 부족 상태를 보다 정확하게 감지할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 반응기체의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 열을 외부로 방출시켜 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함한다.
통상의 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소 탱크에 저장된 고압 수소를 레귤레이터를 통해 압력 조절하여 연료전지 스택에 공급하고, 공기공급장치는 공기블로워에 의해 공급되는 공기를 가습기를 통해 가습한 후 연료전지 스택에 공급하도록 구성된다.
또한, 연료전지 차량은 주행을 위한 구동원으로 전기모터를 이용하고, 연료전지 스택 또는 배터리의 직류전압을 교류전압으로 변환하여 전기모터를 구동시키는 인버터를 가진다.
또한, 연료전지 스택은 반응기체인 수소와 산소의 전기화학 반응 과정에서 반응부산물로 열과 물을 배출하는데, 스택이 최적의 출력성능을 내도록 하기 위해서는 시동시나 운전 중 스택의 온도를 최적의 온도로 관리해주어야 하고, 스택 내부에서 생성된 물(스택 생성수)의 배출을 원활하게 해주어야 한다.
따라서, 시동시 스택 온도를 신속히 상승시키고 운전 중 스택 온도를 최적 온도로 유지시키며 스택 생성수를 외부로 배출하기 위한 열 및 물 관리 시스템의 이용이 필수적이다.
또한, 열 및 물 관리 시스템에서 연료전지 스택의 온도를 적정 온도로 유지하기 위한 장치 구성은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(11) 및 라디에이터 팬(12), 연료전지 스택(10)과 라디에이터(11) 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인(13), 라디에이터(11)를 통과하지 않도록 냉각수를 선택적으로 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(14) 및 3-웨이 밸브(15), 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프(16)를 포함한다.
이와 같은 연료전지 냉각 장치에서는 워터펌프(16)를 구동하여 연료전지 스택(10)과 라디에이터(11), 3-웨이 밸브(15) 사이의 냉각수 순환라인(13)을 따라 냉각수를 순환시키면서 스택 발전시에 발생하는 열을 라디에이터(11)를 통해 외부로 방출한다.
또한, 상기한 수냉식 냉각 장치에서 연료전지 스택(10)의 냉각을 위해 냉각수의 순환이 이루어지는 동안 라디에이터 팬(12)이 구동되고, 라디에이터(11)에서 라디에이터 팬(12)에 의해 유입되는 외기 또는 주행풍과의 열교환을 통해 냉각수의 열을 외부로 방출하게 된다.
이 과정에서 미도시된 제어기는 센서에 의해 검출되는 스택 온도를 입력받으며, 스택 냉각이 필요한 상황에서 스택 온도를 목표 온도로 유지하기 위해 워터펌프(16), 라디에이터 팬(12), 3-웨이 밸브(15) 등을 제어하여 냉각수를 통한 스택 냉각을 수행한다.
또한, 냉각수 순환라인(13)에는 연료전지 스택(10)의 온도를 적정 운전 온도로 신속히 승온시키기 위한 것으로서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수를 가열하는 히터(17)가 설치된다.
연료전지 스택(10)의 온도가 저온 상태인 경우, 3-웨이 밸브(15)의 열림방향을 제어하여 라디에이터 출구로부터 배출되는 냉각수를 차단하고, 워터펌프(16)가 바이패스 라인(14)을 통해 냉각수의 흡입 및 펌핑, 순환이 이루어지도록 함과 동시에, 히터(17)를 작동시켜 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수를 가열하는바, 이를 통해 연료전지 스택을 신속히 웜업(warm-up)시키게 된다.
또한, 라디에이터의 상단에는 압력캡(18)을 통해 리저버(20)와의 사이에 냉각수 보충라인(19)이 연결되고, 냉각수가 저장되는 리저버(20)는 대기 개방식 구조로 구비됨과 더불어 내부에 수위센서(21)가 장착된다.
이러한 구성에서, 스택 냉각 루프의 냉각수가 소실될 경우, 워터펌프(16)의 전단 라인에 음압이 걸리면서 리저버(20) 내 냉각수가 냉각수 보충라인(19) 및 압력캡(18)을 통해 라디에이터(11)로 유입되어 소실된 냉각수를 보충하게 된다.
한편, 리저버(20) 내의 냉각수가 신속하게 배출될 때, 다량의 기포 발생 및 물의 출렁거림과 같은 반복적인 순환으로 인하여 리저버 내의 냉각수위를 검출하는 수위센서(21)가 오동작을 하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 공개특허 제10-2013-0124789호(2013.11.15)의 선행기술문헌에는 냉각수 순환라인에 압력센서를 장착하여 냉각수 흐름에 따른 압력센서 신호의 변화폭과 기울기 변화 횟수를 기준으로 냉각수 부족을 판단하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 상기 선행기술문헌에서는 라디에이터 상단에 냉각수 보충라인을 연결하되, 냉각수 보충라인이 연결되는 라디에이터 연결부에 일정 압력에 의해 열리게 되는 가압캡을 장착한다.
이에 연료전지 차량의 스택 냉각계가 라디에이터의 가압캡을 기준으로 스택 냉각 루프(가압 루프)의 밀폐계와 냉각수 보충라인 및 리저버(상압 루프)를 포함하는 대기 개방계로 구성된다.
이러한 구성에서 냉각수 보충시 리저버 내 냉각수가 가압캡을 통해 냉각수 순환라인으로 들어가고, 냉각수 고온시 수증기가 리저버 내로 들어가도록 하여 냉각수 유동 소음과 냉각수 증발량을 최소화한다.
그러나, 선행기술문헌에서와 같이 냉각수 순환라인에 설치된 압력센서의 신호를 이용하는 기술에서는 냉각수의 완충 상태임에도 험로 주행시 차량의 심한 진동으로 인해 압력센서의 신호가 흔들려 냉각수의 부족 상태인 것으로 오진단을 하게 되는 단점이 있다.
이와 같은 험로 주행시의 냉각수 부족 오진단을 해결하기 위해 냉각수 부족을 감지하는 로직의 감지 민감도를 상기 선행기술문헌에서 제시하고 있는 바와 같이 완화시켜 적용할 수 있다.
즉, 큰 기준값(기울기값의 부호 변화 횟수와 비교하기 위한 기준횟수, 전후 데이터의 압력차와 비교하기 위한 기준압력치)을 적용하여 압력센서 신호의 변화폭과 기울기값의 부호 변화 횟수로부터 냉각수 부족을 감지하도록 함으로써 감지 민감도를 둔화시키는 것이다.
그러나, 이러한 완화된 감지 민감도를 적용하면 실제 소량의 냉각수가 부족한 상태임에도 냉각수 부족을 진단하지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0124789호(2013.11.15)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 일반 도로 주행시와 험로 주행시를 구분하여 냉각수 부족 상태를 보다 정확하게 감지할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치되어 냉각수 흐름 압력을 검출하는 제1압력센서; 냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버 내 냉각수 수위를 감지하기 위한 수위센서 또는 냉각수 압력을 검출하는 제2압력센서; 상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 차량의 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직에 따라 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치된 제1압력센서를 통해 냉각수 흐름 압력을 검출하는 단계; 냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버에 설치된 수위센서 또는 제2압력센서를 통해 리저버 내 냉각수 수위를 감지하거나 냉각수 압력을 검출하는 단계; 상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태인지를 확인하여 차량의 험로 주행 여부를 판단하는 단계; 및 상기 험로 주행 여부의 판단 결과에 따라 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직을 선택 이용하여 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치 및 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있게 된다.
종래의 냉각수 부족 판단 로직에서는 일반 도로와 험로 주행의 구분 없이 단일 변수의 로직 적용으로 실제 냉각수의 양이 부족함에도 이를 진단하지 못하는 오진단의 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 냉각수 부족 판단 로직을 이원화하여 일반 도로와 험로 주행을 구분한 뒤 도로 주행 조건에 따라 로직을 선택 적용함으로써 오진단의 문제점을 해결할 수 있다.
특히, 도로 주행 조건에 따라 로직의 감지 민감도를 조절할 수 있기 때문에 일반 도로 주행시 민감도를 향상시켜 미세 냉각수 누출량에 대해서도 냉각수 부족 판단이 가능하며, 결국 냉각수 부족으로 인한 방열 성능 저하, 연료전지 스택의 핫 스팟(hot spot) 발생 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 험로 주행 여부뿐만이 아니라 험로 정도에 따라 로직의 기준값(기준횟수 및 기준압력치)을 세부적으로 튜닝하여 설정할 경우 여러 단계의 로직 설정 또한 가능하며, 이를 통해 험로 주행시에도 냉각수 부족 오진단을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 차량뿐만 아니라 수냉식의 냉각계를 적용하고 있는 모든 차량에서 적용이 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 열 관리 시스템의 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치를 적용한 열 관리 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 센서 신호를 이용하여 험로 주행 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 일반 도로 주행시와 험로 주행시 센서 신호를 비교하여 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치를 적용한 열 관리 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치를 적용한 열 관리 시스템의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치는 냉각수 순환라인(13)에 장착되어 냉각수 유동에 따른 압력을 검출하는 제1압력센서(22)를 포함한다.
본 발명에서는 제어기가 상기 제1압력센서(22)의 신호로부터 냉각수 부족 상태를 판단하며, 보다 상세하게는 미도시된 제어기가 상기 제1압력센서(22)로부터 입력되는 압력 검출 신호의 변화폭과 기울기 변화 횟수를 분석하여 냉각수 부족 상태를 감지한다.
또한, 일 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치는 리저버(20)의 상, 하 위치에 장착되는 수위센서(23,24)를 포함하며, 각 수위센서(23,24)는 물과 드라이(dry) 상태(물이 없는 상태)를 감지함에 따라 구분되는 전기적인 신호, 즉 드라이 신호와 물 감지 신호를 출력한다.
이하, 본 명세서에서 리저버(20)의 상측 위치에 설치되는 수위센서(23)를 상위 수위센서, 하측 위치에 설치되는 수위센서(24)를 하위 수위센서라 칭하기로 한다.
상기 두 수위센서(23,24)로는 광학식 수위센서가 사용될 수 있으며, 광학식 수위센서는 빛의 굴절원리를 이용하여 동작하는 센서로서, 리저버(20)에 삽입되어 냉각수로 빛을 방출하는 발광부, 그 빛을 수신하는 수광부를 가지며, 통상의 광학식 수위센서에서와 같이 발광부에서 수광부로 빛이 굴절될 수 있도록 하는 프리즘 구조를 가진다.
상기 광학식 수위센서는 냉각수가 있을 때와 냉각수가 없을 때(드라이 상태)의 광도 차이를 구분하여 리저버(20) 내 냉각수의 존재 유무를 나타내는 전기적인 신호를 출력하며, 이 전기적인 신호, 즉 드라이 신호와 물 감지 신호를 제어기가 수신하게 된다.
제어기는 냉각수 부족 상태를 감지하기 위해 두 수위센서(23,24), 즉 상위 수위센서(23)와 하위 수위센서(24)의 신호로부터 차량이 일반 도로(험로가 아닌 평탄로)를 주행하고 있는 상태인지, 아니면 험로를 주행하고 있는 상태인지를 1차적으로 판단한다.
도 3을 참조하여 센서 신호를 이용한 주행 상태 판단 방법을 설명하면, 개방형 리저버(20)에 상위 수위센서(23)와 하위 수위센서(24)를 설치하면, 일반 도로(평탄로) 주행시에는 상위 수위센서(23)의 경우 드라이 신호를, 하위 수위센서(24)의 경우 물 감지 신호를 출력하게 된다.
반면, 도 3의 수위 변동선('a', 'b')과 같이 리저버(20) 내 냉각수의 출렁거림으로 인한 수위의 심한 요동이 발생하므로 두 수위센서(23,24) 모두가 드라이 신호와 물 감지 신호를 반복적으로 출력하게 된다.
따라서, 수위센서(23,24)의 신호로부터 리저버(20) 내 냉각수 수위가 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 제어기에서 차량의 험로 주행시인 것으로 판단할 수 있다.
이에 본 발명에서 제어기는 수위센서(23,24)를 통해 수위 증감 변동이 거의 없는 상태를 감지할 경우, 보다 상세히는 상위 수위센서(23)로부터 드라이 신호가, 하위 수위센서(24)로부터 물 감지 신호가 지속적으로 입력될 경우, 차량이 일반 도로 주행시인 것으로 판단하도록 설정된다.
또한, 상기 제어기는 수위센서(23,24)를 통해 냉각수 수위가 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때를 감지할 경우, 보다 상세히는 두 수위센서(23,24)로부터 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우, 차량이 험로 주행시인 것으로 판단하도록 설정된다.
이때, 수위센서(23,24)를 통해 감지되는 상술한 수위 변동 상태로부터 차량의 험로 주행 여부를 판단하기 위해 상위 수위센서(23)와 하위 수위센서(24)는 리저버(20)에서 반대쪽 양 측면에 설치될 수 있다.
또한, 상위 수위센서(23)로부터 드라이 신호가, 하위 수위센서(24)로부터 물 감지 신호가 지속적으로 입력될 경우 일반 도로 주행시인 것으로 판단하지만, 상위 수위센서(23)에서만 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우 험로 주행시인 것으로 판단하도록 설정될 수도 있다.
도 4는 일반 도로 주행시와 험로 주행시 센서 신호를 비교하여 나타낸 것으로, (a)에 나타낸 바와 같이 일반 도로 주행시 상위 수위센서(23)는 드라이 신호('dry'), 하위 수위센서(24)는 물 감지 신호('wet')를 출력하지만, (b)에 나타낸 바와 같이 험로 주행시에는 두 수위센서(23,24) 모두가 드라이 신호와 물 감지 신호를 반복적으로 출력함을 보여주고 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 부족 감지 장치를 적용한 열 관리 시스템의 구성도로서, 리저버(20)에 수위센서를 설치하는 대신 압력센서(25)를 적용한 실시예를 나타내고 있다.
리저버(20) 내 하단부 위치에 냉각수에 의해 가해지는 압력을 검출하는 제2압력센서(25)를 설치하며, 제어기가 제2압력센서(25)의 신호로부터 일반 도로 주행시와 험로 주행시를 구분하여 판단하게 된다.
이때, 제어기는 제2압력센서(25)에 의해 검출되는 압력값(리저버 내 냉각수 압력)이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 차량의 험로 주행시인 것으로 판단한다.
좀더 설명하면, 일반 도로 주행시에는 리저버(20) 내 냉각수의 출렁거림이 거의 없고 수위의 심한 요동이 발생하지 않으므로 제2압력센서(25)의 신호값은 큰 변동이나 흔들림 없이 거의 일정한 수준이 된다.
반면, 험로 주행시에는 리저버(20) 내 냉각수의 출렁거림으로 인해 수위의 심한 요동이 발생하므로 제2압력센서(25)의 신호에 있어서 기준 이상의 심한 흔들림이 발생한다.
따라서, 압력센서(제2압력센서)를 이용하는 경우, 제어기는 제2압력센서(25)를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수와 변화폭(전후 데이터의 압력차)이 각각 설정된 기준횟수와 기준압력치 이상일 경우 험로 주행시인 것으로, 그렇지 않을 경우 일반 도로 주행시인 것으로 판단하도록 설정된다.
한편, 본 발명에서는 차량의 험로 주행 여부에 따라 차별화된 로직을 선택 적용하여 냉각수 부족을 감지한다.
즉, 험로 주행 여부에 따라 냉각수 부족을 감지하는 로직의 감지 민감도를 조절하는 것으로, 냉각수 부족을 판단함에 있어서 제어기가 험로 주행을 인지한 상태에서는 감지 민감도를 완화시킨 로직을 이용하는 반면, 차량이 험로를 벗어나 다시 일반 도로를 주행할 경우 이를 인지하여 다시 감지 민감도를 향상시킨 로직을 이용하는 것이다.
먼저, 제1압력센서(22)에서 냉각수 흐름의 압력이 검출되고, 제1압력센서(22)의 압력 검출 신호를 제어기가 입력받는다.
상기 제어기는 제1압력센서(22)에 의해 검출되는 압력값(냉각수 순환라인의 냉각수 흐름 압력)이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 냉각수 부족시인 것으로 판단한다.
좀더 설명하면, 스택 냉각 루프에서의 냉각수 완충시에는 도 6에 나타낸 바와 같이 펌프 회전수(RPM)가 증가할 때 제1압력센서(22)에 의해 검출되는 냉각수 흐름 압력도 증가하고, 특히 냉각수 흐름 압력의 변동이 거의 없으므로 냉각수 부족이 아닌 것으로 판정할 수 있다.
반면, 스택 냉각 루프에서 냉각수 증발 내지 누출로 인해 냉각수가 부족한 경우 도 7에 나타낸 바와 같이 제1압력센서(22)에 의해 검출되는 냉각수 흐름 압력의 변화가 크게 발생하고, 특히 냉각수 흐름 압력의 반복적인 증감이 발생한다.
즉, 제1압력센서(22)에 의해 검출되는 냉각수 압력 변화의 기울기값 부호가 빈번히 바뀌고, 압력의 변화폭도 과도하게 발생하는 것이다.
따라서, 제1압력센서(22)의 검출 데이터를 수신하는 제어기에서 검출 데이터의 압력 변화의 기울기값 및 변화폭을 이용하여 냉각수 부족 여부를 판단할 수 있게 된다.
실시예에서 제어기는 제1압력센서(22)를 통해 실시간 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화와 전후 데이터의 압력차(변화폭)를 이용하여 냉각수 부족 여부를 진단한다.
좀 더 상세하게는, 제어기가 일반 도로 주행시를 판단한 경우, 감지 민감도 향상 로직을 적용하여, 제어기에서 5초간 수신한 제1압력센서(22)의 검출 데이터값을 Xn~Xn+9이라고 할 때, "[Xn +1-Xn의 부호가 제1기준횟수 이상 바뀜] and [abs(Xn +1-Xn)>제1기준압력치인 상태가 제2기준횟수 이상 발생]" 이면 제어기에서 냉각수가 부족하다는 1차 판정을 내리고, 운전자 경고를 위하여 클러스터의 경고등을 점등시키게 된다.
상기 감지 민감도 향상 로직에서 제1기준횟수와 제2기준횟수, 제1기준압력치는 각각 후술하는 감지 민감도 완화 로직의 제3기준횟수와 제4기준횟수, 제2기준압력치보다 작은 값으로 설정된다.
예를 들면, 제1기준횟수가 3회일 때 제3기준횟수는 5회로, 제2기준횟수가 2회일 때 제4기준횟수는 4회로, 그리고 제1기준압력치가 0.02bar일 때 제2기준압력치는 0.03bar로 각각 설정될 수 있다.
다음으로, 위와 같은 운전자 경고 단계 후, 냉각수가 계속해서 부족한 것으로 2차 판정되면 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 단계가 진행된다.
실시예에서, 상기와 같은 냉각수가 부족하다는 1차 판정횟수가 임계횟수 이상이면 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
예를 들어, 냉각수가 부족하다는 1차 판정횟수 총 10회 중 6회 이상 냉각수가 부족한 것으로 판정되어 경고등이 점등되면, 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
또는, 다른 실시예로서, 제1압력센서(22)에서 실시간 검출된 5개 이상의 연속 압력 데이터의 평균압력이 상압(1bar)이면서, 동시에 워터펌프(16)의 회전수(RPM)가 기준치 이상이면, 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
즉, 제어기에서 수신한 제1압력센서(22)의 압력 데이터값을 Xn~Xn + 9이라고 할 때, "[avg(Xn +5~Xn +9)=1(bar) and 워터펌프 회전수>1600(rpm)]" 이면 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
보다 상세하게는, 제1압력센서(22)에서 실시간 검출된 연속 압력 데이터 Xn~Xn +9 중 선택된 5개의 연속 데이터(Xn +5~Xn +9)의 평균압력(bar)이 상압(1bar) 조건을 만족하고, 동시에 워터펌프(16)의 회전수(rpm)가 기준치(1600rpm) 이상이면, 냉각수가 계속해서 부족한 것으로 2차 판정하여 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직이 진행된다.
이때, 상기 연속 데이터(Xn +5~Xn +9)의 평균압력이 1을 의미하는 것은 냉각수가 부족하여 냉각수 흐름 압력을 검출할 수 없는 상태이므로 상압을 의미한다.
한편, 제어기가 험로 주행시를 판단한 경우, 감지 민감도 완화 로직을 적용하여, 제어기에서 5초간 수신한 제1압력센서(22)의 검출 데이터값을 Xn~Xn + 9이라고 할 때, "[Xn +1-Xn의 부호가 제3기준횟수 이상 바뀜] and [abs(Xn +1-Xn)>제2기준압력치인 상태가 제4기준횟수 이상 발생]" 이면 제어기에서 냉각수가 부족하다는 1차 판정을 내리고, 운전자 경고를 위하여 클러스터의 경고등을 점등시키게 된다.
다음으로, 위와 같은 운전자 경고 단계 후, 냉각수가 계속해서 부족한 것으로 2차 판정되면 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 단계가 진행된다.
실시예에서, 상기와 같은 냉각수가 부족하다는 1차 판정횟수가 임계횟수 이상이면 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하며, 이는 일반 도로 주행시와 동일한 로직이 적용된다.
즉, 냉각수가 부족하다는 1차 판정횟수 총 10회 중 6회 이상 냉각수가 부족한 것으로 판정되어 경고등이 점등되면, 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
또는, 다른 실시예로서, 제1압력센서(22)에서 실시간 검출된 5개 이상의 연속 압력 데이터의 평균압력이 상압(1bar)이면서, 동시에 워터펌프(16)의 회전수(RPM)가 기준치 이상이면, 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
즉, 제어기에서 수신한 제1압력센서(22)의 압력 데이터값을 Xn~Xn + 9이라고 할 때, "[avg(Xn +5~Xn +9)=1(bar) and 워터펌프 회전수>1600(rpm)]" 이면 제어기에서 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직을 진행하게 된다.
보다 상세하게는, 제1압력센서(22)에서 실시간 검출된 연속 압력 데이터 Xn~Xn +9 중 선택된 5개의 연속 데이터(Xn +5~Xn +9)의 평균압력(bar)이 상압(1bar) 조건을 만족하고, 동시에 워터펌프(16)의 회전수(rpm)가 기준치(1600rpm) 이상이면, 냉각수가 계속해서 부족한 것으로 2차 판정하여 연료전지 스택(10)의 출력을 제한하는 로직이 진행된다.
이와 같이 하여, 종래의 냉각수 부족 판단 로직에서는 일반 도로와 험로 주행의 구분 없이 단일 변수의 로직 적용으로 실제 냉각수의 양이 부족함에도 이를 진단하지 못하는 오진단의 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 냉각수 부족 판단 로직을 이원화하여 일반 도로와 험로 주행을 구분한 뒤 도로 주행 조건에 따라 로직을 선택 적용함으로써 오진단의 문제점을 해결할 수 있다.
특히, 도로 주행 조건에 따라 로직의 감지 민감도를 조절할 수 있기 때문에 일반 도로 주행시 민감도를 향상시켜 미세 냉각수 누출량에 대해서도 냉각수 부족 판단이 가능하며, 결국 냉각수 부족으로 인한 방열 성능 저하, 연료전지 스택의 핫 스팟(hot spot) 발생 등의 문제점을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 험로 주행 여부뿐만이 아니라 험로 정도에 따라 로직의 기준값(기준횟수 및 기준압력치)을 세부적으로 튜닝하여 설정할 경우 여러 단계의 로직 설정 또한 가능하며, 이를 통해 험로 주행시에도 냉각수 부족 오진단을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 차량뿐만 아니라 수냉식의 냉각계를 적용하고 있는 모든 차량에서 적용이 가능하다.
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.
10 : 연료전지 스택 11 : 라디에이터
12 : 라디에이터 팬 13 : 냉각수 순환라인
14 : 바이패스 라인 15 : 3-웨이 밸브
16 : 워터펌프 17 : 히터
18a : 가압캡 19 : 냉각수 보충라인
20 : 리저버 22 : 제1압력센서
23 : 상위 수위센서 24 : 하위 수위센서
25 : 제2압력센서

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치되어 냉각수 흐름 압력을 검출하는 제1압력센서;
    냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버 내 냉각수 수위를 감지하기 위한 수위센서 또는 냉각수 압력을 검출하는 제2압력센서;
    상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 차량의 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직에 따라 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하며,
    상기 수위센서로서 리저버 상측 위치 및 하측 위치에 각각 설치되는 상위 수위센서와 하위 수위센서를 포함하고,
    상기 제어기는 상위 수위센서와 하위 수위센서에서 모두 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는 상위 수위센서로부터 드라이 신호가 입력되고 하위 수위센서로부터 물 감지 신호가 입력될 경우 차량이 평탄로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  4. 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치되어 냉각수 흐름 압력을 검출하는 제1압력센서;
    냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버 내 냉각수 수위를 감지하기 위한 수위센서 또는 냉각수 압력을 검출하는 제2압력센서;
    상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태일 때 차량의 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직에 따라 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하며,
    상기 수위센서로서 리저버 상측 위치 및 하측 위치에 각각 설치되는 상위 수위센서와 하위 수위센서를 포함하고,
    상기 제어기는 상위 수위센서로부터 드라이 신호가 입력되고 하위 수위센서로부터 물 감지 신호가 입력될 경우 차량이 평탄로 주행 상태인 것으로, 그리고 상위 수위센서에서 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태로서 제2압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 기설정된 기준횟수 이상이면서 전후 데이터의 압력차가 기준압력치 이상인 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수와 전후 데이터의 압력차가 각각 상기 기준횟수와 기준압력치 미만인 경우 평탄로 주행시인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  7. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 감지 로직은 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값과 변화폭을 이용하여 냉각수 부족 여부를 판단하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    차량이 평탄로 주행 상태인 것으로 판단한 경우,
    상기 감지 로직으로서, 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 제1기준횟수 이상이고, 동시에 전후 데이터의 압력차가 제1기준압력치 이상인 횟수가 제2기준횟수 이상이면, 냉각수 부족 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는,
    차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단한 경우,
    상기 감지 로직으로서, 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 제3기준횟수 이상이고, 동시에 전후 데이터의 압력차가 제2기준압력치 이상인 횟수가 제4기준횟수 이상이면, 냉각수 부족 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1기준횟수가 제3기준횟수보다 작고, 제2기준횟수가 제4기준횟수보다 작으며, 제1기준압력치가 제2기준압력치보다 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 장치.
  11. 삭제
  12. 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치된 제1압력센서를 통해 냉각수 흐름 압력을 검출하는 단계;
    냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버에 설치된 수위센서 또는 제2압력센서를 통해 리저버 내 냉각수 수위를 감지하거나 냉각수 압력을 검출하는 단계;
    상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태인지를 확인하여 차량의 험로 주행 여부를 판단하는 단계;
    상기 험로 주행 여부의 판단 결과에 따라 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직을 선택 이용하여 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 수위센서로서 리저버 상측 위치 및 하측 위치에 각각 설치되는 상위 수위센서와 하위 수위센서를 이용하고,
    상기 상위 수위센서와 하위 수위센서에서 모두 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 상위 수위센서로부터 드라이 신호가 입력되고 하위 수위센서로부터 물 감지 신호가 입력될 경우 차량이 평탄로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  14. 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환라인에 설치된 제1압력센서를 통해 냉각수 흐름 압력을 검출하는 단계;
    냉각수 보충을 위해 라디에이터에 연결된 리저버에 설치된 수위센서 또는 제2압력센서를 통해 리저버 내 냉각수 수위를 감지하거나 냉각수 압력을 검출하는 단계;
    상기 수위센서에 의해 검출된 리저버 내 냉각수 수위, 또는 상기 제2압력센서에 의해 검출된 냉각수 압력이 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태인지를 확인하여 차량의 험로 주행 여부를 판단하는 단계;
    상기 험로 주행 여부의 판단 결과에 따라 험로 주행시와 평탄로 주행시를 구분하여 각각 설정된 감지 로직을 선택 이용하여 제1압력센서를 통해 검출되는 냉각수 흐름 압력으로부터 냉각수 부족 여부를 판단하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 수위센서로서 리저버 상측 위치 및 하측 위치에 각각 설치되는 상위 수위센서와 하위 수위센서를 이용하고,
    상기 상위 수위센서로부터 드라이 신호가 입력되고 하위 수위센서로부터 물 감지 신호가 입력될 경우 차량이 평탄로 주행 상태인 것으로, 그리고 상위 수위센서에서 드라이 신호와 물 감지 신호가 반복적으로 입력될 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  15. 청구항 12 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 기설정된 기준수준 이상으로 반복 증감되는 상태로서 제2압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 기설정된 기준횟수 이상이면서 전후 데이터의 압력차가 기준압력치 이상인 경우 차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수와 전후 데이터의 압력차가 각각 상기 기준횟수와 기준압력치 미만인 경우 평탄로 주행시인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  17. 청구항 12 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 감지 로직은 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값과 변화폭을 이용하여 냉각수 부족 여부를 판단하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    차량이 평탄로 주행 상태인 것으로 판단한 경우,
    상기 감지 로직으로서, 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 제1기준횟수 이상이고, 동시에 전후 데이터의 압력차가 제1기준압력치 이상인 횟수가 제2기준횟수 이상이면, 냉각수 부족 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    차량이 험로 주행 상태인 것으로 판단한 경우,
    상기 감지 로직으로서, 제1압력센서를 통해 모니터링되는 연속된 압력 데이터 변화의 기울기값의 부호 변화 횟수가 제3기준횟수 이상이고, 동시에 전후 데이터의 압력차가 제2기준압력치 이상인 횟수가 제4기준횟수 이상이면, 냉각수 부족 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1기준횟수가 제3기준횟수보다 작고, 제2기준횟수가 제4기준횟수보다 작으며, 제1기준압력치가 제2기준압력치보다 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 부족 감지 방법.
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