KR20210057623A - 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 복수의 수소 압력센서를 이용하여 연료전지스택에 수소가 원활하게 공급되고 있는지를 진단하고, 상기 진단 결과에 기초하여 연료전지시스템의 셧다운(shut down) 여부를 결정함으로써, 비정상적인 수소 공급에 따른 연료전지스택의 열화를 방지할 수 있는 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지시스템의 고장 진단 장치에 있어서, 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및 상기 제1 압력센서에 의해 측정된 제1 압력값과 상기 제2 압력센서에 의해 측정된 제2 압력값에 기초하여 수소의 공급상태를 1차 진단하고, 제1 입력값과 제2 입력값 간 차이의 절대값에 기초하여 수소의 공급상태를 2차 진단하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR DIAGNOSING FAILURE OF FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지차량에 탑재된 연료전지시스템의 고장을 진단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
한편, 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력은 연료전지시스템의 성능을 결정짓는 매우 중요한 제어 인자 중 하나이다.
일례로, 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력이 높으면 산소극측으로 수소가 Cross-over 되는 현상이 발생하여 연비를 악화시키고, 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력 낮으면 차량에서 요구하는 출력을 낼 수 없을 뿐만 아니라 촉매의 손상을 유발하여 연료전지스택의 열화를 가속시킨다. 참고로, 산소극측으로 Cross-over 된 수소는 아무런 반응없이 공기에 의해 방출된다.
종래의 연료전지시스템의 고장 진단 기술은 복수의 수소 압력센서에 의해 측정된 각 압력치 자체에 대한 검증 없이 각 압력치의 편차를 이용하여 연료전지시스템의 고장을 진단하기 때문에 실제 연료전지시스템의 고장이 아닌 경우에도 고장으로 오진(misdiagnosis)하는 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 복수의 수소 압력센서를 이용하여 연료전지스택에 수소가 원활하게 공급되고 있는지를 진단하고, 상기 진단 결과에 기초하여 연료전지시스템의 셧다운(shut down) 여부를 결정함으로써, 비정상적인 수소 공급에 따른 연료전지스택의 열화를 방지할 수 있는 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지시스템의 고장 진단 장치에 있어서, 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및 상기 제1 압력센서에 의해 측정된 제1 압력값과 상기 제2 압력센서에 의해 측정된 제2 압력값에 기초하여 수소의 공급상태를 1차 진단하고, 제1 입력값과 제2 입력값 간 차이의 절대값에 기초하여 수소의 공급상태를 2차 진단하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최소값이 제1 임계치 이상이면 수소의 공급상태를 정상으로 1차 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과한 상태가 제1 임계시간을 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는 연료전지시스템의 시동시 수소공급계통이 정상적으로 동작하는 상태에서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만이면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료할 수 있다. 이때, 상기 현재압력값은 상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제어부는 연료전지시스탬의 시동시 수소공급계통이 제2 임계시간 동안 이상이 없으면서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만인 상태가 제3 임계시간 유지되면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료할 수 있다. 이때, 상기 현재압력값은 상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제어부는 연료전지시스템의 운전중에 제1 압력값과 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값에 기초하여 수소의 공급상태를 진단할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 수소의 공급상태를 비정상으로 진단한 경우, [수학식 1]에 기초하여 최종 목표압력값(TP)을 산출할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 있어서, 제1 압력센서가 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 단계; 제2 압력센서가 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 단계; 제어부가 상기 제1 압력센서에 의해 측정된 제1 압력값과 상기 제2 압력센서에 의해 측정된 제2 압력값에 기초하여 수소의 공급상태를 1차 진단하는 단계; 및 상기 제어부가 제1 입력값과 제2 입력값 간 차이의 절대값에 기초하여 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수소의 공급상태를 1차 진단하는 단계는, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최소값이 제1 임계치 이상이면 수소의 공급상태를 정상으로 1차 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계는, 상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계는, 상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과한 상태가 제1 임계시간을 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은, 연료전지시스템의 시동시 수소공급계통이 정상적으로 동작하는 상태에서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만이면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 현재압력값은 상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은, 연료전지시스탬의 시동시 수소공급계통이 제2 임계시간 동안 이상이 없으면서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만인 상태가 제3 임계시간 유지되면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 현재압력값은 상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은, 연료전지시스템의 운전중에 제1 압력값과 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값에 기초하여 수소의 공급상태를 진단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 수소의 공급상태를 비정상으로 진단한 경우, [수학식 1]에 기초하여 최종 목표압력값(TP)을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법은, 복수의 수소 압력센서를 이용하여 연료전지스택에 수소가 원활하게 공급되고 있는지를 진단하고, 상기 진단 결과에 기초하여 연료전지시스템의 셧다운(shut down) 여부를 결정함으로써, 비정상적인 수소 공급에 따른 연료전지스택의 열화를 방지할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지시스템의 구조를 나타내는 도면,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 장치에 대한 구성도,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제1 흐름도,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제2 흐름도,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제3 흐름도,
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 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 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 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 1 은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지시스템의 구조를 나타내는 도면으로서, 본 발명의 일 실시예의 취지에 부합하는 수소공급계통(수소공급시스템)을 중점적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 연료전지시스템은 FBV(100), FSV(110), FEJ(120), 제1 압력센서(FUEL PRESSURE SENSOR, 130), 제2 압력센서(131), 연료전지스택(FCS, 140), FPV(150), FWT(160), FL20(170), FDV(180) 등을 포함할 수 있다.
FBV(100)는 수소차단밸브(FUEL BLOCK VALVE)로서 연료전지스택(140)에 공급되는 수소를 차단하는 역할을 수행한다.
FSV(110)는 수소공급밸브(FUEL SUPPLY VALVE)로서 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력을 조절하는 역할을 수행한다.
FEJ(120)는 수소배출기(FUEL EJECTOR)로서 수소에 압력을 가하여 연료전지스택(140)에 공급하는 역할을 수행한다.
제1 압력센서(130)는 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력을 측정하는 역할을 수행한다.
제2 압력센서(131)는 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력을 측정하는 역할을 수행한다.
연료전지스택(140)은 수소와 산소의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산한다.
FPV(150)는 연료라인 퍼지밸브(FUEL-LINE PURGE VALVE)로서 연료전지스택(140) 내 수소극 응축수 및 불순물을 배출하는 역할을 수행한다.
FWT(160)는 워터 트랙(FUEL-LINE WATER TRAP)으로서 워터를 저장하는 역할을 수행한다.
FL20(170)은 수위 측정 센서(FUEL-LINE LEVEL SENSOR)로서 FWT(160)에 저장된 워터의 레벨을 측정하는 역할을 수행한다.
FDV(180)는 워터 배출 밸브(FUEL-LINE DRAIN VALVE)로서 FWT(160)에 저장된 워터를 배출하는 역할을 수행한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 장치에 대한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 장치(10)는, 저장부(11), 표시부(12), 및 제어부(13)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 장치(10)를 실시하는 방식에 따라 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구현될 수도 있고, 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(11)는 복수의 수소 압력센서(130, 131)를 이용하여 연료전지스택(140)에 수소가 원활하게 공급되고 있는지를 진단하고, 상기 진단 결과에 기초하여 연료전지시스템의 셧다운(shut down) 여부를 결정하는 과정에서 요구되는 각종 로직과 알고리즘 및 프로그램을 저장할 수 있다. 여기서, 연료전지시스템의 셧다운은 연료전지스택(140)에 수소 공급이 차단되어 연료전지스택(140)의 동작이 정지된 상태를 나타낸다.
저장부(11)는 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 압력값 또는 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값에 대한 제1 임계치(P1)를 저장할 수 있다. 여기서, 제1 임계치는 물리적으로 측정되기 어려운 압력값(일례로, 50kPa)으로 설정되는 것이 바람직하다.
저장부(11)는 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 압력값과 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값 간 차이에 대한 제2 임계치(P2)를 저장할 수 있다. 여기서, 제2 임계치(P2)는 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 압력값과 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값 간 차이로 인해, 연료전지스택(140)에 과도한 수소가 공급될 가능성이 있는 압력값(일례로, 30kPa)으로 설정되는 것이 바람직하다.
저장부(11)는 특정 조건을 만족하는 시간에 대한 제1 임계시간(일례로, 200ms)을 저장할 수 있다. 여기서, 제1 임계시간(T1)이 너무 길면 연료전지스택(140)에 과도한 수소가 공급되는 것을 방지할 수 없고, 상기 제1 임계시간(T1)이 너무 짧으면 오히려 오진을 유발할 수 있다.
또한, 저장부(11)는 연료전지시스템의 시동시 수소의 원활한 공급이 유지되는 시간에 대한 제2 임계시간(T2)을 저장할 수 있다. 여기서, 제2 임계시간(T2)는 일례로 2초로 설정될 수 있다.
저장부(11)는 연료전지시스템의 시동시 수소의 목표압력값(Target Pressure Value)을 저장할 수 있다. 여기서, 수소의 목표압력값은 일례로 130kPa로 설정될 수 있다.
저장부(11)는 수소의 목표압력값과 현재압력값(제1 압력센서(130) 또는 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값) 간 차이에 대한 제3 임계치(일례로, 10kPa)를 저장할 수 있다. 여기서, 제3 임계치(P3)가 너무 작은 값으로 설정되면 시동 실패 횟수가 증가하고, 너무 큰 값으로 설정되면 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력이 낮은 상태에서 시동이 완료될 수 있다. 이는 역전압을 발생시켜 연료전지스택(140)의 열화를 가속시킨다.
저장부(11)는 수소의 목표압력값과 현재압력값(제1 압력센서(130) 또는 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값) 간 차이가 제3 임계치(P3)를 초과하는 상태를 유지하는 시간에 대한 제3 임계시간(T3)을 저장할 수 있다. 여기서, 제3 임계시간(T3)는 일례로 500ms로 설정될 수 있다.
또한, 저장부(11)는 연료전지시스템의 운전중(in operation)에 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 압력값 및 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값에 대한 제4 임계치(일례로, 100kPa)를 저장할 수 있다. 여기서, 제4 임계치(P4)는 연료전지시스템의 운전중에 고장 진단의 수행 여부를 결정하는데 이용되는 값이다.
저장부(11)는 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 압력값 및 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 압력값 간 차이의 이동평균값에 대한 제5 임계치(일례로, 4kPa)를 저장할 수 있다. 여기서, 제5 임계치(P5)가 너무 크게 설정되면 수소 부족상태에서 연료전지시스템의 운전이 지속될 수 있으며, 너무 작게 설정되면 과도한 수소가 공급되어 연비를 저하시킬 수 있다.
한편, 저장부(11)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
표시부(12)는 클러스터, HUD(Head Up Display), AVN(Audio Video Navigation) 시스템 등으로 구현될 수 있으며, 연료전지시스템의 고장 진단 결과를 사용자에게 제공할 수 있다.
제어부(13)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다. 이러한 제어부(13)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어의 형태로 구현되거나, 또는 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(13)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 제어부(13)는 복수의 수소 압력센서(130, 131)를 이용하여 연료전지스택(140)에 수소가 원활하게 공급되고 있는지를 진단하고, 상기 진단 결과에 기초하여 연료전지시스템의 셧다운(shut down) 여부를 결정하는 과정에서 요구되는 각종 제어를 수행할 수 있다.
제어부(13)는 타이머 기능을 수행할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 제어부(13)의 동작에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제1 흐름도이다.
먼저, 제어부(13)는 연료전지스택(140)에 수소가 공급되면 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 제1 압력값과 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 제2 압력값 중에서 최소값(Pm)을 검출한다(301, 302). 이때, 제1 압력센서(130)와 제2 압력센서(131)는 주기적으로 연료전지스택(140)에 공급되는 수소의 압력을 측정할 수 있다.
이후, 제어부(13)는 상기 검출한 최소값(Pm)이 제1 임계치(P1) 미만인지 판단한다(303).
상기 판단결과(303), 상기 검출한 최소값(Pm)이 제1 임계치 미만이 아니면, 제어부(13)는 제1 압력센서(130)의 상태와 제2 압력센서(131)의 상태를 모두 정상으로 판단하여 '302' 과정으로 진행한다.
상기 판단결과(303), 상기 검출한 최소값(Pm)이 제1 임계치 미만이면, 제어부(13)는 제1 압력값과 제2 압력값 간 차이의 절대값(Pa)을 산출한다(304).
이후, 제어부(13)는 상기 산출한 절대값(Pa)이 제2 임계치(P2)를 초과하는지 판단한다(305).
상기 판단결과(305), 상기 산출한 절대값(Pa)이 제2 임계치(P2)를 초과하지 않으면, 제어부(13)는 제1 압력센서(130)의 상태와 제2 압력센서(131)의 상태를 모두 정상으로 판단하여 '302' 과정으로 진행한다.
상기 판단결과(305), 상기 산출한 절대값(Pa)이 제2 임계치(P2)를 초과하면, 제어부(13)는 연료전지시스템에 고장이 발생(수소의 공급이 비정상)한 것으로 판단하여 수소 공급을 차단한다(306). 이때, 제어부(13)는 상기 검출한 최소값(Pm)이 제1 임계치(P1) 미만이면서 상기 산출한 절대값(Pa)이 제2 임계치(P2)를 초과한 상태가 제1 임계시간(T1)을 초과하면, 연료전지시스템에 고장이 발생한 것으로 판단하여 수소 공급을 차단할 수도 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제2 흐름도이다.
먼저, 제어부(13)는 연료전지시스템의 시동시(401), 도 1에 도시된 바와 같은 연료전지시스템 내 수소공급계통이 정상적으로 동작하는지 확인한다(402). 이때, 제어부(13)는 연료전지시스템의 시동시 연료전지스택(140)에 수소가 정상적으로 공급되고 있는지 수소공급계통의 제어기를 통해 확인할 수 있다.
상기 확인결과(402), 내 수소공급계통에 이상이 있으면 제어부(13)는 연료전지시스템의 시동을 중단한다(403).
상기 확인결과(402), 수소공급계통에 이상이 없으면 제어부(13)는 시동시의 목표압력값(고정값)에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치(P3) 미만인지를 판단한다(404). 여기서, 현재압력값은 센서압력값으로서, 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 제1 압력값, 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 제2 압력값, 제1 압력값과 제2 압력값 중 최대값, 제1 압력값과 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
상기 판단결과(404), 시동시의 목표압력값(고정값)에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치(P3) 미만이 아니면, 제어부(13)는 연료전지시스템의 시동을 중단한다(403).
상기 판단결과(404), 시동시의 목표압력값(고정값)에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치(P3) 미만이면, 제어부(13)는 연료전지시스템의 시동을 완료한다(405). 이때, 제어부(13)는 수소공급계통이 제2 임계시간 동안 이상이 없으면서 시동시의 목표압력값(고정값)에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치(P3) 미만인 상태가 제3 임계시간(T3) 유지되면 연료전지시스템의 시동을 완료할 수도 있다.
이러한 제2 흐름도의 진단 과정은 제1 흐름도의 진단 과정이 수행되는 도중에 추가로 수행될 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법에 대한 제3 흐름도이다.
먼저, 제어부(13)는 연료전지시스템의 운전중에 요구 출력에 상응하는 목표압력값(TP1)을 산출한다(501).
이후, 제어부(13)는 현재압력값이 제4 임계치(P4)를 초과하는지 판단한다(502). 여기서, 현재압력값은 센서압력값으로서, 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 제1 압력값, 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 제2 압력값, 제1 압력값과 제2 압력값 중 최대값, 제1 압력값과 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나일 수 있다.
상기 판단결과(502), 현재압력값이 제4 임계치(P4)를 초과하지 않으면, 제어부(13)는 연료전지시스템에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단하여 상기 산출한 목표압력값(TP1)을 최종 목표압력값(TP)으로 설정한다(503).
상기 판단결과(502), 현재압력값이 제4 임계치(P4)를 초과하면 제어부(13)는 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 제1 압력값과 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값(E1)을 산출한다(504).
이후, 제어부(13)는 상기 산출한 이동 평균값(E1)이 제5 임계치(P5)를 초과하는지 판단한다(505).
상기 판단결과(505), 상기 산출한 이동 평균값(E1)이 제5 임계치(P5)를 초과하지 않으면, 제어부(13)는 연료전지시스템에 고장이 발생하지 않은 것으로 진단하여 상기 산출한 목표압력값을 최종 목표압력값으로 설정한다(503).
상기 판단결과(505), 상기 산출한 이동 평균값(E1)이 제5 임계치(P5)를 초과하면, 제어부(13)는 하기의 [수학식 1]에 기초하여 최종 목표압력값(TP)을 산출한다(506).
[수학식 1]
TP = TP1 + (A×E1)
여기서, TP1은 요구 출력에 상응하는 목표압력값, E1은 제1 압력센서(130)에 의해 측정된 제1 압력값과 제2 압력센서(131)에 의해 측정된 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값을 나타낸다. 이때, A는 0<A<1을 만족하는 상수값(가중치)으로서 일례로 0.5일 수 있다.
한편, 제어부(13)는 연료전지시스템의 동작이 정지된 상태에서, 이동 평균값(E1)이 제5 임계치(P5)를 초과한 이력이 있으면 제1 압력센서(130)와 제2 압력센서(131)의 측정 오차를 보정할 수도 있다.
이러한 제3 흐름도의 진단 과정은 제1 흐름도의 진단 과정이 수행되는 도중에 추가로 수행되거나, 제2 흐름도의 진단 과정이 수행된 이후에 수행될 수도 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 고장 진단 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive), 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 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 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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.
11: 저장부
12: 표시부
13: 제어부

Claims (20)

  1. 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제1 압력센서;
    연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및
    상기 제1 압력센서에 의해 측정된 제1 압력값과 상기 제2 압력센서에 의해 측정된 제2 압력값에 기초하여 수소의 공급상태를 1차 진단하고, 제1 입력값과 제2 입력값 간 차이의 절대값에 기초하여 수소의 공급상태를 2차 진단하는 제어부
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최소값이 제1 임계치 이상이면 수소의 공급상태를 정상으로 1차 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과한 상태가 제1 임계시간을 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    연료전지시스템의 시동시 수소공급계통이 정상적으로 동작하는 상태에서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만이면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 현재압력값은,
    상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    연료전지시스탬의 시동시 수소공급계통이 제2 임계시간 동안 이상이 없으면서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만인 상태가 제3 임계시간 유지되면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 현재압력값은,
    상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    연료전지시스템의 운전중에 제1 압력값과 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값에 기초하여 수소의 공급상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    수소의 공급상태를 비정상으로 진단한 경우, 하기의 [수학식 1]에 기초하여 최종 목표압력값(TP)을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 장치.
    [수학식 1]
    TP = TP1 + (A×E1)
    여기서, TP1은 요구 출력에 상응하는 목표압력값, E1은 이동 평균값, A는 가중치를 각각 나타낸다.
  11. 제1 압력센서가 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 단계;
    제2 압력센서가 연료전지스택에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 단계;
    제어부가 상기 제1 압력센서에 의해 측정된 제1 압력값과 상기 제2 압력센서에 의해 측정된 제2 압력값에 기초하여 수소의 공급상태를 1차 진단하는 단계; 및
    상기 제어부가 제1 입력값과 제2 입력값 간 차이의 절대값에 기초하여 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수소의 공급상태를 1차 진단하는 단계는,
    상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최소값이 제1 임계치 이상이면 수소의 공급상태를 정상으로 1차 진단하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계는,
    상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 수소의 공급상태를 2차 진단하는 단계는,
    상기 최소값이 제1 임계치 미만이면서 상기 절대값이 제2 임계치를 초과한 상태가 제1 임계시간을 초과하는 경우에 수소의 공급상태를 비정상으로 최종 진단하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    연료전지시스템의 시동시 수소공급계통이 정상적으로 동작하는 상태에서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만이면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 현재압력값은,
    상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    연료전지시스탬의 시동시 수소공급계통이 제2 임계시간 동안 이상이 없으면서, 목표압력값에서 현재압력값을 뺀 값이 제3 임계치 미만인 상태가 제3 임계시간 유지되면 상기 연료전지시스템의 시동을 완료하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 현재압력값은,
    상기 제1 압력값, 상기 제2 압력값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값 중 최대값, 상기 제1 압력값과 상기 제2 압력값의 평균값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    연료전지시스템의 운전중에 제1 압력값과 제2 압력값 간 차이의 이동 평균값에 기초하여 수소의 공급상태를 진단하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 이동 평균값에 기초하여 수소의 공급상태를 진단하는 단계는,
    수소의 공급상태를 비정상으로 진단한 경우, 하기의 [수학식 1]에 기초하여 최종 목표압력값(TP)을 산출하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 고장 진단 방법.
    [수학식 1]
    TP = TP1 + (A×E1)
    여기서, TP1은 요구 출력에 상응하는 목표압력값, E1은 이동 평균값, A는 가중치를 각각 나타낸다.
KR1020190144607A 2019-11-12 2019-11-12 연료전지시스템의 고장 진단 장치 및 그 방법 KR20210057623A (ko)

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