KR101806696B1

KR101806696B1 - 워터트랩용 수위 감지 방법

Info

Publication number: KR101806696B1
Application number: KR1020160056187A
Authority: KR
Inventors: 심효섭; 권부길; 서호철; 장석윤
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사; 세종공업 주식회사
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-12-07
Also published as: KR20170126155A; DE102016225032A1; CN107359362A; US20170322067A1; CN107359362B

Abstract

본 발명은 연료전지 반응에 의하여 워터트랩 내에 모이는 물의 수위를 정확하게 출력할 수 있도록 한 연료전지의 워터트랩용 수위 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 수위센서 내에 별도의 온도센서를 장착하여 수위센서의 주변온도 변화를 감지하고, 감지된 온도를 기반으로 한 수위센서 출력값 보정 알고리즘을 통해 주변온도 변화에 관계없이 워터트랩 내 수위를 정확하게 출력할 수 있도록 한 워터트랩용 수위 감지 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

워터트랩용 수위 감지 방법{Device and method for detecting water level of water trap}

본 발명은 워터트랩용 수위 감지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 반응에 의하여 워터트랩 내에 모이는 물의 수위를 정확하게 출력할 수 있도록 한 연료전지의 워터트랩용 수위 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량의 주 에너지원은 연료전지 스택이라 부르는 발전장치로부터 기인하는데, 이 스택의 원리는 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 에너지를 발생시키는 장치이다.

상기 연료전지 스택의 연료극에 연료인 수소가, 공기극에 산화제인 공기가 공급되면, 연료극에서는 공급된 수소가 그 촉매층 산화 반응에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 발생된 수소이온은 스택내의 고분자 전해질막을 통하여, 전자는 외부 회로를 통해 공기극에 공급되며, 이에 공기극에서는 공급된 산소와 전자가 만나 촉매층 환원반응에 의해 산소이온이 생성되고, 상기 수소이온과 산소이온이 결합하여 물이 생성되는 원리를 통해 전기를 발생시키게 된다.

이때, 연료전지 스택 내에 생성된 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로, 연료전지 스택으로부터 제거가 필요하며, 이에 생성된 물은 연료전지 스택의 설계 구조상 중력에 의해 아래로 떨어지게 되어 워터트랩(Water Trap)에 모이게 된다.

상기 워터트랩 내에 모인 물은 일정 수위 이상이 되면, 이를 수위센서에서 감지하여 물을 외부로 배출시키기 위하여 드레인 밸브의 열림 제어가 이루어진다.

이와 같이, 워터트랩 내에 물이 저장되는 수위를 정확하게 감지해야, 현재 워터트랩 내의 수위를 정확하게 알 수 있고, 더불어 물을 외부로 배출시키는 시기를 정확하게 제어할 수 있다.

그러나, 상기 워터트랩에 장착되는 수위센서는 정전용량형 아날로그 수위센서로서, 상온 조건에서 정상적인 범위 내의 수위 출력을 나타내지만, 물의 온도 및 주변 환경 온도가 변할 경우 실제 수위와 다른 출력을 나타내는 문제점이 있다.

예를 들어, 물의 온도가 상승할수록 실제 수위보다 높게 출력되는 경향을 나타내는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수위센서 내에 별도의 온도센서를 장착하여 수위센서의 주변온도 변화를 감지하고, 감지된 온도를 기반으로 한 수위센서 출력값 보정 알고리즘을 통해 주변온도 변화에 관계없이 워터트랩 내 수위를 정확하게 출력할 수 있도록 한 워터트랩용 수위 감지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 워터트랩에 장착되는 수위센서; 상기 수위센서에 장착되는 온도센서; 및 상기 온도센서의 현재 감지온도에 따른 수위센서 출력값을 기준온도에 따른 수위센서 출력값으로 보정하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 온도센서는 수위센서의 전극 주변에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부에는 온도센서에서 감지된 현재 온도별로 수위센서 출력값을 기준온도에 따른 수위센서 출력값으로 보정하기 위한 보정값이 저장된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: ⅰ) 기준온도에서의 수위센서 출력 데이터를 취득하는 단계; ⅱ) 주변 온도별 수위센서 출력값 데이터를 취득하는 단계; ⅲ) 기준온도에서의 수위센서 출력값 기준으로, 주변 온도별 수위센서 출력값에 대한 보정값(K)을 산출하는 단계; 및 ⅳ) 산출된 보정값을 기반으로, 수위센서의 출력값을 주변온도별로 보정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법을 제공한다.

상기 ⅰ) 단계에서, 상기 수위센서 출력 데이터로서, 기준온도에서 워터트랩 내 수위가 저수위 및 만수위인 조건에 대한 수위센서 출력값, 저수위와 만수위 사이 구간에서의 수위센서 출력값이 취득되는 것을 특징으로 한다.

상기 ⅱ) 단계에서, 주변 온도별 수위센서 출력값 데이터는 워터트랩 내 수위가 저수위인 조건에서 취득되는 것을 특징으로 한다.

상기 ⅲ) 단계는: ⅲ-1) 온도센서를 포함하는 수위센서가 장착된 워터트랩을 환경챔버내에 배치한 상태에서, 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 낮은 온도(T_LOW)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 일정온도 간격으로 하여 기준온도(Ta)보다 높은 임의의 온도(T_HIGH)까지 상승시키되, 각 온도 스텝을 일정 시간 동안 유지시키며 상승시키는 과정; ⅲ-2) 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록하는 과정; ⅲ-3) 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출하는 과정; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 ⅲ-3) 단계 이후, ⅲ-4) 상기 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 높은 온도(T_HIGH)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 일정 온도 간격으로 하여 기준온도(Ta)보다 낮은 임의의 온도(T_LOW)까지 하강시키되, 각 온도 스텝을 일정 시간 동안 유지시키며 하강시키는 과정; ⅲ-5) 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록하는 과정; ⅲ-6) 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출하는 과정; ⅲ-7) 상기 ⅲ-3) 단계에서 산출된 보정값과 상기 ⅲ-6) 단계에서 산출된 보정값을 평균하여 최종 보정값을 산출하는 과정; 이 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 ⅳ 단계는: 온도센서에서 감지된 현재 온도(Tb)가 기준온도(Ta)와 다르면, 현재온도(Tb)에 해당하는 보정값(K)을 제어부의 메모리에서 찾고, 찾아진 보정값(K)을 반영한 수위센서 출력값을 출력하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 수위센서 내에 별도의 온도센서를 장착하여, 수위센서의 현재 주변온도 변화를 감지하고, 감지된 현재 온도별 수위센서 출력값이 기준온도에서의 수위센서 출력값에 맞게 보정되어 출력되도록 함으로써, 주변온도 변화에 관계없이 수위센서에서 워터트랩 내 수위를 항상 정확하게 출력할 수 있다.

둘째, 정전용량형 아날로그 수위센서의 수위를 지시하는 출력값에 대한 정확도를 향상시킬 수 있고, 기존에 수위센서가 물의 온도 및 주변 환경 온도가 변할 경우 실제 수위와 다른 출력을 나타내는 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 연료전지 시스템의 워터트랩 및 워터트랩에 장착된 기존 수위센서를 도시한 개략도,
도 2는 연료전지 시스템의 워터트랩 및 워터트랩에 장착된 본 발명의 수위센서를 도시한 개략도,
도 3은 워터트랩 내 수위에 따라 기준온도에서의 수위센서 출력값 변화를 도시한 그래프,
도 4는 워터트랩 내 수위가 저수위 조건일 때, 주변 온도별 수위센서 출력값 변화를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 수위 감지 방법으로서, 수위센서 출력값을 현재온도에 따라 보정하는 예를 도시한 그래프,
도 6은 특정수위에 대한 본 발명의 주변 온도별 수위센서 출력값을 기존 수위센서 출력값과 대비한 그래프,
도 7은 본 발명에서 수위센서 출력값에 대한 보정값(K)을 산출하는 예를 도시한 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 연료전지 시스템에 탑재되는 워터트랩과, 워터트랩에 장착되는 수위센서에 대한 작동 흐름을 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 연료전지 스택의 애노드쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 애노드의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 애노드의 입구단쪽으로 재순환된다.

이때, 상기 워터트랩(10)내에 모인 물의 수위는 워터트랩(10)에 장착된 수위센서(12)에서 실시간으로 감지하게 되고, 이 수위센서(12)는 수위 감지용 전극(12-1)과, 수위 감지 신호를 제어부에 전송하는 회로기판(12-2, PCB)으로 구성된다.

이에, 상기 제어부에서 수위센서(12)로부터 전송된 수위 감지신호를 기반으로 워터트랩(10) 내의 수위가 일정 수준 이상으로 판정하면, 워터트랩 바닥쪽의 드레인 밸브(14)를 열림 제어하여, 워터트랩 내의 물이 외부로 방출된다.

상기 워터트랩(10)에 장착되는 수위센서(12)는 정전용량형 아날로그 수위센서로서, 상온 조건에서 정상적인 범위 내의 수위 출력을 나타내지만, 물의 온도 및 주변 환경 온도가 변할 경우 실제 수위와 다른 출력을 나타내는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 수위센서 내에 별도의 온도센서를 장착하여 수위센서의 주변온도 변화를 감지하고, 감지된 온도를 기반으로 한 온도 보정 알고리즘을 통해 주변온도 변화에 관계없이 워터트랩 내 수위를 정확하게 출력할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

여기서, 본 발명에 따른 워터트랩용 수위센서 및 그 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 2를 참조하면, 상기 워터트랩(10)내 장착되는 수위센서(12)에 별도의 온도센서(20)가 장착된다.

상기 수위센서(12)는 수위 감지용 전극(12-1)과, 수위 감지 신호를 제어부에 전송하는 회로기판(12-2, PCB)으로 구성되는 정전용량형 아날로그 수위센서로 채택되고, 이 수위센서(12)의 전극(12-1) 인접부에 온도센서(20)가 장착된다.

상기 온도센서(20)를 수위센서(12)의 전극(12-1) 인접부에 장착하는 이유는 수위센서(12)의 출력값이 전극(12-1)의 온도에 영향을 받기 때문이다.

이에, 상기 온도센서(20)의 감지값을 이용하여 온도에 의해 영향을 받는 수위센서(12)의 출력값을 보정함으로써, 수위센서(12)의 출력값이 주변온도 변화에 관계없이 워터트랩 내 수위를 정확하게 지시하는 수준으로 출력될 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 수위센서의 출력값을 주변 온도에 따라 보정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 기준온도(Ta)에서 워터트랩 내 수위가 저수위(Empty) 및 만수위(Full)인 조건에 대한 수위센서의 출력 데이터를 취득한다.

상기 기준온도(Ta)에서 워터트랩 내 수위가 저수위(Empty) 및 만수위(Full)인 조건에 대한 수위센서 출력값(C1,C2), 그리고 저수위(Empty)와 만수위(Full) 사이 구간에서의 수위센서 출력값(C=f(x))은 첨부한 도 3에서 보듯이 거의 선형적으로 출력된다.

이에, 상기 기준온도(Ta)에서 워터트랩 내 수위가 저수위(Empty) 및 만수위(Full)인 조건에 대한 수위센서 출력값(C1,C2), 그리고 저수위(Empty)와 만수위(Full) 사이 구간에서의 수위센서 출력값(C=f(x)) 등이 제어부의 메모리에 저장된다.

다음으로, 상기 워터트랩 내 수위가 저수위인 조건에서 주변 온도별 수위센서 출력값 데이터를 취득한다.

이때, 저수위인 조건에서만 주변 온도별 수위센서 출력값을 취득하는 이유는 워터트랩 내 수위가 저수위 조건 뿐만 아니라, 저수위와 만수위 사이 조건, 만수위 조건에서도 주변 온도별로 수위센서 출력값이 동일하게 변하기 때문이다.

도 4를 참조하면, 상기 저수위(Empty) 조건에서 주변 온도별 수위센서 출력값 변화를 보면, 기준온도(Ta)에서의 출력값(C3) 대비 기준온도(Ta) 보다 낮은 온도(T_LOW)에서 낮게 출력되고, 기준온도(Ta)보다 높은 온도(T_HIGH)에서는 높게 출력되는 바, 이는 주변온도에 따라 수위센서의 출력값이 변하는 것을 나타내는 것이다.

이어서, 상기 기준온도(Ta)에서의 수위센서 출력값 기준으로, 주변 온도별(예를 들어, 전극 주변온도별) 수위센서 출력값에 대한 보정값(K)을 산출한다.

여기서, 상기 보정값(K)을 산출하는 방법에 대한 일례를 도 7의 순서도를 참조로 살펴보면 다음과 같다.

상기 온도센서를 포함하는 수위센서가 장착된 워터트랩을 환경챔버내에 배치한다(S101).

다음으로, 상기 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 낮은 온도(T_LOW)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 2℃ 간격으로 하여 기준온도(Ta) 보다 높은 임의의 온도(T_HIGH)까지 상승시키되, 각 온도 스텝당 최소 180초 유지시킨다(S102).

이때, 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록한다(S103).

이어서, 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출한다(S104).

한편, 상기 보정값(K) 산출의 정확도를 높이기 위하여, 상기 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 높은 온도(T_HIGH)로 셋팅한 후, 다시 한 번 보정값을 산출한다.

이를 위해, 상기 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 높은 온도(T_HIGH)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 2℃ 간격으로 하여 기준온도(Ta) 보다 낮은 임의의 온도(T_LOW)까지 하강시키되, 각 온도 스텝당 최소 180초 유지시킨다(S105).

이때에도 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록한다(S106).

마찬가지로, 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출한다(S107).

이렇게 상기 보정값을 산출하는 단계를 2회 반복하고, 2회 반복된 결과값을 평균화하여 최종 보정값(K)을 산출하게 된다(S108).

위와 같이 최종 산출된 보정값(K)은 테이블화 또는 수식화되어 제어기의 메모리에 저장된다.

따라서, 상기와 같이 산출된 보정값을 기반으로, 수위센서의 출력값을 주변온도별로 보정할 수 있다.

보다 상세하게는, 도 5에서 보듯이 온도센서에서 감지된 현재 온도(Tb)가 기준온도(Ta)와 다르면, 현재온도(Tb)에 해당하는 보정값(K)을 제어부의 메모리에서 찾고, 찾아진 보정값(K)을 반영한 수위센서 출력값을 출력한다.

예를 들어, 기준온도(Ta)가 10℃이고, 기준온도(Ta) 10℃에서의 수위센서 출력값이 100이라 가정하고, 온도센서에서 감지된 현재 온도(Tb)가 -10℃ 이고, 현재 온도(Tb) -10℃에서의 수위센서 출력값이 50이라 가정하면, 보정값은 50이 되고, 결국 보정값 50이 반영된 수위센서 출력값은 100이 된다.

이와 같이, 수위센서 내에 별도의 온도센서를 장착하여, 수위센서의 현재 주변온도 변화를 감지하고, 감지된 현재 온도별 수위센서 출력값이 기준온도에서의 수위센서 출력값에 맞게 보정되어 출력되도록 함으로써, 주변온도 변화에 관계없이 수위센서에서 워터트랩 내 수위를 항상 정확하게 출력할 수 있다.

다시 말해서, 기존에는 특정수위에 대한 주변 온도별 수위센서 출력값이 도 6에서 보듯이 기준온도(Ta)에서의 출력값 대비 달라지지만, 본 발명에 따르면 주변 온도에 관계없이 특정수위에서의 수위센서 출력값이 기준온도(Ta)에서의 출력값 대비 일정하게 출력될 수 있고, 결국 정전용량형 아날로그 수위센서의 수위를 지시하는 출력값에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다.

10 : 워터트랩
12 : 수위센서
12-1 : 전극
12-2 : 회로기판
14 : 드레인밸브
20 : 온도센서

Claims

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ⅰ) 기준온도에서의 수위센서 출력 데이터를 취득하는 단계;
ⅱ) 주변 온도별 수위센서 출력값 데이터를 취득하는 단계;
ⅲ) 기준온도에서의 수위센서 출력값 기준으로, 주변 온도별 수위센서 출력값에 대한 보정값(K)을 산출하는 단계; 및
ⅳ) 산출된 보정값을 기반으로, 수위센서의 출력값을 주변온도별로 보정하는 단계;
를 포함하고,
상기 ⅲ) 단계는:
ⅲ-1) 온도센서를 포함하는 수위센서가 장착된 워터트랩을 환경챔버내에 배치한 상태에서, 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 낮은 온도(T_LOW)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 일정온도 간격으로 하여 기준온도(Ta)보다 높은 임의의 온도(T_HIGH)까지 상승시키되, 각 온도 스텝을 일정 시간 동안 유지시키며 상승시키는 과정;
ⅲ-2) 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록하는 과정;
ⅲ-3) 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출하는 과정;
으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서, 상기 수위센서 출력 데이터로서, 기준온도에서 워터트랩 내 수위가 저수위 및 만수위인 조건에 대한 수위센서 출력값, 저수위와 만수위 사이 구간에서의 수위센서 출력값이 취득되는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서, 주변 온도별 수위센서 출력값 데이터는 워터트랩 내 수위가 저수위인 조건에서 취득되는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법.
삭제
청구항 4에 있어서,
상기 ⅲ-3) 단계 이후,
ⅲ-4) 상기 챔버내의 온도를 기준온도(Ta) 보다 높은 온도(T_HIGH)로 셋팅한 후, 온도 스텝을 일정 온도 간격으로 하여 기준온도(Ta)보다 낮은 임의의 온도(T_LOW)까지 하강시키되, 각 온도 스텝을 일정 시간 동안 유지시키며 하강시키는 과정;
ⅲ-5) 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서 수위센서 출력값과 현재 온도 데이터를 기록하는 과정;
ⅲ-6) 기준온도에서의 수위센서 출력값에서 각 온도 스텝이 종료되는 시점에서의 수위센서 출력값을 차감하여, 수위센서 출력값 보정을 위한 보정값(K)을 산출하는 과정;
ⅲ-7) 상기 ⅲ-3) 단계에서 산출된 보정값과 상기 ⅲ-6) 단계에서 산출된 보정값을 평균하여 최종 보정값을 산출하는 과정;
이 더 진행되는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 ⅳ 단계는: 온도센서에서 감지된 현재 온도(Tb)가 기준온도(Ta)와 다르면, 현재온도(Tb)에 해당하는 보정값(K)을 제어부의 메모리에서 찾고, 찾아진 보정값(K)을 반영한 수위센서 출력값을 출력하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 워터트랩용 수위 감지 방법.