水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置

本発明は、水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置に係り、より詳しくは、水素タンクに用いられ、スタックに供給される水素ガスの流路を開放または遮断するパイロット式ソレノイド弁の開閉を判断する水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置に関する。

水素と酸素の化学反応を利用して車の推進力を得る燃料電池自動車の核心となる要素としては、水素と酸素の反応を起こすスタック、スタックの周辺部品、水素貯蔵システムなどが挙げられる。 そのうち、水素貯蔵システムでは、現在、世界中のOEMが商用で利用可能な高圧水素貯蔵方法を選択する傾向が増加している。高圧水素貯蔵技術の核心は、水素貯蔵容器と高圧水素用ソレノイド弁、高圧レギュレーターである。 ソレノイド弁は、直動型とパイロット弁型に大きく分けられる。直動型は1つのオリフィスを塞ぐプランジャをソレノイドユニットで動かす方法であり、構造が単純である。

反面、パイロット弁型は、メイン流路とパイロット流路の2種類に分けられており、パイロット流路を塞ぐプランジャをソレノイドユニットで作動させることでパイロット流路が開放される。パイロット流路の開放によってメイン流路の周辺の圧力がタンクの圧力と同圧となり、2つの圧力が同圧になると、メイン流路を塞いでいるプランジャが開放される原理である。 このようなパイロット式ソレノイド弁は、小さな力(ソレノイド)で大きな圧力弁を開放できる長所がある。燃料電池車両で使用される圧力は約700barで、とても高い圧力であり、このような高圧条件下でソレノイドの小さな力で円滑に弁を駆動するためにパイロット式ソレノイド弁が主に使用される。

一方、このようなソレノイド弁を含むソレノイドユニットを駆動する方法は、DC定電圧印加型、PWM印加型の2種類がある。DC定電圧印加型は、定電流を消費し、作動が単純であるという長所はあるが、電流を下げることができないため、長期的なソレノイド発熱を抑えることが困難である。 反面、PWM印加型は、DC印加型に比べて作動が複雑であるが、電流の調整が可能であるため、大きな電流を必要とする初期段階では大きな電流を印加し、小さな電流で弁開状態を維持するという方法でソレノイドの発熱を減らし、消費電流を低減できる長所がある。

上述した方式で制御されるパイロット式ソレノイド弁は、タンクの内部と外部の圧力差が弁開時間に大きな影響を及ぼす。 このような影響を具体的に説明すると、タンクの内部と外部の圧力、すなわち、タンクの内部と高圧配管の圧力が同じである場合、弁開信号を印加すると、メイン流路が開放され、直ちにパイロット流路が開放されてパイロット式ソレノイド弁が完全に開放される。 反面、タンクの内部と外部の圧力が同じでない場合、弁開信号を印加すると、メイン流路は開放されるが、メイン流路の開放後、直ちにパイロット流路が開放されず、タンクの内部と外部の圧力が同圧になるまで所定時間が経過してからパイロット流路が開放されることになる。

したがって、タンクの内部と外部の圧力が同じでない場合は、上述したように同圧条件を満たした上で弁が完全に開放されるため、弁開信号の発信から弁が開放されてスタックへの水素供給までは時間遅延が発生する。 水素貯蔵システムは、約700barの高圧環境であるから、弁の位置を直接検出するためにプランジャに対するポジションセンサなどを設置しにくい環境である。したがって、センサから弁の開閉状態を確認できないため、スタックに燃料が供給される正確な時点を把握しにくい問題があった。 一方、このような水素供給の時間遅延問題及びセンサ設置の困難性などによって、従来は水素タンクの設計時、700barのタンク内の圧力及び配管圧力がない場合のように、非常に過酷な条件下で水素がスタックに供給される時間を計算する方法を取っていた。 そのため、新たな水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置が求められていた。

特開2005−123093号公報

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的とするところは、別のセンサを設けることなく、既存の設備を用いて弁の開閉を迅速正確に判断できる水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出装置及び方法を提供することにある。

本発明は、弁開命令が入力される段階と、 前記弁開命令に対する弁駆動入出力信号から異常有無を判断する段階と、 前記弁駆動入出力信号が正常であると判断される場合、高圧水素配管内の圧力を確認する段階と、 確認された圧力が弁開条件を充足する場合、弁開信号を出力する段階と、 を含むことを特徴とする。

前記弁開命令が入力される段階の前に、弁開命令の入力を待機する準備段階をさらに含み、前記準備段階では弁閉信号を出力することを特徴とする。

前記弁駆動入出力信号を比較し、入出力信号に異常があると判断された場合は前記準備段階に移動して弁閉信号を出力することを特徴とする。

前記弁開条件は、一定周期で前記高圧水素配管内の圧力を測定し、連続している測定値を比較して圧力差が所定の基準圧力値以下で所定の基準時間以上継続すると、弁開であると判断することを特徴とする。

前記弁開条件は、100ms周期で前記高圧水素配管内の圧力を測定し、連続している測定値を比較して圧力差が2MPa値以下で500ms以上継続すると、弁開であると判断することを特徴とする。

前記圧力を確認する段階では、弁開条件を充足する前までは弁閉であると判断して弁閉信号を出力することを特徴とする。

前記弁駆動入出力信号はPWM入出力信号であることを特徴とする。

また、本発明は、水素タンクの出口に装着されるパイロット式ソレノイド弁と、 前記パイロット式ソレノイド弁と燃料電池スタックとの間を連結する高圧水素配管と、 前記高圧水素配管に装着され、配管内の圧力を測定する圧力センサと、 前記パイロット式ソレノイド弁の開閉を判断する制御器と、を含み、 前記制御器は、前記圧力センサから配管内の圧力の入力を受けて前記配管内の圧力変化が所定の弁開条件を充足する場合、弁が開放されたと判断して弁開信号を出力するように構成されることを特徴とする。

前記制御器は上位制御器から弁開命令の入力を受けるように構成され、前記制御器が前記弁開命令の入力を受ける前には弁閉信号を出力し、前記弁開命令の入力を受けた場合にだけ、前記弁開条件が充足されたか否かによって弁の開閉を判断するように構成されることを特徴とする。

前記制御器では、前記弁開命令の入力時、弁駆動入出力信号を比較して入出力信号に異常がない場合にだけ、前記弁開条件が充足されたか否かによって弁の開閉を判断し、前記弁駆動入出力信号に異常がある場合は弁閉信号を出力するように構成されることを特徴とする。

前記弁開条件は、一定周期で前記高圧水素配管内の圧力を測定し、連続している測定値を比較して圧力差が所定の基準圧力値以下で所定の基準時間以上継続すると、弁開であると判断するように構成されることを特徴とする。

前記弁開条件は、100ms周期で前記高圧水素配管内の圧力を測定し、連続している測定値を比較して圧力差が2MPa値以下で500ms以上継続すると、弁開であると判断するように構成されることを特徴とする。

前記弁駆動入出力信号はPWM入出力信号であることを特徴とする。

本発明によれば、高圧ソレノイド弁内の弁開閉状態を直ちに正確に判断できる効果がある。 また、本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置は、弁開閉をセンシングするセンサユニットを不要とするため、コストダウンを図ることができ、センサユニットの装着に伴うレイアウト上の問題を解消することができる。 さらに、センサユニットのように高圧環境内では耐久性を持ちにくい構成要素を必要としないため、設備の耐久性を改善することができる。

本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法の概略段階を順に示す図面である。

本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置によって弁開閉が判断されることを示すグラフである。

本発明は、水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置に関するもので、弁開度を確認するポジションセンサを設けなくても、水素貯蔵及び供給システム内に設置された圧力センサを用いて弁の開閉状態を直ちに検出できる装置及び方法を提供することに特徴がある。 以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい一実施例による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法及び装置を具体的に説明する。 図1は、本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法の各段階を概略示す図面である。

図1に示すように、本発明の好ましい実施例による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法は、上位制御器の弁開命令を待機する準備(Ready)段階と、弁開命令に対する弁駆動入出力信号の異常有無を判断する確認(Check)段階と、水素高圧配管内の圧力を検出して所定の弁開条件に対する充足時点を待機する待機(Delay)段階と、弁開条件を充足する場合、弁開であると判断して弁開信号を出力する開始(Start)段階からなる。 このような各段階は、最初の上位制御器の弁開命令から最終的に弁が完全に開放されるまで弁の開閉を確認するために必要なそれぞれの段階を含んでいる。

特に、本実施例では、弁が実際に開放されたか否かを高圧配管内の圧力変化により判断するが、弁が完全に開放されて配管内の圧力が平衡に近くなった時点を弁開放時点であると判断し、配管内の圧力変化から弁開放時点を決めるように構成される。 具体的に、本発明の好ましい実施例による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法では、準備段階で上位制御器の弁開命令を待機する。ここで、弁状態に対するフィードバック信号は閉鎖として出力する。

上位制御器から弁開命令の入力を受けた場合は確認段階に進むが、確認段階では弁駆動入出力信号に異常があるか否かを確認する。すなわち、上位制御器で弁開命令が入力された場合、弁駆動のための入出力信号が生成されるが、本段階(確認段階)では、このような弁駆動入出力信号の異常有無を判断して弁駆動回路やソレノイドのワイヤーコイルなどの損傷があるか否かを判断する。好ましくは前記弁駆動入出力信号はPWM入出力信号である。 弁駆動入出力信号に異常がある場合、その前の準備段階に戻って弁閉信号を出力する。

一方、弁駆動入出力信号に異常がない場合は、正常状態であると判断し、弁の開閉を判断するための具体的な段階を行う。 このような段階は図1に待機(Delay)段階として表示しており、このような待機段階では、本発明で弁の開閉を判断するためのパラメーターとなる高圧水素ライン内の圧力をリアルタイムでモニターリングし、モニターリングされた結果から弁開条件を充足したか否かを判断する。 前記弁開条件は、圧力との関係で弁の開閉を判断する条件として設定されるが、好ましくは一定水準以下の圧力差が所定時間持続するか否かによって判断する。 すなわち、弁が開放された場合であれば、水素タンクの内部と外部の圧力が同圧となるまで水素配管内の圧力が上昇してタンクの内部と外部の圧力が平衡状態に到達すると完全に開放されることになり、このような圧力条件を考慮して設定する。

具体的に、前記弁開条件は、一定周期で前記高圧水素配管内の圧力を測定し、連続している測定値を比較して圧力差が所定の基準圧力値以下で所定の基準時間以上継続すると、弁開であると判断するように構成される。 好ましくはこのような弁開条件で、高圧水素配管内の圧力を測定する周期は100msに設定し、圧力差に対する基準は2MPaに設定する。また、前記弁開条件では、このような圧力差が500ms以上維持される場合だけ弁開であると判断するように構成することができる。

ただし、このような弁開条件は上述した数値範囲に限定せず、高圧水素配管内の圧力変化及び圧力変化にかかる時間などを考慮して圧力測定周期、圧力差に対する基準値及び圧力差持続時間などを適切に設定することができる。 したがって、このような所定の弁開条件を充足する場合は弁が完全に開放されたと判断できるため、弁開信号を出力する。 一方、前記確認段階では、弁開条件を充足するまでは弁閉であると判断されるため、開始段階に進入して弁閉信号を出力する。

上位制御器の弁開命令が再び弁閉命令に変更されると、開始段階から再び準備段階に戻るようになり、準備段階での弁開信号を再び出力する。 したがって、本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法では、弁の開閉状態を判断するための別のセンサを設けなくても、高圧水素ライン内に一般的に装着される圧力センサを用いて正確に弁の開閉を判断でき、それによって、正確な弁開タイミングを提供することができる。

図2は、本発明による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出方法によって弁の開閉が判断されることを示すグラフである。 図2に示すように、弁開命令(弁開信号)により、高圧ライン内の圧力が大きく上昇するようになり、一定周期で検出された圧力間の差が所定の基準値以下になる時点、すなわち、図2では高圧ライン内の圧力が急上昇して折れ曲げて緩やかに減少する領域で圧力平衡状態に近くなる弁開条件を充足するが、このような時点で弁開信号をフィードバック信号として出力する。

一方、本発明の好ましい実施例による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出装置は、上述したようなパイロット式ソレノイド弁の開閉判断ロジックを含む制御器を水素貯蔵システム内に含むことで簡単に実現することができる。 具体的には、このような水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出装置は、水素タンクの出口に装着されるパイロット式ソレノイド弁と、前記パイロット式ソレノイド弁と燃料電池スタックとの間を連結する高圧水素配管と、前記高圧水素配管に装着され、配管内の圧力を測定する圧力センサのような一般的な構成と共に、前記パイロット式ソレノイド弁の開閉を判断する制御器をさらに含むことで得られる。

ここで、前記制御器は、上述したような弁開閉を判断するための所定の判断ロジックを採用する制御器である。 したがって、本発明の好ましい実施例による水素タンク用パイロット式ソレノイド弁の開閉検出装置では、高圧水素ラインに設置される圧力センサから検出される圧力測定値によって、所定の弁開条件を充足したか否かだけを判断することで簡単に弁の開閉を検出することができる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。