수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치

수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치 {Apparatus for detecting opening and closing of pilot operated solenoid valve for hydrogen tank and method for the same}

본 발명은 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 탱크에 사용되며 스택으로 공급되는 수소 가스의 유로를 개방 또는 차단하는 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐를 판단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

수소와 산소의 화학 반응을 이용하여 차의 추진력을 얻는 연료전지차량의 핵심 요소는 수소와 산소의 반응을 일으키는 스택, 스택 주변 부품, 수소저장시스템을 들 수 있다.

그 중 수소저장 시스템은 현재 상용화 가능한 기술인 고압 수소저장방법을 전 세계 OEM들이 선택하는 추세이다. 고압 수소저장기술의 핵심은 수소저장 용기와 고압 수소용 솔레노이드 밸브, 고압 레귤레이터로 이야기 할 수 있다.

솔레노이드 밸브는 크게 직동형과 파일럿(Pilot) 밸브형으로 나뉠 수 있다. 직동형은 하나의 오리피스를 막아주는 플런저를 솔레노이드 유닛으로 움직이는 방법이며, 구조가 단순하다.

반면, 파일럿 밸브형은 메인 유로와 파일럿 유로 두 가지 형태로 구분되어 있으며 파일럿 유로를 막는 플런저를 솔레노이드 유닛으로 동작시키면 파일럿 유로가 개방된다. 파일럿 유로의 개방으로 인하여 메인 유로 주변의 압력이 탱크의 압력과 동압을 이루게게 되며, 두 압력이 동압이 되면 메인 유로를 막고 있는 플런저가 개방되는 원리이다.

이러한 파일럿 밸브형 솔레노이드 밸브는 적은 힘(솔레노이드)으로 큰 압력의 밸브를 열 수 있는 장점이 있다. 연료전지 차량에서 사용압력은 주로 700bar로 굉장히 높은 압력이며, 이러한 높은 압력 조건 하에서 솔레노이드의 적은 힘으로 원활하게 밸브를 구동시키기 위하여 파일럿 밸브형의 솔레노이드 밸브를 주로 사용하게 된다.

한편, 이러한 솔레노이드 밸브를 포함하는 솔레노이드 유닛을 구동하는 방법은 크게 DC 정전압 인가형, PWM 인가형 두가지 방법으로 나뉘어 진다. DC정전압 인가형태는 정전류를 소모하게 되며 작동이 단순하다는 장점이 있지만 전류를 낮출 수 없으며 장기적으로 솔레노이드 발열 관점에서는 불리하다.

반면, PWM인가 형태의 경우, 작동이 DC 인가형태에 비해 복잡하지만 전류 조정이 가능하여 큰 전류가 필요한 초기에 큰 전류를 인가하고 적은 전류로 밸브 개방상태를 유지하는 방법을 통해 솔레노이드 발열을 줄이고 소비 전류를 줄일 수 있는 장점이 있다.

위와 같은 방식으로 제어되는 파일럿 솔레노이드 밸브의 경우, 탱크 내부와 외부 압력 차이에 의하여 밸브 개방 시간에서 큰 차이를 보인다.

이러한 차이를 구체적으로 설명하면, 탱크 내부와 외부의 압력, 즉, 탱크 내부와 고압 배관에서의 압력이 동일한 경우, 밸브 개방 신호를 인가하면 메인유로가 개방된 후 바로 파일럿 유로가 개방되면서 파일럿 솔레노이드 밸브가 완전히 개방된다.

반면, 탱크 내부와 외부의 압력이 동일하지 않은 경우, 밸브 개방 신호를 인가하면 메인유로가 개방되나, 메인 유로 개방 후 즉각적으로 파일럿 유로가 개방되지 않고, 탱크 내외부가 압력이 동일해지기까지의 소정의 시간이 경과한 다음, 파일럿 유로가 개방되게 된다.

따라서, 탱크 내외부가 압력이 동일하지 않은 경우에는 상술한 바와 같이 동압 조건을 형성하는 시간 후에야 밸브가 완전히 개방되기 때문에, 밸브 개방 신호와 실제 밸브가 개방되어 수소가 스택으로 공급되는 데까지는 시간 지연이 발생하게 된다.

수소 저장 시스템은 700bar 정도의 고압 환경이 형성되기 때문에, 밸브의 위치를 직접적으로 검출하기 위하여 플런저에 대한 포지션 센서 등을 설치하는 것이 어려운 실정이다. 따라서, 센서로부터 밸브 개폐 여부를 확인할 수 없어 스택으로 연료가 공급되는 정확한 시점을 파악하기 어려운 측면이 존재하였다.

한편, 이러한 수소 공급의 시간 지연 문제 및 센서 설치가 어려운 문제 등으로 인하여, 종래에는 수소 탱크의 설계 시 700bar의 탱크 내 압력과 배관 압력이 없는 경우와 같이 매우 가혹한 조건 하에서 수소가 스택으로 공급되는 시간을 계산하는 방법을 사용하였다.

이에 새로운 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치가 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 별도의 센서를 부가하지 않고도 기존 설비를 이용하여 밸브 개방 여부를 신속 정확하게 판단할 수 있는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치 및 방법을 제공하는 것에 특징이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 밸브 열림 명령을 입력받는 단계; 밸브 열림 명령에 대한 밸브 구동 입출력 신호로부터 이상 여부를 판단하는 단계; 상기 밸브 구동 입출력 신호가 정상으로 판단된 경우, 고압 수소 배관 내의 압력을 확인하는 단계; 확인된 압력이 밸브 열림 조건을 충족하는 경우, 밸브 열림 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 열림 명령을 입력받는 단계 이전에, 밸브 열림 명령이 입력되는 것을 기다리는 준비 단계를 더 포함하며, 상기 준비 단계에서는 밸브 닫힘 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 구동 입출력 신호를 비교하여, 입출력 신호에 이상이 있는 것으로 판단된 경우 상기 준비 단계로 이동하여, 밸브 닫힘 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 열림 조건은 일정 주기로 상기 고압 수소 배관 내의 압력을 측정하고, 연속된 측정값을 비교하여 압력 차이가 미리 설정된 기준 압력 이하의 값으로 미리 설정된 기준 시간 이상 유지되면, 밸브 열림으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 열림 조건은 100ms 주기로 상기 고압 수소 배관 내의 압력을 측정하고, 연속된 측정값을 비교하여 압력 차이가 2MPa 이하의 값으로 500ms 이상 유지되면, 밸브 열림으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 압력을 확인하는 단계에서는 밸브 열림 조건을 충족하기 전까지는 밸브 닫힘으로 판단하여, 밸브 닫힘 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 구동 입출력 신호는 PWM 입출력 신호인 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법을 제공한다.

한편, 본 발명에서는 수소 탱크의 출구에 장착되는 파일럿 솔레노이드 밸브; 상기 파일럿 솔레노이드 밸브와 연료전지 스택 간을 연결하는 고압 수소 배관; 상기 고압 수소 배관에 장착되어 배관 내 압력을 측정하는 압력 센서; 상기 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 여부를 판단하는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 상기 압력 센서로부터 배관 내 압력을 입력받아 상기 배관 내 압력 변화가 미리 설정된 밸브 열림 조건을 충족하는 경우, 밸브가 개방된 것으로 보아, 밸브 열림 신호를 출력하도록 구성된 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

또한, 상기 제어기는 상위 제어기로부터 밸브 열림 명령을 입력받도록 구성되며, 상기 제어기가 상기 밸브 열림 명령을 입력받기 전에는 밸브 닫힘 신호를 출력하고, 상기 밸브 열림 명령을 입력받은 경우에만 상기 밸브 열림 조건 충족 여부로부터 밸브 개방 여부를 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

또한, 상기 제어기에서는 상기 밸브 열림 명령 입력시, 밸브 구동 입출력 신호를 비교하여 입출력 신호에 이상이 없는 경우에만 상기 밸브 열림 조건 충족 여부로부터 밸브 개방 여부를 판단하고, 상기 밸브 구동 입출력 신호에 이상이 있는 경우에는 밸브 닫힘 신호를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

또한, 상기 밸브 열림 조건은 일정 주기로 상기 고압 수소 배관 내의 압력을 측정하고, 연속된 측정값을 비교하여 압력 차이가 미리 설정된 기준 압력 이하의 값으로 미리 설정된 기준 시간 이상 유지되면, 밸브 열림으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

또한, 상기 밸브 열림 조건은 100ms 주기로 상기 고압 수소 배관 내의 압력을 측정하고, 연속된 측정값을 비교하여 압력 차이가 2MPa 이하의 값으로 500ms 이상 유지되면, 밸브 열림으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

또한, 상기 밸브 구동 입출력 신호는 PWM 입출력 신호인 것을 특징으로 하는 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치에서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따르면 고압 솔레노이드 밸브 내부의 밸브 열림/닫힘 상태를 즉각적으로 정확하게 판단할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치에서는 밸브 개폐를 센싱하기 위한 센서 유닛을 필요로 하지 않기 때문에,비용이 절감되고 센서 유닛 장착에 필요한 레이 아웃 상의 불리함을 해소할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따르면 센서 유닛과 같이 고압 환경 내에서 내구성을 가지기 어려운 구성요소를 필요로 하지 않기 때문에 설비의 내구성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법의 개략적인 단계를 순서대로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치에 의하여 밸브 열림 여부가 판단되는 것을 도시한 그래프이다.

본 발명은 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 밸브 개도를 확인하는 포지션 센서를 부가하지 않고도, 수소 저장 및 공급 시스템 내에 설치된 압력 센서를 이용하여 밸브 개폐 여부를 즉각적으로 검출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것에 특징이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치를 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에서와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법에서는 상위 제어기의 밸브 열림 명령을 기다리는 준비(Ready) 단계와, 밸브 열림 명령에 대한 밸브 구동 입출력 신호의 이상 여부를 판단하는 확인(Check) 단계와, 수소 고압 배관 내의 압력을 검출하여, 소정의 밸브 열림 조건에 대한 충족 시점을 기다리는 대기(Delay) 단계와, 밸브 열림 조건을 충족한 경우 밸브 열림으로 판단하여 밸브 열림 신호를 출력하는 시작(Start) 단계로 이루어진다.

이러한 각 단계들은 최초 상위 제어기의 밸브 열림 명령으로부터 최종적으로 밸브가 완전히 개방되는 과정에서 밸브 개방 여부를 확인하기 위하여 필요한 각 단계들을 포함하고 있다.

특히, 본 구현예에서는 밸브가 실제로 개방되었는지 여부를 고압 배관 내의 압력 변화로써 판단하게 되고, 밸브가 완전히 개방되어 배관 내의 압력 평형에 가까워지는 시점을 밸브 개방 시점으로 보아, 배관 내 압력 변화로부터 밸브 개방 시점을 결정하도록 구성된다.

구체적으로, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법에서는 준비 단계에서 상위 제어기의 밸브 열림 명령을 기다리게 된다. 여기서 밸브 상태에 대한 피드백 신호는 닫힘으로 출력한다.

상위 제어기로부터 밸브 열림 명령을 입력 받은 경우에는 확인 단계로 넘어가게 되고, 확인 단계에서는 밸브 구동 입출력 신호에 이상이 있는지를 확인하게 된다. 즉, 상위 제어기에서 밸브 열림 명령이 입력된 경우, 밸브 구동을 이한 입출력 신호가 생성되는 바, 본 단계(확인 단계)에서는 이러한 밸브 구동 입출력 신호의 이상 여부를 판단하여, 밸브 구동 회로나 솔레노이드의 와이어 코일 등의 손상이 발생하였는지 여부를 판단하게 된다. 바람직하게는 상기 밸브 구동 입출력 신호는 PWM 입출력 신호일 수 있다.

밸브 구동 입출력 신호에 이상이 있는 경우, 앞서 준비 단계로 돌아가게 되고 밸브 닫힘 신호를 출력하게 된다.

한편, 밸브 구동 입출력 신호에 이상이 없는 경우에는 정상 상태로 보아, 밸브 개방 여부를 판단하기 위한 구체적인 단계를 수행하게 된다.

이러한 단계는 도 1에서 대기(Delay) 단계로 표시되어 있으며, 이러한 대기 단계에서는 본 발명에서 밸브 개방 여부를 판단하기 위한 파라미터인 고압 수소 라인 내의 압력을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 결과로부터 밸브 열림 조건 충족 여부를 판단하게 된다.

상기 밸브 열림 조건은 압력과의 관계에서 밸브 개방 여부를 판단하는 조건으로 설정되어야 하는 바, 바람직하게는 일정 수준 이하의 압력차가 소정 시간 지속되는지 여부로써 판단하게 된다.

즉, 밸브가 개방된 경우라면, 수소 탱크 내외부의 압력이 동일해질 때까지 수소 배관 내의 압력이 상승하다가 탱크 내외부의 압력이 평형 상태에 도달된 경우 완전히 개방될 것이기 때문에, 이와 같은 압력 조건을 고려하여 설정하게 된다.

구체적으로, 상기 밸브 열림 조건은 일정 주기로 상기 고압 수소 배관 내의 압력을 측정하고, 연속된 측정값을 비교하여 압력 차이가 미리 설정된 기준 압력 이하의 값으로 미리 설정된 기준 시간 이상 유지되면, 밸브 열림으로 판단하도록 구성된다.

바람직하게는 이러한 밸브 열림 조건에서, 고압 수소 배관 내 압력을 측정하는 주기는 100ms로 설정할 수 있으며, 압력차에 대한 기준은 2MPa로 설정할 수 있다. 또한, 상기 밸브 열림 조건에서는 이러한 압력차가 500ms 이상 유지될 경우에만 밸브 열림으로 판단하도록 구성할 수 있다.

다만, 이러한 밸브 열림 조건은 위와 같은 수치 범위로 한정되지는 않고, 고압 수소 배관 내의 압력 변화 및 압력 변화에 걸리는 시간 등을 고려하여, 압력 측정 주기, 압력차에 대한 기준값 및 압력차 지속 시간 등을 적절히 설정할 수 있다.

따라서, 이러한 소정의 밸브 열림 조건을 충족하는 경우에는 밸브가 완전히 개방된 것으로 판단할 수 있으므로, 밸브 열림 신호를 출력하게 된다.

한편, 상기 확인 단계에서는 밸브 열림 조건을 충족하기 전까지는 밸브 닫힘으로 판단될 수 있으므로, 시작 단계로 진입하여 밸브 닫힘 신호를 출력하게 된다.

상위 제어기의 밸브 열림 명령이 다시 밸브 닫힘 명령으로 변경되게 되면, 시작 단계에서 다시 준비 단계로 회귀하게 되며, 따라서 준비 단계에서의 밸브 열림 신호를 다시 출력하게 된다.

그러므로, 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법에서는 밸브 개폐 여부를 판단하기 위한 별도의 센서류를 부가하지 않더라도, 고압 수소 라인 내에 일반적으로 장착되는 압력 센서를 이용하여 정확하게 밸브 개방 여부를 판단할 수 있으며, 따라서 정확한 밸브 개방 타이밍을 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법에 의하여 밸브 열림 여부가 판단되는 것을 도시한 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 열림 명령(밸브 개방 신호)가 내려지면 고압 라인 내 압력이 크게 상승하게 되는 바, 일정 주기로 검출된 압력 간의 차이가 소정의 기준값 이하가 되는 시점, 즉, 도 2에서는 고압 라인 내의 압력이 급격히 상승하다가 꺾이면서 완만하게 감소하는 영역에서 압력 평형 상태에 가까워지는 밸브 열림 조건을 충족하게 되는 바, 이러한 시점에서 밸브 열림 신호를 피드백 신호로 출력하게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치는 상술한 바와 같은 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 여부 판단 로직을 포함하는 제어기를 수소 저장 시스템 내에 포함시킴으로써 간단하게 구현할 수 있다.

구체적으로, 이러한 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치는 수소 탱크의 출구에 장착되는 파일럿 솔레노이드 밸브와, 상기 파일럿 솔레노이드 밸브와 연료전지 스택 간을 연결하는 고압 수소 배관과, 상기 고압 수소 배관에 장착되어 배관 내 압력을 측정하는 압력 센서와 같은 일반적인 구성과 함께 상기 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 여부를 판단하는 제어기를 더 포함시킴으로써 구현할 수 있다.

여기서, 상기 제어기는 앞서와 같은 밸브 개폐 여부 판단을 위한 소정의 판단 로직을 채용하고 있는 제어기로 구성된다.

그러므로, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 장치에서는 고압 수소 라인에 설치되는 압력 센서로부터의 검출되는 압력 측정값으로부터 소정의 밸브 열림 조건을 충족하였는지 여부만을 판단함으로써 간단하게 밸브 개방 여부를 검출할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.