KR101846625B1

KR101846625B1 - 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101846625B1
Application number: KR1020150147674A
Authority: KR
Inventors: 이동훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2018-04-09
Also published as: CN106609749B; US9865891B2; CN106609749A; KR20170047491A; DE102016208211B4; US20170117563A1; DE102016208211A1

Abstract

냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 시스템이 개시된다. 상기 냉각수 상태 진단 시스템은, 상기 출력 전류 지령값에 따른 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값을 생성하는 펌프속도 예측 모델부; 및 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값을 상호 비교하여 냉각수의 순환 상태를 진단하는 펌프상태 진단부를 포함한다.

Description

냉각수 상태 진단 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING STATE OF COOLING WATER}

본 발명은 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각수 배관의 부하 모델을 적용함으로써 냉각수 펌프 속도가 변화하는 조건에서도 냉각수 배관의 상태를 판단할 수 있는 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급 시스템과 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 수소 및 산소의 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택의 전기화학적 반응열을 제거하는 동시에 스택의 운전운도를 제어하는 열 및 물관리 시스템을 포함하여 구성되어 있다.

열 및 물관리 시스템은 냉각수를 연료전지 스택으로 순환시키는 냉각수 펌프, 연료전지 스택으로부터 냉각을 마치고 배출된 냉각수를 냉각시키는 라디에이터를 포함하며, 냉각 루프에서 용출되는 이온을 필터링하는 이온필터를 포함한다. 이러한 열 및 물관리 시스템의 라디에이터 상단에는 상압캡이 장착되며, 리저버는 대기 개방식 구조로 구비되며, 내부에 수위센서가 장착된다. 냉각수의 수위센서를 리저버에 장착하기 위해서는 소정의 패키지 공간이 필요하며, 패키지 공간 확보가 어려운 문제점이 있으며, 수위센서가 장착되더라도 냉각수에 물과 공기가 섞여 순환될 경우에 수위센서는 냉각수가 소실된 것을 감지하지 못하고 계속 정상수준으로 인식하는 문제점이 있다.

즉, 기존에는 냉각수 부족 현상을 수위센서 또는 배관에 설치된 압력센서 등을 통하여 판단하였으나, 이와 같은 방식은 외란, 즉 냉각수의 온도 변화, 냉각 라인 밸브 개폐에 의한 냉각 루프 변화, 차량 또는 장비의 진동 등의 영향으로 인해 센서에 의한 오감지가 발생되는 경우가 빈번하였다.

이를 개선하기 위해 유랑 센서를 냉각수 배관에 장착하기도 하지만, 센서 가격이 비싸고 센서를 장착하기 위한 별도의 배관 설치 등의 불편함으로 인하여 장착이 용이하지 않은 문제가 있다.

전술한 것과 같은 센서 방식의 냉각수 판단 기법을 해소하기 위해 본 출원의 출원인은 냉각수 펌프의 토크(전류) 또는 출력 분석을 통해 냉각수 정상순환 여부를 판단하는 기술을 제안한 바 있다. 그러나, 이 선행기술 역시 냉각수 펌프 속도가 일정한 정상상태 구간에서만 냉각수 정상순환 판정이 가능한 단점이 있다. 실제 시스템에서는 발열량에 따라 실시간으로 냉각수 펌프의 속도를 가변제어하기 때문에 고정 속도에서만 냉각수 정상순환을 판정하는 것으로는 냉각수 상태 판단에 한계가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1535009 B

이에 본 발명은, 냉각수 배관의 부하 모델을 적용함으로써 냉각수 펌프 속도가 변화하는 조건에서도 별도의 센서를 사용하지 않고 냉각수 배관의 상태를 판단할 수 있는 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 시스템에 있어서,

상기 출력 전류 지령값에 따른 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값을 생성하는 펌프속도 예측 모델부; 및

상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값을 상호 비교하여 냉각수의 순환 상태를 진단하는 펌프상태 진단부;

를 포함하는 냉각수 상태 진단 시스템을 제공한다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

상기 속도 지령값 및 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값의 차에 따라 상기 인버터의 출력 전류를 예측한 전류 지령 추정값을 생성하도록 상기 속도 제어기를 모델링한 속도 제어기 모델부;

상기 전류 지령 추정값에 따른 상기 속도 추정값을 생성하는 펌프속도 예측 모델부; 및

상기 전류 지령 추정값과 상기 출력 전류 지령값을 상호 비교하여 냉각수의 순환 상태를 진단하는 펌프상태 진단부;

를 포함하는 냉각수 상태 진단 시스템을 제공한다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,

냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 방법에 있어서,

펌프속도 예측 모델부에서, 상기 출력 전류 지령값에 따른 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값을 생성하는 단계;

펌프상태 진단부에서 사전 설정된 주기 동안 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 복수회 산출하는 단계;

상기 펌프상태 진단부에서 산출된 복수의 비율의 평균값을 연산하는 단계;

상기 펌프상태 진단부에서 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 단계;

를 포함하는 냉각수 상태 진단 방법을 제공한다.

상기 속도 제어기를 모델링한 속도 제어기 모델부에서, 상기 속도 지령값 및 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값의 차에 따라 상기 인버터의 출력 전류를 예측한 전류 지령 추정값을 생성하는 단계;

펌프속도 예측 모델부에서, 상기 전류 지령 추정값에 따른 상기 속도 추정값을 생성하는 단계; 및

펌프상태 진단부에서 사전 설정된 주기 동안 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 복수회 산출하는 단계;

를 포함하는 냉각수 상태 진단 방법을 제공한다.

상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 따르면, 냉각수 펌프 속도가 일정한 운전 구간뿐만 아니라 속도가 변화하는 과도 구간에서도 냉각수 정상 순환 진단이 가능하다.

특히, 상기 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 따르면, 냉각수 펌프의 속도 과도 구간에서 냉각수 정상 순환 판정 가능하여 별도의 테스트 모드 없이 실시간으로 냉각수 정상 순환 판정 가능하며, 냉각수 정상 순환 판정 시간 및 정확도 향상시킬 수 있다.

더불어, 상기 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 따르면, 사전 설정된 모델부를 이용하여 모든 속도 영역에서의 냉각수 정상 순환 상태일 때 펌프 출력 예측이 가능하다.

도 1a 내지 도 1c는 냉각수 모터의 회전 속도에 따른 냉각수 펌프 입출구단의 압력차, 냉각수의 유량 및 모터의 출력 또는 토크의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 시스템의 펌프 속도 예측 모델의 일례를 도시한 제어 구성도이다.
도 4는 도 2에 도시된 시스템에서 구현되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시형태에 적용된 속도 제어기 모델의 일례를 도시한 제어 구성도이다.
도 7은 도 5에 도시된 시스템에서 구현되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템 및 방법에 대하여 살펴본다.

도 1a 내지 도 1c는 냉각수 펌프에 구비된 모터의 회전 속도에 따른 냉각수 펌프 입출구단의 압력차, 냉각수의 유량 및 모터의 출력 또는 토크의 관계를 도시한 그래프이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 냉각 시스템에서 냉각수 부족없이 냉각수가 정상적으로 순환하는 경우에는 냉각수 펌프의 입출구단 사이의 압력차와 냉각수의 유량이 정상 상태값의 정상 범위 이내로 운전되어, 일정한 속도로 냉각수 펌프를 구동하는 데에 필요한 토크 또한 정상 상태 값의 일정 범위 이내로 나타난다. 그러나 냉각수가 부족하거나 냉각수 배관이 막혀서 냉각수가 비정상 순환하는 경우 펌프 입출구 압력차 및 펌프 유량이 감소하여 펌프 모터에서 펌프 속도에 따라 필요로 하는 펌프 출력(토크, 전류)은 정상 상태에 비해 감소하게 된다. 냉각수의 비정상 순환이 심각할수록 그 감소량은 더욱 증가한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템의 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템은 외부에서 입력되는 냉각수 펌프(10)에 대한 속도 지령값과 실제 냉각수 펌프(10)의 회전 속도를 검출한 값의 차에 따라 냉각수 펌프(10)의 회전속도를 제어하기 위한 인버터(19)의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기(13)를 구비하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용될 수 있다.

속도 제어기(13)에서 출력되는 출력 전류 지령값은 냉각수 펌프(10)에 3상 교류 전력을 제공하는 인버터(19)의 출력 전류를 결정하기 위한 지령값이다. 이 출력 전류 지령값은 냉각수 펌프(10)의 토크를 결정하는 값으로 전류 지령값은 토크 지령값으로 변환될 수 있다.

출력 전류 지령값은 인버터(19)의 출력 전류를 검출한 값과 비교되고 전류 제어기(17)로 그 비교 결과가 입력된다. 전류 제어기(17)는 전류 지령값과 실제 검출된 인버터(19)의 출력 전류가 일치하도록 인버터(10)의 각 상의 전압 지령을 결정하여 인버터(19)로 입력할 수 있다.

도 2에서, 참조부호 '11'은 속도 지령값과 실제 냉각수 펌프의 회전 속도 측정값을 비교하여 그 편차에 해당하는 값을 출력하는 감산기이고, '15'는 출력 전류 지령값과 인버터(19)의 실제 출력 전류를 검출한 값을 비교하여 그 편차에 해당하는 값을 출력하는 감산기이다. 또한, 냉각수 펌프의 실제 회전속도 검출은 당 기술분야에서 잘 알려진 회전 속도 검출 센서(위치 센서)에 의해 이루어질 수 있으며, 인버터(19)의 실제 출력 전류 검출 역시 당 기술분야에서 잘 알려진 전류 센서를 통해 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 전술한 것과 같이 구성되는 냉각수 펌프 속도 제어 시스템에 적용될 수 있는 것으로, 펌프 속도 예측 모델(103)과 펌프 상태 진단부(105)를 포함할 수 있다. 펌프 속도 예측 모델부(103)와 펌프 상태 진단부(105)는 냉각수 펌프를 제어하기 위한 제어부(100) 내에 마련될 수 있으며, 제어부(100)는 특정 입력값에 사전 설정된 알고리즘을 적용하여 원하는 출력값을 생성하는 프로세서의 형태로 구현될 수 있다.

펌프 속도 예측 모델부(103)는 속도 제어기(13)에서 출력되는 인버터(19)의 출력 전류 지령값을 입력 받고, 입력 받은 출력 전류 지령값에 따른 펌프 속도 추정값을 산출할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 시스템의 펌프 속도 예측 모델의 일례를 도시한 제어 구성도이다. 특히, 도 3에 도시된 펌프 속도 예측 모델은 펌프 및 펌프 배관 부하 관계식인 하기 수학식 1에 의해 도출된 모델의 예를 도시한다.

[수학식 1]

(T_q: 펌프 모터 토크, J: 펌프 회전 관성 모멘텀, B: 펌프 회전 마찰 계수, K₂: 배관 저항 계수,

: 펌프 회전 가속도,

: 펌프 회전 속도)

상기 수학식 1은 일반적인 펌프 및 압축기 부하 모델에서 주로 적용되는 식으로서, T_q는 모터에 의해 펌프에서 발생한 토크이며,

는 펌프를 가감속 하는데 사용된 힘을 나타내며,

는 펌프 회전에 의해 발생한 마찰력을,

는 수력부 저항(유량 및 압력에 의해 발생하는 저항)을 의미한다. 상기 수학식 1은 당 기술분야에서 통상적으로 사용하는 펌프 부하 모델을 예로든 것으로, 상기 수학식 1 이외에도 다른 방식을 적용할 수도 있다. 또한, 상기 수학식 1에서 사용된 상수들은 펌프 설계 파라미터이므로 설계 데이터를 통해 확인 가능하며 펌프 구동 시험을 통해서도 추출이 가능하다. 즉, 펌프 속도 예측 모델부(103)에 적용되는 각종 펌프 파라미터(J, B, K₂)들은 냉각수가 정상적으로 순환하는 조건에 맞춰 실험적인 방법으로 튜닝된 값으로 결정될 수 있다.

상기 수학식 1에 따라서, 펌프 회전 속도(

)를 산출하기 위한 제어 구성도가 도 3과 같이 구현될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서 적용된 펌프속도 예측 모델부(13)는 도 3에 도시된 것과 같은 제어 구성으로 구현되며, 이 펌프속도 예측 모델부(13)는 속도 제어기(13)에서 출력되는 출력 전류 지령값에 따른 냉각수 펌프(10)의 회전 속도 추정값을 생성할 수 있다.

펌프 상태 진단부(105)는 펌프속도 예측 모델부(13)에 의해 생성된 회전 속도 추정값과 냉각수 펌프(10)에서 검출된 실제 냉각수 펌프(10)의 회전 속도를 상호 비교한 결과에 따라 냉각수 상태를 진단할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 시스템에서 구현되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 방법을 도시한 흐름도이다. 도 4에 대한 설명을 통해 전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템의 작용 효과도 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

먼저, 펌프 속도 예측 모델부(103)가, 속도 제어기(13)에서 출력되는 출력 전류 지령값을 입력받아, 이 출력 전류 지령값에 기반하여 냉각수 펌프(10)의 회전 속도 추정값을 생성한다(S101).

전술한 바와 같이, 속도 제어기(13)는 외부에서 입력되는 속도 지령값과 실제 냉각수 모터(10)에서 검출된 속도 측정값을 바탕으로 피드백 제어를 위한 출력 전류 지령값을 생성한다. 또한, 도 3에서 예시된 것과 같은 펌프 속도 예측 모델부(103)는 사전 설정된 모델링 제어 구성을 통해 출력 전류 지령값에 따른 냉각수 펌프(10)의 회전 속도를 예측한다. 이 예측된 냉각수 펌프(10)의 회전 속도가 회전 속도 추정값이 된다.

이어, 펌프 상태 진단부(105)는 펌프 속도 예측 모델부(103)에서 생성된 회전 속도 추정값과 냉각수 펌프(10)의 실제 회전 속도에 기반하여 냉각수 상태를 판단한다.

기본적으로 펌프 상태 진단부(105)는 회전 속도 추정값과 실제 회전 속도 차이가 사전 설정된 기준보다 큰 경우 냉각수 상태를 비정상으로 판단할 수 있다.

도 4에 도시된 예에서는, 회전 속도 추정값과 실제 회전 속도 차이를 비교하기 위해 일종의 정규화(normalized)를 위해 회전 속도 추정값과 실제 회전 속도의 비율(회전 속도 추정값/실제 회전 속도)을 이용하며, 이 비율을 사전 설정된 시간 동안 복수회 산출하여 그 평균값을 냉각수 상태 정상여부 판단을 위한 정상순환 판정 기준값과 비교할 수 있다. 또한, 평균값을 정산순환 판정 기준값과 비교한 결과에 따라 비정상인 것으로 판단되는 시간이 사전 설정된 시간보다 긴 경우 최종적으로 냉각수 상태가 비정상인 것으로 결정할 수 있다.

더욱 구체적으로, 단계(S103)에서, 펌프 속도 예측 모델부(103)에서 생성된 회전 속도 추정값을 냉각수 펌프(10)의 실제 회전 속도로 나누어 그 비율(ω_normal)을 산출하고, 단계(S105)에서 사전 설정된 시간(T1) 동안 산출된 비율(ω_normal)의 평균값((ω_normal)_mean)을 산출할 수 있다. 단계(S104)의 비율 산출, 즉 정규화의 이유는 속도의 절대 크기와 관련 없이 '1'을 기준으로 정규화된 속도값을 통해 비교가 가능하기 때문이다. 이러한 정규화 과정은 필요에 따라 생략될 수도 있다. 또한, 단계(S105)의 평균값을 구하는 과정은 순간적인 노이즈에 의해서 진단 오류가 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 4에서 단계(S107)과 단계(S109)는 T1이라는 시간 간격동안 ΔT라는 일정 주기로 단계들(S101 내지 S103)이 반복되는 것을 의미한다.

이어, 단계(S111)에서, 냉각수 정상 순환을 확인한다. 냉각수 정상 순환의 확인은 사전 설정된 시간(T1) 동안 산출된 비율(ω_normal)의 평균값((ω_normal)_mean)이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값(β) 미만인지 확인함으로써 이루어질 수 있다.

냉각수가 정상적으로 순환하지 않는 경우, 도 1a 내지 도 1c에서 설명한 바와 같이 펌프 출력이 작게 요구되어 속도 제어기(13)의 출력 전류 지령값이 작게 계산되고 이에 따라 속도 추정값도 작게 산출되어 결과적으로 비율(ω_normal)의 평균값((ω_normal)_mean)이 작아진다. 단계(S111)에서는 이러한 점을 이용하여 냉각수 비정상 순환 상태를 판단할 수 있다.

사전 설정된 시간(T1) 동안 산출된 비율(ω_normal)의 평균값((ω_normal)_mean)이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값(β) 미만인 경우 냉각수가 비정상 순환 상태인 것으로 판단하고 진단 과정을 종료할 수도 있으나, 도 4의 예에서는 사전 설정된 T2의 시간 동안 냉각수 정상 순환을 확인하는 과정을 반복한다. 이를 위해 단계(S115) 및 단계(S117)이 마련될 수 있다. 즉, 도 4의 예에 따르면, T2의 시간을 초과하여 사전 설정된 시간(T1) 동안 산출된 비율(ω_normal)의 평균값((ω_normal)_mean)이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값(β)보다 작은 상태가 계속되는 경우 최종적으로 냉각수 비정상 순환 상태임을 결정하고, 그렇지 않은 경우에는 판단 시간을 재설정(S113)하여 전체 과정을 다시 시작할 수 있다.

한편, 정상순환 판정 기준값(β)은 1보다 작은 값이며 실험적인 기법을 통해을 통해 오진단이 없으면서 진단 시간을 최소화 할 수 있는 값으로 사전에 설정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템의 블록 구성도이다.

도 5에 도시된 실시형태는 도 2에 도시된 실시형태와 같이 펌프속도 예측 모델부(207)를 적용하지만, 냉각수 상태 진단에 사용되는 파라미터가 상이하다. 도 5에 도시된 실시형태에서는 속도 제어기(13)를 모델링한 속도 제어기 모델부(205)를 이용하여 전류지령의 추정값을 생성하고, 전류지령 추정값과 속도 제어기(13)에서 실제 출력되는 전류지령값을 비교하여 냉각수 상태를 진단할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 상태 진단 시스템은, 속도 제어기 모델부(205)와, 펌프속도 예측 모델부(207) 및 펌프상태 진단부(209)를 포함할 수 있다.

속도 제어기 모델부(205)는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 속도 제어기(13)를 모델링한 요소로서, 외부에서 입력되는 속도 지령값과 펌프속도 예측모델부(207)에서 생성되는 회전 속도 추정값의 차이에 따라 전류지령 추정값을 생성한다.

도 6은 도 5에 도시된 실시형태에 적용된 속도 제어기 모델의 일례를 도시한 제어 구성도이다. 도 6에 도시된 속도 제어기 모델부의 예는, 냉각수 펌프 제어 시스템에서 적용되는 속도 제어기(13)와 실질적으로 동일한 PI 속도 제어기를 모델링한 제어 구성이다. 이와 같은 속도 제어기 모델부(205)에 냉각수 펌프 속도 지령값과 펌프속도 예측 모델부(207)에서 출력된 회전 속도 추정값의 차이를 입력하면 그에 따른 전류 지령값이 계산되는데, 이 값은 회전 속도 추정값에 의해 연산된 값이므로 전류 지령 추정값으로 명명될 수 있다. 이 전류 지령 추정값은 다시 펌프속도 예측 모델부(207)에 입력되어 냉각수 펌프의 회전 속도 추정값이 산출될 수 있다.

도 2 및 도 4를 통해 기설명된 실시형태에서는 속도 추정값을 실제 속도값과 비교하는데 비해, 도 5의 실시형태에서 전류 지령 추정값을 실제 전류 지령값과 비교하여 냉각수 순환 상태를 진단할 수 있다. 또한, 도 1의 실시예에서와 같이, 펌프 속도 예측 모델부(207)에는 수학식 1에 예시된 각종 펌프 파라미터(J, B, K₂)들을 냉각수가 정상적으로 순환하는 조건에 맞춰 튜닝된 값으로 설정되므로, 속도 제어기 모델부(205)는 실시간으로 냉각수가 정상적으로 순환하는 경우에 부합하는 전류지령 추정값을 산출한다. 따라서, 냉각수가 정상적으로 순환하는 경우 실제 속도 제어기(13)에서 출력한 전류 지령과 전류 지령 추정값이 일치하게 되는 반면, 냉각수가 정상적으로 순환하지 않는 경우에는 실제 전류 지령값이 도 1a 내지 도 1c에서 설명한 바와 같이 펌프 후단 부하가 감소하여 작아진다. 이러한 원리로 전류 지령 추정값과 실제 전류 지령을 비교하여 냉각수 정상순환 여부 판정이 가능하다.

도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 실시형태에 적용된 속도 제어기 모델의 일례를 도시한 제어 구성도이다.

도 4를 통해 설명한 실시형태와 비교할 때, 도 7에 도시된 실시형태는 냉각수 순환 상태 진단을 위해 사전 설정된 정상순환 판정 기준값(β)과 비교되는 파라미터가 속도 제어기 모델(205)에서 출력되는 전류지령 추정값이라는 점과, 실제 속도 제어기(13)에서 출력되는 출력 전류 지령값과 속도 제어기 모델부(205)에서 출력되는 전류 지령 추정값의 비율로 정규화를 할 수 있다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 7에 대한 별도의 상세한 설명이 없더라도, 당업자는 도 7에 도시된 실시형태를 용이하게 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태들은 사전에 모델링된 펌프 속도 예측 모델/속도 제어기 모델을 이용하여 외부에서 입력된 속도 지령에 따른 펌프 속도 추정값/전류 지령 추정값을 산출하고, 펌프 속도 추정값/전류 지령 추정값과 현재 실제 상태의 냉각수 펌프 속도/전류 지령값을 상호 비교하여 냉각수 상태를 진단한다. 이에 따라, 본 발명의 다양한 실시형태들은 냉각수 펌프 속도가 일정한 운전 구간뿐만 아니라 속도가 변화하는 과도 구간에서도 냉각수 정상 순환 진단이 가능하다. 특히, 본 발명의 다양한 실시형태들은 냉각수 펌프의 속도 과도 구간에서 냉각수 정상 순환 판정 가능하여 별도의 테스트 모드 없이 실시간으로 냉각수 정상 순환 판정 가능하며, 냉각수 정상 순환 판정 시간 및 정확도 향상시킬 수 있다. 더불어, 본 발명의 다양한 실시형태들은 사전 설정된 모델부를 이용하여 모든 속도 영역에서의 냉각수 정상 순환 상태일 때 펌프 출력 예측이 가능하다.

본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 냉각수 펌프 11, 15, 203: 감산기
13: 속도 제어기 17: 전류 제어기
19: 인버터 100, 200: 제어부(프로세서)
103, 207: 펌프속도 예측 모델
105, 209: 펌프 상태 진단부
205: 속도 제어기 모델

Claims

냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 시스템에 있어서,
상기 출력 전류 지령값에 따른 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값을 생성하는 펌프속도 예측 모델부; 및
상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값을 상호 비교하여 냉각수의 순환 상태를 진단하는 펌프상태 진단부;
를 포함하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 시스템에 있어서,
상기 속도 지령값 및 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값의 차에 따라 상기 인버터의 출력 전류를 예측한 전류 지령 추정값을 생성하도록 상기 속도 제어기를 모델링한 속도 제어기 모델부;
상기 전류 지령 추정값에 따른 상기 속도 추정값을 생성하는 펌프속도 예측 모델부; 및
상기 전류 지령 추정값과 상기 출력 전류 지령값을 상호 비교하여 냉각수의 순환 상태를 진단하는 펌프상태 진단부;
를 포함하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 경우 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 펌프상태 진단부는, 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 사전 설정된 주기 동안 복수회 산출하고, 상기 사전 설정된 주기 동안 산출된 복수의 비율의 평균값을 산출하며, 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 냉각수 상태 진단 시스템.
냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 방법에 있어서,
펌프속도 예측 모델부에서, 상기 출력 전류 지령값에 따른 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값을 생성하는 단계;
펌프상태 진단부에서 사전 설정된 주기 동안 상기 속도 추정값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 비율을 복수회 산출하는 단계;
상기 펌프상태 진단부에서 산출된 복수의 비율의 평균값을 연산하는 단계;
상기 펌프상태 진단부에서 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 단계;
를 포함하는 냉각수 상태 진단 방법.
냉각수 펌프의 속도 지령값과 상기 냉각수 펌프의 실제 속도 측정값의 차에 따라 상기 냉각수 펌프에 전력을 제공하는 인버터의 출력 전류 지령값을 생성하는 속도 제어기를 포함하는 냉각수 펌프 제어 시스템에 적용되는 냉각수 상태 진단 방법에 있어서,
상기 속도 제어기를 모델링한 속도 제어기 모델부에서, 상기 속도 지령값 및 상기 냉각수 펌프의 속도를 예측한 속도 추정값의 차에 따라 상기 인버터의 출력 전류를 예측한 전류 지령 추정값을 생성하는 단계;
펌프속도 예측 모델부에서, 상기 전류 지령 추정값에 따른 상기 속도 추정값을 생성하는 단계; 및
펌프상태 진단부에서 사전 설정된 주기 동안 상기 출력 전류 지령값과 상기 전류 지령 추정값의 비율을 복수회 산출하는 단계;
상기 펌프상태 진단부에서 산출된 복수의 비율의 평균값을 연산하는 단계;
상기 펌프상태 진단부에서 상기 평균값이 사전 설정된 정상순환 판정 기준값보다 작은 상태가 사전 설정된 시간을 초과하여 지속되는 경우, 상기 냉각수의 순환 상태가 비정상인 것으로 판단하는 단계;
를 포함하는 냉각수 상태 진단 방법.