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문제 정의
- 본 논문에서는 TMS의 냉각수 부족 판단의 중요성과 냉각수 접촉식/비접촉식 수위센서의 장단점 그리고 압력센서의 신호를 이용한 냉각수 부족판단 로직에 대해 비교 검토해 보고자 한다.
- 7에 나타내었다. 참고로 수위센서 값은 Wet/Dry 의 2가지 경우로 0일 경우 Wet, 0이 아닐 경우 Dry값으로 표현되고, 리저버 수위 센서값의 경우 냉각수 부족 시 리저버에서 공급가능 여부를 판단하기 위한 기준으로써 장착하였다. 먼저, 그래프에서 drain case 별 리저버 수위를 확인해보면 drain 양 1.
제안 방법
- 기존 연료전지 자동차에서는 냉각수에 직접 접촉하여 수위를 감지하는 접촉식 수위센서 혹은 냉각수에 직접 접촉하지 않고, 수위를 감지하는 비접촉식 수위센서를 이용하여 스택 냉각수의 존재 유무를 판단하였다. 이러한 수위센서를 이용한 방식은 냉각수 유동 흐름이 있는 경우 수위판단에 적합하지 않은 경향이 있어 추가로 압력 신호를 이용한 냉각수 부족 감지 방식을 검토하게 되었다.
- 기존의 2상 유동층에서 기포와 압력변화특성에 대한 연구를 통해 액체 내부에 기포가 존재할 경우 밀도 변화와 기포 주위의 압력분포에 따른 영향으로 압력이 변화됨을 알 수 있었다4~5). 이러한 압력 변화 특성을 이용하여 냉각수 내부 기포 이동으로 인한 압력 변화를 압력센서를 통해 측정해보았다. 먼저, 밀폐된 파이프에 소량의 기포를 주입 후 압력 센서를 장착한 다음, 파이프를 기울여 부력을 이용해 기포를 이동시켰다.
- 이러한 압력 변화 특성을 이용하여 냉각수 내부 기포 이동으로 인한 압력 변화를 압력센서를 통해 측정해보았다. 먼저, 밀폐된 파이프에 소량의 기포를 주입 후 압력 센서를 장착한 다음, 파이프를 기울여 부력을 이용해 기포를 이동시켰다. 상기 방법으로 기포를 반복적으로 이동하여 압력값을 측정한 그래프를 Fig.
- 냉각수 부족 감지 성능 비교를 위해 상기 센서들을 동일 시험 장치에 장착하여 시험하였다.
- 6과 같다. 차량과 유사한 조건으로 시험하기 위해 전반적인 구조를 차량 TMS 형상과 동일한 부품 및 레이아웃으로 구성하였다. 온도의 영향이 크지 않다는 전제하에서 시험하므로 스택의 경우 발열부가 없고 밸브로 차압을 조절할 수 있는 모사 스택을 사용하였고, 차압을 확인할 수 있도록 차압계를 모사 스택 전후단에 장착하였다.
- 차량과 유사한 조건으로 시험하기 위해 전반적인 구조를 차량 TMS 형상과 동일한 부품 및 레이아웃으로 구성하였다. 온도의 영향이 크지 않다는 전제하에서 시험하므로 스택의 경우 발열부가 없고 밸브로 차압을 조절할 수 있는 모사 스택을 사용하였고, 차압을 확인할 수 있도록 차압계를 모사 스택 전후단에 장착하였다. 모사 스택 후단부터 차례로 매니폴드, 라디에이터, 3방밸브, 펌프, TMS 히터가 연결된다.
- 모사 스택 후단부터 차례로 매니폴드, 라디에이터, 3방밸브, 펌프, TMS 히터가 연결된다. 그리고 라디에이터 상부에 리저버가 연결되어 냉각수 보충 및 기포 제거가 가능하도록 구성하였다. 냉각수 부족 감지를 위해 압력센서의 경우 실차에 적용된 센서를 사용하였고, 접촉식/비접촉식 수위센서의 경우 별도 매니폴드를 제작하여 상부와 측면에 각각 장착하였다.
- 그리고 라디에이터 상부에 리저버가 연결되어 냉각수 보충 및 기포 제거가 가능하도록 구성하였다. 냉각수 부족 감지를 위해 압력센서의 경우 실차에 적용된 센서를 사용하였고, 접촉식/비접촉식 수위센서의 경우 별도 매니폴드를 제작하여 상부와 측면에 각각 장착하였다. 매니폴드는 전면을 투명판으로 제작하여 냉각수 내 기포 거동을 가시화할 수 있도록 하였고, 히터와 모사 스택 사이에 연결하였다.
- 냉각수 만충 상태부터 냉각수를 일정량씩 drain하면서 시험을 진행하였고, 각 drain 양에 대하여 펌프 회전수를 일정 간격으로 변화시켜 보았다. 압력센서 및 접촉식/비접촉식 수위센서의 전압 신호를 DAQ에서 처리하여 시간에 따른 센서 전압값을 확보하였다.
- 냉각수 만충 상태부터 냉각수를 일정량씩 drain하면서 시험을 진행하였고, 각 drain 양에 대하여 펌프 회전수를 일정 간격으로 변화시켜 보았다. 압력센서 및 접촉식/비접촉식 수위센서의 전압 신호를 DAQ에서 처리하여 시간에 따른 센서 전압값을 확보하였다. 시험을 정상 상태 조건에서 진행하기 위해 각 case 별로 drain 후 펌프를 30초 이상 구동 시켜 TMS 내부 압력이 일정하도록 안정화 시킨 후 시험을 진행하였다.
- 압력센서 및 접촉식/비접촉식 수위센서의 전압 신호를 DAQ에서 처리하여 시간에 따른 센서 전압값을 확보하였다. 시험을 정상 상태 조건에서 진행하기 위해 각 case 별로 drain 후 펌프를 30초 이상 구동 시켜 TMS 내부 압력이 일정하도록 안정화 시킨 후 시험을 진행하였다.
- 먼저, 압력 data 변환을 할 경우 펌프 회전수 변동이 없을 경우와 있을 경우로 나누어서 검토해보았다. 정상 상태에서 1.
- 03 bar이상인 경우에 대한 발생 빈도를 표시한 그래프이다. 빈도는 시간의 변화에 따라 변동하는 압력 변화의 연속된 10구간을 샘플링하여 0.03 bar 이상을 만족하는 횟수를 구하였다. 이때 발생된 빈도를 각 drain조건 별로 확인해봤을 때 2.
- 2L drain 조건에서 최대값이 4회로 빈도가 증가하였다. 이후 2.4L 이상의 drain 조건에서도 4회 이상의 빈도를 가지므로 0.03 bar 조건으로 4회 이상의 빈도를 기준으로 변환 로직의 기준을 정하였다.
- 차량 모사 열관리계 장치를 통해 검증해본 결과 압력센서가 냉각수 부족 감지에 유리함을 확인하였고, 실제 차량 주행 조건에서 압력센서의 거동을 확인해보았다. Fig.
- 연료전지 시스템의 경우 스택을 순환하는 냉각수의 부족으로 기포가 발생할 경우 hot-spot이 생겨 차량 운용에 차질이 생길 수 있다. 이러한 냉각수 부족 방지를 위해 차량과 동일한 TMS 모사 장비에 접촉식/비접촉식 수위센서, 압력센서를 장착 후 시험해 보았고, 차량에 적용하여 시험하였다. 본 논문은 시험을 통해 아래 결론을 도출하였다.
- 1) 수위센서의 경우 2진수 타입의 디지털 값인 반면 압력센서의 경우 아날로그 값으로 기포 발생 시 압력값이 떨리는 점을 이용하여 압력 변환 로직을 적용하였다. 압력 떨림을 디지털 값으로 변환하기 위해 먼저 10개 구간을 연속적으로 샘플링하고, 압력 떨림 값의 변동 폭/빈도와 기울기 부호 변화 횟수를 기준으로 냉각수 부족을 감지하였다.
- 1) 수위센서의 경우 2진수 타입의 디지털 값인 반면 압력센서의 경우 아날로그 값으로 기포 발생 시 압력값이 떨리는 점을 이용하여 압력 변환 로직을 적용하였다. 압력 떨림을 디지털 값으로 변환하기 위해 먼저 10개 구간을 연속적으로 샘플링하고, 압력 떨림 값의 변동 폭/빈도와 기울기 부호 변화 횟수를 기준으로 냉각수 부족을 감지하였다.
- 3) 차량 주행 조건에서 오감지 발생 여부를 확인하기 위해 주행 조건에서 연료전지 차량 TMS에 장착된 압력센서 값을 확인해보았다. 그 결과 100km 주행 및 Cross Country 주행 시 오감지가 발생되지 않음을 확인하였고, 이는 상기 조건에서 압력 센서의 압력값 떨림의 주기가 냉각수 부족 시 발생되는 떨림의 주기보다 길기 때문으로 보인다.
- 4에서 보는 바와 같이 시험을 진행하였다. 냉각수 수위를 수직방향(상하방향)과 수평 방향(좌우방향)으로 나눠 조절함으로써 Wet/Dry 경계 조건의 수위를 확인하였고, Table 1에 시험 결과를 나타내었다. 수직방향의 경우 센서 면적 대비 70%, 수평방향의 경우 63% 이하로 냉각수가 채워져 있을 경우 신호가 Wet에서 Dry로 변경되었다.
성능/효과
- 이 경우 센서 신호가 주기적으로 오작동 신호를 보내게 되는데 (b)에서 보는 바와 같이 캡이 있는 경우와 없는 경우에 오작동 개선 여부를 확연히 확인 가능하다. 캡을 제거하기 전에는 냉각수가 차 있음에도 불구하고 신호(초록색)가 주기적으로 흔들리는 것을 알 수 있고 캡을 제거한 후에는 신호가 흔들림 없이 냉각수가 있는 것으로 정상적으로 감지하는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 접촉식 수위센서는 센서 주위의 구조물 혹은 센서가 장착되는 위치에 따라 민감하게 작동을 할 수 있으며 특히 기포와 함께 순환되는 냉각수에서는 냉각수와 기포의 순환으로 인해 오작동을 일으킬 여지가 크다.
- 기포 이동 구간인 0 ~ 30초는 압력값의 떨림이 있었고, 기포 이동이 없는 30초 이후 구간은 압력값이 센서 노이즈 수준으로 나타났다. 이처럼 냉각수 부족 발생으로 인해 TMS 내부에 기포가 발생될 경우 압력센서를 이용하여 감지가 가능함을 확인하였다.
- 참고로 수위센서 값은 Wet/Dry 의 2가지 경우로 0일 경우 Wet, 0이 아닐 경우 Dry값으로 표현되고, 리저버 수위 센서값의 경우 냉각수 부족 시 리저버에서 공급가능 여부를 판단하기 위한 기준으로써 장착하였다. 먼저, 그래프에서 drain case 별 리저버 수위를 확인해보면 drain 양 1.8L부터 리저버 수위센서 값이 Dry로 인식되었다. 이는 냉각수 보충 및 기포 제거 역할을 하는 리저버의 영향으로 1.
- 8L 이상 drain 조건부터 drain된 양만큼 TMS main system 내부 기포량이 증가한다고 볼 수 있다. 실제로 매니폴드의 투명창으로 관찰하여 봤을 때 drain 1.5L까지 조건에서는 펌프 구동 시 발생된 기포량의 변화가 크지 않았고, 이후 drain양이 증가 할수록 기포량이 증가함을 확인하였다.
- 먼저, 압력 data 변환을 할 경우 펌프 회전수 변동이 없을 경우와 있을 경우로 나누어서 검토해보았다. 정상 상태에서 1.5L이하 drain 조건을 기준으로 하여 1.8L 이상 drain 조건의 압력 떨림폭을 확인해본 결과 0.03 bar 이상의 압력 떨림이 발생하였다. 따라서, 압력 떨림 폭의 기준을 0.
- 따라서, 압력값 떨림과 구분을 위해 기울기 값의 변화를 측정해보았고, trial&error를 통해 10개 구간 중 5개 구간에서 기울기 부호 변화를 감지하는 조건으로 변환 로직을 적용하였을 때 올바른 감지 빈도수를 적절히 유지하면서 오감지를 방지할 수 있었다.
- 변화를 측정해보았고, trial&error를 통해 10개 구간 중 5개 구간에서 기울기 부호 변화를 감지하는 조건으로 변환 로직을 적용하였을 때 올바른 감지 빈도수를 적절히 유지하면서 오감지를 방지할 수 있었다.
- TMS 내부 잔류 기포가 냉각수 유속이 낮을 시 상부의 접촉식 수위센서에 맺히면서 오감지됨을 볼 수 있었다. 1.
- 5L이상 drain 조건에서도 펌프 저회전수 조건에서 Dry신호가 감지되었다. 2.8L drain 조건에서 3,000rpm에서 감지됨을 확인하였고, 그 이상의 drain 조건에서는 높은 유속에서도 감지함을 확인하였다. 이처럼 접촉식 수위센서의 경우 대체적으로 낮은 유속 또는 정지 상태에서 기포 감지가 뛰어난 반면에 오감지의 가능성을 포함하고 있음을 알 수 있다.
- 6L 부터 Dry 신호를 감지하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 기포의 오감지는 발생하지 않은 반면에 이후 drain 조건에서 감지되지 않은 경우가 존재하였고, 전반적으로 감지 빈도가 낮아 냉각수 부족 감지가 미약함을 확인하였다.
- 압력센서의 경우 2.2L drain 조건부터 감지되고, 감지되는 빈도수가 접촉식/비접촉식 수위센서에 비해 빈번하고, 오감지도 없는 것을 확인하였다.
- 1 bar를 나타낸다. 그래프를 통해 시간에 따른 압력값의 변화가 존재함을 확인하였고, 압력값 변환 로직을 적용하였을 시 냉각수 부족이 감지 되지 않았다. Fig.
- 2) 접촉식 수위센서의 경우 냉각수 저유량 조건에서 냉각수 부족 감지가 뛰어나다. 반면, 기포량이 많지 않은 조건에서 센서 감지부에 기포가 맺히는 현상으로 인해 오감지가 발생하였다.
- 압력센서의 경우 주로 냉각수 중/고유량 조건에서 상대적으로 높은 빈도로 감지되었고, 오감지는 발생되지 않았다. 따라서, 감지 빈도 및 오감지 방지 측면에서 압력센서를 통한 냉각수 감지가 최적임을 확인하였다.
- 3) 차량 주행 조건에서 오감지 발생 여부를 확인하기 위해 주행 조건에서 연료전지 차량 TMS에 장착된 압력센서 값을 확인해보았다. 그 결과 100km 주행 및 Cross Country 주행 시 오감지가 발생되지 않음을 확인하였고, 이는 상기 조건에서 압력 센서의 압력값 떨림의 주기가 냉각수 부족 시 발생되는 떨림의 주기보다 길기 때문으로 보인다.
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