모델 기반 연료전지 제어시스템 고장분석 및 고장 진단 전략

Abstract

본 논문은 고분자 전해질막 수소 연료전지(Polymer electrolyte membrance fuel cell) 제어시스템 고장 분석 및 고장 진단에 대해 다룬다. 보다 안정적인 수소 연료전지 시스템 및 수소 연료전지 차량 양산을 위해, 시스템에 대한 체계적인 고장 분석 및 고장 진단 알고리즘 생성 과정이 필요하다. 본 연구에서는 모델 기반 고장 분석 및 고장 진단 방법을 사용하였다. 모델 기반 방법을 통해 시스템에서 발생 가능한 고장의 영향 및 인과관계를 분석할 수 있으며, 고장 진단 알고리즘 개발용 모델과 실제 시스템의 차이가 적다는 가정 하에서 고장을 진단할 수 있다. 이를 위해 수소 연료전지 모델이 수학적으로 분석되었으며, 검증되었다. 시스템을 구성하는 변수들 간의 관계를 입사행렬을 통해 나타내었으며, Dulmage-Mendelsohn decomposition을 행렬에 적용하여 고장 진단의 가능성을 확인했다. 시스템의 degree of redundancy가 부족하여 고장 진단이 불가능한 경우에는, 변수들 간의 이분 그래프를 통해 고장의 영향도를 파악하고 적절한 센서 배치를 통해 고장 진단 가능성을 높일 수 있었다. 이후, 고장 진단을 위한 레지듀얼을 생성할 수 있었으며, 고장 분류를 위한 fault signature matrix를 구성하였다. 레지듀얼과 고장 간의 관계를 나타내는 fault signature matrix를 통해 고장 진단 알고리즘을 구성할 수 있었다. 고장 진단 알고리즘의 검증을 위해 수소 연료전지 시뮬레이션용 모델과 함께 시뮬레이션 환경을 구성했으며, 고장을 주입하여 고장 진단 알고리즘의 성능을 검증하였다. 결과적으로 본 연구에서 개발한 고장 진단 알고리즘이 수소 연료전지 제어시스템 개별 부품의 고장을 판단할 수 있는 성능을 갖추고 있음을 확인할 수 있었다.| This paper deals with fault analysis and diagnosis of PEM fuel cell control system. For more reliable fuel cell system and mass production of fuel cell vehicle, systematic work on fault analysis and diagnosis of PEM fuel cell control system must be conducted. In this work, model-based approach is adopted for fault analysis and diagnosis. With model-based approach, it is possible to analyze the causal relationship and effect of probable faults in the system and diagnose them under the assumption that model and the process shows little difference. PEM fuel cell model is mathematically analyzed and verified. Relationship among variables is shown through incidence matrix and with Dulmage-Mendelsohn decomposition of the matrix, possibility of fault detection is analyzed. When it is impossible to detect fault due to short of degree of redundancy, bi-partite graph is used to analyze the effect of fault and obtain possibility of fault detection through appropriate sensor placement. Thereafter, residuals are obtained based on analytical redundancy of the system and fault signature matrix is constructed subsequently. Based on fault signature matrix that describes the connection between faults and residuals, fault detection and isolation (FDI) algorithm is developed. In PEM fuel cell simulation model, respective faults are injected and FDI algorithm proposed in this paper is capable of diagnosing faults.