KR100384000B1

KR100384000B1 - 연료전지 스택 감시장치

Info

Publication number: KR100384000B1
Application number: KR10-2000-0085846A
Authority: KR
Inventors: 이기춘
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2003-05-14
Also published as: KR20020056483A

Abstract

연료전지 스택과 같은 전지 구성체에서 각 단위전지의 전압을 아날로그-디지털 변환 없이 전기 회로 상에서 기준 전압과 비교하여, 각 단위전지 작동의 유무를 0 또는 1로 비트화 함으로써 정보처리량을 획기적으로 줄이고 각 단위전지 상태 감시의 동시성을 확보한 연료전지 스택 감시장치가 제공된다.

Description

연료전지 스택 감시장치{FUEL CELL STACK MONITORING SYSTEM}

본 발명은 연료전지 스택 감시장치에 관한 것으로, 특히 단순히 전압만을 회로적으로만 비교하여 각 단위전지의 신호를 비트화 한 자동차용 연료전지 스택 감시장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 또는 2차전지의 단위전지 작동 전압은 매우 작기 때문에, 자동차의 동력원으로 사용하기 위해서 작게는 수십 개에서 많게는 수백 개의 단위전지를 직렬 연결하여 사용한다. 여러 개의 단위전지를 직렬 연결하여 구성된 단위체를 연료전지의 경우에는 스택, 이차전지의 경우에는 모듈 또는 팩이라고 한다(이하 전지 구성체라 함).

일반적으로 단위전지는 제조과정 중의 편차, 및 구성체 내에서의 온도, 압력 등의 불균일 분포로 인해 전지 구성체 내에서의 작동 상태가 모두 다르다. 이러한 전지 구성체에서 하나의 단위전지라도 정상적으로 작동하지 않는다면, 단위전지가 직렬 연결된 전지 구성체 전체가 정상적으로 작동하지 못하게 된다. 그러므로, 작동시 단위전지를 하나하나 또는 일정 개수의 단위로 묶어 전압, 온도 등을 감시하여 전지의 정상 작동 유무를 판단하는 감시장치가 필요하다.

어떠한 작동 조건에서 단위전지의 전압은 각 단위전지의 정상 작동 유무를 판단하는 가장 중요한 감시 요소가 된다. 따라서, 감시장치는 단위전지 별로 나오는 직류 전압인 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸고 이를 이미 입력된 정상 상태의 값과 비교하여 정상 작동 유무를 판단하게 된다.

도 1은 종래의 감시장치에 관해 도시하고 있다. 감시장치(1)에 있어서, 각각의 단위전지(10-1∼10-N)로부터 출력된 각각의 아날로그 신호는 단위전지 수만큼 또는 감시 대상의 수만큼 마련된 A/D 변환기에 각각 입력되고 디지털 신호로 변환되어 연산 장치(40)에 입력된다. 이를 연산장치(40)에 미리 입력된 프로그램으로 처리하여 각 단위전지의 상태가 확인된다.

일반적으로 전지는 출력에 따라 그 전압이 달라지는데, 전지를 동적으로 운전할 때 전압은 출력에 따라 시시각각 변하게 된다. 이 때, 모든 단위전지(10-1∼10-N)에서 시시각각 변화하며 나오는 신호는 가능한 한 동시에 처리되는 것이 좋은데, 처리할 데이터의 양, 정밀도, 샘플링 주기, 시스템 구성 방법 등에 의해 데이터의 처리 속도 및 전체 단위전지 신호 처리의 동시성이 결정된다. 특히, 이차전지의 경우에는 충방전을 반복해야 하므로 충전 및 방전 각각의 상황에서 전지 거동을 정확하게 감시하여 상응하는 조치를 취해야 하는데 이것은 전지 구성체의 수명과도 연결되는 매우 중요한 문제로, 감시장치의 구성과 데이터 처리 방법이 다소 복잡하고 그 양이 많다.

신호처리의 동시성을 확보하기 위해서는, 도 1에서와 같이 단위전지(10-1∼10-N) 수만큼 아날로그-디지털 변환기(20-1∼20-N)를 부착하여 데이터 샘플링 주기에 따라 모든 단위전지(10-1∼10-N)의 전압을 동시에 변환해야 한다. 그런데, 이 경우, 수십, 수백 개의 A/D 변환기(20-1∼20-N)로 인해 감시장치(1)의 가격 및 부피가 증가하게 되는 문제점이 있다.

A/D 변환기(20)의 수를 줄이기 위해서, 도 2에 도시한 바와 같이, 릴레이(30)를 사용하여 하나의 변환기(20)가 여러 단위전지(10-1∼10-N)의 신호를 처리하게 하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우 가격이나 부피가 줄어들 가능성은 있지만, 대신 정보 처리의 동시성을 확보할 수는 없다.

또한, 일단 디지털로 변환된 각 단위전지(10-1∼10-N)의 정보는 하나하나 연산장치(40)로 보내져서, 미리 입력된 프로그램에 처리되어 전지 구성체(2) 내 각단위전지(10-1∼10-N)의 상태가 확인되는데, 이때 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압이 그대로 수치로 다루어지므로 처리해야 할 정보량이 많아지게 된다.

또한, 처리해야 할 정보량이 많으면, 연산장치(40)의 처리 속도 및 각 구성품 사이의 통신 속도가 빨라야 하고, 정보를 저장해야 할 메모리가 커야하는데, 이는 곧 감시 장비 가격의 상승 요인이 되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 연료전지 스택 감시장치를 단순화하여 장치의 가격 및 부피를 줄일 수 있는 연료전지 스택 감시장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 직렬로 접속된 복수의 단위전지 각각의 전압을 아날로그-디지털 변환 없이 회로적으로만 비교하여 단위전지 각각의 상태를 비트화할 수 있는 연료전지 스택 감시장치가 제공된다.

도 1은 종래의 연료전지 스택 감시장치의 구성도이다.

도 2는 종래의 다른 연료전지 스택 감시장치의 구성도이다.

도 3은 연료전지의 운전 특성을 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따라 단위전지 상태 신호를 발생하는 회로의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 감시장치 2 : 전지 구성체

3 : 차동 앰프 4 : 컴퍼레이터

5 : 기준 전압 발생기 10(10-1∼10-N) : 단위전지

20(20-1∼20-N) : A/D 변환기 30 : 릴레이

40 : 연산장치

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

연료전지의 운전 특성을 나타내는 대표적인 그래프는 전류-전압 곡선이다. 도 3에 전지 단위체(2)의 한 단위전지(10-1∼10-N)의 운전 특성을 나타내는 전류-전압 곡선을 도시하고 있다.

주어진 운전 조건에서 연료전지로부터 일정한 출력을 끌어낼 때 전압과 전류는 일의적으로 결정되는데, 일정한 사양으로 만들어진 단위전지들은 어느 정도의 편차가 있겠지만 대부분 같은 경향을 가진다. 따라서, 셀이 정상적으로 작동할 때의 기준 성능은 미리 정보화 할 수 있고, 감시장치 내에서 정보 처리시 기준으로 삼을 수 있다.

직렬로 연결된 셀 또는 셀로 구성된 모듈의 전압을 감시할 때, 감시 대상의 수만큼 비교 회로가 구성되는데, 본 발명의 실시예에 있어서는, A/D 변환기(20-1∼20-N)를 부착하지 않고 두 개의 전압(즉, 기준 전압과 단위전지 전압)을 회로상에서 직접 비교하게 된다.

도 4는 각 단위전지(10-1∼10-N)의 상태 신호를 발생하기 위한 회로의 개략도이다.도 4에 도시되어 있듯이, 직렬로 연결된 셀 또는 셀로 구성된 모듈의 전압을 감시할 때, 감시 대상의 수만큼 구성되어 있는 비교 회로는 다수개의 단위전지(10-1∼10-N)에서 개별적으로 각각 셀 전압을 입력받아 차동 동작하여 전압을 출력하는 차동앰프(3)와, 소정의 기준 전압을 발생하여 출력하는 기준 전압 발생기(5)와, 상기 차동 앰프(3)와 기준 전압 발생기(5)에서 출력되는 전압을 비교하여 단위전지(10-1∼10-N)의 상태를 디지털 신호로 각각 출력는 컴퍼페이터(4)로 구성되어 있다.도 1 또는 도 2에 도시되어 있는, 전지 단위체(2)는 하이(High) 셀 전압과 로우(Low) 셀 전압을 각각 개별 발생하는 다수의 단위 전지(10-1∼10-N)로 구성되는바, 상기 차동 앰프(3)는 상기 전지 단위체(2)에 구비된 하나의 단위전지로부터 로우(Low) 셀 전압과 인접되는 단위전지로부터 하이(High) 셀 전압을 각각 인가받아 차동 증폭 동작된다.따라서, 상기 차동 앰프(3)의 수는 상기 다수의 단위전지(10-1∼10-N)의 수에 대응하는 갯수로 구비되는 것이 바랍직하며, 그에 따른 기준 전압 발생기(5)와 컴퍼페이터(4)의 수 또한 상기 차동 앰프(3)의 수에 대응하는 갯수로 구비되는 것이 바랍직다.이에, 컴퍼페이터(4)는 상기 차동 앰프(3)로부터 출력되는 출력전압과 기준 전압 발생기(5)로부터 출력되는 기준전압을 입력받아 비교 동작하여 상기 단위전지(10-1∼10-N)의 상태를 디지털 신호로 각각 출력한다.즉, 단위전지(10-1∼10-N) 상태의 정상 유무가 0 또는 1로 비트화 하여 출력되어 연산장치(40)로 입력된다.

여기서 기준 전압을 발생하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 하나는 전지 시스템의 전체 전압을 셀 또는 모듈(10-1∼10-N) 수로 나누어 평균 전압을 기준 전압으로 하는 방법이 있고, 다른 방법은, 도 4에서와 같이, 미리 측정된 운전 조건으로 제어시 요구 출력을 근거로 기준 전압 발생기(5)에서 기준 전압을 발생하는 방법이 있다. 기준 전압은 모든 OP 앰프(4)에 동일하게 공급된다.

단위전지(10-1∼10-N)의 운전영역은 보통 0.4V∼OCV(Open Circuit Voltage, 연료전지의 경우 보통 1.0V 내외)로써, 운전시 이 영역을 벗어나게 되면 단위전지(10-1∼10-N)는 정상적으로 작동하는 것이 아니다.

이차전지의 경우에는 충방전을 반복해야 하는데, 이때 단위전지 하나하나의충방전 상태를 감시해야 하고, 충방전 상태의 척도가 각 단위전지의 전압이 된다. 이때, 단위전지의 전압을 감시하기 위해서는 보통 8∼16 비트의 신호를 처리해야한다.

한편, 전기 에너지를 저장하는 이차전지와 달리 에너지 변환 장치인 연료전지는 충전할 필요가 없기 때문에, 전지 구성체(2)의 감시를 엄격하게 할 필요가 없다. 일반적으로 연료전지 단위전지(10-1∼10-N)가 비정상적으로 작동할 때에는 전압이 불규칙적으로 흔들리는 것이 보통이고 정상 운전 영역의 전압을 벗어나게 된다. 따라서, 연료전지에서는 전지(10-1∼10-N)의 운전 안전 영역을 주고 이 범위 내에서 전지(10-1∼10-N)의 전압이 정상적으로 머물러 있는지만 살펴보면 되고 구체적으로 전압의 수치를 비교할 필요까지는 없다. 즉, 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압 자체를 비교하는 것이 아니라 상태만 비교하는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의해, 연료전지 단위전지 전압의 정상 유무를 단순히 1 또는 0으로 비트화 한다면 감시 대상의 수만큼 구성된 각각의 비교 회로는 OP 앰프를 사용하여 비교적 간략하게 구성될 수 있고, 나아가 집적회로로 만들 수 있어, 정보처리 속도를 높이는 동시에 감시장비는 단순화되고 가격은 훨씬 저렴하게 될 수 있다.

일반적으로 디지털 신호의 1 또는 0을 결정하는 방법은 기준 전압 이상은 1, 기준 전압 이하는 0으로 처리될 수 있게 회로를 구성하는 것이다.

본 발명에서도 마찬가지로 연료전지 단위전지(10-1∼10-N)의 정상 작동 최저 전압을 정해놓고 그 이상이면 정상, 그 이하면 비정상으로 처리하게 되면, 단위전지(10-1∼10-N) 하나의 정보 처리에 필요한 정보량은 1비트에 불과하다.

비트화 된 단위전지(10-1∼10-N) 이상유무의 신호를 병렬로 동시에 처리하면 감시장치 연산기(40) 내에서는 이 신호 자체가 비정상적인 단위전지(10-1∼10-N)의 주소가 될 수 있다. 즉, 어디에서 이상이 발생했는지도 알 수가 있다.

따라서, 본 발명은 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압 자체를 비교하는 것이 아니라 상태만 비교하는 것으로, A/D 변환기(20-1∼20-N)를 제거하고, 단순히 전압만을 회로적으로만 비교하여 각 단위전지(10-1∼10-N)의 신호를 비트화할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 이것은 연료전지가 에너지 저장 장치가 아니라 에너지 변환 장치이므로 충전할 필요가 없기 때문에, 전지 구성체(2)의 감시를 엄격하게 할 필요가 없다는 특징을 이용한 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 A/D 변환기, 각종 릴레이 등의 전자 부품을 제거하고 단위전지 각각의 감시 회로에 OP 앰프를 이용하여 각각의 회로를 비교적 간략하게 구성할 수 있다. 따라서, 차량 성능에는 영향을 주지 않으면서 연료전지 스택 감시장치를 단순화할 수 있다.

또한, 감시장치의 단순화로 인해 제작 공정이 단순화될 수 있을 뿐만 아니라, 신호처리의 단순화로 인해 처리할 정보량이 적어지므로 엔진제어기 제어 프로그램이 간단해진다.

또한, 각종 전자부품을 대폭 삭감하고 집적회로로 만들 수 있어 가격을 대폭 절감할 수 있는 것은 물론, 부피도 줄기 때문에 하우징도 작아져 그만큼 무게가 줄어들 수 있다.

또한, 스택 감시장치의 소형화로 차량 레이아웃 측면에서도 유리하여 그만큼의 공간을 안전 및 편의성을 위한 공간으로 활용할 수 있다.

또한, 연료전지 스택 감시장치는 환경 친화적인 연료전지자동차에 적용될 핵심 부품으로서, 기존 장치에 비해 생산비용을 훨씬 절감할 수 있으므로 연료전지자동차의 실용화를 앞당길 수 있다.

Claims

여러 개의 단위전지를 직렬 연결하여 구성된 연료전지 스택의 각각의 단위전지를 감시하는 연료전지 스택 감시장치에 있어서,

다수개의 단위전지에서 개별적으로 각각 셀 전압을 입력받아 차동 동작하여 전압을 출력하는 차동앰프와, 소정의 기준 전압을 발생하여 출력하는 기준 전압 발생기와, 상기 차동 앰프와 기준 전압 발생기에서 출력되는 전압을 비교하여 다수개의 단위전지 상태를 디지털 신호로 각각 연산장치로 출력하는 컴퍼페이터로 구성된 비교회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 감시장치.
제1항에 있어서,

기준 전압은 미리 측정된 운전 조건으로 제어시 요구 출력을 근거로 기준 전압 발생기에서 기준 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 감시장치.