KR100778287B1 - 전지 전압 감시 장치 및 이를 이용하는 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 단위 전지를 포함하는 전지에서, 다수의 단위 전지의 출력 전압을 감시하는 전지 전압 감시 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전지 전압 감시 장치는 상기 단위 전지 생성 전압을 이용하여 소정의 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 감시 단위 전지 생성 전압과 상기 소정의 기준 전압을 비교하는 전압 비교부, 상기 전압 비교부의 출력에 응답하여, 상기 전압 비교부의 출력과 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부, 및 상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 상기 전지의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함한다.
연료 전지, 전압 감시

Description

전지 전압 감시 장치 및 이를 이용하는 전지{DEVICE FOR MONITORING VOLTAGE AND CELL USING THE SAME}
도 1 은 연료전지 전압 감시 장치의 간단한 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 간단한 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 기준 전압 생성부의 회로도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 전압 비교부의 회로도이다.
도 5a 는 본 발명의 제 1 실시예의 전압 비교부에서 사용되는 OP 앰프이다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a의 OP 앰프의 포화특성을 보여준다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 신호 격리부의 회로도이다.
본 발명은 전지 전압 감시 장치 및 이를 포함하는 전지, 특히 연료 전지 전 압 감시 장치 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다.
연료전지는 일반적으로 다수의 단위 전지를 직렬 연결하여 구성되는 데, 그 연료 전지를 구성하는 단위 전지의 작동전압이 매우 낮기 때문에, 직렬 연결되는 단위 전지의 수는 수십 내지 수백 개가 된다. 여기서, 여러 개의 단위 전지를 직렬 연결하여 구성된 전지 묶음을 스택이라 한다.
한편, 연료 전지 스택을 구성하는 단위 전지들은 제조 과정 중의 편차, 및 스택 내의 온도, 압력 등의 불균일한 분포로 인해 전지 구성체 내에서의 작동 상태가 모두 상이하다.
그런데, 이러한 연료전지 스택내 단위전지 중 하나의 단위전지라도 성능 저하가 발생하면 그 단위전지는 고온으로 인한 멤브레인의 손상이나 역전위로 인한 전극의 손상을 겪게 되고, 이러한 문제는 인접한 단위전지로 계속 전파되어 결국 연료전지 스택의 운전에 현저한 영향을 줄 우려가 있다.
그러므로 작동시 단위 전지를 하나 하나 또는 일정 개수의 단위로 묶어 전압을 감시하여 전지의 정상 작동 유무를 측정하는 감시 장치가 필요하다.
연료전지 스택 전압 감시 방법 중 하나로서 적층한 단위 전지의 수만큼 아날로그/디지털 변환기(이하 'A/D 변환기'라 함)를 사용하여 각 단위 전지의 전압의 이상 여부를 측정하는 방법이 알려져 있다. 그러나 이 방법은 다수의 A/D 변환기를 필요로 하는 바, 비용 증가의 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 연료전지 전압 감시 장치의 구성시, 스택에서 발생한 전류가 접지선 등의 외부의 결선을 타고 바깥으로 흘러나가게 되면 스택의 양극과 음극에 흐르는 전류에 차이가 발생하게 되는데, 이는 연료전지의 전극 면에서 화학적 불 평형을 야기할 수 있다. 따라서 연료 전지 전압 감시 장치에서, 단위 전지의 출력 전류와 제어 회로부 간의 전기적인 절연이 필요하다.
전기적 절연 및 A/D 변환기의 수를 줄이기 위해, 다수의 단위전지를 릴레이 또는 멀티플렉서를 사용해 스위칭 하는 방식이 알려져 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 릴레이 및 A/D변환기를 이용하는 연료전지 스택 감시 장치의 개략적인 구성을 보여준다.
그러나 이러한 종래 기술 역시, 다수의 셀의 전압을 하나씩 모두 검출하는데 시간차가 발생하며, 격리를 위해 릴레이를 사용하는 바, 접점성능의 저하로 인한 오류가 발생할 가능성이 있다.
한편, 한국 공개 특허 제 2002-56483 호 및 일본 공개 특허 2004-536437 호 미국특허 제 6816797호는 단위 전지 전압을 특정 기준 전압과 비교하여 높낮이 여부만을 판단하도록 함으로써, 연료 전지 전압의 감시를 위한 신호를 단순화시키는 방안을 교시하고 있으나 이러한 방법들 역시 기준 전압 발생을 위한 전원 회로가 별도로 요구되는 문제가 있다.
본 발명은 단위 전지들의 동작을 실시간으로 감시할 수 있는 전지 전압 감시 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 단위 전지의 생성 전압을 사용하여, 별도의 전원 회로가 필요 없는 전지 전압 감시 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 단위 전지의 생성 전압을 사용하며, 단위 전지 생성 전압과 전기적으로 격리된 신호를 출력 신호로 이용하는 전지 전압 감시 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 단위 전지의 생성 전압을 실시간으로 감시할 수 있는 전지 전압 감시 장치를 포함하는 연료 전지를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 단위 전지의 생성 전압을 사용하여, 별도의 전원 회로가 필요 없는 전지 전압 감시 장치를 포함하는 연료 전지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 기술적 과제의 해결을 위한, 본 발명의 한 특징에 따른 전지 전압 감시 장치는 각 단위 전지 생성 전압을 이용하여 소정의 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 감시 단위 전지 생성 전압과 상기 소정의 기준 전압을 비교하는 전압 비교부, 상기 전압 비교부의 출력에 응답하여, 상기 전압 비교부의 출력과 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부, 및 상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 상기 전지의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함하며, 다수의 단위 전지를 포함하는 전지에서 각 단위 전지 생성 전압을 감시한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 직렬로 연결되어 배열된 다수의 단위 전지를 포함하며, 상기 단위 전지 배열 중 2 이상의 지점에서 출력 전압을 입력 받아, 소정의 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 상기 단위 전지 배열 중 감시 단위 전지의 제 1 전극측 출력 전압, 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압 및 상기 기준 전압이 입력되며, 상기 감시 단위 전지의 생성 전압이 소정의 허용 전압 범위 내인지 판단하는 전압 비교부, 상기 전압 비교부의 출력에 응답하여, 상기 전압 비교부의 출력 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부, 및 상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 전지 전압의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 연료 전지는 직렬로 연결되어 배열된 다수의 단위 전지를 포함하며, 상기 단위 전지 배열 중 2 이상의 지점에서 출력 전압을 입력 받아, 소정의 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 상기 단위 전지 배열 중 감시 단위 전지의 제 1 전극측 출력 전압, 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압 및 상기 기준 전압이 입력되며, 상기 감시 단위 전지의 생성 전압이 소정의 허용 전압 범위 내인지 판단하는 전압 비교부, 상기 전압 비교부의 출력 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부, 및 상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 전지 전압의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함하는 전지 전압 감시 장치를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 제 1 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치를 설명한다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 개략적인 구성을 보여준다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 연료 전지 스택(100), 기준 전압 생성부(200), 전압 비교부(300), 신호 격리부(400), 및 연산 처리부(500)를 포함한다.
연료 전지 스택(100)은 직렬로 연결되도록 배열 적층된 다수의 단위 전지를 포함한다.
이때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 각 단위 전지에 대응하는 기준 전압 생성부(200), 전압 비교부(300) 및 신호 격리부(400)를 각각 포함한다. 즉, 단위 전지의 수가 n 개인 경우, 기준 전압 생성부(200), 전압 비교부(300) 및 신호 격리부(400)는 각각 n 개 준비 되어 단위 전지에 전기적으로 연결될 수 있다.
기준 전압 생성부(200)는 검사 단위 전지에서 생성되는 전압이 허용되는 전압 범위 내에 속하는지 판단하기 위해 소정의 기준 전압을 생성한다. 기준 전압은 연료 전지 스택(100)으로부터 수득되는 단위 전지 생성 전압을 이용하여 생성된다.
전압 비교부(300)는 감시하고자 하는 단위 전지(이하 '감시 단위 전지'라 함)에서 생성되는 전압과 기준 전압 생성부(200)로부터 생성되는 기준 전압을 비교하여, 상기 단위 전지에서 생성되는 전압의 정당성을 평가한다.
신호 격리부(400)는 전압 비교부(300)로부터 출력되는 전압에 응답하여, 전 압 비교부(300)의 출력 전압과 전기적으로 격리된 신호를 전달한다.
연산 처리부(500)는 신호 격리부(400)로부터 출력되는 신호로부터 연료 전지 의 이상 여부를 판단한다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 각 구성 요소에 대하여 구체적으로 살펴본다.
기준 전압 생성부(200)는 다수의 단위 전지의 직렬 연결된 배열에서 2 이상의 지점에서 출력되는 전압들로부터 소정의 크기를 갖는 기준 전압을 수득한다. 이때, 기준 전압은 연료전지의 설계 목적에 따라 적절하게 설정된다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 기준 전압 생성부(200)의 회로구성의 한 예를 보여준다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 기준 전압 생성부(200)는 전압 생성부(210) 및 전압 분배부(220)를 포함할 수 있다.
전압 생성부(210)는 다수의 단위 전지 배열 중 2 개의 지점에 각각 연결된 2 개의 입력단(213 및 215)을 갖는 정전압 소자(211)를 포함한다. 본 발명의 제 1 실시예에서 정전압 소자(211)는 제너 다이오드 일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예의 전압 생성부(210)는 그 일단(213)이 검사 단위 전지의 캐소드 전극측 출력단에 연결되고, 타단(215)이 검사 단위 전지로부터 일 방향으로 소정의 단위 전지만큼의 거리가 떨어진 단위 전지의 캐소드 전극측 출력단에 연결된다. 그에 따라, 일단(213)과 타단(215) 사이에 직렬 배열되어 연결된 단위 전지들에 의해 생성되는 전압이 정전압 소자(211) 및 저항 소자 (216)에 인가되게 된다.
즉, 정전압 소자(211)와 저항소자(216)에 인가되는 전압은 그 일단(213)에 연결되는 검사 단위 전지의 캐소드 전극측 출력 전압과 그 타단(215)에 연결되는 단위 전지의 캐소드 전극측 출력 전압의 차이만큼의 전압이 된다.
이때, 정전압 소자(211)는 2 개의 입력단에 인가되는 양 전압의 전위차가 소정의 제너 전위(Vz) 이상이 되는 경우 도통된다. 그 결과, 전압 생성부(210)의 노드 1(217)과 노드 2(218)사이에 일정한 크기의 전압이 걸리게 된다.
한편, 본 발명의 전압 생성부(210)는 설계 목적에 따라 적절한 제너 전위(Vz)를 갖는 정전압 소자(211)를 선택함으로써, 전압 생성부(210)의 노드 1(217)과 노드 2(218)간의 전압 크기를 적절히 조절할 수 있다. 그러나 노드 1(217)과 노드 2(218)간의 전압 크기는 연료 전지 스택을 구성하는 각 단위 전지의 최대 전압 값과 유사한 크기의 전압으로 설정하는 것이 바람직하다.
저항 소자(216)는 정전압 소자(211)를 통하여 흐르도록 설정된 전류에 적합하도록 설정된다.
연료전지 스택을 구성하는 각 단위 전지에서 생성되는 전압의 허용 범위가 0.4 V 내지 1.2 V이고, 전압 생성부(210)에서 생성하고자 하는 전압 값이 1.2 V 인 경우를 예로 하여 저항 소자(216)를 구체적으로 설명한다.
정전압 소자(211)의 양단(213 및 215)에 허용 전압이 0.4 V 내지 1.2V 인 단위 전지 8 개가 직렬 연결되어 있다고 하면, 전압 생성부(210)에 인가되는 전압은 3.2V 내지 9.6 V 가 된다.
이때, 정전압 소자(211)에 의해 1.2 V 의 일정 전압이 유지 되므로, 저항 소자(216)에는 2 V 내지 8.4 V 전압의 부하가 걸리게 된다. 따라서 저항 소자(216)는 상기 부하에 대응하여 상기 정전압소자(211)와 하기 전압 분배부(220)를 구동하기에 적합하도록 설정되어야 한다.
전압 분배부(220)는 전압 생성부(210)에서 생성된 전압을 목적하는 소정의 적절한 전압으로 분압한다. 이러한 전압 분배부(220)로 통상적인 전압 분배 회로를 사용할 수 있다.
도 3에서 도시된 회로에서, 정전압 소자(211)의 일단(213)에 인가되는 전압이 9.6 V이고, 타단(215)에 인가되는 전압이 0V 이고, 정전압 소자(211)의 Vz 전압이 1.2V 라 하면, 전압 분배부(220)에 1.2 V의 일정한 전압이 인가되게 된다. 이때, 전압 분배부(220)의 저항 소자(221 및 223)의 저항 값을 적절히 조절하여 저항 소자(223)에 인가되는 전압을 목적하는 소정의 전압으로 조절 할 수 있다.
구체적으로, 각 단위 전지가 0.6 V 내지 0.8 V의 안전한 운전전압을 달성하기 위해서는 전압 분배부(220)에 의해 분압된 전압이 0.3 V 내지 0.5 V 정도가 되도록 설정하며, 각 단위 전지가 0.4 V 의 안전한 운전 전압을 달성하기 위해서는 전압 분배부(220)에 의해 분압된 전압이 0.2V 내지 0.3V 정도가 되도록 설정할 수 있다. 한편, 전압 분배부(220)에 의해 분압된 전압은 스택 또는 전체 시스템의 설계 목적에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
전압 생성부(210)의 일단(213)에 인가되는 전압이 9.6 V 이고, 전압 분배부(220)에 의해 분압된 전압이 0.4 V 로 설정된 경우, 9.6 V의 전압은 0.4 V 의 설정 전압 만큼 조정되어, 전압 분배부(220)의 출력단(225)으로 출력되는 최종 기준 전압은 9.2 V가 된다.
한편, 전압 분배부(220)에 사용되는 저항(221, 223)으로서 가변저항 등을 이용할 수 있으며, 각 검사 단위 전지에 대응하는 전압 분배부(220)가 서로 다른 전압 값으로 분배되도록 설정할 수 도 있다.
전압 비교부(300)는 기준 전압 생성부(200)에서 출력되는 기준 전압과 검사 단위 전지에서 생성되는 전압을 입력 받아, 검사 단위 전지에서 생성되는 전압이 설정된 소정의 전압 허용 범위 내에 존재하는지를 판단하여 그 결과에 따라 각기 다른 전압 신호를 출력한다. 즉, 전압 비교부(300)는 기준 전압과 단위 전지에서 생성되는 전압을 비교하여 단위 전지의 생성 전압이 기준 전압보다 큰 경우 신호 격리부(400)에 작동 신호를 출력하고, 단위 전지의 생성 전압이 기준 전압보다 낮은 경우 신호 격리부(400)에 부작동 신호를 출력한다.
도 4 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 전압 비교부(300)의 회로구성의 한 예를 보여준다.
도 4 에서와 같이, 전압 비교부(300)는 검사 단위 전지의 캐소드 전극측 출력 전압이 인가되는 제 1 입력단(313), 검사 단위 전지의 애노드 전극측 출력 전압이 인가되는 제 2 입력단(315), 기준 전압 생성부(200)의 출력 전압이 인가되는 제 3 입력단(317) 및 기준 전압 생성부의 타단(215)에 인가되었던 전압이 인가되는 제 4 입력단(319)이 구비된 비교기(311) 및 제 1 입력단(313)에 인가되는 전압을 출력하는 제 1 출력단(321) 및 비교기(311)의 출력 전압을 출력하는 제 2 출력단(323) 을 포함한다.
전압 비교부(300)에서, 비교기(311)의 + 입력단은 제 2 입력단(315), - 입력단은 제 3 입력단(317), Vcc 단은 제 1 입력단(313) 및 Vee 단은 제 4 입력단(319)에 각각 대응된다.
비교기(311)는 + 입력단으로 인가되는 전압의 크기가 - 입력단으로 인가되는 전압보다 큰 경우, Vcc 단으로 인가되는 전압에 포화되는 전압을 제 2 출력단(323)으로 출력하고, - 입력단으로 인가되는 전압의 크기가 + 입력단으로 인가되는 전압보다 큰 경우, Vee 단으로 인가되는 전압에 포화되는 전압을 제 2 출력단(323)으로 출력한다.
따라서 전압 비교부(300)는 제 2 입력단(315)에 인가되는 검사 단위 전지의 애노드 전극측 출력 전압이 제 3 입력단(317)에 인가되는 기준 전압 생성부(200)에서 출력되는 기준 전압 보다 큰 경우, Vcc 단으로 인가되는 검사 단위 전지의 캐소드 전극측 출력 전압에 포화되는 전압을 제 2 출력단(323)으로 출력한다. 또한, 전압 비교부(300)는 제 2 입력단(315)에 인가되는 검사 단위 전지의 애노드 전극측 출력 전압이 제 3 입력단(317)에 인가되는 기준 전압 생성부(200)에서 출력되는 기준 전압 보다 작은 경우, Vee 단으로 인가되는 기준 전압 생성부의 타단(215)에 인가되었던 전압에 포화되는 전압을 제 2 출력단(323)으로 출력한다.
앞서 예를 든 바와 같이, n 이 8 인 연료전지 스택에 있어서, 각 단위 전지의 최대 출력 전압이 1.2 V이고, 7 번째 단위 전지의 출력 전압이 타단(215)를 기준으로 8.4 V로 고정되어 있다고 가정하고, 8 번째 단위 전지의 생성전압을 평가하 고자 하는 경우를 들어 구체적으로 설명한다.
이때, 8 번째 단위 전지에서 허용되는 생성 전압이 0.4 V 이상이라고 하면, 기준 전압 생성부(200)는 8 번째 단위 전지의 캐소드 전극측에서 출력되는 전압에서 0.4 V를 차감한 전압을 기준 전압으로 출력한다.
먼저, 8 번째 단위 전지에서 생성되는 전압이 0.5 V 라고 하면, 8 번째 단위 전지의 캐소드 전극 측 출력 전압은 8.9 V(=8.4V + 0.5V)가 되고, 기준 전압은 8.5V(=8.9 V - 0.4 V)가 된다. 이때, 비교기(311)의 제 2 입력단(315)에 입력되는 전압은 8.4 V 이고, 비교기의 제 3 입력단에 입력되는 전압은 8.5 V이므로, 제 3 입력단(- 입력단) 전압이 제 2 입력단(+ 입력단) 전압보다 크게 되므로, 제 4 입력단(319; Vee 단)으로 입력되는 전압이 제 2 출력단(323)으로 출력된다. 이 경우 전압 비교부(300)의 제 1 출력단(321)으로 출력되는 전압은 8.9V 이고 제 2 출력단(323)으로 출력되는 전압은 0 V에 근접한 값이므로, 양 출력단 간의 전위차는 약 8.9 V 에 해당하게 된다.
반면에, 8 번째 단위 전지에서 생성되는 전압이 0.3 V 인 경우, 8 번째 단위 전지의 캐소드 전극 측 출력 전압은 8.7 V(=8.4V + 0.3V)가 되고, 기준 전압은 8.3V(=8.7 V - 0.4 V)가 된다. 이때, 비교기(311)의 제 2 입력단(315)에 입력되는 전압은 8.4 V 이고, 비교기의 제 3 입력단에는 8.3 V이므로, 제 2 입력단(+ 입력단) 전압이 제 3 입력단(- 입력단) 전압 보다 크게 되므로, 제 1 입력단(313; Vcc 단)으로 입력되는 전압이 제 2 출력단(323)으로 출력된다. 이 경우 전압 비교부(300)의 제 1 출력단(321)으로 출력되는 전압은 8.7 V 이고 제 2 출력단(323)으 로 출력되는 전압 역시 8.7 V에 근접한 값이므로, 양 출력단 간의 전위차는 극히 작게 된다.
결론적으로, 전압 비교부(300)는 비교기(311)의 제 2 입력단(315) 및 제 3 입력단(317)으로 입력되는 전압을 비교하여, 제 2 입력단(315)으로 입력되는 전압이 제 3 입력단(317)으로 입력되는 전압보다 큰 경우, 출력 전압으로서 제 1 입력단(313)으로 입력되는 전압을, 제 3 입력단(317)으로 입력되는 전압이 제 2 입력단(315)으로 입력되는 전압보다 큰 경우, 출력 전압으로서 제 4 입력단(319)으로 입력되는 전압을 출력한다. 결국, 전압 비교부(300)는 검사 단위 전지에서 출력되는 전압의 크기에 따라 두개의 다른 전압을 디지털 신호 출력 방식으로 출력한다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에서 사용되는 비교기(311)로서 OP 앰프가 바람직하게 사용된다.
도 5a 는 본 발명의 제 1 실시예의 전압 비교부(300)에서 사용되는 OP 앰프를 개략적으로 보여준다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 OP 앰프로서 아날로그 신호 연산에 사용되는 통상적인 OP 앰프를 사용할 수 있다.
도 5a에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에서 사용되는 OP 앰프는 제 2 입력단(315) 및 제 3 입력단(317)을 통해 비반전 입력(in+) 및 반전 입력(in-)을 수신 받아, 그 차이를 증폭하여 Vout(323; 제 2 출력단)으로 출력한다.
한편, OP 앰프에서 전압의 차이의 증폭 값인 출력 전압은 비반전 입력(in+)이 반전 입력(in-)보다 큰 경우 Vcc 단 입력 전압으로 포화되고, 반전입력(in-)이 비반전 입력(in+) 보다 큰 경우 Vee 단 입력 전압으로 포화된다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 OP 앰프로서 도 5b 또는 도 5c와 같은 포화특성을 갖는 OP 앰프를 적절히 배합하여 사용한다.
도 5b의 경우는 OP 앰프가 Vcc 단에 연결된 전원에 포화특성을 갖는 것을 의미하고, 도 5c의 경우는 OP 앰프가 Vee에 연결된 전원에 포화특성을 갖는 것을 의미한다.
도 5b 에서의 음 전압 그래프 및 도 5c 에서의 양 전압 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 5b에서 음전압이 공급 되는 경우와 도 5c에서 양 전압이 공급되는 경우에서 포화 전압이 공급 전압에 비해 낮음을 알 수 있다.
OP 앰프는 이와 같은 포화 특성을 갖고 있는 바, 한 가지 특성의 OP 앰프로만 회로를 구성할 경우, 포화영역 이상의 전원이 필요할 수 있다.
도 5b와 같은 특성을 갖는 OP 앰프만을 사용할 때, 연료전지 스택의 캐소드(cathode) 전극 방향의 마지막 단위 전지의 전압을 검출하고자 하는 경우를 구체예로서 설명하면, 사용한 OP 앰프의 Vcc 단측 포화전압의 편향(bias)이 추후 신호 격리부(400)의 회로 동작에 영향을 줄 만큼 크다면 연료전지 스택에 존재하는 가장 높은 전압에 포화전압의 편향만큼 높은 전압을 추가 공급해야만 회로가 정상 동작하게 된다. 따라서 추가적인 승압형 직류전원회로가 필요하게 된다.
반면에, 도 5c와 같은 특성을 갖는 OP 앰프만을 사용할 때, 연료 전지 스택의 애노드(anode) 전극 방향의 마지막 단위 전지의 전압을 검출하고자 하는 경우를 구체예로서 설명하면, 사용한 OP 앰프의 Vee 단측 포화 전압의 편향이 회로의 동작 에 영향을 줄 만큼 크다면, 연료전지 스택에 존재하는 가장 높은 전압에 포화전압의 편향만큼 높은 전압을 공급해야만 회로가 정상 동작하게 된다. 따라서 그 만큼의 포화 전압을 음의 방향으로 만들 수 있는 추가적인 직류전원회로가 필요하게 된다.
본 발명의 제 1 실시예에서는 이러한 OP 앰프들의 포화 특성들을 고려하여, 연료 전지에 포함되는 단위 전지들을 2 개의 군으로 분리하고, 캐소드 전극 방향 측 단위 전지들에는 Vee 단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 OP 앰프를 사용하고, 애노드 전극 방향측 단위 전지들에는 Vcc 단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 OP 앰프를 사용한다. 따라서 포화 전압의 편향이 회로의 동작에 영향을 미치지 않게 되므로, 추가적인 전원회로가 필요 없게 된다.
결국, 전압 비교부(300)의 제 2 출력단(323) 전압은 비교기(311)의 Vcc 단 또는 Vee 단의 입력 전압이 된다. 그런데, 비교기(311)의 Vcc 단 또는 Vee 단으로의 입력 전압은 모두 흔들림이 심한 단위 전지의 출력 전압이므로, 이와 같이 단위 전지의 출력 전압을 검사 단위 전지의 이상 여부를 판단하기 위한 신호로 사용될 수 없다.
따라서 전압 비교부(300)의 출력 전압은 신호 격리부(400)로 인해 단위 전지의 흔들림에서 영향을 받지 않는 신호로 전환된다.
신호 격리부(400)는 전압 비교부(300)로부터 출력되는 전압 신호를 받아, 입력 받은 전압 신호에 대응되나 입력 받은 전압 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력한다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 신호 격리부(400)는 포토커플러를 이용하여 입력 받은 전압 신호와 전기적으로 격리된 신호를 발생 시킬 수 있다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치의 신호 격리부(400)의 회로 구성을 보여준다.
신호 격리부(400)는 일단(415)이 전압 비교부(300)의 제 1 출력단(321)에 연결되고, 타단(417)이 전압 비교부(300)의 제 2 출력단(323)에 연결되는 발광부(411), 및 일단(421)이 외부 신호가 입력되는 입력단이고, 타단(423)이 출력단인 수광부(413)를 포함한다. 신호 격리부(400)에서 발광부(411)와 수광부(413)는 분리되어 위치하며, 발광부(411)에 흐르는 신호와 수광부(413)에 흐르는 신호는 전기적으로 격리된다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 신호 격리부(400)는 발광부(411)로서 특정 전압이 양단(415 및 417)사이에 인가되면 빛을 발광하는 발광 다이오드 및 수광부(413)로서 빛이 인가되면 도통되는 광 다이오드 또는 광 트랜지스터를 포함하는 포토 커플러로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 신호 격리부(400)의 동작을 설명한다.
발광부(411)에서, 일단(415)에 검사 대상 단위 전지의 캐소드 전극측 출력 전압(비교기(311)의 Vcc 단에 입력되는 전압)이 인가되고, 타단(417)에 비교기(311)의 출력 전압이 인가된다. 앞서 설명한 바와 같이, 비교기(311)는 검사 단위 전지의 생성 전압이 허용 범위 내인 경우 Vee 단 입력 전압에 포화된 전압을 출력하고, 검사 단위 전지의 생성 전압이 허용 범위가 아닌 경우 Vcc 단 입력 전압에 포화된 전압을 출력한다. 이때, 발광부(411)는 일단(415)과 타단(417)에 걸리는 전위차가 소정의 발광 전위 이상이 되면 빛을 발광한다. 발광부(411)의 발광 전위는 비교기(311)의 Vcc 단 입력 전압과 Vcc 단 입력 전압에 포화된 전압의 전위차 보다 크고 Vcc 입력 전압과 Vee 입력 전압에 포화된 전압의 전위차 보다 작은 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 수광부(413)는 발광부(411)로부터 발광되는 빛에 대응하여 일단(421)으로 인가되는 외부 신호를 타단(423)으로 전송한다.
따라서 검사 대상 단위 전지에서의 생성 전압이 허용되는 범위인 경우, 발광부의 일단(415)에 Vcc 단 입력 전압이 인가되고, 그 타단(417)에 Vee 단 입력 전압에 포화된 전압이 인가되므로, 양단(415 및 417)의 전위차가 발광 전위 이상이 되어 발광부(411)가 발광한다. 이때, 수광부(413)는 발광부(411)의 발광에 응답하여 일단(421)으로 인가되는 외부 신호를 타단(423)으로 출력한다.
한편, 검사 대상 단위 전지에서의 생성 전압이 허용되는 범위가 아닌 경우, 발광부에서 일단(415)에 Vcc 단 입력 전압이 인가되고, 타단(417)에 Vcc 단 입력 전압에 포화된 전압이 인가되므로, 양단(415 및 417)의 전위차가 발광 전위 미만이 되어 발광부(411)는 발광하지 않는다. 따라서 수광부(413)는 일단(421)으로 인가되는 외부 신호를 타단(423)으로 전송하지 않게 된다.
결국, 신호 격리부(400)는 검사 단위 전지의 생성 전압이 허용 범위 내인 경우, 외부 신호를 전달하고, 검사 단위 전지의 생성 전압이 허용 범위 내가 아닌 경우 외부 신호를 전달하지 않게 된다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 신호 격리부(400)는 수광부의 타단이 이웃 신호 격리부의 수광부의 일단에 연결되어, 결국 다수의 단위 전지에 대응하는 다수의 신 호 격리부는 서로 직렬 연결되도록 배열된다.
연산 처리부(500)는 연료 전지 스택에 포함되는 다수의 단위 전지에 대응하는 다수의 신호격리부(400)에서 출력되는 전체 신호에 응답하여 하나의 단위 전지에서라도 허용 범위 내의 전압이 생성되지 않는 경우 이상 발생 신호를 출력한다.
연산 처리부(500)는 외부 신호원, 출력단 및 외부 신호원 및 출력단을 연결하는 데이터선을 포함한다. 데이터선은 다수의 신호 격리부(400)의 수광부(413)의 일단(421)과 타단(423)에 의해 연결되는데, 하나의 수광부(413)의 일단(421)이 이웃한 수광부(413)의 타단(423)에 연결되도록 직렬 배열된다.
따라서 외부 신호원의 신호(421)는 다수의 수광부(413)의 일단(421)과 타단(423)을 통해 연결되도록 구성된 데이터 선을 통해 전달될 수 있다. 이때, 하나의 단위 전지에서라도 정상 전압이 생성되지 않는 경우 그 단위 전지에 대응하는 발광부(411)는 발광하지 않고, 그에 따라 그 발광부(411)에 대응되는 수광부(413)는 도통되지 않으므로, 외부 신호(421)는 전달되지 않는다.
이렇게 되면, 각 수광부(413)는 서로 직렬 연결되어 있으므로, 외부 신호는 그 수광부(413)에서 전달이 멈추게 된다. 이때, 연산 처리부(500)는 외부 신호가 전달되지 않는 것으로 파악하여, 외부 신호 전달 여부를 한 비트 디지털 신호로 구성되는 이상 신호를 출력할 수 있다.
결국, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 연료 전지 스택을 구성하는 모든 단위 전지의 전압이 특정 값 이상을 유지하는지를 확인하며, 하나의 단위 전지에서 생성되는 전압이 정상 전압 범위를 벗어나는 경우 한 비트의 디지털 신호를 출력한다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 또한 연료 전지 스택과 회로 기판을 전기적으로 연결하는 케이블로서 FPC 등을 사용해 전기 퓨즈의 역할을 갖도록 할 수 있다. 또한, 제 1 실시예에 따른 연료 전지 전압 감시 장치는 그 회로 상에 비드(bead) 또는 0 옴 저항 또는 소용량의 퓨즈 부 등을 거치도록 구성하여, 단락 또는 이상전압 발생 시 회로로 인한 스택의 사고를 예방하도록 할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예의 연료 전지 전압 감시 장치에 사용되는 전압 감시 장치는 연료전지 스택뿐만 아니라 배터리 팩을 사용하는 산업용 각종 장치들에 있어서 배터리 팩을 구성하고 있는 각 단위 전지들의 생성 전압을 위한 감시 장치로서도 사용될 수 있다
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 연료전지 전압 감시 장치는 모든 단위 전지의 상태를 한 비트로 검출하는 것을 가능하게 한다. 이와 같이, 모든 셀들에 대한 정보를 단 한 비트로 처리할 수 있기 때문에 제어로직의 구현을 위한 알고리즘 및 메모리를 획기적으로 절약할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 전압 감시 장치는 서로 다른 포화특성을 이용함으로써 별도의 전원회로를 필요로 하지 않아 장치 구성에 비용을 절감할 수 있게 한다. 이와 같이, 본 발명의 연료 전지 전압 감시 장치에서는 회로의 구동을 위한 전원회로가 따로 필요하지 않아 전기적 절연을 위한 각종 고가의 회로소자들을 사용할 필요가 없고, 그에 따라 연료전지 전압 감시를 위한 회로를 최소화할 수 있다.

Claims (27)

  1. 다수의 단위 전지를 포함하는 전지에서, 각 단위 전지의 생성 전압을 감시하는 전지 전압 감시 장치에 있어서,
    상기 전지 전압 감시 장치는
    상기 다수의 단위 전지 중 적어도 두 개의 단위 전지의 전압으로부터 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부;
    감시하고자 하는 단위 전지(이하 '감시 단위 전지'라 한다)의 생성 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 전압 비교부;
    상기 전압 비교부의 출력 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부; 및
    상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 전지 전압의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함하는 전지 전압 감시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 비교부는 상기 감시 단위 전지의 생성 전압과 상기 기준 전압의 비교 결과에 따라 서로 다른 전압 레벨을 갖는 신호를 출력하는 전지 전압 감시 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호 격리부는
    상기 전압 비교부의 출력신호에 응답하여 발광하는 발광부; 및
    상기 발광부로부터 발광되는 빛에 응답하여, 상기 발광부에 인가되는 신호와 전기적으로 격리된 외부 신호를 출력하는 수광부를 포함하는 전지 전압 감시 장치.
  4. 직렬로 연결되어 배열된 다수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지의 전압 감시 장치에 있어서,
    상기 연료 전지 전압 감시 장치는
    직렬로 연결되어 있는 상기 다수의 단위 전지에 의해 형성되는 다수의 접점 중 2 이상의 접점에서 출력 전압을 입력 받아, 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부;
    상기 다수의 단위 전지 중 감시 단위 전지의 제 1 전극 측 출력 전압, 상기 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압 및 상기 기준 전압이 입력되며, 상기 감시 단위 전지의 생성 전압이 허용 전압 범위 내인지 판단하는 전압 비교부;
    상기 전압 비교부의 출력 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부; 및
    상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 전지 전압의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부의 제 1 입력부가 상기 다수의 단위 전지 중 제1 단위 전지의 일 전극에 연결되고, 상기 기준 전압 생성부의 제 2 입력부가 상기 제1 단위 전지에서 일 방향으로 적어도 하나의 단위 전지만큼 떨어져 위치하는 제2 단위 전지의 일 전극에 연결되는 연료 전지 전압 감시 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부가
    일단이 상기 제 1 입력부에 연결되고, 타단이 상기 제 2 입력부에 연결되는 정전압 소자를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부는
    다수의 저항 소자를 포함하는 전압 분배 회로를 포함하며,
    상기 전압 분배 회로로 상기 기준 전압을 생성하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 비교부가
    상기 기준 전압 생성부의 제 1 입력부에 입력되는 전압이 입력되는 제 1 입력단;
    상기 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압이 입력되는 제 2 입력단;
    상기 기준 전압이 입력되는 제 3 입력단; 및
    상기 기준 전압 생성부의 제 2 입력부에 입력되는 전압이 입력되는 제 4 입력단을 포함하는 비교기를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 비교부에서
    상기 제 1 입력단에 감시 대상 단위 전지의 캐소드 전극 측 출력 전압이 입력되고, 상기 제 2 입력단에 감시 대상 단위 전지의 애노드 전극측 출력 전압이 입력되는 연료 전지 전압 감시 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 비교부가
    상기 제 3 입력단으로 입력되는 전압이 상기 제 2 입력단으로 입력되는 전압 이상인 경우 작동 신호를 출력하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 작동 신호가 상기 제 4 입력단에 입력되는 전압인 연료 전지 전압 감시 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제 1 입력단과 상기 제 4 입력단을 전원 입력단으로 가지는 OP(operational) 앰프를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 OP 앰프는
    상기 제 1 입력단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 제 1 타입 OP 앰프 및
    상기 제 2 입력단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 제 2 타입 OP 앰프를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 단위 전지를 연료전지의 캐소드 전극 방향 또는 애노드전극 방향으로 각각 제 1 단위 전지 군 및 제 2 단위 전지 군으로 분리하고,
    상기 제 1 단위 전지 군에 상기 제 2 타입 OP 앰프를 사용하고,
    상기 제 2 단위 전지 군에 상기 제 1 타입 OP 앰프를 사용하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호 격리부는
    상기 전압 비교부의 출력신호에 응답하여 발광하는 발광부; 및
    상기 발광부로부터 발광되는 빛에 응답하여, 상기 발광부에 인가되는 신호와 전기적으로 격리된 외부 신호를 출력하는 수광부를 포함하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산 처리부는
    외부 신호원, 출력단 및 상기 외부 신호원과 출력단을 연결하는 데이터선을 포함하며,
    상기 데이터 선이 상기 다수의 신호 격리부의 수광부의 일단과 상기 신호 격리부에 이웃하는 신호 격리부의 수광부의 타단이 연결되어 있는 연료 전지 전압 감시 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 연산 처리부는
    상기 다수의 단위 전지에 대응하는 다수의 신호 격리부에서 출력되는 전체 신호에 응답하여, 적어도 하나의 단위 전지에서 허용 범위 내의 전압이 생성되지 않는 경우 이상 발생 신호를 출력하는 연료 전지 전압 감시 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 연료 전지 전압 감시 장치에 있어서,
    다수의 단위 전지 중 하나의 단위 전지에서라도 이상이 발생하는 경우, 상기 외부 신호원으로부터의 신호가 상기 연산처리부로 전달되지 않는 연료 전지 전압 감시 장치.
  19. 직렬로 연결되어 배열된 다수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지에 있어서,
    직렬로 연결되어 있는 상기 다수의 단위 전지에 의해 형성되는 다수의 접점 중 2 이상의 접점에서 출력 전압을 입력 받아, 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부;
    상기 단위 전지 배열 중 감시 단위 전지의 제 1 전극측 출력 전압, 상기 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압 및 상기 기준 전압이 입력되며, 상기 감시 단위 전지의 생성 전압이 허용 전압 범위 내인지 판단하는 전압 비교부;
    상기 전압 비교부의 출력 신호와 전기적으로 격리된 신호를 출력하는 신호 격리부; 및
    상기 신호 격리부로부터 출력되는 신호로부터 전지 전압의 이상 여부를 판단하는 연산 처리부를 포함하는 전지 전압 감시 장치를 포함하는 연료 전지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부의 제 1 입력부가 상기 다수의 단위 전지 중 제1 단위 전지의 일 전극에 연결되고, 상기 기준 전압 생성부의 제 2 입력부가 상기 다수의 단위 전지 중 제2 단위 전지의 일 전극에 연결되는 연료 전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부가
    일단이 상기 제 1 입력부에 연결되고, 타단이 상기 제 2 입력부에 연결되는 정전압 소자를 포함하는 연료 전지.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 전압 비교부가
    상기 기준 전압 생성부의 제 1 입력부에 입력되는 전압이 입력되는 제 1 입력단;
    상기 감시 단위 전지의 제 2 전극 측 출력 전압이 입력되는 제 2 입력단;
    상기 기준 전압이 입력되는 제 3 입력단; 및
    상기 기준 전압 생성부의 제 2 입력부에 입력되는 전압이 입력되는 제 4 입력단을 포함하는 비교기를 포함하는 연료 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 비교기는
    상기 제 1 입력단이 제 1 전원 입력단이고, 상기 제 4 입력단이 제 2 전원 입력단인 OP 앰프를 포함하는 연료 전지.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 OP 앰프는
    상기 제 1 전원 입력단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 제 1 타입 OP 앰프 및
    상기 제 2 전원 입력단에 연결된 전원에 포화 특성을 갖는 제 2 타입 OP 앰프를 포함하는 연료 전지.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 다수의 단위 전지를 연료전지의 캐소드 전극 방향 또는 애노드전극 방향으로 각각 제 1 단위 전지 군 및 제 2 단위 전지 군으로 분리하고,
    상기 제 1 단위 전지 군에 상기 제 2 타입 OP 앰프를 사용하고,
    상기 제 2 단위 전지 군에 상기 제 1 타입 OP 앰프를 사용하는 연료 전지.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 신호 격리부는
    상기 전압 비교부의 출력신호에 응답하여 발광하는 발광부; 및
    상기 발광부로부터 발광되는 빛에 응답하여, 상기 발광부에 인가되는 신호와 전기적으로 격리된 외부 신호를 출력하는 수광부를 포함하는 연료 전지.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 전지 전압 감시 장치에 있어서,
    다수의 단위 전지 중 하나의 단위 전지에서라도 이상이 발생하는 경우, 외부 신호원으로부터의 신호가 상기 연산처리부로 전달되지 않는 연료 전지.
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