KR101205308B1 - 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기-아연 연료전지(Zinc-Air Fuel Cell)의 잔존용량(State of Charge 이하, SOC로 약칭한다)측정방법에 관한 것으로서, 특히 공기-아연 연료전지의 전압-전류 모델을 이용해 더욱더 정밀하게 잔존용량을 산출하여 연료전지의 사용가능시간 또는 가능량 및 교체시기를 알릴 수 있도록 하는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법에 관한 것이다. 구성은 공기-아연 연료전지의 개방전압과 온도를 측정하고 측정된 방전 전압 값과, 온도를 근거로 잔존용량을 순차적으로 예측(추정)하는 단계와, 전압센서와 전류센서 및 온도센서를 이용하여 현재의 공기-아연 연료전지의 충,방전 전압(Vb), 입출력 전류(Ib) 및 전지온도(Tb)를 측정하여 잔존용량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 잔존용량 값을 거쳐 메모리에 저장하는 단계와, 상기 메모리에 저장되어 있는 기존 연료전지의 전압과 전류모델을 통해 공기-아연 연료전지의 잔존용량을 보정하는 단계를 포함하여 이루어지는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법으로서, 상기 방전전압의 측정은 급격한 전압강하를 검출할 때 전지의 사용완료에 의한 것인지 부하의 변동에 의한 것인지 판단하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 공기-아연 연료전지(Zinc-Air Fuel Cell)의 잔존용량(State of Charge 이하, SOC로 약칭한다)측정방법에 관한 것으로서, 특히 공기-아연 연료전지의 전압-전류 모델을 이용해 더욱더 정밀하게 잔존용량을 산출하여 연료전지의 사용가능시간 또는 가능량 및 교체시기를 알릴 수 있도록 하는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기-아연 연료전지는 복수 개의 연료카세트(단위전지)를 직렬로 연결하여 대용량의 공기-아연 연료전지를 구성하게 된다.
이와 같이 하나의 대용량 공기-아연 연료전지는 통상 직렬로 연결되는 복수 개의 연료카세트로 이루어진다.
상기한 연료카세트 특히, 공기-아연 연료전지의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 연료카세트가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충, 방전 등을 제어하여 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.
이를 위해, 공기-아연 연료전지는 연료전지에 대한 제반적인 상태를 총괄 관리하는 전지관리 시스템(Battery Management System;BMS)이 구비된다.
상기 전지관리 시스템은 연료전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 연료전지의 잔존용량(SOC : State of Charge)을 연산에 의해 추정하고, 차량 등의 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 전지의 잔존용량(SOC) 제어를 행하게 된다.
종래의 연료전지의 잔존용량 측정방법은 잔존용량 판단의 기준으로 어떤 값을 이용하느냐에 따라 몇 가지 방법으로 분류되고 있다.
첫 번째는 Ah법으로 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 잔존용량(SOC : State Of Charge)에 반영하는 방법이고, 두 번째는 전압측정법으로 전지단자의 개방전압(OCV; Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 개방전압(OCV)과 잔존용량(SOC) 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이며, 세 번째는 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop; Internal Resistance - drop)과 잔존용량(SOC)의 관계에서 잔존용량을 계산하는 방법이다.
그러나, Ah법은 부하조건에 따른 사용 가능한 용량의 표시가 불가능하고 충전 또는 방전시 전류센싱 오차에 의하여 잔존용량(SOC) 또한 오차가 누적되어 특히 EV(Electric Vehicles)에 비교해 상대적으로 전류의 크기와 방향의 변화가 매우 잦은 하이브리드 전기 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicles) 등에 단독으로 사용하기에는 부적합하며, 전압측정법의 경우 순간적인 전류, 온도 및 노화 등과 같이 다른 요인들에 의하여 변화가 심한 문제점이 있다.
또한, 전압을 통한 연료전지의 잔존용량 측정방법의 경우에는 룩 업 테이블(look up table) 상에 있는 이미 알고 있는 전압에 도달하면 해당 전압 값에 대한 잔존용량을 산출하게 된다.
그러나 이러한 상기한 종래의 연료전지 잔존용량 측정방법은 전류를 정확하게 측정하지 못함으로 인하여 실제 전압이 변하지 않음에도 계속 전지의 잔존용량은 증가 또는 감소하게 되어 잔존용량의 오차가 커지게 되는 단점이 있다.
즉, 연료전지가 충,방전되는 경우 전류 적산에 의해 오차가 난 부분은 전압에 의한 산출을 통해 그 값을 보정해 주게 된다.
그러나 실제 충,방전을 하고 있지 않은 경우에는 측정 전압은 변하지 않으나 전류값은 전류 센싱 오차 등으로 인하여 정확히 0을 표시해 주지 않게 된다. 이에 따라 실제 연료전지의 잔존용량은 변하지 않음에도 불구하고 계산되는 잔존용량은 커지거나 작아지게 되는 문제점이 있다.
또한, 공기-아연 연료전지의 종지 전압에서의 급격한 단자전압 강하는 전지의 잔존용량 측정 부정확으로 이어져 갑작스러운 전력차단으로 차량이나 장비 등을 제대로 운용하지 못하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공기-아연 연료전지의 방전전압, 방전전류, 동작온도 특성과 함께 사전에 메모리에 저장된 연료전지의 전압- 전류 모델을 이용해 잔존용량 예측 및 잔존용량을 사용환경의 정보를 토대로 상기 공기-아연 연료전지의 잔존용량을 예측하고 이를 표시할 수 있는 아연-공기 연료전지 잔존용량 측정방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기-아연 연료전지의 개방전압과 온도를 측정하고 측정된 방전 전압 값과, 온도를 근거로 잔존용량을 순차적으로 예측(추정)하는 단계와, 전압센서와 전류센서 및 온도센서를 이용하여 현재의 공기-아연 연료전지의 충,방전 전압(Vb), 입출력 전류(Ib) 및 전지온도(Tb)를 측정하여 잔존용량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 잔존용량 값을 거쳐 메모리에 저장하는 단계와, 상기 메모리에 저장되어 있는 기존 연료전지의 전압과 전류모델을 통해 공기-아연 연료전지의 잔존용량을 보정하는 단계를 포함하여 이루어지는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법으로서, 상기 방전전압의 측정은 급격한 전압강하를 검출할 때 전지의 사용완료에 의한 것인지 부하의 변동에 의한 것인지 판단하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 아연-공기 연료전지의 잔존용량을 측정하고 이를 표시함으로써 보다 효율적인 연료전지의 운용이 가능하며, 상기 아연-공기 연료전지의 방전시 교체요청을 나타내어 아연음극이 완전히 반응을 끝낸 후에 교체할 수 있도록 하여 아연연료의 낭비 없이 아연-공기 연료전지의 사용이 가능하게 할 수 있다.
또, 온도와 전류의 측정에 따른 전류 적산을 통해 구해진 잔존용량의 설정범위에 따라 전압 값으로 재산출함으로써 전지의 잔존용량의 오차를 최소화하고 보다 정확한 잔존용량을 측정하는 효과가 있다.
또한, 전지의 정확한 잔존용량 산출을 통해 전지의 안정성을 높이고 정확한 충방전 제어가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정을 위한 구성을 개략적으로 나타낸 블록도 이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법을 나타낸 순서도 이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법을 나타낸 순서도 이다.
이하, 본 발명에 따른 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정을 위한 구성은, 공기-아연 연료전지(100)와, 상기 공기-아연 연료전지(100)의 방전전압, 방전전류, 온도를 측정할 수 있는 전압센서(210), 전류센서(220), 온도센서(230)와, 상기 전압센서(210), 전류센서(220) 및 온도센서(230)로부터 수신된 측정 데이터를 이용하여 상기 공기-아연 연료전지(100)의 잔존용량((SOC :State Of Charge) 예측 알고리즘을 수행하는 마이컴(240)과, 계산된 잔존용량을 저장하고 공기-아연 연료전지(100)의 전압, 전류 모델이 저장되어 있는 메모리(250)와, 상기 공기-아연 연료전지(100)의 잔존용량 및 경고, 교체요청을 표시할 수 있는 표시장치(260)와, 상기와 같이 획득된 공기-아연 연료전지(100)의 잔존용량 데이터를 제공하거나 상기 표시장치(260) 등을 관리하는 전지관리시스템(BMS : Battery Management System)(270)으로 이루어진다.
상기 공기-아연 연료전지(100)는, 내부에 각 단위전지 또는 연료카세트(미도시)가 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충, 방전시키는 통상적인 구조로 구성된다.
또, 상기 전지관리시스템(270)은, 공기-아연 연료전지(100) 내에 형성되는 각 단위전지 또는 연료카세트의 온도, 전류, 전압 값을 검출하여 획득되는 데이터를 관리, 제공하는 역할을 수행하게 된다.
또한, 상기 전지관리시스템(270)은 상기 전압센서(210), 전류센서(220), 온도센서(230)로부터 데이터를 제공받게 되며, 연료전지(100)의 개방전압(open circuit voltage;OCV) 값에 따른 잔존용량(SOC)의 관계를 볼츠만 식에 의해 테이블 맵 화한 데이터가 미리 내장되어 상기 전압센서(210), 전류센서(220) 및 온도센서(230)로부터 얻어진 측정값을 통해 필요한 잔존용량(SOC)을 계산할 수 있도록 되어 있다.
여기서 상기 잔존용량(SOC :state of charge)은 공기-아연 연료전지(100)의 충전상태를 나타내는 양의 하나로서, 잔존용량(SOC)이 100%인 경우만 충전상태를 나타내고 충전량이 제로상태인 경우 잔존용량(SOC)이 O%인 것으로 나타낸다.
그리고 언급한 바와 같이 상기 잔존용량(SOC)은, 연료전지(100)의 개방전압(open circuit voltage : OCV)과 1대 1의 대응관계가 성립되어 있어서, 상기 개방전압(OCV)을 계측 또는 추정하여 상기 테이블맵화된 데이터의 상관관계로부터 대응하는 잔존용량(SOC)을 구할 수 있다.
또한, 상기한 공기-아연 연료전지(100)의 잔존용량(SOC)은, 사용시 예컨대 HEV(Hybrid Electric Vehicle : 하이브리드 전기 자동차)의 주행상태(예를 들면, 발진, 통상주행, 가속, 감속 등)나 부하(스톱램프, 헤드램프, 와이퍼, 전동팬 등)에 의하여 변동하기 때문에, 부하가 걸린 상태에서는 전류(충전 및 방전전류)치를 적산하여 잔존용량(SOC)을 산출하게 된다.
이에 따라 전류 센싱 오차에 관계없이 실질적이고도 정확한 잔존용량을 계산할 수 있게 된다.
또한, 연료전지(100)의 잔존용량을 정확하게 측정하기 위해서는 무 부하상태인지의 여부를 확인하고, 무 부하상태인지는 전류 값을 통해 확인됨이 바람직하며, 이때의 전류 값 범위는 -3A ~ 3A 사이임이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 -2A ~ 2A 사이로 설정할 수 있다.
또한, 상기 설정범위는 25% ~ 85% 임이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40% ~ 70% 사이로 설정할 수 있다.
따라서 상기 설정범위 내에서는 전류 적산을 통해 잔존용량을 산출하고 상기 설정범위를 벗어나는 경우에는 전압 값에 따른 잔존용량을 산출함으로써 오차 발생을 최소화할 수 있게 된다.
이러한 구성에 의해 이하에서는 공기-아연 연료전지의 잔존용량을 측정하는 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지의 잔존용량 측정방법은, 전지의 개방회로전압(OCV : Open Circuit Voltage)과 연료전지(100)의 온도를 측정하여 잔존용량을 예측하는 단계와; 전원투입시 상기 연료전지(100)의 방전전압, 방전전류, 동작온도를 측정하여 전류 적산하고 이를 통해 전지의 잔존용량을 산출하는 단계와; 상기 산출된 전지의 잔존용량을 메모리(250)에 저장하는 단계와; 상기 메모리(250)에 저장되어 있는 기존 상기 연료전지(100)의 전압과, 전류 모델을 통해 잔존용량을 보정 하는 단계; 로 대별되어 이루어진다.
여기서 상기와 같은 공기-아연 연료전지(100)는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.
먼저, 상기 공기-아연 연료전지(100)의 잔존용량을 정확히 측정하기 위해서는 전압센서(210)와, 온도센서(230)를 이용하여 연료전지(100)의 개방전압(OCV : Open Circuit Voltage)과 온도를 측정하고 각각 측정된 방전 전압 값과, 온도를 근거로 잔존용량을 순차적으로 예측(추정) 한다.((S10)
여기서, 상기 잔존용량의 추정 산출이 이것으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 추정 잔존용량은 공기-아연 연료전지(100)의 내부압력을 토대로 산출될 수도 있다. 다시 말해, 공기-아연 연료전지의 유형에 따라 적절하게 공기-아연 연료전지(100)의 내부압력, 전지온도, 입출력 전류 및 방전 전압과 같은 상태 값을 이용하여 추정 잔존용량이 선택적으로 획득될 수 있다.
그리고, 상기 전압센서(210), 온도센서(230)에 의해 각각 측정되는 공기-아연 연료전지(100)의 방전 전압(Vb), 전지온도(Tb)의 측정값을 토대로 추정된 잔존용량 추정 값은 마이컴(240)을 거쳐 메모리(Random Access Memory)(250)에 저장된다.
다음, 상기 전압센서(210)와, 전류센서(220) 및 온도센서(230)는, 일정 사이클(예컨대, 매 100 msec)로 처리를 행하여, 이전 추정(한 사이클이전)에서 산출된 잔존용량 추정 값을 토대로 현재의 충, 방전 전압(Vb), 입출력 전류(Ib) 및 전지온도(Tb)를 측정하여 잔존용량을 산출한다.(S20)
즉, 전회 잔존용량(SOC) 추정이 행해진 후로부터 공기-아연 연료전지(100)의 충방전량을 토대로 잔존용량을 산출한다. 다시 말해, 이전 추정으로부터 현재까지의 기간에서 공기-아연 연료전지(100)의 충, 방전량의 변동량을 가산 또는 감산하여, 잔존용량을 산출하게 된다.
구체적으로, 전회 잔존용량 추정 시에 추정된 잔존용량 추정 값의 크기 및 상기 잔존용량 추정 값(전회 산출 값)과 추정 잔존용량 간의 크기 관계를 토대로 잔존용량을 산출한다.
그리고, 상기 산출된 잔존용량 값은 마이컴(240)을 거쳐 메모리(Random Access Memory)(250)에 저장된다.(S30)
상기 공기-아연 연료전지(100)의 방전 전압(Vb), 분극 전압 및 내부저항에 기인하는 전압 강하를 토대로 기 전압을 산출하고, 전지온도(Tb) 및 입출력 전류(Ib)를 토대로, 공기-아연 연료전지(6)에서 발생하는 전압 강하를 산출한다.
예컨대, 전지온도(Tb)가 입력(파라미터)으로서 규정되는 맵으로서 내부저항의 변동이 사전에 미리 저장되고, 상기 전압 강하는 상기 맵을 참조하여 얻어지는 내부저항과 입출력 전류(Ib)의 곱을 토대로 산출된다.
또, 상기 분극 전압은 전지온도(Tb) 및 입출력 전류(Ib)가 각각 입력(파라미터)으로서 규정되는 사전에 미리 저장된 맵을 참조하여 산출되나, 전압 강하와 분극 전압을 산출하기 위한 방법들이 특별히 제한되는 것은 아니며, 공지된 기술이 적용될 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 메모리(250)에 저장되어 있는 기존 상기 연료전지의 전압과, 전류 모델을 통해 공기-아연 연료전지(100)의 실제 잔존용량은 전류 적산 과정을 통해 구해진 값으로 전압 값에 의한 잔존용량을 보정 수행하게 된다.(S40)
즉, 상기 전지관리시스템(270)에서, 상기 연료전지(100)의 현재 온도, 전류값 및 전압변화량을 기 저장된 보정용 테이블의 전압변화량에 맞는 온도 및 전류 값과 비교하는 동시에 그 차이만큼 보정을 실시하여 보정전류를 산출하는 연산을 하게 된다.
이때, 보정 양(E = 0.9~1)은 전류 대역 별로 시험을 통하여 미리 구한 것으로 구성된다.
이렇게 보정된 전류를 적산하여 잔존 용량을 계산하고, 이를 연료전지(100)의 최대 용량으로 나누어 새롭게 잔존용량으로 환산 표시한다.
또, 상기 연료전지(100)의 잔존용량을 보정 한 후에는 잔존용량을 표시장치(260)에 나타내도록 한다.(S50)
그리고, 상기 연료전지(100)의 잔존용량 정보는 전지관리시스템(270) 및 다른 장치에 전송한다.(S60)
다음, 방전종지전압 여부를 확인한다.(S70)
상기 방전종지전압 일 경우에는 방전전압 회복 여부를 확인한다.(S80)
상기 방전전압의 회복되었을 경우에는 다시 방전전압, 방전전류, 온도측정에 따른 잔존용량 산출 단계(S20)로 리턴 되고, 방전전압이 회복되지 않고 방전종지전압일 경우에는 경고 및 교체요청을 표시한다.(S90)
그리고, 상기 방전종지전압이 아닐 경우에는 다시 방전전압, 방전전류, 온도측정에 따른 잔존용량 산출 단계(S20)로 리턴 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 공기_아연 연료전지 210 : 전압센서
220 : 전류센서 230 : 온도센서
240 : 마이컴 250 : 메모리
260 : 표시장치
270 : 전지관리시스템(Battery Management System)
220 : 전류센서 230 : 온도센서
240 : 마이컴 250 : 메모리
260 : 표시장치
270 : 전지관리시스템(Battery Management System)
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- 공기-아연 연료전지의 개방전압과 온도를 측정하고 측정된 방전 전압 값과, 온도를 근거로 잔존용량을 순차적으로 예측(추정)하는 단계와, 전압센서와 전류센서 및 온도센서를 이용하여 현재의 공기-아연 연료전지의 충,방전 전압(Vb), 입출력 전류(Ib) 및 전지온도(Tb)를 측정하여 잔존용량을 산출하는 단계와, 상기 산출된 잔존용량 값을 거쳐 메모리에 저장하는 단계와, 상기 메모리에 저장되어 있는 기존 연료전지의 전압과 전류모델을 통해 공기-아연 연료전지의 잔존용량을 보정하는 단계를 포함하여 이루어지는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법으로서,
상기 방전전압의 측정은 급격한 전압강하를 검출할 때 전지의 사용완료에 의한 것인지 부하의 변동에 의한 것인지 판단하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법. - 삭제
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| KR1020110032064A KR101205308B1 (ko) | 2011-04-07 | 2011-04-07 | 공기-아연 연료전지의 잔존용량 측정방법 |
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