KR101220761B1

KR101220761B1 - 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치

Info

Publication number: KR101220761B1
Application number: KR1020110049529A
Authority: KR
Inventors: 한운기; 정진수; 박찬엄
Original assignee: 한국전기안전공사
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2013-01-09
Also published as: KR20120131393A

Abstract

본 발명은 임피던스 측정 장치에 관한 것으로, 다양한 스펙을 갖는 연료전지의 임피던스에 범용으로 사용이 가능하고 제조 비용이 저렴한 측정 장치를 제공하기 위하여, PC로부터 전자 부하 발생기로 참조 신호를 인가하여 임피던스 측정 대상으로부터 참조 신호와 같은 형태의 전류를 제어하고 임피던스 측정기에서 측정된 임피던스를 분석하는 임피던스 분석기; 및 상기 측정 대상으로부터 참조 부하에 따른 전압 신호와 전류 신호를 입력받아 임피던스를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하되, 상기 임피던스 측정기는 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전압 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전압 실수 성분과 전압 허수 성분을 측정하고, 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전류 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전류 실수 성분과 전류 허수 성분을 측정하고, 그리고, 상기 임피던스 분석기는 상기 측정 대상으로부터 측정된 임피던스 변수를 상기 측정 대상의 제조사가 선택한 상기 측정 대상의 등가회로 모델에 대해 피팅하여 등가회로 값을 계산함으로써 측정 대상을 등가회로 모델로 모델화하는 동작을 수행한다.

Description

다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치{An impedance and life-cycle measuring apparatus for multi channel fuel cell}

본 발명은 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 스펙을 갖는 연료전지의 임피던스에 범용으로 사용이 가능하고 제조 비용이 저렴한 측정 장치 및 측정된 연료전지의 임피던스의 데이터베이스를 활용하여 측정대상 연료전지의 수명평가를 수행할 수 있는 기술에 관한 것이다.

연료 전지와 같은 고용량의 전기화학적 에너지원의 수명관련 신뢰성 시험은 고가의 장비를 다량 사용해야 하기 때문에 비용의 부담이 크다. 더불어 다양한 스펙의 연료 전지를 검사하기 위해서는 각각의 연료전지에 맞는 시스템을 구성해야 하거나 불필요하게 높은 성능으로 시스템을 구성해야 다양한 시험에 사용할 수 있는 문제가 있었다. 뿐만 아니라, 연료 전지의 신뢰성 시험을 위해서는 수많은 연료 전지를 대상으로 수명 테스트를 해야 초기 상태, 파괴 상태 및 다양한 조건의 운전 상태를 알 수 있다. 하지만 이를 위해서는 많은 시간과 비용이 문제가 된다. 특히 상용 제품으로 시스템을 구성할 경우 비용적인 문제로 인하여 다채널 구성이 곤란한 문제가 있다.

본 발명은 전술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 고가의 하드웨어를 사용하지 않고도 범용으로 사용이 가능한 임피던스 측정 및 수명평가장치의 제공을 목적으로 한다.

전술된 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시형태에 따른 임피던스 측정 장치는 전자 부하 발생기가 임피던스 측정 대상에 참조 신호(reference signal)의 형태로 전류를 출력할 수 있도록 제어하고, 임피던스 측정기에서 측정된 임피던스를 분석하는 임피던스 분석기; 및 상기 측정 대상으로부터 참조 부하에 따른 전압 신호와 전류 신호를 입력받아 임피던스를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하되, 상기 임피던스 측정기는 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전압 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전압 실수 성분과 전압 허수 성분을 측정하고, 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전류 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전류 실수 성분과 전류 허수 성분을 측정하고, 그리고, 상기 임피던스 분석기는 상기 측정 대상으로부터 측정된 임피던스 변수를 상기 측정 대상의 제조사가 선택한 상기 측정 대상연료전지의 등가회로 모델에 대해 피팅하여 등가회로 값을 계산함으로써 측정 대상을 등가회로 모델로 모델화하는 동작을 수행한다.

본 실시형태에서, 상기 임피던스 측정기는: 상기 측정 대상으로부터 전압 신호를 입력받는 전압 입력 단자; 상기 측정 대상으로부터 전류 신호를 입력받는 전류 입력 단자; 상기 임피던스 임피던스 분석기로부터 참조 신호를 입력받는 참조 신호 입력 단자; 상기 전압 입력 단자로부터 입력된 전압 신호에서 DC 성분을 제거하는 전압측 DC 제거용 커플러; 상기 전압측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자로부터 입력받은 참조 신호를 승산하는 제1승산기; 상기 제1승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제1여파기(Low Pass Filter); 상기 제1여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 실수 성분 출력 단자로 출력하는 제1이득기; 상기 전압측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자의 상을 90°이동시킨 신호를 승산하는 제2승산기; 상기 제2승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제2여파기; 상기 제2여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 허수 성분 출력 단자로 출력하는 제2이득기; 상기 전류 입력 단자로부터 입력된 전류 신호에서 DC 성분을 제거하는 전류측 DC 제거용 커플러; 상기 전류측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자로부터 입력받은 참조 신호를 승산하는 제3승산기; 상기 제3승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제3여파기(Low Pass Filter); 상기 제3여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전류 실수 성분 출력 단자로 출력하는 제3이득기; 상기 전류측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자의 상을 90°이동시킨 신호를 승산하는 제4승산기; 상기 제4승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제4여파기; 및 상기 제4여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전류 허수 성분 출력 단자로 출력하는 제4이득기;를 포함할 수 있다.

본 실시형태에서, 상기 임피던스 분석기는: 참조 신호를 참조 신호 입력 단자로 출력하고, 상기 제1~제4이득기의 출력 신호를 입력받는 AD/DA DAQ 보드(Analog-Digital/Digital-Analog Data Acquisition board); 상기 보드가 입력받은 신호를 기반으로 임피던스를 계산하는 임피던스 계산부; 상기 측정 대상의 임피던스 변수가 저장된 저장부; 상기 측정 대상에 대한 등가 회로 모델에 상기 임피던스 계산부의 출력을 적용하는 등가 회로 적용부; 및 상기 저장부에 저장된 임피던스 변수와 상기 등가 회로 적용부의 출력값을 비교하여 상기 측정 대상의 내부 상태를 연산하는 연산부;를 포함할 수 있다.

본 실시형태에서, 상기 연산부는: 상기 저장부에 저장된 측정 대상의 초기 상태와 파괴 상태를 나타내는 임피던스 파라미터를 기반으로 상기 측정 대상의 노화 상태, 잔존 수명 및 현재 결함 상태를 연산하는 동작을 추가로 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면 다양한 성능을 갖는 연료전지의 수명관련 테스트 등에 도움을 줄 수 있는 다채널 임피던스 측정 및 수명 평가 장치를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 측정 장치의 블럭도이다.
도2는 도1에서 측정기의 세부 구성을 보인 블럭도이다.
도3은 도1에서 분석기의 세부 구성을 보인 블럭도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 측정 장치를 설명한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이 용어들은 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

(실시예)

이하에서 첨부된 도면 도1 내지 도3을 참조로 본 발명에 따른 임피던스 측정 장치를 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 임피던스 측정 장치(100: 이하에서 설명의 편의를 위하여 별다른 설명이 없는 한 '임피던스 측정 장치'는 간략히 '측정장치'라 한다)는 임피던스 측정기(101)와 임피던스 분석기(150)를 포함한다.

임피던스 측정기(150)는 측정 대상(10)으로부터 참조 부하에 따른 전압 신호와 전류 신호를 입력받아 임피던스를 측정한다. 첨부된 도면 도2를 참조로 임피던스 측정기(150)의 구성을 상세히 설명하면, 전압 입력 단자(110)는 측정 대상(10)으로부터 전압 신호를 입력받는다.

전류 입력 단자(140)는 측정 대상(10)으로부터 전류 신호를 입력받는다.

참조 신호 입력 단자(130)는 임피던스 분석기(150)로부터 참조 신호를 입력받는다.

전압측 DC 제거용 커플러(111)는 전압 입력 단자(110)로부터 입력된 전압 신호에서 DC 성분을 제거한다.

제1승산기(112)는 전압측 DC 제거용 커플러(111)의 출력 신호와 참조 신호 입력 단자(130)로부터 입력받은 참조 신호를 승산한다.

제1여파기(Low Pass Filter: 113)는 제1승산기(112)의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시킨다.

제1이득기(114)는 제1여파기(113)의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 실수 성분 출력 단자(115)로 출력한다.

제2승산기(116)는 전압측 DC 제거용 커플러(111)의 출력 신호와 참조 신호 입력 단자(130)의 상을 90°이동시킨 신호를 승산한다.

제2여파기(117)는 제2승산기(116)의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시킨다.

제2이득기(118)는 제2여파기(117)의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 허수 성분 출력 단자(119)로 출력한다.

전류 입력 단자(140)부터 전류 실수 성분 출력 단자(145) 및 전류 허수 성분 출력 단자(149) 사이의 구성요소는 전압측 구성요소들(110~119)과 실질적으로 동일한 동작을 수행하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

임피던스 분석기(150)는 PC로부터 전자 부하 발생기로 참조 신호(reference signal)를 인가하여 임피던스 측정 대상으로부터 참조 신호와 같은 형태의 전류를 제어하고, 임피던스 측정기(101)에서 측정된 임피던스를 분석한다. 첨부된 도면 도3을 참조로 임피던스 분석기(150)의 구성을 상세히 설명하면, AD/DA DAQ 보드(Analog-Digital/Digital-Analog Data Acquisition board: 152)는 참조 신호를 참조 신호 입력 단자(130)로 출력하고, 상기 제1~제4이득기(114,118,144,148)의 출력 신호를 입력받는다.

임피던스 계산부는 보드(152)가 입력받은 신호를 기반으로 임피던스를 계산을 수행한다.

저장부(160)는 측정 대상(10)의 임피던스 변수가 저장된다. 다시 말하면, 측정 대상(10)을 생산한 제조사는 제품의 임피던스 최대값과 최소값을 데이터로 관리하고 있으므로, 이 데이터를 저장부(160)에 저장시켜 연산부(158)의 연산 동작에 필요한 데이터로 제공하게 된다.

등가 회로 적용부(156)는 측정 대상(10)에 대한 등가 회로 모델에 임피던스 계산부(154)의 출력을 적용한다.

연산부(158)는 저장부(160)에 저장된 임피던스 변수와 등가 회로 적용부(156)의 출력값을 비교하여 측정 대상(10)의 내부 상태를 연산한다. 또한 연산부(158)는 저장부(160)에 저장된 측정 대상의 초기 상태와 파괴 상태를 나타내는 임피던스 파라미터를 기반으로 측정 대상의 노화 상태, 잔존 수명 및 현재 결함 상태를 연산하는 동작을 추가로 수행할 수도 있다.

이와 같은 구성을 갖는 측정 장치(100)는 임피던스 측정기(101)가 임피던스 측정 대상(10)으로부터 입력받은 전압 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전압 실수 성분과 전압 허수 성분을 측정하고, 임피던스 측정 대상(10)으로부터 입력받은 전류 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전류 실수 성분과 전류 허수 성분을 측정하게 된다.

이후, 임피던스 분석기(150)는 측정 대상(10)의 저장된 임피던스 변수와 측정된 임피던스의 등가회로 모델에 대해 피팅한 것을 비교하는 동작을 수행하여 임피던스의 측정을 수행하게 된다. 이를 기반으로 측정 대상(10)의 상태 및 잔여 수명 계산 등을 수행하게 된다.

이상으로 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다.

그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 특별히 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해해야 할 것이다.

따라서, 전술된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10: 측정 대상 20: 전자 부하 발생기
100: 측정 장치 101: 임피던스 측정기
150: 임피던스 분석기

Claims

전자 부하 발생기가 임피던스 측정 대상에 참조 신호(reference signal)의 형태로 전류를 출력할 수 있도록 제어하고, 임피던스 측정기에서 측정된 임피던스를 분석하는 임피던스 분석기; 및
상기 측정 대상으로부터 참조 부하에 따른 전압 신호와 전류 신호를 입력받아 임피던스를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하되,
상기 임피던스 측정기는 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전압 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전압 실수 성분과 전압 허수 성분을 측정하고, 상기 임피던스 측정 대상으로부터 입력받은 전류 신호와 참조 신호를 승산 및 저역 필터링하여 전류 실수 성분과 전류 허수 성분을 측정하고, 그리고,
상기 임피던스 분석기는 상기 측정 대상으로부터 측정된 임피던스 변수를 상기 측정 대상의 제조사가 선택한 상기 측정 대상연료전지의 등가회로 모델에 대해 피팅하여 등가회로 값을 계산함으로써 측정 대상을 등가회로 모델로 모델화하는 동작을 수행하는 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치.
제1항에 있어서, 상기 임피던스 측정기는:
상기 측정 대상으로부터 전압 신호를 입력받는 전압 입력 단자;
상기 측정 대상으로부터 전류 신호를 입력받는 전류 입력 단자;
상기 임피던스 분석기로부터 참조 신호를 입력받는 참조 신호 입력 단자;
상기 전압 입력 단자로부터 입력된 전압 신호에서 DC 성분을 제거하는 전압측 DC 제거용 커플러;
상기 전압측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자로부터 입력받은 참조 신호를 승산하는 제1승산기;
상기 제1승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제1여파기(Low Pass Filter);
상기 제1여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 실수 성분 출력 단자로 출력하는 제1이득기;
상기 전압측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자의 상을 90°이동시킨 신호를 승산하는 제2승산기;
상기 제2승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제2여파기;
상기 제2여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전압 허수 성분 출력 단자로 출력하는 제2이득기;
상기 전류 입력 단자로부터 입력된 전류 신호에서 DC 성분을 제거하는 전류측 DC 제거용 커플러;
상기 전류측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자로부터 입력받은 참조 신호를 승산하는 제3승산기;
상기 제3승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제3여파기(Low Pass Filter);
상기 제3여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전류 실수 성분 출력 단자로 출력하는 제3이득기;
상기 전류측 DC 제거용 커플러의 출력 신호와 상기 참조 신호 입력 단자의 상을 90°이동시킨 신호를 승산하는 제4승산기;
상기 제4승산기의 출력 신호에서 저주파 성분만 통과시키는 제4여파기; 및
상기 제4여파기의 출력 신호를 AD/DA DAQ 보드의 입력에 맞게 증폭 또는 감쇄하여 전류 허수 성분 출력 단자로 출력하는 제4이득기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치.
제2항에 있어서, 상기 임피던스 분석기는:
참조 신호를 참조 신호 입력 단자로 출력하고, 상기 제1~제4이득기의 출력 신호를 입력받는 AD/DA DAQ 보드(Analog-Digital/Digital-Analog Data Acquisition board);
상기 보드가 입력받은 신호를 기반으로 임피던스를 계산하는 임피던스 계산부;
상기 측정 대상의 임피던스 변수가 저장된 저장부;
상기 측정 대상에 대한 등가 회로 모델에 상기 임피던스 계산부의 출력을 적용하는 등가 회로 적용부; 및
상기 저장부에 저장된 임피던스 변수와 상기 등가 회로 적용부의 출력값을 비교하여 상기 측정 대상의 내부 상태를 연산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치.
제3항에 있어서, 상기 연산부는:
상기 저장부에 저장된 측정 대상의 초기 상태와 파괴 상태를 나타내는 임피던스 파라미터를 기반으로 상기 측정 대상의 노화 상태, 잔존 수명 및 현재 결함 상태를 연산하는 동작을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 다채널 연료전지 임피던스 측정 및 수명평가 장치.