KR101567248B1 - Method and System for Measuring Impedance of Fuel Cell with Variable Signal Generation and Signal Collection Velocity - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell impedance measuring method and a system thereof which efficiently measure impedance of a fuel cell or the like of a vehicle at the optimized variable signal generating/signal collecting speed in order to reduce a load of a processor by reducing power consumption and the number of collected AC voltages and increasing accuracy in measurement by reducing interference between alternating currents. The fuel cell impedance measuring method comprises the following steps of: generating a plurality of alternating current signals and applying the alternating current signals to the fuel cell; and measuring a voltage generated in the fuel cell during corresponding application time and providing the voltage as impedance calculation information.

Description

가변적 신호생성 및 신호수집 속도를 갖는 연료전지 임피던스 측정 방법 및 시스템{Method and System for Measuring Impedance of Fuel Cell with Variable Signal Generation and Signal Collection Velocity}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method and a system for measuring impedance of a fuel cell having variable signal generation and signal collection speed,

본 발명은 고분자 전해질 연료전지(이하 연료전지) 임피던스 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 최적화한 가변적 신호생성 및 신호수집 속도로 차량의 연료전지 등의 임피던스 측정을 효율적으로 수행할 수 있는 연료전지 임피던스 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as " fuel cell ") impedance measuring method and system, and more particularly to a fuel cell Impedance measuring method and system.

고분자 전해질 연료전지(이하 연료전지)의 성능과 수명은 연료전지의 운전조건에 의해 크게 영향을 받는다. 연료전지의 운전조건에는 전류, 온도, 반응물질의 양, 반응물질의 압력, 냉각물질의 양, 그리고 함수량 등이 있다. 이러한 연료전지 운전 조건을, 연료전지의 현재 상태에 기반하여 최적으로 제어하기 위하여 업계에서는 연료전지 상태진단을 다양한 방면으로 실시하고 있다. The performance and lifetime of polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as fuel cells) are greatly influenced by the operating conditions of the fuel cell. The operating conditions of the fuel cell include current, temperature, amount of reactant, pressure of reactant, amount of coolant, and water content. In order to optimally control the fuel cell operating conditions based on the current state of the fuel cells, the industry conducts fuel cell state diagnosis in various ways.

연료전지 상태진단의 대표적인 예로서 교류 임피던스 측정, 전류-전압 곡선 측정, 촉매 면적 측정 등이 있다. 교류 임피던스 측정은 일반적으로 수~수십 주파수 영역의 교류 신호를 연료전지에 인가한 후, 각각의 전압응답을 측정하여 임피던스를 계산 하는 방법이다. 연료전지의 임피던스 측정으로부터 얻을 수 있는 효과로서, 100Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는 연료전지 내부 수분량 측정(예, 연료전지 내부 수분이 적으면 출력 저하), 20Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는연료전지 내구 상태 측정, 4Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는 연료전지 내부 기체 공급상태 측정(예, 연료전지 내부 기체 공급 원할 치 않으면 출력 및 운전 안전성 저하) 등이 있다. Representative examples of fuel cell condition diagnosis include AC impedance measurement, current-voltage curve measurement, and catalyst area measurement. The AC impedance measurement is generally a method of applying an AC signal of several to several tens of frequency regions to a fuel cell and then measuring the impedance of each of them by measuring their respective voltage responses. As an effect obtained from the impedance measurement of the fuel cell, in the impedance measurement for a 100 Hz alternating current, in the measurement of the moisture content of the fuel cell (for example, the output decreases when the water content in the fuel cell is small) The measurement of the state and the impedance measurement for the 4 Hz alternating current include measurement of the state of the gas supply inside the fuel cell (for example, if the fuel cell is not supplied with the internal gas, the output and operation stability are degraded).

이와 같은 연료전지의 임피던스 측정은, 일반적으로 2개 이상의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료전지에 인가하고 연료전지의 교류전압을 측정하며, 교류 전류와 전압으로 임피던스를 계산하는 방식을 이용한다. The impedance measurement of such a fuel cell generally uses a method of generating two or more alternating current signals to be applied to the fuel cell, measuring the alternating current voltage of the fuel cell, and calculating the impedance using the alternating current and the voltage.

그러나, 종래의 교류전류의 생성과 교류전압의 수집 방식에서는, 예를 들어, 도 1과 같이, 가장 느린 4Hz의 1주기가 끝날 때까지 20Hz, 100Hz 교류전류의 생성을 유지하므로, 각 신호의 생성에 0.707A가 소모된다고 하면, 3가지 신호에 의한 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 전류 소모량은 단순계산에 의하여 [수학식1]과 같다. However, in the conventional AC current generation and AC voltage collection methods, for example, as shown in FIG. 1, the generation of 20 Hz and 100 Hz alternating currents is maintained until one cycle of the slowest 4 Hz is completed. , The total current consumption for one period of 4 Hz (0.25 seconds) by the three signals is calculated by simple calculation as shown in Equation (1).

[수학식1][Equation 1]

0.707A*0.25+0.707A*0.25+0.707A*0.25= 0.53A0.707A * 0.25 + 0.707A * 0.25 + 0.707A * 0.25 = 0.53A

이때 가장 높은 주파수인 100Hz 응답을 측정 하기 위해서 2000samples/s 필요하다고 가정할 때(예, 최고속도의 20배), 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 교류전압 수집 개수는, 2000*0.25=500개이며, 임피던스 측정시간은 0.25초/회가 걸린다. The total AC voltage collection number for one cycle of 4 Hz (0.25 s) is 2000 * 0.25 = 500, assuming 2000 samples / s is required to measure the highest frequency, 100 Hz, And the impedance measurement time is 0.25 sec / s.

이와 같이 기존의 연료전지의 임피던스 측정 방법에서는, 전류 소모가 많을뿐만아니라, 교류전압 수집 개수 많아 프로세서의 부하가 크고 3개의 교류전류간 간섭 현상으로 인한 측정 잡음(intermodal interference)이 커서 측정의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다. In the conventional method of measuring the impedance of the fuel cell, not only the current consumption is high but also the number of the AC voltage collection is large and the load of the processor is large and the intermodal interference due to the interference between the three AC currents is large, There is a falling problem.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 전류 소모를 줄이고 교류전압 수집 개수를 줄여 프로세서의 부하를 경감하며 교류전류간 간섭을 줄여 측정의 정확도를 향상시키기 위하여, 최적화한 가변적 신호생성 및 신호수집 속도로 차량의 연료전지 등의 임피던스 측정을 효율적으로 수행할 수 있는 연료전지 임피던스 측정 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the accuracy of measurement by reducing the current consumption and the number of AC voltage collectors to reduce the load on the processor and reduce the inter- The present invention provides a fuel cell impedance measurement method and system that can efficiently perform impedance measurement of a fuel cell of a vehicle with optimized variable signal generation and signal acquisition speed.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정 방법은, 신호발생기를 이용하여 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 동시에 발생시키되 주파수가 가장 작은 신호의 한 주기 이하 내에 다른 신호의 한 주기 이하가 포함되도록 상기 복수의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 단계; 및 상기 복수의 교류 전류 신호의 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 한다. 상기 복수의 교류 전류 신호는 피크 부분들이 서로 겹치지 않게 생성되는 것을 특징으로 한다. In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring impedance of a fuel cell using a plurality of ac current signals, the method comprising: generating a plurality of ac current signals having different frequencies using a signal generator; Generating the plurality of alternating current signals and applying the plurality of alternating current signals to the fuel cell so as to include one period or less of another signal within one period of the signal having the smallest frequency; And providing a voltage generated in the fuel cell in synchronization with a signal having a highest frequency in a period of at least two signal mixing periods of the plurality of alternating current signals during a corresponding application time and providing the measured voltage as impedance calculation information And the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals. And the plurality of alternating current signals are generated such that the peak portions do not overlap with each other.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정 방법은, 신호발생기를 이용하여 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 순차로 한 주기 이하씩 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 단계; 및 발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring impedance of a fuel cell using a plurality of alternating current signals, comprising: generating a plurality of alternating current signals having different frequencies in succession by one cycle or less, step; And providing a voltage generated in the fuel cell in synchronization with the application of each of the generated alternating current signals during a corresponding application time and providing the resulting voltage as impedance calculation information, And the number of samples per second is determined to be the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.

상기 배수값은 20배 이상일 수 있고, 상기 복수의 교류 전류 신호는 1~10Hz 구간, 10~100Hz 구간, 및 100~1000Hz 구간에서 각각 하나씩 선택한 3개의 신호를 포함할 수 있다.The drain value may be 20 times or more, and the plurality of alternating current signals may include three signals selected from 1 to 10 Hz sections, 10 to 100 Hz sections, and 100 to 1000 Hz sections, respectively.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정을 위한 시스템은, 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 동시에 발생시키되 주파수가 가장 작은 신호의 한 주기 이하 내에 다른 신호의 한 주기 이하가 포함되도록 상기 복수의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 신호발생기; 및 상기 복수의 교류 전류 신호의 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 신호 수집기를 포함하고, 상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 한다.A system for measuring impedance of a fuel cell using a plurality of alternating current signals according to another aspect of the present invention is a system for simultaneously generating a plurality of alternating current signals having different frequencies, A signal generator for generating the plurality of alternating current signals so as to include one cycle or less of the alternating current signals and applying the alternating current signals to the fuel cell; And a signal collector for measuring a voltage generated in the fuel cell in synchronism with a signal having a largest frequency in at least two signal mixing periods of the plurality of alternating current signals during a corresponding application time and providing the measured voltage as impedance calculation information And the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정을 위한 시스템은, 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 순차로 한 주기 이하씩 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 신호발생기; 및 발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 신호 수집기를 포함하고, 상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 한다.A system for measuring impedance of a fuel cell using a plurality of alternating current signals according to another aspect of the present invention includes a signal generator for generating a plurality of alternating current signals having different frequencies in succession, ; And a signal collector for measuring a voltage generated in the fuel cell in synchronism with the application of the generated alternating current signals for a corresponding application time and providing the resulting voltage as impedance calculation information, wherein in the measurement for each of the plurality of alternating current signals The number of samples per second is set to the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.

본 발명에 따른 연료전지 임피던스 측정 방법 및 시스템에 따르면, 전류 소모를 55.6% 이상 저감할 수 있으며, 교류전압 수집 개수를 88.6% 이상 저감하여 프로세서의 부하를 경감할 수 있고, 신호간 간섭을 80.4% 이상 저감하여 측정의 정확도를 향상시킬 수 있고, 이외에도 다중 주파수의 각 전류신호 최대치가 겹치지 않게 되므로 연료전지 임피던스 측정시스템의 안정도를 향상시킬 수 있다.According to the method and system for measuring impedance of a fuel cell according to the present invention, the current consumption can be reduced by 55.6% or more, the load of the processor can be reduced by reducing the number of AC voltage collectors by 88.6% or more, The accuracy of the measurement can be improved. In addition, since the maximum values of the current signals of the multiple frequencies do not overlap, the stability of the fuel cell impedance measurement system can be improved.

도 1은 일반적인 연료전지 임피던스 측정을 위한 전류 신호의 관계를 설명하기 위한 신호 파형도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 임피던스 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 전류 신호들의 관계를 설명하기 위한 신호 파형도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법의 다른 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 5의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 전류 신호들의 관계를 설명하기 위한 신호 파형도이다.
도 7은 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 교류 전류 소모량을 설명하기 위한 전류 신호 파형도이다.
도 8은 종래 기술의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 교류 전류 소모량을 설명하기 위한 전류 신호 파형도이다.
1 is a signal waveform diagram for explaining a relation of a current signal for measuring a general fuel cell impedance.
2 is a view for explaining a fuel cell impedance measurement system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart for explaining an example of a method for measuring a fuel cell impedance of the present invention.
4 is a signal waveform diagram for explaining the relationship of current signals in the fuel cell impedance measuring method of FIG.
5 is a flow chart for explaining another example of the method for measuring the impedance of the fuel cell according to the present invention.
6 is a signal waveform diagram for explaining the relationship of current signals in the fuel cell impedance measuring method of FIG.
7 is a current signal waveform diagram for explaining AC current consumption in the fuel cell impedance measuring method of the present invention.
8 is a current signal waveform diagram for explaining AC current consumption in the conventional fuel cell impedance measuring method.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. In addition, detailed descriptions of known functions and / or configurations are omitted. The following description will focus on the parts necessary for understanding the operation according to various embodiments, and a description of elements that may obscure the gist of the description will be omitted. Also, some of the elements of the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not entirely reflect the actual size, and therefore the contents described herein are not limited by the relative sizes or spacings of the components drawn in the respective drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 임피던스 측정 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a fuel cell impedance measurement system 100 according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 임피던스 측정 시스템(100)은, 연료전지(10)의 임피던스 측정을 위하여 교류 전류 신호발생기(110) 및 교류 전압 신호 수집기(120)를 포함할 수 있다. 2, the fuel cell impedance measurement system 100 according to an embodiment of the present invention includes an AC current signal generator 110 and an AC voltage signal collector 120 for measuring impedance of the fuel cell 10 .

신호발생기(110)는 임피던스 측정을 위하여 연료전지(10)에 인가할 교류 전류 신호를 발생시키는 장치로서, 도 3과 도 4에서 설명하는 바와 같이, 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz)를 동시에 발생시키되 주파수가 가장 작은 신호의 한 주기 이하 내에 다른 신호의 한 주기 이하(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기)가 포함되도록 상기 복수의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료 전지(10)에 인가할 수 있다. 이때, 신호 수집기(120)는 복수의 교류 전류 신호의 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 연료 전지(10)에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공할 수 있다.3 and 4, the signal generator 110 generates a plurality of alternating current signals having different frequencies (for example, 4 Hz, , 20 Hz, and 100 Hz) are generated at the same time, but within one cycle of the signal having the smallest frequency, the plurality of alternating currents (1, 2, 3, A signal can be generated and applied to the fuel cell 10. At this time, the signal collector 120 preferentially synchronizes with the signal having the largest frequency in two or more signal mixing periods of the plurality of alternating current signals, measures the voltage generated in the fuel cell 10 during the applicable time, Information can be provided.

또는, 도 5 및 도 6에서 설명하는 바와 같이, 신호발생기(110)는 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz)를 순차로 한 주기 이하씩 발생시켜서 연료 전지(10)에 인가할 수 있다. 이때, 신호 수집기(120)는 발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 연료 전지(10)에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기) 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공할 수 있다.5 and 6, the signal generator 110 sequentially generates a plurality of alternating current signals having different frequencies (for example, 4 Hz, 20 Hz, and 100 Hz) As shown in FIG. At this time, the signal collector 120 outputs a voltage generated in the fuel cell 10 in synchronism with the application of the generated alternating current signals for a predetermined period of time (for example, 1 cycle, 1/2 cycle, or 1/3 cycle) And can be provided as impedance calculation information.

여기서, 복수의 교류 전류 신호(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz) 각각에 대한 각 측정에서의 초당 측정 샘플갯수는 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값(예, 20배 이상)으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 배수값이 20배인 경우에, 4Hz 신호에 대하여 초당 80샘플, 20Hz 신호에 대하여 초당 400샘플, 100Hz 신호에 대하여 초당 2000샘플일 수 있다. 여기서, 복수의 교류 전류 신호의 개수는 측정 목적에 따라 2이상일 수 있으며, 상기 배수값은 20배인 것으로 설명하지만 필요에 따라 고해상도를 위하여 더 높은 배수로 정해질 수 있다. 또한, 복수의 교류 전류 신호의 주파수는 4Hz, 20Hz, 100Hz인 것으로 예를 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 1~10Hz 구간, 10~100Hz 구간, 및 100~1000Hz 구간에서 각각 하나씩 선택한 3개의 신호로 이루어질 수 있다. Here, the number of samples per second for each measurement of a plurality of alternating current signals (e.g., 4 Hz, 20 Hz, 100 Hz) can be determined by the same multiple of the frequency of each of the alternating current signals (e.g., 20 times or more) have. For example, with a multiple of 20, it could be 80 samples per second for a 4 Hz signal, 400 samples per second for a 20 Hz signal, and 2000 samples per second for a 100 Hz signal. Here, the number of the plurality of alternating current signals may be two or more according to the purpose of measurement, and the drain value is described as being 20 times, but may be set to a higher multiple for high resolution if necessary. The frequency of the plurality of alternating current signals is 4 Hz, 20 Hz, and 100 Hz. However, the frequency of the alternating current signals is not limited thereto, and may be selected from 1 to 10 Hz, 10 to 100 Hz, and 100 to 1000 Hz, It can be composed of three signals.

연료 전지(10)의 임피던스는 인가된 교류 전류와 측정된 교류 전압으로 산출될 수 있으며, 연료전지의 임피던스 측정으로부터 얻을 수 있는 효과로서, 예를 들어, 100Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는 연료전지 내부 수분량 측정(예, 연료전지 내부 수분이 적으면 출력 저하), 20Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는 연료전지 내구 상태 측정, 4Hz 교류전류에 대한 임피던스 측정에서는 연료전지 내부 기체 공급상태 측정(예, 연료전지 내부 기체 공급 원할 치 않으면 출력 및 운전 안전성 저하) 등이 있다.The impedance of the fuel cell 10 can be calculated from the applied alternating current and the measured alternating voltage. As an effect obtained from the impedance measurement of the fuel cell, for example, in the impedance measurement for the alternating current of 100 Hz, Measurement of moisture content (eg, output degradation when water content inside the fuel cell is low), measurement of fuel cell durability for impedance measurement at 20 Hz alternating current, impedance measurement for 4 Hz alternating current, And if the internal gas supply is not desired, the output and operational safety deteriorate).

이하 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 임피던스 측정 시스템(100)의 연료전지(110) 임피던스 측정을 위한 신호의 발생과 수집에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the generation and collection of signals for the impedance measurement of the fuel cell 110 of the fuel cell impedance measurement system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 3 to 8. FIG.

도 3은 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.3 is a flowchart for explaining an example of a method for measuring a fuel cell impedance of the present invention.

예를 들어, 신호발생기(110)는 도 4와 같이 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz)를 동시에 발생시켜서 연료 전지(10)에 인가할 수 있다(S10). 이때, 신호발생기(110)는 도 4와 같이 교류 전류 신호들(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz)이 동시에 같은 위상으로 시작하여 인가되도록 할 수도 있지만, 이에 한정되지 않으며 교류 전류 신호들 각각의 동위상 인가 시작 시점이 동일할 필요는 없다. 즉, 주파수가 가장 작은 신호(예, 4Hz)의 한 주기 이하 내에 다른 신호(예, 20Hz 또는 100Hz)의 한 주기 이하(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기)가 포함되도록 교류 전류 신호들을 발생시켜서 연료 전지(10)에 인가할 수 있다. For example, the signal generator 110 can simultaneously generate a plurality of alternating current signals having different frequencies (e.g., 4 Hz, 20 Hz, and 100 Hz) and apply the same to the fuel cell 10 as shown in FIG. 4 (S 10). At this time, the signal generator 110 may be configured to apply alternating current signals (e.g., 4 Hz, 20 Hz, and 100 Hz) simultaneously starting from the same phase as shown in FIG. 4, but the present invention is not limited thereto, The authorization start time need not be the same. That is, one cycle (e.g., one cycle, one half cycle, or one third cycle) of the other signal (e.g., 20 Hz or 100 Hz) is included within one cycle of the signal having the smallest frequency The AC current signals can be generated and applied to the fuel cell 10.

이때, 신호 수집기(120)는 교류 전류 신호들 중 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 연료 전지(10)에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간(예,1 주기) 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공할 수 있다(S11). 도 4의 예에서, 신호 혼입 구간 '1'에서는 100Hz 에 대하여 우선적으로 동기하여 해당 인가 시간 동안 초당 2000샘플 속도로 전압을 측정하며, 신호 혼입 구간 '2'에서는 20Hz 에 대하여 우선적으로 동기하여 해당 인가 시간 동안 초당 400샘플 속도로 전압을 측정하고, 신호가 혼입되지 않는 구간에서는 4Hz 신호에 대하여 초당 80샘플 속도로 전압을 측정하여 데이터를 수집할 수 있다. 신호 혼입 구간이 다른 위치에 있는 경우에도 이와 유사한 방법으로, 100Hz 에 대하여 해당 인가 시간 동안 초당 2000샘플 속도로 전압을 측정하며, 20Hz 에 대하여 해당 인가 시간 동안 초당 400샘플 속도로 전압을 측정하고, 4Hz 신호에 대하여 초당 80샘플 속도로 전압을 측정하여 데이터를 수집할 수 있다.At this time, the signal collector 120 preferentially synchronizes with the signal having the highest frequency in any two or more signal mixing periods among the alternating current signals, so that the voltage generated in the fuel cell 10 is applied for a predetermined time (for example, one cycle) (S11). ≪ tb > < / TABLE > In the example of FIG. 4, the voltage is measured at a sampling rate of 2000 samples per second for the applicable application time in synchronism with 100 Hz in the signal mixing period '1'. In the signal mixing period '2' The voltage can be measured at 400 samples per second for a period of time and the data can be collected by measuring the voltage at a rate of 80 samples per second for a 4 Hz signal. Similarly, when the signal intensities are at different positions, the voltage is measured at a rate of 2000 samples per second for the applicable time for 100 Hz, the voltage is measured at a rate of 400 samples per second for the duration of 20 Hz, Data can be collected by measuring the voltage at a rate of 80 samples per second for the signal.

신호 수집기(120)가 이와 같이 측정된 전압 샘플 데이터를 수집함에 따라, 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행되는 소프트웨어를 이용해, 측정된 전압을 인가된 전류로 나누는 방법 등으로 인피던스를 산출할 수 있게 된다(S12). 이때 신호 혼입 구간에서의 주파수가 다른 신호의 영향은 소정의 필터를 이용해 제거하고 인피던스를 산출할 수 있다. As the signal collector 120 collects the measured voltage sample data, the impedance can be calculated by dividing the measured voltage by the applied current, using software executed by the processor or the computer (S12) . At this time, the influence of the signals having different frequencies in the signal incorporation period can be removed by using a predetermined filter and the impedance can be calculated.

위와 같이 신호의 주파수(또는 속도)에 무관하게 해당 인가 시간(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기)이 끝나면 신호 생성을 정지하므로, 각 신호의 생성에 0.707A가 소모된다고 하면, 3가지 신호에 의한 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 전류 소모량은 단순계산에 의하여 [수학식2]와 같다. 이는 종래 기술 대비 55.6% 전류 소모가 저감됨을 의미한다(수학식1에서 종래기술은 0.53A).When the application time (for example, 1 cycle, 1/2 cycle, or 1/3 cycle) is completed irrespective of the frequency (or speed) of the signal as described above, the signal generation is stopped and 0.707 A is consumed for generation of each signal , The total current consumption during one period (0.25 seconds) of 4 Hz by the three signals is as shown in Equation (2) by simple calculation. This means that the current consumption is reduced by 55.6% compared to the prior art (in the case of the conventional technique, 0.53A in Equation 1).

[수학식2]&Quot; (2) "

0.707A*0.25+0.707A*0.05+0.707A*0.01=0.235A0.707A * 0.25 + 0.707A * 0.05 + 0.707A * 0.01 = 0.235A

또한, 교류 전압 샘플 데이터의 수집 개수는, [수학식3]과 같이 3가지 신호에 의한 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 52개의 샘플 데이터가 수집되므로 종래 기술의 500샘플 대비 89.6% 저감하는 효과가 있다.In addition, the number of collecting AC voltage sample data is reduced by 89.6% as compared with the 500 samples of the prior art because a total of 52 sample data is collected during one period (0.25 second) of 4 Hz by three signals as shown in [Equation 3] It is effective.

[수학식3]&Quot; (3) "

2000*0.01+400*0.04+80*0.2=52개2000 * 0.01 + 400 * 0.04 + 80 * 0.2 = 52

또한, 임피던스 측정시간은 0.25초/회이고, 교류 전류 신호들간 간섭 현상으로 인한 측정 잡음(intermodal interference)이 0.05초 동안만 발생하므로, 종래 기술 대비 80.4% 이상 측정 잡음을 저감 저감하는 효과가 있다.Also, since the impedance measurement time is 0.25 sec / s and the intermodal interference due to the interference between the AC current signals occurs only for 0.05 second, the measurement noise is reduced by 80.4% or more compared with the prior art.

도 5는 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법의 다른 예를 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flow chart for explaining another example of the method for measuring the impedance of the fuel cell according to the present invention.

예를 들어, 신호발생기(110)는 도 6과 같이 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호(예, 4Hz, 20Hz, 100Hz)를 순차로 한 주기 이하씩(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기) 발생시켜서 연료 전지(10)에 인가할 수 있다. 도 6에서는 주파수가 큰 신호를 먼저 인가하는 방식을 도시하였으나 이에 한정되지 않으며 경우에 따라 다른 순서로 인가하는 모든 방법을 포함할 수 있다. For example, the signal generator 110 may sequentially output a plurality of alternating current signals having different frequencies (e.g., 4 Hz, 20 Hz, and 100 Hz) by one cycle or less 1/3 period) and can be applied to the fuel cell 10. Although FIG. 6 shows a method of first applying a signal having a large frequency, it is not limited thereto, and may include any method of applying the signal in a different order depending on the case.

이때, 신호 수집기(120)는 발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 연료 전지(10)에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기) 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공할 수 있다.At this time, the signal collector 120 outputs a voltage generated in the fuel cell 10 in synchronism with the application of the generated alternating current signals for a predetermined period of time (for example, 1 cycle, 1/2 cycle, or 1/3 cycle) And can be provided as impedance calculation information.

즉, 도 6의 예에서 신호 수집기(120)는 먼저 100Hz 에 대하여 동기하여 해당 신호 인가 시간 동안 초당 2000샘플 속도로 전압을 측정하여 샘플 데이터를 수집하고(S20), 그 후 후속하여 인가되는 20Hz 에 대하여 동기하여 해당 인가 시간 동안 초당 400샘플 속도로 전압을 측정하여 샘플 데이터를 수집하며(S21), 그 후 후속하여 인가되는 4Hz 신호에 대하여 초당 80샘플 속도로 전압을 측정하여 샘플 데이터를 수집할 수 있다(S22).That is, in the example of FIG. 6, the signal collector 120 acquires sample data (S20) by measuring a voltage at a sampling rate of 2000 samples per second for the corresponding signal application time in synchronization with 100 Hz, (S21) by measuring the voltage at a sampling rate of 400 samples per second for the applicable application time, and then collecting the sample data by measuring the voltage at a rate of 80 samples per second for the subsequently applied 4 Hz signal (S22).

신호 수집기(120)가 이와 같이 측정된 전압 샘플 데이터를 수집함에 따라, 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행되는 소프트웨어를 이용해, 측정된 전압을 인가된 전류로 나누는 방법 등으로 인피던스를 산출할 수 있게 된다(S23). As the signal collector 120 collects the measured voltage sample data, the impedance can be calculated by dividing the measured voltage by the applied current, using software executed by the processor or the computer (S23) .

위와 같은 방법에서도 신호의 주파수(또는 속도)에 무관하게 해당 인가 시간(예, 1주기, 1/2주기, 또는 1/3 주기)이 끝나면 신호 생성을 정지하므로, 각 신호의 생성에 0.707A가 소모된다고 하면, 3가지 신호에 의한 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 전류 소모량은 단순계산에 의하여 [수학식2]와 같다. 이는 종래 기술 대비 55.6% 전류 소모가 저감됨을 의미한다(수학식1에서 종래기술은 0.53A).In the above method, since signal generation is stopped when the applicable time (for example, 1 cycle, 1/2 cycle, or 1/3 cycle) ends regardless of the frequency (or speed) of the signal, 0.707A If consumed, the total current consumption for one period (0.25 seconds) of 4 Hz by the three signals is as shown in Equation (2) by simple calculation. This means that the current consumption is reduced by 55.6% compared to the prior art (in the case of the conventional technique, 0.53A in Equation 1).

또한, 교류 전압 샘플 데이터의 수집 개수는, [수학식3]과 같이 3가지 신호에 의한 4Hz의 1주기(0.25초) 동안 총 52개의 샘플 데이터가 수집되므로 종래 기술의 500샘플 대비 89.6% 저감하는 효과가 있다.In addition, the number of collecting AC voltage sample data is reduced by 89.6% as compared with the 500 samples of the prior art because a total of 52 sample data is collected during one period (0.25 second) of 4 Hz by three signals as shown in [Equation 3] It is effective.

또한, 임피던스 측정시간은 0.31초/회로서 약간 증가하지만 짧은 시간으로서 측정에 큰 무리가 없으며, 대신에 여기서는 교류 전류 신호들간 간섭 현상이 완전히 제거되는 효과가 있다.Also, the impedance measurement time is 0.31 sec / s, which is slightly increased. However, the measurement is not time-consuming because of a short time. Instead, the interference phenomenon between alternating current signals is completely eliminated.

도 7은 본 발명의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 교류 전류 소모량을 설명하기 위한 전류 신호 파형도이다. 도 8은 종래 기술의 연료전지 임피던스 측정 방법에서의 교류 전류 소모량을 설명하기 위한 전류 신호 파형도이다.7 is a current signal waveform diagram for explaining AC current consumption in the fuel cell impedance measuring method of the present invention. 8 is a current signal waveform diagram for explaining AC current consumption in the conventional fuel cell impedance measuring method.

본 발명에서는 신호발생기(110)가 복수의 교류 전류 신호를 생성함에 있어서 도 7과 같이 피크 부분들이 서로 겹치지 않게 생성되도록 함으로써(특히, 도 4의 방식에서), 연료전지(10)에 인가되는 교류전류의 최대-최소 범위를 축소시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서는 도 7의 (a)와 같은 3개의 교류 전류 신호들의 전류 합산값은 도 7의 (b)와 같이 최대-최소 범위가 낮게 나타나며, 종래기술에서는 도 8의 (a)와 같이 3개의 교류 전류 신호들을 주파수가 가장 낮은 신호의 전구간에서 동시에 생성하고 인가할때 그 전류 합산값은 도 8의 (b)와 같이 최대-최소 범위가 높게 나타난다. 예를 들어, 종래기술의 방식에서 -3A~3A 최대-최소 범위로 연료전지(10)에 교류 전류가 인가되는 조건에서, 본 발명의 방식 적용에 따르면 -1.064A~1.327A 최대-최소 범위로 연료전지(10)에 교류 전류가 인가됨을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 방식은 교류 전류 인가의 최대-최소 범위를 60.1% 이상 저감할 수 있으므로, 연료전지(10)의 고전류에 의한 동작 특성의 변화를 줄이거나 측정 시스템(100)의 고전류 발생을 억제하여 시스템 안정도를 향상시킬 수 있다.In the present invention, when the signal generator 110 generates a plurality of alternating current signals, the peak portions are generated so as not to overlap each other as shown in FIG. 7 (in particular, in the scheme of FIG. 4) The maximum-minimum range of the current can be reduced. For example, in the present invention, the current sum values of the three AC current signals as shown in FIG. 7A are lower than the maximum-minimum range as shown in FIG. 7B, When the three AC current signals are simultaneously generated and applied in the entire range of the signal having the lowest frequency, the current sum value shows a high maximum-minimum range as shown in FIG. 8 (b). For example, under the condition that the alternating current is applied to the fuel cell 10 in the range of -3A to 3A maximum-minimum in the conventional method, according to the method of the present invention, the range of -1.064A to 1.327A in the maximum- It can be confirmed that an AC current is applied to the fuel cell 10. As described above, the system of the present invention can reduce the maximum-minimum range of the AC current application by 60.1% or more, thereby reducing the change in the operating characteristic due to the high current of the fuel cell 10, So that the system stability can be improved.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the essential characteristics of the invention. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all technical ideas which are equivalent to or equivalent to the claims of the present invention are included in the scope of the present invention .

연료전지(10)
교류 전류 신호발생기(110)
교류 전압 신호 수집기(120)
In the fuel cell 10,
AC current signal generator 110,
Collectors of ac ... (120)

Claims (7)

복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정 방법에 있어서,
신호발생기를 이용하여 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 동시에 발생시키되 주파수가 가장 작은 신호의 한 주기 이하 내에 다른 신호의 한 주기 이하가 포함되도록 상기 복수의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 단계; 및
상기 복수의 교류 전류 신호의 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정 방법.
1. A fuel cell impedance measuring method using a plurality of alternating current signals,
The plurality of alternating current signals having different frequencies are simultaneously generated using a signal generator so that the plurality of alternating current signals are generated within one period of the signal having the smallest frequency so as to include one period or less of the other signals, step; And
And a step of preferentially synchronizing a frequency of the signal having the largest frequency in at least two signal mixing periods of the plurality of alternating current signals to measure the voltage generated in the fuel cell during the applicable time period and providing the measured voltage as the impedance calculating information,
Wherein the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be a multiple of the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.
복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정 방법에 있어서,
신호발생기를 이용하여 주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 순차로 한 주기 이하씩 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 단계; 및
발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정 방법.
1. A fuel cell impedance measuring method using a plurality of alternating current signals,
Generating a plurality of alternating current signals having different frequencies in succession by one or less cycles using a signal generator and applying the alternating current signals to the fuel cell; And
Measuring the voltage generated in the fuel cell in synchronism with the application of the generated alternating current signals during the application time and providing the measured voltage as the impedance calculation information,
Wherein the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be a multiple of the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배수값은 20배 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the drainage value is 20 times or more.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 교류 전류 신호는 1~10Hz 구간, 10~100Hz 구간, 및 100~1000Hz 구간에서 각각 하나씩 선택한 3개의 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the plurality of alternating current signals include three signals each selected from a range of 1 to 10 Hz, a range of 10 to 100 Hz, and a range of 100 to 1000 Hz.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 교류 전류 신호는 피크 부분들이 서로 겹치지 않게 생성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the plurality of alternating current signals are generated such that peak portions do not overlap with each other.
복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정을 위한 시스템에 있어서,
주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 동시에 발생시키되 주파수가 가장 작은 신호의 한 주기 이하 내에 다른 신호의 한 주기 이하가 포함되도록 상기 복수의 교류 전류 신호를 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 신호발생기; 및
상기 복수의 교류 전류 신호의 어느 두개 이상의 신호 혼입 구간에서 주파수가 가장 큰 신호에 대하여 우선적으로 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 신호 수집기를 포함하고,
상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 하는 연료전지 임피던스 측정을 위한 시스템.
1. A system for measuring impedance of a fuel cell using a plurality of alternating current signals,
A signal generator for generating the plurality of alternating current signals and applying the plurality of alternating current signals to the fuel cell so that a plurality of alternating current signals having different frequencies are simultaneously generated but not more than one period of other signals within one period of the signal having the smallest frequency; And
And a signal collector for measuring a voltage generated in the fuel cell in synchronization with a signal having a largest frequency in a period in which two or more signals of the plurality of alternating current signals are mixed during a corresponding application time and providing the measured voltage as impedance calculation information ,
Wherein the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be a multiple of the same value for the frequency of each of the plurality of alternating current signals.
복수의 교류 전류 신호를 이용한 연료전지 임피던스 측정을 위한 시스템에 있어서,
주파수가 다른 복수의 교류 전류 신호를 순차로 한 주기 이하씩 발생시켜서 연료 전지에 인가하는 신호발생기; 및
발생한 각각의 교류 전류 신호의 인가에 동기하여 상기 연료 전지에서 발생되는 전압을 해당 인가 시간 동안 측정하여 임피던스 산출 정보로 제공하는 신호 수집기를 포함하고,
상기 복수의 교류 전류 신호 각각에 대한 상기 측정에서의 초당 측정 샘플갯수가 상기 복수의 교류 전류 신호 각각의 주파수에 대한 동일한 배수값으로 정해진 것을 특징으로 하는 연료전지 측정을 위한 시스템.
1. A system for measuring impedance of a fuel cell using a plurality of alternating current signals,
A signal generator for sequentially generating a plurality of alternating current signals having different frequencies in less than one cycle and applying the generated alternating current signals to the fuel cell; And
And a signal collector for measuring a voltage generated in the fuel cell in synchronism with the application of the generated alternating current signals for a corresponding application time and providing the measured voltage as impedance calculation information,
Wherein the number of measurement samples per second in the measurement for each of the plurality of alternating current signals is determined to be a multiple of the same multiple of the frequency of each of the plurality of alternating current signals.
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