KR102264982B1 - Apparatus for measuring voltage of fuel battery cell - Google Patents

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Abstract

연료전지 셀 전압 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 연료전지 셀 전압 측정 장치는 연료전지의 스택을 구성하는 단위 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 단위 셀 중 적어도 하나에 연결되어 역전압에 의한 상기 전압 측정부의 파손을 방지하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 한다. A fuel cell voltage measuring apparatus is disclosed. A fuel cell voltage measuring apparatus of the present invention includes: a voltage measuring unit for measuring the voltage of unit cells constituting a stack of a fuel cell; and a protection unit connected to at least one of the unit cells to prevent damage of the voltage measuring unit due to a reverse voltage.

Description

연료전지 셀 전압 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING VOLTAGE OF FUEL BATTERY CELL}Fuel cell voltage measuring device {APPARATUS FOR MEASURING VOLTAGE OF FUEL BATTERY CELL}

본 발명은 연료전지 셀 전압 측정 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 최상위 단위 셀과 그라운드 사이 및 최하위 단위 셀과 그라운드 사이에 임피던스 소자를 각각 연결하여 그라운드 전압이 변경될 수 있도록 함으로써 셀의 전압 측정시 특수조건에서 발생되는 높은 역전압에 의해 소자가 파괴되는 것을 방지하고 이를 기초로 연료전지 셀의 전압을 측정하는 연료전지 셀 전압 측정 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell voltage measuring device, and more particularly, by connecting an impedance element between the highest unit cell and the ground and between the lowest unit cell and the ground so that the ground voltage can be changed. It relates to a fuel cell voltage measuring device that prevents device destruction by high reverse voltage generated under special conditions and measures the voltage of the fuel cell based on this.

일반적으로, 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.In general, a polymer electrolyte membrane fuel cell distributes a membrane electrode assembly (MEA) to which an electrochemical reaction occurs on both sides of the membrane, with a solid polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions move, and reaction gases are evenly distributed. Gas Diffusion Layer (GDL) that transfers the generated electrical energy, gaskets and fasteners to maintain airtightness and proper clamping pressure of reactive gases and coolants, and It consists of a bipolar plate.

이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 단위 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치한다. 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.When assembling a fuel cell stack using such a unit cell configuration, a combination of a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer, which are major components, is located in the innermost part of the unit cell. The membrane electrode assembly has a catalyst electrode layer coated with a catalyst so that hydrogen and oxygen can react on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode, and a gas diffusion layer, a gasket, etc. This is laminated.

기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다. 이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.A separation plate having a flow field through which a reaction gas (hydrogen as a fuel and oxygen or air as an oxidizing agent) is supplied and cooling water passes is positioned outside the gas diffusion layer. After stacking a plurality of unit cells with this configuration as a unit cell, a current collector, an insulating plate, and an end plate for supporting the stacked cells are combined on the outermost side, and the unit cells are repeated between the end plates. By stacking and fastening, a fuel cell stack is constituted.

실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 13V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀이 직렬로 적층된다. In order to obtain a potential required in an actual vehicle, unit cells must be stacked as many as necessary potentials, and a stack is a stack of unit cells. The potential generated in one unit cell is about 13V, and a plurality of cells are stacked in series to produce power required to drive a vehicle.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2018-0042745호(2018.04.26)의 '연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법'에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in 'A device and method for diagnosing the state of a fuel cell stack' of Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2018-0042745 (April 26, 2018).

종래에는 연료전지 셀의 전압을 측정하기 위해서는 센싱 반도체의 그라운드와 셀의 최하위 전압을 묶어 전압을 측정하는데, 특수조건하에서 내부 반도체소자의 역전압 한계(일반적으로 -10V~-20V)를 넘어가면 센싱 반도체가 소손되는 문제점이 있었다. Conventionally, in order to measure the voltage of a fuel cell cell, the voltage is measured by binding the ground of the sensing semiconductor and the lowest voltage of the cell. Under special conditions, when the reverse voltage limit of the internal semiconductor device (generally -10V to -20V) is exceeded, sensing is performed. There was a problem in that the semiconductor was burned out.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 최상위 단위 셀과 그라운드 사이 및 최하위 단위 셀과 그라운드 사이에 하이 임피던스 소자를 각각 연결하여 그라운드 전압이 변경될 수 있도록 함으로써 셀의 전압 측정시 특수조건에서 발생되는 높은 역전압에 의해 소자가 파괴되는 것을 방지하고 이를 기초로 연료전지 셀의 전압을 측정하는 연료전지 셀 전압 측정 장치를 제공하는 데 있다. The present invention was devised to improve the above problems, and an object according to one aspect of the present invention is to connect a high impedance element between the highest unit cell and the ground and between the lowest unit cell and the ground, respectively, so that the ground voltage can be changed. An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring the voltage of a fuel cell that prevents the element from being destroyed by a high reverse voltage generated under a special condition when measuring the voltage of the cell and measures the voltage of the fuel cell based on this.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치는 연료전지의 스택을 구성하는 단위 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 단위 셀 중 적어도 하나에 연결되어 역전압에 의한 상기 전압 측정부의 파손을 방지하는 보호부를 포함하는 것을 특징으로 한다. A fuel cell voltage measuring apparatus according to an aspect of the present invention includes: a voltage measuring unit for measuring the voltage of unit cells constituting a stack of a fuel cell; and a protection unit connected to at least one of the unit cells to prevent damage to the voltage measuring unit due to a reverse voltage.

본 발명의 상기 보호부는 일단이 상기 단위 셀 중 최상위 단위 셀의 (+)단에 연결되고 타단이 상기 전압 측정부의 그라운드에 연결되는 제1 임피던스 소자; 및 일단이 상기 단위 셀 중 최하위 단위 셀의 (-)단에 연결되고 타단이 상기 그라운드에 연결되는 제2 임피던스 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The protection unit of the present invention comprises: a first impedance element having one end connected to the (+) terminal of the uppermost unit cell among the unit cells and the other end connected to the ground of the voltage measuring unit; and a second impedance element having one end connected to the (-) terminal of the lowest unit cell among the unit cells and the other end connected to the ground.

본 발명의 상기 제1 임피던스 소자의 임피던스와 상기 제2 임피던스 소자의 임피던스는, 상기 전압 측정부의 역전위 내압에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.The impedance of the first impedance element and the impedance of the second impedance element of the present invention are set according to the reverse potential withstand voltage of the voltage measuring unit.

본 발명의 상기 전압 측정부는 상기 단위 셀 별로 전압을 측정하는 전압 측정기; 및 상기 단위 셀 각각의 전압을 동작 가능한 내압 범위 내로 레벨 시프팅시키는 레벨 시프터를 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage measuring unit of the present invention comprises: a voltage measuring unit for measuring a voltage for each unit cell; and a level shifter for level-shifting the voltage of each of the unit cells within an operable withstand voltage range.

본 발명의 상기 전압 측정기는 상기 단위 셀 각각에 일대일 대응되게 설치되어 상기 단위 셀 별로 전압을 감지하는 적어도 하나의 전압 센서; 상기 단위 셀을 상기 전압 센서와 전기적으로 연결시키는 스위치; 상기 스위치의 스위칭 동작에 따른 노이즈 전압을 측정하는 레플리카부; 및 상기 전압 센서에 의해 측정된 전압에서 상기 레플리카부에 의해 측정된 노이즈 전압을 차감하는 앰프부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage measuring device of the present invention includes at least one voltage sensor installed in a one-to-one correspondence with each of the unit cells to sense a voltage for each unit cell; a switch electrically connecting the unit cell to the voltage sensor; a replica unit for measuring a noise voltage according to a switching operation of the switch; and an amplifier for subtracting the noise voltage measured by the replica unit from the voltage measured by the voltage sensor.

본 발명의 상기 전압 측정부는 상기 전압 측정기에 의해 상기 단위 셀 별로 측정된 전압을 다운 스케일링하는 스케일러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage measuring unit of the present invention may further include a scaler for down-scaling the voltage measured for each unit cell by the voltage measuring device.

본 발명의 상기 전압 측정부는 상기 전압 측정기에 의해 상기 단위 셀 별로 측정된 전압 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 먹스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage measuring unit of the present invention may further include a mux for selecting and outputting any one of the voltages measured for each unit cell by the voltage measuring device.

본 발명의 상기 전압 측정기는 상기 단위 셀 각각에 일대일 대응되게 설치되어 상기 단위 셀 별로 전압을 감지하는 적어노 하나의 전압 센서; 상기 단위 셀을 상기 전압 센서와 전기적으로 연결시키는 스위치; 및 상기 스위치의 스위칭 동작에 따른 노이즈 전압을 측정하는 레플리카부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The voltage measuring device of the present invention includes at least one voltage sensor installed in a one-to-one correspondence with each of the unit cells to sense a voltage for each unit cell; a switch electrically connecting the unit cell to the voltage sensor; and a replica unit for measuring a noise voltage according to a switching operation of the switch.

본 발명의 상기 전압 측정부는 상기 전압 센서에 의해 측정된 전압에서 상기 레플리카부에 의해 측정된 노이즈 전압을 차감하는 앰프부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The voltage measuring unit of the present invention further comprises an amplifier for subtracting the noise voltage measured by the replica unit from the voltage measured by the voltage sensor.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치는 최상위 단위 셀과 그라운드 사이 및 최하위 단위 셀과 그라운드 사이에 임피던스 소자를 각각 연결하여 그라운드 전압이 변경될 수 있도록 함으로써 셀의 전압 측정시 특수조건에서 발생되는 높은 역전압에 의해 소자가 파괴되는 것을 방지하고 이를 기초로 연료전지 셀의 전압을 측정한다. The fuel cell voltage measuring device according to an aspect of the present invention connects an impedance element between the highest unit cell and the ground and between the lowest unit cell and the ground so that the ground voltage can be changed, so that the voltage of the cell is measured under special conditions. The device is prevented from being destroyed by the high reverse voltage generated, and the voltage of the fuel cell is measured based on this.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 그라운드 전압을 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정부의 블럭 구성도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정기의 다른 예를 도시한 도면이다.1 is a block diagram of an apparatus for measuring voltage of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a ground voltage according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a voltage measuring unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating another example of a voltage measuring device according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다. Hereinafter, a fuel cell voltage measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.The implementations described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream, or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), implementations of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, in an apparatus or a program). The apparatus may be implemented in suitable hardware, software and firmware, and the like. A method may be implemented in an apparatus such as, for example, a processor, which generally refers to a computer, a microprocessor, a processing device, including an integrated circuit or programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, portable/personal digital assistants (“PDAs”) and other devices that facilitate communication of information between end-users.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 그라운드 전압을 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정부의 블럭 구성도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정기의 다른 예를 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a fuel cell voltage measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a ground voltage according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention is a block diagram of a voltage measuring unit according to , and FIG. 4 is a diagram showing another example of a voltage measuring unit according to an embodiment of the present invention.

도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치는 보호부(20), 전압 측정부(40) 및 전압 공급부(30)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an apparatus for measuring voltage of a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a protection unit 20 , a voltage measuring unit 40 , and a voltage supply unit 30 .

보호부(20)는 제1 임피던스 소자(21) 및 제2 임피던스 소자(22)를 포함한다. The protection unit 20 includes a first impedance element 21 and a second impedance element 22 .

보호부(20)는 연료전지(10)의 단위 셀(11) 중 적어도 하나에 연결된다. 보호부는(20)는 특수조건에 발생되는 역전압에 의한 전압 측정부(40) 내부 소자들의 파손을 방지한다. 전압 측정부(40)에 대해서는 후술한다. The protection unit 20 is connected to at least one of the unit cells 11 of the fuel cell 10 . The protection unit 20 prevents damage to the internal elements of the voltage measuring unit 40 due to a reverse voltage generated under a special condition. The voltage measuring unit 40 will be described later.

제1 임피던스 소자(21)는 일단이 단위 셀(11) 중 최상위 단위 셀의 (+)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드(GND)에 연결된다. The first impedance element 21 has one end connected to the (+) terminal of the uppermost unit cell among the unit cells 11 and the other end connected to the ground GND of the voltage measuring unit 40 .

제2 임피던스 소자(22)는 일단이 단위 셀(11) 중 최하위 단위 셀의 (-)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드에 연결된다. The second impedance element 22 has one end connected to the (-) terminal of the lowest unit cell among the unit cells 11 and the other end connected to the ground of the voltage measuring unit 40 .

제1 임피던스 소자(21)의 임피던스와 제2 임피던스 소자(22)의 임피던스 각각은 전압 측정부(40)의 역전위 내압에 따라 가변적으로 설정될 수 있다. Each of the impedance of the first impedance element 21 and the impedance of the second impedance element 22 may be variably set according to the reverse potential withstand voltage of the voltage measuring unit 40 .

상기한 바와 같이 제1 임피던스 소자(21)가 최상위 단위 셀의 (+)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드에 연결되며, 제2 임피던스 소자(22)가 최하위 단위 셀의 (-)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드에 연결됨으로써, 그라운드 전압이 변동된다. As described above, the first impedance element 21 is connected to the (+) terminal of the uppermost unit cell, the other end is connected to the ground of the voltage measuring unit 40, and the second impedance element 22 is connected to the (+) terminal of the lowermost unit cell. -) terminal and the other terminal is connected to the ground of the voltage measuring unit 40, the ground voltage is changed.

이에 따라, 전압 측정부(40)가 단위 셀(11)의 전압을 측정하는 경우, 상대적으로 높은 역전압이 발생하더라도 상기한 바와 같이 그라운드 전압이 변동됨으로써, 역전위 내압에 의해 전압 측정부(40) 내 내부 소자들이 소손되는 것을 미연에 방지할 수 있다. Accordingly, when the voltage measuring unit 40 measures the voltage of the unit cell 11 , even when a relatively high reverse voltage occurs, the ground voltage fluctuates as described above, and the voltage measuring unit 40 by the reverse potential withstand voltage ) to prevent the internal elements from being burned out in advance.

도 2 를 참조하면, 기존의 연료전지 셀 측정장치에서는 그라운드 전압이 고정되어 있어 이 그라운드 전압과 최상위 단위 셀(Top_Cell)의 전압 간의 전압차가 -12V 이상(일반적인 반도체 소자 수준)이 되면 내부소자가 파괴됨을 알 수 있다. Referring to FIG. 2 , in the conventional fuel cell measuring device, the ground voltage is fixed, and when the voltage difference between the ground voltage and the voltage of the top unit cell (Top_Cell) becomes -12V or more (the level of a typical semiconductor device), the internal device is destroyed. can be known

그러나, 본 발명의 실시예에와 같이 상대적으로 높은 임피던스의 제1 임피던스 소자(21)와 제2 임피던스 소자(22)가 연결되어 그라운드 전압이 변동됨으로써, 전압 측정부(40)의 내부 소자가 파괴되는 수준의 전압차가 발생하지 않게 된다. 따라서, 전압 측정부(40)의 내부 소자는 안전하게 보호된다. However, as in the embodiment of the present invention, the first impedance element 21 and the second impedance element 22 of relatively high impedance are connected and the ground voltage is changed, so that the internal element of the voltage measuring unit 40 is destroyed. There is no voltage difference at the required level. Accordingly, the internal elements of the voltage measuring unit 40 are safely protected.

한편, 상기한 바와 같이 제1 임피던스 소자(21)가 최상위 단위 셀의 (+)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드에 연결되며, 제2 임피던스 소자(22)가 최하위 단위 셀의 (-)단에 연결되고 타단이 전압 측정부(40)의 그라운드에 연결되며, 더욱이 이들 제1 임피던스 소자(21)와 제2 임피던스 소자(22)의 임피던스가 전압 측정부(40)의 내부 소자 파괴를 방지할 수 있을 정도의 높은 임피던스로 설계됨에 따라, 제1 임피던스 소자(21)와 제2 임피던스 소자(22)를 통해서는 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 기존의 전류 방식의 전압 측정이 불가능하다. On the other hand, as described above, the first impedance element 21 is connected to the (+) terminal of the uppermost unit cell, the other end is connected to the ground of the voltage measuring unit 40, and the second impedance element 22 is the lowermost unit cell. is connected to the (-) terminal of and the other end is connected to the ground of the voltage measuring unit 40 , and furthermore, the impedance of the first impedance element 21 and the second impedance element 22 is measured inside the voltage measuring unit 40 . As the impedance is designed to be high enough to prevent element destruction, no current flows through the first impedance element 21 and the second impedance element 22 . Therefore, it is impossible to measure the voltage of the conventional current method.

이에, 전압 측정부(40)는 연료전지(10)의 스택을 구성하는 단위 셀(11)의 전압을 전류 방식이 아닌 전압 방식으로 직접 측정한다. Accordingly, the voltage measuring unit 40 directly measures the voltage of the unit cells 11 constituting the stack of the fuel cell 10 in a voltage method instead of a current method.

도 3 을 참조하면, 전압 측정부(40)는 전압 측정기(41), 레벨 시프터(42), 스케일러(43), 먹스(44), 및 앰프부(45) 및 AD 컨버터(Analog Digital Converter)(46)를 포함한다. Referring to FIG. 3 , the voltage measuring unit 40 includes a voltage measuring unit 41 , a level shifter 42 , a scaler 43 , a mux 44 , and an amplifier unit 45 and an AD converter (Analog Digital Converter) ( 46).

전압 측정기(41)는 단위 셀(11) 별로 전압을 측정한다. The voltage measuring device 41 measures a voltage for each unit cell 11 .

전압 측정기(41)는 전압 센서(411), 레플리카부(412) 및 스위치(413)를 포함한다. The voltage measuring device 41 includes a voltage sensor 411 , a replica unit 412 , and a switch 413 .

스위치(413)는 일단이 접속핀(C0~Cn)을 통해 상기한 단위 셀(11) 사이에 연결되고 타단이 후술하는 전압 센서(411)에 연결되어 측정 대상이 되는 단위 셀(11)과 해당 단위 셀(11)을 측정하는 전압 센서(411)를 전기적으로 연결시킨다. The switch 413 has one end connected between the unit cells 11 through connection pins C0 to Cn, and the other end connected to a voltage sensor 411 to be described later to the unit cell 11 and the corresponding unit cell 11 to be measured. A voltage sensor 411 measuring the unit cell 11 is electrically connected.

스위치(413)는 상기한 각 전압 센서(411)와 전기적으로 연결될 수 있도록 1개의 전압 센서(411)에 각 2개씩 연결된다. 이 경우 스위치(413)는 인접한 전압 센서(411)와는 공통 연결된다. Two switches 413 are respectively connected to one voltage sensor 411 so as to be electrically connected to each of the above-described voltage sensors 411 . In this case, the switch 413 is commonly connected to the adjacent voltage sensor 411 .

예컨데, 접속핀(C1)과 연결된 스위치(413)는 최하위 단위 셀의 전압을 측정하는 전압 센서(411)와 최하위 단위 셀 상위의 단위 셀(11)의 전압을 측정하는 전압 센서(411)와 공통으로 연결되어 최하위 단위 셀의 전압 뿐만 아니라 최하위 단위 셀 상위의 단위 셀(11)의 전압 측정시에 모두 턴온될 수 있다. For example, the switch 413 connected to the connection pin C1 is common to the voltage sensor 411 for measuring the voltage of the lowest unit cell and the voltage sensor 411 for measuring the voltage of the unit cell 11 above the lowest unit cell connected to , so that both the voltage of the lowest unit cell and the voltage of the unit cell 11 above the lowest unit cell may be turned on.

즉, 최하위 단위 셀의 전압을 측정하고자 하는 경우에는, 2개의 접속핀(C0와 C1)과 연결된 스위치(413)가 턴온되며, 이때 해당 스위치(413)와 연결된 전압 센서(411)가 해당 최하위 단위 셀의 전압을 측정한다. That is, when it is desired to measure the voltage of the lowest unit cell, the switch 413 connected to the two connection pins C0 and C1 is turned on, and at this time, the voltage sensor 411 connected to the corresponding switch 413 is the lowest unit. Measure the cell voltage.

또한 최하위 단위 셀 상위의 단위 셀(11)의 전압을 측정하고자 하는 경우에는, 접속핀(C1과 C2)과 연결된 스위치(413)가 턴온되며, 이때 해당 스위치(413)와 연결된 전압 센서(411)가 해당 최하위 단위 셀 상위의 단위 셀(11)의 전압을 측정한다.In addition, when it is desired to measure the voltage of the unit cell 11 above the lowest unit cell, the switch 413 connected to the connection pins C1 and C2 is turned on, and at this time, the voltage sensor 411 connected to the corresponding switch 413 is turned on. measures the voltage of the unit cell 11 above the lowest unit cell.

전압 센서(411)는 단위 셀(11) 각각에 일대일 대응되게 설치되어 단위 셀(11) 별로 전압을 감지한다. 전압 센서(411)는 내부에 커패시터(미도시)를 구비하고 해당 스위치(413) 턴온시에 해당 커패시터에 충전된 전원의 전압을 측정하는 방식이 이용될 수 있다. The voltage sensor 411 is installed in a one-to-one correspondence with each of the unit cells 11 to sense a voltage for each unit cell 11 . The voltage sensor 411 may include a capacitor (not shown) therein, and a method of measuring the voltage of the power charged in the capacitor when the corresponding switch 413 is turned on may be used.

전압 센서(411)가 단위 셀(11)의 전압을 감지하는 방식은 특별히 한정되는 것은 아니며, 단위 셀(11)의 전압을 감지하는 것이라면 모두 포함될 수 있다. A method in which the voltage sensor 411 senses the voltage of the unit cell 11 is not particularly limited, and any method that detects the voltage of the unit cell 11 may be included.

레플리카부(412)는 스위치(413)의 스위칭 동작에 따른 노이즈 전압을 측정한다. 레플리카부(412)는 상기한 전압 센서(411)와 동일한 구조로 제작될 수 있다. 예컨데, 스위치(413)의 스위칭 동작시에는 이러한 스위칭 동작에 따라 노이즈 전압이 발생될 수 있다. 그 결과, 레플리카부(412)는 전압 센서(411)에 의해 5V의 전압이 감지되더라도, 0.1V의 노이즈 전압을 감지할 수 있다. The replica unit 412 measures a noise voltage according to the switching operation of the switch 413 . The replica unit 412 may have the same structure as the voltage sensor 411 described above. For example, during a switching operation of the switch 413 , a noise voltage may be generated according to the switching operation. As a result, the replica unit 412 may detect a noise voltage of 0.1V even when a voltage of 5V is sensed by the voltage sensor 411 .

앰프부(45)는 전압 센서(411)에 의해 측정된 전압에서 레플리카부(412)에 의해 측정된 노이즈 전압을 차감하여 단위 셀(11)의 실제 전압을 출력함으로써, 전압 오차를 최소화한다. 앰프부(45)는 전압 측정기(41) 내부에 설치될 수 있으나, 이외에도 후술하는 스케일러(43) 또는 먹스(44)의 후단에 설치될 수도 있다. The amplifier unit 45 subtracts the noise voltage measured by the replica unit 412 from the voltage measured by the voltage sensor 411 to output the actual voltage of the unit cell 11 , thereby minimizing a voltage error. The amplifier 45 may be installed inside the voltage measuring device 41 , but may also be installed at the rear end of the scaler 43 or the mux 44 to be described later.

즉, 앰프부(45)는 도 3 에 도시된 바와 같이 먹스(44)의 후단에 설치될 수 있으나, 도 4 에 도시된 바와 같이 전압 측정기(41) 내부에 전압 센서(411)와 레플리카부(412) 후단에 설치될 수 있다. That is, the amplifier part 45 may be installed at the rear end of the mux 44 as shown in FIG. 3 , but as shown in FIG. 4 , the voltage sensor 411 and the replica part ( 412) can be installed at the rear end.

본 실시예에서는, 스케일러(43) 또는 먹스(44)는 생략될 수 있다. 이 경우에는 앰프부(45)는 전압 측정기(41) 내부의 전압 센서(411)와 레플리카부(412) 후단에 설치될 수 있다. In this embodiment, the scaler 43 or the mux 44 may be omitted. In this case, the amplifier unit 45 may be installed at a rear end of the voltage sensor 411 and the replica unit 412 inside the voltage meter 41 .

반면에 스케일러(43)와 먹스(44)를 구비할 경우에는 앰프부(45)는 먹스(44)의 후단이나 스케일러(43)의 후단에 설치될 수 있다. On the other hand, when the scaler 43 and the mux 44 are provided, the amplifier 45 may be installed at the rear end of the mux 44 or at the rear end of the scaler 43 .

앰프부(45)는 스케일러(43)와 먹스(44)의 설치 여부 등에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다. The amplifier 45 may be installed in various positions depending on whether the scaler 43 and the mux 44 are installed.

레벨 시프터(42)는 단위 셀(11) 각각의 전압을 동작 가능한 내압 범위 내로 강하시킨다. 통상적으로, 단위 셀(11)의 전압의 100V 이상의 전압이다. 이러한 단위 셀(11)의 전압은 후술하는 앰프나 AD 컨버터(46)의 동작에는 부적합하므로, 앰프부(45)나 AD 컨버터(46)가 정상적으로 동작할 수 있는 수준의 전압으로 레벨 시프팅한다. 또한 레벨 시프터(42)는 이후의 스케일러(43)나 먹스(44)가 정상 동작할 수 있도록 전압 센서(411)에 의해 측정된 전압을 스케일러(43)에 입력한다.The level shifter 42 drops the voltage of each of the unit cells 11 within an operable withstand voltage range. Typically, the voltage is 100V or more of the voltage of the unit cell 11 . Since the voltage of the unit cell 11 is not suitable for the operation of the amplifier or AD converter 46 to be described later, the level is shifted to a voltage at which the amplifier unit 45 or the AD converter 46 can normally operate. In addition, the level shifter 42 inputs the voltage measured by the voltage sensor 411 to the scaler 43 so that the scaler 43 or the mux 44 may operate normally.

스케일러(43)는 전압 센서(411)에 의해 감지된 전압을 후단의 먹스(44)나 앰프부(45) 또는 AD 컨버터(46)가 입력받을 수 있는 수준의 전압으로 스케일링한다. The scaler 43 scales the voltage sensed by the voltage sensor 411 to a level that can be input to the mux 44 , the amplifier 45 , or the AD converter 46 at the rear stage.

통상, 먹스(44)나 앰프부(45) 또는 AD 컨버터(46)는 저전압 소자로서 이들이 받을 수 있는 수준의 전압은 상대적으로 낮다. 이에, 스케일러(43)는 상기한 바와 같이 전압 센서(411)에 의해 감지된 전압을 후단의 먹스(44)나 앰프부(45) 또는 AD 컨버터(46)가 입력받을 수 있는 수준의 전압으로 스케일링함으로써, 먹스(44)나 앰프부(45) 또는 AD 컨버터(46)가 정상적으로 동작할 수 있도록 한다. In general, the mux 44 , the amplifier unit 45 , or the AD converter 46 is a low-voltage device, and the level of voltage they can receive is relatively low. Accordingly, the scaler 43 scales the voltage sensed by the voltage sensor 411 to a level that can be input to the mux 44, the amplifier 45, or the AD converter 46 at the rear stage as described above. By doing so, the mux 44, the amplifier unit 45, or the AD converter 46 can operate normally.

먹스(44)는 상기한 스케일러(43)로부터 입력되는 각 단위 셀(11)의 전압을 순차적으로 출력한다. The mux 44 sequentially outputs the voltage of each unit cell 11 input from the scaler 43 .

본 실시예에서는 스케일러(43)의 후단에 먹스(44)가 설치되는 것을 예시로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 먹스(44)가 레벨 시프터(42) 후단에 설치되는 것도 가능하다. 이 경우에는 스케일러(43)가 별도로 구비될 필요는 없다. In this embodiment, it has been described as an example that the mux 44 is installed at the rear end of the scaler 43, but the technical scope of the present invention is not limited thereto, and the mux 44 is installed at the rear end of the level shifter 42. It is also possible In this case, the scaler 43 does not need to be separately provided.

한편, 앰프부(45)는 상기한 바와 같이 전압 측정부(40) 내부에 설치될 수 있으나, 먹스(44) 후단에도 설치될 수도 있다. Meanwhile, the amplifier 45 may be installed inside the voltage measuring unit 40 as described above, but may also be installed at the rear end of the mux 44 .

AD 컨버터(46)는 앰프부(45)의 후단에 설치되어 앰프(45)로부터 출력되는 각 단위 셀(11) 별 전압을 디지털 신호로 변환한다. The AD converter 46 is installed at the rear end of the amplifier unit 45 and converts the voltage for each unit cell 11 output from the amplifier 45 into a digital signal.

전원 공급부(30)는 전압 측정부(40)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 이러한 전원 공급부는 그라운드를 플로팅시켜 플로팅된 전압을 공급한다.The power supply unit 30 supplies power necessary for the operation of the voltage measuring unit 40 . Such a power supply provides a floating voltage by floating the ground.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 장치는 최상위 단위 셀과 그라운드 사이 및 최하위 단위 셀과 그라운드 사이에 하이 임피던스 소자를 각각 연결하여 그라운드 전압이 변경될 수 있도록 함으로써 셀의 전압 측정시 특수조건에서 발생되는 높은 역전압에 의해 소자가 파괴되는 것을 방지하고 이를 기초로 연료전지 셀의 전압을 측정한다. As described above, in the fuel cell voltage measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, a high impedance element is connected between the highest unit cell and the ground and between the lowest unit cell and the ground, respectively, so that the ground voltage can be changed, thereby changing the cell voltage. During measurement, the device is prevented from being destroyed by high reverse voltage generated under special conditions, and the voltage of the fuel cell is measured based on this.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it is understood that various modifications and equivalent other embodiments are possible by those skilled in the art. will understand Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.

10: 연료전지 11: 단위 셀
21: 제1 임피던스 소자 22: 제2 임피던스 소자
30: 전원 공급부 40: 전압 측정부
41: 전압 측정기 411: 전압 센서
412: 레플리카부 413: 스위치
42: 레벨 시프터 43: 스케일러
44: 먹스 45: 앰프부
46: AD 컨버터10: fuel cell 11: unit cell
21: first impedance element 22: second impedance element
30: power supply unit 40: voltage measuring unit
41: voltage meter 411: voltage sensor
412: replica part 413: switch
42: level shifter 43: scaler
44: mux 45: amplifier unit
46: AD converter

Claims (9)

연료전지의 스택을 구성하는 단위 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 단위 셀 중 적어도 하나에 연결되어 역전압에 의한 상기 전압 측정부의 파손을 방지하는 보호부를 포함하고,
상기 보호부는
일단이 상기 단위 셀 중 최상위 단위 셀의 (+)단에 연결되고 타단이 상기 전압 측정부의 그라운드에 연결되는 제1 임피던스 소자; 및
일단이 상기 단위 셀 중 최하위 단위 셀의 (-)단에 연결되고 타단이 상기 그라운드에 연결되는 제2 임피던스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
a voltage measuring unit measuring a voltage of unit cells constituting a stack of a fuel cell; and
and a protection unit connected to at least one of the unit cells to prevent damage to the voltage measuring unit due to a reverse voltage;
the protection unit
a first impedance element having one end connected to the (+) terminal of the uppermost unit cell among the unit cells and the other end connected to the ground of the voltage measuring unit; and
and a second impedance element having one end connected to the (-) terminal of the lowest unit cell among the unit cells and the other end connected to the ground.
 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 제1 임피던스 소자의 임피던스와 상기 제2 임피던스 소자의 임피던스는,
상기 전압 측정부의 역전위 내압에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
The method of claim 1, wherein the impedance of the first impedance element and the impedance of the second impedance element are:
Fuel cell voltage measuring device, characterized in that it is set according to the reverse potential withstand voltage of the voltage measuring unit.
 제 1 항에 있어서, 상기 전압 측정부는
상기 단위 셀 별로 전압을 측정하는 전압 측정기; 및
상기 단위 셀 각각의 전압을 동작 가능한 내압 범위 내로 레벨 시프팅시키는 레벨 시프터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
According to claim 1, wherein the voltage measuring unit
a voltage measuring device for measuring a voltage for each unit cell; and
and a level shifter for level-shifting the voltage of each of the unit cells within an operable withstand voltage range.
 제 4 항에 있어서, 상기 전압 측정기는
상기 단위 셀 각각에 일대일 대응되게 설치되어 상기 단위 셀 별로 전압을 감지하는 적어도 하나의 전압 센서;
상기 단위 셀을 상기 전압 센서와 전기적으로 연결시키는 스위치;
상기 스위치의 스위칭 동작에 따른 노이즈 전압을 측정하는 레플리카부; 및
상기 전압 센서에 의해 측정된 전압에서 상기 레플리카부에 의해 측정된 노이즈 전압을 차감하는 앰프부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the voltage meter is
at least one voltage sensor installed in a one-to-one correspondence with each of the unit cells to sense a voltage for each unit cell;
a switch electrically connecting the unit cell to the voltage sensor;
a replica unit for measuring a noise voltage according to a switching operation of the switch; and
and an amplifier unit for subtracting the noise voltage measured by the replica unit from the voltage measured by the voltage sensor.
 제 4 항에 있어서, 상기 전압 측정부는
상기 전압 측정기에 의해 상기 단위 셀 별로 측정된 전압을 다운 스케일링하는 스케일러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the voltage measuring unit
The fuel cell voltage measuring device further comprising a scaler for down-scaling the voltage measured for each unit cell by the voltage measuring device.
 제 4 항에 있어서, 상기 전압 측정부는
상기 전압 측정기에 의해 상기 단위 셀 별로 측정된 전압 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 먹스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the voltage measuring unit
and a mux for selecting and outputting any one of the voltages measured for each unit cell by the voltage measuring device.
 제 4 항에 있어서, 상기 전압 측정기는
상기 단위 셀 각각에 일대일 대응되게 설치되어 상기 단위 셀 별로 전압을 감지하는 적어노 하나의 전압 센서;
상기 단위 셀을 상기 전압 센서와 전기적으로 연결시키는 스위치; 및
상기 스위치의 스위칭 동작에 따른 노이즈 전압을 측정하는 레플리카부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치.
5. The method of claim 4, wherein the voltage meter is
at least one voltage sensor installed in a one-to-one correspondence with each of the unit cells to sense a voltage for each unit cell;
a switch electrically connecting the unit cell to the voltage sensor; and
and a replica unit for measuring a noise voltage according to a switching operation of the switch.
 제 8 항에 있어서, 상기 전압 측정부는
상기 전압 센서에 의해 측정된 전압에서 상기 레플리카부에 의해 측정된 노이즈 전압을 차감하는 앰프부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀 전압 측정 장치. The method of claim 8, wherein the voltage measuring unit
The fuel cell voltage measuring device further comprising an amplifier for subtracting the noise voltage measured by the replica unit from the voltage measured by the voltage sensor.
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