KR20020056483A - Fuel cell stack monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 스택 감시장치에 관한 것으로, 특히 단순히 전압만을 회로적으로만 비교하여 각 단위전지의 신호를 비트화 한 자동차용 연료전지 스택 감시장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack monitoring apparatus, and more particularly, to a fuel cell stack monitoring apparatus for automobiles in which signals of respective unit cells are bit-coded by only comparing voltages in a circuit.
일반적으로 연료전지 또는 2차전지의 단위전지 작동 전압은 매우 작기 때문에, 자동차의 동력원으로 사용하기 위해서 작게는 수십 개에서 많게는 수백 개의 단위전지를 직렬 연결하여 사용한다. 여러 개의 단위전지를 직렬 연결하여 구성된 단위체를 연료전지의 경우에는 스택, 이차전지의 경우에는 모듈 또는 팩이라고 한다(이하 전지 구성체라 함).In general, since the unit cell operating voltage of a fuel cell or a secondary battery is very small, in order to use it as a power source of an automobile, a small number of dozens to many hundreds of unit cells are used in series. A unit composed of several unit cells connected in series is called a stack in the case of a fuel cell and a module or a pack in a secondary battery (hereinafter, referred to as a battery assembly).
일반적으로 단위전지는 제조과정 중의 편차, 및 구성체 내에서의 온도, 압력 등의 불균일 분포로 인해 전지 구성체 내에서의 작동 상태가 모두 다르다. 이러한 전지 구성체에서 하나의 단위전지라도 정상적으로 작동하지 않는다면, 단위전지가 직렬 연결된 전지 구성체 전체가 정상적으로 작동하지 못하게 된다. 그러므로, 작동시 단위전지를 하나하나 또는 일정 개수의 단위로 묶어 전압, 온도 등을 감시하여 전지의 정상 작동 유무를 판단하는 감시장치가 필요하다.In general, a unit cell has a different operating state in the cell structure due to variations in the manufacturing process and a non-uniform distribution such as temperature and pressure in the structure. If even one unit cell does not operate normally in such a battery assembly, the entire battery assembly in which the unit cells are connected in series may not operate normally. Therefore, there is a need for a monitoring device that determines whether the battery is normally operated by monitoring the voltage, temperature and the like by uniting unit cells one by one or a predetermined number of units during operation.
어떠한 작동 조건에서 단위전지의 전압은 각 단위전지의 정상 작동 유무를 판단하는 가장 중요한 감시 요소가 된다. 따라서, 감시장치는 단위전지 별로 나오는 직류 전압인 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸고 이를 이미 입력된 정상 상태의 값과 비교하여 정상 작동 유무를 판단하게 된다.Under certain operating conditions, the voltage of a unit cell is the most important monitoring factor to determine the normal operation of each unit cell. Therefore, the monitoring apparatus converts an analog signal, which is a DC voltage, for each unit cell into a digital signal, and compares it with a previously inputted normal value to determine whether or not it is operating normally.
도 1은 종래의 감시장치에 관해 도시하고 있다. 감시장치(1)에 있어서, 각각의 단위전지(10-1∼10-N)로부터 출력된 각각의 아날로그 신호는 단위전지 수만큼 또는 감시 대상의 수만큼 마련된 A/D 변환기에 각각 입력되고 디지털 신호로 변환되어 연산 장치(40)에 입력된다. 이를 연산장치(40)에 미리 입력된 프로그램으로 처리하여 각 단위전지의 상태가 확인된다.1 shows a conventional monitoring apparatus. In the monitoring apparatus 1, each analog signal output from each of the unit cells 10-1 to 10-N is inputted to an A / D converter provided as many as the number of unit cells or as the number of the targets, respectively, and is a digital signal. Is converted into and input to the computing device 40. The state of each unit cell is confirmed by processing the program in advance in the operation device 40.
일반적으로 전지는 출력에 따라 그 전압이 달라지는데, 전지를 동적으로 운전할 때 전압은 출력에 따라 시시각각 변하게 된다. 이 때, 모든 단위전지(10-1∼10-N)에서 시시각각 변화하며 나오는 신호는 가능한 한 동시에 처리되는 것이 좋은데, 처리할 데이터의 양, 정밀도, 샘플링 주기, 시스템 구성 방법 등에 의해 데이터의 처리 속도 및 전체 단위전지 신호 처리의 동시성이 결정된다. 특히, 이차전지의 경우에는 충방전을 반복해야 하므로 충전 및 방전 각각의 상황에서 전지 거동을 정확하게 감시하여 상응하는 조치를 취해야 하는데 이것은 전지 구성체의 수명과도 연결되는 매우 중요한 문제로, 감시장치의 구성과 데이터 처리 방법이 다소 복잡하고 그 양이 많다.In general, the voltage of the battery varies depending on the output. When the battery is dynamically driven, the voltage changes with the output. At this time, it is preferable that the signal coming out of every unit cell 10-1 to 10-N is processed at the same time as much as possible, and the data processing speed depends on the amount of data to be processed, the precision, the sampling cycle, and the system configuration method. And the concurrency of the whole unit cell signal processing is determined. In particular, in the case of the secondary battery, the charging and discharging must be repeated, so the battery behavior must be accurately monitored and the corresponding measures taken in each of the charging and discharging situations. This is a very important problem that is also connected to the life of the battery assembly. And data processing methods are rather complicated and large.
신호처리의 동시성을 확보하기 위해서는, 도 1에서와 같이 단위전지(10-1∼10-N) 수만큼 아날로그-디지털 변환기(20-1∼20-N)를 부착하여 데이터 샘플링 주기에 따라 모든 단위전지(10-1∼10-N)의 전압을 동시에 변환해야 한다. 그런데, 이 경우, 수십, 수백 개의 A/D 변환기(20-1∼20-N)로 인해 감시장치(1)의 가격 및 부피가 증가하게 되는 문제점이 있다.In order to ensure the simultaneity of signal processing, as shown in FIG. 1, as many unit cells 10-1 to 10-N as the analog-to-digital converters 20-1 to 20-N are attached, all units according to the data sampling period are provided. The voltages of the batteries 10-1 to 10-N must be converted at the same time. However, in this case, there is a problem that the price and volume of the monitoring device 1 is increased due to tens or hundreds of A / D converters 20-1 to 20-N.
A/D 변환기(20)의 수를 줄이기 위해서, 도 2에 도시한 바와 같이, 릴레이(30)를 사용하여 하나의 변환기(20)가 여러 단위전지(10-1∼10-N)의 신호를 처리하게 하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우 가격이나 부피가 줄어들 가능성은 있지만, 대신 정보 처리의 동시성을 확보할 수는 없다.In order to reduce the number of A / D converters 20, as shown in FIG. 2, one converter 20 receives signals from several unit cells 10-1 to 10 -N by using a relay 30. There is a way to make it work. In this case, however, the price and volume may be reduced, but information concurrency may not be secured instead.
또한, 일단 디지털로 변환된 각 단위전지(10-1∼10-N)의 정보는 하나하나 연산장치(40)로 보내져서, 미리 입력된 프로그램에 처리되어 전지 구성체(2) 내 각단위전지(10-1∼10-N)의 상태가 확인되는데, 이때 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압이 그대로 수치로 다루어지므로 처리해야 할 정보량이 많아지게 된다.In addition, the information of each unit cell 10-1 to 10-N once digitally converted is sent one by one to the computing device 40, and is processed by a pre-input program to process each unit cell (in the battery construct 2). The states of 10-1 to 10-N are confirmed. At this time, the voltages of the unit cells 10-1 to 10-N are treated as they are, and thus the amount of information to be processed increases.
또한, 처리해야 할 정보량이 많으면, 연산장치(40)의 처리 속도 및 각 구성품 사이의 통신 속도가 빨라야 하고, 정보를 저장해야 할 메모리가 커야하는데, 이는 곧 감시 장비 가격의 상승 요인이 되는 문제점이 있다.In addition, if there is a large amount of information to be processed, the processing speed of the operation unit 40 and the communication speed between each component should be fast, and the memory to store the information should be large, which is a problem that increases the price of the surveillance equipment have.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 연료전지 스택 감시장치를 단순화하여 장치의 가격 및 부피를 줄일 수 있는 연료전지 스택 감시장치를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack monitoring device that can reduce the cost and volume of the device by simplifying the conventional fuel cell stack monitoring device.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 직렬로 접속된 복수의 단위전지 각각의 전압을 아날로그-디지털 변환 없이 회로적으로만 비교하여 단위전지 각각의 상태를 비트화할 수 있는 연료전지 스택 감시장치가 제공된다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the fuel cell stack monitoring device capable of bitifying the state of each unit cell by comparing the voltage of each of the plurality of unit cells connected in series only in a circuit without analog-to-digital conversion Is provided.
도 1은 종래의 연료전지 스택 감시장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a conventional fuel cell stack monitoring apparatus.
도 2는 종래의 다른 연료전지 스택 감시장치의 구성도이다.2 is a block diagram of another conventional fuel cell stack monitoring apparatus.
도 3은 연료전지의 운전 특성을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing operating characteristics of a fuel cell.
도 4는 본 발명에 따라 단위전지 상태 신호를 발생하는 회로의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a circuit for generating a unit cell status signal in accordance with the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 감시장치2 : 전지 구성체1: monitoring device 2: battery assembly
3 : 차동 앰프4 : 컴퍼레이터3: differential amplifier 4: comparator
5 : 기준 전압 발생기10(10-1∼10-N) : 단위전지5: reference voltage generator 10 (10-1 to 10-N): unit cell
20(20-1∼20-N) : A/D 변환기30 : 릴레이20 (20-1 to 20-N): A / D converter 30: relay
40 : 연산장치40: computing device
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
연료전지의 운전 특성을 나타내는 대표적인 그래프는 전류-전압 곡선이다. 도 3에 전지 단위체(2)의 한 단위전지(10-1∼10-N)의 운전 특성을 나타내는 전류-전압 곡선을 도시하고 있다.A representative graph of the operating characteristics of a fuel cell is a current-voltage curve. 3 shows a current-voltage curve showing the operating characteristics of one unit cell 10-1 to 10 -N of the battery unit 2.
주어진 운전 조건에서 연료전지로부터 일정한 출력을 끌어낼 때 전압과 전류는 일의적으로 결정되는데, 일정한 사양으로 만들어진 단위전지들은 어느 정도의 편차가 있겠지만 대부분 같은 경향을 가진다. 따라서, 셀이 정상적으로 작동할 때의 기준 성능은 미리 정보화 할 수 있고, 감시장치 내에서 정보 처리시 기준으로 삼을 수 있다.When drawing a constant output from a fuel cell at a given operating condition, voltage and current are uniquely determined. Unit cells made to a given specification may have some deviations, but most tend to be the same. Therefore, the reference performance when the cell operates normally can be informed in advance, and can be used as a reference when processing information in the monitoring apparatus.
직렬로 연결된 셀 또는 셀로 구성된 모듈의 전압을 감시할 때, 감시 대상의 수만큼 비교 회로가 구성되는데, 본 발명의 실시예에 있어서는, A/D 변환기(20-1∼20-N)를 부착하지 않고 두 개의 전압(즉, 기준 전압과 단위전지 전압)을 회로상에서 직접 비교하게 된다.When monitoring the voltage of a cell connected in series or a module composed of cells, a comparison circuit is configured as many as the number of the monitoring targets. In the embodiment of the present invention, the A / D converters 20-1 to 20-N are not attached. Instead, the two voltages (ie, the reference voltage and the unit cell voltage) are compared directly on the circuit.
도 4는 각 단위전지(10-1∼10-N)의 상태 신호를 발생하기 위한 회로의 개략도이다. 도 4에 있어서, 단위전지(10-1∼10-N) 전압은 차동 앰프(3)에 입력되어 그 출력전압과 기준 전압을 컴퍼레이터(4)에 입력하면 단위전지(10-1∼10-N)의 상태가 디지털 신호로 각각 출력된다. 즉, 단위전지(10-1∼10-N) 상태의 정상 유무가 0 또는 1로 비트화 하여 출력되어 연산장치(40)로 입력된다.4 is a schematic diagram of a circuit for generating a state signal of each unit cell 10-1 to 10 -N. In Fig. 4, the unit cell 10-1 to 10-N voltage is inputted to the differential amplifier 3 and the output voltage and the reference voltage are inputted to the comparator 4. The state of N) is output as a digital signal, respectively. That is, the presence or absence of the normal state of the unit cells 10-1 to 10-N is bitwise output to 0 or 1, and is inputted to the computing device 40.
여기서 기준 전압을 발생하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 하나는 전지 시스템의 전체 전압을 셀 또는 모듈(10-1∼10-N) 수로 나누어 평균 전압을 기준 전압으로 하는 방법이 있고, 다른 방법은, 도 4에서와 같이, 미리 측정된 운전 조건으로 제어시 요구 출력을 근거로 기준 전압 발생기(5)에서 기준 전압을 발생하는 방법이 있다. 기준 전압은 모든 OP 앰프(4)에 동일하게 공급된다.Here, there are several ways to generate the reference voltage. One method is to divide the total voltage of the battery system by the number of cells or modules (10-1 to 10-N) and use the average voltage as the reference voltage. As shown in FIG. 4, there is a method of generating a reference voltage in the reference voltage generator 5 on the basis of a required output when controlling under a previously measured operating condition. The reference voltage is equally supplied to all the op amps 4.
단위전지(10-1∼10-N)의 운전영역은 보통 0.4V∼OCV(Open Circuit Voltage, 연료전지의 경우 보통 1.0V 내외)로써, 운전시 이 영역을 벗어나게 되면 단위전지(10-1∼10-N)는 정상적으로 작동하는 것이 아니다.The operating range of the unit cells 10-1 to 10-N is usually 0.4V to OCV (open circuit voltage, usually about 1.0V in the case of fuel cells). 10-N) does not work normally.
이차전지의 경우에는 충방전을 반복해야 하는데, 이때 단위전지 하나하나의충방전 상태를 감시해야 하고, 충방전 상태의 척도가 각 단위전지의 전압이 된다. 이때, 단위전지의 전압을 감시하기 위해서는 보통 8∼16 비트의 신호를 처리해야한다.In the case of secondary batteries, charging and discharging must be repeated. At this time, the charging and discharging status of each unit battery must be monitored, and the charging and discharging status is the voltage of each unit battery. At this time, in order to monitor the voltage of the unit cell, it is usually necessary to process a signal of 8 to 16 bits.
한편, 전기 에너지를 저장하는 이차전지와 달리 에너지 변환 장치인 연료전지는 충전할 필요가 없기 때문에, 전지 구성체(2)의 감시를 엄격하게 할 필요가 없다. 일반적으로 연료전지 단위전지(10-1∼10-N)가 비정상적으로 작동할 때에는 전압이 불규칙적으로 흔들리는 것이 보통이고 정상 운전 영역의 전압을 벗어나게 된다. 따라서, 연료전지에서는 전지(10-1∼10-N)의 운전 안전 영역을 주고 이 범위 내에서 전지(10-1∼10-N)의 전압이 정상적으로 머물러 있는지만 살펴보면 되고 구체적으로 전압의 수치를 비교할 필요까지는 없다. 즉, 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압 자체를 비교하는 것이 아니라 상태만 비교하는 것이다.On the other hand, unlike a secondary battery that stores electrical energy, a fuel cell that is an energy conversion device does not need to be charged, and therefore it is not necessary to strictly monitor the battery construct 2. In general, when the fuel cell unit cells 10-1 to 10-N operate abnormally, the voltage fluctuates irregularly and is out of the normal operating range. In the fuel cell, therefore, the operating safety area of the cells 10-1 to 10-N is given and the voltages of the cells 10-1 to 10-N remain within this range. There is no need to compare. In other words, the voltages of the unit cells 10-1 to 10 -N are not compared with each other, but only with respect to states.
이와 같이 본 발명에 의해, 연료전지 단위전지 전압의 정상 유무를 단순히 1 또는 0으로 비트화 한다면 감시 대상의 수만큼 구성된 각각의 비교 회로는 OP 앰프를 사용하여 비교적 간략하게 구성될 수 있고, 나아가 집적회로로 만들 수 있어, 정보처리 속도를 높이는 동시에 감시장비는 단순화되고 가격은 훨씬 저렴하게 될 수 있다.As described above, according to the present invention, if the normal state of the fuel cell unit cell voltage is simply bited to 1 or 0, each comparison circuit configured by the number of the monitored objects can be configured relatively simply using an OP amplifier, and further integrated. It can be made into a circuit, which can speed up information processing while simplifying surveillance equipment and making it much cheaper.
일반적으로 디지털 신호의 1 또는 0을 결정하는 방법은 기준 전압 이상은 1, 기준 전압 이하는 0으로 처리될 수 있게 회로를 구성하는 것이다.In general, a method of determining 1 or 0 of a digital signal is to configure a circuit so that a reference voltage or more is 1 and a reference voltage or less is 0.
본 발명에서도 마찬가지로 연료전지 단위전지(10-1∼10-N)의 정상 작동 최저 전압을 정해놓고 그 이상이면 정상, 그 이하면 비정상으로 처리하게 되면, 단위전지(10-1∼10-N) 하나의 정보 처리에 필요한 정보량은 1비트에 불과하다.Likewise, in the present invention, the normal operating minimum voltage of the fuel cell unit cells 10-1 to 10-N is determined, and if it is higher than that, the unit cells 10-1 to 10-N are processed abnormally. The amount of information required for one information processing is only 1 bit.
비트화 된 단위전지(10-1∼10-N) 이상유무의 신호를 병렬로 동시에 처리하면 감시장치 연산기(40) 내에서는 이 신호 자체가 비정상적인 단위전지(10-1∼10-N)의 주소가 될 수 있다. 즉, 어디에서 이상이 발생했는지도 알 수가 있다.Simultaneous processing of signals in the presence of bit unit cell (10-1 to 10-N) abnormalities in parallel at the same time causes the address of the unit cell (10-1 to 10-N) to which the signal itself is abnormal in the monitoring device operator (40). Can be In other words, it is possible to know where the abnormality occurred.
따라서, 본 발명은 각 단위전지(10-1∼10-N)의 전압 자체를 비교하는 것이 아니라 상태만 비교하는 것으로, A/D 변환기(20-1∼20-N)를 제거하고, 단순히 전압만을 회로적으로만 비교하여 각 단위전지(10-1∼10-N)의 신호를 비트화할 수 있다는 이점을 갖고 있다. 이것은 연료전지가 에너지 저장 장치가 아니라 에너지 변환 장치이므로 충전할 필요가 없기 때문에, 전지 구성체(2)의 감시를 엄격하게 할 필요가 없다는 특징을 이용한 것이다.Therefore, in the present invention, the voltages of the unit cells 10-1 to 10-N are not compared to each other but only states. The A / D converters 20-1 to 20-N are removed, and the voltage is simply compared. Compared only with a circuit only, it has the advantage that the signal of each unit cell 10-1 to 10-N can be bit-ized. This uses the feature that the fuel cell does not need to be strictly monitored because the fuel cell is not an energy storage device but an energy conversion device, and thus does not need to be charged.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 A/D 변환기, 각종 릴레이 등의 전자 부품을 제거하고 단위전지 각각의 감시 회로에 OP 앰프를 이용하여 각각의 회로를 비교적 간략하게 구성할 수 있다. 따라서, 차량 성능에는 영향을 주지 않으면서 연료전지 스택 감시장치를 단순화할 수 있다.As described above, according to the present invention, electronic circuits such as an A / D converter, various relays, and the like can be removed, and each circuit can be configured relatively simply by using an OP amplifier for each monitoring circuit of the unit battery. Thus, the fuel cell stack monitoring apparatus can be simplified without affecting vehicle performance.
또한, 감시장치의 단순화로 인해 제작 공정이 단순화될 수 있을 뿐만 아니라, 신호처리의 단순화로 인해 처리할 정보량이 적어지므로 엔진제어기 제어 프로그램이 간단해진다.In addition, the manufacturing process can be simplified due to the simplification of the monitoring device, and the engine controller control program is simplified because the amount of information to be processed is reduced due to the simplification of the signal processing.
또한, 각종 전자부품을 대폭 삭감하고 집적회로로 만들 수 있어 가격을 대폭 절감할 수 있는 것은 물론, 부피도 줄기 때문에 하우징도 작아져 그만큼 무게가 줄어들 수 있다.In addition, various electronic components can be greatly reduced and made into integrated circuits, which can greatly reduce the price, as well as the housing, which can be reduced in weight due to the volume and stem.
또한, 스택 감시장치의 소형화로 차량 레이아웃 측면에서도 유리하여 그만큼의 공간을 안전 및 편의성을 위한 공간으로 활용할 수 있다.In addition, the miniaturization of the stack monitoring device is advantageous in terms of vehicle layout, so that the space can be utilized as a space for safety and convenience.
또한, 연료전지 스택 감시장치는 환경 친화적인 연료전지자동차에 적용될 핵심 부품으로서, 기존 장치에 비해 생산비용을 훨씬 절감할 수 있으므로 연료전지자동차의 실용화를 앞당길 수 있다.In addition, the fuel cell stack monitoring device is a key component to be applied to an environmentally friendly fuel cell vehicle, and thus, the production cost can be significantly reduced compared to the existing apparatus, thereby facilitating the commercialization of the fuel cell vehicle.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20100503 Year of fee payment: 8 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |