KR20040092943A - 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및전압검출방법 - Google Patents

연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및전압검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차에서 축전지 또는 연료전지의 전압을 동일한 시간에 검출할 수 있도록 함으로써 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 큰 폭으로 랜덤하게 변동하는 시스템에서 축전지 또는 연료전지의 수명을 연장시키고, 축전지 또는 연료전지의 고장을 방지할 수 있도록 한 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템은, 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 전지관리시스템(BMS) 또는 연료전지 전기자동차의 스택전압모니터(SVM)에 있어서, 상기 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택과의 전원을 분리하고, 상기 축전지 또는 연료전지 스택으로부터 전압을 검출하는 포토모스 릴레이부와; 상기 포토모스 릴레이부로부터 다 수개의 채널을 선택하여 검출된 아날로그 전압신호를 동일 시간대에 수신하고, 상기 수신된 아날로그 전압신호를 제어부에 전송하는 멀티플렉서부와; 상기 멀티플렉서부로부터 수신된 다 수개의 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하고, 상기 전압신호를 수집·가공하여 각종 시퀀스를 제어하는 제어부로 구성된다.

Description

연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법{Voltage sensing system and voltage sensing method of battery for Electric Vehicle and Fuel Cell}
본 발명은 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차(Electric Vehicle), 하이브리드(Hybrid) 전기자동차 및 무정전 전원공급 장치(UPS : Uninterruptible PowerSupply) 등과 같이 전지를 사용하는 응용분야에서 전지의 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 큰 폭으로 랜덤하게 변동하는 시스템에서 정확한 전압검출이 가능하도록 하는 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법에 관한 것이다.
전기자동차는 축전지(Battery) 또는 연료전지(Fuel Cell)를 사용하여 그곳에 저장된 전기에너지를 전원(Power Source)으로 하는 자동차로, 추진방식에 따라 순수전기 자동차와 하이브리드 자동차 또는 연료전지 자동차로 나뉘어진다. 순수전기 자동차는 축전지에 저장된 에너지만을 동력으로 사용하며, 하이브리드 자동차는 내연기관과 전지에 의한 동력을 병행하여 사용하는 자동차를 뜻한다.
전기자동차의 전지관리시스템(BMS : Battery Management System)이나 연료전지 전기자동차에서 연료전지 스택의 셀(Cell) 전압을 검출하는 스택전압모니터(SVM : Stack Voltage Monitor)는 충전상태(SOC : State Of Charge) 및 연료전지 스택의 셀전압을 검출하여 운전자나 사용자에게 정보를 제공하는 장치이다. 이때, 전지관리시스템(BMS)은 축전지의 잔존용량을 계산하고, 축전지의 상태에 따라 충전시에는 충전장치에 충전전류, 충전전압 등의 지령값을 계산하여 충전장치로 전송하고, 이것에 의해 충전장치를 제어함과 동시에 전지의 보호기능을 수행한다. 또한, 스택전압모니터(SVM)는 연료전지의 전압과 전류를 감시하여 연료전지의 상태를 파악하여 상위제어기에 통신을 통하여 정보를 전달하고 이들을 보호 관리한다.
일반적으로 전지관리시스템(BMS)에서 축전지 전압을 검출하기 위하여 사용하는 방법은 오피엠프(OP Amp.)를 사용하는 방법과 릴레이(Relay) 및콘덴서(Condenser)를 이용하는 방법이 있다. 그 중 릴레이 및 콘덴서를 이용하는 방법은 릴레이를 이용하여 축전지의 전압을 콘덴서에 충전시키고, 이 충전전압을 아날로그/디지털 변환기(A/D Convertor)로 변환하여 검출한다.
그러나, 상술한 바와 같은 전압검출 방법은 처음 전압검출 시간과 마지막 전압검출 시간 사이의 시간차가 크게 발생하여 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차와 같이 전압 및 전류가 급격하게 큰 폭으로 변동하는 시스템에서는 동시에 여러채널의 정확한 전압검출이 불가능하여 전지관리시스템(BMS)의 기능 수행이 어려운 단점이 있다. 또한, 그에 따라 축전지의 수명을 단축하거나 보호기능 상실로 축전지 기능을 마비시키거나 연료전지 셀(Cell)을 손상시키는 등의 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 목적은 전지관리시스템(BMS) 또는 스택전압모니터(SVM)에서 축전지 또는 연료전지의 전압을 동일한 시간에 검출할 수 있도록 함으로써 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 큰 폭으로 랜덤하게 변동하는 시스템에서 축전지 또는 연료전지의 수명을 연장시키고, 축전지 또는 연료전지의 고장을 방지할 수 있도록 한 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템은, 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 전지관리시스템(BMS) 또는 연료전지 전기자동차의 스택전압모니터(SVM)에 있어서, 상기 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택과의 전원을 분리하고, 상기 축전지 또는 연료전지 스택으로부터 전압을 검출하는 포토모스 릴레이부와; 상기 포토모스 릴레이부로부터 다 수개의 채널을 선택하여 검출된 아날로그 전압신호를 동일 시간대에 수신하고, 상기 수신된 아날로그 전압신호를 제어부에 전송하는 멀티플렉서부와; 상기 멀티플렉서부로부터 수신된 다 수개의 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하고, 상기 전압신호를 수집·가공하여 각종 시퀀스를 제어하는 제어부로 구성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법은, 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 전지관리시스템(BMS) 또는 연료전지 전기자동차의 스택전압모니터(SVM)에서의 전압검출 방법에 있어서, 제어 전원이 인가되면 초기화를 수행한 후 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택과 연결된 포토모스 릴레이부를 턴-오프하는 단계와; 상기 포토모스 릴레이부가 턴-오프되면, 설정된 시간이 경과된 후 멀티플렉서부와 연결된 포토모스 릴레이를 턴-온하는 단계와; 상기 포토모스 릴레이의 턴-온이 완료되면, 제어부에서 상기 멀티플렉서부를 제어하여 아날로그 전압신호를 입력받아 디지털 전압신호로 변환하는 단계와; 상기 신호변환이 완료되면, 상기 제어부에서 데이터를 처리한 후 그 결과 또는 디지털 전압신호를 상위제어기나 사용자 PC에 전송하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템의 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 축전지 또는 연료전지 스택 20 : 포토모스 릴레이부
30 : 멀티플렉서부 40 : 제어부
50 : 상위제어기 또는 사용자 PC
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템의 블럭도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템(1)은, 축전지(Battery)에 저장된 전기에너지를 전원으로 하는 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차, 또는 연료전지(Fuel Cell)에 저장된 전기에너지를 에너지원으로 하는 연료전지 전기자동차의 전압검출을 위한 시스템이다.
상기 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차는 전지관리시스템(BMS : Battery Management System)에서 축전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 축전지의 충전상태(SOC : State Of Charge)를 계산하여 운전자 또는 사용자에게 표시하여 주고, 축전지의 전류 충전모드에서는 충전기에 축전지 상태에 따라 충전 전류 명령 및 축전지를 보호 관리한다.
그리고, 상기 연료전지 전기자동차는 스택전압모니터(SVM : Stack Voltage Monitor)에서 연료전지 스택(Stack)에 포함된 각 셀(Cell)의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 그 데이터를 연료전지 제어기에 통신을 통하여 전송한다.
본 발명에 따른 전압검출 시스템(1)은 이러한 전지관리시스템(BMS) 또는 스택전압모니터(SVM)에서, 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지(10) 또는 연료전지 스택(10)과 제어부(40)의 전원을 분리하고 전압을 검출하는 포토모스 릴레이(PhotoMOS Relay)부(20)와, 포토모스 릴레이부(20)로부터 각각의 신호를 제어부(40)에 전달하여 주는 멀티플렉서(Multiplexer)부(30)와, 아날로그(Analog) 전압신호를 디지털(Digital) 전압신호로 변환시키고 각종 시퀀스(Sequence)를 제어하는 제어부(40)로 구성된다.
상기 포토모스 릴레이부(20)는 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택(10)과의 전원을 분리하고, 상기 축전지 또는 연료전지 스택(10)으로부터 전압을 검출한다.
그리고, 상기 멀티플렉서부(30)는 상기 포토모스 릴레이부(20)로부터 다 수개의 채널(Channel)을 선택하여 검출된 아날로그 전압신호를 동일 시간대에 수신하고, 상기 수신된 아날로그 전압신호를 제어부(40)에 전송한다.
또한, 상기 제어부(40)는 멀티플렉서부(30)로부터 수신된 다 수개의 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하고, 상기 전압신호를 수집·가공하여 각종 시퀀스를 제어한다. 이때, 상기 제어부(40)는 변환시킨 디지털 전압신호를 이용하여 축전지(10)의 충전상태(SOC : State Of Charge) 또는 연료전지 스택(10)의 전압을 연산하고, 축전지 또는 연료전지 셀(Cell)의 이상 유·무를 판별하는 등의 데이터 처리를 수행하고, 그 결과 또는 가동되지 않은 디지털 신호를 상위제어기 또는 사용자 PC(50) 등에 CAN 또는 RS232 통신을 통하여 전송한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 전기자동차의 전압검출 시스템의 작용 및 효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법은, 순수전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 및 무정전 전원공급 장치(UPS : Uninterruptible Power Supply) 등과 같이 다량의 축전지를 직렬로 연결하여 사용하는 시스템에서 축전지의 충전상태(SOC)를 계산하여 운전자 또는 사용자에게 표시하여 주고 축전지를 보호관리하는 장치인 전지관리시스템(BMS)에서의 축전지 전압검출 방법, 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택에 포함된 각 셀의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 그 데이터를 연료전지 제어기에 통신을 통하여 전송하는 스택전압모니터(SVM)에서의 연료전지 전압검출 방법이다.
먼저, 전지관리시스템(BMS) 또는 스택전압모니터(SVM)에 제어 전원이 인가되면 시스템을 초기화시키고(S201), 초기화가 완료된 후 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택(10)과 연결된 포토모스 릴레이부(20)를 턴-오프(Turn-Off)한다(S202).
상기 턴-오프가 이루어지면, 포토모스 릴레이부(20)는 전압검출을 위한 측정대상이 되는 축전지 또는 연료전지 스택(10)의 아날로그 전압신호를 분리한다. 이때, 상기 포토모스 릴레이부(20)에 포함된 콘덴서에 충전되어 있는 아날로그 전압신호는 그대로 유지되고, 포토모스 릴레이부(20)를 턴-오프하는 순간 상기 분리된 축전지 또는 연료전지 스택(10)의 수십에서 100채널 이상의 아날로그 전압신호를 동시에 검출한다.
상기 포토모스 릴레이부(20)가 턴-오프된 후, 설정된 시간이 경과되면 멀티플렉서부(30)와 연결된 포토모스 릴레이를 턴-온(Turn-On)한다(S204)(S206).
상기 포토모스 릴레이의 턴-온이 완료되면, 제어부(40)에서 멀티플렉서부(30)의 멀티플렉서를 제어하여 아날로그/디지털 변환기에 아날로그 전압신호를 입력받아 디지털 전압신호로 변환한다(S208).
상기 신호변환이 완료되면(S210), 상기 제어부(40)에서 변환된 디지털 전압신호를 바탕으로 데이터를 처리한 후, 그 결과 또는 가공되지 않은 디지털 전압신호를 상위제어기나 사용자 PC(50)에 CAN 또는 RS232 통신을 통하여 전송한다(S212)(S214).
이때, 변환된 디지털 전압신호는 제어부(40)의 마이크로프로세서에 의해 축전지(10)의 충전상태(SOC : State Of Charge)를 연산하고, 연료전지 셀(Cell)의 전압을 검출하여 이상 유·무를 판별하는 등의 여러가지 데이터 처리에 사용된다.
따라서, 본 발명에 따른 전기자동차의 전압검출 시스템(1)은 수십 개의 아날로그 전압신호를 동일 시간대에 디지털 전압신호로 변환하여 그 신호를 수집 가공하여 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지의 충전상태를 정확히 예측함으로써 축전지의 수명을 극대화시킨다. 또한, 급격하게 부하가 변동하는 연료전지 전기자동차의 연료전지 셀의 전압을 정확하게 감시하여 최적 제어로 연료전지의 효율을 향상시키고, 이상현상 발생으로 인한 셀의 손상을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템 및 전압검출 방법은, 순수전기 자동차와 하이브리드 전기자동차 또는 연료전지 전기자동차 등과 같이 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 랜덤하게 큰 폭으로 급변하는 시스템에서 축전지 또는 연료전지의 수명을 연장시키고, 축전지 또는 연료전지의 고장을 방지하거나 고장 가능성을 사용자에게 통보함으로써 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 전지관리시스템(BMS : Battery Management System) 또는 연료전지 전기자동차의 스택전압모니터(SVM : Stack Voltage Monitor)에 있어서,
    상기 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지(Battery) 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택(Stack)과의 전원을 분리하고, 상기 축전지 또는 연료전지 스택으로부터 전압을 검출하는 포토모스 릴레이(PhotoMOS Relay)부;
    상기 포토모스 릴레이부로부터 다 수개의 채널(Channel)을 선택하여 검출된 아날로그(Analog) 전압신호를 동일 시간대에 수신하고, 상기 수신된 아날로그 전압신호를 제어부에 전송하는 멀티플렉서(Multiplexer)부; 및
    상기 멀티플렉서부로부터 수신된 다 수개의 아날로그 전압신호를 디지털(Digital) 전압신호로 변환하고, 상기 전압신호를 수집·가공하여 각종 시퀀스(Sequence)를 제어하는 제어부로 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 시스템.
  2. 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 전지관리시스템(BMS) 또는 연료전지 전기자동차의 스택전압모니터(SVM)에서의 전압검출 방법에 있어서,
    제어 전원이 인가되면 초기화를 수행한 후 순수전기 자동차 및 하이브리드 전기자동차의 축전지 또는 연료전지 전기자동차의 연료전지 스택과 연결된 포토모스 릴레이부를 턴-오프(Turn-Off)하는 단계;
    상기 포토모스 릴레이부가 턴-오프되면, 설정된 시간이 경과된 후 멀티플렉서부와 연결된 포토모스 릴레이를 턴-온(Turn-On)하는 단계;
    상기 포토모스 릴레이의 턴-온이 완료되면, 제어부에서 상기 멀티플렉서부를 제어하여 아날로그 전압신호를 입력받아 디지털 전압신호로 변환하는 단계; 및
    상기 신호변환이 완료되면, 상기 제어부에서 데이터를 처리한 후 그 결과 또는 디지털 전압신호를 상위제어기나 사용자 PC에 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 축전지 또는 연료전지 스택과 연결된 포토모스 릴레이부를 턴-오프하는 단계에서,
    상기 포토모스 릴레이부가 턴-오프되면, 상기 포토모스 릴레이부는 상기 축전지 또는 연료전지 스택의 아날로그 전압신호를 분리하고, 상기 분리된 다 수 종류의 아날로그 전압신호를 동시에 검출함을 특징으로 하는 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부에서 데이터를 처리한 후 그 결과 또는 디지털 전압신호를 상위제어기나 사용자 PC에 전송하는 단계에서,
    상기 제어부는 디지털 전압신호를 이용하여 축전지의 충전상태(SOC : State Of Charge)를 연산하고 연료전지 스택의 셀전압을 검출하며, 축전지 또는 연료전지셀(Cell)의 이상 유·무를 판별하는 데이터 처리를 수행함을 특징으로 하는 연료전지 및 전기자동차용 축전지의 전압검출 방법.
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