KR100901156B1 - Fuel Cell Electronic Loader - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 연료전지용 전자로더에 관한 것으로서, 정전류, 정전압, 정저항, 정전력, 다이나믹 모드의 설정, 설정된 모드에 따른 전류, 전압, 전력 최대값의 설정을 포함한 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호를 발생시키는 키조작부와; 키조작부로부터 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호가 입력되면, 설정된 모드에 따라 성능평가를 위하여 연결된 연료전지의 출력특성을 PI 제어로 측정하도록 제어하고, PI 제어를 통해 측정되는 전압, 전류 데이터를 수집하여 전류량을 통제함과 동시에 과전류, 과전압, 과전력, 과열, 역접속(reverse)을 포함한 보호 기능을 수행하며, PI 제어에 따라 측정된 현재 설정된 모드에 따른 전압, 전류의 출력특성 정보의 표시를 제어하는 마이크로컨트롤러와; 전계효과 트랜지스터, 분배 저항, 히트싱크를 포함하며, 성능평가를 위하여 연결된 연료전지의 전류, 전압을 측정하는 로더 모듈과; 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 로더 모듈에서 측정되는 데이터의 편차를 최소화하기 위하여 마이크로컨트롤러로부터 입력되는 기준 데이터와 같아지도록 로더 모듈에서 측정된 데이터를 피드백하여 출력하는 PI 제어로 로더 모듈을 제어하며, PI 제어에 따라 로더 모듈에서 측정된 전압, 전류 데이터를 마이크로컨트롤러로 출력하는 아날로그 보드부와; 전자로더의 모드 설정 상태정보, 현재 동작상태를 표시하며, 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 아날로그 보드부의 PI 제어를 통해 로더 모듈에서 측정한 전압, 전류값을 표시하는 표시부와; 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 외부와 접속된 PC와 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호의 입력, 아날로그 보드부의 PI 제어에 따라 로더모듈에서 측정된 전압, 전류 데이터의 출력을 수행하는 인터페이스부; 및 개별 셀 단위의 연료전지에 대한 성능 평가를 수행하기 위한 전압을 공급하여 낮은 전압에서도 항상 전자로더의 동작이 가능하도록 하는 부스트 전원공급부로 구성된다.The present disclosure relates to an electronic loader for a fuel cell, and includes a constant current, a constant voltage, a constant resistance, a constant power, a dynamic signal, and a key signal for evaluating the performance of a fuel cell including setting a current, voltage, and maximum power value according to a set mode. Key operation unit for generating; When the key signal for the performance evaluation of the fuel cell is input from the key control unit, the controller controls the PI control to measure the output characteristics of the connected fuel cell for performance evaluation according to the set mode, and the voltage and current data measured through the PI control are measured. Collect and control the amount of current and at the same time perform protection functions including overcurrent, overvoltage, overpower, overheating and reverse, and display the output characteristic information of voltage and current according to the currently set mode measured under PI control A microcontroller for controlling; A loader module including a field effect transistor, a distribution resistor, a heat sink, and measuring a current and a voltage of a fuel cell connected for performance evaluation; In order to minimize the deviation of the data measured in the loader module under the control of the microcontroller, the loader module is controlled by the PI control that feeds back and outputs the measured data from the loader module to be equal to the reference data input from the microcontroller. An analog board unit configured to output the voltage and current data measured by the loader module to the microcontroller according to the present invention; A display unit displaying mode setting state information of the electronic loader and a current operating state, and displaying voltage and current values measured by the loader module through PI control of the analog board unit according to the control of the microcontroller; An interface unit for inputting key signals for evaluating the performance of the PC and the fuel cell connected to the outside under the control of the microcontroller, and outputting voltage and current data measured by the loader module according to PI control of the analog board unit; And a boost power supply unit supplying a voltage for performing performance evaluation on the fuel cell of each cell unit so that the electronic loader can always operate even at a low voltage.
따라서, 본 발명은 기존의 전자로더에서 수행하지 못하는 낮은 전압과 높은 전류에서 별도의 부스트 전원을 통해 개별 셀 단위의 연료전지에 대한 성능 평가를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention has an effect that can easily perform performance evaluation of the fuel cell of each cell unit through a separate boost power supply at a low voltage and high current that can not be performed in the conventional electronic loader.
연료전지, 전자로더, PI 제어, 전압, 전류, 성능, 평가 Fuel Cell, Electronic Loader, PI Control, Voltage, Current, Performance, Evaluation
Description
본 발명은 연료전지용 전자로더에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic loader for a fuel cell.
보다 상세하게는 PI(Proportional Integral, 비례적분) 제어방식으로 낮은 전압과 높은 전류에서 동작하는 연료전지의 전압 및 전류 측정을 수행하여 성능 평가를 수행하도록 하는 연료전지용 전자로더에 관한 것이다.More specifically, the present invention relates to an electronic loader for fuel cells that performs performance evaluation by measuring voltage and current of a fuel cell operating at a low voltage and a high current with a PI (Proportional Integral) control method.
현재 사용되는 1차 에너지원의 거의 대부분을 차지하는 화석연료는 다량의 환경오염물질을 배출하고, 언젠가는 고갈될 수밖에 없는 유한한 자원이기 때문에 대체 에너지의 개발 필요성이 끊임없이 제기되어 왔다.Fossil fuels, which make up the vast majority of primary energy sources currently in use, are a finite resource that emits large amounts of environmental pollutants and will eventually be depleted.
이에 따라 태양에너지, 풍력, 수력, 지열 등이 화석연료의 대체 에너지로서 제시되어 왔으나 지리적 분포에 차이를 보이며 직접연료로 사용될 수 없다는 단점이 있었다.Accordingly, solar energy, wind power, hydropower, geothermal energy, etc. have been suggested as alternative energy for fossil fuels, but have a disadvantage in that they cannot be used as direct fuels due to the difference in geographical distribution.
하지만 수소는 그 자체로 무한에 가까운 에너지 자원인 데다 환경오염이 없으며, 무엇보다 전기 에너지, 기계 에너지, 열에너지 등으로 전환이 자유롭다는 장 점을 지니고 있으므로 화석연료를 대체할 에너지원으로 수소에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.However, since hydrogen is an almost infinite energy resource in itself and has no environmental pollution, and most of all, it is free to convert into electrical energy, mechanical energy, and thermal energy. Therefore, hydrogen is an energy source to replace fossil fuel. Interest is growing.
지금까지 수소는 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료, 물, 바이오매스 등의 형태로 존재하기 때문에 생산 비용이 과다하고, 생산 과정에서 환경오염이 발생할 수 있으며, 보관 및 수송이 어렵다는 문제점 등으로 인해 실용화가 지연되어 왔지만, 연료전지(Fuel Cell)의 등장은 수소 에너지를 바라보는 시각을 완전히 바꾸어 놓은 계기가 되었다.Since hydrogen exists in the form of fossil fuels such as petroleum, coal, and natural gas, water, and biomass, production costs are excessive, environmental pollution may occur during production, and storage and transportation are difficult. The commercialization has been delayed, but the emergence of fuel cells has changed the way we see hydrogen energy.
연료전지란 수소를 화학적인 반응에 의해 전기에너지와 열에너지로 바꾸는 장치로서, 수소를 직접 이용할 수도 있고 가솔린, 메탄올, 천연가스 등의 개질을 통해 얻은 수소를 이용할 수도 있다. 개질 방식을 택할 때에도 환경오염을 대폭 줄이는 효과를 가져 올 수 있다.A fuel cell is a device that converts hydrogen into electrical energy and thermal energy by chemical reaction. Hydrogen may be used directly or hydrogen obtained through reforming of gasoline, methanol, natural gas, or the like. Even when reforming is adopted, the environmental pollution can be greatly reduced.
또한 연료전지는 수소 이용 기술이 발전해야 하겠지만 기존의 에너지 시스템을 혁명적으로 변화시킬 수 있는 가능성을 충분히 내포하고 있다. 현재 많은 국가들이 수소 기반 경제로의 이행을 강조하며, 연료전지를 핵심 요소 기술로 인식하고 있는 이유도 여기에 있다고 할 수 있다.Fuel cells also have the potential to revolutionize existing energy systems, although hydrogen-using technologies will have to evolve. Many countries now emphasize the transition to a hydrogen-based economy, and that is why fuel cells are a key component technology.
연료전지는 사용하는 전해질에 따라서 인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접메탄올형(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분할 수 있다.Depending on the electrolyte used, the fuel cell has a phosphoric acid type (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), molten carbonate type (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), solid oxide type (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), solid polymer type (PEMFC, Proton) Exchange Membrane Fuel Cell) and Direct Methanol Fuel Cell (DMFC).
초기 연료전지는 인산형 등 주로 대형 연료전지를 중심으로 상용화가 진행되 어 왔으며, 고온에서 작동되는 이들 대형 연료전지는 열병합 발전이나 분산 전원용 등으로 신뢰성이 이미 어느 정도 검증된 것으로 알려지고 있다. 그러나 환경친화성과 거의 2배에 달하는 높은 에너지 효율에도 불구하고 기존 전원에 비해 3∼5배 높은 발전비용으로 인하여 주로 공공기관, 병원, 은행, 정보처리 센터 등 전력의 안정적 공급이 중요한 역할을 하는 기관이나 기업들을 중심으로 제한적인 수요 확대가 이루어지고 있다.Early fuel cells have been commercialized mainly for large fuel cells such as phosphoric acid type, and these large fuel cells operating at high temperatures are known to have been verified to some extent for cogeneration and distributed power generation. However, despite the environmental friendliness and almost twice the energy efficiency, due to the three to five times higher generation cost than the existing power source, the institution that the stable supply of electric power plays an important role mainly in public institutions, hospitals, banks, and information processing centers. In particular, limited demand expansion is taking place around companies.
한편, 이동용 전원에 대한 수요가 증대되면서 최근에는 고체고분자형, 직접메탄올형 등이 각광을 받고 있다. 고체고분자형은 자동차를 주요 시장으로 가장 빠른 성장세를 보이고 있고, 소형화가 진전됨에 따라 각종 모바일 기기로까지 시장이 확대되는 추세이다.On the other hand, as the demand for mobile power source increases, solid polymer type, direct methanol type, etc. have been in the spotlight recently. The solid polymer type is showing the fastest growth as a major market, and as the miniaturization progresses, the market is expanding to various mobile devices.
직접메탄올형은 노트북 PC, 휴대폰 등 주로 소형 휴대용기기를 중심으로 개발이 진전되고 있으며, 향후 1∼2년 내에 본격적인 상용화가 가능할 것으로 예측되고 있다. 연료전지가 휴대폰 등 소형 기기에서 자동차의 동력원, 전력 생산에 이르기까지 명목상 전천후 에너지원으로서의 위상을 구축해가고 있는 것이다.Direct methanol is mainly developed for small portable devices such as notebook PCs and mobile phones, and is expected to be commercially available in the next 1-2 years. Fuel cells are building their status as nominal all-weather energy sources, from small devices such as mobile phones to power sources for cars and power generation.
연료전지를 양산할 경우 연료전지의 성능을 평가하기 위한 장비가 반드시 필요하다. 이러한 역할을 수행하는 장비를 연료전지 평가시스템이라 부르기도 하는데, 일반적으로 연료전지 평가 시스템은 연료전지용 전자로더, 전자로더의 구동 및 모니터링을 담당하는 제어 소프트웨어, 평가 시스템 전체를 제어할 메인 컨트롤러(PC), 테스트 스테이션(Test Station)의 각 구성요소들(센서 및 디바이스들) 간의 통신을 담당하는 인터페이스 시스템 및 소프트웨어 등으로 구성된다.When mass producing fuel cells, equipment for evaluating the performance of fuel cells is essential. Equipment that performs this role is sometimes called a fuel cell evaluation system. In general, a fuel cell evaluation system is a fuel cell electronic loader, control software for driving and monitoring the electronic loader, and a main controller (PC) to control the entire evaluation system. ), An interface system and software for communicating between components (sensors and devices) of a test station.
이러한 연료전지 성능 평가시스템을 구성하는 장비 중 전자로더는 연료전지의 성능평가에 쓰이는 핵심 장비로서, 연료전지에서 생성된 전력(Power)을 임의의 작동 포인트(Operating point)에서 강제적으로 소비(즉, 열에너지로 변환하여 소산)시켜 평가대상 연료전지의 출력 특성을 전압 및 전류 측정을 통해 검사할 수 있도록 하는 장치이다.Among the equipment constituting the fuel cell performance evaluation system, the electronic loader is the core equipment used for the performance evaluation of the fuel cell, and forcibly consumes the power generated from the fuel cell at an arbitrary operating point (that is, It converts into heat energy and dissipates) so that the output characteristics of the fuel cell to be evaluated can be inspected by measuring voltage and current.
전자로더는 연료전지의 출력 특성상 0∼3V의 저전압과 20∼30A 수준의 고전류를 안정적으로 인가할 수 있어야 하며, 인가전압이 3V 미만의 전압과 30A의 높은 전류가 인가되기 때문에 정밀도가 상대적으로 높아야 한다.Electronic loader should be able to stably apply low voltage of 0 ~ 3V and high current of 20 ~ 30A due to the output characteristics of fuel cell.The precision should be relatively high because voltage of less than 3V and high current of 30A are applied. do.
기존의 일반적인 전자로더는, 연료전지 전체에 대한 성능 평가는 가능하지만, 연료전지는 통상적으로 여러 개의 셀(cell)을 직, 병렬로 연결한 것으로서 필요한 전압과 전류에 따라 셀을 적층하여 사용할 수 있고, 이처럼 적층하여 사용하다 보면 어느 한 부분에서 불량이 발생되는 경우 수명이 매우 짧아져서 장비의 고장을 초래할 수 있기 때문에 고장의 원인이 되는 특정 셀을 선별하기 위하여 셀당 전압을 측정할 수 있는 장비가 필요하다.Existing general electronic loaders can evaluate the performance of the entire fuel cell, but fuel cells are typically a series of cells connected in parallel and can be used by stacking cells according to the required voltage and current. In this case, if the failure occurs at any one part, the lifespan is very short, which can lead to the failure of the equipment. Therefore, the equipment that can measure the voltage per cell is needed to select the specific cell that causes the failure. Do.
하지만, 종래의 전자로더는, 이처럼 연료전지의 각 셀의 낮은 전압을 측정할 수 있는 제품이 없는 실정이다. 즉, 셀의 0.5∼0.9V의 전압을 측정하기 위해서는 전자로더가 이보다 낮은 전압에서도 작동을 하여야 하지만 기존의 전자로더는 최소 전압이 1.5V 이상에서 작동되기 때문에 측정이 곤란하다. 그 이유는 전자로더의 회로 구성이 트랜지스터(TR), 전계효과 트랜지스터(FET), IC 등의 반도체 소자로 구성되어 있다 보니 이를 동작시키기 위한 최소 전압 공급이 필요하기 때문이다. 그 러므로, 별도의 전원(즉, Boost Power)을 구비하지 않은 일반적인 전자로더로는 개별 셀 단위의 연료전지 성능평가를 위한 전압 및 전류 측정이 곤란한 것이다.However, the conventional electronic loader, there is no product that can measure the low voltage of each cell of the fuel cell as described above. That is, in order to measure the voltage of 0.5-0.9V of the cell, the electronic loader must operate at a lower voltage, but the conventional electronic loader is difficult to measure because the minimum voltage is operated at 1.5V or more. The reason is that since the circuit configuration of the electronic loader is composed of semiconductor elements such as transistors (TRs), field effect transistors (FETs), and ICs, a minimum voltage supply is required to operate them. Therefore, it is difficult to measure voltage and current for evaluating fuel cell performance of each cell using a general electronic loader without a separate power supply (ie, boost power).
또한, 세계적으로 많은 기업들이 연료전지를 개발하고 있으나, 연료전지를 시험하고 평가할 수 있는 시스템평가용 표준장치가 공용으로 사용되고 있는 것이 없기 때문에 연료전지 생산업체가 자사의 생산 환경에 맞추어 설비를 갖추는 형태를 취하고 있는 실정이며, 이에 따라 추후 급속히 늘어날 것으로 전망되는 연료전지 시장에 대응하기가 어려운 문제점이 있었다.In addition, although many companies around the world are developing fuel cells, there is no standard system for system evaluation for testing and evaluating fuel cells. As a result, it was difficult to cope with the fuel cell market, which is expected to increase rapidly in the future.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, PI 제어방식을 사용하여 연료전지의 성능 평가를 안정성, 정밀성 있게 수행함과 동시에, 기존의 전자로더에서 수행하지 못하는 낮은 전압(0∼1.5V)과 높은 전류(0∼30A)에서 별도의 전원공급원(즉, Boost Power)을 통해 개별 셀 단위의 연료전지 성능평가가 가능하며, 정밀도(Accuracy)와 분해능(Resolution)을 높이도록 하는 연료전지용 전자로더를 제공하는 데 있다.In order to solve the above problems, the object of the present invention is to perform a stable and precise performance evaluation of a fuel cell by using a PI control method, and at the same time, a low voltage (0 to 1.5 V) and It is possible to evaluate the performance of fuel cells in individual cell units through a separate power supply (i.e., boost power) at high current (0 ~ 30A), and it is possible to develop an electronic loader for fuel cells that improves accuracy and resolution. To provide.
본 발명의 다른 목적은, 연료전지 양산시 적은 공간에서 많은 장비를 동시에 시험할 수 있도록 하여 확장성이 용이하고, 연료전지 측정에 필요한 기능만을 선택, 제작하여 제작원가를 대폭적으로 낮추며, 과열 방지 및 시스템 보호를 위한 각종 보호 기능(과전류, 과전압, 과전력, 과열, 역접속 등)을 구비한 연료전지용 전 자로더를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to be able to test a lot of equipment at the same time in a small space during mass production of fuel cells, easy to expand, select and manufacture only the functions necessary for fuel cell measurement, significantly reducing the manufacturing cost, overheat prevention and system The present invention provides a fuel cell electronic loader having various protection functions (overcurrent, overvoltage, overpower, overheating, reverse connection, etc.) for protection.
본 발명의 또 다른 목적은, 사용자가 손쉽게 입력값을 설정(전압, 전류, 시간, 모드 선택 등)할 수 있고, GUI 프로그램을 이용한 실시간 모니터링 그래프를 제공하여 동작 단계별 상황을 일목요연하게 관측하고, 자동설정으로 세팅된 경우 무인관측이 가능하며, 시간별 측정시간, 전류, 전압 등의 측정 데이터를 실시간 백업하여 장비의 이상 유무를 손쉽게 확인할 수 있도록 하는 연료전지용 전자로더를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention, the user can easily set the input value (voltage, current, time, mode selection, etc.), provides a real-time monitoring graph using a GUI program to observe the operation step by step at a glance, and automatically It is possible to provide unmanned observation when it is set as a setting, and to provide a fuel cell electronic loader that makes it easy to check the abnormality of equipment by real-time backup of measurement data such as measurement time, current, voltage, etc. by time.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더는, 정전류, 정전압, 정저항, 정전력, 다이나믹 모드의 설정, 설정된 모드에 따른 전류, 전압, 전력 최대값의 설정을 포함한 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호를 발생시키는 키조작부와; 키조작부로부터 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호가 입력되면, 설정된 모드에 따라 성능평가를 위하여 연결된 연료전지의 출력특성을 PI 제어로 측정하도록 제어하고, PI 제어를 통해 측정되는 전압, 전류 데이터를 수집하여 전류량을 통제함과 동시에 과전류, 과전압, 과전력, 과열, 역접속을 포함한 보호 기능을 수행하며, PI 제어에 따라 측정된 현재 설정된 모드에 따른 전압, 전류의 출력특성 정보의 표시를 제어하는 마이크로컨트롤러와; 전계효과 트랜지스터, 분배 저항, 히트싱크를 포함하며, 성능평가를 위하여 연결된 연료전지의 전류, 전압을 측정하는 로더 모듈과; 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 로더 모듈에서 측정되는 데이터의 편차를 최소화하기 위하여 마이크로컨트롤러로부터 입력되는 기준 데이터와 같아지도록 로더 모듈에서 측정된 데이터를 피드백하여 출력하는 PI 제어로 로더 모듈을 제어하며, PI 제어에 따라 로더 모듈에서 측정된 전압, 전류 데이터를 마이크로컨트롤러로 출력하는 아날로그 보드부와; 전자로더의 모드 설정 상태정보, 현재 동작상태를 표시하며, 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 아날로그 보드부의 PI 제어를 통해 로더 모듈에서 측정한 전압, 전류값을 표시하는 표시부와; 마이크로컨트롤러의 제어에 따라 외부와 접속된 PC와 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호의 입력, 아날로그 보드부의 PI 제어에 따라 로더모듈에서 측정된 전압, 전류 데이터의 출력을 수행하는 인터페이스부; 및 개별 셀 단위의 연료전지에 대한 성능 평가를 수행하기 위한 전압을 공급하여 낮은 전압에서도 항상 전자로더의 동작이 가능하도록 하는 부스트 전원공급부를 포함하며, 아날로그 보드부는, 전자로더 입력부와 전류/전압 공급원의 출력단을 극성에 맞게 연결하여 키조작부로부터 입력된 모드를 수행할 때 일정한 전류를 제어하기 위하여 게이트 전압 레벨로 전류량을 조절하는 MOSFET와; MOSFET의 소스 단자측에 연결되어 전류 센싱을 수행하는 분배저항부와; MOSFET로부터 피드백되는 분배저항부의 양단 전압을 증폭하여 출력하는 제 1 증폭회로부와; 마이크로컨트롤러에서의 분배저항부 양단간의 전압을 토대로 한 전류 검출을 위하여 제 1 증폭회로부에서 증폭된 분배저항부의 양단간의 전압의 노이즈를 제거하여 마이크로컨트롤러로 출력하는 필터와; 제 1 증폭회로부에서 증폭된 신호를 입력받아 마이크로컨트롤러로부터 입력되는 기준 전압만큼 피드백 전압을 보정하는 PI 제어를 수행하여 출력하는 적분회로부; 및 적분회로부에서 PI 제어된 신호와 MOSFET의 소스 단자에서 출력되는 전압을 연산 증폭하여 MOSFET의 게이트 단자로 출력하는 제 2 증폭회로부를 포함하며, 부스트 전압공급부는, 교류 입력 전원을 직류 입력 전압으로 정류, 평활하여 출력하는 입력정류 평활회로부와; 스위칭 IC를 트랜스포머 1차측에 연결하고, 순방향 전압 0.2~0.3V인 쇼트키 다이오드와, 전력손실을 보완하기 위하여 턴 온시에 드레인-소스 저항(Rds)이 낮은 FET를 트랜스포머 2차측에 연결한 포워드 동기정류방식으로 구성되어, 입력정류 평활회로부로부터 입력되는 직류입력 전압을 스위칭 IC의 스위칭 제어에 따라 직류출력 전압으로 변화하여 출력하는 스위칭용 컨버터 회로부와; 스위칭용 컨버터 회로부에서 출력되는 직류출력 전압을 평활하여 전자로더로 공급하는 출력정류 평활회로부; 및 출력정류 평활회로부로부터 입력되는 직류출력 전압을 안정화시키는 궤환제어회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell electronic loader according to the present invention for achieving the above object, the performance of the fuel cell including the setting of the constant current, constant voltage, constant resistance, constant power, dynamic mode, the setting of the current, voltage, power maximum value according to the set mode A key operating unit for generating a key signal for evaluation; When the key signal for the performance evaluation of the fuel cell is input from the key control unit, the controller controls the PI control to measure the output characteristics of the connected fuel cell for performance evaluation according to the set mode, and the voltage and current data measured through the PI control are measured. It controls the amount of current collected and performs protection functions including overcurrent, overvoltage, overpower, overheating and reverse connection, and controls the display of the output characteristics information of voltage and current according to the currently set mode measured according to PI control. A microcontroller; A loader module including a field effect transistor, a distribution resistor, a heat sink, and measuring a current and a voltage of a fuel cell connected for performance evaluation; In order to minimize the deviation of the data measured in the loader module under the control of the microcontroller, the loader module is controlled by the PI control that feeds back and outputs the measured data from the loader module to be equal to the reference data input from the microcontroller. An analog board unit configured to output the voltage and current data measured by the loader module to the microcontroller according to the present invention; A display unit displaying mode setting state information of the electronic loader and a current operating state, and displaying voltage and current values measured by the loader module through PI control of the analog board unit according to the control of the microcontroller; An interface unit for inputting key signals for evaluating the performance of the PC and the fuel cell connected to the outside under the control of the microcontroller, and outputting voltage and current data measured by the loader module according to PI control of the analog board unit; And a boost power supply unit supplying a voltage for performing performance evaluation of the fuel cell on an individual cell basis so that the electronic loader can always operate even at a low voltage. The analog board unit includes an electronic loader input unit and a current / voltage supply source. A MOSFET for controlling an amount of current to a gate voltage level in order to control a constant current when the output terminal of the terminal is connected to the polarity to perform a mode input from a key control unit; A distribution resistor unit connected to the source terminal side of the MOSFET to perform current sensing; A first amplifying circuit section for amplifying and outputting a voltage at both ends of the distribution resistor section fed back from the MOSFET; A filter for removing noise of the voltage between the both ends of the distribution resistor section amplified by the first amplifier circuit section and outputting the current to the microcontroller for current detection based on the voltage between the both ends of the distribution resistor section in the microcontroller; An integrating circuit unit for receiving a signal amplified by the first amplifying circuit unit and performing PI control to correct the feedback voltage by a reference voltage input from the microcontroller; And a second amplifying circuit unit which amplifies the PI-controlled signal from the integrating circuit unit and the voltage output from the source terminal of the MOSFET and outputs the result to the gate terminal of the MOSFET, wherein the boost voltage supply unit rectifies the AC input power into a DC input voltage. An input rectification smoothing circuit unit which outputs smoothly; Forward switching with a switching IC connected to the transformer primary side, a Schottky diode with a forward voltage of 0.2V to 0.3V, and a FET with low drain-source resistance (Rds) connected to the transformer secondary side at turn-on to compensate for power loss. A switching converter circuit portion configured to be rectified and converting the DC input voltage input from the input rectification smoothing circuit portion into a DC output voltage according to the switching control of the switching IC; An output rectification smoothing circuit unit for smoothing the DC output voltage output from the switching converter circuit unit to the electronic loader; And a feedback control circuit for stabilizing the DC output voltage input from the output rectification smoothing circuit.
이때 상술한 키조작부는, 전원 공급 온/오프키와, 정전류, 정전압, 정저항, 정전력, 다이나믹 모드의 설정키와, 원격 센싱 조작키와, 전류, 전압, 전력 최대값 설정 및 사운드 활성화/비활성화 기능을 설정하는 메뉴키와, 커서 위치를 좌/우로 이동시키는 이동키와, 선택된 모드를 활성화/비활성화시키는 선택키와, 입력된 값의 저장을 위한 엔터키 및 입력 수치를 조정하기 위한 조그 다이얼을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.At this time, the above-described key operation unit, power supply on / off key, constant current, constant voltage, constant resistance, constant power, dynamic mode setting key, remote sensing operation key, current, voltage, power maximum value setting and sound activation / Menu keys for setting the deactivation function, navigation keys for moving the cursor position to the left and right, selection keys for activating / deactivating the selected mode, enter key for storing the input value and jog dial for adjusting the input value. It is preferable to comprise.
그리고 상술한 아날로그 보드부는, 역접속에 따른 회로소자의 보호를 위하여 입력단자와 분배저항부 사이에 접속된 FET의 전압 편차가 역으로 발생되는지를 검출하여 마이크로컨트롤러로 출력하는 비교기를 더 포함하여 구성할 수 있다. The analog board unit may further include a comparator configured to detect whether the voltage deviation of the FET connected between the input terminal and the distribution resistor unit is reversed and output to the microcontroller in order to protect the circuit device according to the reverse connection. can do.
그리고 분배저항부는 5개의 저항을 병렬로 연결하여 구성하는 것이 바람직하고, 제 1 증폭회로부는 다수의 저항, 콘덴서, 비반전 증폭기로 구성되며 비반전 증폭기의 비반전단자로 분배저항부의 양단 전압이 인가되면 이를 증폭하여 적분회로 부로 출력하도록 구성하는 것이 바람직하고, 적분회로부는 다수의 저항, 콘덴서, 적분기로 구성되며 적분기의 반전단자로 제 1 증폭회로부에서 증폭된 전압이 인가되면 적분기의 비반전단자로 입력되는 마이크로컨트롤러의 기준 전압만큼 피드백 전압을 보정하는 PI 제어를 수행하여 제 2 증폭회로부로 출력하도록 구성하는 것이 바람직하며, 제 2 증폭회로부는 다수의 저항, 비반전 증폭기로 구성되며 비반전 증폭기의 반전단자로 입력되는 MOSFET의 소스 단자의 출력전압과 비반전 증폭기의 비반전단자로 인가되는 적분회로부에서 PI 제어된 전압을 연산 증폭하여 MOSFET의 게이트 단자로 출력하도록 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the distribution resistor unit may be configured by connecting five resistors in parallel, and the first amplifier circuit unit includes a plurality of resistors, capacitors, and non-inverting amplifiers, and voltages at both ends of the distribution resistor unit are applied to the non-inverting terminals of the non-inverting amplifiers. When the amplified circuit is amplified and output to the integrating circuit part, the integrating circuit part is composed of a plurality of resistors, capacitors, and integrators. It is preferable to configure a PI control for correcting the feedback voltage by the reference voltage of the input microcontroller to output to the second amplifying circuit unit. The second amplifying circuit unit is composed of a plurality of resistors and non-inverting amplifiers. It is applied to the non-inverting terminal of the non-inverting amplifier and the output voltage of the source terminal of the MOSFET inputted to the inverting terminal. It is preferable to configure the integrated circuit unit to amplify the PI-controlled voltage and output it to the gate terminal of the MOSFET.
이상에서와 같이 본 발명의 연료전지용 전자로더에 따르면, 높은 신뢰성과 안정성을 유지하면서 PI 제어방식을 통해 연료전지의 성능 평가를 수행함과 동시에, 기존의 전자로더에서 수행하지 못하는 낮은 전압(0∼1.5V)과 높은 전류(0∼30A)에서 별도의 부스트 전원을 통해 개별 셀 단위의 연료전지에 대한 성능 평가를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the fuel cell electronic loader of the present invention, while performing a performance evaluation of the fuel cell through the PI control method while maintaining high reliability and stability, a low voltage (0 to 1.5 that cannot be performed by the conventional electronic loader) In V) and a high current (0 to 30A), a separate boost power supply can easily perform performance evaluation of a fuel cell in an individual cell unit.
또한, 적은 공간에서 많은 장비를 동시에 시험할 수 있으므로 확장성이 용이하고, 연료전지 측정에 필요한 기능만을 채택하였기 때문에 제작원가를 대폭적으로 낮출 수 있으며, 열 방지 및 시스템 보호를 위한 각종 보호기능의 설계를 통해 안정적으로 연료전지의 성능 평가를 수행할 수 있는 효과가 있다.In addition, since it is possible to test a lot of equipment at the same time in a small space, it is easy to expand and adopts only the functions necessary for measuring fuel cells, thereby significantly reducing manufacturing costs, and designing various protection functions for heat protection and system protection. Through this there is an effect that can perform a stable performance evaluation of the fuel cell.
또한, 사용자가 전압, 전류, 시간, 모드 선택 등의 입력값을 손쉽게 설정함 은 물론, GUI 프로그램을 이용하여 동작 단계별 상황을 일목요연하게 관측할 수 있으며, 시간별 측정시간, 전류, 전압 등의 측정 데이터를 실시간 백업하여 장비의 이상 유무를 손쉽게 확인할 수 있는 효과가 있다.In addition, the user can easily set input values such as voltage, current, time, and mode selection, as well as observe the operation stages at a glance using a GUI program. Real-time backup of the device has an effect that can be easily checked whether there is a problem.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 전자로더를 상세하게 설명한다.Hereinafter, an electronic loader for a fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 아날로그 보드부의 구성을 상세하게 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2의 아날로그 보드부의 상세 회로도이며, 도 4는 도 1의 부스트 전원공급부의 상세 회로도이다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of an electronic loader for a fuel cell according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing in detail the configuration of the analog board unit of FIG. 1, and FIG. 3 is a detailed circuit diagram of the analog board unit of FIG. 4 is a detailed circuit diagram of the boost power supply unit of FIG. 1.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지용 전자로더는, 키조작부(100), 마이크로컨트롤러(200), 로더모듈(300), 아날로그 보드부(400), 표시부(500), 인터페이스부(600), 부스트 전원공급부(700) 등으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the fuel cell electronic loader according to the present invention includes a
키조작부(100)는 정전류(Constant Current, 전압에 상관없이 미리 설정한 부하값으로 일정하게 부하를 걸어주는 모드), 정전압(Constant Voltage, 전압값을 미리 정한 후 로드 온시 설정된 전압값을 유지하도록 전류량을 조절하는 모드), 정저항(Constant Resistance, 부하의 양을 저항값으로 정하는 것으로, 전압의 변동에 의해 부하의 양이 변동되는 모드), 정전력(Constant Power, 입력전압에 상관없이 프로그램된 설정값으로 전력이 소모되는 모드), 다이나믹 모드(Dynamic mode, 2개 의 값으로 설정된 전류와 시간에 따라 반복적으로 변화되는 모드)의 설정, 설정된 모드에 따른 전류, 전압, 전력 최대값의 설정을 포함한 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호를 발생시켜 마이크로컨트롤러(200)로 출력한다.The
마이크로컨트롤러(200)는 연료전지용 전자로드의 구동 알고리즘을 저장하고 있고, 키조작부(100)로부터 연료전지의 성능 평가를 위한 모드 설정을 포함한 각종 키신호가 입력되면, 설정된 모드에 따라 성능평가를 위하여 아날로그 보드부(400)를 제어하여 로더 모듈(300)을 통해 연료전지의 출력특성을 PI 제어( 출력전류(전압)를 제어하여 출력전류(전압)와 편차가 비례관계를 가지도록 하는 제어방식 )로 측정하도록 제어하고, PI 제어를 통해 로더모듈(300)에서 측정되는 전압, 전류 데이터를 수집하여 전류량을 통제함과 동시에 과전류(OCP), 과전압(OVP), 과전력(OPP), 과열(OTP), 역접속(REV)을 포함한 보호 기능을 수행하며, 아날로그 보드부(400)의 PI 제어를 통해 로더모듈(300)에서 측정된 현재 설정된 모드에 따른 전압, 전류의 출력특성 정보를 표시부(500)로 출력하여 표시하도록 제어한다.The
이때 마이크로컨트롤러(200)는 아날로그/디지털 컨버터(ADC), 디지털/아날로그 컨버터(DAC) 등을 통해 아날로그 보드부(400)와 통신을 수행하여 전압, 전류 데이터를 수집하며 전류량을 통제하게 되는데, 마이크로컨트롤러(200) 내부의 EEPROM(electrically erasable and programmable read only memory)에 저장된 캘리브레이션(calibration) 데이터를 바탕으로 아날로그 보드부(400)의 PI 제어를 정밀하게 제어한다.At this time, the
로더모듈(300)은 전계효과 트랜지스터, 분배 저항(shunt resistance), 히트싱크를 포함하며, 아날로그 보드부(400)의 제어에 따라 성능평가를 위하여 연결된 연료전지의 전류, 전압을 측정한다.The
아날로그 보드부(400)는 마이크로컨트롤러(200)의 제어에 따라 로더 모듈(300)에서 측정되는 데이터의 편차를 최소화하기 위하여 마이크로컨트롤러(200)로부터 입력되는 기준 데이터와 같아지도록 로더 모듈(300)에서 측정된 데이터를 피드백하여 출력하는 PI 제어로 로더 모듈(300)을 제어하며, PI 제어에 따라 로더모듈(300)에서 측정된 전압, 전류 데이터를 마이크로컨트롤러(200)로 출력한다.In the
표시부(500)는 LED, VFD(Vacuum Fluorescent Display, 진공 형광 표시 장치) 등의 소자로 구성되어, 전자로더의 모드 설정 상태정보, 현재 동작상태를 표시하며, 마이크로컨트롤러(200)의 제어에 따라 아날로그 보드부(400)의 PI 제어를 통해 로더모듈(300)에서 측정한 전압, 전류값을 표시한다. 또한, 각종 보호 기능의 수행시 알람과 동시에 경고 메시지를 표시하여 사용자가 즉시 확인할 수 있도록 한다.The
인터페이스부(600)는 마이크로컨트롤러(200)의 제어에 따라 외부와 접속된 PC와 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호의 입력, 아날로그 보드부(400)의 PI 제어에 따라 로더모듈(300)에서 측정된 전압, 전류 데이터의 출력을 수행한다.The
부스트 전원공급부(700)는 개별 셀 단위의 연료전지에 대한 성능 평가를 수행하기 위한 전압을 공급하여 낮은 전압에서도 항상 전자로더의 동작이 가능하도록 한다. 이때 부스트 전원의 특성이 전자로더에 영향을 끼칠 수 있음으로 고효율, 고안정성의 제품이 필요하며, 리플이나 노이즈가 매우 작아야 한다. 이와 더불어 부스트 전원의 용량은 전자로더의 용량에 맞추어 설계가 이루어져야 함으로 전자로더의 용량이 커지면 커질수록 부스트 전원의 용량도 상대적으로 커져야 한다.The
이때, 상술한 키조작부(100)는 본 발명의 연료전지용 전자로더의 전면부와 후면부의 외형을 나타낸 도 6에 도시된 바와 같이, 전자로더에 전원을 공급하는 전 원공급 온/오프키(110)와, 정전류(CC), 정전압(CV), 정저항(CR), 정전력(CP), 다이나믹 모드(DYN)를 설정하는 설정키(120)와, 원격 센싱을 조작하기 위한 원격 센싱 조작키(130)와, 전류, 전압, 전력 최대값 설정 및 사운드 활성화/비활성화 기능을 설정하는 메뉴키(140)와, 커서 위치를 좌/우로 이동시키는 이동키(150)와, 선택된 모드를 활성화/비활성화시키는 선택키(160)와, 입력된 값의 저장을 위한 엔터키(170) 및 입력 수치를 조정하기 위한 조그 다이얼(180) 등으로 구성된다.At this time, the
또한, 상술한 아날로그 보드부(400)는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide semiconductor field effect transistor, 이하 MOSFET라 함)(410), 분배저항(shunt resistance)부(420), 제 1 증폭회로부(430), 필터(440), 적분회로부(450), 제 2 증폭회로부(460), 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, 이하 FET라 함)(470), 비교기(480) 등으로 구성된다.2 and 3, the
MOSFET(410)는 전자로더 입력부와 전류/전압 공급원의 출력단을 극성(Input1/Input2)에 맞게 연결하여 키조작부(100)로부터 입력된 모드를 수행할 때 일정한 전류를 제어하기 위하여 게이트 전압 레벨로 전류량을 조절한다. 이때 MOSFET(410)의 소스 측에 위치한 저항 R1은 전류 Id를 안정화하기 위한 저항이며, 저항 R1이 없으면 MOSFET(410)의 게이트에 공급하는 전압이 Vgs이므로 동작이 안정되지 않는다.The
분배저항부(420)는 MOSFET(410)의 소스 단자측에 5개의 저항 R9, R10, R11, R12, R13이 병렬로 연결되어 전류 센싱을 수행하며, 양단간에 획득한 전압을 주기적으로 ADC에서 읽어들여 마이크로컨트롤러(200)로 알려준다.The
제 1 증폭회로부(430)는 MOSFET(410)로부터 피드백되는 분배저항부(420)의 양단 전압을 증폭하여 출력한다. 즉 일정한 전류를 제어하기 위해서 MOSFET(410)의 게이트 전압레벨로 전류량을 조절하게 되는데, Vgs 레벨은 분배저항부(420) 양단 전압을 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭하여 적분회로부(450)로 출력한다.The first
제 1 증폭회로부(430)는, 다수의 저항 R39, R84, R85, R93, R94, 콘덴서 C15, 비반전 증폭기 U21( 미약한 신호의 검출에 많이 사용되며 입력 임피던스가 높다 )로 구성되며, 비반전 증폭기 U21의 비반전단자(+)로 분배저항부(420)의 양단 전압이 인가되면 이를 증폭하여 적분회로부(450)로 Vd 전압을 출력한다. 제 1 증폭회로부(430)의 비반전 증폭기 U21에서 증폭된 전압 Vd는 비반전 증폭기의 공식(Vout = (1 + R1/R2)Vin)으로 쉽게 구할 수 있지만, 실제 이와 같은 Vd 전압이 나오지 않는다. Vd 전압은 적분회로부(450)에 공급되는 Vref 전압만큼 적분회로부(450)를 통해 피드백되므로 Vd 지점에서의 전압은 Vref 를 유지한다.The first
필터(440)는 마이크로컨트롤러(200)에서의 분배저항부(420) 양단간의 전압을 토대로 한 전류 검출을 위하여 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭된 분배저항부(430)의 양단간의 전압의 노이즈를 제거하여 마이크로컨트롤러(200)로 출력한다.The
적분회로부(450)는 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭된 신호를 입력받아 마이크로컨트롤러(200)로부터 입력되는 기준 전압 Vref 만큼 피드백 전압을 보정하는 PI 제어를 수행( 제 1 증폭회로부(430)로부터 출력되는 신호와 마이크로컨트롤러(200) 로부터 입력되는 기준 전압 Vref가 같아지도록 )하여 출력한다. 즉 적분회로부(450)에서는 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭된 신호는 설정 데이터만큼 피드백 전압을 보정하게 되는데, 일정한 전류를 유지하고 목표치와의 편차를 최소화하기 위해서 항상 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭된 분배저항부(420)의 전압을 피드백하여 PI 제어를 하는 것이다.The integrating
적분회로부(450)는, 다수의 저항 R81, R83, 콘덴서 C35, 적분기 U22로 구성되며, 적분기 U22의 반전단자(-)로 제 1 증폭회로부(430)에서 증폭된 전압 Vd 가 인가되면 적분기 U22의 비반전단자(+)로 입력되는 마이크로컨트롤러(200)의 기준 전압 Vref 만큼 피드백 전압을 보정하는 PI 제어를 수행하여 제 2 증폭회로부(460)로 Ve 전압을 출력한다.The integrating
이때 적분기 U22를 통해 출력되는 Ve 전압은 다음의 수식과 같다.At this time, the voltage V e output through integrator U22 is expressed as the following equation.
여기서, Vint는 초기전압이며, Vint=0으로 대체할 수 있다.Here, V int is the initial voltage and can be replaced with V int = 0.
따라서 Vd 전압이 Vref 전압보다 크게 되면 출력 전압 Ve 는 감소하게 될 것이고, 반대로 Vd 전압이 Vref 전압보다 작으면 Ve 는 증가할 것이다. 이런 반복적으로 신호를 피드백해가면서 Ve의 전압은 일정하게 유지되고 이를 그래프로 나타내면 도 5와 같다.Therefore V d Voltage is V ref Greater than the voltage, the output voltage V e Will decrease, whereas the voltage V d will be reduced to V ref Less than voltage V e Will increase. While repeatedly feeding back the signal, the voltage of V e is kept constant and is represented as a graph as shown in FIG. 5.
제 2 증폭회로부(460)는 적분회로부(450)에서 PI 제어된 신호와 MOSFET(410)의 소스 단자에서 출력되는 전압을 연산 증폭하여 MOSFET(410)의 게이트 단자로 출력한다.The second
이때 제 2 증폭회로부(460)는, 다수의 저항 R15, R23, R33, R40, 비반전 증폭기 U12로 구성되며, 비반전 증폭기 U12의 반전단자(-)로 입력되는 MOSFET(410)의 소스 단자의 출력전압과 비반전 증폭기 U12의 비반전단자(+)로 인가되는 적분회로부(450)에서 PI 제어된 전압을 연산 증폭하여 MOSFET(410)의 게이트 단자로 출력한다. 적분회로부(450)에서 출력되는 Ve 전압은 저항 R15, R23에 의해 전압 분배된 전압 Vf 전압이 되고, Vf 전압은 비반전 증폭기 U12를 통해 연산 증폭되어 Vgs 전압으로 MOSFET(410)의 게이트를 통제하게 된다. 그리고 비반전 증폭기 U12를 통해 증폭된 Vg 전압은 Av = 1 + R40/R33 만큼의 이득과 Vs에 의해 결정된다.At this time, the second
여기에서, 적분회로부(450)와 제 2 증폭회로부(460)는 피드백 회로로서, 전압/전류원의 변동과 같은 외부적 요인 또는 FET 발열 문제 등의 내부적 요인으로 Vgs 전압의 조절은 반드시 필요한데, 마이크로컨트롤러에 의한 피드백 구성은 시스템 전반적으로 불안정할 수밖에 없고 응답속도도 느리다. 물론 100MIPS 이상의 DSP를 사용하여 어느 정도 극복할 수 있겠지만, 제품의 단가 상승과 과대한 부품의 소모가 있으므로 하드웨어적인 구성으로 적분회로부(450)와 제 2 증폭회로부(460)의 피드백 회로 설계를 통해 이를 극복할 수 있다.Here, the
비교기(480)는 역접속에 따른 회로소자의 보호를 위하여 입력단자(Input2)와 분배저항부(420) 사이에 접속된 FET(470)의 전압 편차가 역으로 발생되는지를 검출하여 마이크로컨트롤러(200)로 출력한다.The
또한, 부스트 전압공급부(700)는 도 4에 도시된 바와 같이, 입력정류 평활회로부(710), 스위칭용 컨버터 회로부(720), 출력정류 평활회로부(730), 궤환제어회로부(740) 등으로 구성된다. 본 발명에서는 주로 100W급 미만의 저전압, 대전류 제품에서 사용 가능한 제품으로 제작되었으며, 전자로더의 용량에 비례하여 포워드(Forward) 동기정류방식을 채택하였다.In addition, as shown in FIG. 4, the boost
입력정류 평활회로부(710)는 교류 입력 전원을 직류 입력 전압으로 정류, 평활하여 스위칭용 컨버터 회로부(720)로 출력한다.The input rectification
스위칭용 컨버터 회로부(720)는 스위칭 IC Q1을 트랜스포머 1차측에 연결하고, 순방향 전압 0.2~0.3V인 쇼트키 다이오드 D4와, 전력손실을 보완하기 위하여 턴 온시에 드레인-소스 저항(Rds)이 낮은 FET Q2, Q3을 트랜스포머 2차측에 연결한 포워드 동기정류방식으로 구성되어, 입력정류 평활회로부(710)로부터 입력되는 직류입력 전압을 스위칭 IC의 스위칭 제어에 따라 직류출력 전압으로 변화하여 출력정류 평활회로부(730)로 출력한다.The switching
이때 포워드 동기정류방식의 트랜스포머 2차측 정류는 고속 스위칭용 다이오드를 사용하는 데, 여기에 사용하는 다이오드로는 순방향 및 환류 다이오드가 있으며, 주로 쇼트키 다이오드를 사용한다. 일반 다이오드의 순방향 전압은 0.6∼0.7V이며 쇼트키 다이오드의 순방향 전압은 0.2∼0.3V이므로 스위칭용 컨버터에서는 쇼 트키 다이오드를 사용하여 전력손실을 최소화하도록 한다. 하지만 전류가 높으면 높을수록 전력손실은 더욱더 커지므로 다이오드의 전력손실을 보완하기 위해 턴 온시에 Rds가 낮은 FET를 사용하여 전류가 높아져도 전력손실을 최소화하도록 한다. 이에 따라 포워드 동기정류방식의 컨버터로 회로를 구성하여 고효율의 스위칭 컨버터를 재현할 수 있게 되었으며, 회로의 간편화를 위해 원 패키지화된 스위칭 IC를 사용하여 회로의 간략화와 제품의 부피를 최소화하였다.At this time, the transformer secondary side rectification of the forward synchronous rectification method uses a fast switching diode, and the diodes used here include a forward and a reflux diode, and mainly a Schottky diode. Since forward voltage of general diode is 0.6 ~ 0.7V and Schottky diode is 0.2 ~ 0.3V, switching converter should use Schottky diode to minimize power loss. However, the higher the current, the greater the power loss. Therefore, to compensate for the diode's power loss, a low Rds FET is used at turn-on to minimize power loss even at higher currents. As a result, a circuit consisting of a forward synchronous rectification converter can be used to reproduce a high-efficiency switching converter, and the circuit package is simplified and a product volume is minimized by using a packaged switching IC to simplify the circuit.
출력정류 평활회로부(730)는 스위칭용 컨버터 회로부(720)에서 출력되는 직류출력 전압을 평활하여 전자로더로 공급한다.The output rectification
궤환제어회로부(740)는 출력정류 평활회로부(730)로부터 입력되는 직류출력 전압을 안정화시키는 기능을 수행한다.The feedback
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더의 동작과정을 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.Next, the operation of the fuel cell electronic loader according to the present invention configured as described above will be described in detail with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명의 연료전지용 전자로더의 구동에 따른 동작과정을 나타낸 순서도이다.7 is a flowchart illustrating an operation process according to the driving of the fuel cell electronic loader according to the present invention.
우선, 사용자(작업자)가 성능 평가 대상의 연료전지를 연료전지용 전자로더에 연결한 후, 연료전지용 전자로더의 전원 공급 온/오프키를 조작하면, 시스템 초기화가 수행되며(S10), 마이크로컨트롤러(200)의 ADC, DAC가 초기화된다(S20).First, after the user (operator) connects the fuel cell of the performance evaluation target to the fuel cell electronic loader, and operates the power supply on / off key of the fuel cell electronic loader, system initialization is performed (S10) and the microcontroller ( The ADC and the DAC of 200 are initialized (S20).
시스템 및 ADC, DAC가 초기화 이후 마이크로컨트롤러(200)에서는 사용자의 조작에 따라 키조작부(100)로부터 정전류(CC), 정전압(CV), 정저항(CR), 정전 력(CP), 다이나믹 모드(DYN)의 설정, 설정된 모드에 따른 전류, 전압, 전력 최대값의 설정을 포함한 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호가 입력되는지를 판단한다(S30).After the system, ADC, and DAC are initialized, the
S30 단계의 판단결과 키조작부(100)로부터 연료전지의 성능 평가를 위한 키신호가 입력되면, 마이크로컨트롤러(200)에서는 아날로그 보드부(400)를 제어하여 연료전지의 출력특성을 PI 제어로 측정하도록 하여, ADC를 통해 전압, 전류 데이터를 수신한다(S40).As a result of the determination in step S30, when a key signal for performance evaluation of the fuel cell is input from the
그리고 마이크로컨트롤러(200)에서는 과전류(OCP), 과전압(OVP), 과전력(OPP), 과열(OTP), 역접속(REV) 등의 보호기능을 수행하며(S50), 인터페이스부(600)를 통해 연결된 외부 PC와 통신 인터페이스를 수행한다(S60).In addition, the
이후 마이크로컨트롤러(200)에서는 상술한 S30 단계에서 설정된 정전류(CC), 정전압(CV), 정저항(CR), 정전력(CP), 다이나믹 모드(DYN)에 따라 성능 평가를 수행하는 연료전지의 특성 데이터를 측정한다(S70).Thereafter, the
마지막으로 마이크로컨트롤러(200)에서는 S70 단계에서 측정된 데이터를 표시부(500)를 통해 표시하여, 사용자가 즉시 성능 평가 대상의 연료전지의 특성을 확인할 수 있도록 한다(S80).Finally, the
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Herein, while the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will variously modify the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. And can be changed.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도,1 is a block diagram schematically showing the configuration of an electronic loader for a fuel cell according to the present invention;
도 2는 도 1의 아날로그 보드부의 구성을 상세하게 나타낸 블록도,2 is a block diagram showing in detail the configuration of the analog board of FIG.
도 3은 도 2의 아날로그 보드부의 상세 회로도,3 is a detailed circuit diagram of the analog board unit of FIG. 2;
도 4는 도 1의 부스트 전원공급부의 상세 회로도,4 is a detailed circuit diagram of the boost power supply unit of FIG. 1;
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더의 PI 제어 상태를 설명하기 위한 도면,5 is a view for explaining the PI control state of the fuel cell electronic loader according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 전자로더의 전면부와 후면부의 외형을 나타낸 도면,6 is a view showing the external appearance of the front and rear parts of the fuel cell electronic loader according to the present invention;
도 7은 본 발명의 연료전지용 전자로더의 구동에 따른 동작과정을 나타낸 순서도이다.7 is a flowchart illustrating an operation process according to the driving of the fuel cell electronic loader according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 키조작부100: key operation unit
200 : 마이크로컨트롤러200: microcontroller
300 : 로더모듈300: loader module
400 : 아날로그 보드부400: analog board
500 : 표시부500: display unit
600 : 인터페이스부600: interface unit
700 : 부스트 전원공급부700: boost power supply
Claims (7)
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KR101670784B1 (en) | 2015-03-31 | 2016-10-31 | 대한민국 | Inspection Device for Fuel Level Signal Converter |
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