KR102142447B1

KR102142447B1 - 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치

Info

Publication number: KR102142447B1
Application number: KR1020180172750A
Authority: KR
Inventors: 박현석
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN111381176B; DE102019218959A1; US11271229B2; US20200212465A1; KR20200082298A; CN111381176A

Abstract

본 발명에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치는 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자, 상기 복수의 단자에 각각 직렬 연결되는 제1 저항, 상기 제1 저항 사이에 병렬 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터, 상기 제1 저항 각각에 연결되며, 폐쇄 상태 또는 개방 상태로 변경하 여 셀 전압 측정 또는 단선 진단이 실행되도록 하는 복수의 스위치, 상기 연료전지 셀 중 최하위 셀의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되며 연료전지 셀의 역전압이 발생했을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 저항, 상기 제2 저항과 병렬로 연결되며, 연료전지 셀의 역전압이 발생하지 않았을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 다이오드 및 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 상태를 변경하고, 셀 전압 측정 및 단선 여부를 진단하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치{METHOD OF CONTROLLING FUEL CELL MEASUREMENT VOLTAGE AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}

본 발명은 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지에서 역전압 발생 시 역전류의 경로를 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 핀이 아닌 저항을 통해 흐르도록 함으로써 역전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있는 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 연료전지(fuel cell)는 연료가 가진 화학 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 전환장치이다.

일반 배터리와는 달리, 연료 전지는 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다.

이러한 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이 전해질(electrolyte)과 두개의 전극(electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소(O2)와 수소(H2)가 각각의 전극으로 흘러갈 때 전기가 생성되고 열과 물이 부산물로서 만들어진다.

연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소(H2)가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극인 캐소드 쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 상기 캐소드에서 산소 분자와 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.

연료전지 내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 한다.

하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 "물 범람 또는 홍수(Flooding)" 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내부로 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱더 커지게 된다.

이러한 연료전지 내 물 범람, 동절기의 얼음 생성 및 반응기체 공급장치의 이상 등의 다양한 원인에 의해 PEMFC에 사용되는 반응 기체들(Reactant Gases)인 애노드의 수소 및 캐소드의 산소 또는 공기의 공급 부족 문제가 모두 발생할 수 있다.

그러나, 애노드의 수소 연료 부족(Hydrogen Fuel Starvation)이 연료전지 셀 성능에 매우 치명적인 악영향을 미쳐 셀 전압을 크게 감소시키는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 수소 공급 부족 현상은 크게 연료전지 셀 전체적으로 수소 공급이 부족해지는 "전체적인 수소 부족(Overall Hydrogen Starvation)" 현상과 셀 전체적인 수소 공급은 충분하나 불균일한 분배(Uneven Distribution)로 인해 부분적으로 수소 공급이 부족해지는 "국부적인 수소 부족(Local Hydrogen Starvation)" 현상으로 분류할 수 있다.

이러한 수소 부족 현상은 특히 수소 기체의 불균일한 공급 및 분배, 갑작스러운 연료전지 로드(Load) 요구량 증가 및 연료전지 시동(Start-up) 등의 운전조건에 자주 발생한다.

이 중 전체적인 수소 부족 현상은 연료전지 운전장치(Balance Of Plant) 등에서 센서를 사용하여 수소 공급 상태 등을 모니터함으로써 비교적 용이하게 검지할 수 있으나, 일부 셀에서의 국부적인 수소 부족 현상은 연료전지의 각 셀을 셀 전압 측정 반도체를 통해 면밀하게 모니터해야만 검지할 수 있다.

예를 들어, 연료전지는 정상적으로 5분 이상 운전되던 도중 1개 셀의 전압이 갑자기 0.1 V로 급락하였는데, 이러한 갑작스런 셀 전압 저하 현상이 발생하면 연료전지차량의 지속적 운행을 위해 바로 차량 내 연료전지의 운전을 정지하고 해체하여 이러한 비정상운전 셀을 교체 및 수리해 주어야 한다.

이러한 현상은 대부분 국부적인 수소 공급 부족에 의해 발생하는데, 이렇게 전압이 급락하는 셀을 방치하고 계속 차량을 운전할 경우 결국 전압이 0 V 미만이 되는 셀 역전압 상태에 빠르게 도달하여 MEA의 촉매 담체(Catalyst Support)인 탄소의 부식을 가속화할 수 있다.

상기와 같이, 종래의 연료전지에서 역전압 발생 시 역전류가 셀 전압 측정 반도체에 인가되는데, 셀 전압 측정 반도체는 역전압에 대한 내성이 약해 소손이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

또한, 셀 전압 측정 반도체에 의해 단선 진단의 동작 중에는 오동작이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 방안이 필요한 실정이다.

본 발명은 배터리 셀의 셀 전압 측정 모드로 실행 시 역전압이 발생되면 역전류의 경로를 셀 전압 측정 회로의 저항이 아닌 별도의 셀 전압 측정 회로의 저항값 보다 큰 저항을 통해 흐르도록 함으로써 역연전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있도록 하는 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 셀의 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드일 때 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 하여 저항에 흐르는 전류로 인한의 전압 강화가 발생하는 것을 방지할 수 있는 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치는 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자, 상기 복수의 단자에 각각 직렬 연결되는 제1 저항, 상기 제1 저항 사이에 병렬 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터, 상기 제1 저항 각각에 연결되며, 폐쇄 상태 또는 개방 상태로 변경하여 셀 전압 측정 또는 단선 진단이 실행되도록 하는 복수의 스위치, 상기 연료전지 셀 중 최하위 셀의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되며 연료전지 셀의 역전압이 발생했을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 저항, 상기 제2 저항과 병렬로 연결되며, 연료전지 셀의 역전압이 발생하지 않았을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 다이오드 및 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 상태를 변경하고, 셀 전압 측정 및 단선 여부를 진단하는 제어기를 포함한다.

또한, 상기 제어기는 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치의 상태를 개방 상태로 유지시키고, 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치의 상태를 폐쇄 상태로 유지시킨다.

또한, 상기 다이오드는 상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 연료전지가 역전압이 발생하지 않으면 전류가 흐르는 경로를 제공한다.

또한, 상기 제2 저항은 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 연료전지에서 역전압이 발생 되면 역전류가 흐르는 경로를 제공한다.

또한, 상기 제어기는 상기 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상인지 여부에 따라 단선이 발생하였다고 판단할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법은 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 연료전지의 제1 저항 각각에 연결된 복수의 스위치 각각의 상태를 변경하는 단계, 상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 측정된 전압 사이의 차이 전압을 이용하여 단선 여부를 판단하는 단계 및 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 역전압이 발생하면 상기 제1 저항을 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 연료전지의 제1 저항 각각에 연결된 복수의 스위치 각각의 상태를 변경하는 단계는 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각의 상태를 개방 상태로 변경하는 단계 및 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각의 상태를 폐쇄 상태로 변경하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 측정된 전압 사이의 차이 전압을 이용하여 단선 여부를 판단하는 단계는 상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각에 연결된 제1 저항 및 제2 저항과 병렬로 연결된 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 경로를 제공하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 역전압 발생 여부에 따라 상기 제1 저항의 일부 연결된 소자를 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 단계는 상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 역전압이 발생하면 상기 제2 저항을 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 측정된 전압 사이의 차이 전압을 이용하여 단선 여부를 판단하는 단계는 상기 셀 전압 측정 모드에서 상기 제1 저항과 연결된 캐패시터의 전압과 상기 단선 진단 모드에서 상기 캐패시터 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상인지 여부에 따라 단선이 발생하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

또한, 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법은 상기 셀 전압 측정 모드에서 서로 이웃하고 있는 셀의 커패시터 전압의 차이가 특정 임계값 이상이면 단선이 발생하였다고 판단하는 단계를 더 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 배터리 셀의 셀 전압 측정 모드로 실행 시 역전압이 발생되면 역전류의 경로를 셀 전압 측정 회로의 저항이 아닌 별도의 셀 전압 측정 회로의 저항값 보다 큰 저항을 통해 흐르도록 함으로써 역연전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 배터리 셀의 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드일 때 저항이 아닌 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 하여 저항의 전압 강화가 발생하는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 연료전지의 원리를 도시한 도면이다.
도 2은 일반적인 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법의 다른 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 2은 일반적인 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2을 참조하면, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(10)는 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3), 상기 복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3)에 각각 직렬 연결되는 복수의 저항(R1~Rn), 복수의 저항(R1~Rn) 사이에 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터(C1~Cn) 및 상기 복수의 저항(R1~Rn)에 각각 연결되는 복수의 스위치(S1~Sn)를 포함한다.

복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3)는 각 연료전지의 셀 각각과 연결되어 있고, 제1 저항(R1~Rn)과 직렬로 연결된다. 예를 들어, 복수의 단자(110_1~110_n)는 (+)단, (-)단으로 구현될 수 있다.

복수의 저항(R1~Rn)은 복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3) 각각에 직렬로 연결되며, 복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3) 각각으로부터 인가되는 전류가 흐르는 경로를 제공하며, 복수의 저항(R1~Rn)을 통과한 전류는 셀 전압 측정 반도체에 인가된다.

하지만, 연료전지에서 역전압(예를 들어, 각각의 셀 기준에서 -1V)이 발생 시 복수의 저항(R1~Rn)을 통해 역전류가 셀 전압 측정 반도체에 인가된다. 이러한 경우, 셀 전압 측정 반도체는 역전압에 대한 내성이 약해 소손이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

복수의 캐패시터(C1~Cn)는 복수의 저항(R1~Rn)의 사이에 병렬로 연결된다. 예를 들어, 복수의 저항 중 어느 두 개의 저항(R1, R2)의 사이에는 제1 캐패시터(C1)가 연결될 수 있고, 어느 두 개의 저항(R2, R3)의 사이에는 제2 캐패시터(C2)가 연결될 수 있다. 이때, 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 직렬로 연결될 수 있다.

복수의 스위치(S1~Sn) 각각은 폐쇄 상태 또는 개방 상태를 유지하여 연료전지 셀 전압 측정 반도체에 의해 셀 전압 측정 또는 단선 진단이 실행되도록 한다.

일 실시예에서, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각은 개방 상태를 유지하여 연료전지 셀 전압 측정 반도체에 의해 셀 전압 측정이 실행되도록 한다.

상기와 같이, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 개방 상태를 유지하여 연료전지 셀 전압 측정 반도체에 의해 셀 전압 측정이 실행되는 경우, 복수의 단자(11_1, 11_2, 11_3) 각각으로부터 인가되는 전류는 복수의 저항(R1~Rn)을 통해 셀 전압 측정 반도체에 인가된다.

또한, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 폐쇄 상태를 유지하여 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 단선 진단이 실행되는 경우 모든 채널의 단선 진단을 위한 전류가 흐르므로 큰 전류가 흐르게 되고 이 전류가 제2 저항을 통해 흐르므로 제2 저항의 전압강하가 크게 생겨서 단선이 아닌데도 단선으로 오진단을 하기 때문에 이를 방지하기 위한 방안이 필요한 실정이다.

도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자(110_1~110_n), 복수의 단자(110_1~110_n) 각각에 연결되는 제1 저항(R1~Rn), 제1 저항(R1~Rn) 사이에 병렬 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터(C1~Cn), 연료전지 셀 중 최하위 셀(V1)의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되며 연료전지 셀의 역전압이 발생했을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 저항(120), 제2 저항과 병렬로 연결된 다이오드(130), 제1 저항(R1~Rn)에 각각 연결되는 복수의 스위치(S1~Sn), 및 복수의 스위치(S1~Sn) 제어, 셀 전압 측정 및 단선을 진단하는 제어기(140)를 포함한다.

복수의 단자(110_1~110_n)는 각 연료전지의 셀 각각과 연결되어 있고, 제1 저항(R1~Rn)과 직렬로 연결된다. 예를 들어, 복수의 단자는 (+)단, (-)단으로 구현될 수 있다.

제1 저항(R1~Rn)은 복수의 단자(110_1~110_n) 각각에 직렬로 연결되며, 복수의 단자(110_1~110_n) 각각으로부터 인가되는 전류가 흐르는 경로를 제공하며, 제1 저항(R1~Rn)을 통과한 전류는 셀 전압 측정 반도체에 인가된다.

복수의 캐패시터(C1~Cn)는 제1 저항(R1~Rn)의 사이에 병렬로 연결된다.

다이오드(130)은 제2 저항(120)과 병렬로 연결되며, 연료전지가 역전압이 발생하지 않는다면 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드 시 전류가 흐르는 경로를 제공한다.

도 3과 같이, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 개방 상태를 유지하는 경우 셀 전압 측정 모드로 동작하게 된다. 도 3과 같이 셀 전압 측정 모드로 동작하게 되는 경우 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 개방 상태를 유지하기 때문에 복수의 스위치(S1~Sn) 및 복수의 스위치(S1~Sn) 각각과 연결된 저항을 통해 전류가 흐르지 않게 된다.

따라서, 셀 전압 측정 모드에서 측정된 전류는 단선 진단 모드에서 측정된 전류보다 작으며, 전류가 제2 저항(120)을 통해 흐르지 않고 다이오드(130)을 통해 흐른다.

도 4와 같이, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 폐쇄 상태를 유지하는 경우 단선 진단 모드로 동작하게 된다. 도 4와 같이 단선 진단 모드로 동작하게 되는 경우, 복수의 스위치(S1~Sn) 각각이 폐쇄 상태를 유지하기 때문에 복수의 스위치(S1~Sn) 및 복수의 스위치(S1~Sn) 각각과 연결된 저항을 통해 전류가 흐르게 된다.

따라서, 전류는 셀 전압 측정 모드에서 흐르는 전류보다 크며 전류가 제2 저항(120)을 통해 흐르면 저항을 통한 전압강하가 커지므로 전류가 다이오드(130)을 통해 흐르도록 다이오드(130)가 제2 저항(120)과 병렬로 연결된 것이다.

복수의 스위치(S1~Sn) 각각은 제어기(140)의 제어에 따라 셀 전압 측정 모드일 경우 개방 상태를 유지하고 단선 진단 모드일 경우 폐쇄 상태를 유지한다.

제어기(140)는 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 상태를 변경하고, 셀 전압 측정 및 단선 여부를 진단한다.

이를 위해, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드일 때 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 개방 상태를 유지시킨 후 셀 전압을 측정하고, 단선 진단 모드일 때 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 폐쇄 상태를 유지시킨 후 진단 전류를 흐르게 한 상태에서 셀 전압을 측정한다.

이하에서는, 제어기(140)가 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 폐쇄 상태를 유지시켜 단선 진단 모드로 동작하는 과정을 설명하로 한다.

제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상인지 여부에 따라 단선이 발생하였다고 판단한다.

일 실시예에서, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상이면 단선이 발생하였다고 판단한다.

다른 일 실시예에서, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이하이면 단선이 발생하지 않았다고 판단한다.

상기의 실시예에서, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 서로 이웃하고 있는 셀의 커패시터 전압의 차이가 특정 임계값 이상이면 단선이 발생하였다고 판단한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 회로도이다.

도 5를 참조하면, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자(110_1~110_n), 복수의 단자(110_1~110_n) 각각에 연결되는 제1 저항(R1~Rn), 제1 저항(R1~Rn) 사이에 병직렬 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터(C1~Cn), 연료전지 셀 중 최하위 셀(V1)의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되며 연료전지 셀의 역전압이 발생했을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 저항(120), 제2 저항(120)과 병렬로 연결되며, 연료전지 셀의 역전압이 발생하지 않았을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 다이오드(130), 제1 저항(R1~Rn)에 각각 연결되는 복수의 스위치(S1~Sn) 및 복수의 스위치(S1~Sn) 제어, 셀 전압 측정 및 단선 여부를 진단하는 제어기(140)를 포함한다.

하지만, 연료전지 셀에서 역전압(예를 들어, 각각의 셀 기준에서 -1V)이 발생 시 복수의 저항(R1~Rn)을 통해 역전류가 셀 전압 측정 반도체에 인가된다. 이러한 경우, 셀 전압 측정 반도체는 역전압에 대한 내성이 약해 소손이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

이와 같이, 본 발명은 연료전지 셀에서 역전압 발생 시 제1 저항(R1~Rn)을 통해 역전류가 셀 전압 측정 반도체의 GND에 바로 흐르지 않도록 하고, 제2 저항(120)을 통해 셀 전압 측정 반도체의 GND로 흐르도록 하여 역전류를 제한하여 역전압으로부터 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있도록 하였다. 이러한 과정은 이하의 제2 저항(120)을 설명하며 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

복수의 캐패시터(C1~Cn)는 제1 저항(R1~Rn)의 사이에 병렬로 연결된다. 예를 들어, 제1 저항(R1~Rn) 중 어느 두 개의 저항(R1, R2)의 사이에는 제1 캐패시터(C1)가 연결될 수 있고, 어느 두 개의 저항(R2, R3)의 사이에는 제2 캐패시터(C2)가 연결될 수 있다. 이때, 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 직렬로 연결될 수 있다.

제2 저항(120)은 연료전지 셀 중 최하위 셀(V1)의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되며 연료전지의 역전압 발생 여부에 따라 전류가 흐르는 경로를 제공한다.

제2 저항(120)은 복수의 스위치(S1~Sn)의 상태가 개방 상태를 유지하여 셀 전압 측정 모드로 실행될 때 연료전지 셀에서 역전압 발생 시 전류가 흐르는 경로를 제공한다.

이러한 경우, 제1 저항(R1~Rn)을 통해 흐르는 전류가 셀 전압 측정 반도체의 GND로 바로 흐르지 않고 제2 저항(120)을 통해 전류가 흐르기 때문에 역전류를 제한하여 역전압으로부터 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있도록 한다.

종래에는 도 2와 같이 제2 저항(120)이 구비되어 있지 않기 때문에 연료전지에서 역전압이 발생 시 역전류가 제1 저항(R1~R3) 중 R1을 통해 셀 전압 측정 반도체에 바로 흐르게 된다. 이러한 경우, 셀 전압 측정 반도체는 역전압에 대한 내성이 약해 소손이 발생할 수 있다는 문제가 있었다.

하지만, 본 발명은 제1 저항(R1~R3) 중 R1으로 흐르는 전류 흐름 대신 직렬로 제2 저항(120)을 추가한 후, 제어기(140)의 동작에 따라 연료전지에서 역전압이 발생 시 R1이 아닌 제2 저항(120)을 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 역전압 발생 시 역전류의 경로를 제2 저항(120)을 통해 흐르도록 함으로써 역전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있다.

복수의 스위치(S1~Sn) 각각은 제어기(140)의 제어에 따라 셀 전압 측정 모드일 경우 개방 상태를 유지하고 단선 진단 모드일 경우 폐쇄 상태를 유지한다. 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드로 동작할 때 역전압이 발생하면 제2 저항(120)을 통해 전류가 흐르게 하고 역전압이 발생하지 않으면 및 다이오드(130)를 통해 전류가 흐르도록 동작한다.

이를 위해, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드일 때 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 개방 상태를 유지시키고, 단선 진단 모드일 때 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 폐쇄 상태를 유지시킨다.

이하에서는, 제어기(140)가 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 개방 상태를 유지시켜 셀 전압 측정 모드로 동작하는 과정을 설명하기로 한다.

제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 복수의 스위치(S1~Sn) 각각의 상태를 개방 상태로 유지시킨 상태에서 셀 전압을 측정한다. 이때, 제어기(140)는 셀 전압 측정 모드에서 셀 전압을 측정하는 과정에서 역전압이 발생하였는지 여부에 따라 제2 저항(120)을 통해 전류가 흐르도록 경로를 제공한다.

상기의 실시예에서, 제어기(140)는 연료전지에서 역전압 발생 시 제2 저항(120)을 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공한다. 이와 같이, 본 발명은 역전압 발생 시 역전류의 경로를 제2 저항(120)을 통해 흐르도록 함으로써 역전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 복수의 스위치 각각의 상태를 변경한다(단계 S610).

단계 S610에 대한 일 실시예에서, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드로 동작 시 복수의 스위치 각각의 상태를 개방 상태로 변경한다.

단계 S610에 대한 다른 일 실시예에서, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 단선 진단 모드로 동작 시 복수의 스위치 각각의 상태를 폐쇄 상태로 변경한다.

연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드로 동작 시 연료전지에서 역전압이 발생 하였는지 여부를 확인한다(단계 S620).

연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 역전압 발생 시(단계 S630), 연료전지 셀 중 최하위 셀의 (-)극과 반도체 GND 사이에 직렬로 연결된 제2 저항을 통해 전류가 흐르는 경로를 제공한다(단계 S640).

이와 같이, 본 발명은 역전압 발생 시 역전류의 경로를 제2 저항을 통해 흐르도록 함으로써 역전류를 제한하여 역전압으로부터 연료전지 셀 전압 측정 반도체의 소손을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도 7은 본 발명에 따른 연료전지 셀 전압 측정 제어 방법의 다른 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 복수의 스위치 각각의 상태를 변경한다(단계 S710).

단계 S710에 대한 일 실시예에서, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드로 동작 시 복수의 스위치 각각의 상태를 개방 상태로 변경한다.

단계 S710에 대한 다른 일 실시예에서, 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 단선 진단 모드로 동작 시 복수의 스위치 각각의 상태를 폐쇄 상태로 변경한다.

연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교한다(단계 S720).

연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 전압 차이가 특정 임계값 이상이면(단계 S630), 단선이 발생하였다고 판단한다(단계 S630).

연료전지 셀 전압 측정 제어 장치(100)는 전압 차이가 특정 임계값 이하이면(단계 S630), 단선이 발생하지 않았다고 판단한다(단계 S650).

또는, 셀 전압 측정 모드에서 서로 이웃하고 있는 셀의 커패시터 전압을 비교한다. 차이가 특정 임계값 이상이면 단선이 발생하였다고 판단한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

삭제

100: 연료전지 셀 전압 측정 제어 장치
11_1, 11_2, 11_3: 복수의 단자
110_1~110_n: 복수의 단자
120: 제2 저항
130: 다이오드
140: 제어기

Claims

직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자;
상기 복수의 단자에 각각 직렬 연결되는 제1 저항;
상기 제1 저항 사이에 병렬 연결되어 전압을 저장하는 복수의 캐패시터;
상기 제1 저항 각각에 연결되며, 폐쇄 상태 또는 개방 상태로 변경하는 복수의 스위치;
상기 제1 저항에 포함되는 최하위 저항(R1)이 상기 연료전지 셀 중 최하위 셀의 (-)극에 접속되는 노드와 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되어, 상기 연료전지 셀의 역전압 발생 시 상기 최하위 저항으로의 전류 흐름을 차단하고 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 제2 저항;
상기 제2 저항과 병렬로 연결되며, 상기 연료전지 셀의 역전압이 발생하지 않았을 때 전류가 흐르는 경로를 제공하는 다이오드; 및
셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 상기 복수의 스위치의 상태를 변경하고, 셀 전압 측정 및 단선 여부를 진단하는 제어기를 포함하고,
상기 제2 저항 및 상기 다이오드는, 상기 연료전지 셀의 역전압 발생 여부에 따라 상호 간 선택적으로 전류 흐름 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 셀 전압 측정 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치의 상태를 개방 상태로 유지시키고, 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치의 상태를 폐쇄 상태로 유지시키는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 다이오드는
상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 제어기의 동작에 따라 전류가 흐르는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 저항은
상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 연료전지에서 역전압이 발생 되면 상기 제어기의 동작에 따라 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 셀 전압 측정 모드에서 측정된 캐패시터의 전압 및 단선 진단 모드에서 측정된 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상인지 여부에 따라 단선이 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 장치.
셀 전압 측정 모드 또는 단선 진단 모드에 따라 제1 저항 각각에 연결된 복수의 스위치 각각의 상태를 변경하는 단계로서, 상기 제1 저항은 직렬 연결된 연료전지 셀 사이에 각각 연결되는 복수의 단자에 각각 직렬 연결되는 것인, 단계;
상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시, 다이오드를 통해 전류가 흐르는 경로를 제공하고 상기 제1 저항 사이에 병렬 연결되는 복수의 커패시터에서 측정된 전압 사이의 차이 전압을 이용하여 단선 여부를 판단하는 단계;
상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 역전압이 발생하면 제2 저항을 통해 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 단계로서, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항에 포함되는 최하위 저항(R1)이 상기 연료전지 셀 중 최하위 셀의 (-)극에 접속되는 노드와 반도체 GND 사이에 직렬로 연결되어, 상기 연료전지 셀의 역전압 발생 시 상기 최하위 저항으로의 전류 흐름을 차단하고 역전류가 흐르는 경로를 제공하는 것인, 단계를 포함하고,
상기 다이오드는 상기 제2 저항과 병렬로 연결되어, 상기 연료전지 셀의 역전압 발생 여부에 따라 상기 제2 저항과 선택적으로 전류 흐름 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 셀 전압 측정 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 복수의 스위치 각각의 상태를 변경하는 단계는
상기 셀 전압 측정 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각의 상태를 개방 상태로 변경하는 단계; 및
상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각의 상태를 폐쇄 상태로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 단선 여부를 판단하는 단계는
상기 셀 전압 측정 모드 또는 상기 단선 진단 모드로 동작 시 상기 복수의 스위치 각각에 연결된 제1 저항 및 상기 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 경로를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 방법.
삭제
제8항에 있어서,
상기 단선 여부를 판단하는 단계는
상기 셀 전압 측정 모드에서 상기 제1 저항과 연결된 캐패시터의 전압과 상기 단선 진단 모드에서 상기 캐패시터의 전압을 비교하여 전압 차이가 특정 임계값 이상인지 여부에 따라 단선이 발생하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 셀 전압 측정 모드에서 서로 이웃하고 있는 셀의 커패시터 전압의 차이가 특정 임계값 이상이면 단선이 발생하였다고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
연료전지 셀 전압 측정 제어 방법.