KR100826149B1

KR100826149B1 - 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급장치 및 방법

Info

Publication number: KR100826149B1
Application number: KR1020060116784A
Authority: KR
Inventors: 곽기호; 고정호; 윤주홍
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20080129270A1; US7852048B2

Abstract

본 발명은 배터리와 전기이중층 콘덴서(이하 ‘슈퍼커패시터’라 함)로 구동되며 순간 고 전력을 필요로 하는 소화기 사격통제장치의 전원공급장치 설계에 관한 소화기용 사격통제장치 또는 이와 유사한 소형무기시스템의 전원공급장치로서, 배터리로부터 전원인가시, 낮은 전류를 제한하는 제1 전류제한부와, 높은 전류를 제한하는 제2 전류제한부와, 상기 제1 및 제2 전류제한부에 연결되고, 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전될 경우, 부하에 공급할 최종전압까지 충전되도록 하는 제너다이오드 및 승압 컨버터와, 실시간으로 상기 장치의 전원공급상태 및 상기 슈퍼 커패시터의 전압을 파악하고, 상기 장치에 사용되는 제1 및 제2 전류제한부들의 ON/OFF를 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하여, 한정된 배터리의 방전 용량 안에서 레이저, 열상, 신관 에너지 장입 등 순간 고 전력을 요구하는 다양한 기능들을 구현해야하는 소화기용 사격통제장치의 전원공급장치를 설계하는데 있어, 전원제어 프로세서와 가변 전류 제한 회로, 그리고 쇄도 전류 방지 및 슈퍼커패시터 충전 효율을 증대시키는 회로 등을 사용해서 시스템 전체의 전원을 안정적이고 효율적으로 관리하는 효과가 있으며, 배터리의 사용 시간을 증가시키는 효과가 있다.

슈퍼커패시터, 전류제한부, 승압컨버터, 제너 다이오드

Description

소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급장치 및 방법{A DEVICE AND METHODS FOR SUPPLYING INSTANT HIGH POWER TO THE FIRE CONTROL SYSTEM OF THE SMALL ARMS}

도1은 일반적인 순간 고 전력 전원공급장치 구성도,

도2는 본 발명에 따른 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급장치 구성도,

도3은 본 발명의 전원제어 프로세서의 신호와 그에 따른 슈퍼커패시터의 충전 시간에 관한 그래프,

도4a는 기존의 전원공급장치를 적용했을 때 슈퍼커패시터의 충전전압 및 쇄도전류에 관한 그래프,

도4b는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 충전전압 및 쇄도전류에 관한 그래프,

도5는 본 발명에 따른 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급방법에 관한 도이다.

본 발명은 배터리와 전기이중층 콘덴서(이하 ‘슈퍼커패시터’라 함)로 구동되며 순간 고 전력을 필요로 하는 소화기 사격통제장치의 전원공급장치와 이와 유사한 군사용/민수용 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 소화기의 사격통제장치는 휴대를 위해 배터리로만 구동되어야 하고 배터리의 최대 연속 방전전류 범위 안에서 주제어보드와 열상처리보드가 구동되어야 하며, 최대 펄스 방전전류 범위 안에서 레이저 구동, 신관 에너지장입 등과 같이 순간 고 전력을 요구하는 장치에 전력을 공급할 수 있어야 한다.

만약 평균 1.5A의 전류를 배터리에서 시스템에 계속 공급하고 있는 상황에서 특정 순간 약 0.5초 동안 1.5A의 전류를 5초 주기로 공급할 수 있어야한다면 이를 해결할 수 있는 방법은 큰 크기의 충분한 용량을 가진 배터리를 사용하거나 순간 고 전류를 보상 할 수 있는 슈퍼커패시터를 사용하는 것이다.

따라서 배터리로 구동되며 휴대가 가능한 소형 무기체계에 안정적인 전원을 공급하기 위한 가장 적절한 방법은 배터리와 슈퍼커패시터의 조합으로 이루어진 전원공급장치를 설계하는 것이다.

하지만 이 방법 역시 커패시터의 초기 충전 시 배터리로부터 과 전류를 요구함으로 이로 인해 배터리가 파손되는 문제점을 안고 있다.

따라서 기존의 배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 전원공급장치들은 커패시터의 충전을 위해 요구되는 과도 전류를 막기 위해 전류제한 회로 또는 칩을 사용하 는데 이는 시스템의 전원공급 상태와 관계없이 항상 고정된 전류 값으로 제한함으로써 시스템 전원의 효율적인 사용이 불가피하고 이것으로 인해 슈퍼커패시터의 충전 시간이 길어지는 문제점이 있다.

특히 이러한 문제는 소화기용 사격통제장치처럼 짧은 시간 동안 레이저, 열상, 신관 설정 등의 구동을 위해 정확한 전원제어를 해야 하는 시스템에서는 더욱 중요한 것이다.

특히 시스템 전체의 크기를 최소로 하기 위해 단일 배터리로 구동되는 소화기용 사격통제장치와 같은 경우에 배터리 전압의 수배에서 수백 배 이상의 전압을 요구하는 부하들에게 안정적인 요구 전원을 공급해야함으로 이를 위해서는 배터리 전압을 승압시킬 수 있는 승압 컨버터와 순간 고 전력을 공급할 수 있는 슈퍼커패시터가 반드시 필요하다.

그리고 레이저 구동과 같이 수 밀리 초 동안 수백 볼트의 전압을 안정적으로 요구하고 부하를 위해서는 반드시 배터리 전압을 승압 컨버터를 이용해 1차 승압 후 레이저 구동용 승압 컨버터의 입력으로 공급하여야하는데 이때 1차 승압된 전압으로 슈퍼커패시터를 완전 충전할 경우 초기 쇄도 전류가 크게 발생하여 슈퍼커패시터와 다른 부품들에 큰 충격을 줄 수도 있고, 승압 컨버터의 평균 효율이 80~85%인 것을 감안하면 이것으로 인한 충전 효율 감소 문제도 발생한다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발 명의 목적은 배터리라는 한정된 전원 조건하에서 구동되는 소화기용 사격통제장치를 비롯한 이와 유사한 소형 무기체계의 전원공급장치를 설계하는데 있어서 전원제어용 프로세서를 이용하여 시스템의 전원 상태에 따라 슈퍼커패시터에 공급하는 제한 전류 값을 변화시킬 수 있고, 슈퍼커패시터의 초기 충전 시 발생하는 쇄도 전류의 영향을 최소화하며, 충전 효율도 증가시킬 수 있는 전원공급장치의 설계 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소화기용 사격통제장치 또는 이와 유사한 소형무기시스템의 전원공급장치에 있어서, 배터리로부터 전원인가시, 낮은 전류를 제한하는 제1 전류제한부, 높은 전류를 제한하는 제2 전류제한부, 상기 제1 및 제2 전류제한부에 연결되고, 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전될 경우, 부하에 공급할 최종전압까지 충전되도록 하는 제너다이오드 및 승압 컨버터, 실시간으로 상기 장치의 전원공급상태 및 상기 슈퍼 커패시터의 전압을 파악하고, 상기 장치에 사용되는 제1 및 제2 전류제한부들의 ON/OFF를 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하여, 가변 전류 제한 및 다단계 충전방식을 사용하여 순간 고 전력 전원을 부하에 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장치는 상기 제1 및 제2 전류제한부에 연결되고, 초기 쇄도 전류를 제한하는 제너다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 전류제한부는 배터리로부터 전원이 인가되면, 온(ON)되고, 상기 제2 전류제한부는 상기 슈퍼커패시터가 완전 충전되고, 상기 장치가 안정화가 되면, 온(ON)되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 부하에 고 전력 전원을 공급할 경우에, 상기 승압 컨버터를 온(ON)시켜주는 것을 특징으로 한다.

각기 다른 제한 전류 값을 가지는 두 개의 전류제한 칩을 사용하고 실시간으로 시스템 내의 다른 전자 보드들의 전원 상태를 파악하여 이 결과를 바탕으로 전류제한 칩을 스위칭함으로써 제한 전류 값을 변경할 수 있도록 하였고, 이로 인해 한정된 배터리의 연속방전 전류 범위 안에서 안정적으로 시스템에 전원을 공급할 수 있도록 하였다. 그리고 슈퍼커패시터를 충전하는 데 있어 제너다이오드를 통해 1차 충전을 하면서 커패시터의 충전 전압을 전원제어 프로세서에서 실시간으로 모니터링해 배터리와 같은 전압 레벨에 도달하면 전원제어 프로세서에서 승압 컨버터를 켜서 최종 전압까지 충전하도록 하였고, 이로 인해 처음부터 승압 컨버터를 통해 최종 전압까지 충전 시보다 쇄도 전류의 영향을 최소화할 수 있고 슈퍼커패시터의 충전 효율도 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 순간 고 전력 전원공급장치 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급장치 구성도이며, 도 3은 본 발 명의 전원제어 프로세서의 신호와 그에 따른 슈퍼커패시터의 충전 시간에 관한 그래프이며, 도 4a 및 도 4b는 슈퍼커패시터의 충전전압 및 쇄도전류에 관한 그래프이다.

도 1은 기존의 일반적인 순간 고 전력 공급용 전원공급장치의 구성도이다. 배터리(1)에서 공급되는 전원은 시스템에서 전원공급장치(3)와 이를 제외한 전자보드(5)들에 제공된다. 그리고 배터리(1)의 최대 펄스방전전류에서 전자보드(5)들이 상시 소모하는 최대 전류 값을 제외한 전류 값을 전류 제한 회로 또는 칩(3a)의 전류 제한 값으로 설정한다. 따라서 이 제한된 전류 값이 승압 컨버터(3b)를 통해 슈퍼커패시터(3c)를 충전하게 되고, 이렇게 충전된 슈퍼커패시터(3c)는 부하(7)가 순간 고 전력을 요구할 때 배터리(1)를 보상해 부하(7)에 순간 고 전류를 공급한다.

도 2는 본 발명에 따른 소화기용 사격통제장치용 전원공급장치의 구성도를 나타낸 것으로서, 전원공급장치(11)는 실시간으로 시스템의 전원 공급 상태를 파악하고, 슈퍼커패시터(3c)의 전압을 체크하며, 전원공급장치에 사용되는 칩들(제1 및 제2 전류제한부, 제1 및 제2 승압컨버터)의 ON/OFF 제어를 하는 전원제어용 마이크로 프로세서(11a), 낮은 전류 제한 값을 가지는 제1 전류제한부(11b), 높은 전류 제한 값을 가지는 제2 전류제한부(11c), 및 초기 쇄도 전류를 감소시키기 위해 사용되는 제너다이오드(11d)로 구성된다.

그리고 부하(7)는 사격 모드 시 5초에 한번씩 500밀리 초동안 약 7.5W의 순간 고 전력을 요구하는 신관설정보드(7a), 열상 영상보정을 위해 열상 1점 1보정 시 300밀리 초동안 7.5W를 요구하는 셔터구동회로(7b), 그리고 레이저 구동 시 100밀리 초동안 300V의 전압과 약 0.025A의 전류를 요구하는 레이저 구동 장치(7c)로 구성된다.

본 발명의 동작은, 배터리(1)로부터 전원이 인가되면 전원공급장치(11)상의 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)가 제1 전류제한부(11b)를 ON시키고, 제2 전류제한부(11c), 제1 승압 컨버터(11e), 제2 승압 컨버터(11f)는 OFF 상태를 유지한다.

이 순간 제1 전류제한부(11b)를 통과한 전류가 제너다이오드(11d)를 통해 슈퍼커패시터(3c)를 충전하게 되고 이 충전 전압을 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)에서 실시간으로 파악하면서 배터리(1)와 같은 전압 레벨까지 슈퍼커패시터(3c)가 충전이 되면, 제1 승압 컨버터(11e)를 ON 함으로써 최종 전압까지 충전을 하고 각 부하(7)에서 순간 고 전력을 필요로 할 때 방전을 하게 된다.

그리고 레이저 구동 장치(7c)는 누설 전류를 최소화하기 위해 레이저 구동 순간에만 제2 승압 컨버터(11f)를 ON시키고 그 외에는 항상 OFF로 둔다. 그리고 처음 시스템에 전원 인가 후 슈퍼커패시터(3c)가 완전 충전이 되고 주변 기타 전자보드(5)들이 안정화가 되면 해당 전자보드(5)들이 소모하는 전류가 많이 줄어들게 된다(소화기용 사격통제장치의 경우 주 제어 프로세서, 메모리, FPGA(Field Programmable Gate Array)등이 안정화 후 약 400밀리 암페어의 전류 소모가 줄어듦.).

이 때 실시간으로 시스템의 전원 상태를 파악하고 있는 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)는 이 전류를 전원공급장치(11)로 돌리기 위해 제1 전류제한부(11b)를 OFF 시키고, 제2 전류제한부(11c)를 ON 시킴으로서 배터리(1)의 한정된 전력 용량 안에서 시스템의 각 장치들(7a, 7b, 7c)이 요구하는 전원을 효과적으로 분배해 사용한다.

도 3은 시스템의 상태와 시간에 따른 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)의 신호와 그에 따른 슈퍼커패시터(3c)의 충전 시간을 나타낸 것으로서, 시스템 전원 인가 후 시스템이 안정화 단계에 들어가면서 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)에서 제2 전류제한부(11c)를 ON 함으로써 슈퍼커패시터(3c)의 충전 시간이 처음 Δt1에서 Δt2로 줄어든다.

도 4는 기존의 전원공급장치를 적용했을 때(도 4a)와 본 발명을 적용했을 때(도 4b)에 슈퍼커패시터(3c) 충전 시 발생하는 쇄도 전류와 슈퍼커패시터의 충전 특성을 나타낸다.

이와 같이 본 발명은 배터리와 슈퍼커패시터로 구동되며 순간 고 전력을 필요로 하는 소화기 사격통제장치의 전원공급장치 설계에 관한 것으로서, 기존의 순간 고 전력 전원공급장치의 문제점이였던 슈퍼커패시터 충전시간의 증가와 충전효율 감소, 그리고 과도한 쇄도 전류로 인한 전자부품의 충격 증가 등의 문제점을 효율적으로 해결하였다.

본 발명의 전원공급장치(11)는 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)에서 실시간으로 시스템의 전원 상태를 파악하고 이에 따라 각기 제한 전류 값이 다른 전류제한부(11b, 11c)을 스위칭함으로써 슈퍼커패시터(3c)의 충전 시간을 감소시키고, 슈퍼커패시터 충전 시 배터리의 과 전류 방전으로 인한 배터리의 파손 문제를 해결하였으며, 시스템의 전원을 적절히 분배함으로써 전원 사용 효율을 극대화시켰다.

그리고 슈퍼커패시터를 충전하는 데 있어 제너다이오드(11d)를 통해 1차 충전을 하면서 슈퍼커패시터(3c)의 충전 전압을 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)에서 실시간으로 모니터링 해 배터리(1)와 같은 전압 레벨에 도달하면 전원제어용 마이크로 프로세서(11a)에서 제1 승압 컨버터(11e)를 켜서 최종 전압까지 충전하도록 함으로써 쇄도 전류를 줄였고 슈퍼커패시터의 충전 효율을 향상시켰다.

이하, 상기와 같이 구성된 본원발명에 따른 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급방법에 대하여 기술하기로 한다.

본원발명에 따른 소화기용 사격통제장치 또는 이와 유사한 소형무기시스템에 전원을 공급하는 방법은, 배터리로부터 전원인가시, 전류제한부에 의하여 상기 장치에 공급되는 전류중 낮은 전류를 제한하는 제1 단계, 상기 제한된 전류를 슈퍼커패시터에 충전시켜주는 제2 단계, 상기 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전될 경우, 제너 다이오드와 승압컨버터에 의하여 부하에 공급할 최종전압까지 충전하는 제3 단계, 상기 충전된 전압을 고전력을 요하는 부하에 방전시켜주는 제4 단계를 포함하여, 가변 전류 제한 및 다단계 충전방식을 사용하여 순간 고 전력 전원을 부하에 공급하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2 단계는, 제너 다이오드와 승압 컨버터를 이용하여 다단계로 슈퍼커패시터를 충전함으로써 충전 시 발생하는 쇄도전류를 최소화시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 방법은, 상기 슈퍼커패시터에 전류가 충전되고, 주변 보드들이 안정화되면, 상기 충전된 전류를 각 장치들이 요하는 전원을 공급하여주는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방법은, 전원상태에 따라 마이크로 프로세서에서 전류 제한부를 스위칭함으로써 제한 전류 값을 가변시키고, 마이크로 프로세서를 이용하여 소요 부하에 대해서만 적기에 전원을 공급하여주는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본원발명에 따른 소화기 사격통제장치용 순간 고 전력 전원공급방법에 대한 것으로서, 이는 배터리로부터 상기 장치에 전원을 인가하고(S1), 전류제한부에 의하여 상기 장치에 공급되는 전류 중 낮은 전류를 제한하며(S2), 상기 인가된 배터리 전원이 낮게 제한된 전류로 슈퍼커패시터를 충전시켜주고(S3), 제너 다이오드를 통해 상기 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전되고(S4), 소정 전압이 충전되면 승압컨버터를 온(ON)시키고(S5), 승압컨버터를 통해 부하에 공급할 최종전압까지 충전하여주고(S6), 시스템이 초기화가 끝났는지를 체크하고(S7), 낮은 전류 제한을 오프(OFF)한 후(S8), 높은 전류 제한을 온(ON)하고(S9), 충전된 전압을 고전력을 요하는 부하에 방전시켜주어, 가변 전류 제한 및 다단계 충전방식을 사용하여 순간 고 전력 전원을 부하에 공급하여주게 된다. 그리고 시스템 초기화는 전원 인가 후 한번 만 이루어지므로 1차 방전 후 승압컨버터를 오프(OFF)한 후(S10)부터는 (S7), (S8), (S9)는 전원이 인가되어있는 상태에서는 재시행되지 않는다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

이와 같이 본 발명은 한정된 배터리의 방전 용량 안에서 레이저, 열상, 신관 에너지 장입 등 순간 고 전력을 요구하는 다양한 기능들을 구현해야하는 소화기용 사격통제장치의 전원공급장치를 설계하는 데 있어, 전원제어 프로세서와 가변 전류 제한 회로, 그리고 쇄도 전류 방지 및 슈퍼커패시터 충전 효율을 증대시키는 회로 등을 사용해서 시스템 전체의 전원을 안정적이고 효율적으로 관리하는 효과가 있으며, 배터리의 사용 시간을 증가시키는 효과도 가진다.

Claims

소화기 사격통제장치용 전원공급장치에 있어서,

서로 다른 전류 제한값을 갖되,

낮은 전류 제한값을 갖는 제1 전류제한부;

상기 제1 전류제한부의 전류 제한값보다 높은 전류 제한값을 갖는 제2 전류제한부;

상기 제1 및 제2 전류제한부에 연결되고, 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전될 경우, 부하에 공급할 최종전압까지 충전되도록 하는 승압 컨버터;

실시간으로 상기 전원공급장치의 전원공급상태 및 상기 슈퍼 커패시터의 전압을 파악하고, 상기 전원공급장치에 사용되는 제1 및 제2 전류제한부들의 ON/OFF를 제어하는 마이크로 프로세서;

를 포함하여,

가변 전류 제한 및 다단계 충전방식을 사용하여 순간 고 전력 전원을 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급장치.
제1항에 있어서,

상기 전원공급장치는, 상기 제1 및 제2 전류제한부에 연결되고 초기 쇄도 전류를 제한하는 제너다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 전류제한부는 배터리로부터 전원이 인가되면, 온(ON)되는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 슈퍼커패시터가 완전 충전되고, 상기 소화기 사격통제장치의 시스템 초기상태가 완료되면, 제1 전류제한부는 오프(OFF)되고, 제2 전류제한부가 온(ON)되는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급장치.
삭제
소화기 사격통제장치에 전원을 공급하는 방법에 있어서,

배터리로부터 전원인가시,

서로 다른 전류 제한값을 갖는 제1, 제2 전류제한부 중 낮은 전류 제한값을 갖는 제1 전류제한부가 온(ON)되어 전류를 제한하는 제1 단계;

상기 제한된 전류로 슈퍼커패시터를 충전시켜주는 제2 단계;

상기 슈퍼커패시터에 소정 전압이 충전될 경우, 승압컨버터에 의하여 부하에 공급할 최종전압까지 충전하는 제3 단계;

상기 충전된 전압을 고전력을 요하는 부하에 방전시켜주는 제4 단계;

를 포함하여,

가변 전류 제한 및 다단계 충전방식을 사용하여 순간 고 전력 전원을 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급방법.
제6항에 있어서,

상기 제2 단계는, 제너 다이오드를 사용하여 충전 시 발생하는 쇄도전류를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 제3 단계는 상기 슈퍼커패시터가 완전 충전되고, 상기 소화기 사격통제장치의 시스템 초기 상태가 완료되면, 상기 제1 전류제한부의 전류 제한값보다 높은 전류 제한값을 갖는 제2 전류 제한부가 온(ON)되어 상기 슈퍼 커패시터를 충전하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 방법은, 전원상태에 따라 마이크로 프로세서에서 상기 전류 제한부를 스위칭함으로써 제한 전류 값을 가변시키는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 방법은, 마이크로프로세서를 이용하여 소요 부하에 대해서만 전원을 공급하여주는 것을 특징으로 하는 소화기 사격통제장치용 전원공급방법.