KR100998576B1 - 내부 임피던스 또는 이의 유효성분 측정연산 장치 및 그방법 - Google Patents

내부 임피던스 또는 이의 유효성분 측정연산 장치 및 그방법 Download PDF

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Abstract

비상전원설비 또는 통신망 전원설비등에 축전지 시스템이 많이 사용되고 있고 이의 노화상태를 사전에 점검하여 교체하는 등 이를 효율적으로 관리하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있다.
노화가 진행된 축전지나 전해콘덴사와 같은 피측정물을 진단하는 방법에 있어서, 측정전류신호로써 정현파 전류가 포함된 맥류파 형상의 방전전류를 생성하여 피측정 대상의 축전지 열이나 셀에 흐르게 하고, 상기 측정전류신호에 의하여 내부 임피던스 전압에 해당되는 신호를 피측정물의 단자전압에서 측정함으로써 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치(또는 손실각)를 연산한다.
또한 본 발명에서는 일 실시 예로 상기 맥류파 형상의 방전전류를 생성할 수 있는 구체적인 회로를 제시한다.
전력변환장치내의 있는 충전중의 전해 콘덴서가 전해질이 증발되어 열화가 진행된 경우에도 본 발명에서 제시된 동일한 원리 및 연산방법을 적용하여 커패시터용량을 추정하고 이의 열화상태를 진단할 수 있다.
내부 임피던스, 유효성분, 맥류파, 측정전류신호, 방전전류, 정현파

Description

내부 임피던스 또는 이의 유효성분 측정연산 장치 및 그 방법{Measurement Device of Internal Impedance or it's effective value, And Method Thereof}
본 발명은 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효성분 측정연산 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 측정전류신호로서 비교적 생성이 용이한 정현파 전류가 포함된 맥류파 형상의 방전 전류를 생성하여 피측정물에 흐르게 하고 이에 대응된 내부 임피던스 전압신호를 측정하여 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효성분(또는 손실각)에 해당되는 요소를 연산할 수 있는 측정연산 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 산업용 축전지 시스템을 구성하고 있는 각 셀의 열화정도를 진단하기 위해서 내부 임피던스 또는 컨덕턴스 값을 측정하고 있으며, 이의 측정기술로는 교류전류 주입방식(AC current injection method), 순간 부하 방전방식 (Momentary Load Test DC Measurement), 방전시 축전지의 정상상태 전압강하와 부하전류의 상관관계를 통해 내부저항을 측정하는 직류 방전방식(DC Method) 및 펄스(Pulse) 방전상태에서 축전지의 전압과 전류의 상관관계를 통해 내부저항을 측정하는 Cadex Ohm Test 등이 있다. 상기 각 방식에 의해 측정된 내부 임피던스 또는 컨덕턴스 값은 그들의 측정방법 또는 측정신호주파수가 서로 상이하므로 상호간 차이가 날 수 있고 장단점을 가지게 된다.
직류 방전방식(DC Method)인 경우에는 측정방식이 비교적 간단하여 측정회로 구현이 용이한 장점이 있으나 측정전류로서 1.0 C ~ 4.0 C 이상의 매우 큰 전류를 사용하여 방전하여야 측정시 정확도를 높일 수 있고, 특히 부동 충전 중에는 충전장치로부터 방전전류가 흐르게 되므로 측정시 이를 감안할 필요가 있다.
축전지 내부회로는 R-L-C 등가회로 요소 조합으로 등가화 할 수 있고 내부 임피던스 값은 Z= R+jX 로 표시할 수 있으며, 이의 크기는 R2 + X2의 제곱근을 취하여 계산되며 여기서 내부 임피던스 유효성분은 R 성분에 해당되는 값으로 표시된다. 또한, 내부 임피던스 값의 역수인 어드미턴스는 Y = G+jB 로 표시되며, 이때 G는 컨덕턴스로 표시되며 지멘스(Siemens) 단위를 사용한다.
오래 전부터 교류전류 주입방식(AC current injection method)에 의한 내부 임피던스 측정 방식이 일반적으로 채택되어 왔다. 상기 교류전류 주입방식은 측정전류신호로써 정현파 형상의 교류전류(IS)를 축전지와 같은 피측정물의 단자 양단에 입력시키고 내부 임피던스값에 대응되어 얻어지는 전압강하 성분(이하, 내부 임피던스전압(VIS) 이라고 함)을 측정하여 내부 임피던스값을 측정 및 연산하는 방식이다.
상기 교류전류 주입방식에 대해 자세히 설명하자면, 정전류원 또는 내부 임피던스가 큰 전압원에서 정현파 교류전류(IS)를 생성하여 피측정물의 단자 양단에 교류 4단자망을 통해 입력시키면, 상기 피측정물의 단자에서 정현파 교류전류(IS)에 대응되어 정현파 형상의 내부 임피던스전압(VIS)신호가 측정된다. 상기 내부 임피던스전압(VIS)신호는 콘덴서로써 커플링된 연산증폭기를 통해 순수 교류신호로 변환 증폭되고, 정현파 교류전류(IS)신호는 전류센싱수단(분류기나 직류변환기)을 통해 전압신호로 변환되어 연산증폭기에 의해 증폭된 후 상기 두 값이 A/D컨버터 및 CPU로 구성된 디지털 연산회로(임베디드 회로)로 입력된다.
상기 디지털 연산회로에 탑재되어 있는 소정의 연산 프로그램이 수행되고 내부 임피던스 유효치는
Figure 112008036173013-pat00001
의 수식원리에 따라 연산되어 진다. 여기서, VIS , RMS는 임피던스 전압(VIS)의 실효치이고 IS, RMS는 정현파 교류전류(IS)의 실효치이며, θ 는 임피던스전압(VIS)과 정현파 교류전류(IS)의 상호간 위상차 각이다.
이와 같이 교류전류 주입방식(AC current injection method)은 종래부터 많이 사용되어 왔고, 이에 관한 측정연산회로 또는 연산 알고리즘이 개발되어 있으므로 이미 입증된 측정회로나 연산알고리즘을 이용하여 내부 임피던스 및 이의 유효성분을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다.
1. YUASA 기술기보 ; No.72, April 1992.
2. 대한민국 특허 ; 출원번호 10-2006-0088525, 출원일자 2006.09.13일, 축 전지 내부 임피던스 유효성분 측정연산 장치 및 그 방법.
3. PCT 특허 ; PCT/KR2006/004845, WO/2007/066911
본 발명자에 의해 2006년 09월 13일에 출원되어 2007년 06월 13일에 공개된 대한민국 특허(출원번호 10-2006-0088525) 또는 PCT 특허 PCT/KR2006/004845 인 축전지 내부 임피던스 유효성분 측정연산 장치 및 그 방법에서는, 전술한 바와 같이, 종래부터 많이 사용되어진 교류전류 주입방식을 채택하여 내부 임피던스를 측정하려 할 경우에, 큰 정현파 교류전류(Is)를 생성하여야 하는 어려움이 있기 때문에, 이를 극복하기 위한 수단으로 정현파 교류전류(Is)를 사용하지 아니하고, 기본 측정주파수를 가진 PWM 형상의 측정신호를 피측정물에 주입하거나 PWM 형상의 전류를 방전시키고, 하드웨어적 필터수단이나 내장된 필터링 프로그램의 수행을 통해 정현파 성분의 측정전류신호 및 임피던스전압 신호를 얻음으로써, 기본 측정주파수에 대한 내부 임피던스 값 또는 이의 유효치를 측정.연산할 수 있도록 하는 방안을 제시하고 있다.
또한, 본 발명자가 출원한 바 있는 대한민국 특허 제10-2003 -0028521호 및 10-2004 -0007050 호에서는, 상기의 측정연산 방법들을 이용하여 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산할 경우에 있어서 충전 리플전류에 의한 고주파 리플전압의 영향을 배제할 수 있는 연산 알고리즘 등을 포함한 방안들을 제시하고 있다.
대용량의 축전지를 측정할 경우에는 축전지의 내부 임피던스값의 크기는 수 미리옴(mΩ) 단위의 매우 작은 값인 반면 측정시에 필요한 정현파 교류전류(IS)는 일반적으로 제한된 크기를 가지게 되어 축전지 단자에서 측정되어지는 축전지 셀의 임피던스 전압(VIS)신호는 수 mV 이하 레벨이 되는 바, 이는 충전시에 발생되는 충전전류에 의한 고조파 리플전압보다 훨씬 작은 값이어서 내부 임피던스 측정값은 리플전압 노이즈의 영향을 쉽게 받을 수 있게 된다.
따라서 교류전류 주입방식에서는, 고조파 리플전압 노이즈의 영향을 줄이고 측정 정확도를 높이기 위해서 내부 임피던스 전압(VIS)신호를 큰 값으로 생성하여야 하며, 이와 같이 임피던스 전압(VIS)신호를 큰 값으로 생성하기 위해서는 수 암페아(Amps)이상의 큰 정현파 교류전류(Is)를 생성하여야 하므로, 비교적 큰 용량을 가진 정현파 전류생성회로 및 이의 제어전원이 필요하게 되어 이를 구현하는 데 있어 회로구성이 복잡해지고 제조 가격 또한 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 종래와 같이 정현파 교류전류를 생성하기 위한 복잡한 회로를 갖지 않으면서도 피측정물(예로, 축전지 열이나 단위 셀)에 대해서 정해진 주파수를 가진 정현파 형상의 맥류파 전류가 흐르도록 방전시킴으로써 피측정물에 정현파 형상의 측정전류신호가 흐르게 할 수 있다.
또한, 측정신호로써 구형파 측정전류신호를 사용치 아니하고 정현파 형상의 측정전류신호를 사용함으로써 측정전류신호를 필터링하기 위한 저역통과필터(LPF), 고역통과필터(HPF) 또는 대역통과필터 등의 각종 웨이브필터와 같은 하드웨어적 필터수단이 필요치 아니하며, 또한 연산시에 필터링 프로그램의 수행이 필요치 않는 장점을 가진다.
또한, 교류전류 주입측정방식과 유사한 측정연산회로 및/또는 연산알고리즘을 사용하여 정현파 형상의 측정전류신호에 대응되어 발생하는 내부 임피던스 전압신호를 얻을 수 있으며 이를 기초로 하여 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 정확히 측정할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치 성분(또는 내부 저항성분인 ESR 값 (
Figure 112010025548807-pat00033
Figure 112010025548807-pat00034
) 및 손실각 tanδ값)을 측정하는 연산방법은, 정현파 형상을 가진 맥류파 방전전류의 측정신호(정현파 맥류 형태의 측정전류신호)를 발생시키는 단계; 상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호 및 상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호가 상기 피측정물에 흐를 때의 피측정물 내부 임피던스 전압 신호를 계측하는 단계; 및 상기 측정전류신호 및 내부 임피던스전압 신호를 입력으로 하여 동기검파 알고리즘에 의한 연산을 통해 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 정현파 형상을 가진 맥류파 방전전류의 측정신호는, 피측정 축전지와 같은 피측정물을 방전시킴으로써 발생되는 직류전류가 포함되는 맥류파 형태의 파형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정현파 형상의 맥류파 방전전류의 측정전류신호는 그 출력이 선형적으로 제어됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 정현파 형상의 맥류파 방전전류의 측정전류신호는 그 출력이 PWM 방식으로 제어되는 것을 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 맥류파 방전전류의 측정전류신호는 연산제어 회로의 MPU으로 부터 출력된 클럭펄스 신호와 동기되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 측정전류신호의 주파수는, 50/60Hz의 상용 전원주파수의 0.5배, (n + 0.5)배, 5Hz 또는 이의 정수배, 또는 10Hz 또는 이의 정수배 중 선택된 어느 하나와 같도록 정할 수 있음을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 정현파 형상의 맥류파 방전전류의 발생방법은, 상용화된 오디오 암프 소자의 출력회로측 제어수단을 사용하여 선형적으로 전압이 제어되게 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 오디오 암프소자의 출력회로측 제어수단으로써 만족할 만한 크기의 출력전류신호를 얻을 수 없다면, 이의 출력측에 출력증폭수단(34)를 추가로 구성하여 출력전류 크기를 증폭시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 맥류파 방전회로(2)는, 임베디드 시스템(16)의 MPU로 부터 클럭펄스(19)를 받아 정현파 발생수단(31)에서 정현파가 발생되고, 상기 정현파를 선형증폭수단(33)에서 증폭하거나, PWM 스위칭 제어수단(44)에 의해 출력전압을 PWM 제어함으로써 소정의 크기를 갖는 맥류파 방전전류를 생성할 수 있는 기능을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서 내부 임피던스 또는 이의 유효치( 또는 내부 저항성 분인 ESR 값 (
Figure 112008036173013-pat00004
Figure 112008036173013-pat00005
) 및 손실각 tanδ값)를 연산하는 단계에서는, 충전시 발생되는 고주파 리플전압의 영향을 배제할 수 있도록 하기 위하여 이미 공지된 측정 연산 알고리즘을 그대로 적용할 수 있다.
삭제
또한, 상기 측정 연산 알고리즘은, 측정전류신호 및 내부 임피던스 전압신호에 측정전류신호 주파수와 동일한 주파수의 sin함수 및 cos함수를 각각 곱하여 연산항 m1~m4를 구하는 단계, 상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호 주파수 성분 및 내부 임피던스 전압신호를 형성하는 모든 고조파 주파수 성분을 상호 가산 및 감산하여 상호 가산 및 감산한 결과값 사이의 최대공약수를 구하는 단계, 상기 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기 또는 상기 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기의 정수배로써 적분주기를 결정하는 단계, 상기 연산항 m1~m4를 상기 적분주기로 적분한 후 그 결과를 다시 상기 적분주기로 나누어 최종 연산항 M1~M4를 구하는 단계 및 상기 M1~M4값에 의해 수식 (M1M4+M2M3)/(M22+M42)를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예로써, 피측정물의 내 부 임피던스 측정연산 장치는 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치 요소 성분을 측정 연산함에 있어서, 정현파 전류가 포함된 맥류파 형상의 측정전류신호를 생성하는 맥류파 방전회로(2); 상기 피측정물에 흐르는 상기 맥류파 형상의 측정전류신호를 검출하는 전류센싱수단(4); 및 상기 측정전류신호 성분과 임피던스 전압(VIS)의 성분을 이용하여 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 측정연산회로(1);를 포함한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 측정연산회로(1)는 상기 축전지와 같은 피측정물의 단자전압(Vp)을 분압 또는 절연 증폭하기 위한 차동증폭회로(10)와; 상기 단자전압(Vp)으로부터 임피던스 전압(VIS)만을 여과시키는 직류커플링회로(11)와; 상기 임피던스 전압(VIS)으로부터 측정에 필요한 주파수 성분의 임피던스 전압 및 유사한 주파수 성분을 여과시키기 위한 필터수단(12); 및 상기 필터수단(12)으로부터 여과된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D변환기(15); 및 내장된 프로그램을 통해 내부 임피던스를 연산하는 MPU 및 이의 주변회로를 포함함을 특징으로 한다.
상기 필터수단(12)은 일반적으로 하드웨어로 구성된 필터회로를 채택하여 구현할 수 있으나 이에만 한정되는 것은 아니며, 하드웨어를 간략히 하거나 여과 효과를 극대화하기 위해 측정연산 장치 내부의 필터링 프로그램으로 하드웨어 필터의 필터기능을 보조하게 하거나 아예 필터링 프로그램만을 사용하여 구현할 수도 있다.
아울러, 대한민국 특허; 출원번호 10-2006-6088525호 에서 공지된 온라인 측정회로에 본 발명의 기술적 사상을 적용하여 본 발명의 또 다른 일 실시 예로써 사용할 수 있다. 즉, 다수개의 축전지로 구성되는 축전지 열의 각 축전지 셀 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 실시간으로 측정 연산하는 장치는, 정현파 형상을 가진 맥류파 방전전류를 각 축전지 열 또는 각 셀에 흐르게 하는 맥류파 방전회로(2)와; 축전지 열(31a~31n)에 설치된 전류센싱수단(5a~5n) 또는 상기 방전회로(2)의 출력단에 설치된 전류센싱수단(4)으로부터 측정전류신호를 검출하여 측정연산회로(1)로 스위칭하는 스위칭수단(20)과; 상기 맥류파 방전회로의 출력전류를 상기 각 축전지 열(31a~31n)로 스위칭시키는 전류연결수단(21); 및 상기 측정전류신호의 성분과 임피던스 전압(VIS)성분을 이용하여 공지의 연산 알고리즘에 의해 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 측정연산회로(1);를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기에서 각 축전지 열(31a~31n)에 흐르는 측정전류신호가 포함된 교류전류(IB)를 검출하는 전류센싱수단(5a~5n)을 더 포함할 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 측정전류신호인 정현파 교류전류(Is)를 생성하기 위한 전류발생 전원회로를 구현하는 데 있어 회로가 복잡해지고 제조가격이 상승하는 종래기술의 단점을 개선한 것이다.
본 발명은 교류전류 주입방식과 유사하게 측정연산 알고리즘을 사용하여 바람직한 측정결과를 얻을 수 있으면서, 정현파 전류 생성을 위한 전압원 또는 전류원이 필요하지 않게 되고 따라서 정현파 발생회로의 제어전원이 불요하게 되어 회로 구성이 간략해지는 장점이 있다.
또한, 다수개의 축전지 셀을 온라인으로 측정할 경우, 축전지 열(스트링)에서 충전중에 발생되는 충전리플이 포함된 직류전류 파형을 분류기(Shunt)나 직류변환기(DC.CT)와 같은 전류센싱수단을 통해 감지하고, 정현파 형상의 맥류파 전류를 흐르게 하여 이에 의해 발생되는 임피던스 전압(VIS)신호를 얻을 수 있으며, 연산 알고리즘을 통해 내부 임피던스 또는 이의 유효치(저항성분)를 정확히 계산할 수 있는 장점도 있다.
본 발명은 또한, 상기 맥류파 방전회로(2)가 적은 면적만을 차지하도록 설계될 수 있으므로 내부 임피던스 측정연산 장치의 외형 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 맥류파 형상의 방전전류에 의한 내부 임피던스 측정방법의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 대표적 실시 예로써 맥류파 형상의 방전전류에 의한 내부 임피던스 측정방식의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예인 온 라인 측정장치에 적용한 구성도이다.
도 4은 본 발명의 측정연산회로의 일 실시 예이다.
도 5는 본 발명에 있어서 맥류파 형상의 방전전류 파형 및 맥류파 방전회로의 출력 전압파형이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예인 맥류파 형상의 방전회로의 개략도이다.,
도 7는 본 발명에 있어서 맥류파 방전회로의 또 다른 일 실시 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예로써 PWM 스위칭 제어방식을 이용한 맥류파 발생회로의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예인 맥류파 형상의 또 다른 방전회로의 개략도.
도 10은 본 발명에 있어서 또 다른 일 실시 예인 구형파 클럭펄스 입력형인 맥류파 방전회로이다.
도 11은 본 발명에 있어서 정현파 형상의 맥류 방전전류의 제어 단계이다.
도 1 에서 보인 바와 같이, 맥류파 방전회로가 작동되어 피측정 대상의 축전지 셀에 정현파 전류가 포함된 맥류파 방전전류(ISD)가 흐르게 되면, 상기 축전지 셀의 단자전압(Vp)에는 맥류파 방전전류(ISD) 중에 포함된 정현파 측정전류신호에 대하여 임피던스전압(VIS)신호가 생성되고, 축전지 셀의 무부하시 내부 전압(VE) 위에 상기 임피던스 전압(VIS)성분이 중첩되는 형태로 포함된다.
이때 맥류파 방전전류(ISD)중에 포함된 직류 평균전류는, 내부 임피던스전압(VIS)신호를 생성하는 데는 기여하지 못하고 단지 축전지 셀의 무부하시 충전 내부 전압(VE)을 저하시키는 결과를 가져오게 되므로 상기 직류 평균전류를 최소화해야 할 필요가 있다.
한편, 축전지 셀의 단자전압(Vp)인 충전 내부 전압(VE)위에 중첩되는 형태로 포함된 내부 임피던스전압(VIS)신호는 직류커플링회로를 통해 직류성분이 제거되고 정현파 형상의 순수한 임피던스 전압(VIS')성분을 얻게 되고 이를 적절한 크기로 증폭한 후에 A/D 변환기에 입력시키는 것이 바람직하다.
또한, 맥류파 방전전류(ISD) 내에 정현파 측정전류신호의 크기가 비교적 큰 경우에는 이를 직접 A/D변환기에 입력시켜 연산 프로그램 실행 단계에서 순수한 정현파 측정전류신호의 크기를 연산해 낼 수 있으나, 맥류파 방전전류(ISD)내에 정현파 측정전류신호의 크기가 작은 경우에는 직류성분을 제거한 후에 순수한 정현파 교류성분(IS')만을 얻어 이를 적절한 크기로 증폭한 후에 A/D 변환기에 입력시키는 것이 바람직하다.
상기에서 얻어지는 맥류파 방전전류(ISD)내에 포함된 정현파 형상의 측정전류신호(IS')와 순수한 임피던스 전압(VIS')신호는 A/D컨버터로 입력되어 디지털 값으로 변환된다. 변환된 디지털 값을 기초로 하여 CPU 내에 내장되어 있는 연산프로그램이 실행되고, 상기 맥류파 방전전류(ISD)의 측정전류신호 주파수에 해당되는 내부 임피던스 또는 유효성분 값이
Figure 112010025548807-pat00035
× 103(mΩ) 의 식에 따라 연산된다.
이하 본 발명의 구체적 실시 예에 대해서 자세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 대표적 실시 예로서, 맥류파 방전전류에 의한 내부 임피던스 측정방식의 기본적 구성도이다.
전류센싱수단(4)이 맥류파 방전회로(2)의 출력측에 연결되며, 상기 맥류파 방전회로(2)가 작동되면 피 측정대상의 축전지 열 또는 단위 셀이 방전되어 4단자 회로망의 소스단자를 통해 상기 피측정 축전지 열이나 단위 셀에 맥류파 방전전류(ISD)가 흐르게 되고, 상기 전류센싱수단(4)에서 상기 맥류파 방전전류(ISD)의 크기가 감지되고 또한 4단자 회로망의 센싱단자를 통해 내부 임피던스전압(VIS) 신호가 감지되어 측정연산회로(1)에서 내부 임피던스 또는 유효성분 값이 연산된다.
상기에서는 주로 축전지와 같은 피측정물을 대상으로 설명하고 있지만, 전해 콘덴서와 같은 또 다른 피측정물에 대해서도 용이하게 적용할 수 있다. 또한 본 발명의 기술적 사상을 사용하여 통상 수준의 변형이나 설계변경을 통해 휴대용 측정기에 적용하거나 온 라인 측정장치에 적합하도록 다소의 변형을 가하여 측정회로를 설계하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시 예인 도 3과 같이, 본 발명의 기술적 사상을 온-라인 측정장치에 도입할 수 있으며 이 경우에는, 맥류파 방전회로(2)에서 생성된 정현파 형상의 맥류파 방전전류가 전류연결수단(21)을 통해 각 피측정 축전지 유니트 또는 축전지 셀에 흐르도록 제어되고 맥류파 방전회로(2) 출력단 또는 각 축전지 열의 사이에 블럭별로 설치되는 전류센싱수단(4 또는 5a ~ 5n)으로 부터 측정전류신호를 감지할 수 있게 회로를 구성할 수 있다.
각 축전지 열의 사이에 블럭별로 설치되어 있는 전류센싱수단에 의해 센싱되는 측정전류신호(도 3 에서는 전류센싱수단(5a ~ 5n)에서 측정전류신호를 센싱할 경우에는 충전전류(ICH)가 포함되어 있으므로 이를 교류전류(IB)로 표시하였다.) 속에는, 충전장치에 의해 공급되는 충전전류(ICH), 충전리플전압에 따라 흐르게 되는 충전 리플전류(IRP) 및 맥류파 방전회로(2)로부터 4 단자망의 소스단자를 통해 흐르게 되는 맥류파 방전전류(ISD)가 포함되어 있다.
따라서 충전전류(ICH)나 충전시 발생되는 충전 리플전류(IRP)의 영향을 배제할 수 있도록 하는 다각적인 연산 알고리즘의 새로운 구현이나 이미 공지된 리플 제거 연산 알고리즘을 채용할 수가 있다.
스윗칭수단(20)은 측정연산회로(1)와 연결되고 전류연결수단(21)과 연동 제어되어 측정전류신호를 전류센싱수단(4, 또는 5a~5n)로부터 감지하여 측정연산회로(1)에 인가하며, 인베디드 시스템(16)의 MPU에 의해 온/오프(On/Off)되게 구성함 이 바람직하다. 상기 스윗칭수단(20) 및/또는 전류연결수단(21)은 Analog 스위치등을 포함한 릴레이수단으로 구성될 수 있다.
상기 맥류파 방전회로(2)가 작동되어 피측정 축전지 열이 방전됨에 따라 측정전류신호인 맥류파 방전전류(ISD)가 흐르게 되는 데, 상기 측정전류신호가 필요이상으로 큰 경우에는 피 측정대상의 축전지에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
따라서 축전지 셀의 특성에 따라 사전에 설정된 크기로 제한되어 흐를 수 있도록 맥류파 방전회로(2)의 출력전압을 정현파 PWM 스위칭제어방식이나 선형전압 제어방법을 채택하여 출력전류의 크기를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 정현파 맥류형태의 측정전류신호에 의해 생성된 임피던스 전압(VIS) 중에는 충전 고조파 리플전류의 영향으로 측정신호 주파수 성분에 비해 타 고조파 성분이 상대적으로 크게 포함되게 되는 경우에도, 공지된 퓨리에 급수변환이나 특정 대역의 주파수 성분을 차단(여과)하기 위한 필터수단을 이용하지 않고, 필터링 프로그램을 포함하는 연산 알고리즘을 이용하여 측정전류신호의 주파수 성분에 해당되는 임피던스 유효성분을 연산할 수 있다.
도 4는 상기 측정연산회로(1)의 바람직한 실시 예이다. 도4에서 정현파 형상의 맥류 방전전류(ISD)는 분류기, 분류기 기능의 저항 또는 홀소자 형태의 직류 전류센싱변류기(DC CT)와 같은 전류센싱수단(4, 또는 5a~5n)에 의해 측정된다.
또한, 상기 전류센싱수단(4, 또는 5a~5n)을 통해 얻어진 상기 정현파 형상의 맥류 방전전류(ISD)는 차동증폭회로(8)를 통해 버퍼링되거나 증폭되는 것이 바람직 하다. 상기 차동증폭회로(8)을 통해 버퍼링되거나 증폭된 신호는 임베디드 시스템의 A/D컨버터(15)로 입력된다.
상기 정현파 형상의 맥류 방전전류(ISD)에는 직류방전 전류성분이 포함되어 있기 때문에 측정전류신호의 크기를 보다 정확하게 연산하기 위해서는 직류 커플링회로(9)를 통해 상기 직류방전 전류성분을 제거하는 것이 바람직하다.
만약, 상기 전류센싱수단(4, 또는 5a~5n)을 통해 측정된 정현파 형상의 맥류 방전전류(ISD)에 직류전류성분이 미세하게 포함되어 있다면, 상기 직류 커플링회로(9)를 사용하지 않고 측정전류신호를 A/D변환기에 바로 입력하여 연산프로그램을 통한 임피던스 유효값 연산과정에서 직류전류성분이 완전히 제거되는 효과를 가지도록 할 수도 있다.
또한, 내부 임피던스 연산시 프로그램의 복잡성을 피하고 정확도를 높이기 위해 상기 측정 연산단계에서 필요한 측정전류신호의 주파수는 임베디드 시스템(16)내의 MPU에 의해 생성되는 클럭펄스(19)를 분주한 것이거나 또는 이를 분주하여 생성된 주파수 신호와 동기시키는 것이 바람직하다.
또한, 축전지 셀의 단자전압(Vp)에는 상기 정현파 형상의 맥류 방전전류의 측정전류신호가 흐름에 따라 축전지의 내부 전압(VE)위에 임피던스 전압(VIS) 성분이 중첩되어 얻어진다.
여기서 상기 단자전압(Vp) 크기와 비교하여 상기 임피던스 전압(VIS) 성분이 아주 미세하므로 신호증폭과정에서 상기 임피던스 전압(VIS) 성분이 포화되지 않도록 직류 커플링회로(11)를 통해 직류성분을 신호증폭 전에 완전하게 제거하는 것이 매우 바람직하다.
이때, 상기 단자전압(Vp)은 전압분배수단이나 입력회로 절연기능을 가진 차동증폭회로(10)에서 적정한 신호레벨로 변환된 후 상기 직류 커플링회로(11)에 의해 직류성분이 완전히 제거될 수 있으며, 일반적으로 직류 커플링회로(11)는 저항과 커패시터를 가진 연산증폭기로 구성될 수 있다.
상기 교류레벨로 변환된 임피던스 전압(VIS) 신호는 공지의 필터수단(12)을 통해 상기 측정전류신호 주파수성분과 유사한 대역의 주파수만 통과시키고 증폭회로군(13)에서 A/D변환기(15)에 입력될 수 있는 최적의 신호레벨로 증폭되도록 함이 바람직하다.
상기 맥류파 방전전류에 포함된 정현파 성분의 측정전류신호와 이에 대응되어 발생되는 내부 임피던스전압(VIS) 신호는 A/D변환기(15)에서 디지털신호로 변환되고 MCU(Micro Controller Unit)의 연산 알고리즘 수행에 의해 내부 임피던스 유효성분 값이 연산되게 되는 것이다.
또한, 상기 A/D변환기(15)는 입력측에 복수의 아날로그(Analog) MUX를 가지고 있어, 상기 맥류 방전전류의 측정신호와 임피던스 전압(VIS)신호는 상기 A/D변환기(15)의 입력 채널인 MUX에 입력된다. 부수적으로 축전지 셀전압을 측정하기 위해 차동증폭기회로(10)의 출력은 직류필터(14)를 통해 A/D변환기(15)의 입력 채널인 MUX에 입력되게 함이 바람직하다.
또한, 상기 축전지 셀의 임피던스 전압(VIS) 신호를 측정하는 차동증폭회로(10), 직류커프링회로(11) 및 필터수단(12)은 대한민국의 실용신안 출원번호 제20-2003-0037800호 및 특허출원번호 제10-2004-0099962호의 해당 기술요지를 참고하여 또 다른 실시 예를 구성할 수 있다.
또한, 특허출원번호 제10-2003-0025823호 등 공지된 기술을 응용하여 증폭회로군(13), A/D변환기(15)의 조합 구성을 포함한 임베디드 시스템(16)에 대한 또 다른 실시 예를 구성할 수 있다.
또한, 상기의 필터수단(12)은 캐패시터, 저항소자 및 연산증폭기 등을 가진 하드웨어 회로로 구성하거나 SCF와 같은 집적회로 소자를 사용하여 구성할 수 있으며, 대역폭이 매우 좁은 특성을 가지는 협대역 대역통과 필터 특성을 가지도록 설계하여 지정된 공진주파수 fr에서만 최대 이득이 얻어지고 기본 주파수 이외의 주파수에 대한 감쇄특성이 최대가 되도록 설계함으로써 임피던스 연산시에 고조파 노이즈나 충전리플전류에 대한 영향을 최소화할 수 있다.
상기와 같이 구성된 필터수단(12)을 통해 임피던스 전압(VIS)성분 유사한 주파수 성분만을 여과시킴으로써, 상기 측정주파수 성분에 해당되는 내부 임피던스 또는 이의 유효치가 실효치 연산 수식에 따라 용이하게 연산되어 질 수 있다.
또한, 상기와 같이 구성된 필터수단(12)을 사용하지 않고 푸리에 급수변환(FT)을 통해 측정 주파수 성분의 파형만을 정확히 연산하여 내부 임피던스값을 산출할 수도 있으나 이는 고속의 A/D컨버터를 필요로 하고 많은 연산시간이 소요되므로 푸리에 급수변환을 이용하는 것은 현실적인 실효성을 갖지 못하게 된다. 따라서 푸리에 급수변환을 통하지 않고 공지된 웨이브 필터수단이나 동기검파 연산 알고리즘을 이용하여 내부 임피던스 유효성분을 연산하는 것이 바람직하다.
도 5는 맥류파 방전회로의 출력 전압파형과 상기 방전회로를 통해 출력되는 맥류파 방전전류(ISD)의 파형을 나타내고 있다. 도 5에서 보인 바와 같이 맥류파 방전회로는 하(-)반주기 동안에 정현파의 왜곡을 배제할 수 있도록 현실적으로는 약간의 직류 방전전류( △ II)를 갖게 제어되는 것이 일반적이나 상기 정현파 하(-)반주기의 피크치가 0 에 근접되도록 제어되어야 상기 맥류파 방전회로(2)의 열발생을 최소화할 수 있다.
더욱 자세하게 설명하자면, 상기 맥류파속에 포함되어진 직류 방전전류(IDC)는 내부 임피던스 전압신호를 만드는 데 기여치 못하는 성분이므로 거의 영(0)이 되게 제어하여야 맥류파 방전회로의 출력증폭수단(34)이나 방전부하(RL)의 열 발생을 줄이고 이에 따른 제어손실을 최소화할 수 있다.
따라서 도 5 에서 정현파 전류의 순시피크치가 2 +△II 가 되면 상기 맥류파 전류의 평균치는 1+△II 크기에 해당되므로, 순수 방전전류( △ II) 에 해당되는 전류크기는 거의 영(0)이 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 일 실시 예로서, 맥류파 방전회로의 상세한 구성과 이의 동 작에 대하여 설명한다.
도 6는 본 발명의 맥류파 방전회로에 대한 일 실시 예이고,
도 7는 본 발명에 있어서 맥류파 형상의 방전회로의 또 다른 구체적 일 실시 예이다.
도 8은 본 발명에 있어서 맥류파 방전회로의 PWM 스위칭 제어기능이 도입된 또 다른 일 실시 예이다.
맥류파 방전회로(2)는 정현파 발생수단(31)과 선형증폭수단(33)을 기본적으로 포함하여 구성되고 측정전류신호의 크기를 고려하여 출력증폭수단(34)을 더 포함하여 구성할 수 있다.
여기서, 선형증폭수단(33) 또는/및 출력증폭수단(34)은, 설계자의 기술적 판단에 따라 삼각파발생회로(41), 변조회로(42), 구동회로(43), PWM 스위칭 제어수단(44) 및 정현파 필터수단(45)를 포함하는 PWM 스위칭 제어회로로써 대치하여 이의 기능을 구성할 수 있다.
또한, 맥류파 방전회로의 입력 제어부와 피측정물 회로의 전기적 절연을 목적으로 신호절연수단(32)가 더 포함될 수 있다.
정현파 발생수단(31)은 측정연산회로(1)의 MPU로 부터 발생된 클럭신호에 의해 정현파를 발생시키는 기능을 가진다. 일반적으로는 공지의 수동소자로 구성되는 자려식 클럭 발생기에 의하여 필요한 주파수를 발생시켜 상기 클럭에 해당되는 신호를 만들 수 있으나, 본 발명의 일 실시 예에서는, 측정연산회로(1)의 MPU의 기본클럭과 정현파 발생수단(31)에서 발생되어 지는 정현파가 동기되어야 상기 MPU에서 내부 임피던스 값을 용이하게 연산할 수 있게 되므로 선정된 측정전류신호 주파수의 수배 내지 수십배에 해당되는 클럭신호를 측정연산회로(1)로부터 받아 이를 이용하여 정현파 측정전류신호를 발생시키는 것이 바람직하다.
이때, MPU로부터 출력되는 클럭펄스 또는 MPU의 기본펄스 제어신호가 출력된 후, 정현파가 즉시 생성되고 최대한 빨리 정상상태의 크기로 복구될 수 있도록 콘덴서(C1) 및 저항(R4, 또는 R 과 R4의 병렬저항)을 적절히 선택한다.
또한 상기 정현파 발생수단(31)의 제어전원은 측정연산회로(1)의 것과 동일 전원을 사용하는 것(보통 +12~+5V)이 바람직하고, 선형증폭수단(33) 및/또는 출력증폭수단(34)의 동작전원은 일반적으로 피측정물 회로(예로, 축전지 열이나 축전지 셀단위 묶음)의 전체 + - DC 전압인 VB+ 와 VB- 에 연결되게 되므로, 입력측 제어회로부와 상기 피측정물 회로와의 전기적 절연을 위하여 정현파 발생수단(31)의 출력은 포토커플러와 같은 신호절연수단(32)을 거쳐 상호간 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신호절연수단(32)의 출력단(광트랜지스터의 출력측)은 비교적 정격전압이 낮으므로 전압제한기능이나 정전압제어기능을 가지는 전압제한수단(37)을 통해 동작전원(VB + 와 VB - )을 분배하거나 강압시켜 상기 신호절연수단(32)의 출력단에 연결되게 하는 것이 바람직하다.
상기 정현파 발생수단(31)에서 얻어진 정현파는 커플링 콘덴서를 거쳐 연산증폭기(36)의 비반전 단자에 입력되고 상기 연산증폭기(36)의 반전단자에는 기준전압이 입력되어 상기 정현파 신호가 증폭된다.
상기 연산증폭기(36)의 출력은 출력 트랜지스터의 입력(NPN 트랜지스터인 경우에는 베이스, FET 인 경우에는 게이트)단자에 달링톤(Darlington) 증폭회로 형태로 연결되어 출력전류가 증폭되므로, 적정한 크기의 정현파 전류를 가진 맥류파형을 얻을 수 있게 되고 이에 대응한 크기의 내부 임피던스전압 신호를 얻을 수 있게 되는 것이다.
일 실시예로써, 연산증폭기(36)의 비반전 단자(+) 입력 측에 더해지는 전압레벨을 가변저항(VR)에 의해 조정함으로써 도 5에 표시된 순수 방전전류(△II)에 해당되는 양을 영(0)으로 제어, 조정할 수 있다. 순수 방전전류(IDC)에 해당되는 양은 동작전원(VB+ 와 VB-)의 크기에 따라 변화되게 된다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시 예를 나타 내고 있다. 도 9는 또 다른 맥류파 형상의 방전회로의 개략도이고, 도 10은 구형파 클럭펄스 입력형인 맥류파 방전회로이다.
임베디드 시스템(16) 내의 MPU에서 출력되는 클럭펄스(19)는 정현파와 동일한 주파수를 가진 구형파 형상으로 발생되어 지고, 공지의 신호절연수단(32)에 의해 전기적으로 절연되어 구형파-정현파 변환수단(40)에 입력된다.
구형파-정현파 변환수단(40)은 공지의 대역 능동필터와 거의 동일하게 능동소자인 연산증폭기(36), 및 수동소자인 저항 R13, 저항 R14, 저항 R15, 콘덴서 C11 및 콘덴서 C12 들로 구성되고, 따라서 밴드패스 필터와 같은 특성을 가지며 상기 구형파-정현파 변환수단(40)에 의해 변환되어 출력되는 정현파 출력신호는 상기 구형파 클럭펄스와 동기되게 된다.
수동소자인 저항 R13, 저항 14, 저항 R15, 콘덴서 C11 및 콘덴서 C12를 적절히 선정함으로써 상기 구형파의 기본 주파수에 대해 감쇄율이 최소화 되도록(기본 주파수성분에 대해서 최대 출력)하는 대역 능동필터의 공진 특성을 얻을 수 있다.
이와 같이 신호절연수단(32)에서 전기적으로 절연된 구형파 클럭펄스는 구형파-정현파 변환회로(40)에 의해 상기 구형파 클럭펄스 신호와 동기된 정현파 전류신호로 변환되어 출력되고, 이렇게 하여 출력증폭수단(34)을 통해 필요한 크기의 정현파 형상의 방전전류가 흐르도록 작동되는 것이다.
또한, 피측정물(축전지일 경우에는 축전지 열 또는 셀단위의 묶음)의 DC 전압인 회로 동작전원(VB+ 와 VB-)이 최소인 상태에서도 연산증폭기(36)에 의해 증폭되어 출력되어 지는 정현파 출력파형이 포화 (Clamping) 되지 않도록 하기 위해, 제 1 저항(R11)과 제 2 저항 (R12)에 의해 상기 회로 동작전원(VB+ 와 VB-)을 분압시켜 이의 분압된 전압을 구형파-정현파 변환수단(40)의 입력단에 입력되게 한다.
상기 회로 동작전원(VB+ 와 VB-)의 분압된 전압을 신호절연수단(32)의 제어전압으로 사용하게 되므로 상기 신호절연수단(32)의 사용전압규격을 낮은 것을 사용할 수 있는 장점이 있다.
일반적인 대역 능동필터 회로는 상기 연산증폭기(36)의 비반전 입력단이 부(-) 제어전원에 연결되어 있어 이의 출력파형이 순수한 교류성분이 되나, 상기 구형파-정현파 변환수단(40)은 상기 연산증폭기(36)의 비반전 입력단과 저항 R14의 공통연결점에 필요한 크기의 전압레벨신호 (예로써, 연산증폭기의 제어전원이나 피측정 회로 동작전원(VB+ 와 VB-)을 분압하여 얻어지는 전압레벨신호)를 인가하여 상기 정현파 신호의 상/하 주기 중심점의 전압레벨이 피측정물의 회로 동작전원의 중앙점(동작전원의 50%)에 위치하도록 쉬프트되게 하며, 이로써 정현파 맥류형태의 파형이 얻어 지게 된다.
본 발명의 실시 예에서는, 상기 피측정물의 회로 동작전원 (VB + 와 VB -)을 가변저항(VR10) 또는 고정저항으로 분압하여 이를 연산증폭기(36)의 비반전 입력단에 인가시킴으로써, 상기 정현파의 상/하 주기 중심점 전압레벨이 피측정 회로 동작전원 (VB + 와 VB -)의 중앙점(동작전원 크기의 50%)과 일치되도록 제어되고 도 5에 표시된 순수 방전전류에 해당되는 량( △ II)을 거의 영(0)으로 제어할 수 있다.
이와 같이 피측정 회로 동작전원(VB+ 와 VB-)의 크기에 따라서 구형파-정현파 변환회로(40)에 입력되는 전압의 크기가 조절되어 정현파의 중심점 전압레벨이 자동적으로 조절되게 되므로 피측정물의 회로 동작전원의 크기가 변화되더라도 연산증폭기(36), 출력증폭수단(34) 및/또는 방전부하(RL)의 열을 최소화할 수 있게 되는 것이다.
아날로그 신호인 정현파 신호를 광소자를 사용한 신호절연수단(32)으로 전기적으로 절연시키게 되면 주변온도에 의해 신호절연수단(32)의 활성동작영역에서 출 력전류비 전달특성이 변화하여 정현파의 출력 크기가 주위 온도에 따라 영향을 받아 변화하게 될 수 있다. 그러나 도 10과 같은 실시 예에서와 같이 디지털 신호인 구형파 클럭펄스 신호를 상기 신호절연수단(32)에 의해 전기적으로 절연시키는 경우에 있어서는, 상기 광소자를 사용한 신호절연수단(32)의 출력전류비 전달특성이 변화되더라도 디지털신호는 활성동작영역을 사용치 않으므로 주위 온도변화에 따라 정현파 출력의 크기가 변화되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 절연된 정현파 출력신호는 전력증폭회로 기능을 가진 선형증폭수단(33) 또는 출력증폭수단(34)을 통해 전류크기가 증폭되고, 피측정물(예로 축전지 열이나 축전지 셀묶음)의 회로 동작 전압(VB + 와 VB -)이 선형증폭수단(33) 또는 출력증폭수단(34)과 같은 전력증폭회로의 출력단에 부하 역할을 하도록 연결되어 구성되므로, 맥류파 방전회로(2)는 피측정물(예로 축전지 열이나 축전지 셀)의 전원이 정현파 형상의 맥류파 전류형태로 방전되게 제어되고, 방전되어 지는 정현파 형상의 맥류파 전류신호에 의하여 내부 임피던스 전압 신호가 얻어 질 수 있다.
또한, 상기 연산증폭기(36)의 기능을 가지는 상용화된 오디오 암프소자의 출력회로 제어소자에 의해 상기 정현파 형상의 맥류파 방전전류의 출력이 증폭되고 선형적으로 제어되게 함이 더욱 바람직할 수 있다.
즉, 일반적인 연산증폭기 소자는 이의 제어전압이 대개 + - 15V 이하라서 피측정물인 축전지 열의 전체 전압이 15V를 초과할 경우(예로 2V 축전지가 6개 이상으로 연결될 경우)에는 일반적인 연산증폭기 소자를 사용할 수 없으므로, 상용화되어 있는 오디오 파워암프(Audio Power Amplifier) 소자를 선형증폭수단(33) 또는 구형파-정현파변환수단(40)의 연산증폭기 소자로 채택하는 것이 매우 바람직하다.
상기 오디오 파워암프 소자는 출력 방전전류량을 적절히 증폭하여 처리할 수 있도록 전류증폭기능을 갖는 출력증폭수단(34)의 기능을 더 가질 수 있으며 현재 수십 W급이 이미 상용화되어 있다.
또한 상기 오디오 암프소자의 출력회로측 제어소자만으로써 만족할 만한 크기의 출력전류신호를 얻을 수 없다면, 선형증폭수단(33) 또는 구형파-정현파 변환수단(40)의 출력측에 출력증폭수단(34)를 추가로 연결 구성하여 출력전류를 필요한 크기로 증폭시킬 수 있다.
상기 출력증폭수단(34)의 출력 트랜지스터 에미터단자(MOS FET인 경우 소스단자)에 연결된 부하저항(RL)은 상기 출력 트랜지스터가 활성 영역에서 작동시에 열적 손실을 최소화할 수 있도록 손실전압(
Figure 112008036173013-pat00007
VL)에 해당된 영역을 최소화할 수 있게 설계하는 것이 바람직하다.
활성 영역 동작에 의한 열적 손실을 최소화 할 수 있기 위해서는 연산증폭기(36)의 출력의 크기 또는 출력측 연결저항 또는 출력증폭수단(34)의 증폭도(Hfe)를 적절히 조정함으로써 피측정물회로의 동작전압(VB +)과 정현파 출력전압의 최대치와의 차에 해당된 손실전압(
Figure 112008036173013-pat00008
VL)을 최소화되게 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 원형회로로써, 현재 상용화되어 있는 20W급 오 디오 파워암프가 사용되고 있고 이는 최대 동작전압이 16~60V 이고 전류제한치는 3A 정도이다. 이의 상용화 된 모델으로서는 LM1875 또는 LM4755 등과 같은 동등 특성을 가지는 오디오 파워암프 소자들이 주로 사용될 수 있다.
또한, 또 다른 실시 예로써 PWM 스위칭 제어방식을 채용하여 정현파 형상의 방전전류를 발생시킬 수 있다. 도 8 은 PWM 스위칭 제어방식을 채용한 개념적인 회로를 표시한다.
PWM 스위칭 제어방식에서는, 정현파 발생수단(31)에서 얻어지는 정현파 신호와 공지의 삼각파 발생회로(41)로 부터 얻어지는 삼각파 신호를 변조회로(42)에서 상호 비교하여 정현파 PWM 스위칭 제어신호를 만들고, 베이스 구동회로(43)을 통해 PWM 스위칭 제어수단(44)의 반도체 스위칭소자 입력측에 PWM 스위칭 제어신호를 인가함으로써 상기 스위칭소자를 스위칭 제어하여 정현파와 유사한 맥류파 출력전류을 생성하는 것이다.
정현파 필터수단(45)는 상기의 PWM 스위칭 출력 파형이 가급적 정현파형상과 거의 유사하게 스위칭에 의한 고조파 전류를 함유하지 않도록 필터링하는 역할을 한다.
또한, MPU 에서 발생되는 기본 클럭신호를 이용하여 상기의 삼각파 발생회로(41)에서 필요한 삼각파를 만들고, 또한 상기 기본 클럭신호를 다시 분주회로(46)로 분주하여 정현파 발생수단(31)에서 정현파 주파수를 생성하도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기에서 PWM 스위칭파형을 만들어 정현파와 유사한 전류 형태의 출력전류을 생성하기 위해서 반도체 소자를 높은 주파수로 스위칭하게 되면 스위칭 손실이 증가하게 된다. PWM 스위칭파형을 이용하여 맥류파 방전회로(2)의 설계시에는, 현재 상용화된 반도체 스윗칭소자의 특성을 감안하여 PWM 펄스의 변조 주파수를 10Khz 내지 40Khz 범위내에서 적절하게 정함으로써 스위칭 손실이나 제어특성을 최적으로 결정하여야 할 필요가 있다.
도 6 내지 도 10의 상기와 같은 실시 예들에 있어서, 맥류파 방전회로(2)의 최종 출력회로단에 분류기 또는 전류센서와 같은 전류측정수단(35)을 설치하여 여기에서 출력방전 전류량을 감지하여 MPU로 입력시키고, 또한 이의 신호를 정현파 발생수단(31)이나 선형증폭수단(33), 또는 구형파-맥류파 발생수단(40)으로 부궤환(39)시켜 출력 방전전류량이 일정하게 되도록 피드백 제어하는 것이 더욱 바람직하다.
전술한 바와 같이, 정현파 형상의 맥류파 측정전류신호를 피측정물에 흐르게 하여 내부 임피던스전압(VIS) 신호를 얻을 수 있다. 또한 상기 정현파 맥류 형상의 측정전류신호를 전류센싱수단을 통해 감지하고, 상기 측정전류신호 및 충전 리플전류성분에 의해 발생되어지는 고주파 리플전압속에 포함된 내부 임피던스전압(VIS) 신호 및 이와 유사한 주파수의 성분으로 부터 공지된 동기검파 연산 알고리즘을 사용하여 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 정확히 계산할 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 바 있는 기술적 사상을 그대로 이용하여, 전력변환장치 부품중 쉽게 노화가 진행될 수 전해커패시터의 노화 여부를 진단할 수 있는 방 안으로써 상기 정현파 형상의 맥류파 측정전류신호가 전해커패시터로 부터 흐르도록 하고 이에 의해 유기되는 내부 임피던스 전압신호 성분을 이용하여 전해 커패시터의 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 계산하여 얻은 후 이로 부터 내부 저항성분인 ESR 값 (
Figure 112008036173013-pat00009
Figure 112008036173013-pat00010
) 및 손실각 tanδ값을 연산할 수 있다.
이하, 공개특허공보 10-2007-0061301(2007.06.13 공개) 및 등록특허공보 10-0577828(2006.05.12 등록공고) 등에 공지되어 있는 동기검파 연산 알고리즘에 대해 간략히 설명한다. 상기 동기검파 연산의 기본 원리는, 임의의 주파수 또는 이의 정수배 주파수를 가진 정현파 함수에 대하여 일정 적분주기(TD)를 결정하여 이의 적분주기(TD)를 가지고 주기 적분을 하게 되면 하기의 식(1) 내지 식(2)에서 보인 바와 같이 어떠한 임의 차수의 고조파 성분에 대해서도 이의 주기 적분결과는 반드시 영(0)이 되게 되는 것이고 이러한 원리를 이용하여 연산과정에서 나타나는 모든 정현파 교류 성분항을 제거할 수 있다는 것이다.
Figure 112008036173013-pat00011
(1)
Figure 112008036173013-pat00012
(2)
위 특허공보들의 기재 내용에 따르면, 위와 같은 수식적 원리를 이용하여 상기 측정전류신호의 주파수를 상용 전원의 주파수(60Hz 또는 50Hz) ω의 임의의 배수가 되게 결정하고, 측정된 전류신호 및 내부 임피던스 전압신호(진폭이 2A 및 2B이고 서로 θ만큼의 위상차를 갖는 전류, 전압 식)에 각각 sin(n+0.5)ωt함수와 cos(n+0.5)ωt함수를 곱하여 그 결과값을 중간연산항 m1, m2, m3 및 m4라 한다. 그리고 측정전류신호를 형성하는 모든 주파수 성분을 상호 가산 및 감산하여 그 결과값들 사이의 최대공약수를 구하고 그 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기 또는 그 주기의 정수배로써 연산에 필요한 적분주기(TD)를 결정하여, 그 적분주기로 상기 중간연산항들(m1~m4)을 적분한다. 중간 연산항들 m1~m4를 일정 적분주기(TD)로 각각 적분하면 적분 후에는 직류성분항을 제외한 모든 교류성분항이 영(0)이 되므로 결국 중간연산항의 직류성분에 적분주기(TD)를 곱한 결과가 된다. 이 값들을 다시 상기 적분주기(TD)로 나눈 결과를 하기의 식(3) 내지 식(6)의 최종 연산항 M1,M2,M3 및 M4라 정의한다.
삭제
Figure 112008036173013-pat00013
(3)
Figure 112008036173013-pat00014
(4)
Figure 112008036173013-pat00015
(5)
Figure 112008036173013-pat00016
(6)
상기의 식(3) 내지 식(6)을 이용하여 하기 식(7)의 좌변을 계산하면 하기 식(7)의 중간항의 결과를 얻을 수 있는데, 중간항의
Figure 112010025548807-pat00036
는 전압 실효치와 같고, 중간항의
Figure 112010025548807-pat00037
는 전류 실효치와 같으므로 최종적으로 하기 식(7)의 우변과 같이 정리할 수 있는바, 식(7)의 우변은 결국 임피던스 유효치가 되므로 위 동기검파알고르즘을 이용한 연산에 의해 최종연산항 M1~M4만 구하게 되면 아래 식(7)의 좌변의 간단한 계산에 의해 내부 임피던스 유효치를 얻을 수 있게 되는 것이다.
Figure 112008036173013-pat00017
(7)
위 식(7)에서, 2A는 피측정물의 임피던스 전압(VIS) 파형의 최대치이고 2B는 정현파 교류전류의 최대치이며, θ는 임피던스 전압 및 정현파 교류전류 사이의 위상차인바, 따라서
Figure 112010025548807-pat00038
는 임피던스 전압(VIS) 파형의 실효값이 되고
Figure 112010025548807-pat00039
는 정현파 교류전류의 실효값이 된다. 지금까지 설명한 동기검파알고리즘의 주요 단계를 정리해 보면 다음과 같다. ① VIS와 Is를 측정한다. ② 위 VIS와 Is에 각각 S1=sin(n+0.5)ωt와 C1=cos(n+0.5)ωt를 곱해서 네 개의 연산항 m1~m4를 구한다. ③ VIS와 Is의 각 주파수 성분을 상호 가산 및 감산하고 각 결과값 사이의 최대공약수를 구하여 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기 또는 그 정수배로서 적분주기 TD를 구한다. ④ 위 적분주기로 연산항 m1~m4를 적분한 후 이를 다시 적분주기 TD로 나눈 결과를 M1~M4라 한다. ⑤ 그렇게 구한 M1~M4값을 가지고, (M1M4+M2M3)/(M22+M42)를 계산하면 그 값이 바로 내부 임피던스 유효치이다.
또한, 임피던스 유효저항을 연산하기 위하여 소요되는 연산시간을 줄이기 위해서는 상기 가.감산 연산한 결과 값 사이의 최대공약수가 최소화 되어야 되므로, 피측정물에 공급되는 측정전류신호의 주파수를 고주파 리플전압(VRP)을 구성하는 임의의 모든 고조파 전압의 주파수와 상이하게 선정하되, 설계자의 결정에 의해 1차적으로 주파수대역을 선택하고 고주파 리플전압(VRP)을 구성하는 각 고조파를 크기 순서대로 정렬하며 1차적으로 선택된 범위 내에서 상기 측정전류신호의 주파수를 임의의 인접된 2개 고조파의 주파수 평균값과 같도록 선정해야 적분주기(TD)를 최소로 줄일 수 있다. 물론, 상기에서 선정된 주기의 정수배로 상기 적분주기(TD)를 정하여 적분하게 되면 연산량이 증가하게 되나 측정연산시 오차를 감소시킬 수 있는 장점이 있게 되는 것이다.
또한, 일반적으로 상용 전원의 주파수는 60Hz 또는 50Hz로 사용되고 있다. 따라서, 상기에서 설명한 기술적 사상에 따라 피측정물에 공급되는 측정신호의 기본 주파수를 5Hz 또는 10Hz의 임의 배수로 정하게 되면, 상용 전원의 주파수에 관계없이 임피던스 전압 또는 정현파 교류전류를 구성하는 모든 교류성분의 주파수를 상호 가산 및 감산하여 그 가산 및 감산의 결과값의 최대공약수가 5Hz 또는 10Hz로 결정되어 지게 되어 5Hz 또는 10Hz에 해당되는 주기 또는 상기 주기의 정수배로 주기적분을 하게 되면, 모든 교류성분 항이 영(0)이 되어 직류성분만으로 구성된 M1,M2,M3 및 M4항을 얻을 수 있으므로, 상용 전원의 주파수가 60Hz 또는 50Hz에 관계없이 동일한 주파수의 측정전류신호를 사용할 수 있게 된다.
그럼, 이하 관련도면을 참조하여 본 발명에 따른 내부 임피던스 또는 이의 유효성분 측정연산 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 11은 본 발명에 따른 내부 임피던스 또는 이의 유효성분(내부 저항 또는 손실각) 측정연산 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
우선, 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 측정연산 방법은, 정현파 형상의 맥류 방전전류의 측정전류신호가 피측정물에 흐르도록 선형전압 제어방법이나 정현파 PWM 스위칭제어방식에 의해 방전전류를 제어한다 (S301).
이때, 상기 정현파 형상의 맥류 방전전류의 측정전류신호의 주파수는 50/60Hz의 상용 전원주파수의 0.5배, (n + 0.5)배, 5Hz 또는 이의 정수배, 또는 10Hz 또는 이의 정수배 중 선택된 어느 하나와 같도록 정하여지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 출력 제어된 정현파 형상의 맥류 방전전류의 측정신호를 상기 피측정물에 공급한다(S302).
그런 다음, 상기 정현파 형상의 맥류 방전전류의 측정신호에 의해 검출된 피측정물의 내부 임피던스 전압 성분 및 이와 유사한 주파수 성분을 통과시킨다 (S303).
그 다음으로, 상기 측정전류신호 및 임피던스 전압 신호 성분을 이용하여 내부 임피던스 또는 이의 유효치(또는 손실각)를 연산한다 (S304).
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예 들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능 할 것이며, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. 또한 본 발명의 바람직한 실시 예에서 구체적으로 제시되지 않더라도 본 발명에서 제시된 기술적 사상을 이용하여 축전지나 전해 콘덴사 등과 같은 피측정물의 내부 저항이나 내부 임피던스값을 측정하여 연산할 수 있는 것이다.
본 발명은 교류전류 주입방식과 유사한 측정연산 알고리즘을 사용하여 바람직한 측정결과를 얻을 수 있으면서 정현파 전류 생성을 위한 전압원 또는 전류원이 필요하지 않게 되고, 따라서 정현파 발생회로의 제어전원이 불요하게 되어 회로 구성이 간략화되는 장점을 가지기 된다.
따라서 동일 크기의 하드웨어 회로를 가지면서도 측정연산회로를 고급화할 수 있으므로, 측정전류신호와 임피던스 전압신호와의 위상차인 cosθ을 측정하지 않고 내부 등가회로에 의한 수식적 결과에 의하여 구해진 3개의 4차 연립 방정식으로 부터 축전지 등가회로의 요소별 내부 저항 또는 캐패시터 성분값들을 구할 수 있는 하드웨어 회로를 용이하게 구성할 수 있는 장점도 가질 수 있다.
또한, 상기 정현파 형상의 맥류파 측정전류신호가 전해 커패시터로 부터 흐르도록 하고 이에 의해 유기되는 내부 임피던스 전압신호 성분을 이용하여 전력변환장치 등에 사용되는 전해 커패시터의 내부 저항성분인 ESR 값 (
Figure 112008036173013-pat00020
Figure 112008036173013-pat00021
) 및 손실각 tanδ값을 연산할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상을 이용하여 종래와 유사한 교류전류 주입방식과 유사한 측정회로나 이미 공지된 측정 연산알고리즘을 적용함으로써 축전지의 내부 등가회로의 R-L-C 직렬회로 성분요소들을 모두 연산할 수 있으므로 산업적 이용 가능성이 높을 것 이다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 구체적으로 제시되지 않고 있지만, 본 발명에서 제시된 기술적 사상을 이용하여 전해 콘덴사 등과 같은 내부 저항 또는 손실각을 측정하여 피측정물의 노화상태를 분석할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 맥류파 형상의 방전전류에 의한 내부 임피던스 측정방법의 개념도.
도 2는 본 발명의 대표적 실시 예로써 맥류파 형상의 방전전류에 의한 내부 임피던스 측정방식의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예인 온 라인 측정장치에 적용한 구성도
도 4은 본 발명의 측정연산회로의 일 실시 예.
도 5는 본 발명에 있어서 맥류파 형상의 방전전류 파형 및 맥류파 방전회로의 출력전압 파형.
도 6는 본 발명의 일 실시 예인 맥류파 형상의 방전회로의 개략도.
도 7는 본 발명에 있어서 맥류파 방전회로의 또 다른 일 실시 예.
도 8은 본 발명의 일 실시 예로써 PWM 스위칭 제어방식을 이용한 맥류파 발생회로의 회로도.
도 9는 본 발명의 일 실시 예인 맥류파 형상의 또 다른 방전회로의 개략도.
도 10은 본 발명에 있어서 또 다른 일 실시 예인 구형파 클럭펄스 입력형인 맥류파 방전회로.
도 11은 본 발명에 있어서 정현파 형상의 맥류 방전전류의 제어 단계

Claims (18)

  1. 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치(또는 손실각)를 측정 연산하기 위한 방법으로서,
    정현파 형상을 가진 맥류파 방전전류의 측정신호(정현파 맥류 형태의 측정전류신호)를 발생시키는 단계;
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호 및 상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호가 상기 피측정물에 흐를 때의 피측정물 내부 임피던스 전압 신호를 계측하는 단계; 및
    상기 측정전류신호 및 내부 임피던스전압 신호를 입력으로 하여 동기검파 알고리즘에 의한 연산을 통해 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 단계;
    를 포함하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호는 그 출력이 선형적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호는 그 출력이 PWM 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호는, 이의 주파수가 MPU에서 출력된 클럭신호와 동기되는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호의 주파수는, 상용 전원주파수의 0.5배, (n + 0.5)배, 5Hz 또는 이의 정수배, 또는 10Hz 또는 이의 정수배 중 선택된 어느 하나와 같도록 정해짐을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기검파 알고리즘에 의한 연산을 통해 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 단계는,
    상기 측정전류신호 및 내부 임피던스 전압신호에 측정전류신호 주파수와 동일한 주파수의 sin함수 및 cos함수를 각각 곱하여 연산항 m1~m4를 구하는 단계;
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호 주파수 성분 및 내부 임피던스 전압신호를 형성하는 모든 고조파 주파수 성분을 상호 가산 및 감산하여 상호 가산 및 감산한 결과값 사이의 최대공약수를 구하는 단계;
    상기 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기 또는 상기 최대공약수의 주파수에 해당되는 주기의 정수배로써 적분주기를 결정하는 단계;
    상기 연산항 m1~m4를 상기 적분주기로 적분한 후 그 결과를 다시 상기 적분주기로 나누어 최종 연산항 M1~M4를 구하는 단계; 및
    상기 M1~M4값에 의해 수식 (M1M4+M2M3)/(M22+M42)를 계산하는 단계를 포함하는 내부 임피던스 측정연산 방법.
  7. 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치(또는 손실각)를 측정 연산하는 장치로서,
    정현파 맥류 형태의 측정전류신호를 생성하는 맥류파 방전회로;
    상기 피측정물에 흐르는 정현파 맥류 형태의 측정전류신호를 검출하는 전류센싱수단; 및
    상기 피측정물의 단자전압으로부터 내부 임피던스 전압 성분을 추출하고, 상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호 및 피측정물의 상기 내부 임피던스 전압신호를 이용하여 피측정물의 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 측정연산회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 피측정물의 내부 임피던스 측정연산 장치.
  8. 축전지의 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 측정 연산하는 장치로서,
    측정전류로서 정현파 맥류 형태의 방전전류를 생성하여 피측정물인 축전지 열이나 셀에 흐르게 하는 맥류파 방전회로;
    상기 각 축전지 열의 출력단 또는 상기 맥류파 방전회로의 출력단에 설치된 전류센싱수단;
    상기 각 축전지 열로 상기 맥류파 방전회로의 출력전류신호를 스위칭시키는 전류연결수단; 및
    상기 피측정물인 축전지 열이나 셀의 단자전압으로부터 내부 임피던스 전압 성분을 추출하고, 상기 측정전류신호 및 상기 내부 임피던스 전압신호를 이용하여 내부 임피던스 또는 이의 유효치를 연산하는 측정연산회로;
    를 포함하는 축전지의 내부 임피던스 측정연산 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 측정연산회로는,
    정현파 맥류 형태의 측정전류신호를 감지하기 위한 전류센싱수단의 입력단 회로;
    피측정물의 단자전압(Vp)을 분압 또는 절연 증폭하기 위한 차동증폭회로; 및
    상기 단자전압(Vp)으로 부터 피측정물의 내부 임피던스 전압(VIS)만을 여과시키는 직류커프링회로; 및
    상기 정현파 맥류 형태의 측정전류신호와 상기 직류커프링회로의 출력인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D변환기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 내부 임피던스 전압(VIS)으로부터 측정에 필요한 임피던스 전압(VIS)성분 및 이와 유사한 주파수 성분을 여과시키기 위한 필터수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    정현파를 발생시키는 정현파 발생수단(31); 및
    상기 정현파 발생수단에서 얻어진 정현파를 선형적으로 증폭하는 선형증폭수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    구형파 형상의 클럭펄스를 받아 정현파로 변환하는 구형파-정현파 변환회로; 및
    상기 구형파-정현파 변환회로의 출력을 증폭시키기 위한 출력증폭수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  13. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    정현파를 발생시키는 정현파 발생수단(31);
    상기 정현파 발생수단(31)에서 얻어지는 정현파 신호와 공지의 삼각파 발생회로(41)로 부터 얻어지는 삼각파 신호를 상호 비교하여 정현파 PWM 스위칭 제어신호를 만드는 변조회로(42); 및
    상기 정현파 PWM 스위칭 제어신호에 의해 스위칭 제어되는 PWM 스위칭 제어수단(44); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    입력 제어회로부와 피측정물 회로 동작전원을 전기적으로 절연시키기 위한 신호절연수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    선형증폭수단에서 출력되는 측정전류신호를 증폭시키는 출력증폭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 맥류파 방전회로는,
    입력 제어회로부와 피측정물 회로 동작전원을 전기적으로 절연시키기 위한 신호절연수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 임피던스 측정연산 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    구형파-정현파 변환회로는,
    내부 연산증폭기의 비반전 입력단에 인가되는 전압신호에 의해 정현파 출력신호가 쉬프트됨을 특징으로 하는 피측정물의 내부 임피던스 측정연산 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    구형파-정현파 변환회로는,
    연산증폭기, 저항 R13 내지 저항 R15, 콘덴서 C11, 및 콘덴서 C12를 포함하여 구성되고, 대역 능동필터 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 피측정물의 내부 임피던스 측정연산 장치.
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