KR101000872B1 - 배터리 전위 측정회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차와 같이 수십 개 또는 수백 개의 배터리를 사용하여 구동하는 전기회로에서 배터리의 수명 및 안전성을 감시 관리하기 위해 각각의 배터리의 전위를 개별적으로 측정하여 제어해야 하는 장치에 사용하기 위한 배터리 전위 측정회로에 관한 것으로,

반도체 릴레이(포토모스 릴레이)를 사용하거나 기계식 릴레이를 사용하여 구성된 종래의 배터리 전위 측정회로는 측정속도가 늦거나 수명이 제한적이라는 문제가 있었고, 차동 증폭기 회로를 구성하여 배터리 전위를 측정하는 기술은 피측정 배터리의 기준 전위가 높을 경우 사용이 어렵게 되는 문제가 있었던 바,

기존의 릴레이 방식을 사용하지 않고 스위치 소자의 게이트 턴-온 신호를 게이트 구동용 트랜스포머로 절연하여 작동하게 하는 원격 절연 스위치 제어 방식을 사용하는 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 다수의 배터리가 직렬로 연결되면 각 배터리의 전위가 그 갯수만큼 더해져서 수 볼트에서 수백 볼트까지 측정 위치가 차이가 발생하고 개별적 배터리의 전위를 수 볼트씩 정밀하게 측정해야 하는 회로에서 각 배터리를 측정할 때 전체 전위로 인해 간섭을 회피할 수 있게 됨은 물론 최소의 측정 소비전류로 동작할 수 있게 되고, 전위 측정 속도를 크게 개선할 수 있게 되며, 반영구적으로 사용할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

배터리, 전위, 측정회로, 스위치, 캐패시터, 전압계, 트랜지스터, 게이트 구동용 트랜스포머

Description

배터리 전위 측정회로 {a battery voltage sensing circuit}

본 발명은 전기자동차와 같이 수십 개 또는 수백 개의 배터리를 사용하여 구동하는 전기회로에서 배터리의 수명 및 안전성을 감시 관리하기 위해 각각의 배터리의 전위를 개별적으로 측정하여 제어해야 하는 장치에 사용하기 위한 배터리 전위 측정회로에 관한 것으로, 더 자세하게는 배터리 부분과 측정 부분의 절연 특성을 확보하면서 보다 안정적으로 배터리 전위를 측정할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차와 같이 수십 개 또는 수백 개의 배터리를 사용하여 구동하는 전기회로에서 배터리의 수명 및 안전성을 감시 관리하기 위해 각각의 배터리의 전위를 개별적으로 측정하여 제어하게 되며, 이를 위해 배터리 전위 측정 회로가 사용된다.

종래에 있어서 상기 배터리 전위 측정회로는 반도체 릴레이(포토모스 릴레이)를 사용하거나 기계식 릴레이를 사용하여 구성된 것이 주로 사용되었지만 측정 속도가 늦거나 수명이 제한적이라는 문제가 있었다.

일반적으로 릴레이라 함은 전류를 통전하는 전극을 간접적 에너지를 이용해 두 전극 사이를 통전하게 하거나 차단하게 하여 원격 제어의 목적으로 사용하고 있으며, 기계식 릴레이는 기계적 전극의 코일에 전류를 통전하여 발생하는 전자석의 힘으로 작동함으로써 원격제어가 가능한 방식이고, 포토모스 릴레이는 반도체 스위치인 전계효과 트랜지스터(FET)의 게이트 신호를 광전자 효과를 이용하여 작동하게 만들어진 릴레이를 말한다.

한편 종래에는 차동 증폭기 회로를 구성하여 배터리 전위를 측정하는 기술도 제안되었지만 이는 피측정 배터리의 기준 전위가 높을 경우 사용이 어렵게 되는 문제가 있었다.

상기에서 기준전위란 여러 개의 배터리를 직렬 연결하여 사용할 경우 각각의 배터리는 고유 전위차를 발생시키게 되는데, 그 각각의 전위차를 측정하기 위한 각 배터리의 기준점을 말한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 배터리 회로 부분과 측정 부분의 전기적 절연 특성을 확보하면서 상호 간섭을 주지 않으면서 연속적으로 배터리의 전위 변화를 측정할 수 있도록 함은 물론 동작 속도가 빠르고 수명이 긴 배터리 전위 측정회로를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 전위 측정회로는 기존의 릴레이 방식을 사용하지 않고 스위치 소자의 게이트 턴-온 신호를 게이트 구동용 트랜스포머로 절연하여 작동하게 하는 원격 절연 스위치 제어 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 배터리 전위 측정회로에 있어서는 배터리가 한 쌍의 저항을 통해 제1캐패시터에 접속되고, 제1캐패시터가 한 쌍의 스위치를 통해 제2캐패시터에 접속되는 동시에 제2캐패시터가 한 쌍의 스위치를 통해 제3캐패시터에 접속되며, 제3캐패시터가 전압계에 접속된다.

본 발명에 있어서 각 캐패시터 사이에 설치되는 각 스위치는 한 쌍의 N채널 모스페트(MOSFET) 트랜지스터를 역방향으로 연결하여 구성할 수 있으며, 각 트랜지스터를 게이트 구동용 트랜스포머로 원격 제어할 수 있다.

본 발명에 있어서 한 쌍의 스위치를 통해 제2캐패시터와 접속 또는 절연되는 배터리 부분을 다수로 구성하여 하나의 전압계 부분과 접속하게 되면 복잡한 배터리 연결구성 장치라 하여도 각각의 배터리의 전위상태를 측정하여 관리할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 다수의 배터리가 직렬로 연결되면 각 배터리의 전위가 그 갯수만큼 더해져서 수 볼트에서 수백 볼트까지 측정 위치가 차이가 발생하고 개별적 배터리의 전위를 수 볼트씩 정밀하게 측정해야 하는 회로에서 각 배터리를 측정할 때 전체 전위로 인해 간섭을 회피할 수 있게 됨은 물론 최소의 측정 소비전류로 동작할 수 있게 되고, 전위 측정 속도를 크게 개선할 수 있게 되며, 반영구적으로 사용할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

이하 본 발명의 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명의 한 실시예의 회로도가 도시되어 있다.

본 발명의 배터리 전위 측정회로는 배터리(VB1)가 한 쌍의 저항(R5)(R6)을 통해 제1캐패시터(C1)에 접속되고, 제1캐패시터(C1)가 한 쌍의 스위치(SW3)(SW4)를 통해 제2캐패시터(C2)에 접속되며, 제2캐패시터(C2)가 한 쌍의 스위치(SW1)(SW2)를 통해 제3캐패시터(C3)에 접속되고, 제3캐패시터(C3)가 전압계(VM1)에 접속된 것이다.

도 1에서 배터리(VB1)는 외부 부하의 변동에 따라 충전 또는 방전이 이루어지며, 그에 따라 수시로 전위가 변동되는 충전 및 방전이 가능한 이차배터리이다.

도 1과 같이 배터리(VB1)와 제1캐패시터(C1)는 한 쌍의 저항(R5)(R6)을 통해 상시 연결되고, 배터리(VB1)의 전위와 제1캐패시터(C1)의 전위는 동일하게 유지된다.

상기에서 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)를 작동시켜 제2캐패시터(C2)를 제1캐패시터(C1)에 연결하면 결국 배터리(VB1)의 전위와 제2캐패시터(C2)의 전위는 동일하게 된다.

이 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 차단되어 있어야 하며, 그러기 때문에 전압계(VM1)가 연결되어 있는 부분과 배터리(VB1)가 연결되어 있는 부분은 절연되어 서로 간섭을 주지 않게 된다.

상기에서 제2캐패시터(C2)에 배터리(VB1)의 전위가 충분히 충전된 때에 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)를 차단하고, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 연결하게 되면 제2캐패시터(C2)와 배터리(VB1)와 연결은 완전히 차단되어 서로 간섭을 주지 않게 되면서 제2캐패시터(C2)의 전위는 제3캐패시터(C3)에 충전된다.

그리고 이 때 전압계(VM1)이 측정하는 전위는 배터리(VB1)의 전위와 비례한 값을 읽을 수 있으면서 배터리(VB1)가 연결된 회로와는 완전 절연된 상태에서 배터리(VB1)의 전위를 측정할 수 있게 된다.

이러한 동작을 계속해서 반복하며 전압계(VM1)의 전위를 읽으면 배터리(VB1)의 전위 변화를 연속적으로 측정할 수 있게 된다.

도 2에는 본 발명의 다른 실시예의 회로도가 도시되어 있다.

도 2에 도시한 본 발명의 다른 실시예는 전술한 도 1 실시예의 스위치를 통해 구현한 동작을 반도체 스위치 소자인 트랜지스터(Q1~Q8)와 게이트 구동용 트랜스포머(P1~P2)를 이용하여 구성한 것으로, 도 1에 도시한 실시예의 작동 원리와 동일한 원리로 배터리의 전위 변화를 연속 측정할 수 있는 것이다.

상기 본 발명의 다른 실시예에서 반도체 스위치 소자인 트랜지스터를 구동하기 위해서는 게이트 구동용 트랜스포머에 교류 신호를 가해주어야 하며, 그 교류 신호의 위상과 극성을 트랜지스터의 작동점과 일치시키면 된다.

도 2의 실시예에서 사용되는 트랜스포머는 전류를 자기장으로 변환하고, 그 자기장을 다시 전류로 변환하는 부품으로, 주로 전력을 변환하기 위해 사용되며, 본 발명에서는 반도체 스위치 소자인 트랜지스터의 게이트 신호를 전기적으로 절연하여 원격으로 제어하게 된다.

도 2의 실시예와 같이 게이트 구동용 트랜스포머로 신호를 전달하게 되면 전기적 전달 지연시간이 없어 응답을 신속하게 할 수 있고, 기계적 작동장치가 없어 영구적인 수명을 기대할 수 있게 된다.

도 2의 실시예에서 트랜지스터는 N채널 모스페트(MOSFET)를 사용하였는데, 게이트 구동용 트랜스포머의 출력 펄스 방향이 정 극성일 때 트랜지스터는 도통되고, 부 극성일 때 차단된다.

상기 반도체 스위치 소자인 트랜지스터는 부 극성일 때는 차단되지만 정 극성일 때는 반도체 정류기(다이오드)가 연결된 것처럼 도통이 되며, 하나의 스위치를 구성하기 위해서는 두 개의 트랜지스터 소자가 역방향으로 연결되어야 동일한 효과를 낼 수 있다.

따라서 도 2의 실시예에서는 제1트랜지스터(Q1)와 제2트랜지스터(Q2), 그리고 제3트랜지스터(Q3)와 제4트랜지스터(Q4)가 서로 역방향으로 연결되어 있고, 이는 도 1에 도시한 실시예의 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2)와 동일한 작용을 하게 된다.

그리고 도 1의 실시예의 회로 동작과 같이 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)의 동작이 동시에 이루어져야 하기 때문에 도 2의 실시예에서도 제1, 2트랜지스터(Q1)(Q2)와 제3, 4트랜지스터(Q3)(Q4)가 제1게이트 구동용 트랜스포머(P1)를 통해 하나로 연결되어 동작하게 된다.

또한 도 1의 실시예의 제3스위치(SW3)와 동일한 작용을 하게 되는 도 2의 실시예의 제5트랜지스터(Q5)와 제6트랜지스터(Q6), 그리고 도 1의 실시예의 제4스위치(SW4)와 동일한 작용을 하게 되는 도 2의 실시예의 제7트랜지스터(Q7)와 제8트랜지스터(Q8)도 제2게이트 구동용 트랜스포머(P2)를 통해 하나로 연결되어 동작하게 된다.

상기 실시예에 있어서 각 게이트 구동용 트랜스포머(P1)(P2)를 수십 KHz의 속도로 펄스를 가하게 되면 각 게이트 구동용 트랜스포머(P1)(P2)의 효율성 및 측정속도를 높일 수 있게 된다.

도 3에는 본 발명의 다른 실시예의 확장 회로도가 도시되어 있다.

도 3은 도 2의 다른 실시예의 기본 구성 회로를 연속으로 연결하여 여러 개의 배터리 전위를 각각 측정할 수 있도록 구성한 확장 회로도이다.

도 3의 확장 구성 회로는 도 1의 실시예에서 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)의 작용으로 제2캐패시터(C2)와 접속 또는 절연되는 배터리(VB1) 부분을 다수로 구성하여 하나의 전압계(VM1) 부분과 접속한 것으로, 각각의 배터리(VB1~VBn) 부분을 시간차를 두고 순서적으로 작동하면 측정할 배터리의 수가 많다고 해도 시 간적 차이가 있을 뿐 각 배터리(VB1~VBn)의 전위를 개별적으로 서로 간섭받지 않으면서 측정할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명에 있어서는 배터리(VB1~VBn)의 연결 수만큼 스위치회로를 늘리기만 하면 아무리 복잡한 배터리 연결구성 장치라 하여도 각각의 배터리의 전위상태를 측정하여 관리할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예의 회로도

도 2는 본 발명의 다른 실시예의 회로도

도 3은 도 2 실시예의 확장 회로도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

VB1 ~ VBn : 배터리

C1, C2, C3 : 캐패시터

VM1 : 전압계

Q1 ~ Q6 : 트랜지스터

P1, P2 : 게이트 구동용 트랜스포머

Claims (4)

1. 배터리(VB1)가 한 쌍의 저항(R5)(R6)을 통해 제1캐패시터(C1)에 접속되고, 제1캐패시터(C1)가 한 쌍의 스위치(SW3)(SW4)를 통해 제2캐패시터(C2)에 접속되며, 제2캐패시터(C2)가 한 쌍의 스위치(SW1)(SW2)를 통해 제3캐패시터(C3)에 접속되고, 제3캐패시터(C3)가 전압계(VM1)에 접속되되,

   상기 스위치(SW3)와 스위치(SW4)의 작용으로 제2캐패시터(C2)와 접속 또는 절연되는 배터리(VB1) 부분을 다수로 구성하여 하나의 전압계(VM1) 부분과 접속한 것으로 하는 배터리 전위 측정회로.
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