KR102029282B1 - 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 센싱 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 옵토 커플러와 관측기로 구성된 회로를 통해 측정하고자 하는 전압을 양호하게 센싱하여 출력함으로써, 별도의 복잡한 회로 구성없이 전압 센싱을 수행할 수 있는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로에 관한 것이다.

Description

옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로 {Voltage sensing circuit using opto coupler}

본 발명은 전압 센싱 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 옵토 커플러와 관측기로 구성된 회로를 통해 측정하고자 하는 전압을 양호하게 센싱하여 출력함으로써, 별도의 복잡한 회로 구성없이 전압 센싱을 수행할 수 있는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로에 관한 것이다.

최근 직류 전원 사용부하가 급속히 증가하면서 에너지를 저장하는 장치의 수요가 증가하고 있으며. 특히 2차 전지의 대용량 요구에 따른 배터리 모듈의 직렬 구성은 필수적으로 요구되고 있다.

용량이 같은 배터리 모듈을 직렬로 구성하면 초기에는 정상적으로 동작하지만, 장시간 운영에 따른 영향과 각 배터리 특성의 차이로 인한 전압 불평형이 일어나며 이로 인하여 배터리 충전, 방전 시 특성이 변화하여 효율 및 성능이 저감되는 주요 원인이 된다.

이러한 직렬로 구성된 배터리 모듈의 불평형을 제거하기 위해 낮은 전압에 기준하여 높은 전압을 단순히 소비하는지, 높은 만큼의 전압을 낮은 셀에 전달하여 버리는 전력이 없는지에 기준하여 수동 또는 능동 방식으로 나뉘어지며, 직렬로 연결된 배터리 모듈의 전압을 동일하게 맞추기 위해 다양한 배터리 밸런싱 방법이 연구되고 있다.

한편, 이러한 배터리 밸런싱을 수행하기 위해서는 배터리 모듈들의 전압을 측정하기 위한 센서가 필수적이며, 대표적인 전압 측정 센서로 Liner technology 사의 LTC6804 칩이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 전압 측정 센서의 구조를 보여주는 도면으로, 도 1을 참조하면, LTC6804 칩은 내부에 다양한 연산기, 필터 및 시리얼 소자로 등으로 이루어져 있는 고가의 전압 센서로, 절연 고속 직렬통신방식을 채용하여 배터리 전압을 측정하는 구조로 최대 12개의 셀 전압을 계측할 수 있으며, 계측된 셀 전압은 절연된 시리얼 통신에 의해 전달된다.

이러한, 구조는 상위 센서용 칩에서 하위 센서용 칩으로 전압정보를 전달하는 구조를 취함으로써 하위측으로 갈수록 센서용 칩의 통신부담이 크게 작용하는 단점이 있어, 이로 인해 직렬 구조수가 증가할수록 데이터 측정시간이 기하 급수적으로 증가하게 된다.

또한, 대용량 요구에 따른 직렬로 연결되는 배터리 모듈의 개수가 갈수록 증가함에 따라, 배터리 모듈을 측정하기 위한 고가의 전압 측정 센서의 수요 또한, 증가함으로써, 많은 설비 비용이 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리의 전압을 측정하는데 있어서, 저가이면서, 구성이 단순하며 신뢰성 높은 전압 계측이 가능한 전압 센싱 회로를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 입력측에 전압이 인가되면 출력측이 도통되어 전압을 출력하는 제1 옵토 커플러와 제2 옵토 커플러; 상기 제1 옵토 커플러와 상기 제2 옵토 커플러로부터 출력되는 전압을 서로 비교하여 출력하는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 전압 상태를 관측하고 필터링하기 위한 관측기;를 포함하고, 상기 제1 옵토 커플러의 입력측에는 측정하고자 하는 전압을 인가하고, 상기 제2 옵토 커플러의 입력측에는 상기 관측기의 출력을 연결하는 것을 특징으로 하는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 연산 증폭기는 상기 제1 옵토 커플러와 상기 제2 옵토 커플러의 출력 전압의 차를 계산하는 차동 증폭기이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 관측기는 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 전압을 적분하여 나타낼 수 있는 적분기이다.

본 발명의 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로에 의하면, 제1 옵토 커플러와 제2 옵토 커플러, 단순한 구조의 차동 증폭기 및 적분기로 구성되어 있으며, 제1 옵토 커플러의 비선형적인 출력 전압을 적분기의 출력이 입력으로 인가되는 제2 옵토 커플러를 통해 보상함으로써, 측정하고자 하는 전압과 유사한 전압을 센싱할 수 있으므로 단순한 구조로 빠르고 신뢰성 있는 전압 측정이 가능하다.

또한, 본 발명의 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로에 의하면 저가의 옵토 커플러, 차동 증폭기 및 적분기로 이루어져 있으므로, 설계 및 생산 비용을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 전압 측정 센서의 구조를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센싱 회로의 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센싱 회로의 시뮬레이션 회로도,
도 4는 시뮬레이션 회로의 결과를 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개략도를 보여주는 것으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센싱 회로(100)는 측정하고자 하는 전압을 옵토 커플러(110)를 통해 계측하는 센싱 회로로써, 제1 옵토 커플러(111), 제2 옵토 커플러(112), 연산 증폭기(120) 및 관측기(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 옵토 커플러(110)는 입력측과 출력측으로 이루어진다.

또한, 상기 옵토 커플러(110)의 입력측은 발광부로 이루어져 있으며, 출력측은 수광부로 이루어져 있다.

또한, 상기 옵토 커플러(110)의 입력측과 출력측은 절연된 상태로 상기 발광부의 발광 신호에 의해 상기 수광부가 도통되어 전압을 출력하는 소자이다.

또한, 상기 측정하고자 하는 전압은 배터리(10)로부터 출력되는 전압이다.

상기 제1 옵토 커플러(111)의 입력측은 상기 배터리(10)와 연결되며, 상기 배터리(10)로부터 출력되는 전압을 인가받는다.

또한, 상기 제1 옵토 커플러(111)의 출력측은 상기 연산 증폭기(120)의 입력과 연결된다.

상기 제2 옵토 커플러(112)의 입력측은 상기 관측기(130)의 출력을 입력으로 인가받으며, 상기 제2 옵토 커플러(112)의 출력측은 상기 연산 증폭기(120)의 입력과 연결된다.

즉, 상기 연산 증폭기(120)는 상기 제1 옵토 커플러(111)의 출력 전압을 제1 입력으로 입력받으며, 상기 제2 옵토 커플러(112)의 출력 전압을 제2 입력으로 입력받는다.

또한, 상기 연사 증폭기(120)는 상기 제1 옵토 커플러(111)와 상기 제2 옵토 커플러(112)의 출력 전압 차를 계산하는 차동 증폭기이다.

여기서, 상기 연산 증폭기(120)는 상기 제1 옵토 커플러(111)의 출력 전압과 상기 제2 옵토 커플러(112)의 출력 전압을 서로 비교하여 잡음을 제거하기 위한 용도로 사용된다.

또한, 상기 연산 증폭기(120)의 출력은 상기 관측기(130)에 입력된다.

상기 관측기(130)는 상기 연산 증폭기(120)로부터 출력되는 전압의 상태를 관측하고 필터링을 수행하는 기능을 수행하기 위한 것으로, 상기 연산 증폭기(120)로부터 출력되는 전압을 적분하는 적분기이다.

한편, 상기 제1 옵토 커플러(111)의 출력은 트랜지스터 특성상 상기 배터리(10)의 전압과 비선형적으로 전압이 출력되는 문제점이 있어, 상기 제1 옵토 커플러(111)만을 사용했을 경우 전압 측정 센서로서의 기능을 할 수 없다.

따라서, 본 발명의 전압 측정 회로(100)에서는 상기 제2 옵토 커플러(112)의 입력에 상기 관측기(130)의 출력을 연결함으로써, 궤환 회로를 형성하여 전압의 왜곡을 최대한 감소시키고, 상기 관측기(130)의 출력이 상기 배터리(10)의 전압과 선형적으로 출력될 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 센싱 회로의 타당성을 증명하기 위한 시뮬레이션 회로도로, 도 3을 참조하여 본 발명의 전압 센싱 회로의 타당성을 증명한다.

시뮬레이션 회로의 기본 구성은 제1 옵토 커플러(111), 제2 옵토 커플러(112), 연산 증폭기(120) 및 관측기(130)로 이루어져 있으며, 상기 제1 옵토 커플러(111)와 상기 제2 옵토 커플러(112)의 입력측과 출력측에 각각 하나의 저항이 연결되어 있다.

또한, 상기 연산 증폭기(120)는 차동 증폭기를 사용하였으며, 상기 관측기(130)는 적분기를 사용하였다.

시뮬레이션 과정은 무작위로 배터리(10)의 전압을 3V 내지 15V 사이로 변동해가면서 상기 제1 옵토 커플러(111)의 입력측에 인가하였으며, 관측기(130)의 컷오프 주파수는 12 kHz로 설정하였다.

도 4는 시뮬레이션 회로의 결과를 나타내는 그래프로써, 도 4의 (a)는 배터리 전압과 적분기 출력 전압의 삼각파 응답특성 그래프, (b)는 배터리 전압과 적분기 출력 전압의 정현파 및 구형파 응답특성 그래프를 보여주는 것으로 시뮬레이션 결과 배터리(10)의 전압과 상기 관측기(130)에서 출력되는 전압이 유사하게 출력되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 관측기(130)에서 출력되는 전압 파형을 살펴보면 1.2V 이하에서는 측정이 되지 않는 것을 확인할 수 있다.

이는 상기 옵토 커플러들(111,112)의 문턱 전압이 1.2V이므로 이 이상의 전압이 입력측에 인가되지 않으면 동작하지 않기 때문이다.

그러나, 배터리 전압을 측정하는 데 있어서, 매우 낮은 전압 계측은 무의미함으로 계측 성능 평가에는 영향을 미치지 않는다.

따라서, 본 발명의 전압 센싱 회로는 저가이며, 비선형의 특성을 갖는 옵토 커플러들을 통해 배터리 전압을 측정하여, 측정한 배터리의 전압과 동일한 전압을 출력할 수 있으므로, 단순한 구조로 빠르고 신뢰성 있는 전압 측정이 가능하며, 설계 및 생산 비용을 최소화할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:전압 센싱 회로 110:옵토 커플러
120:연산 증폭기 130:관측기

Claims (3)

1. 입력측에 전압이 인가되면 출력측이 도통되어 전압을 출력하는 제1 옵토 커플러와 제2 옵토 커플러;
   상기 제1 옵토 커플러와 상기 제2 옵토 커플러로부터 출력되는 전압을 서로 비교하여 출력하는 연산 증폭기; 및
   상기 연산 증폭기로부터 출력되는 전압 상태를 관측하고 필터링하기 위한 관측기;를 포함하고,
   상기 제1 옵토 커플러의 입력측에는 측정하고자 하는 전압을 인가하고, 상기 제2 옵토 커플러의 입력측에는 상기 관측기의 출력을 연결하는 것을 특징으로 하는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연산 증폭기는 상기 제1 옵토 커플러와 상기 제2 옵토 커플러의 출력 전압의 차를 계산하는 차동 증폭기인 것을 특징으로 하는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 관측기는 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 전압을 적분하여 나타낼 수 있는 적분기인 것을 특징으로 하는 옵토 커플러를 이용한 전압 센싱 회로
   

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