KR200344389Y1 - 고입력 동상전압형 차동증폭기를 이용한 축전지셀전압측정 회로 - Google Patents

고입력 동상전압형 차동증폭기를 이용한 축전지셀전압측정 회로 Download PDF

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Abstract

일반적으로 축전지셀의 단자전압 및 내부 임피던스를 측정하여 불량한 축전지를 선별하고자 하는 측정진단 회로에 있어서, 임피던스전압을 측정하기 위하여 축전지셀에 정전류를 흘려 주면 축전지의 단자전압에서는 정전류에 의하여 유기된 임피던스전압 신호가 축전지의 단자전압인 직류전압에 더 하여져(+) 나오게 된다.이때 부동충전 상태에 있는 12V 축전지셀인 경우에는 단자전압 직류치가 최대 15V를 넘어가게 되므로 종래 일반적인 차동연산증폭회로를 사용하기에는 입력정격을 초과할 우려가 있고 또한 2V이하의 셀을 측정시는 분해능력도 저하되는 단점이 있었으며, 측정회로 부터 축전지가 떨어져 있는 경우에는 측정회로의 배선 선로저항 강하치(Drop)에 의하여 오차가 발생되었다.
본 고안은 축전지의 정격전압이 1.1-12V 범위인 축전지의 단자전압과 단자전압 속에 리플전압형태로 유기되는 축전지 내부임피던스전압을 기타 노이즈전압으로부터 적절히 분리하여 디지털 계측회로(A/D 컨버터)에 적절히 입력시켜 이를 정확하게 계측할 수 있게 하는 방안을 제시하고 있다.

Description

고입력 동상전압형 차동증폭기를 이용한 축전지셀 전압측정 회로 {Battery cell voltage Measuring circuit using the high voltage common mode differential amplifier}
비상전원설비 또는 통신망전원설비등에 축전지시스템이 많이 사용되고 있고 이를 효율적 관리하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있으며 이의 열화(건전상태)를 측정하는 방안으로 셀전압과 내부임피던스를 측정할 수 있는 계측기 및 진단시스템이 상용화되어 가고 있으며 축전지와 같이 노화정도에 따라 내부 임피던스가 증가하는 측정물의 열화정도를 파악하기 위해서는 교류정전류 IS를 축전지와 같은 측정물의 단자양단에 입력시켜 내부임피던스에 의한 전압강하성분 (이하 임피던스 전압)VIS'을 측정하여 내부임피던스를 측정하고 이의 건전상태를 진단하는 방법이 보편화되어 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이 축전지의 내부임피던스는 그 크기가 매우 작기 때문에 측정리이드의 선의 저항이나 Plug의 접촉저항과 같은 영향을 최소화하기 위해 교류 4단자 측정법을 사용하고 있으며 정전류원 회로에서 Source단자(①,②)를 통하여 교류정전류 IS를 축전지와 같은 측정물의 양 단자 사이에 입력시키고 상기의 정전류 IS에 의하여 양단자 사이에 발생된 내부 임피던스전압(VIS')를 Sense단자(③,④)를 통하여 측정한다.
현재 일반적으로 사용하고 있는 방법의 실시 예에서는 축전지단자에서 측정된 임피던스 전압신호는 입력단에 콘덴서가 커플링 된 연산증폭기회로 등을 통해 순수 교류신호로 변환되고 증폭되어 디지털계측회로내의 A/D컨버터로 입력된다. 축전지의 내부임피던스의 크기는 대용량의 축전지의 경우 1 미리옴(mΩ) 이하의 매우 작은 값을 가지며 대용량의 축전지의 경우 축전지셀의 내부임피던스에 의한 전압은 수 mV단위의 미세한 신호이므로 셀 단자전압(VDC)크기인 1.0-15V에 비하면 매우 작은 크기(수천분의 1)에 해당되고 주위로부터 전자파 Noise가 많이 혼입되어 있으므로 이를 축전지셀 전압(VDC)에서 적절히 분리하여 공지의 밴드패스필터와 같은 노이즈 제거회로를 최적으로 설계하고 적절히 증폭하여 정확하고 해상도가 높게 임피던스전압 신호을 메인프로쎄서(MPU)내의 A/D컨버터 입력측에 입력되도록 해야 할 필요가 있다.
또한 상기 신호를 측정회로 입력단에 연결시켜 주는 4단자망 회로에는 보호용 휴우즈(Fuse)의 접촉저항, 배선선로저항 및 기생 임피던스성분이 존재하고 있으며 측정회로내에도 기생 임피던스값이 있으므로 축전지 내부임피던스에 의한 전압을 측정하고자 하는 경우는 내부임피던스값이 매우 낮은 신호이므로 4단자망 및 측정회로의 접촉저항, 배선선로저항에 의한 전압 강하치와 같은 기생 임피던스에 의한 영향을 없애는 방안을 강구해야 할 필요가 있다.
본 고안에서는 한개의 고입력 동상전압형 차동증폭기(High commomn mode voltage differential amplifier)를 사용하여 축전지셀 전압의 해상도를 높이고 정밀하게 측정할 수 있을 뿐 만 아니라 축전지셀 전압 직류성분중에 함유된 임피던스전압을 콘덴서를 사용하여 커플링시켜 이의 신호를 정밀하고 해상도 높게 공지의 디지털계측회로의 A/D컨버터를 통해서 얻을 수 있는 방안을 제시한다.
본 고안은 축전지셀 단자의 직류전압(VDC) 성분속에 축전지 내부저항에 의하여 발생된 미세한 교류임피던스전압이 함유(합산)되어 4단자망회로를 통해 입력되는 상기 신호전압(VIS)을 적정한 레벨로 변환하여 마이크로프로쎄서(CPU)에서 연산하게 함으로써 축전지셀 직류전압(VDC)과 임피던스전압(VIS')을 측정할 수 있는 수단을 제공할 수 있는 회로에 관한 것으로, 특히 축전지와 측정회로사이의 상호간 임피던스를 고입력 동상전압형(High Input commomn mode voltage) 차동증폭기를 통해 극대화하여 상호 회로를 절연시키는 효과를 갖도록 하며, 동시에 축전지 직류전압(VDC)과 축전지 내부저항에 의한 임피던스전압(VIS')을 해상도가 높으면서 정확히 측정 할 수 있도록 하는 디지털측정부(A/D컨버터 및 CPU등으로 구성)의 입력단 회로에 관한 것이다.
도 1 은 축전지셀 전압 및 임피던스측정 개념도
도 2 는 기존의 축전지셀 전압 및 임피던스전압 측정회로
도 3 은 본 고안의 축전지셀 전압 및 임피던스전압 레벨 블럭도
도 4 는 본 고안의 전압측정 회로
종래의 경우에는 1.0-15V 범위의 셀 전압을 측정할 수 있도록 제2도에 도시된 바와 같이 차동증폭기(1A) 입력단의 분압회로 저항R1,R2 로써 축전지셀 단자전압(VIS)을 1/2정도로 분압하여 0.5 - 7.5V 레벨로 감소시켜 이 신호를 상기 차동증폭기(1A)에 연결시키고 상기 차동증폭기(1A)의 출력신호는 다시 버퍼회로(Buffer)를 통과한 후 A/D컨버터에서 디지털값으로 변환되고 CPU에 입력되어 셀의 직류전압(VDC)가 측정되었으며,
또한 축전지 내부저항에 의해 발생된 임피던스전압(VIS')은 아주 미세한 신호이므로 축전지셀 전압신호(VIS)를 분압하지 않고 직접 커패시터CS와 저항 RS, Rd로 구성된 직류커프링회로에서 직류성분을 제거한 후 임피던스전압신호(VIS')만을 얻어내어 또 다른 별도의 차동증폭기(1B)에 입력시켜 밴드패스(Band Pass Filter)회로및 버퍼회로(Buffer) 등을 통하여 노이즈를 제거한 후 디지털계측회로내의 A/D 컨버터로 입력되어 계측 되어지는 회로를 사용하였다.
그러나 축전지셀의 직류전압과 축전지 내부저항에 의한 임피던스전압(VIS')이 종전의 방법과 같이 분압저항 R1,R2로 분압되어 차동증폭기(1A)에 연결될 경우, 축전지셀 단자전압(VIS)인 직류전압(VDC)에는 전압분압 저항 R1,R2에 의해 Noise가 유도될 수 있고 이로인해 이 신호를 디지털계측회로(10)에서 계측시 정밀도가 저하되게 되며 또한 측정Cable(4단자망)의 길이가 길어 질 경우 축전지로 부터 분압저항 R1,R2사이로 폐회로가 구성되고 측정케이블를 따라 상기 저항 R1,R2 가 부하가 되어 전류가 흐르게 되므로 셀 전압측정시에는 케이블 선로저항에 의한 전압강하가 발생되고 측정오차가 발생되게 되어 정확한 측정값을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
또한 교류 성분의 임피던스전압(VIS')신호를 얻기 위해 차동증폭기(1B)에 입력단에 커패시터CS와 저항 RS및 Rd로 구성된 직류커프링회로를 두게 되는 데 축전지와 병열로 연결된 콘덴서CS와 방전저항 Rd를 통해 측정케이블을 거쳐 축전지의 전류가 흐르게 되므로 배선의 저항에 의한 전압강하가 더욱 크게 발생되어 정확한 측정값을 얻을 수 없었다.
본 고안은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 임피던스전압(VIS')이 포함된 축전지셀 전압신호(VIS)를 디지털계측회로의 입력단 회로에 인가함에 있어 차동증폭기(1) 입력단에 종래와 같이 전압분배 회로 및 직류커프링 회로를 사용치 아니하고 임피던스전압(VIS')신호가 포함된 1-16V 크기의 셀전압(VIS)을 차동증폭기(1)의 입력단으로 직접 연결(인가)하되 셀 직류전압(VDC)과 임피던스전압신호(VIS')를 적절히 분리하여 회로가 간결하면서도 계측시 측정정확도가 확보될 수 있도록 안출한 것이다.
도3 및 도4를 통해 이의 동작 과정을 상세히 설명한다. 축전지셀의 직류전압(VDC) 및 축전지 내부저항에 의한 임피던스전압(VIS')신호을 전압 분배하지 않고 상기 차동증폭기(1) 입력단으로 바로 입력(연결)시키되 입력신호 크기와 정확히 상관된 출력신호를 얻기 위해 옵셋(Offset)단자에 소정의 부(-)정전압이 입력되어 진다. 본 고안의 일 실시 예에서는 고입력 동상전압형 차동연산증폭기(1)의 옵셋(Off set)단자에 공지의 기준 정전압회로(2)에 의해 생성된 부(-)정전압(본 실시예에서는 -8V임)이 입력(연결)되어 지며 비교적 가격도 저렴하고 드리프트값도 적은 2개의기준정전압 다이오드( Reference Diode) 에 의해 부(-)정전압 -8V가 생성된다. 기준 정전압회로(2)는 정전압 다이오드 ZD2,ZD3 및 전류제한 저항 R3을 직렬로 연결 구성하되, 상기 저항 R3후단과 정전압 다이오드 ZD2의 음극(-)을 각각 -12V 와 전원접지에 연결한다. 여기서 생성된 부(-)정전압이 버퍼회로를 통해 차동증폭기(1)의 옵셋단자에 연결된다. 또한 상기 기준 정전압 다이오드 ZD2의 양단에는 다이오드 D1,가변저항 R4, 다이오드 D2이 분압되게 직렬로 연결되고 가변저항 R4의 중앙단자는 정전압 다이오드 ZD2의 ADJ 단자에 연결되어 있어 상기 가변저항R4 로써 정전압 다이오드 ZD2의 출력전압을 조정하여 기준 정전압회로(2)의 출력을 미세하게 조절할 수도 있다.상기 회로에 사용된 기준 정전압 다이오드(Reference Diode)는 일반 Zener Diode보다 주위온도 및 전원전압(-12V)이 변동하여도 정전압출력이 변하지 않아 특성이 매우 좋으며 측정회로내의 각 회로부품소자의 특성차이에서 발생될 수 있는 옵셋출력를 보정하기 위하여 상기와 같이 회로를 구성하면 가변저항(R4)로써 옵셋전압 기준값을 대략 -7.8V ~ -8.3V내로 용이하게 가변될 수 있는 것이다.
상기 회로에 사용된 기준 정전압 다이오드(Reference Diode)는 일반 Zener Diode보다 주위온도 및 전원전압(-12V)이 변동하여도 정전압출력이 변하지 않아 특성이 매우 좋으며 측정회로내의 각 회로부품소자의 특성차이에서 발생될 수 있는 옵셋출력를 보정하기 위하여 상기와 같이 회로를 구성하면 가변저항(R4)로써 옵셋전압 기준값을 대략 -7.8V ~ -8.3V내로 용이하게 가변될 수 있는 것이다.
상기 차동증폭기(1)의 비반전입력과 반전입력 양 단자사이에는 20V 정전압다이오드(Zener Diode)이 연결되며 과전압의 유입을 막아 차동증폭기 입력측이 보호되도록 한다.
일반적으로 연산증폭기의 출력은 이의 전원전압(Vc)크기에 의해 출력포화전압(Saturation) 값이 정해진다. 본 고안의 회로에서 같이 일 실시예로 차동증폭기(1)의 전원전압(Vc)이 ± 12V이면 차동증폭기(1)의 출력포화(Saturation) 전압값은 약 ± 10V 정도가 된다. 만약 상기의 차동증폭기의 Offset단자에 일반적인 용도와 같이 단순히 출력전압의 옵셋(Offset)보정을 하기 위한 수단으로 약 0V 전압을 인가시키면 축전지 셀 전압인 1-16V 전압레벨은 자동증폭기의 증폭도가 1이므로 상기 차동증폭기(1)의 입력신호 레벨중 10V 이상에 해당되는 출력값은 포화되고 1-10V크기의 신호가 출력되므로 10V 이상의 셀 전압은 측정이 불가능하게 된다.
상기 차동증폭기(1)는 비반전입력 및 반전입력에 각각 수백㏀의 저항과 이들 저항이 비반전 및 반전입력에 연결되어도 정확히 작동될 수 있을 정도로 보통의 연산증폭기에 비해 입력임피던스가 매우 큰 특징(입력바이어스 전류가 나노 암페아이하임)을 가진 차동형 연산증폭기(예로서 COS형 또는 FET형)로 구성되며, 차동전압신호에 대한 증폭도가 1이 되게 설계하여 상기 차동증폭기(1)의 출력은 입력단에 입력되는 축전지 단지전압 신호인 차동전압신호 (V2-V1) 와 옵셋단자에 입력된 기준전압(Vref)의 합이 되고 (V2-V1)+Vref로써 표시된다. 그러므로 축전지셀의 단자전압(VIS)인 1V ~ 16V 전압신호가 입력될때 옵셋기준전압(Vref)이 -8V로 설정되어 있으므로 포화전압± 10V 범위이하인 -7V ~ +8V사이의 출력을 얻을 수 있게 되고 또한 옵셋(Offset)단자에 입력되는 부(-)기준전압치를 -11V로 입력시켜면 상기 계산식에 의해 1-21V 범위의 높은 전압값까지 상기 차동증폭기(1)에 입력시킬 수 있게 되고 -10V에서 +10V범위의 출력신호를 얻을 수 있다.
상기 차동증폭기(1)를 통해 전압레벨이 -7V에서 +8V 크기로 변환된 출력신호에는 직류전압(VDC) 성분위에 수mV 첨두치를 가진 임피던스전압(VIS')과 외부로 부터 인입되는 노이즈가 섞이게 된다. 상기 출력전압신호(VIS)는 저항 R1과 커패시터 C1으로 구성된 직류필터회로(3)에서 리플노이즈가 제거된 후 직류전압(VDC)신호만을 얻어 버퍼회로(4)에서 완충(입·출력임피던스에 의한 부하효과를 방지함)되어 12비트(Bit)이상의 A/D컨버터(5)를 가진 디지털계측회로로 연결되어 계측된다. 여기에서 버퍼회로(4)의 출력단의 직류전압(VDC)신호의 범위가 -10V ~ +10V 범위이므로 이 범위의 신호를 변환할수 있는 특성을 가진 A/D 컨버터를 선택하여야 한다.
또한 상기에서 -7V ~ +8V 레벨로 변환된 셀 전압신호(VIS)는 커패시터C2 및 R2로 구성된 직류커프링회로(6)를 통과하면서 직류성분이 제거되어 순수한 교류성분인 임피던스전압(VIS')신호가 얻어지며 제1 대역통과필터(7)(Band Pass Filter)를 통과하게 된다. 제1 BNP 는 임피던스전압신호(VIS') 이외의 신호주파수를 갖는 Noise 신호를 감쇄시켜 차단하는 역할을 하며 대개 협대역 필터를 사용하여 리플전류에 의한 노이즈신호도 확실히 제거할 수 있도록 설계되어 필터링 효과를 높일 수 있다.
이 신호는 이후 1단계에서 3단계로 구성된 연산증폭기군(8)를 통과한 후 약 수십배에서 수천배로 증폭되어 ± 10V 범위의 레벨 신호로 되고 12비트이상의 디지털값으로 변환될 수 있는 또 다른 A/D컨버터(9)로 입력되어 12비트의 신호로 변환되고 필요시에 Analog Switch를 통해 디지털 연산계측회로인 마이크로프로쎄서 CPU(10)에서 정확한 값으로 계측.연산되어 진다. 필요에 의해 위상을 측정하기 위한 제2 BNP(11)를 설치 할 수도 있다.
이와 같이 본 고안은 고입력 동상전압형 차동증폭기의 옵셋단자에 적정한 부(-)레벨의 정전압을 인가함으로써 축전지의셀 단자전압이 1 ~ 21V범위인 경우에도 이의 신호를 디지털계측회로인 A/D변환기에서 허용되는 최대 레벨신호로 변환하여 해상도를 12비트이상으로 높이고 아울러 차동증폭기(1)의 출력 후단에 직류 커플링회로를 둠으로써 측정회로의 4단자망 출력단자에서 본 입력임피던스를 최대한 높여 기성임피던스에 의한 측정오차를 줄일 수 있으므로 미세한 임피던스전압신호(VIS')를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.
이미 설명된 바와 같이 본 고안은 축전지셀 전압(VDC)과 임피던스전압(VIS')을 측정회로의 영향을 받지 않고 한개의 고입력 동상전압형 차동증폭기(High commomn mode voltage differential amplifier)를 사용하여 축전지셀 전압을 정밀하게 측정할 수 있을 뿐 만 아니라 축전지셀 전압 직류성분중에 첨가된 임피던스전압을 콘덴서를 사용하여 커프링시켜 이의 신호를 정밀하고 해상도 높게 얻을 수 있는 방안을 제시한다. 또한 노이즈 신호에 의한 연산값을 효과적으로 배제하여 입력되는 임피던스 전압(VIS')의 참값만을 취할 수 있게 한다.

Claims (3)

  1. 축전지셀의 단자전압(VDC)및 내부임피던스전압(VIS')을 측정하기 위한 회로에 있어서, 반전 및 비반전 입력단에 각각 수백킬로옴(㏀)의 저항이 연결되어진 고입력 동상전압형 차동증폭기(1)의 각 입력회로단자에 교류4단자 회로망의 센스단자(③,④)의 출력이 직접 연결되고, 상기 차동증폭기(1)의 옵셋단자에는 공지의 기준정전압회로(2)에 의해 생성된 부(-)정전압(Vref)이 연결(입력)되고, 상기 차동증폭기(1)의 출력은 공지의 필터회로(3)을 통과하여 리플노이즈가 제거된 후 디지털계측회로의 A/D컨버터(5)에 입력되어 축전지셀 단자전압(VDC)신호가 정밀하게 계측되고, 또 한편 상기 차동증폭기(1)출력은 커패시터(C2) 및 저항(R2)로 구성된 직류커프링회로(6)를 통과한 후 직류성분이 전부 제거 되어 교류신호인 임피던스전압(VIS')신호로 변환되고, 대역통과(밴드패스)필터(BNP) 및 연산증폭기군(8)를 통과하여 A/D컨버터(9)로 입력되어 정밀하고 해상도 높게 임피던스전압(VIS')신호가 계측되어짐을 특징으로 하는 축전지셀 전압측정회로
  2. 청구항 1에 있어서, 상기의 기준정전압회로(2)는 2개의 정전압 다이오드 ZD2, ZD3 및 전류제한 저항 R3이 직렬로 연결.구성되고 여기서 생성된 부(-)정전압이 버퍼회로를 통해 차동증폭기(1)의 옵셋단자에 연결되고, 상기 기준 정전압 다이오드 ZD2의 양단에는 다이오드 D1,가변저항 R4,다이오드 D2 가 직렬로 연결되고, 상기 가변저항 R4의 중앙단자는 상기 기준 정전압 다이오드 ZD2의 ADJ단자에 연결되어 옵셋기준전압(Vref)을 상기 가변저항R4 로써 미세하게 가변할 수 있는 특징을 가진 축전지셀 전압측정회로
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기의 고입력 동상전압형 차동증폭기(1)는 입력임피던스가 대단히 높은 차동형 연산증폭기소자와 이의 반전 및 비반전입력에 수백 킬로옴(K ohm)저항소자가 각각 연결되어진 형태로 구성되고, 상기 차동형 연산증폭기소자의 옵셋조정단자에 공지의 기준정전압(-)회로(2)가 연결된 축전지셀 전압측정회로.
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