KR20040094953A - Measuring method of true RMS voltage mixed with ripple noise - Google Patents
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Abstract
Description
축전지와 같이 노화정도에 따라 내부 임피던스가 증가하는 측정물의 열화정도를 파악하기 위해서는 교류전류 IS를 축전지와 같은 측정물의 단자양단에 입력시켜 내부임피던스에 의한 전압강하 VIS성분(이하 임피던스 전압)을 측정하여 내부임피던스를 측정하고 이의 건전상태를 진단하는 방법이 보편화되어 있다.To determine the degree of deterioration of the measuring object with the internal impedance that increases with aging, such as the battery, input AC current I S across the terminals of the measuring object such as the battery to measure the voltage drop V IS component (hereinafter referred to as impedance voltage) due to the internal impedance. The method of measuring internal impedance by measuring and diagnosing its health is common.
도 1 에 도시된 바와 같이 상기에 기술된 내부임피던스는 그 크기가 매우 작기 때문에 리이드의 선 저항이나 Plug의 접촉저항과 같은 영향을 최소화하기 위해 교류 4단자 측정법을 사용하고 측정회로의 정전류원 회로에서 Source단자를 통하여 교류정전류 IS를 축전지와 같은 측정물의 양 단자 사이에 입력시키고 양단자사이에 발생된 내부임피던스전압 VIS를 Sense단자를 통하여 측정한다.As shown in FIG. 1, since the internal impedance described above is very small in size, in order to minimize effects such as lead resistance of the lead or contact resistance of the plug, an AC 4-terminal measuring method is used. AC constant current I S is input between both terminals of the measurement object such as battery, and internal impedance voltage V IS generated between both terminals is measured through Sense terminal.
이에 대한 일 실시예로서 축전지단자에서 측정된 임피던스 전압신호는 콘덴서가 커플링 된 연산증폭기를 통해 순수 교류신호로 변환되고 증폭되어 A/D컨버터로 입력된다. 교류정전류(IS)의 크기는 분류기(shunt)를 통해 전압신호로 변환되고 연산증폭기로 증폭된 후 실효치값을 얻기 위해 상기 두 값을 마이크로프로세서의 A/D컨버터의 입력회로에 입력시킨다. CPU에서 상기 두값의 실효치 및 위상을 파악하여 임피던스값을 연산하게 되며 내부임피던스 mΩ=× 102× cosθ× KC의 원리에 따라 계산되어 진다.As an example, the impedance voltage signal measured at the battery terminal is converted into a pure AC signal through an operational amplifier coupled with a capacitor, amplified, and input to an A / D converter. The magnitude of the AC constant current I S is converted into a voltage signal through a shunt, amplified by an operational amplifier, and the two values are input to an input circuit of an A / D converter of a microprocessor to obtain an effective value. The CPU calculates the impedance value by determining the effective value and phase of the two values, and the internal impedance mΩ = It is calculated according to the principle of × 10 2 × cosθ × K C.
최근에 본 출원인에 의해 출원된 특허(출원번호 :2003-0025823)에서는 축전지를 운전계통에서 분리하지 않고 상시 부동충전상태로 동작시키면서 축전지의 내부임피던스를 측정하여 불량한 축전지를 진단, 선별하는 시스템이 제시되고 있다. 축전지가 부동충전 상태로 운전 중인 경우, 축전지의 충전 전류에 포함된 고조파 리플 전류 성분에 의해 축전지 단자전압에 고조파 리플전압이 발생된다. 또한 축전지의 내부임피던스의 크기는 수 미리옴(mΩ) 단위의 매우 작은 값을 가지며 일반적으로 대용량의 축전지의 경우 축전지셀의 내부임피던스에 의한 전압은 수 mV 이하로 나타나게 된다. 이와 같이 내부 임피던스는 극히 작은 값이기 때문에 이를 측정하고자 하는 측정회로의 기생 임피던스를 무시할 수 없게 되고 상기 측정회로의 기생 임피던스에 의해서도 큰 측정 오차를 유발하게 된다. 따라서 상기 내부임피던스에 의한 전압을 측정하고자 하는 경우는 충전 전류에 의한 고조파 리플전압과 측정회로의 배선 전압강하와 같은 기생 임피던스에 의한 노이즈전압에 의해서 축전지 내부 임피던스전압 측정치는 심각한 영향을 받게 되는 것이다.Recently, a patent filed by the present applicant (Application No .: 2003-0025823) proposes a system for diagnosing and selecting a defective battery by measuring the internal impedance of the battery while operating the battery in a constant floating state without disconnecting the battery from the operating system. It is becoming. When the battery is operating in a floating charge state, a harmonic ripple voltage is generated in the battery terminal voltage by the harmonic ripple current component included in the charging current of the battery. In addition, the size of the internal impedance of the battery has a very small value of several milliohms (mΩ). In general, in the case of a large capacity battery, the voltage due to the internal impedance of the battery cell is represented by several mV or less. As described above, since the internal impedance is extremely small, the parasitic impedance of the measurement circuit to be measured cannot be ignored and a large measurement error is caused by the parasitic impedance of the measurement circuit. Therefore, when the voltage due to the internal impedance is to be measured, the internal impedance voltage measurement of the battery is severely affected by the harmonic ripple voltage due to the charging current and the noise voltage due to parasitic impedance such as the wiring voltage drop of the measurement circuit.
상기 영향으로부터 유효한 내부 임피던스전압을 측정하기 위해서는 정전류회로의 Source단자에서 교류정전류(IS)를 축전지 셀에 입력시키고 축전지에서 발생된 내부 임피던스의 전압신호VIS를 측정하고 4단자회로만을 이용하여 리드선 저항과 접촉저항의 전압강하를 작게 하여 이의 영향을 거의 받지 않도록 하는 방안이 사용되어 왔다.In order to measure the effective internal impedance voltage from the above effect, AC constant current (I S ) is input to the battery cell at the source terminal of the constant current circuit, the voltage signal V IS of the internal impedance generated from the battery is measured, and the lead wire is only used using the 4-terminal circuit. In order to reduce the voltage drop of the resistance and the contact resistance so that it is hardly affected by it, a method has been used.
그러나 축전지셀의 임피던스전압(VIS)은 수 mV 단위의 미세한 신호이므로 셀 단자전압(VDC)에 비하면 매우 작은 크기(수천분의 1)에 해당되고 주위로부터 전자파 Noise가 많이 혼입되어 있어, 밴드패스필터와 같은 노이즈 제거 회로를 최적으로 설계하고 사용하여 교류전압(VIS)만을 증폭하여 뽑아내야 할 필요가 있다. 더구나 상기에서 설명한 바와 같이 부동충전 중에는 고조파 리플전류가 축전지에 유입되므로 축전지의 단자전압파형에는 고조파 리플전압이 대폭 함유되어 있다. 이와 같은 고조파 리플전압에는 충전장치의 정류방식에 따라 다르나 여러 차수의 고조파 리플을 포함하고 이중 대부분의 고주파 리플 전압은 상기의 밴드패스필터와 같은 노이즈 제거 회로에 의해 제거될 수 있으나, 교류정전류(IS)의 주파수에 인접한 주파수 영역내의 고주파 리플 전압은 노이즈 제거 회로에 의해 완전하게 제거되지 못한다. 일 실시예로서 교류정전류(IS)의 주파수가 1KHz 내외인 경우 측정에 사용되는 내부 임피던스 전압(VIS)과 주파수 영역이 유사한 900~1140Hz의 고조파 리플전압은 필터링(감쇄)되지 못하고 내부임피던스 전압(VIS) 신호에 혼합되어 동시에 통과되게 되므로 축전지 내부 임피던스 측정값에 심각한 영향을 주게 되는 것이다.However, since the impedance voltage (V IS ) of the battery cell is a minute signal in the unit of mV, it is very small compared with the cell terminal voltage (V DC ) (one thousandth of a thousand) and the electromagnetic noise is mixed from the surroundings. It is necessary to amplify and extract only the AC voltage V IS by optimally designing and using a noise removing circuit such as a pass filter. Furthermore, as described above, since the harmonic ripple current flows into the battery during floating charging, the terminal voltage waveform of the battery contains a large amount of harmonic ripple voltage. These harmonic ripple voltages vary depending on the rectification method of the charging device, but include harmonic ripples of various orders. Most of the high frequency ripple voltages can be removed by a noise removing circuit such as the band pass filter, but the AC constant current (I The high frequency ripple voltage in the frequency region adjacent to the frequency of S ) is not completely removed by the noise canceling circuit. As an example, when the frequency of the AC constant current (I S ) is around 1 KHz, the harmonic ripple voltage of 900-1140 Hz, which is similar in frequency range to the internal impedance voltage (V IS ) used for the measurement, is not filtered (attenuated) and the internal impedance voltage. As it is mixed with the (V IS ) signal and passed simultaneously, it severely affects the internal impedance measurement of the battery.
축전지가 부동충전 상태로 운전 중에 발생하는 고조파 리플전압의 주파수 성분은 충전기의 정류방식(상수)에 따라 차이는 있으나 일반적으로 단상 정류방식인 경우에는 상용전원 60Hz의 우수(짝수)배 리플주파수 성분을 가지며 삼상 정류방식인 경우에는 기수(홀수)배 리플주파수 성분를 가지게 된다. 전술한 바와 같이 밴드패스필터와 같은 노이즈 제거 회로에 의해 대역폭 이외 주파수 성분의 대부분은 필터링(감쇄)될 수 있으나 교류정전류(IS)원 주파수에 인접한 대역폭(B = fr/Q) 영역내의 고주파 리플 전압은 제거되지 못한다. 따라서 상기 일 실시예와 같이 교류정전류(IS)의 주파수가 1KHz 내외인 경우는 상용전원 60Hz의 15차인 900Hz, 17차의 1020Hz, 19차의 1140Hz(단상정류기인 경우 16차 960Hz 및 18차 1080Hz)가 대부분 측정값에 중대한 영향을 미치게 된다. 도 2 에 도시한 바와 같이 밴드패스필터와 같은 노이즈 제거 회로에 의해 필터링(감쇄)된 후단의 측정 신호에서는 상용전원(60 또는 50hz)의 다수 배차수 고조파 리플전압(VRP)과 교류정전류(IS)에 의한 임피던스 교류전압(VIS)이 동시에 혼합되어 측정되며 그 측정신호(이하'교류순시전압') 전압파형(VSM)은 일정한 주기로 진동하는 형상이며 다수의 고조파를 함유한 리플전압(VRP) 역시 또 다른 일정한 주기(TRP)를 갖는다.The frequency component of harmonic ripple voltage generated while the battery is running in the state of floating charge varies depending on the rectifier method (constant) of the charger. However, in the case of single-phase rectification method, the ripple frequency component of the commercial power supply 60Hz is better than even. In the three-phase rectification method, it has an odd (odd) times ripple frequency component. As described above, most of the frequency components other than the bandwidth can be filtered (attenuated) by a noise removing circuit such as a band pass filter, but high frequency ripple in the bandwidth (B = fr / Q) region adjacent to the AC constant current (I S ) source frequency. The voltage cannot be removed. Therefore, when the frequency of the AC constant current (I S ) is around 1 KHz as in the above embodiment, 900 Hz, the 15th order of the commercial power supply 60 Hz, 1020 Hz of the 17th order, 1140 Hz of the 19th order (16th order 960Hz and 18th order 1080Hz) ) Will have a significant impact on most measurements. As shown in FIG. 2, in the measurement signal at the rear stage filtered (attenuated) by a noise removing circuit such as a band pass filter, the multiple-order harmonic ripple voltage V RP of the commercial power supply (60 or 50 Hz) and the AC constant current I The impedance alternating voltage (V IS ) by S ) is mixed and measured at the same time, and the measured signal (hereinafter, 'AC instantaneous voltage') voltage waveform (V SM ) is a shape that vibrates at regular intervals and contains a plurality of harmonic ripple voltages ( V RP ) also has another constant period (T RP ).
상기에 소개된 특허에서는 청구항 9 에서 이와 같은 고조파 리플전압(VRP)이 포함된 측정신호 전압파형(VSM)로부터 정전류원에서 공급된 교류전류(IS)에 의한 임피던스 교류전압(VIS)의 유효 측정치를 얻기 위한 방안을 제시하고 있다. 즉, 우선 첫 번째 구간(T1)에서는 정전류(IS)를 인가하지 않은 상태로, 부동충전중에 있는 축전지 셀의 충전전류에 의해 발생된 고조파 리플전압(VRP)의 순시치를 측정하여 저장하고 상기 저장된 순시치가 최고점에 도달되는 순간(T1)의 내부 고속 타이머/카운터 값과 다음의 최고점에 도달된 순간(T2)의 타이머/카운터 값으로부터 리플전압(VRP)의 주기(TRP)를 연산한다. 상기에서 저장된 고조파 리플전압(VRP)의 순시치는 1사이클동안에 측정된 값이 메모리(쉬프트 레지스터)에 저장되고 이를 쉬프트시키면 항상 최근의 데이터로 갱신되게 될 수 있다. 일정 시간 이후에 정전류원이 동작되어 정전류(IS)가 공급되고 두 번째 구간(T2)에서 상기 내부 타이머/카운터 값이 최저점에 도달된 이후 N번째 주기에 해당된 값(TRP)으로 증가되는 순간에 이미 메모리에 저장된 한 사이클의 리플전압(VRP)과 D/A변환기를 통하여 들어오는 리플이 포함된 교류전압순시(VSM)값을 읽어 상기 두 순시값의 차 (VSM-VRP)를 계산하여 이 값으로부터 고조파 리플전압의 영향을 받지 않는 임피던스 전압(VIS)값을 얻을 수 있게 된다.In the patent introduced above, the impedance AC voltage V IS by the AC current I S supplied from the constant current source from the measured signal voltage waveform V SM including such a harmonic ripple voltage V RP in claim 9. It suggests ways to obtain effective measures of. That is, in the first section T 1 , without measuring the constant current I S , the instantaneous value of the harmonic ripple voltage V RP generated by the charging current of the battery cell during floating charging is measured and stored. The period T RP of the ripple voltage V RP from the internal high speed timer / counter value at the moment when the stored instantaneous value reaches the highest point (T 1 ) and the timer / counter value at the moment when the next highest point is reached (T 2 ). Calculate The instantaneous value of the stored harmonic ripple voltage V RP may be always updated with the latest data when a value measured during one cycle is stored in a memory (shift register) and shifted. After a certain time, the constant current source is operated so that the constant current I S is supplied and increases to the value T RP corresponding to the Nth cycle after the internal timer / counter value reaches the lowest point in the second section T 2 . At the moment of reading the value of ripple voltage (V RP ) already stored in memory and ac voltage instantaneous voltage (V SM ) including ripple coming through D / A converter, and the difference between the two instantaneous values (V SM -V RP ) Can be used to obtain the impedance voltage (V IS ) that is not affected by the harmonic ripple voltage.
또한 상기 고조파 리플전압(VRP)의 한 주기 동안에 고조파 리플전압(VRP)의 실효치값과 리플전압이 포함된 교류순시전압(VSM)의 실효치값을 각각 계산하여 이의 차(-)로써 임피던스전압의 실효치(VIS)을 취하여 임피던스를 연산하는 방법이 제시되고 있으나, 상기 두가지 방법 공히 리플전압(VRP)의 주기(TRP)가 연산되어야 하나 리플전압은 도 2에 표시된 바와같이 여러차수의 고조파가 함유되어 있어 진동하는 파형이므로 상기 주기(TRP)를 연산하는 과정이 매우 복잡하고 CPU에서 처리시 메모리 용량도 많이 할당해야 하는 어려운 단점을 가지고 있다.In addition, a cycle harmonic ripple voltage (V RP), the rms value and the ripple voltage is included AC instantaneous voltage (V SM) difference thereof to calculate the rms value of each of the during of the harmonic ripple voltage (V RP) - impedance as () Although the method of calculating the impedance by taking the effective value of the voltage (V IS ) has been proposed, the two methods must be calculated for the period (T RP ) of the ripple voltage (V RP ), but the ripple voltage is shown in several orders as shown in FIG. Since the harmonics of the oscillating waveform are contained, the process of calculating the period (T RP ) is very complicated and has a difficult disadvantage of allocating a large amount of memory during processing in the CPU.
상기에서 설명한 바와 같이 부동충전 상태로 운전되는 충전지 셀로 부터 획득된 교류순시전압신호(VSM)에는 충전 전류에 의한 고주파 리플전압(VRP)와 교류정전류(IS)에 의한 임피던스전압(VIS)가 혼합되어 있다. 상기 고주파 리플전압(VRP)이 혼합된 교류순시전압신호(VSM)중에서 측정에 필요한 임피던스전압(VIS)만을 획득하기 위한 방법에 대해서 이하 상세히 설명한다.As described above, the AC instantaneous voltage signal V SM obtained from the rechargeable battery cell operated in the floating charging state includes the high frequency ripple voltage V RP due to the charging current and the impedance voltage V IS due to the AC constant current I S. ) Is mixed. A method for obtaining only the impedance voltage V IS required for the measurement among the AC instantaneous voltage signal V SM mixed with the high frequency ripple voltage V RP will be described in detail below.
도 1 은 축전지의 열화진단을 위한 내부 임피던스측정 개념도1 is a conceptual diagram of internal impedance measurement for degradation diagnosis of a battery
도 2 는 리플전압 및 임피던스 전압파형2 shows the ripple voltage and impedance voltage waveform
도 3 은 본 발명의 각 데이터 취득 과정 및 측정시간 개념도3 is a conceptual diagram of each data acquisition process and measurement time of the present invention
축전지를 부동충전하기 위하여 사용되는 전원의 기본 주파수를 ωS라 하고내부 임피던스를 측정하고자 하는 축전지 셀에 공급되는 정전류(IS)의 주파수를 상기 전원의 기본파 주파수 ωS의 s배가 되는 s차 각주파수가 되도록 결정하면 상기 임피던스전압(VIS)은 정전류(IS)에 의해 생성되므로 그 주파수 역시 s차 주파수가 되고 상기 밴드패스 필터와 같은 노이즈 제거 회로를 s차 주파수에 해당된 신호만 통과되도록 차단주파수를 설계한다. 이상적인 협대역 대역통과 필터와 같은 노이즈 제거 회로는 정확하게 통과주파수로 설정된 s차 주파수에 해당되는 신호만 통과시키나 현실적으로 이러한 노이즈 제거 회로는 구현이 매우 어려우며 그러한 구현은 가격 상승의 요인이 된다. 즉, 일반적인 밴드패스필터 회로는 저역차단주파수(fL)또는 고역차단주파수(fH)에 인접하는 주파수 성분에 대해서 30%정도만 감쇄시키게 되므로 완전하게 필터링 되지 못하게 되는 것이다. 본 설명에서는 협대역 대역필터를 공진주파수(fr)가 s차 고조파와 같게 하고, 저역 차단주파수는 (s-2)차와 거의 같게, 고역 차단주파수는 (s+2)차 고조파와 거의 같게 설계하고 이외의 주파수 영역에 대하여는 거의 필터링(감쇄)되는 것으로 한다. 전술한 바와 같이 축전지의 부동충전에 따른 축전지 고조파 리플전압(VRP)은 대개 상용전원 60Hz의 홀수배와 짝수배중 하나의 배수에 해당하는 리플 주파수 성분만을 가지고 있다. 따라서 고주파 리플전압(VRP)은 상기 정전류(IS)에 의해 생성된 임피던스 전압(VIS)과 주파수가 유사한 차수의 홀수나 짝수 고조파만 노이즈 제거 회로를 통과한 후 남게 되고 다른 차수의 고조파는 거의 감쇄(제거)되게 된다.The fundamental frequency of the power supply used for floating charging the battery is ω S , and the frequency of the constant current (I S ) supplied to the battery cell to measure the internal impedance is s times the fundamental wave frequency ω S of the power supply. When it is determined to be the angular frequency, the impedance voltage V IS is generated by the constant current I S , so the frequency also becomes the s-order frequency and passes only a signal corresponding to the s-order frequency through a noise canceling circuit such as the bandpass filter. Design the cutoff frequency as much as possible. Noise-canceling circuits, such as ideal narrowband bandpass filters, pass only signals corresponding to the s-order frequency set exactly at the pass frequency, but in reality, these noise-canceling circuits are very difficult to implement, and such an implementation is a cost driver. That is, the general band pass filter circuit attenuates only about 30% of the frequency components adjacent to the low cutoff frequency f L or the high cutoff frequency f H , and thus cannot be completely filtered. In this description, the narrowband filter is designed so that the resonant frequency (fr) is equal to the s-order harmonic, the low cutoff frequency is almost equal to the (s-2) difference, and the highpass cutoff frequency is approximately equal to the (s + 2) order harmonic. It is assumed that the frequency range other than the above is almost filtered (attenuated). As described above, the battery harmonic ripple voltage (V RP ) according to the floating charge of the battery usually has only a ripple frequency component corresponding to one of odd multiples and even multiples of a commercial power supply of 60 Hz. Therefore, the high frequency ripple voltage V RP remains only after the odd or even harmonics of the order similar in frequency to the impedance voltage V IS generated by the constant current I S pass through the noise canceling circuit, and the other harmonics It is almost attenuated.
따라서, 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)을 표시하면,Therefore, if the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) after passing through the noise canceling circuit is displayed,
되고 (1)여기서이며,는 X차 고조파 리플 전압의 크기이며, 각 고조파는 2차 이상이므로 s는 4이상의 정수이며 s차 주파수를 가지는 정전류(IS)에 의해 생성된 임피던스 전압(VIS)의 크기를 K로 하면, (1) where Is, Is the magnitude of the X-order harmonic ripple voltage, and each harmonic is not less than the second order, so s is an integer greater than or equal to 4 and the magnitude of the impedance voltage (V IS ) generated by the constant current (I S ) having the s-order frequency is K.
로 표현된다. (2) It is expressed as (2)
또한 상기 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)과 임피던스 전압(VIS)이 혼합된 교류순시전압(VSM)는 식 (1)과 식 (2)의 합으로,In addition, the AC instantaneous voltage (V SM ) in which the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) and the impedance voltage (V IS ) are mixed after passing through the noise canceling circuit is the sum of the equations (1) and (2),
(3)으로 표시된다. It is indicated by (3).
한주기(Tsyn)에 대한 임의의 배수 (Ts=lㆍTsyn, l은 정수)를 가지는 함수 X(t)에 대한 실효치(S) 정의가 식(4)와 같으므로Since the definition of the effective value (S) for a function X (t) with an arbitrary multiple of one period (T syn ) (T s = l · T syn , where l is an integer) is equal to equation (4)
되고,(4)상기 교류순시전압(VSM)의 실효치(VSM,RMS)를 식(3)과 식(4)로부터 유도하면, 실효치(VSM,RMS) 로 정의되고, (4) If the effective values (V SM, RMS ) of the AC instantaneous voltage (V SM ) are derived from equations (3) and (4), the effective values (V SM, RMS ) Defined as
(5) (5)
(6) (6)
(7) (7)
상기에 설명한 바와 같이이고 식(6), 식(7)과 같은 공지된 삼각함수에 관한 정리를 이용하면, 식 (5)의 항중 우변에 위치한 상호 다른 항과의 곱으로 구성된 곱셈항은As explained above And using a known trigonometric theorem such as equations (6) and (7), the product of the product of the terms of the equation (5)
이고, (8) And (8)
이고, (9) And (9)
으로 바꿀 수 있다.(10) (10)
상기 식(8),식(9),식(10)에서,,,,는 전원 기본파 주파수 ωS의 2(s-1)차, 2차, 2(s+1)차, 2s차, 4차의 짝수차 고조파들이다. 식 (11)와 같이 삼각함수가 기본 주파수의 정수배인 경우, 기본 주파수에 해당하는 한 주기동안 적분을 행하면 그 적분치가 영(0)과 같음은 이미 공지된 사실이며,In formula (8), formula (9), formula (10) , , , , Are even-order harmonics of 2 (s-1), 2nd, 2 (s + 1), 2s, and 4th order of the power fundamental frequency ω S. In the case where the trigonometric function is an integral multiple of the fundamental frequency as shown in Equation (11), it is known that the integral is equal to zero when the integral is performed for one period corresponding to the fundamental frequency.
(11) (11)
여기서,이고 m은 정수이다. 식(8), 식(9), 식(10)는 모두 2ωS의 정수배로 표현되므로 상기 2ωS에 해당하는 주기(일반적인 상용전원의 주파수가 60㎐/50㎐로써 약 376.99 rad/sec이므로 약 8.33m초/10.0m초)동안에 적분을 행하게 되면 그 적분치가 영(0)이다. 즉, 식(12)는 상기 식(8), 식(9), 식(10)은 모두 영(0)으로 만들기 위한 충분조건이 되는 것이다.here, And m is an integer. Since equation (8), equation (9), (10) both are expressed as an integral multiple of about 2ω S 60㎐ / 50㎐ frequency of the cycle (the normal commercial power supply corresponding to the 2ω S 376.99 rad / sec of about If the integral is performed during 8.33 msec / 10.0 m sec), the integral value is zero. That is, equation (12) is a sufficient condition for making the above equations (8), (9), and (10) all zero.
따라서 식 (5)의 교류순시전압(VSM)의 실효치(VSM,RMS) 는,Therefore, the effective value (V SM, RMS ) of the AC instantaneous voltage (V SM ) of Equation (5) is
(13) (13)
여기서,로 표시될 수 있다.here, It may be represented as.
한편, 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 실효치(VRP,RMS)를 식(1)과 식(4)로부터 표시하면,On the other hand, when the effective values V RP and RMS of the harmonic ripple voltages V RP and FLT after passing through the noise removing circuit are expressed from equations (1) and (4),
(14) (14)
식(6), 식(7)과 같은 공지된 삼각함수에 관한 정리를 이용하면, 식 (14)의 좌변에 위치한 곱셈항은Using the known trigonometric theorem such as equations (6) and (7), the multiplication term on the left side of equation (14)
이고,(15) And (15)
이고,(16) And, (16)
가 된다.(17) (17)
상기의 식(15), 식(16), 식(17)에서,,,,는 전원 기본파 주파수 ωS의 2(s-1)배, 2배, 2(s+1)배, 2s배, 4배 차의 고조파들이다. 전술한 바와 동일한 원리에 의해 상기 식(15), 식(16), 식(17)은 2ωS의 정수배로 표현되므로 상기 2ωS에 해당하는 주기동안에 적분을 행하게 되면 그 적분치가 영(0)이고 이를 위한 충분조건은 식(18)과 같다.In the above formulas (15), (16) and (17) , , , , Are harmonics of 2 (s-1) times, 2 times, 2 (s + 1) times, 2s times, and 4 times the power fundamental frequency ω S. Equations (15), (16), and (17) are expressed as integer multiples of 2ω S according to the same principle as described above. When the integration is performed during the period corresponding to 2ω S , the integral value is zero (0). The sufficient condition for this is as shown in Eq. (18).
(18) (18)
따라서 식 (14)에 표현된 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 실효치(VRP,RMS)는Therefore, the effective value (V RP, RMS ) of the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) after passing through the noise canceling circuit represented by Equation (14) is
(19) (19)
여기서,이고 식(13)과 식(19)에서T SM 와T RF 는 동일한 주기값이므로 이를 식(20)과 같이 나타 낼수 있다.here, In Equation (13) and Eq. (19), T SM and T RF are the same period value, so it can be expressed as Equation (20).
(20) 20
한편, s차 주파수를 가지는 정전류(IS)에 의해 생성된 임피던스 전압(VIS)의 실효치(VIS,RMS)는 식(2)와 식(4)로부터,On the other hand, the effective values (V IS, RMS ) of the impedance voltage (V IS ) generated by the constant current (I S ) having the order frequency are expressed from equations (2) and (4),
(21)로 나타낼 수 있다. 이때, TIS는 식(4)와 같이 한주기에 대한 임의의 정수배로 정의될 수 있으므로, 식(20)과 동일한 값으로 설정하여 식(22)와 같이 표시 될 수 있다. It can be represented by (21). In this case, since T IS may be defined as any integer multiple of one period as in Equation (4), it may be set as the same value as in Equation (20) and may be represented as in Equation (22).
(22) (22)
따라서 상기 임피던스 전압(VIS)의 실효치(VIS,RMS)는 다음과 같이 식(13)과 식(19)로부터 용이하게 연산될 수 있다.Therefore, the effective values V IS and RMS of the impedance voltage V IS can be easily calculated from equations (13) and (19) as follows.
(23) (23)
여기서, here,
즉, 전원의 기본파 주파수 ωS의 반주기를 적분주기로 하여 상기 교류순시전압(VSM)의 실효치(VSM,RMS)를 계산하고 동일한 적분주기에 의해 상기 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 실효치(VRP,RMS)를 계산하고 이들 두 실효치를 각각 제곱하고 제곱된 두 실효치의 차를 구하고, 그 차이(-)에 제곱근 연산을 행한 결과의 수식은 임피던스 전압(VIS)의 실효치(VIS,RMS)와 동일한 결과치를 나타내고 있음을 알 수 있다.That is, the harmonic ripple voltage after calculating the effective values (V SM, RMS ) of the AC instantaneous voltage (V SM ) using the half period of the fundamental wave frequency ω S of the power supply as the integral period and passing the noise elimination circuit by the same integration period. Calculate the effective value (V RP, RMS ) of (V RP, FLT ), square each of these two effective values, find the difference between the squared effective values, and calculate the square root of the difference (-). It can be seen that the same result as the effective value (V IS, RMS ) of V IS ) is shown.
더욱 상세하게는, 전원의 기본파 주파수 ωS의 반주기를 적분주기로 하여 VSM,RMS과 VRP,RMS의 실효치를 계산함으로 인해 식(8), 식(9), 식(10)과 식(15), 식(16), 식(17)과 같은 곱셈항이 모두 영(0)으로 되고, VSM,RMS를 제곱 연산을 하여 그 결과를 VRP,RMS의 제곱 연산 결과에서 감산함으로써, VSM,RMS를 제곱 연산의 결과에 포함된을 제외한 모든 항들이 제거되어 상기 결과에 제곱근 연산을 행함으로써 정확한 임피던스 전압(VIS)의 실효치(VIS,RMS)를 구할 수 있는 것이다.More specifically, equations (8), (9), (10) and equation (10) are calculated by calculating the effective values of V SM, RMS and V RP, RMS with the half period of the fundamental wave frequency ω S of the power supply. 15), (16), and the equation (17) multiplied term all zero (0), such as, V SM, the square of the RMS to the arithmetic, by subtracting the result from the squared result of the operation of the V RP, RMS, V SM RMS included in the result of the square operation All terms except for are removed, and square root calculations are performed on the result to obtain an exact value (V IS, RMS ) of the impedance voltage V IS .
상기에서는 측정대상의 축전지 셀에 공급되는 정전류(IS)의 주파수를 상용 전원의 주파수 ωS의 s배가 되는 주파수로 선택하여 축전지의 충전전류에 의한 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 특정 차수 고조파와 일치되도록 하고 상기 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 주파수 성분은 상용 전원의 주파수 ωS의 홀수배와 짝수배 중 한 가지의 배수에 해당하는 주파수 성분만을 가지고 있는 경우에 대하여 임피던스전압(VIS)의 실효치를 용이하게 취하는 방안에 대해서 설명하였으나, 상기의 고조파 리플전압(VRP)속에 홀수배와 짝수배의 모든 주파수 성분이 포함되거나 정전류(IS)의 주파수를 리플전류(VRP,FLT)의 고조파 차수와 일치되지 않도록 선정한 경우에 대하여 아래에 설명한다.In the above, the frequency of the constant current (I S ) supplied to the battery cell to be measured is selected as the frequency that is s times the frequency ω S of the commercial power supply , and the specific order of the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) caused by the charging current of the battery is determined. The harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) is equal to the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) and the frequency component of the commercial power supply has a frequency component corresponding to one of multiples of odd and even multiples of the frequency ω S Although the method of easily taking the effective value of V IS ) has been described, all the frequency components of odd and even times are included in the harmonic ripple voltage (V RP ) or the frequency of the constant current (I S ) is converted into the ripple current (V RP). The case where it is selected so as not to match the harmonic order of FLT) will be described below.
축전지 셀에 공급되는 정전류(IS)의 주파수를 상기 전원의 기본파 주파수 ωS의 s배가 되는 s차 각주파수가 되도록 결정하고 고조파 리플전압(VRP,FLT)속에 홀수배와 짝수배의 모든 주파수 성분이 포함되나 상기 정전류(IS)의 주파수인 s차 고조파 성분만이 존재하지 않는 경우에 대해 상기에서 기술한 바와 같이 동일한 사상적 이념에 의해 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)을 표시하면 다음과 같다The frequency of the constant current (I S ) supplied to the battery cell is determined to be the s-order angular frequency that is s times the fundamental wave frequency ω S of the power supply , and all odd and even multiples of the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) Harmonic ripple voltage (V RP) after passing the noise canceling circuit by the same idea as described above for the case where the frequency component is included but only the s-order harmonic component, which is the frequency of the constant current I S , does not exist. , FLT ) is
(24) (24)
따라서 교류순시전압(VSM)의 고조파 성분은,,,와 같이 고조파 전류에 의해 생성되는 성분과와 같이 축전지 셀에 공급되는 정전류(IS)에 의해 생성되는 성분으로 구성된다. 교류순시전압(VSM)의 실효치(VSM,RMS)를 계산을 위한 전개 과정 중 식(8), 식(9), 식(10)과 같이 각 고조파 성분을 상호 곱하여 생긴 적분항을 구할 수 있다. 이들 적분항 중에는및Therefore, the harmonic content of AC instantaneous voltage (V SM ) , , , Such as those generated by harmonic currents It is composed of a component generated by the constant current (I S ) supplied to the battery cell as shown. During the expansion process to calculate the effective value (V SM, RMS ) of the AC instantaneous voltage (V SM ), the integral term generated by multiplying each harmonic component as shown in Eq. (8), (9), and (10) can be obtained. have. Among these integral terms And
와 같은 항이 존재하고, 이를 식(6)과 식(7)에 적용하면,및 If there are terms such as, and apply them to equations (6) and (7), And
와 같이 적분주기를 기본파 주파수 ωS의 주기로 선정하여야 그 적분값이 영(0)이 된다. 즉, 상기와 같이 고조파 리플전압(VRP,FLT)에 모든 차수의 고조파 성분이 포함되거나 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 고조파 차수와 축전지 셀에 공급되는 정전류(IS)의 주파수가 일치되지 아니한 경우에는 교류순시전압(VSM)속에 우수차 및 기수차 고조파가 포함되어 있으므로, 고조파 리플전압(VRP,FLT)속에 우수차나 기수차 주파수만 있는 경우에 비해 실효치 값의 적분주기가 2배로 증가되어야 하며 이의 연산에 소요되는 데이터량도 2배로 증가하고 더욱 많은 연산시간이 필요하게 된다. 물론 고조파 리플전압(VRP,FLT)속에 홀수배와 짝수배의 모든 주파수 성분이 포함되며 상기 정전류(IS) 주파수인 s차 배수의 고조파 리플성분이 존재하는 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있다. As shown in the figure, the integral period must be selected as the period of fundamental wave frequency ω S so that the integral value becomes zero. In other words, the frequency matching of the harmonic ripple voltage (V RP, FLT) to contain the harmonic components of all orders or harmonic ripple voltage, the constant current (I S) to be supplied to the harmonic order and a battery cell of the (V RP, FLT), such as the If it is not, since the superior and odd harmonics are included in the AC instantaneous voltage (V SM ), the integral period of the effective value is 2 compared with the case of only the superior or odd frequency in the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ). It must be doubled, and the amount of data required for its calculation is also doubled and more computation time is required. Of course, all the frequency components of odd and even times are included in the harmonic ripple voltages V RP and FLT , and the same result can be obtained when the harmonic ripple components of the s-th order multiple of the constant current (I S ) frequency exist.
상기의 계산과정을 자세히 검토해 보면, 교류순시전압(VSM)과 고조파 리플전압(VRP,FLT)의 실효치를 구하는데 있어서 사용되는 적분주기는 교류순시전압(VSM,FLT)을 구성하는 모든 고조파 성분의 주파수를 상호 가산 및 감산하여 그 가산 및 감산 연산의 결과값 사이의 제 1 최대공약수를 구하고 고조파 리플전압(VRP,FLT)를 구성하는 모든 고조파 성분의 주파수를 상호 가산 및 감산하여 그 가산 및 감산 연산의 결과값 사이의 제 2 최대공약수를 구하여 상기 제 1 최대 공약수와 상기 제 2 최대공약수 사이의 제 3 최대공약수를 구하여 이의 정수배로 결정할 수 있는 것이다. 임피던스전압의 실효치를 연산하기 위한 시간을 고려하면 상기 제 3 최대공약수를 적분주기로 결정하는 것이 바람직하다. 만약 리플전압(VRP,FLT)주파수의 특정 차수와 동일하게 축전지 셀에 공급하는 정전류(IS)의 주파수를 선정하여야 적분주기를 최소로 줄일 수 있으며, 리플전압(VRP,FLT)를 구성하고 있는 고조파 차수가 기수 또는 우수차 중 한가지만으로 구성된 경우에는 축전지 셀에 공급하는 정전류(IS)의 주파수를 리플전압 고조파의 특정주파수와 동일하게 선정하여 임피던스전압의 실효치 연산시 상용주파수의 반주기를 적분주기로 선정할 수 있어 이의 연산시간을 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다.When the above calculation process is examined in detail , the integral period used to obtain the effective values of the AC instantaneous voltage (V SM ) and the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) is determined by all the components constituting the AC instantaneous voltage (V SM, FLT ). By adding and subtracting the frequencies of the harmonic components mutually, the first maximum common divisor between the results of the addition and subtraction operations is obtained, and the frequencies of all harmonic components constituting the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) are mutually added and subtracted. A second maximum common divisor between the result of the addition and subtraction operations may be obtained, and a third maximum common divisor between the first maximum common divisor and the second maximum common divisor may be determined and determined as an integer multiple thereof. In consideration of the time for calculating the effective value of the impedance voltage, it is preferable to determine the third greatest common factor as the integral period. If the frequency of the constant current (I S ) supplied to the battery cell is selected in the same order as the specific order of the ripple voltage (V RP, FLT ) frequency, the integration period can be reduced to the minimum, and the ripple voltage (V RP, FLT ) is configured. If the harmonic order is composed of only odd or even difference, select the frequency of constant current (I S ) supplied to the battery cell to be equal to the specific frequency of the ripple voltage harmonics, and calculate the half period of the commercial frequency when calculating the effective value of the impedance voltage. Since it can be selected as the integral period, there is an advantage to reduce the computation time.
상기 일련의 사상적 개념인 실효치 추출 과정은 마이크로프로세서와 같은 수치 연산 장치를 구동시키기 위한 프로그램으로 응용될 수 있다. 교류순시전압(VSM)과 리플전압(VRP,FLT)으로부터 각각의 실효치가 연산되는 과정 및 임피던스전압의 실효치(VIS)가 연산되는 과정은 아래와 같다. 도 3에서 도시한 바와 같이 우선 첫 번째 구간(P1)에서는 정전류(IS)를 인가하지 않는 상태로 부동 충전중에 있는 축전지셀의 충전전류 리플에 의하여 발생되어 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)를 일정한 주기 간격으로 획득하되 첫 번째 획득시점(T1,RP)의 경우는 상기 획득된 순시치(VRP,FLT)에서 기준값(VO)을 뺀 후 제곱승하고 상기 계산된 연산 결과인을 할당된 특정 메모리(M1)에 입력시킨다. 이후 두 번째 획득시점(T2,RP)에서 리플전압 순시치(VRP,FLT)를 획득하여 기준값 VO를 차감하고 상기와 같이 제곱승 연산을 행한다. 이후 연산 결과인를 메모리(M1)에 이미 저장되어 있는 리플전압 제곱값에 더하고 이 결과를 다시 메모리(M1)에 저장하면 상기 메모리(M1)에는값이 저장된다. 이후 상용 전원 주파수의 반주기 또는 한주기 동안 일정한 주기 간격의 획득 시점으로 상기와 같은 연산과정을 반복하면 그 결과로 지정된 메모리(M1)에는값이 저장된다.The effective value extraction process, which is a series of ideological concepts, may be applied as a program for driving a numerical operation device such as a microprocessor. The process of calculating the effective value of the AC instantaneous voltage (V SM ) and the ripple voltage (V RP, FLT ) and the effective value of the impedance voltage (V IS ) is as follows. As shown in FIG. 3, first, in the first section P 1 , harmonic ripples generated by the charging current ripple of the battery cell during floating charging without passing the constant current I S are passed through the noise removing circuit. Acquire the voltage (V RP, FLT ) at regular intervals, but in the case of the first acquisition point (T 1, RP ) , take the square value after subtracting the reference value (V O ) from the obtained instantaneous value (V RP, FLT ) Is the result of the calculation Is input to the specific memory M 1 allocated. Thereafter , the instantaneous ripple voltage values V RP and FLT are obtained at the second acquisition time point T 2, RP , and the reference value V O is subtracted, and the square power operation is performed as described above. The result of the operation Is the ripple voltage squared already stored in memory (M 1 ) And store the result in the memory (M 1 ) again, the memory (M 1 ) The value is stored. After repeating the above calculation process at the time of acquiring a constant cycle interval for half a period or one period of the commercial power frequency, as a result the specified memory (M1) The value is stored.
일정시간 이후 정전류원이 기동되어 안정화된 정전류(IS)가 축전지셀에 공급되고 두 번째 구간(P2)에서는 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)과 임피던스 전압(VIS)이 혼합된 교류순시전압(VSM)이 획득된다. 상기와 유사한 방법에 의해 교류순시전압(VSM)를 일정한 주기 간격으로 획득하되 첫 번째 획득시점(T1,SM)의 경우는 상기 획득된 교류순시전압(VSM)에서 기준값(VO)을 뺀 다음 이 값을 다시 제곱승하여 계산된값을 지정된 별도의 메모리(M2)에 저장한다. 두 번째 획득시점(T2,RP)에서 교류순시전압(VSM)을 획득하여 기준값 VO를 차감하고 상기와 같이 제곱승 연산을 행한다. 이후 연산 결과인값을 이미 메모리(M2)에 저장되어 있는값과 더하여 이 결과를 다시 메모리(M2)에 저장한다. 따라서 상기 메모리(M2)에는값이 저장된다. 이후 상용 전원 주파수의 반주기 또는 한주기 동안 일정한 주기 간격의 획득 시점으로 상기와 같은 연산과정을 반복하면 그 결과로 지정된 메모리(M1)에는값이 저장된다.After a certain time, the constant current source is started and stabilized, and the stabilized constant current (I S ) is supplied to the battery cell, and in the second section (P 2 ), the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) and the impedance voltage (V) after passing through the noise removing circuit. AC instantaneous voltage V SM mixed with IS ) is obtained. Acquiring the AC instantaneous voltage (V SM ) by a similar method as described above, in the case of the first acquisition time (T 1, SM ), the reference value (V O ) is obtained from the obtained AC instantaneous voltage (V SM ) Subtracted and then squared again to The value is stored in the specified separate memory (M 2 ). Acquiring the AC instantaneous voltage V SM at the second acquisition point T 2, RP , subtracts the reference value V O , and performs a square power operation as described above. The result of the operation Value is already stored in memory (M 2 ) In addition to the value, this result is again stored in memory (M 2 ). Therefore, in the memory M 2 The value is stored. After repeating the above calculation process at the time of acquiring a constant cycle interval for half a period or one period of the commercial power frequency, as a result the specified memory (M1) The value is stored.
상기와 같은 일련의 단계가 끝나면 메모리(M1)에는 노이즈 제거 회로를 통과한 후의 고조파 리플전압(VRP,FLT)을 제곱하고 시간 주기동안 적분을 행하여 연산된 결과인값이 저장되어 있고, 메모리(M2)에는 교류순시전압(VSM)을 제곱하고 시간 주기동안 적분한 결과인값이 저장되어있다. 메모리(M1)과 메모리(M2)에 저장된 상기 두 값을 감산 연산하고 상기 연산 결과를 앞서 적용된 상용 전원 주파수의 반주기 또는 한주기에 대해 나눗셈 연산을 행하고 그 연산결과에 제곱근() 연산을 취하여 상기 측정하고자 하는 정확한 임피던스전압(VIS)를 얻을 수 있게 된다.After the series of steps as described above, the memory M 1 is the result of calculating the square of the harmonic ripple voltage (V RP, FLT ) after passing through the noise canceling circuit and integrating for a period of time. Value is stored in the memory (M 2 ), which is the result of integrating the AC instantaneous voltage (V SM ) and integrating The value is stored. Subtracts the two values stored in the memory M 1 and the memory M 2 and divides the result of the operation with respect to a half cycle or one period of the commercial power frequency applied previously. ), The exact impedance voltage V IS to be measured can be obtained.
이미 설명된 바와 같이 본 발명은 임피던스전압(VIS)이 리플전압(VRP)과 같은 노이즈 신호와 혼합되어 획득되는 경우에도 노이즈 신호에 의한 연산값을 효과적으로 배제하여 입력되는 임피던스 전압(VIS)의 참값만을 취할 수 있게 한다. 따라서 본 발명을 이용하면 부동충전 상태로 동작시키면서 축전지와 DC 전해콘덴서의 내부임피던스를 정확히 측정하여 이의 열화상태를 진단할 수 있으며, 부종부위를 의료진단함에서도 주위로부터 노이즈가 입력신호에 섞여 들어오더라도 잡음전압 속에서 측정신호만을 분리하게 취할 수 있다.As described above, in the present invention, even when the impedance voltage V IS is obtained by mixing with a noise signal such as the ripple voltage V RP , the impedance voltage V IS input by effectively excluding an operation value caused by the noise signal. Only the true value of can be taken. Therefore, by using the present invention, it is possible to diagnose the deterioration state by accurately measuring the internal impedance of the battery and the DC electrolytic capacitor while operating in a floating charge state, and the edema part is mixed with noise from the surroundings even from the medical diagnosis. It is also possible to take only the measurement signal in the noise voltage.
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