KR20210073811A

KR20210073811A - 전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로

Info

Publication number: KR20210073811A
Application number: KR1020190164470A
Authority: KR
Inventors: 이성근; 양현숙; 송태현; 한진우
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-21
Also published as: KR102306261B1

Abstract

전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로는 크로스오버 현상을 최소화하기 위해 두 개의 BJT_NPN를 포함하는 충방전 회로 및 입력되는 정현파를 두 개의 BJT_NPN을 위한 전압으로 상승시키기 위한 하나의 옵셋 가변저항을 포함하는 옵셋 회로를 포함한다.

Description

전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로{Offset Circuit for Same Outputable of Micro Charge and Discharge Signal of Electrochemical Impedance Measuring Circuit}

본 발명은 전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로에 관한 것이다.

일반적으로 배터리는 전기에너지를 화학에너지로 바꾸어 모아 두었다가 필요할 때 전기로 재생하는 것으로서 다양한 전자기기에 활용되고 있다.

한편, 배터리의 사용으로 인해 소모된 전원을 체크하여 이후에 사용 가능한 시간에 대한 정보나, 배터리의 잔존 용량에 대한 정보를 전자기기에 표시해주는 기술은 널리 활용되고 있다.

또한, 배터리는 상기와 같은 전자기기 외에도 비상전원 또는 예비전원으로 사용되는 경우가 많다. 일례로 병원과 같이 전원이 차단되는 상황이 발생하면 큰 문제를 야기하는 분야가 대표적이며, 건물의 승강기나 통신사의 중계기 등에도 예비전원으로 배터리를 사용하고 있다.

통상적으로 예비전원으로 사용되는 배터리의 관리는 관리자가 주기적으로 배터리의 불량여부, 잔존용량 충전상태 등을 체크하는 정도에 그치고 있다.

여기서, 상기와 같이 예비전원을 사용하는 배터리는 상용전원이 정상적으로 공급되는 경우에는 항상 풀 충전된 상태를 유지하지만, 배터리가 사용되지 않더라고 배터리는 자체 방전이나 기기의 노화로 인해 수명이 줄어들게 된다.

그런데, 배터리의 잔존용량 등은 관리자에 의해 체크되고 있으나, 해당 배터리를 언제 교체하여야 하는지, 즉 해당 배터리의 수명에 대한 객관적인 정보는 관리자가 정확히 파악하기 힘든 실정이다.

또한, 배터리의 제조회사에서 일률적으로 배터리의 기대 수명에 대한 정보를 제공하고 있으나, 동일한 회사의 동일 제품 배터리라도 그 수명은 달라지는 것이 일반적이다.

따라서, 예비전원을 사용하는 전자기기의 경우 안정성을 보장하기 위해 배터리의 기대 수명보다는 짧은 주기로 배터리를 일률적으로 교체하고 있으며, 이는 배터리 교체비용에 따른 관리비용의 상승을 초래하게 된다.

한국 특허공보 10-2018-0122385호(2018.11.12.) 주파수 응답을 사용하여 테스트 배터리의 내부 임피던스를 측정하기 위한 장치, 시스템, 및 방법 한국 등록공보 10-1602848(2016.03.07) 배터리 수명 예측 방법

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 두 개의 옵셋 가변저항을 활용한 측정회로에서 왜곡 현상을 최소화하기 위해 옵셋 가변저항을 한 개만 사용하여 배터리의 수명을 예측할 수 있는 연료전지 내부 직렬 임피던스를 측정하는 회로에 대해 제안한다.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 전기화학적 임피던스 측정 회로의 미소 충방전 신호를 동일하게 출력 가능한 옵셋회로는 크로스오버 현상을 최소화하기 위해 두 개의 BJT_NPN를 포함하는 충방전 회로 및 입력되는 정현파를 두 개의 BJT_NPN을 위한 전압으로 상승시키기 위한 하나의 옵셋 가변저항을 포함하는 옵셋 회로를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따른 회로는 두 개의 BJT_NPN 및 하나의 옵셋 가변저항을 이용하여 1:1 충방전 지점을 조정한다.

본 발명의 실시예들에 따른 충방전 회로는 옵셋 회로의 하나의 옵셋 가변저항을 이용함으로써 동일한 주기로 충방전 한다.

본 발명의 실시예들에 따른 충방전 회로는 입력되는 정현파 파형을 반전시켜 두 개의 BJT_NPN 중 상단의 BJT_NPN에는 반전 전의 정현파 파형을 입력하고, 두 개의 BJT_NPN 중 하단의 BJT_NPN에는 반전된 정현파 파형을 입력하여 두 개의 BJT_NPN가 반대로 도통되도록 한다.

본 발명의 실시예들에 따른 충방전 회로는 두 개의 BJT_NPN의 입력 전압에 대한 옵셋 전압에 미스매칭이 있는 경우에도 하나의 옵셋 가변저항을 이용함으로써 두 개의 BJT_NPN에 주입되는 전압 파형은 서로 동일하다.

본 발명의 실시예들에 따른 회로는 하나의 가변저항으로 충방전 회로의 옵셋 전압을 조정하여 두 개의 BJT_NPN의 총 도통 시간이 항상 일정하도록 제어된다.

본 발명의 실시예들에 따른 회로는 두 개의 BJT_NPN의 충방전을 동시에 하거나 동시에 하지 않더라도 두 개의 BJT_NPN 각각의 총 도통 시간은 동일하도록 제어되어 충방전 양이 동일하다.

본 발명의 실시예들에 따른 회로는 배터리에 충방전에 관한 영향 없이 제로베이스로 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 방법을 통해 임피던스를 측정한다.

본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 내부 직렬 임피던스를 측정하는 회로를 통해 기존의 두 개의 옵셋 가변저항을 활용한 측정회로에서 왜곡 현상을 최소화하기 위해 옵셋 가변저항을 한 개만 사용하여 배터리의 수명을 예측할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 충방전 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 임피던스 측정회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 측정회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋을 겹치도록 부정확하게 맞춘 경우의 파형들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋을 겹치지 않도록 부정확하게 맞춘 경우의 파형들을 나타내는 도면이다.

본 발명은 배터리의 수명 측정 기법인 임피던스 분광법의 미소전류 주입 시 동시에 충방전을 방지하기 위한 회로를 제공하는데 있다. 본 발명은 연료전지 충전기법 중 전기화학적 임피던스 분광법을 활용한 크로스오버 현상을 최소화하는 연료전지 측정 장치에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 종래기술에 따른 충방전 회로를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면 NPN 및 PNP 를 활용하여 충방전하는 회로를 나타내고 있다.

연료전지 내부 임피던스 측정법의 전기화학적 임피던스 분광법을 활용한 방식의 경우 푸시-풀(Push-Pull) 회로를 활용하여 제작하는 경우가 많다. 이러한 회로는 BJT 간의 왜곡현상이 발생하여 크로스오버현상이 발생한다.

이러한 현상을 최소화하기 위해 옵셋 회로를 통해 왜곡현상을 제거함으로써 크로스오버현상을 최소화해야 한다. 상단의 전압과 하단의 전압을 제어하기 위해 도 1a과 같이 BJT_NPN(110), BJT_PNP(120)가 필요하다. 그리고 두 개의 옵셋 가변저항(도 2 참조)이 필요하다.

도 1b는 BJT_NPN(110), BJT_PNP(120)의 옵셋 전압을 정확히 맞추었을 때, BJT_NPN(110), BJT_PNP(120)의 에미터 단자(B1_E, B2_E)보다 베이스 단자(B1_B, B2_B)가 0.7V이상일 때 반반 도통되도록 가변저항을 조정한 경우를 나타내는 도면이다.

도 1c는 옵셋 전압을 부정확하게 맞추었을 때를 나타내는 도면이다. 예를 들어, BJT_NPN(110)의 에미터 단자(B1_E)보다 베이스 단자(B1_B)를 0.75V 높게 가변 저항을 조정하고, BJT_PNP(120)의 에미터 단자(B2_E)보다 베이스 단자(B2_B)를 0.75V 낮게 가변 저항을 조정하여 파형이 동시에 도통하는 구간이 발생하도록 하였다. 이러한 경우, 개별로 설정하는 가변 저항이기 때문에 반반씩 도통하지 못하거나 겹치는 가능성이 크다.

도 2는 종래기술에 따른 임피던스 측정회로를 나타내는 도면이다.

BJT 간의 왜곡현상에 의한 크로스오버현상을 최소화하기 위해 옵셋 회로를 통해 왜곡현상을 제거함으로써 크로스오버현상을 최소화해야 한다. 상단의 전압과 하단의 전압을 제어하기 위해 도 1a과 같이 BJT_NPN(110), BJT_PNP(120)가 필요하다. 그리고 도 2와 같이 두 개의 옵셋 가변저항(210, 220)이 필요하다.

도 2을 참조하면, 두 개의 옵셋 가변저항(210, 220)을 활용하여 미소 교류 전류를 흘려 임피던스를 측정할 수 있는 회로이다. 이때, 두 개의 옵셋 가변저항(210, 220)을 각각 조절하여 사용하기 때문에 0.1V만 차이가 나도 왜곡현상이 커지는 문제점을 가지고 있다. 종래기술의 푸시-풀 회로의 단점을 보완한 옵셋 회로의 경우 크로스 왜곡현상을 줄여줄 수 있으나, 충방전량을 동일하게 하지 못하는 단점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 회로를 나타내는 도면이다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 BJT_NPN(310, 320)을 활용하는 충방전 회로이다. 도 3b는 이 때 BJT_NPN(310)의 B1_E에서의 전류파형과 BJT_NPN(320)의 B2_E에서의 전류파형을 나타내는 도면이다.

이러한 현상을 최소화하기 위해 종래기술에서는 옵셋 회로를 통해 왜곡현상을 제거함으로써 크로스오버현상을 최소화 했다. 상단의 전압과 하단의 전압을 제어하기 위해 BJT_NPN, BJT_PNP 및 두 개의 옵셋 가변저항을 이용하였다.

하지만 본 발명에서는 두 개의 BJT_NPN(310, 320)을 활용하고, 한 개의 가변저항(도 4 참조)을 통해 기존 회로보다 저렴하고 공간의 제약을 줄이는 회로를 제안한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 두 개의 옵셋 가변저항을 활용한 측정회로에서 왜곡 현상을 최소화하기 위해 옵셋 가변저항(도 4 참조)을 한 개만 사용하여 배터리의 수명을 예측할 수 있는 연료전지 내부 직렬 임피던스를 측정하는 회로를 제안한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 측정회로를 나타내는 도면이다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 BJT_NPN을 활용하고, 한 개의 가변저항(410)을 통해 기존 회로보다 저렴하고 공간의 제약을 줄이는 회로를 나타내었다. 도 4b는 0.5V의 옵셋전압 및 300mV의 진폭을 갖는 입력 파형을 나타내고, 도 4c는 도 3의 BJT_NPN(310)의 B1_B와 B1_E의 입력 파형을 나타낸다. 도 4d는 도 3의 BJT_NPN(320)의 B2_B와 B2_E의 입력 파형을 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 두 개의 옵셋 가변저항을 활용한 측정회로에서 왜곡 현상을 최소화하기 위해 옵셋 가변저항(410)을 한 개만 사용하여 배터리의 수명을 예측할 수 있는 연료전지 내부 직렬 임피던스를 측정한다.

도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교류전압 주입회로는 배터리에 충방전 미소 교류 전류를 주입하고, 전류를 측정하는 저항을 연결한 회로이다. 한 개의 옵셋 가변저항(410)과 두 개의 BJT_NPN을 활용하여 1:1 충방전 지점을 조정할 수 있는 회로이다. 이러한 회로는 두 개의 옵셋 가변저항을 활용하는 종래기술에 따른 회로가 NPN, PNP 회로를 사용할 때 발생하는 문제점들을 해결할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋을 겹치도록 부정확하게 맞춘 경우의 파형들을 나타내는 도면이다. 도 5a는 충방전 전류, 도 5b는 상단 BJT_NPN, 도 5c는 하단 BJT_NPN의 전압을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵셋을 겹치지 않도록 부정확하게 맞춘 경우의 파형들을 나타내는 도면이다. 도 6a는 충방전 전류, 도 6b는 상단 BJT_NPN, 도 6c는 하단 BJT_NPN의 전압을 나타낸다.

옵셋 전압을 부정확하게 맞추었을 때, 미스매칭이 있더라도 두 개의 BJT_NPN에 주입되는 파형이 서로 같도록 구성하였다. 즉, 각각의 도통 시간이 항상 일정하도록 제어된다. 충방전을 동시에 하거나 동시에 하지 않더라도 총 도통 시간은 둘 모두 동일하므로 충방전 양이 같게 된다.

다시 말해, 종래 기술에 따른 회로는 정현파를 NPN 용으로 상승시키는 가변저항과 PNP용으로 하강시키는 두 개의 가변저항을 사용하였다. 두 개의 가변저항을 이용하여 파형을 변화시켜 충전과 방전 파형을 보내게 되는데 이런 경우 가변저항 각각에 의해 도통의 크기가 결정되어 각각 반반 정확히 도통하는 구간을 찾기 어려웠다.

따라서 본 발명에서 제안하는 회로는 두 개의 BJT_NPN을 이용하여 정현파 파형을 먼저 반전시켜 상단 BJT_NPN에는 반전 전의 정현파 파형을 보내고 하단 BJT_NPN에는 반전된 정현파 파형을 보내게 되어 두 BJT_NPN이 반대로 도통되게 만들 수 있다. 이때, 트랜지스터의 특성에 의해 0.7v 전압강하가 생기게 되므로 옵셋 전압을 조정하게 되는 두 파형을 동일한 가변저항으로 0.7V를 올리거나 내리도록 조정한다. 그러면, 두 개의 BJT_NPN는 도통하는 크기는 같으면서 도통하는 양을 조정할 수 있게 된다. 항상 동일한 크기로 도통되기 때문에 두 BJT_NPN가 동시에 겹쳐서 도통하거나 도통하지 않더라도 충방전 크기는 같아진다. 따라서, 배터리에 충전이 과하거나 방전이 과한 영향 없이 제로베이스로 EIS방법을 통해 임피던스를 측정할 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

크로스오버 현상을 최소화하기 위해 두 개의 BJT_NPN를 포함하는 충방전 회로; 및
입력되는 정현파를 두 개의 BJT_NPN을 위한 전압으로 상승시키기 위한 하나의 옵셋 가변저항을 포함하는 옵셋 회로
를 포함하는 연료 전지 측정 회로.
제1항에 있어서,
두 개의 BJT_NPN 및 하나의 옵셋 가변저항을 이용하여 1:1 충방전 지점을 조정하는
연료 전지 측정 회로.
제1항에 있어서,
충방전 회로는 옵셋 회로의 하나의 옵셋 가변저항을 이용함으로써 동일한 주기로 충방전 하는
연료 전지 측정 회로.
제2항에 있어서,
충방전 회로는,
입력되는 정현파 파형을 반전시켜 두 개의 BJT_NPN 중 상단의 BJT_NPN에는 반전 전의 정현파 파형을 입력하고, 두 개의 BJT_NPN 중 하단의 BJT_NPN에는 반전된 정현파 파형을 입력하여 두 개의 BJT_NPN가 반대로 도통되도록 하는
연료 전지 측정 회로.
제2항에 있어서,
충방전 회로는,
두 개의 BJT_NPN의 입력 전압에 대한 옵셋 전압에 미스매칭이 있는 경우에도 하나의 옵셋 가변저항을 이용함으로써 두 개의 BJT_NPN에 주입되는 전압 파형은 서로 동일한
연료 전지 측정 회로.
제1항에 있어서,
하나의 가변저항으로 충방전 회로의 옵셋 전압을 조정하여 두 개의 BJT_NPN의 총 도통 시간이 항상 일정하도록 제어되는
연료 전지 측정 회로.
제6항에 있어서,
두 개의 BJT_NPN의 충방전을 동시에 하거나 동시에 하지 않더라도 두 개의 BJT_NPN 각각의 총 도통 시간은 동일하도록 제어되어 충방전 양이 동일한
연료 전지 측정 회로.
제6항에 있어서,
배터리에 충방전에 관한 영향 없이 제로베이스로 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 방법을 통해 임피던스를 측정하는
연료 전지 측정 회로.