KR100314937B1

KR100314937B1 - 집합전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치

Info

Publication number: KR100314937B1
Application number: KR1019990015978A
Authority: KR
Inventors: 윤성규; 염덕형; 박천준; 문병택; 정희영
Original assignee: 최좌진; 주식회사서통
Priority date: 1999-05-04
Filing date: 1999-05-04
Publication date: 2001-11-23
Also published as: KR20000072984A

Abstract

본 발명은, 다수개로 직렬 연결된 전지중 성능이 저하된 일부 전지로 인한 다른 전지의 성능 저하를 방지하고, 충전과 방전중 전지의 용량편차가 발생될 시 바이패스에 의해 전지의 용량편차를 최소화하여 전지성능 불균형을 해소하며, 전지의 과충전 및 과방전에 의한 전지 성능 열화를 방지하여 전지의 안전성을 확보할 뿐만 아니라, 전지의 사용 효율을 극대화시키는 집합전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치를 제공하며, 전지부(100)와; 전지부(100)에 연결된 FET부(200)와; FET부(200)에 인가된 전지부(100)의 전압을 동일 시간대에 측정하는 증폭부(300)와; 증폭부(300)에 의해 출력된 전압신호가 순차적으로 제어되도록 하는 멀티플렉서부(400)와; 멀티플렉서부(400)에서 순차적으로 제어되는 전지부(100)의 전압신호의 편차가 있는지를 비교판단 하는 비교부(500)와; 비교부(500)에서 출력된 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키기 위한 A/D변환부(600)와; A/D변환부(600)에서 출력된 신호를 입력 받아 충방전조건에 해당되는 신호를 출력하는 마이컴부(700)와; 마이컴부(700)의 신호에 따라 동작하여 배터리 균형전류를 공급하는 스위칭부(800)와; 공지의 충방전부(900)로 구성하는데 그 특징이 있다.

Description

집합전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치{A cell controller}

본 발명은, 전지 성능을 일정하게 유지시키기 위한 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 다수개로 직렬 연결된 전지중 성능이 저하된 전지로 인한 다른 전지의 성능 저하를 방지하고, 충전과 방전에 의한 전지의 용량편차가 발생될 시 바이패스에 의해 전지의 용량편차를 최소화하여 전지성능 불균형을 방지하며, 전지의과충전 및 과방전에 의한 전지성능열화를 방지하여 전지 출력의 안전성을 확보할 뿐만 아니라, 전지의 사용 효율을 극대화시키는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전지는 전기자동차, 통신기기 및 전자장치에 장착되어 전원을 공급하는 장치이다.

그러나, 전기자동차, 통신기기 및 전자장치의 급속한 발전에 비하여 전지의 성능의 향상은 이에 따르지 못하는 실정이다.

나아가, 동일한 생산 라인에서 제조되었어도 각 전지의 품질편차에 의해 전기 화학적 거동의 차이가 있을 수 있으므로, 이를 다수개로 직렬 연결할 경우에는 다수개의 전지중 성능이 저하된 일부의 전지로 인해 전지의 전체적인 성능이 저하되어 최적으로 작동하지 못하는 문제가 있다.

또한, 전지는 충전과 방전에 의한 용량 편차로 인해 성능의 불균형이 초래되는 문제와, 전지의 품질 편차에 의해 과충전 및 과방전이 발생하여 전지의 안전성이 저하되고, 전지의 수명이 단축되는 문제가 있어, 사용 효율을 극대화할 수 없을 뿐만 아니라, 전지를 사용하는 사용자는 전지의 수명 단축으로 자주 전지를 교환해야되는 불편함과 이에 따른 비용이 지출되고, 폐전지로 인한 환경오염이 발생할 수 있는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위해 연구창출된 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다.

본 발명은, 다수개로 직렬 연결된 전지중 성능이 저하된 전지로 인한 다른전지의 성능 저하를 방지하고, 충전과 방전에 의한 전지의 용량 편차가 발생될 시 바이패스에 의해 전지의 용량 편차를 최소화하여 전지성능 불균형을 개선하며, 전지의 과충전 및 과방전을 최대한 방지하여 전지의 안전성을 확보할 뿐만 아니라, 전지의 사용 효율을 극대화시키는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명을 나타내기 위한 블럭 구성도,

도 2는 본 발명을 실시하도록 하는 상세 회로도,

도 3은 본 발명의 작동관계를 설명하기 위한 흐름도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

30 : 전지 균형 회로 100 : 전지부

200 : FET부 300 : 증폭부

400 : 멀티플렉서부 500 : 비교부

600 : A/D변환부 700 : 마이컴부

800 : 스위칭부 900 : 충방전부

본 발명의 기술적 구성을, 첨부도면을 참조하여 아래에 구체적으로 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 블럭 구성도 및 상세 회로도로써, 8개의 전지(CELL 1∼CELL 8)로 이루어진 전기자동차용 전지에서 +12V를 인가하는 전지부(100)와; 상기 전지부(100)의 전압이 오프(Off)되었을 때 각 전지의 전압이 방전되지 못하도록 하고, 전원이 온(On)되면 각 전지의 전압이 공급되도록 하는 전계효과트랜지스터(FET)(Q1-Q8)로 구성된 FET부(200)와; 상기 FET부(200)에서 인가된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압을 측정하는 시간이 다르면 충전 및 방전 전류의 변화에 의한 드롭 전압의 변동에 의해 동일한 조건에서의 전압 측정이 불가능해지므로 동일 시간대의 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압을 측정하도록 하는 샘플 & 홀드 증폭기(Sample & Hold Amplifier: U3∼U10)로 구성된 증폭부(300)와; 상기 증폭부(300)에 의해 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압이 입력되어 순차적으로 제어되도록 하는 멀티플렉서(Multiplexer: U1,U2)를 가지는 멀티플렉서부(400)와; 상기 멀티플렉서부(400)로부터 입력된 각 전지간(CELL 1∼CELL 8)의 전압 편차가 있는지를 비교,판단 하는 비교기(Comparator: U11∼U13)를 포함하는 비교부(500)와; 상기 비교부(500)에서 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압편차 신호인 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키기 위한 A/D컨버터 (U25)로 이루어진 A/D변환부(600)와; 상기 A/D변환부 (600)에서 출력된 디지탈 데이타신호를 입력 받아 모든 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압 데이타를 연산 및 저장하고 미리 설정된 기준치와 비교하여 충방전 조건에 해당되는 신호를 출력하도록 IC칩(U26)으로 이루어진 마이컴부(700)와; 상기 마이컴부(700)의 신호 출력에 따라 동작하여 전지 균형전류를 공급하는 스위칭 IC(Switching IC: U14)를 포함하는 스위칭부(800)와; 전지의 충방전부(900)로 구성되어 이루어진다.

상기 스위칭부(800)는, 상기 A/D변환부(600)로 부터 입력되는 전지 전압을 다수개(이하 'n'개라함)의 전지 중에서 기준 전압치 이상 높은 전지와 낮은 전지의 정보를 마이콤으로부터 입력 받아 스위칭동작을 행하여 전지 균형 전류를 인가하도록 이루어진다.

상기 스위칭부(800)는, n개의 전지로 구성된 전지 n/2 지점을 그라운드(GROUND)로 하여 '+'전위의 전지를 n/2개, '-'전위의 전지를 n/2개한 두개의 블럭으로 이루어진다.

상기 마이컴부(700)는, 상기 IC칩(U26)의 입력 전압이 측정된 각 전지(CELL 1∼CELL 8) 전압이 설정값(4.2V) 이상이거나, 설정값(2.5V) 이하의 조건에서 입력되면 시스템 전체의 동작을 정지시키도록 할 수도 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시예의 장치의 작용을 설명한다.

도 3은 본 발명의 작동관계를 설명하기 위한 흐름도로써, 8개의 전지(CELL 1∼CELL 8)의 이루어진 FET(Q1 - Q8)단에 전지의 +12V가 인가되고, 전지의 전원 전압이 오프(Off)되었을때 각 전지(CELL1∼CELL8)에 연결된 각 FET(Q1∼Q8)는 오프되어 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압이 감지되지 못하도록 하고, 전원이 온(On)되면 각 FET(Q1∼Q8)가 온(On)되어 각 전지(CELL 1∼CELL 8) 전압이 감지된다.로 구성되어 이루어진다.

이때, 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압을 측정하는 시간이 다르면 충전 및 방전 전류의 변화에 의한 드롭 전압의 변동에 의해 동일한 조건에서의 전압 측정이 불가능해지므로 동일 시간대의 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압을 측정하도록 샘플 & 홀드 증폭기(Sample & Hold Amplifier: U3∼U10)를 사용한 리얼 타임 억세스가 이루어지고, 상기 샘플 홀드 증폭기(U3∼U10)에 의해 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압은 멀티플렉서(Multiplexer: U1,U2)에 입력되어 순차적으로 제어된다.

상기에서 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압에 편차가 있는지를 비교기(U11∼U13)에서 비교한 다음, 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 아날로그 전압 신호를 A/D컨버터(U25)를 통해 디지탈신호로 변환시켜, 이에 출력된 디지탈 데이터 신호를 입력 받아 모든 전지의 전압 신호를 연산 및 저장하고 미리 설정된 전압치와 비교하여 충방전 조건에 해당되는 신호를 출력하게 된다.

상기 신호 출력에 따라 전지 균형전류가 공급 (S80)되어 신호에 해당되는 전지에 바이패스(BY-PASS)된다.

한편, 본 발명의 장치의 실시예에서, 상기 전지부(100)의 입력단에 각 전지(CELL 1∼CELL 8)를 연결하면 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압은 FET부(200)의 각각의 FET(Q1∼Q8)를 통과한다. 이때 전원전압이 오프(Off)이면 각 FET(Q1∼Q8)가 오프되어 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압이 회로를 통하여 공급되지 않으며, 전원전압이 온(On)되면 상기 FET(Q1∼Q4)의 게이트에 +20V가 인가되고, FET(Q5∼Q8)의 게이트에는 +5V가 인가되어 상기 FET(Q1∼Q8)가 모두 온(On)된다.

상기 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압은 증폭부(300)의 샘플 홀드 증폭기(U3∼U10) 입력단자와 스위칭부(800)의 스위칭IC(U14)에 공급되고, 상기 샘플 홀드 증폭기(U3∼U10)의 핀(3)으로 각 전지(CELL 1∼CELL 8) 전압이 입력되고 제어단자인 핀(8)에 +5V가 입력되면, 출력단자인 핀(5)에는 입력과 동일한 전압이 출력되고 상기 핀(8)이 0V로 되면, 입력전압의 변동에 관계없이 최종 입력 전압만을 출력하게 되는데 핀(6)의 캐패시터(C1∼C8)에 유지된 전압신호를 증폭하여 상기 핀(5)으로 출력하기 때문이다.

상기 증폭부(300)의 가변저항기(VR1∼VR8)는 상기 샘플 홀드 증폭기(U3∼U10)의 입력 전압이 0V일때 출력 전압을 0V로 조정하기 위한 오프셋(Offset) 조정용이다.

상기 증폭부(300)의 샘플 홀드 증폭기(U3∼U10)에 의해 출력된 전압신호는 멀티플렉서부(400)의 멀티플렉서(U1,U2) 입력조건(A0,A1,A2)을 통해 순차적으로 핀(8)으로 출력되고, 상기 멀티플렉서(U1,U2)에 의해 출력된 전압은 비교부(500)의 비교기(U11∼U13)를 통해 상기 멀티플렉서(U1)의 핀(8)과 상기 멀티플렉서(U2)의 핀(8)의 전위차를 최종 출력하게 된다. 예를 들면,상기 멀티플렉서(U1)의 핀(8) 전압이 +12V이고 상기 멀티플렉서(U2)의 핀(8) 전압이 +8V라면, 상기 비교기(U13)의 핀(6) 출력전압은 +4V가 된다.

상기 비교부(500)의 가변저항기(VR9)는, 상기 비교기(U11∼U13)의 증폭도를 미세조정하기 위해 사용되어진다.

상기 비교부(500)에서 출력된 전압 신호는, A/D변환부(600)의 A/D컨버터(U25)를 통해 아날로그신호가 디지탈신호로 변환하게 된다.

상기 A/D컨버터(U25)에서 출력된 전지 전압신호가 상기 마이컴부(700)의 IC칩(U26)에 입력되면, 상기 전지(CELL1∼CELL8)중 전압이 가장 낮은 전지보다 설정치이상 높은 전지에 대하여 IC칩(U26)의 핀(21∼28)은 '하이'레벨로 출력하고, 전지 균형 조건이 아닌 전지는 다른 전지중 설정치미만이 있는가를 확인하여 그 조건에 해당되는 전지 균형 출력단을 '하이'레벨로 출력하도록 한다.

상기 각 전지(CELL 1∼CELL 8)중 중간지점을 그라운드(GROUND)로 하여 '+'전위의 전지를 4개, '-'전위의 전지를 4개로 구분하여 상기 IC칩(U26)의 핀(21∼24)의 출력이 '+'인 전위가 스위칭부(800)의 스위칭IC(U14)의 핀(1)에 인가되면, 상기 스위칭IC (U14)는 스위칭작동을 하여 전지 균형 전류를 흘리게 된다.

상기 스위칭부(800)의 상기 스위칭IC(U14)의 전원전압을 0V와 +20V를 공급하고, 차동 증폭기의 입력인 스위칭IC(U14)의 핀(2)에는 저항(R43,R44)이 연결되며, 이 저항(R43,R44)에 의해 스위칭IC(U14)의 핀(18)의 출력 기준점(+5V)을 분할하여 2.5V를 기준으로 하고, 스위칭IC(U14)의 핀(1) 입력 전압이 0V이면 스위칭 작동을 중단하며, +5V이면 스위칭작동하여 스위칭IC(U14)의 핀(13)에 출력된 펄스 폭을 트랜스포머(T1)에 흐르는 전류에 의해 제어되도록 저항(R47) 양단에 드롭(Drop) 전압을 전류 감지 단자인 핀(7)에 공급하여 핀(7)의 전압이 항상 100mV를 유지하도록 하여 설정치이내의 정전류로 작동하도록 한다.

완충회로(SB)는 다이오드(D2), 저항(R48) 및 콘덴서(C20)로 구성되어 충방전부 (900)의 트랜스포머(T1)의 역기전력에 의한 스파이크(SPIKE)성 고압을 제거하기 위해 사용되어진다.

상기 트랜스포머(T1)를 통해 흐르는 전류 소스(SOURCE)는, 각각의 4개의 전지이므로 4개의 전지 균형 회로(30)의 전위는 서로 다르지만, FET (Q10)를 구동하는 펄스 입력은, 상기 스위칭IC(U14)의 핀(13)의 스위칭 작동 범위가 0V∼+20V이므로 4개 전지 모두의 전위에서 상기 FET(Q10)를 구동하는데 문제가 발생하지 않는다.

상기 트랜스포머(T1)의 2차측의 유도전압은 다이오드(D3)와 콘덴서(C35)에 의해 직류(DC)로 필터링되고, 상기 콘덴서(C35)의 '+'단자는 해당 전지중에서 전위가 가장 높은 전지의 '+'단자에, '-'단자는 해당 전지중에서 전위가 가장 낮은 전지의 '-'단자에 연결하여 전지 균형을 위해 바이패스(BY-PASS)된 전류를 소모하지 않고 각 전지(CELL 1∼ CELL 8)에 재충전하도록 이루어진다.

상기 전지 균형 회로(30)인 정전류 스위칭 전원 공급장치(Constant Current Switching Mode Power Supply)는 플라이백(FLY-BACK)방식이며 효율은 60％ 정도인데 전지간 균형은 손실분 40％에 의해 유지할 수 있다.

마지막으로, 상기에서 사용된 전기자동차용 밧데리의 전지는 물론, 전동장치, 전자장치 또는 통신장치에 전원을 공급하기 위해 사용되는 전지나, 측정하기 위한 전지의 갯수가 한정되지 않고 다양하게 가감하여 사용할 수 있으며 모두 본 발명의 범주에 속함을 밝혀둔다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은, 다수개로 직렬 연결된 전지중 성능이 저하된 전지로 인한 다른 전지의 성능 저하를 방지하는 효과와, 충전과 방전에 의한 전지의 용량편차가 발생될 시 바이패스에 의해 전지의 용량편차를 최소화하여 전지성능 불균형을 해소하는 효과를 가지며, 전지의 과충전 및 과방전에 의한 성능열화를 최대한 방지하여 전지의 안전성을 확보할 효과를 가질 뿐만 아니라, 각 전지의 전압 및 전류를 측정한 데이타를 마이컴에 전송하여 분석 및 저장하도록 하여 전지의 성능과 수명을 유지시키는 효과를 갖는 동시에 사용 효율이 극대화되도록 하는 등의 여러 효과를 동시에 거둘 수 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims

복수의 전지(CELL 1∼CELL 8)로 이루어진 전기자동차용 배터리에서 일정전압을 인가하는 전지부(100)와;

상기 전지부(100)의 전압이 오프(Off)되었을 때 오프되어 각 전지의 전압이 방전되지 못하도록 하고, 전압 전원이 온(On)되면 온되어 각 전지의 전압이 공급되도록 하는 전계효과트랜지스터(Q1∼Q8)를 가지는 FET부(200)와;

상기 FET부(200)에서 인가된 각 전지(CELL 1∼ CELL 8)의 전압을 동일 시간대에 측정하는 샘플 홀드 증폭기(Sample & Hold Amplifier: U3∼U10)로 구성된 증폭부(300)와;

상기 증폭부(300)에 의해 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압신호가 입력되어 순차적으로 제어되도록 하는 멀티플렉서(Multiplexer: U1,U2)를 가지는 멀티플렉서부(400)와;

상기 멀티플렉서부(400)에서 순차적으로 제어되는 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압신호의 편차가 있는지를 비교판단 하는 비교기(Comparator: U11∼U13)를 포함하는 비교부(500)와;

상기 비교부(500)에서 출력된 각 전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압 신호인 아날로그신호를 디지탈신호로 변환시키기 위한 A/D컨버터 (U25)로 이루어진 A/D변환부(600)와;

상기 A/D변환부(600)에서 출력된 디지탈 데이타신호를 입력 받아 모든전지(CELL 1∼CELL 8)의 전압데이타를 연산 및 저장하고 미리 설정된 기준치와 비교하여 충방전조건에 해당되는 신호를 출력하도록 IC칩(U26)으로 이루어진 마이컴부(700)와;

상기 마이컴부(700)의 신호 출력에 따라 동작하여 배터리 균형전류를 공급하는 스위칭IC(Switching IC: U14)를 포함하는 스위칭부(800)와;

공지의 충방전부(900)로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 상기 스위칭부(800)는, 상기 A/D변환부(600)로부터 입력되는 전지전압신호 다수개의 전지 중에서 기준치 이상 높은 전지와 낮은 전지를 구분하여 스위칭동작을 행하여 전지 균형 전류를 인가하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스위칭부(800)는, n개의 전지로 구성된 전지 n/2 지점을 그라운드(GROUND)로 하여 '+'전위의 전지를 n/2개, '-'전위의 전지를 n/2개로 구분하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 효율적으로 사용하기 위한 장치.