KR100895419B1 - 고속 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 충전 기술에 관한 것으로, 특히 복수의 소용량 배터리 팩을 구성하여 배터리 용량을 높이고 복수의 소용량 배터리 팩의 각각에 전원을 공급하여 충전시킴으로써 배터리 충전 시간을 단축시킨 고속 배터리 충전 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 복수의 소용량 배터리 팩을 결합하여 대용량 배터리를 구성해서 배터리 용량을 높이고, 복수의 소용량 배터리 팩의 각각에 전원을 동시에 공급하여 배터리 충전 시간을 단축해서 휴대용 정보 기기의 휴대성을 높이는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 시스템에서 필요한 대용량 배터리를 임의의 용량과 형태를 갖는 복수의 소용량 배터리 팩으로 나누어 휴대용 정보 기기 내부의 각 구석구석에 분산 배치할 수 있으므로 휴대용 정보 기기의 디자인 자유도를 높이는 효과가 있다. 또한, 임의의 고용량을 갖는 배터리를 복수 개의 배터리 팩과 스위칭 구조를 이용하여 구성할 수 있으며, 각 배터리 팩을 방전시켜 휴대용 정보 기기를 동작시킬때 마치 한 개의 고용량 배터리 팩처럼 동작하도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

배터리, 충전

Description

고속 배터리 충전 장치 및 방법{High speed battery charge apparatus and method for the same}

본 발명은 배터리 충전 기술에 관한 것으로, 특히 복수의 소용량 배터리 팩을 구성하여 배터리 용량을 높이고 복수의 소용량 배터리 팩의 각각에 전원을 공급하여 충전시킴으로써 배터리 충전 시간을 단축시킨 고속 배터리 충전 기술에 관한 것이다.

휴대용 정보 기기는 휴대의 편의성을 고려하여 배터리를 구비한다. 휴대용 정보 기기에 사용되는 배터리는 기기의 동작 시간을 좌우한다. 기기의 동작 시간을 높이기 위해서는 대용량의 배터리가 필요하며 대용량의 배터리를 충전시키기 위해서는 배터리 용량에 비례하여 충전 시간도 길어진다. 충전 시간이 길어지면 배터리 충전을 위해 장시간 동안 고정된 위치에 휴대용 정보 기기를 놓아두어야 하므로 휴대용 정보 기기의 휴대성이 떨어진다.

휴대용 정보 기기의 휴대성을 높이기 위해서는 충전 시간을 단축시켜야 하며 장시간 동안 정보 기기의 사용을 위해 배터리 용량을 높여야 할 필요성이 있다. 배 터리 용량을 높이는 점과 충전 시간을 단축시키는 것은 서로 상충하지만 극복되어야 할 기술적 과제이다. 또한, 배터리는 휴대용 정보 기기 외에도 다양한 분야에 사용되는데 배터리에 요구되는 공통 과제로는 배터리 용량을 높이고 충전 시간을 단축시켜야 하는 점이다.

기존의 국내 특허출원된 기술 중에 다수의 셀을 개별적으로 충전하여 충전시간을 고속화하는 기술로서 '팩 구조의 배터리 고속 충전 장치 및 방법'(국내 출원번호 10-2005-0125447, 삼성전자)가 공개되어 있다.

이 기술의 경우 배터리 팩을 구성하는 다수의 셀을 개별적으로 충전함으로써 배터리 충전시간을 단축하는 구성으로 되어 있으나, 다수의 배터리 팩에 대해서는 순차적인 충전이 이루어지도록 구성되어 있다.

따라서, 하나의 배터리 팩 내에서는 각 셀이 동시에 충전되므로 충전 속도가 빨라지는 효과를 가져오지만, 각각의 배터리 팩은 하나의 배터리 팩이 충전된 후에 다음 배터리 팩이 충전되므로 배터리 팩을 기준으로 볼 때 충전 속도의 향상을 가져올 수 없는 문제점이 있으며, 특히 각각의 배터리 팩이 단일 셀로 구성된 경우라면 전체적인 충전 속도를 전혀 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 대용량의 배터리를 구성해도 배터리 충전 시간이 배터리 용량에 비례하지 않고 짧은 시간 내에 배터리를 충전시키는 배터리 충전 기술을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치는 복수의 소용량 배터리 팩; 복수의 소용량 배터리 팩을 충전하기 위한 전류를 공급하는 충전 회로; 및 소용량 배터리 팩의 각각에 대한 전원 입출력을 스위칭 제어하기 위한 스위치 회로로서, 충전 회로로부터의 전원 공급 여부를 감지하여, 전원이 공급되는 경우 충전 회로의 출력 단자를 소용량 배터리 팩의 전원 단자에 연결하고, 전원이 공급되지 않는 경우 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자를 소용량 배터리 팩의 전원 단자에 연결하는 스위치 회로;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 고속 배터리 충전 방법은 복수의 소용량 배터리 팩을 충전하는 충전 회로와, 복수의 소용량 배터리 팩에 대해 충방전을 제어하는 스위치 회로로 구성되어 복수의 소용량 배터리 팩을 충전하는 고속 배터리 충전 방법에 있어서, 스위치 회로가 충전 회로로부터의 전원 공급 여부를 감지하는 단계; 충전 회로로부터 전원이 공급되는 경우 충전 회로의 출력 단자를 소용량 배터리 팩의 전원 단자에 스위칭 연결하는 단계; 및 충전 회로로부터 전원이 공급되지 않는 경우 공 통 연결된 시스템 전원 공급 단자에 소용량 배터리 팩의 전원 단자를 스위칭 연결하는 단계;를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치는, 복수의 배터리 팩; 배터리 팩마다 배치되며 외부 전원으로부터 배터리 팩을 충전하기 위한 전류를 공급하는 복수의 충전 회로; 외부 전원의 공급여부를 감지하여 외부 전원의 공급여부를 나타내는 제 1 제어신호, 및 제 1 제어신호와 반대인 제 2 제어신호를 출력하는 제어신호 생성부; 배터리 팩마다 배치되며, 제 1 제어신호가 외부 전원이 공급되지 않음을 알리면 배터리 팩과 시스템 전원 공급 단자 사이를 전기적으로 연결하는 방전 스위칭부와, 제 2 제어신호가 외부 전원이 공급됨을 알리면 충전 회로와 배터리 팩 사이를 전기적으로 연결하는 충전 스위칭부를 포함하는 복수의 제 1 스위칭부; 및 외부 전원과 시스템 전원 공급 단자 사이에 배치되어 제 2 제어신호가 외부 전원이 공급됨을 알리면 외부 전원과 시스템 전원 공급 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제 2 스위칭부;를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 방법은, 복수의 배터리 팩과, 외부 전원으로부터 배터리 팩을 충전하기 위한 전류를 공급하는 복수의 충전 회로와, 배터리 팩의 충전 및 방전을 스위칭하는 제 1 스위칭부와, 외부 전원의 시스템 공급을 스위칭하는 제 2 스위칭부와, 스위칭부를 제어하는 제어신호 생성부로 구성되어 복수의 배터리 팩을 충전하는 고속 배터리 충전 방법에 있어서, (A) 외부 전원이 미리 설정된 기준치 이상으로 입력되는지를 감지하여 외부 전원의 공급여부를 판단하는 단계; (B) 외부 전원이 공급되는 경우 제어신호 생성부가 기 설정된 일정레벨 범위의 신호(이하, 'A 신호'라 함)를 제 1 제어신호로서 출력하고, A 신호와 구별되는 레벨 범위의 신호(이하, 'B 신호'라 함)를 제 2 제어신호로서 출력하는 단계; (C) 외부 전원이 공급되지 않는 경우 제어신호 생성부가 B 신호를 제 1 제어신호로서 출력하고, A 신호를 제 2 제어신호로서 출력하는 단계; (D) 제 1 제어신호가 A 신호이면 배터리 팩과 시스템 전원 공급 단자의 연결을 오프시키고, 제 1 제어신호가 B 신호이면 배터리 팩과 시스템 전원 공급 단자를 연결하는 단계; (E) 제 2 제어신호가 A 신호이면 충전 회로와 배터리 팩의 연결을 오프시키고, 제 2 제어신호가 B 신호이면 충전 회로와 배터리 팩을 연결하는 단계; 및 (F) 제 2 제어신호가 A 신호이면 외부 전원과 시스템 전원 공급 단자의 연결을 오프시키고, 제 2 제어신호가 B 신호이면 외부 전원과 시스템 전원 공급 단자를 연결하는 단계;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면 복수의 소용량 배터리 팩을 결합하여 대용량 배터리를 구성해서 배터리 용량을 높이고, 복수의 소용량 배터리 팩의 각각에 전원을 동시에 공급하여 배터리 충전 시간을 단축해서 휴대용 정보 기기의 휴대성을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시스템에서 필요한 대용량 배터리를 임의의 용량과 형태를 갖는 복수의 소용량 배터리 팩으로 나누어 휴대용 정보 기기 내부의 각 구석구석에 분산 배치할 수 있으므로 휴대용 정보 기기의 디자인 자유도를 높이는 효과가 있 다.

또한, 임의의 고용량을 갖는 배터리를 복수 개의 배터리 팩과 스위칭 구조를 이용하여 구성할 수 있으며, 각 배터리 팩을 방전시켜 휴대용 정보 기기를 동작시킬때 마치 한 개의 고용량 배터리 팩처럼 동작하도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치의 충전 회로에서 소용량 배터리 팩을 충전하고 시스템에 전원을 공급할 때를 보인 블록도이다.

고속 배터리 충전 장치에서 외부로부터 전원을 공급받아 충전 회로(200)와 스위치 회로(300)를 통해 소용량 배터리 팩(400)을 충전시키고, 시스템(500)에 전원을 공급하는 구성에 대해 설명한다.

고속 배터리 충전 장치는 외부로부터 전원을 공급받아 복수의 충전 회로(200~20N)에 전원을 공급하는 전원공급부(100)와; 전원공급부(100)로부터 전원을 입력받아 복수의 스위치 회로(300~30N)에 전원을 공급하는 복수의 충전 회로(200~20N)와; 복수의 충전 회로(200~20N)에 일대일 대응하여 위치하고 복수의 충전 회로(200~20N)의 전원 공급 여부를 감지하여 감지 결과에 따라 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)의 전원 단자를 복수의 충전 회로(200~20N)의 출력 단자에 연결시키거나 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)의 전원 단자를 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자에 연결시키는 복수의 스위치 회로(300~30N)와; 복수의 충전 회 로(200~20N)로부터 전원을 공급받아 충전하거나 시스템(500)에 전원을 공급하는 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)을 포함한다.

■ 전원공급부(100)는 배터리 충전과 시스템에 전원을 공급하기 위한 외부 전원을 의미한다. 전원공급부(100)는 외부 전원을 복수의 충전 회로(200~20N)에 각각 공급하여 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)을 충전시키기 위해 필요한 전원과 시스템 동작을 위해 필요한 전원을 제공한다.

■ 충전 회로(200)는 전원공급부(100)로부터 전원을 입력받으면 스위치 회로(300)에 전원 입력을 나타내는 제어 신호를 출력하고, 전원공급부(100)의 전원을 시스템(500) 전원 또는 소용량 배터리 팩(400)의 충전 전원에 알맞도록 가공한다.

충전 회로(200)는 스위치 회로(300)에 대해 일대일 대응되어 배치되는 것이 바람직하지만 본 발명은 반드시 그와 같은 구성에 한정되는 것은 아니며, 상황에 따라 하나의 충전 회로가 복수의 스위치 회로에 제어 신호를 출력하거나 전원을 공급할 수 있다.

■ 스위치 회로(30N)는 충전 회로의 출력 단자(310), 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자(320), 소용량 배터리 팩의 전원 단자(330) 및 제어 단자(340)를 구비한다. 스위치 회로(30N)는 제어 단자(340)에 입력되는 충전 회로(20N)의 제어 신호로 하이 신호가 입력되면 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)와 소용량 배터리 팩(40N)의 전원 단자(330)를 연결한다. 스위치 회로(30N)는 충전 회로(20N)의 전원을 소용량 배터리 팩(40N)에 공급하여 소용량 배터리 팩(40N)에 포함된 배터리를 충전시킨다.

스위치 회로(30N)는 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)와 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자(320) 사이에서 애노드 단자가 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)가 연결되고 캐소드 단자가 시스템 전원 공급 단자(320)에 연결되도록 다이오드를 구성하여 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)에 전원이 공급되면 애노드 단자가 캐소드 단자에 비해 높은 전위차로 인하여 다이오드를 통해 시스템(500)에 전원을 공급한다. 스위치 회로(30N)는 소용량 배터리 팩(40N)을 충전하는 중에도 시스템(500)에 전원을 공급하여 시스템(500)이 계속 동작할 수 있도록 한다.

스위치 회로(30N)는 어플리케이션에 따라 전기적인 스위치로 구성될 수 있고 다른 실시예로 전기 소자와 기계 소자를 혼용한 스위치로 구성될 수 있다.

■ 소용량 배터리 팩(400)은 시스템(500)에서 요구하는 전원 레벨에 대응하여 한 개부터 여러 개의 충전 가능 배터리로 구성된다.

소용량 배터리 팩(400)은 배터리의 총용량을 n 등분하여 구성된다. 즉, 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에서 각각의 소용량 배터리 팩은 배터리 용량을 균등하게 구성하여 배터리 용량을 높인다.

소용량 배터리 팩(400)은 여러 개가 결합되어 하나의 배터리 팩으로 구성되는데 소용량 배터리 팩(400)은 대용량 배터리 팩보다 크기가 작아 제품 디자인에 따라 분산 배치될 수 있다. 배터리 팩의 크기가 작으면 제품 디자인에서 배터리 팩을 제품의 여러 곳에 위치하게 배치하도록 디자인함으로써 제품의 구조 설계와 외관 디자인에 매우 효과적이고 제품의 상품성을 제고할 수 있다.

■ 시스템(500)은 복수의 충전 회로(200~20N)를 통해 외부 전원을 공급받거 나 외부 전원이 없을 경우 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)으로부터 전원을 공급받는다. 시스템(500)은 전원을 소비하는 주체로 휴대용 정보 기기에서부터 전기 자동차에 이르기까지 각종 전기 기기를 지칭한다.

도 2는 도 1의 고속 배터리 충전 장치의 충전 회로에서 소용량 배터리 팩을 충전하고 시스템에 전원을 공급할 때의 등가 회로를 보인 도면이다.

즉, 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치에서 외부 전원이 공급될 때의 등가 회로를 설명한다.

외부 전원이 고속 배터리 충전 장치에 공급되면 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)와 소용량 배터리 팩(40N)의 전원 단자(330)가 스위칭되어 연결된다. 또한, 충전 회로(20N)의 출력 단자(310)는 다이오드를 경유하여 시스템(500)에 연결된다.

전원공급부(100)인 외부 전원은 복수의 충전 회로(200~20N)를 거쳐 충전 전원이 되고 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에 공급되어 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)을 충전한다. 이와 동시에 외부 전원은 복수의 충전 회로(200~20N)와 다이오드를 거쳐 시스템(500)에 공급된다.

도 3은 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치에서 외부로부터 전원이 공급되지 않을 경우 복수의 소용량 배터리 팩에서 시스템에 전원을 공급하는 예를 보인 도면이다.

고속 배터리 충전 장치에 외부로부터 전원이 공급되지 않으면 전원공급 부(100)와 복수의 충전 회로(200~20N)에는 전원이 존재하지 않는다. 복수의 충전 회로(200~20N)에 전원이 존재하지 않으면 일대일 대응되는 복수의 스위치 회로(300~30N)에 제어 신호가 로우로 입력된다.

스위치 회로(30N)의 제어 단자(340)에 로우인 제어 신호가 입력되면 스위치 회로(30N)는 소용량 배터리 팩(40N)의 전원 단자(330)를 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자(320)에 스위칭하여 연결한다. 시스템 전원 공급 단자(320)는 복수의 스위치 회로(300~30N)에 각각 구비되어 있는데 서로 하나의 단자로 공통 연결된다.

스위치 회로(30N)에서의 소용량 배터리 팩(40N)의 전원 단자(330)가 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자(320)에 스위칭 연결되면 소용량 배터리 팩(40N)에 저장된 전원이 시스템(500)에 공급된다. 즉, 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자(320)는 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에 저장된 전원을 시스템(500)에 공급한다.

도 4는 도 3의 고속 배터리 충전 장치에서 외부로부터 전원이 공급되지 않을 경우 복수의 소용량 배터리 팩에서 시스템에 전원을 공급할 때의 등가 회로를 보인 도면이다.

복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에서의 전원 단자는 하나로 공통 연결되어 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에서 방전되는 전원이 시스템(500)에 공급된다. 시스템(500)은 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)으로부터 전원을 공급받아 동작한다.

시스템(500)은 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에 저장된 전원 총량에서 시간당 소비 전력을 감소시키면서 동작한다. 시스템(500)은 복수의 소용량 배터리 팩(400~40N)에 대응한 배터리 용량이 클 경우 장시간 동안 동작할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고속 배터리 충전 방법의 동작 흐름도이다.

고속 배터리 충전 장치에서의 복수의 충전 회로는 외부로부터 전원이 공급되는지를 감지하여(S101) 전원이 공급되는 경우 제어 신호로 하이를 출력한다(S102).

복수의 충전 회로가 하이 제어 신호를 일대일 대응되는 각각의 스위치 회로에 출력하면 복수의 스위치 회로는 복수의 충전 회로의 출력 단자와 복수의 소용량 배터리 팩의 전원 단자를 일대일 대응하여 연결한다(S103).

복수의 충전 회로는 외부 전원을 가공한 충전 전원을 일대일 대응되는 소용량 배터리 팩에 공급하여 소용량 배터리 팩에 내장된 배터리를 충전한다(S104).

복수의 충전 회로는 시스템에 전원을 공급하고 시스템은 충전 회로부터 전원을 공급받아 동작한다(S105).

고속 배터리 충전 장치는 외부로부터 전원이 공급되는 경우 복수의 소용량 배터리 팩을 동시 충전하여 배터리 충전 시간을 단축한다. 소용량 배터리 팩을 구성하여 배터리 충전 시간을 단축시켰지만 복수의 소용량 배터리 팩을 결합한 배터리 용량은 대용량 배터리 팩에 상응한다.

복수의 충전 회로는 외부로부터 전원이 공급되는지를 감지하여 전원이 공급 되지 않는 경우 제어 신호로 로우를 출력한다(S106).

복수의 충전 회로가 로우 제어 신호를 일대일 대응되는 각각의 스위치 회로에 출력하면 복수의 스위치 회로는 복수의 소용량 배터리 팩의 전원 단자를 각각 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자에 연결한다(S107).

복수의 소용량 배터리 팩에 저장된 전원은 시스템에 공급된다(S108). 시스템은 복수의 소용량 배터리 팩에 저장된 전원 용량만큼 동작한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 배터리 팩으로 구성된 고속 배터리 충전 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

■ 배터리 팩(VBAT+)은 배터리의 총 용량을 여러 개의 소용량으로 나누어 구비된다. 도시된 바와 같이 Logic number가 n이므로 총 n개의 배터리 팩(VBAT+)이 구비되어 있다.

■ 충전 회로(Charger)는 배터리 팩(VBAT+)마다 배치되며 외부 전원(ADAP+)으로부터 배터리 팩(VBAT+)을 충전하기 위한 전류를 공급한다. 일반적으로 배터리 팩(VBAT+)마다 일대일 대응되어 배치되는 것이 바람직하지만 경우에 따라 하나의 충전 회(Charger)로가 복수의 배터리 팩(VBAT+)을 충전하도록 배치되는 것도 가능하다.

■ 제어신호 생성부(미도시)는 외부 전원(ADAP+)의 공급여부를 감지하여 외부 전원의 공급여부를 나타내는 제 1 제어신호, 및 제 1 제어신호와 반대인 제 2 제어신호를 출력한다. 제어신호 생성부에서 생성된 제 1 제어신호와 제 2 제어신호 는 제 1 스위칭부(메인 S/W)와 제 2 스위칭부(S/W)를 제어하는데 사용되며, 제어신호 생성부의 상세히 구성에 대해서는 이후 도 7에서 설명하기로 한다.

■ 제 1 스위칭부(메인 S/W)는 배터리 팩(VBAT+)마다 배치되어 배터리 팩(VBAT+)과 연결된 주변 회로를 스위칭한다. 기본적으로 두 가지 스위칭을 담당하는데, 첫 번째로 충전 회로(Charger)와 배터리 팩(VBAT+) 사이의 연결 라인을 스위칭하며, 두 번째로 배터리 팩(VBAT+)과 시스템 전원 공급 단자(VMAIN) 사이의 연결 라인을 스위칭한다.

따라서, 충전 회로와 배터리 팩(VBAT+)이 연결되면 배터리 팩(VBAT+)에 대한 충전이 이루어지며, 배터리 (VBAT+)팩과 시스템 전원 공급 단자가 연결되면 그동안 배터리 팩(VBAT+)에 충전된 전원이 시스템으로 공급된다. 각 스위칭 동작은 외부 제어에 의해 이루어지며 보다 자세한 구성에 대해서는 이후 도 8을 통해 설명하기로 한다.

■ 제 2 스위칭부(S/W)는 외부 전원(ADAP+)과 시스템 전원 공급 단자(VMAIN) 사이에 배치되어 외부 전원을 시스템으로 공급하는 연결 라인을 스위칭한다. 스위칭 동작은 외부 제어에 의해 이루어지며 자세한 내용은 이후 도 9를 통해 설명하기로 한다.

도 7은 도 6의 고속 배터리 충전 장치를 제어하기 위한 제어신호 생성부의 구성을 나타낸 블록도이다.

제어신호 생성부는 입력전압의 세기가 일정 기준치 이상인지를 체크할 수 있 는 전압디텍터와, 입력값의 반대값을 출력하는 인버터의 간단한 조합으로 구성된다.

전압디텍터는 외부 전원(ADAP+)을 2번 단자(VIN)를 통해 입력받아 전압의 세기가 일정 기준치 이상인지를 판별하며, 판별 결과값을 1번 단자(VOUT)로 출력한다. 예컨대, 외부 전원(ADAP+)을 통해 제공되는 전압이 4.5V 이상이면 외부 전원이 공급되는 것으로 판단하여 하이(High)를 출력하고 4.5V 보다 작으면 외부 전원이 공급되지 않는 것으로 판단하여 로우(Low)를 출력하도록 설정할 수 있다. 그리고 이 출력값은 외부적으로는 제 1 스위칭부(메인 S/W)를 제어하는 제 1 제어신호(CTL1)로서 출력된다.

위 예에서는 외부 전원이 공급되는 것으로 판별된 경우에 제 1 제어신호값으로 하이(High)를 출력하고 외부 전원이 공급되지 않는 것으로 판별된 경우에 반대값인 로우(Low)를 출력하는 것을 예로 들었으나, 이와는 반대로 설정하는 것도 가능하다. 또한, 각 레벨을 구분할 수 있는 두 종류의 신호이면 이를 통해 외부 전압의 공급 유무를 나타내는 신호로 사용할 수 있다.

그러나, 설명의 편의를 위해 앞으로의 도 14까지의 설명에 있어서는 외부 전원이 공급되는 경우에 제 1 제어신호(CTL1)로 하이(High)가 출력되고 외부 전원이 공급되지 않는 경우에 제 1 제어신호(CTL1)로 로우(Low)가 출력되도록 설정된 위의 예를 기준으로 설명하기로 한다.

인버터는 2번 단자(IN)을 통해 제 1 제어신호(CTL1)를 입력받아 4번 단자(OUT)을 통해 제 1 제어신호(CTL1)의 반대 신호를 출력한다. 그리고, 이 출력값 은 외부적으로는 제 1 스위칭부(메인 S/W)와 제 2 스위칭부(S/W)를 제어하는 제 2 제어신호(CTL2)로서 출력된다. 따라서, 제 1 제어신호(CTL1)가 하이(High)인 경우에는 제 2 제어신호(CTL2)로서 로우(Low)가 출력되며, 제 1 제어신호(CTL1)가 로우(Low)인 경우에는 제 2 제어신호(CTL2)로서 하이(High)가 출력된다.

정리해보면, 제어신호 생성부의 제 1 제어신호 출력부는 외부 전원이 공급되는 경우에 하이(High)를 출력하고 외부 전원이 공급되지 않는 경우에 로우(Low)를 출력한다. 반대로 제어신호 생성부의 제 2 제어신호 출력부는 외부 전원이 공급되는 경우에 로우(Low)를 출력하고 외부 전원이 공급되지 않는 경우에 하이(High)를 출력한다.

도 8은 도 6에서 각 배터리 팩마다 구비되는 n개의 제 1 스위치부의 구성을 나타낸 블록도이다.

제 1 스위칭부(메인 S/W)는 배터리 팩(VBAT+)과 시스템 전원 공급 단자(VMAIN) 사이의 전기적인 연결을 스위칭하는 방전 스위칭부와, 충전 회로(CHG_VIN)와 배터리 팩(VBAT+) 사이의 전기적인 연결을 스위칭하는 충전 스위칭부로 구성된다. 그리고, 방전 스위칭부와 충전 스위칭부는 앞서 도 7에서 설명한 제 1 제어신호(CTL1)와 제 2 제어신호(CTL2)에 의해 각각 스위칭이 제어된다.

방전 스위칭부는 배터리 팩(VBAT+)과 연결된 입력단자(7, 8번 단자), 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)과 연결된 출력단자(1번 단자), 제어신호 생성부로부터 제 1 제어신호(CTL1)를 입력받는 제어단자(2번 단자), 그리고 각 단자와 연결되어 스위 칭 동작을 수행하는 FET 회로로 구성된다.

방전 스위칭부의 FET 회로는 제어단자(2번 단자)로 로우(Low)가 입력되면 입력단자(7, 8번 단자)와 출력단자(1번 단자)를 연결해준다. 그리고, 제어단자에 하이(High)가 입력되면 입력단자(7, 8번 단자)와 출력단자(1번 단자)의 연결을 오프시킨다. 따라서, 외부 전원이 공급되지 않는 경우에 배터리 팩(VBAT+)이 방전되어 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)로 전류가 공급되는 효과를 가져온다.

이후의 설명에서는 충전 스위칭부와 제 2 스위칭부에서 사용되는 FET 회로는 모두 제어단자에 로우(Low)가 입력되면 양쪽 단자를 전기적으로 연결하고 하이(High)가 입력되면 양쪽 단자를 오프시키도록 스위칭하는 FET(field-effect transistor)를 사용하는 것을 가정하여 설명하기로 한다.

충전 스위칭부는 충전 회로(CHG_VIN)와 연결된 입력단자(5, 6번 단자), 배터리 팩(VBAT+)과 연결된 출력단자(3번 단자), 제어신호 생성부로부터 제 2 제어신호(CTL2)를 입력받는 제어단자(4번 단자), 그리고 각 단자와 연결되어 스위칭 동작을 수행하는 FET 회로로 구성된다.

충전 스위칭부의 FET 회로는 방전 스위칭부의 FET 회로와 같은 형태로 구성되어 있으므로 내부적으로는 같은 동작을 보인다. 즉, 충전 스위칭부의 FET 회로는 제어단자(4번 단자)로 로우(Low)가 입력되면 입력단자(5, 6번 단자)와 출력단자(3번 단자)를 연결해준다. 그리고, 제어단자에 하이(High)가 입력되면 입력단자(5, 6번 단자)와 출력단자(3번 단자)의 연결을 오프시킨다.

그러나, 제어단자(4번 단자)로 제 1 제어신호와 반대되는 제 2 제어신호가 입력되므로, 외부 전원이 공급될 경우에는 제 2 제어신호가 로우(Low)가 되어 충전 회로(CHG_VIN)가 배터리 팩(VAT+)을 충전하는 효과를 가져온다.

도 9는 도 6의 제 2 스위치부의 구성을 나타낸 블록도이다.

제 2 스위칭부는 외부 전원(ADAP+)과 연결된 입력단자(3번 단자), 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)와 연결되는 출력단자(2번 단자), 제어신호 생성부로부터 제 2 제어신호(CTL2)를 입력받는 제어단자(1번 단자), 그리고 각 단자와 연결되어 스위칭 동작을 수행하는 FET 회로로 구성된다.

제 2 스위칭부의 FET 회로는 앞서 설명한 충전 스위치부 및 방전 스위치부의 FET 회로와 기본적으로 같은 구성을 갖는다. 그리고, 제어신호로서 제 2 제어신호(CTL2)를 입력받으므로 제어동작에 있어서는 충전 스위칭부와 동일한 제어동작을 보이게 된다.

즉, 제 2 제어신호(CTL2)가 로우(Low)로 입력되어 외부 전원이 공급됨을 알리면 외부 전원(ADAP+)과 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)가 연결되므로 외부 전원이 시스템으로 공급되는 효과를 가져온다. 그리고 제 2 제어신호(CTL2)가 하이(High)로 입력되면 양쪽 단자 사이의 연결이 차단되므로 미세한 외부 전원이라도 시스템으로 공급되지 않는 효과를 가져온다.

도 10은 도 6에서 n = 3 인 경우의 고속 배터리 충전 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 이 경우에는 전체 배터리 용량을 균등하게 3등분한 3개의 소용량 충전 가능 배터리 팩으로 구성되며, 각각의 배터리 팩에는 충전 회로(Charger 1 ~ 3)가 구비되어 동시에 충전이 가능하므로 단일 배터리 팩을 충전하는 경우에 비해 고속으로 충전이 이루어진다.

그 밖에 3개의 제 1 스위치부(S/W 1 ~ 3)와 1개의 제 2 스위치부(S/W 4)가 구비되어, 외부 전원의 공급 여부에 따라 미도시된 제어신호 생성부에 의해 배터리 팩의 충전과 방전 및 외부 전원의 시스템 공급을 스위칭하는 것이 제어된다.

도 11은 도 6 ~ 도 9에서 아답터를 삽입하지 않아 외부 전원이 공급되지 않는 경우의 전체적인 제어 동작의 실시예를 나타낸 예시도이다.

도 11의 우측 그림에는 외부 전원의 세기를 감지하여 2개의 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부가 도시되어 있다. 제어신호 생성부는 외부 전원이 공급되지 않는 경우에는 제 1 제어신호(CTL1)를 로우(Low)로 출력하며 제 2 제어신호(CTL2)는 하이(High)로 출력한다.

도 11의 좌측 상단 그림에는 배터리 팩(VBAT+)의 충전과 방전을 스위칭하는 제 1 스위칭부가 도시되어 있다. 제 1 제어신호(CTL1)가 로우(Low)이므로 배터리 팩은 방전되어 시스템(VMAIN)으로 전류를 공급하며, 제 2 제어신호(CTL2)는 하이(High)이므로 배터리 팩으로 충전은 이루어지지 않는다.

도 11의 좌측 하단 그림은 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)로 전원을 공급하기 위해 스위칭되어 연결된 경로를 도시하고 있다. 외부 전원이 공급되지 않는 경우이므로 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)가 배터리 팩(VBAT+)과 연결되며, 외부 전원과 는 연결되지 않음을 알 수 있다.

도 12는 도 6 ~ 도 9에서 아답터를 삽입하여 외부 전원이 공급되는 경우의 전체적인 제어 동작의 실시예를 나타낸 예시도이다.

도 12의 우측 그림에는 외부 전원의 세기를 감지하여 2개의 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부가 도시되어 있다. 제어신호 생성부는 외부 전원이 공급되는 경우에 제 1 제어신호(CTL1)를 하이(High)로 출력하며 제 2 제어신호(CTL2)는 로우(Low)로 출력한다.

도 12의 좌측 상단 그림에는 배터리 팩(VBAT+)의 충전과 방전을 스위칭하는 제 1 스위칭부가 도시되어 있다. 제 1 제어신호(CTL1)는 하이(High)이므로 배터리 팩(VBAT+)의 방전은 이루어지지 않으며, 제 2 제어신호(CTL2)가 로우(Low)이므로 충전 회로(CHG_VIN)로부터 배터리 팩(VBAT+)에 대한 충전이 이루어진다.

도 12의 좌측 하단 그림은 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)로 전원을 공급하기 위해 스위칭되어 연결된 경로를 도시하고 있다. 외부 전원이 공급되는 경우이므로 시스템 전원 공급 단자(VMAIN)가 외부 전원(ADAP+)과 연결되며, 배터리 팩(VBAT+)과는 연결되지 않음을 알 수 있다.

도 13은 4개의 듀얼 FET 칩을 사용하여 3배속으로 충전하는 고속 배터리 충전 장치의 전체 구성을 나타낸 예시도이다.

기본적인 전체 구성은 도 10에 도시한 n = 3 인 경우의 고속 배터리 충전 장 치의 구성과 동일하며, 도 13에는 듀얼 FET 칩을 이용한 각 스위칭부의 실제 구현예를 추가하였다. 구현 방식에 따라 듀얼 FET 칩을 사용하는 대신 7개의 싱글 FET 칩을 사용하여 구현하는 것도 가능하며, 싱글 FET 칩 및 듀얼 FET 칩 등을 적절히 조합하여 구성하는 것도 가능하다.

도 13의 좌측 하단 그림은 Logic number가 3인 경우의 고속 배터리 충전 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이며, 도 13의 우측 3개의 그림은 각 배터리 팩(VBAT+)의 충전 및 방전을 스위칭하는 제 1 스위칭부를 듀얼 FET 칩으로 구현한 예를 나타내고 있다.

도 13의 좌측 상단 그림은 듀얼 FET 칩을 이용하여 외부 전원(ADAP+)의 시스템 공급(VMAIN)을 스위칭하는 제 2 스위칭부를 구현한 예를 나타내고 있다. 이 경우에는 듀얼 FET 칩의 절반만을 사용하게 된다.

제 1 제어신호로 하이(High)가 입력되고 제 2 제어신호로 로우(Low)가 입력되어 배터리 팩의 충전이 이루어지기 시작하면 3개의 배터리 팩이 동시에 충전되기 시작하므로, 전체 배터리 팩의 용량과 동일한 단일 배터리 팩을 충전하는 경우에 비해서 약 3배의 충전속도로 충전이 이루어지는 효과를 가져오게 된다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고속 배터리 충전 방법의 전체 동작과정을 나타낸 순서도이다.

먼저, 외부 전원으로 들어오는 입력전압을 감지한다(ST10).

그리고, 외부 전원을 통해 들어오는 입력 전압과 미리 설정된 기준치를 비교 하여 현재 외부 전원이 공급되는 것으로 볼 수 있는지를 판단한다(ST20). 예컨대, 입력 전압이 4.5V 이상이면 외부 전원이 공급되는 것으로 판단하고, 그렇지 않은 경우에는 외부 전원이 공급되지 않는 것으로 판단할 수 있다.

여기서, 외부 전원의 공급여부를 판단 기준으로 4.5V를 제시하였으나 실제로는 배터리 팩의 최대 충전전압을 초과하는 전압을 비교기준으로 설정하면 외부 전원의 공급여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 리튬이온 배터리의 경우 최대 충전전압이 4.2V이므로 외부 전원을 판별하는 입력 전원의 레벨은 4.2V를 초과하는 전압이면 된다. 즉, 4.3V 이상이 되면 외부전원의 유무를 확실하게 구분할 수 있으며 여기에서는 편의상 4.5V를 기준전압으로 제시하였다.

위의 판단결과 외부 전원이 공급되는 경우에는 전압센서에서 하이(High)를 출력한다. 그리고, 하이(High)인 제어신호를 생성하는데 이를 제 1 제어신호(CTL1)로 부르기로 한다(ST30). 또한, 인버터를 통해 제 1 제어신호에 대한 반대값인 제 2 제어신호(CTL2)를 생성하는데 이 경우에는 로우(Low)를 생성한다(ST40).

그러나, 외부 전원이 공급되지 않는 것으로 판단된 경우에는 전압센서에서 로우(Low)를 출력하며, 제 1 제어신호(CTL1)는 로우(Low)를 생성하고(ST60), 제 2 제어신호(CTL2)로는 하이(High)를 생성하게 된다(ST70).

이처럼 외부 전원의 공급여부를 판단한 결과에 따라 생성된 두 종류의 제어신호를 통해 각 스위치의 연결이 제어된다. 각 제어신호가 어떤 값을 보이느냐에 따라 아래와 같은 두 가지 경우의 제어동작이 이루어진다.

(1) 먼저, 외부 전원이 공급되는 것으로 판단되어 제 1 제어신호로 하 이(High)가 생성되고 제 2 제어신호로 로우(Low)가 생성된 경우의 스위치 제어는 다음과 같이 이루어진다(ST50).

이 경우에, 배터리 팩과 시스템 전원 공급 단자의 연결을 오프시키며, 따라서 각 배터리 팩들간의 연결이 끊어진다.

또한, 외부 전원과 시스템 전원 공급 단자를 연결시켜서 외부 전원 공급에 의해 시스템이 동작하도록 제어된다.

또한, 충전 회로와 배터리 팩을 연결시킴으로써 배터리 팩이 충전되기 시작한다.

(2) 외부 전원이 공급되지 않는 것으로 판단되어 제 1 제어신호(CTL1)로 로우가 생성되고 제 2 제어신호(CTL2)로 하이가 생성된 경우의 스위치 제어는 다음과 같이 이루어진다(ST80).

이 경우에는, 배터리 팩과 시스템 전원 공급 단자를 연결시킴으로써 배터리 팩에 충전된 전기가 시스템으로 공급된다. 따라서, 시스템의 입장에서는 배터리 팩들이 연결되어 마치 하나의 대용량 배터리로부터 전원을 공급받는 효과를 가져온다.

또한, 외부 전원과 시스템의 연결을 오프시켜서 미세한 외부 전원이라도 시스템으로 공급되는 것을 차단하며, 외부 전원이 없으므로 충전 회로도 동작하지 않게 된다.

또한, 충전 회로와 배터리 팩의 연결을 오프시키므로 배터리 팩에 대한 충전이 이루어지지 않는다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치의 충전 회로에서 소용량 배터리 팩을 충전하고 시스템에 전원을 공급할 때를 보인 블록도,

도 2는 도 1의 고속 배터리 충전 장치의 충전 회로에서 소용량 배터리 팩을 충전하고 시스템에 전원을 공급할 때의 등가 회로를 보인 도면,

도 3은 본 발명에 따른 고속 배터리 충전 장치에서 외부로부터 전원이 공급되지 않을 경우 복수의 소용량 배터리 팩에서 시스템에 전원을 공급하는 예를 보인 도면,

도 4는 도 3의 고속 배터리 충전 장치에서 외부로부터 전원이 공급되지 않을 경우 복수의 소용량 배터리 팩에서 시스템에 전원을 공급할 때의 등가 회로를 보인 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고속 배터리 충전 방법의 동작 흐름도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 n개의 배터리 팩으로 구성된 고속 배터리 충전 장치의 구성을 나타낸 블록도,

도 7은 도 6의 고속 배터리 충전 장치를 제어하기 위한 제어신호 생성부의 구성을 나타낸 블록도,

도 8은 도 6에서 각 배터리 팩마다 구비되는 n개의 제 1 스위치부의 구성을 나타낸 블록도,

도 9는 도 6의 제 2 스위치부의 구성을 나타낸 블록도,

도 10은 도 6에서 n = 3 인 경우의 고속 배터리 충전 장치의 구성을 나타낸 블록도,

도 11은 도 6 ~ 도 9에서 아답터를 삽입하지 않아 외부 전원이 공급되지 않는 경우의 전체적인 제어 동작의 실시예를 나타낸 예시도,

도 12는 도 6 ~ 도 9에서 아답터를 삽입하여 외부 전원이 공급되는 경우의 전체적인 제어 동작의 실시예를 나타낸 예시도,

도 13은 4개의 듀얼 FET 칩을 사용하여 3배속으로 충전하는 고속 배터리 충전 장치의 전체 구성을 나타낸 예시도,

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고속 배터리 충전 방법의 전체 동작과정을 나타낸 순서도이다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 복수의 소용량 배터리 팩을 충전하는 충전 회로와, 상기 복수의 소용량 배터리 팩에 대해 충방전을 제어하는 스위치 회로로 구성되어 복수의 소용량 배터리 팩을 충전하는 고속 배터리 충전 방법에 있어서,

   상기 스위치 회로가 상기 충전 회로로부터의 전원 공급 여부를 감지하는 단계;

   상기 충전 회로로부터 전원이 공급되는 경우 상기 충전 회로의 출력 단자를 상기 소용량 배터리 팩의 전원 단자에 스위칭 연결하는 단계; 및

   상기 충전 회로로부터 전원이 공급되지 않는 경우 공통 연결된 시스템 전원 공급 단자에 상기 소용량 배터리 팩의 전원 단자를 스위칭 연결하는 단계;

   를 포함하여 구성되는 고속 배터리 충전 방법.
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