KR101065974B1 - 이차 전지의 제어 회로 - Google Patents

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Abstract

이차 전지의 대전류 라인을 흐르는 충전 전류 및 방전 전류를 모두 측정하여 이차 전지의 충방전을 제어할 수 있는 이차 전지의 제어 회로가 개시된다.
일 예로, 측정된 대전류 라인의 전류를 A/D 컨버터가 신호 변환하고, 마이컴이 연산하여 이차 전지의 충방전을 제어하는 회로에 있어서, 상기 대전류 라인에 전기적으로 연결되어, 상기 대전류 라인의 전류에 대응하는 측정 전압값을 제공하는 측정부와, 상기 측정부에 병렬로 연결되어, 상기 측정값의 레벨을 시프트하여 상기 A/D 컨버터에 전달하는 레벨 시프트부를 포함하는 이차 전지의 제어 회로가 개시된다.
이차 전지, 충전, 방전, A/D 컨버터, 극성, 레벨 시프트

Description

이차 전지의 제어 회로{Control Circuit of Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지의 제어 회로에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 전자기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차 전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이온 전지 등이 있다. 이들 중에서, 리튬 이온 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 배터리 팩 형태로 형성될 수 있으며, 배터리 팩은 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 캔, 캔을 밀봉하는 캡조립체를 포함하는 배터리 셀; 보호회로 소자를 포함하며, 배터리 셀에 결합되는 회로 모듈; 및 회로 모듈을 덮는 커버로 이루어진다. 특히, 회로 모듈은 이차 전지 동작의 안정성을 보장하기 위해서, 과충전 및 과전류가 이루어지지 않도록 충방전을 제어할 것이 요구된다.
이차 전지의 대전류 라인을 흐르는 충전 전류 및 방전 전류를 모두 측정하여 이차 전지의 충방전을 제어할 수 있는 이차 전지의 제어 회로가 개시된다.
본 발명에 따른 이차 전지의 제어 회로는 측정된 대전류 라인의 전류를 A/D 컨버터가 신호 변환하고, 마이컴이 연산하여 이차 전지의 충방전을 제어하는 회로에 있어서, 상기 대전류 라인에 전기적으로 연결되어, 상기 대전류 라인의 전류에 대응하는 측정 전압값을 제공하는 측정부; 및 상기 측정부에 병렬로 연결되어, 상기 측정값의 레벨을 시프트하여 상기 A/D 컨버터에 전달하는 레벨 시프트부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정부는 충전과 방전시에 각각 극성이 반대인 상기 측정 전압값을 출력할 수 있다.
그리고 상기 측정부는 상기 대전류 라인에 직렬로 연결된 저항일 수 있다.
또한, 상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 선형으로 레벨 시프트할 수 있다.
또한, 상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 모두 (+) 극성으로 레벨 시프트할 수 있다.
또한, 상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 기준 전압값과 비교하여 증 폭하는 증폭기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 기준 전압값과 비교하여 증폭하는 연산 증폭기(op-amp)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 레벨 시프트부는 포지티브 피드백(positive feedback)을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 측정부와 레벨 시프트부의 사이에는 상기 측정부의 측정 전압값을 증폭하여 상기 레벨 시프트부에 입력하는 증폭부가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 증폭부는 연산 증폭기(op-amp)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 증폭부는 포지티브 피드백(positive feedback)을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 이차 전지의 제어 회로는 측정부가 측정한 대전류 라인의 방전 전류 및 충전 전류를 레벨 시프트부가 선형으로 레벨 시프트하여 부호가 모두 (+)가 되도록 변환하여 A/D 컨버터에 인가함으로써, 마이컴이 방전 전류 및 충전 전류를 모두 용이하게 제어하도록 할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명 하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로는 충방전 전류 측정 회로(100)를 포함한다. 또한, 상기 충방전 전류 측정부(100)는 A/D 컨버터(200)에 연결될 수 있다.
상기 충방전 전류 측정 회로(100)는 대전류 라인(CL)에 연결된 측정부(110), 상기 측정부(110)에 연결된 증폭부(120), 상기 증폭부(120)에 연결된 레벨 시프트부(130)를 포함한다.
상기 측정부(110)는 대전류 라인(CL)에 직렬로 연결된다. 상기 측정부(110)는 상기 대전류 라인(CL)의 전류를 측정한다. 상기 측정부(110)는 션트 저항(shunt resistor, Rs)으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 션트 저항(Rs)은 상기 대전류 라인(CL)에 직렬로 연결된다. 따라서, 상기 션트 저항(Rs)의 양단에 걸리는 전압은 상기 대전류 라인(CL)의 전류값에 비례하게 되며, 상기 션트 저항(Rs)의 저항값을 이미 알고 있으므로, 양단 전압을 통해 상기 대전류 라인(CL)의 전류값을 측정할 수 있다.
한편, 상기 션트 저항(Rs)의 일단은 접지에 연결되며, 나머지 타단은 상기 증폭부(120)에 연결된다. 따라서, 상기 증폭부(120)에 연결된 타단의 전압을 상기 증폭부(120)에 입력 전압(Vi)으로 입력한다.
그리고 상기 입력 전압(Vi)의 극성은 상기 대전류 라인(CL)에 흐르는 전류의 방향에 따라 변하게 된다. 즉, 상기 대전류 라인(CL)에 흐르는 전류가 방전 전류(①)인 경우, 상기 입력 전압(Vi)의 극성은 (+)가 된다. 반면, 상기 대전류 라인(CL)에 흐르는 전류가 충전 전류(②)인 경우, 상기 입력 전압(Vi)의 극성은 (-)가 된다.
상기 증폭부(120)는 상기 측정부(110)에 전기적으로 연결된다. 상기 증폭부(120)는 상기 측정부(110)의 입력 전압(Vi)을 인가받아 증폭하여 제 1 전압값(V1)을 출력한다.
상기 증폭부(120)는 상기 션트 저항(Rs)에 연결되어 입력 전압(Vi)을 인가받는 제 1 증폭기(amp1), 상기 제 1 증폭기(amp1)에 피드백을 구성하는 제 1 저항(R1) 및 제 2 저항(R2)을 포함한다.
이 때, 상기 제 1 증폭기(amp1)는 상기 션트 저항(Rs)의 입력 전압(Vi)이 (+)단자에 연결된 연산 증폭기(op-amp)일 수 있다. 이 경우, 계산의 편의를 위해 상기 연산 증폭기는 이상적인 것으로 가정한다. 또한, 상기 제 1 저항(R1) 및 제 2 저항(R2)이 구성하는 피드백은 상기 제 1 증폭기(amp1)의 (-)단자로 연결된 포지티브 피드백(positive feedback)일 수 있다.
이 경우, 입력 전압(Vi)과 상기 증폭부(120)를 통과하여 출력되는 제 1 전압(V1)의 관계식은 다음과 같다.
[수식 1]
Figure 112009066993916-pat00001
즉, 상기 수식 1에서 보듯이, 상기 증폭부(120)는 입력 전압(Vi)을 (1+(R2/R1))배로 증폭하여 제 1 전압(V1)을 출력한다.
상기 레벨 시프트부(130)는 상기 제 1 전압(V1)을 입력받아 상기 제 1 전압(V1)의 레벨을 시프트한다. 상기 레벨 시프트부(130)는 상기 제 1 전압(V1)의 극성을 모두 (+)로 변환한다. 보다 상세히 설명하면, 상기 제 1 전압(V1)은 상기 입력 전압(Vi)을 증폭한 값이므로, 상기 입력 전압(Vi)과 동일하게 (+) 또는 (-)의 극성을 갖는다. 반면, 상기 레벨 시프트부(130)의 출력단에 연결된 A/D 컨버터(200)는 (+)극성의 값만을 입력받을 수 있다. 따라서, 상기 레벨 시프트부(130)는 상기 A/D 컨버터(200)에 인가될 수 있도록 상기 제 1 전압(V1)의 극성을 모두 (+)로 변환한다.
상기 레벨 시프트부(130)는 기준 전압원(Vs), 상기 기준 전압원(Vs)과 상기 증폭부(120)의 출력 노드 사이에 직렬로 연결된 제 3 저항(R3) 및 제 4 저항(R4), 상기 제 3 저항(R3)과 제 4 저항(R4)의 사이의 노드가 (+)입력 단자에 연결된 제 2 증폭기(amp2), 상기 제 2 증폭기(amp2)에 피드백을 구성하는 제 5 저항(R5) 및 제 6 저항(R6)을 포함한다.
상기 기준 전압원(Vs)은 별도의 전원을 통해 공급된다. 상기 기준 전압원(Vs)은 직류의 기준 전압값(Vs)을 공급한다.
상기 제 3 저항(R3) 및 제 4 저항(R4)은 상기 기준 전압원(Vs)과 상기 제 1 전압(V1)을 출력하는 상기 증폭부(120)의 출력 노드 사이에 직렬로 연결된다. 이 때, 상기 제 3 저항(R3)과 제 4 저항(R4)의 접점에서의 전압을 제 2 전압(V2)이라 하면, 상기 제 1 전압(V1)과 제 2 전압(V2)의 관계식은 다음과 같다.
[수식 2]
Figure 112009066993916-pat00002
상기 수식 2에서 확인할 수 있듯이, 상기 제 2 전압(V2)은 상기 제 1 전압(V1)을 선형으로 변형하였음을 알 수 있다. 또한, 상기 수식 1을 대입하여 상기 수식 2를 더 정리하면, 상기 입력 전압(Vi)과 제 2 전압(V2)의 관계식은 다음과 같다.
[수식 3]
Figure 112009066993916-pat00003
결국, 상기 제 2 전압(V2)은 상기 입력 전압(Vi)을 선형 이동 즉, 상기 입력 전압(Vi)을 (R3/(R3+R4))(1+(R2/R1))배로 스케일링하고, (R4/(R3+R4))Vs 값으로 수직 이동시킨 것임을 알 수 있다.
상기 제 2 증폭기(amp2)는 상기 제 2 전압(V2)을 (+)단자를 통해 입력받는다. 상기 제 2 증폭기는 상기 제 1 증폭기와 마찬가지로 연산 증폭기일 수 있으며, 계산의 편의를 위해 이상적인 것으로 가정한다. 또한, 상기 제 5 저항(R5)과 제 6 저항(R6)은 상기 제 2 증폭기(amp2)의 (-)단자에 연결된 포지티브 피드백을 구성할 수 있다.
상기 제 2 증폭기(amp2)는 상기 제 2 전압원(V2)을 증폭하여 출력 전압(Vo)을 출력한다. 이 때, 상기 제 2 전압(V2)과 출력 전압(Vo)은 다음의 관계식으로 정리될 수 있다.
[수식 4]
Figure 112009066993916-pat00004
또한, 이 때, 상기 수식 4의 V2에 수식 3을 대입하면, 상기 출력 전압(Vo)과 입력 전압(Vi)의 관계식은 다음과 같다.
[수식 5]
Figure 112009066993916-pat00005
즉, 상기 수식 5에서 확인하듯이, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압(Vi)을 (R3*(R1+R2)*(R5+R6))/(R1*R5*(R3+R4))배로 스케일링(scaling)하고, (R4*(R5+R6))/(R5*(R3+R4))*Vs만큼 수직이동시킨 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압을 선형으로 변형시켜서 형성된다. 따라서, 상기 레벨 시프트(130)는 상기 저항들(R1 내지 R6)의 저항값 및 상기 기준 전압값(Vs)의 설정에 따라 입력 전압(Vi)을 레벨 시프트할 수 있으며, 상술한 바와 같이, 상기 입력 전압(Vi)이 (-)극성을 갖는 경우라도 상기 A/D 컨버터(200)에 입력될 수 있는 (+)극성을 갖도록 시프트할 수 있다.
상기 A/D 컨버터(200)는 상기 레벨 시프트(130)에 연결된다. 상기 A/D컨버터(200)는 상기 레벨 시프트(130)의 출력 전압(Vo)을 입력받고, 상기 출력 전압(Vo)을 디지털 신호로 변환한다. 또한, 상기 A/D 컨버터(200)는 상기 디지털 신호를 마이컴(MICOM, 미도시)에 인가하여, 상기 마이컴이 대전류 라인의 충방전 전류를 제어할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로에서 레벨 시프트 동작을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 레벨 시프트 동작 을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 입력 전압(Vi)에 대한 출력 전압(Vo)의 관계가 그래프로 도시되어 있다. 여기서, 상기 도 2의 그래프는 상기 수식 5의 관계식에 의한 그래프이다.
상술한 바와 같이, 상기 대전류 라인(CL)의 전류가 방전 전류(①)인 경우, 션트 저항(Rs)에서 측정된 입력 전압(Vi)은 (+)의 극성을 갖게 되며, 도 2의 그래프에서 1사분면 또는 4사분면을 차지한다. 또한, 상기 대전류 라인(CL)의 전류가 충전 전류(②)인 경우, 상기 입력 전압(Vi)은 (-)의 극성을 갖게 되며, 도 2의 그래프에서 2사분면 또는 3사분면을 차지한다.
한편, 상기 충방전 전류 측정 회로(100)를 통과한 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압(Vi)을 선형으로 이동시킨다. 이 때의 기울기는 (R3*(R1+R2)*(R5+R6))/(R1*R5(R3+R4))이며, y절편은 (R4*(R5+R6))/(R5*(R3+R4))*Vs이 된다. 따라서, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압(Vi)의 측정 범위(Vmin 내지 Vmax) 내에서 1사분면과 2사분면을 차지하도록 레벨 시프트된다.
결국, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압(Vi)의 부호에 관계없이 모든 입력 전압(Vi)의 측정 범위(Vmin 내지 Vmax)에 대해 양의 부호를 갖도록 레벨 시프트된다. 따라서, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 A/D 컨버터(200)에 입력될 수 있다.
이하에서는 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로에서 레벨 시프트 동작의 구체적인 일 예를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 레벨 시프트 동작 중 일 예를 도시한 그래프이다.
도 3은 입력 전압(Vi)의 측정 범위가 최소값(Vmin) -2.5[V] 내지 최대값(Vmax) 2.5[V]인 경우를 예정한 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로에서 충방전 전류 측정 회로(100)를 구성하는 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)의 저항값을 동일하게 설정하고, 제 3 저항(R3)과 제 4 저항(R4)을 동일하게 설정하였다. 또한, 제 6 저항(R6)을 단락시켜 상기 제 2 증폭기(amp2)가 전압 폴로워(voltage follower)가 되도록 설정하였으며, 기준 전압값(Vs)을 5[V]로 예정하였다.
이러한 조건에서, 상기 수식 5는 다음과 같이 간략화된다.
[수식 6]
Figure 112009066993916-pat00006
따라서, 상기 출력 전압(Vo)은 상기 입력 전압(Vi)에 대해 기울기가 1이고, y절편이 2.5인 1차 함수로써 레벨 시프트될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로에 사용되는 충방전 전류 측정 회로(100)는 범위가 -2.5[V] 내지 2.5[V]인 입력 전압(Vi)을 0[V] 내지 5[V]인 출력 전압(Vo)으로 레벨 시프트하여, A/D 컨버터(200)에 인가할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로는 측정부(110)가 측정한 대전류 라인(CL)의 방전 전류 및 충전 전류를 레벨 시프트부(130)가 선형으로 레벨 시프트하여 부호가 모두 (+)가 되도록 변환하여 A/D 컨버터(200)에 인가함으로써, 마이컴이 방전 전류 및 충전 전류를 모두 용이하게 제어하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 레벨 시프트 동작을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 제어 회로의 레벨 시프트 동작 중 일 예를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100; 충방전 전류 측정 회로 200; A/D 컨버터
CL; 대전류 라인 110; 측정부
Rs; 션트 저항 120; 증폭부
amp1; 제 1 증폭기 R1; 제 1 저항
R2; 제 2 저항 130; 레벨 시프트부
Vs; 기준 전압 공급부 R3; 제 3 저항
R4; 제 4 저항 amp2; 제 2 증폭기
R5; 제 5 저항 R6; 제 6 저항

Claims (11)

  1. 측정된 대전류 라인의 전류를 A/D 컨버터가 신호 변환하고, 마이컴이 연산하여 이차 전지의 충방전을 제어하는 회로에 있어서,
    상기 대전류 라인에 전기적으로 연결되어, 상기 대전류 라인의 전류에 대응하는 측정 전압값을 제공하는 측정부; 및
    상기 측정부에 병렬로 연결되어, 상기 측정값의 레벨을 시프트하여 상기 A/D 컨버터에 전달하는 레벨 시프트부를 포함하는 이차 전지의 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부는 충전과 방전시에 각각 극성이 반대인 상기 측정 전압값을 출력하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 대전류 라인에 직렬로 연결된 저항인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 선형으로 레벨 시프트하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 모두 (+) 극성으로 레벨 시프트하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 기준 전압값과 비교하여 증폭하는 증폭기로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레벨 시프트부는 상기 측정 전압값을 기준 전압값과 비교하여 증폭하는 연산 증폭기(op-amp)로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레벨 시프트부는 포지티브 피드백(positive feedback)을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부와 레벨 시프트부의 사이에는 상기 측정부의 측정 전압값을 증폭하여 상기 레벨 시프트부에 입력하는 증폭부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 증폭부는 연산 증폭기(op-amp)로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 증폭부는 포지티브 피드백(positive feedback)을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제어 회로.
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