KR101233324B1

KR101233324B1 - 대용량 충방전기 제어장치

Info

Publication number: KR101233324B1
Application number: KR1020110032905A
Authority: KR
Inventors: 남진원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-02-14
Also published as: KR20120115010A; CN102738846B; CN102738846A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법은 배터리 충전 초기 듀티를 제어하는 방법에 있어서, 상기 배터리로 공급되는 제1 전압을 센싱하는 단계; 상기 배터리 충방전 시작 시점의 상기 배터리 초기 전압인 제2 전압을 센싱하는 단계; 상기 배터리의 충전 경로를 형성하는 제1 스위치 및 상기 배터리의 방전 경로를 형성하는 제2 스위치 각각의 듀티를 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 비율에 따라 제어하는 단계를 포함하는 배터리 충전 제어 방법이다.

Description

대용량 충방전기 제어장치{CONTROLLING SYSTEM FOR MASS STORAGE CHARGER AND DISCHARGER AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 2차전지 충방전기 제어장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초기 충전시의 듀티를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 넷북(Netbook), 노트북 등의 휴대형 기기의 사용이 증가되고 있다. 휴대형 기기는 충방전이 가능한 2차전지로부터 전원을 공급받는다. 휴대형 기기에 사용되는 2차전지는 소형화, 저중량화와 함께 충전용량이 증대되어야 한다.

2차전지의 제조공정에서 2차전지의 충전용량을 증대시키기 위한 충방전 공정이 수행된다. 2차전지의 충방전 공정은 2차전지의 충전 및 방전을 반복하여 2차전지의 충전용량을 증대시키는 공정이다. 2차전지의 충방전 공정에서는 정해진 전류치를 얼마나 정밀하게 지속적으로 충전하고 방전해 줄 수 있는지가 가장 중요하다. 이를 위해, 2차전지의 충방전 공정에서 2차전지의 충방전 전류량을 얼마나 정확하게 센싱하고 제어할 수 있는지가 중요하다.

본 발명은 2차전지의 충방전 전류량을 정확하게 센싱하고 제어할 수 있는 제어기 및 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전 제어 방법은 배터리 충전 초기 듀티를 제어하는 방법에 있어서, 상기 배터리로 공급되는 제1 전압을 센싱하는 단계; 상기 배터리 충방전 시작 시점의 상기 배터리 초기 전압인 제2 전압을 센싱하는 단계; 상기 배터리의 충전 경로를 형성하는 제1 스위치 및 상기 배터리의 방전 경로를 형성하는 제2 스위치 각각의 듀티를 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 비율에 따라 제어하는 단계를 포함한다.

또한 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티를 제어하는 단계는, 상기 제1 스위치의 초기 듀티를 상기 제1 전압에 반비례하게 설정하고, 상기 제2 스위치의 초기 듀티를 상기 제2 전압에 반비례하게 설정하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 배터리는 충전되고, 상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 배터리는 방전되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 제2 스위치는 턴 오프 되고, 상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 제1 스위치는 턴 오프 되는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 스위치의 턴 온 기간과 상기 제2 스위치의 턴 온 기간을 합치면 상기 배터리의 충방전의 한 주기가 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전기는 공급되는 교류전압을 직류로 변환하는 컨버터, 배터리의 충전 경로를 형성하는 제1 스위치, 상기 배터리의 방전 경로를 형성하는 제2 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티를 제어하는 듀티 제어부를 포함하고, 상기 듀티 제어부는, 상기 배터리로 공급되는 제1 전압을 센싱하고, 배터리의 충방전 시작 시점의 상기 배터리 초기 전압인 제2 전압을 센싱하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 각각의 듀티를 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 비율에 따라 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 듀티 제어부는, 상기 제1 스위치의 초기 듀티를 상기 제1 전압에 반비례하게 설정하고, 상기 제2 스위치의 초기 듀티를 상기 제2 전압에 반비례하게 설정하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 배터리는 충전되고, 상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 배터리는 방전되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 제2 스위치는 턴 오프 되고, 상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 제1 스위치는 턴 오프 되는 것을 특징으로 하며, 제1 스위치의 턴 온 기간과 상기 제2 스위치의 턴 온 기간을 합치면 상기 배터리의 충방전의 한 주기가 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 충방전기의 충전시에 2차전지의 초기 전압에 의한 역전류 및 응답 지연을 방지하여 초기 오차에 의한 영향을 줄일 수 있는 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 충방전기를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 듀티 제어부의 일부를 간략히 도시한 것이다.
도 3은 충전시 듀티 제어부의 스위치를 제어하는 스위칭 파형을 도시한 것이다.
도 4는 방전시 듀티 제어부의 스위치를 제어하는 스위칭 파형을 도시한 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 2차전지 충방전기는 듀티 제어부(200) 및 컨버터(300)를 포함한다. 2차전지(500)는 충방전기에 연결되어 있다.

컨버터(300)는 입력되는 3상 교류 전원을 2차전지의 충방전에 적합한 출력 전압으로 변환한다. 컨버터(300)는 일반적으로 1개의 AC/DC 컨버터와 1개의 DC/DC 컨버터를 포함하며, 1차적으로 교류를 직류로 변환한 후, 직류를 다시 필요한 크기의 직류로 변환한다.

듀티 제어부(200)는 컨버터(300)의 동작을 제어하는 스위치들의 스위칭 동작을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation)신호(PWM)를 생성한다.

구체적으로, 듀티 제어부(200)는 컨버터에 입력되는 3상 교류 입력을 직류로 전파 정류하는 스위치들의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호를 생성한다. 또한, 듀티 제어부(200)는 컨버터(300)의 출력 전압에 따라 전파 정류된 직류를 충방전에 적합한 출력 전압으로 변환하는 스위치의 PWM 신호를 생성한다.

듀티 제어부(200)는 컨버터(300)에서 출력되는 직류전압(V1) 및 2차전지(500)에 저장되어 있는 초기전압(V2)을 센싱한다.

도 2를 참조하면, 컨버터(300)는 제1 스위치(Q1), 제2 스위치(Q2) 및 인덕터(L)를 포함하며, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)를 교대로 턴 온 및 턴 오프 되도록 제어하여 커패시터(C)의 충전 및 방전을 제어한다.

충전을 하는 경우, 제1 스위치(Q1)가 턴 온 되면, 제2 스위치(Q2)는 턴 오프 되어, 도 2의 ①의 경로로 흐르는 충전전류(Ic)가 증가한다. 따라서, 인덕터(L)로 흐르는 전류가 증가되어, 2차전지(500)에 시간당 충전되는 전압이 증가한다. 제1 스위치(Q1)가 턴 오프 되면, 제2 스위치(Q2)는 턴 온 되어, 도 2의 ①의 경로로 흐르는 충전전류(Ic)가 감소한다. 따라서, 인덕터(L)로 흐르는 전류가 감소되어, 2차전지(500)에 시간당 충전되는 전압이 감소한다.

제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)는 n채널 타입의 MOSFET으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, pMOS 또는 동등한 기능을 갖는 어떠한 스위치로도 구성이 가능한 것은 당업자에게 자명하다.

도 3은 충전시 듀티 제어부의 스위치를 제어하는 스위칭 파형을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 듀티 제어부(200)는 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 듀티를 제어하여, 2차전지(500)를 충전하기 위해 인덕터(L)에 흐르는 충전 전류(Ic)의 양을 조절한다.

2차전지(500)를 충전시키기 위한 적정 전류는 미리 설정되어 있으며, 이를 충전 기준 전류(I_REFC)라 한다.

충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC)에 도달하는 기간을 충전 초기기간(Tc)이라 하며, 충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC)에 도달하면, 충전 초기기간(Tc)은 종료된다.

충전 초기기간(Tc)동안 제1 스위치(Q1)과 제2 스위치(Q2)는 각각의 충전 초기 듀티(QI1, QI2)에 따라 상술한 바와 같이 턴 온 및 턴 오프를 반복하며 충전 전류(Ic)를 증가시킨다.

충전 초기기간(Tc)이 종료되면, 충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC)에 도달한 후 충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC )를 초과하면 제1 스위치(Q1)는 턴 오프 되고, 제2 스위치(Q2)는 턴 온 된다.

제1 스위치(Q1)가 턴 오프 되고, 제2 스위치(Q2)가 턴 온 되면, 상술한 바와같이 충전 전류(Ic)는 감소하고, 충전 전류(Ic)가 감소함에 따라 충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC)에 도달한다. 충전 전류(Ic)가 충전 기준 전류(I_REFC)보다 작아지면, 제1 스위치(Q1)는 다시 턴 온 되고, 제2 스위치(Q2)는 다시 턴 오프 된다.

이렇게 충전 초기기간(Tc)이 종료되면, 충전 전류(Ic)는 상술한 바와 같이 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 턴 온 및 턴 오프를 반복함에 따라, 충전 기준 전류(I_REFC)로 유지되게 된다.

종래에는 충전 초기기간(Tc)에서, 제1 스위치(Q1)의 듀티(QI1)과 제2 스위치(Q2)의 듀티(Q2)는 임의로 설정하였으나, 본 발명의 실시예에서는, 하기의 수학식에 따라 충전 초기기간(Tc)에서의 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)의 초기 듀티(QI1, QI2)를 설정하고자 한다.

QI1은 제1 스위치(Q1)의 초기 듀티이며, QI2는 제2 스위치(Q2)의 초기 듀티이다. 직류전압(V1)은 컨버터(300)의 출력전압이고, 초기전압(V2)는 2차전지(500)에 최초 충전되어 있는 전압이다.

컨버터(300)의 출력전압(V1)은 컨버터(300)내의 DC-DC 컨버터에서 제어가 가능하나, 커패시터2차전지(C)에 최초 충전되어 있는 전압(V2)는 2차전지(500)가 가질 수 있는 전압 범위 내에서 랜덤한 값을 갖는다.

일반적인 경우, 직류전압(V1)에 비해 2차전지(500)의 초기전압(V2)가 클 경우 그에 의한 역전류가 발생하여 충방전기의 초기 충전시에 응답지연 등이 발생할 가능성이 높아진다.

예를 들어, 직류전압(V1)이 12(V)이고 초기전압(V2)이 3(V)인 경우, 수학식 1 및 2에 의하면 QI1=25%, QI2=75%가 된다.

즉 직류전압(V1)이 초기전압(V2)에 비해 큰 경우, 역전류 발생 및 응답지연 현상이 크게 일어나지 않으므로, 제1 스위치(Q1)의 듀티를 제2 스위치(Q2)의 듀티보다 작게 한다. 즉 V1/V2비율과 SQ1/SQ2비율이 반비례하도록 설정한다.

종래 충방전 전류량 제어 방식에 따르면, 설정된 전류량과 각 충전 전류 또는 방전 전류 간의 오차를 비례-적분한 결과에 따라 충전 스위치 및 방전 스위치의 듀티를 제어한다. 이런 방식에서는 초기 2차전지의 전압상태에 따라 역으로 방전되는 시간이 존재하게 되어 설정된 전류랑에 도달하기까지 지연되는 문제점이 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 2차전지의 충방전 스위치들에 임의의 듀티를 주어 발생하는 역방전을 방지할 수 있다. 2차 전지의 초기 전압에 의해 발생하는 역방전을 방지하므로, 충방전기는 지연 없이 설정된 충방전 전류로 충방전 전류를 도달시킬 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

200: 듀티 제어부
300: 컨버터
500: 2차전지
V1: 직류전압
V2: 초기전압
Q1: 제1 스위치
Q2: 제2 스위치

Claims

삭제
배터리 충전 초기 듀티를 제어하는 방법에 있어서,
상기 배터리로 공급되는 제1 전압을 센싱하는 단계;
상기 배터리 충전 시작 시점의 상기 배터리 초기 전압인 제2 전압을 센싱하는 단계; 및
상기 배터리의 충전 경로를 형성하는 제1 스위치 및 상기 배터리의 방전 경로를 형성하는 제2 스위치 각각의 듀티를 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 비율에 따라 제어하는 단계를 포함하는 단계를 포함하고,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티를 제어하는 단계는,
상기 제1 스위치의 초기 듀티를 상기 제1 전압에 반비례하게 설정하고,
상기 제2 스위치의 초기 듀티를 상기 제2 전압에 반비례하게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 제2 스위치는 턴 오프 되고,
상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 제1 스위치는 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
삭제
공급되는 교류전압을 직류로 변환하는 컨버터;
배터리의 충전 경로를 형성하는 제1 스위치;
상기 배터리의 방전 경로를 형성하는 제2 스위치; 및
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티를 제어하는 듀티 제어부를 포함하고,
상기 듀티 제어부는,
상기 배터리로 공급되는 제1 전압을 센싱하고, 배터리의 충방전 시작 시점의 상기 배터리 초기 전압인 제2 전압을 센싱하며, 상기 제1 스위치의 초기 듀티를 상기 제1 전압에 반비례하게 설정하고, 상기 제2 스위치의 초기 듀티를 상기 제2 전압에 반비례하게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전기.
제5항에 있어서,
상기 제1 스위치가 턴 온 되면 상기 제2 스위치는 턴 오프 되고,
상기 제2 스위치가 턴 온 되면 상기 제1 스위치는 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전기.