KR101347211B1 - 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템 - Google Patents

직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템은, 충전 및 방전이 가능한 복수의 전지셀들을 구비하는 전원공급부와; 상기 복수의 전지셀들을 직렬연결 또는 병렬연결로 전환시켜 출력전압레벨을 변동시키기 위한 복수의 스위치들을 구비하는 직병렬 전환부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 복수의 전지셀들을 구비하고, 이들 전지셀들의 일부 또는 전체를 직렬 또는 병렬연결로 전환하여 사용이 가능하므로, 연결되는 휴대 전자기기 등의 전자기기의 배터리 가용시간을 늘릴 수 있다 또한, 배터리 시스템의 방전전압레벨의 조절이 가능하므로, 가용전압을 달리하는 휴대전자기기에도 사용이 가능하여 활용도를 높일 수 있다.

Description

직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템{Battery system for controling of parallel or serial connection}
본 발명은 직렬 또는 병렬전환이 가능한 배터리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 단일 배터리 시스템으로 복수의 출력전압변환이 가능하여 배터리 적용기기의 범위를 넓힐 수 있고, 배터리 가용시간을 늘릴 수 있는 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 충 방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북, 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기뿐만 아니라, 대용량 에너지 저장 장치에 대해서도 활발한 연구가 진행되고 있다.
특히, 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadimium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ionbattery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다. 이러한 이차 전지는 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
종래의 배터리 시스템은 크게 하나의 전지셀과 전지셀의 충방전을 제어하는 배터리 보호회로를 포함하여 이루어진다. 이 경우 배터리 시스템은 충전기 최대충전전압과 휴대용 전자기기의 최소공급전압 레벨에 의하여 배터리의 가용전압영역 및 가용시간이 결정된다.
관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0096979호가 있다.
그러나 이러한 종래의 배터리 시스템은 최소공급전압레벨에 미달하는 경우에도 일정 전압레벨의 출력이 가능함에도 최소공급전압레벨에 도달하지 못해 다시 충전을 해야 하거나 배터리를 교체해야 하는 등 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 배터리 시스템의 경우 단일 휴대기기를 지정하여 설계 및 제작됨에 따라 출력사양이 단일화되고 일정화되어 지정된 휴대기기에만 사용이 가능하고, 다른 휴대기기에는 사용이 불가능하며 다른 범위의 전원공급이 불가능한 문제점이 있어, 활용범위가 적다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리의 가용시간 및 가용전압범위를 늘릴 수 있는 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 출력전압레벨을 다양하게 변경가능한 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 사용전압범위를 가지는 기기에 대응하여 출력전압을 조절할 수 있는 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템은, 충전 및 방전이 가능한 복수의 전지셀들을 구비하는 전원공급부와; 상기 복수의 전지셀들을 직렬연결 또는 병렬연결로 전환시켜 출력전압레벨을 변동시키기 위한 복수의 스위치들을 구비하는 직병렬 전환부를 구비한다.
상기 직병렬 전환부는, 초기에는 상기 복수의 전지셀들 전체가 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 필요한 출력레벨에 대응하여 상기 복수의 전지셀들 중 전체 또는 일부를 직렬연결로 전환시킬 수 있다.
상기 직병렬 전환부는, 상기 전원공급부의 상기 복수의 전지셀들을, 방전전압레벨이 미리 설정된 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 방전전압레벨이 상기 제1레벨에 도달하면 상기 복수의 전지셀들 전체를 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어할 수 있다.
상기 직병렬 전환부는, 상기 전원공급부의 상기 복수의 전지셀들을, 방전전압레벨이 미리 설정된 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 상기 제1레벨에 도달하면, 상기 복수의 전지셀들 중 적어도 두개의 전지셀들을 선택하여 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어할 수 있다.
상기 직병렬 전환부에서의 병렬연결상태에서 직렬연결상태로의 전환은 상기 방전전압레벨의 상기 제1레벨에의 도달여부에 따라, 직렬연결되는 전지셀의 개수를 순차적으로 늘리는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 듀얼 FET와 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 프로텍션(protection) IC를 포함하는 적어도 하나의 보호회로를 구비하여, 과방전 및 과충전 상태에서 상기 복수의 전지셀들을 보호하는 보호회로부를 더 구비할 수 있다.
상기 보호회로부는, 병렬연결상태의 전지셀들을 보호하기 위하여, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제1FET 및 제2FET와, 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제1프로텍션(protection) IC를 구비하는 병렬연결 보호회로와; 직렬연결상태의 전지셀들을 보호하기 위하여, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제3FET 및 제4FET와, 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제2프로텍션(protection) IC를 구비하는 직렬연결 보호회로를 구비할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 미리 설정된 정전압레벨로 변환하거나 승압 또는 감압하여 출력되도록 제어하는 전압변환부를 더 구비할 수 있다.
상기 전압변환부는, 병렬연결 상태의 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 승압하거나 미리 설정된 제1정전압 레벨로 출력되도록 제어하는 제1전압변환부를 구비할 수 있다.
상기 전압변환부는, 직렬연결상태의 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 감압하거나 미리 설정된 제2정전압 레벨로 출력되도록 제어하는 제2전압변환부를 더 구비할 수 있다.
상기 복수의 스위치들은 수동스위치들이거나, 제어신호에 의해 스위칭 동작이 제어되는 반도체 스위치소자들일 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 전지셀들을 구비하고 이들 전지셀들의 일부 또는 전체를 병렬 또는 직렬연결로 전환하여 사용이 가능하므로, 휴대 전자기기 등의 가용시간을 늘릴 수 있다 또한, 방전전압레벨의 조절이 가능하므로, 가용전압을 달리하는 휴대전자기기에도 사용이 가능하여 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 배터리 시스템의 개략적 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 배터리 시스템의 개략적 회로도이다.
도 6은 도 5의 배터리 시스템의 출력전압레벨의 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 8은 도 7의 배터리 시스템의 개략적 회로도이다.
도 9는 도 8의 배터리 시스템의 출력전압레벨의 타이밍도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 11은 도 10의 배터리 시스템의 개략적 회로도이다.
도 12는 도 11의 배터리 시스템의 출력전압레벨의 타이밍도이다.
도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 14은 도 13의 배터리 시스템의 개략적 회로도이다.
도 15는 도 14의 배터리 시스템의 출력전압레벨의 타이밍도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120)를 구비한다.
상기 전원공급부(110)는 충전 및 방전이 가능한 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VCn)을 구비한다. 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VCn)은 일반적인 배터리 시스템에 각각 구비되는 것으로, 각각의 전지셀(VC1,VC2,VCn)을 별도로 분리되는 경우 각각의 전지셀들(VC1,VC2,VCn) 독립적인 배터리 시스템의 구성이 가능할 수도 있다. 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VCn)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 잘 알려진 전지셀들이 이용될 수 있다.
상기 직병렬전환부(120)는 사용자에 의해 수동으로 전환이 가능하거나, 별도의 제어회로 등에서 발생되는 전환신호에 응답하여 스위칭 동작을 수행하는 복수의 스위치들을 구비한다. 상기 직병렬전환부(120)는 사용자의 요구 또는 필요한 레벨의 출력전압을 공급하기 위하여 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VCn)의 전체 또는 일부를 직렬 또는 병렬연결을 제어하여 출력레벨(Vo)을 변동시키기 위한 것이다.
일반적으로 휴대용 전자기기 등의 가용전압영역은 3.3V ~ 5.5V의 범위를 가지며, 일반적인 전지셀의 가용전압영역은 2.5 ~ 4.35V 정도의 영역을 가진다. 따라서 전지셀의 방전전압레벨이 3.3V 이하로 낮아지게 되면, 전지셀에 대하여 충전을 하여야 사용이 가능하다. 즉 종래의 배터리 시스템의 경우 3.3~4.35V의 가용전압범위를 가지게 된다. 그러나 본 발명의 경우는 전지셀의 방전전압이 3.3V 이하로 낮아지더라도, 전지셀들의 일부 또는 전체를 직렬연결로 전환하여 사용이 가능하므로, 휴대전자기기등의 가용시간을 늘릴 수 있다 또한, 방전전압레벨의 조절이 가능하므로, 가용전압을 달리하는 휴대전자기기에도 사용이 가능하여 활용도를 높일 수 있다.
도 2는 도 1의 배터리 시스템을 구성하는 전지셀 및 직병렬전환부의 기본 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 시스템(100)은 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)에 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)의 일부 또는 전체를 직렬 또는 병렬연결로 제어하기 위한 복수의 스위치들(S1,S2,S3,Sn,S12,S23,S3n,Sn3,S32,S21)이 구비되며, 출력단자(P+,P-)를 구비한다.
상기 복수의 스위치들(S1,S2,S3,Sn,S12,S23,S3n,Sn3,S32,S21)은, 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 중 제1전지셀(VC1)의 (+) 단자와 제1노드(n1) 사이에 구비되는 스위치(S1), 제2전지셀(VC2)의 (+) 단자와 제1노드(n1) 사이에 구비되는 스위치(S2), 제3전지셀(VC3)의 (+) 단자와 제1노드(n1) 사이에 구비되는 스위치(S3), 상기 제3전지셀(VC3)의 (-) 단자와 상기 제2전지셀(VC2)의 (-) 단자 사이에 구비되는 스위치(S32), 상기 제2전지셀(VC2)의 (-) 단자와 상기 제1전지셀(VC1)의 (-) 단자 사이에 구비되는 스위치(S21), 상기 제1전지셀(VC1)의 (+) 단자와 상기 제2전지셀(VC2)의 (-) 단자 사이에 구비되는 스위치(S12), 상기 제2전지셀(VC2)의 (+) 단자와 상기 제3전지셀(VC3)의 (-) 단자 사이에 구비되는 스위치(S23) 등이 있다. 이외에 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VCn)이 n 개(n은 자연수)로 구비되는 경우에는 위에서 설명한 방식으로 스위치들(Sn3,S3n,Sn)이 추가로 구비될 수 있다.
여기서 제1노드(n1)은 상기 출력단자(P+)와 연결되며, 상기 제1전지셀(VC1)의 (-) 단자는 출력단자(P-)와 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조에서, 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 모두를 병렬연결하고자 한다면, 상기 복수의 스위치들(S1,S2,S3,Sn,S12,S23,S3n,Sn3,S32,S21) 중 병렬연결관련 스위치들(S1,S2,S3,Sn,Sn3,S32,S21)은 클로즈(close)하고 직렬연결 관련 스위치들(S12,S23,S3n)를 오픈함으로써 가능하다. 또한 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 모두를 직렬연결하고자 한다면, 상기 복수의 스위치들(S1,S2,S3,Sn,S12,S23,S3n,Sn3,S32,S21) 중 직렬연결 관련 스위치들(S12,S23,S3n)와 스위치(Sn)을 클로즈(close)하고 병렬연결관련 스위치들(S1,S2,S3,Sn3,S32,S21)은 오픈하는 것으로 가능하다.
그리고, 일부의 전지셀들(예를 들면, VC1,VC2)은 직렬연결하고, 일부의 전지셀들(예를 들면, VC3,VCn)은 병렬연결하고자 한다면, 상기 복수의 스위치들(S1,S2,S3,Sn,S12,S23,S3n,Sn3,S32,S21) 중 스위치(S12,S2,S3,Sn,Sn3,S32)는 클로즈하고 스위치(S1,S21)이 오픈되도록 하는 방법 등으로 직병렬 전환이 가능하다.
이러한 방식으로 상기 직병렬전환부(120)는 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 모두를 직렬 또는 병렬연결 할 수도 있고, 일부는 직렬연결, 일부는 병렬연결구조를 가지도록 할 수 있다,
상기 직병렬전환부(120)을 구성하는 스위치들은 수동스위치가 이용될 수도 있고, 제어신호에 응답하여 스위칭동작을 수행하는 트랜지스터를 포함하는 반도체형 스위치(예를 들면, FET 등)가 이용될 수도 있다. 상기 직병렬전환부(120)를 구성하는 스위치들이 반도체형 스위치로 이루어진 경우, 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨을 자동으로 감지하거나 입력되는 외부커맨드에 응답하여 상기 스위치들의 스위칭 동작을 제어하기 위한 별도의 컨트롤유닛(CPU, 또는 MCU 등)이 구비될 수도 있다.
상기 직병렬 전환부(120)는 초기에는 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 전체가 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 사용되는 전자기기의 필요한 출력레벨에 대응하여 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 중 전체 또는 일부를 직렬연결로 전환시켜 사용하는 것이 가능하다.
또한 상기 직병렬 전환부(120)는, 상기 전원공급부(110)의 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)을, 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)의 방전전압레벨이 미리 설정된 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 방전전압레벨이 상기 제1레벨에 도달하면 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 전체를 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어할 수도 있다.
여기서 상기 제1레벨은 사용되는 전자기기의 필요기준전압레벨이 될 수 있으며, 대략적으로 2.5~3.5V 레벨 중에서 선택된 레벨(예를 들면, 3.3V) 일 수 있다.
그리고, 상기 직병렬 전환부(120)는, 상기 전원공급부(110)의 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)을, 방전전압레벨이 미리 설정된 상기 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 상기 제1레벨에 도달하면, 상기 복수의 전지셀들 중 적어도 두개의 전지셀들을 선택하여 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어할 수 있다.
또한 상기 직병렬 전환부(120)에서의 병렬연결상태에서 직렬연결상태로의 전환은 상기 방전전압레벨의 상기 제1레벨에의 도달여부에 따라, 직렬연결되는 전지셀의 개수를 순차적으로 늘리는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)이 직렬연결상태일 경우에는 방전전압레벨이 최소레벨을 가지는 경우 또는 제2레벨 이상을 가지는 경우에 상기 직병렬전환부(120)에서 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 중 일부나 전체를 병렬연결상태로 전환할 수 있다. 여기서 상기 제2레벨은 사용되는 전자기기의 사용전압 레벨에 대응하여 달라질 수 있으며, 상기 제2레벨이 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)의 일부 또는 전체가 병렬연결상태로 전환되더라도, 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)의 방전전압레벨이 사용되는 전자기기의 필요전압레벨 이상일 경우에 대응되는 전압레벨을 가질 수 있다.
그리고 방전전압레벨이 최소레벨을 가지는 경우는 더 이상 방전이 의미없는 경우로 충전이 필요하여 직렬연결 상태를 유지하는 의미가 없을 경우에, 병렬연결상태로 전환하여 충전하도록 할 수 있다. 이 경우는 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 모두가 직렬연결 상태를 가지는 경우에 방전전압레벨이 2.5V 이하로 낮아졌을 때 충전을 위해 다시 병렬연결상태로 전환하고 충전하도록 할 수 있다. 상기 최소레벨은 연결되는 전자기기에 따라 달라질 수 있으며, 필요에 따라 높이거나 낮추는 것이 가능하며 다양하게 변경가능하다.
그리고, 상기 직병렬 전환부(120)에서는 상기 방전전압레벨과 관계없이 상기 배터리 시스템이 충전기나 충전장치에 연결되는 충전모드의 경우에는 바로 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn) 모두가 병렬연결상태를 가지도록 전환동작이 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120), 및 보호회로부(130)를 구비한다.
상기 전원공급부(110) 및 상기 직병렬 전환부(120)는 도 1 및 도 2를 통해 설명한 바와 그 구성이 동일하다.
상기 보호회로부(130)는 직렬 또는 병렬연결 상태를 가지는 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)의 보호를 위한 것으로, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 듀얼 FET와 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 프로텍션(protection) IC를 포함하는 적어도 하나의 보호회로를 구비할 수 있다.
상기 보호회로부(130)는 직렬 또는 병렬연결상태와 관계없이 상기 복수의 전지셀들(VC1,VC2,VC3,VCn)을 보호하기 위한 하나의 통합형 보호회로를 구비할 수도 있으며, 직렬연결상태의 전지셀들과 병렬연결상태의 전지셀들을 각각 별도로 나누어 보호하기 위하여, 직렬연결 상태의 전지보호를 위한 직렬연결 전지보호회로(134)와 병렬연결 상태의 전지보호를 위한 병렬연결 전지보호회로(132)회로를 구비할 수 있다.
이때 상기 직렬연결 상태의 전지보호회로는 직렬연결상태의 전지셀들의 개수에 대응하여 동작이 가능한 프로텍션(protection) IC가 구비될 수 있다. 예를 들어, 2개의 전지셀들이 직렬연결된 경우에는 적어도 2개의 전지셀들의 보호를 위한 프로텍션(protection) IC 가 포함된 보호회로를 구성하여야 하며, 5개의 전지셀들이 직렬연결된 경우에는 적어도 5개의 전지셀들의 보호를 위한 프로텍션 IC가 포함된 보호회로를 구성하여야 할 것이다. 즉 프로텍션 IC는 직렬연결되는 전지셀들이 늘어날수록 각각의 전지셀들을 연결하기 위한 VDD 단자 또는 VC 단자가 증가되는 구성을 가져야 할 것이다. 참고적으로 1개의 전지셀용 프로텍션 IC의 예로 MP24A 가 있으며, 2개의 전지셀용으로는 2SP01A, 5개의 전지셀용으로는 MM3474C01VBE 가 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에서 상기 전원공급부(110)는 2개 이상의 전지셀들을 구비할 수도 있으나, 이해의 편의를 위해 상기 배터리 시스템(100)이 2개의 전지셀들(VC1,VC2)을 구비하는 경우로 한정하여 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 배터리 시스템(100)의 구현회로의 예를 나타낸 것으로, 도 4는 수동스위치들을 구비하는 경우를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 시스템(100)의 전원공급부(110)는 복수의 전지셀들(VC1,VC2)을 구비한다. 복수의 전지셀들(VC1,VC2) 중 제1전지셀(VC1)은 제1노드(n1)과 제2노드(n2) 사이에 연결되고, 복수의 전지셀들(VC1,VC2) 중 제2전지셀(VC2)은 제3노드(n3)와 접지된 제4노드(n4) 사이에 연결되는 구성을 가진다.
그리고 상기 직병렬 전환부(120)는 복수의 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8)을 구비한다. 상기 복수의 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8) 중 스위치(SW2,SW3,SW5,SW6)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 병렬연결을 위한 스위치들이고, 스위치(SW1,SW4,SW7,SW8)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 직렬연결을 위한 스위치들이다.
따라서, 스위치(SW1,SW4,SW7,SW8)이 오픈된 경우에는 스위치(SW2,SW3,SW5,SW6)는 클로즈되고, 스위치(SW1,SW4,SW7,SW8)가 클로즈된 경우에는 스위치(SW2,SW3,SW5,SW6)는 오픈되는 구성을 가지게 된다.
상기 복수의 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8) 중 제1스위치(SW1)는 상기 제2노드(n2)와 제3노드(n3) 사이에 연결되고, 제2스위치(SW2)는 상기 제2노드(n2)와 상기 제4노드(n4) 사이에 연결된다. 제3스위치(SW3)는 상기 제1노드(n1)과 제3노드(n3) 사이에 연결되고, 제4스위치(SW4)는 상기 제4노드(n4)와 상기 직렬연결 전지보호회로(134)(예를 들면, 직렬연결 보호회로(134)의 제3FET(FET3)의 소오스 단자(S3))와 연결된다.
그리고, 제5스위치(SW5)는 상기 제4노드(n4)와 상기 병렬연결 전지보호회로(132)(예를 들면, 병렬연결 보호회로(132)의 제1FET(FET1)의 소오스 단자(S1))와 연결되고, 제6스위치(SW6)는 상기 제3노드(n3)와 상기 병렬연결 전지보호회로(132)(예를 들면, 병렬연결 보호회로(132)의 제1저항(R1)의 일단)와 연결된다. 또한 제7스위치(SW7)는 상기 제1노드(n1)와 상기 직렬연결 전지보호회로(134)(예를 들면, 직렬연결 보호회로(134)의 제4저항(R4)의 일단)와 연결되고, 제8스위치(SW8)는 상기 제3노드(n3)와 상기 직렬연결 전지보호회로(134)(예를 들면, 직렬연결 보호회로(134)의 제3저항(R3)의 일단)와 연결되는 구성을 가진다.
상기 배터리 시스템(100)은 충전시에는 충전기에 연결되고, 방전시에는 배터리 전원에 의하여 동작되는 전자기기(예, 휴대단말기 등)와 연결되기 위한 제1 내지 제2외부연결단자(P+(B+),P-(B-))을 구비한다.
상기 병렬연결 보호회로(132)는 복수의 저항들(R1,R2), 커패시터(C1,C2), 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제1FET(FET1) 및 제2FET(FET2), 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제1프로텍션(protection) IC(PIC1)을 구비할 수 있다.
상기 병렬연결 보호회로(132)는 공통드레인 구조의 두개의 FET(FET1, FET2), 제1프로텍션 IC(PIC1), 저항(R1,R2), 및 커패시터(C1,C2)를 구비하여 도 4에 도시된 바와 같은 연결구조를 가진다.
상기 두개의 FET(FET1, FET2)은 드레인 단자들이 전기적으로 서로 연결되어 있는 제1FET(FET1)과 제2FET(FET2)으로 구성된다.
상기 제1프로텍션 IC(PIC1)의 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD단자)는 저항(R1)을 통하여 제6스위치(SW6)와 연결되고, 상기 제6스위치(SW6)의 클로즈 시 상기 제2전지셀(VC2)의 (+)단자와 연결된다. 또한 제3스위치(SW3)의 클로즈시 상기 제1전지셀(VC1)의 (+) 단자와 연결된다.
상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS단자)는 상기 VDD단자(VDD) 및 상기 제1저항(R1)과 연결된 제1커패시터(C1)와 연결되고, 상기 제1FET(FET1)의 소오스 단자(S1)와 연결된다.
상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 충방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(V-단자)는 상기 제2외부연결단자(P-,B-)에 일단이 연결된 제2저항(R2)의 타단과 연결된다.
상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 과방전 상태에서 제1FET(FET1)를 오프시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DO단자)는 상기 제1FET(FET1)의 게이트(G1)와 연결되고, 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 과충전 상태에서 제2FET(FET2)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(C0단자)는 상기 제2FET(FET2)의 게이트(G2)와 연결된다.
상기 제2FET(FET2)의 소오스 단자(S2)는 상기 제2외부연결단자(P-,B-)에 연결된다.
이때, 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 내부는 적어도 하나의 과방전 디텍터, 적어도 하나의 과충전 디텍터, 적어도 하나의 방전 과전류 디텍터, 적어도 하나의 충전 과전류 디텍터, 적어도 하나의 레벨시프터를 구비하고 있다. 여기서 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전 상태를 판정한다.
상기 제1프로텍션IC(PIC1)는 방전시에 과방전상태에 이르게 되면, DO단자는 로우(LOW)로 되어 제1FET(FET1)를 오프시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 CO단자가 로우로 되어 제2FET(FET2)를 오프시키고, 과전류가 흐르는 경우에는 충전시에는 제2FET(FET2), 방전시에는 제1FET(FET1)를 오프시키도록 구성되어 있다.
상기 저항(R1)과 상기 커패시터(C1)는 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)은 배터리의 전원 공급노드인 제1노드(n1) 및 제3노드(n3)와 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 상기 커패시터(C1)은 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 VDD단자와 VSS단자 사이에 연결된다.
여기서 제1노드(n1)는 제1외부연결단자(P+,B+)에 연결되어 있고, 제3스위치(SW3)의 클로즈시 제3노드(n3) 또한 상기 제1외부연결단자(P+,B+)에 연결된다.
저항(R1)을 크게 하면 전압 검출시 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R1)의 값은 1KΩ 이하의 적당한 값(예를 들면, 1KΩ)으로 설정된다. 또한 안정된 동작을 위해서 상기 커패시터(C1)의 값은 0.01μF 이상의 적당한 값(예를 들면, 0.1μF)을 가진다.
그리고 저항(R1)과 저항(R2)은 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R2)은 상기 제1프로텍션IC(PIC1)의 V-단자와 상기 제2FET(FET2)의 소오스 단자(S2)가 연결된 제2외부연결단자(P-,B-)사이에 연결된다. 저항(R1)과 저항(R2)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상 저항(R1)과 저항(R2)의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정된다. 그리고 저항(R2)이 너무 크다면 과충전 차단후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R2)의 값은 10KΩ 또는 그 이하의 적당한 값(예를 들면, 2.2KΩ)으로 설정된다.
커패시터(C2)는 상기 제2FET(FET2)의 소오스 단자(S2)가 연결된 제2외부연결단자(P-,B-)와 상기 제1FET(FET1)의 소오스 단자(S1)(또는 VSS 단자) 사이에 연결되는 구조를 가진다. 커패시터(C2)는 상기 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 상기 커패시터(C2)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화 시키는 효과를 위한 것이다.
상기 병렬연결 보호회로(132)는 ESD(Electrostatic Discharge) 등을 포함하는 서지(surge) 보호를 위한 소자들(예를 들면, 저항 및 배리스터 등)이 추가될 수 있다.
상기 직렬연결 보호회로(134)는 복수의 저항들(R3,R4,R5), 커패시터(C3,C4, C5), 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제3FET(FET3) 및 제4FET(FET4), 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제2프로텍션(protection) IC(PIC2)을 구비할 수 있다.
상기 직렬연결 보호회로(132)는 공통드레인 구조의 두개의 FET(FET3, FET4), 제2프로텍션 IC(PIC2), 복수의 저항들(R3,R4,R5 및 커패시터(C3,C4, C5)를 구비하여 도 4에 도시된 바와 같은 연결구조를 가진다.
상기 두개의 FET(FET3, FET4)은 드레인 단자들이 전기적으로 서로 연결되어 있는 제3FET(FET3)과 제4FET(FET4)으로 구성된다.
상기 제2프로텍션 IC(PIC2)의 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD단자)는 제4저항(R4)을 통하여 제7스위치(SW7)와 연결되고, 상기 제7스위치(SW7)의 클로즈 시 상기 제1전지셀(VC1)의 (+)단자와 연결된다.
상기 제2프로텍션 IC(PIC2)의 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 다른 단자인 단자(VC단자)는 직렬연결된 전지셀들(VC1,VC2)에 대응하여 각각의 전지셀을 보호하기 위한 것으로, 상기 VDD단자(VDD) 역할을 수행한다. 이미 설명한 바와 같이, 프로텍션 IC는 직렬연결되는 전지셀들이 늘어날수록 각각의 전지셀들을 연결하기 위한 VDD 단자 또는 VC 단자가 증가되는 구성을 가져야 할 것이다.
상기 제2프로텍션 IC(PIC2)의 VC단자(VC)는 제3저항(R3)을 통하여 제8스위치(SW8)와 연결되고, 상기 제8스위치(SW8)의 클로즈시 상기 제2전지셀(VC2)의 (+) 단자와 연결되고, 상기 제1스위치(SW1) 클로즈 시 상기 제1전지셀(VC1)의 (-)단자와 연결되는 구성을 가진다.
상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS단자)는 상기 제3FET(FET3)의 소오스 단자(S3)와 연결된다.
상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 충방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(V-단자)는 상기 제2외부연결단자(P-,B-)에 일단이 연결된 제5저항(R5)의 타단과 연결된다.
상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 과방전 상태에서 제3FET(FET3)를 오프시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DO단자)는 상기 제3FET(FET3)의 게이트(G3)와 연결되고, 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 과충전 상태에서 제4FET(FET4)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(C0단자)는 상기 제4FET(FET4)의 게이트(G4)와 연결된다.
상기 제4FET(FET4)의 소오스 단자(S4)는 상기 제2외부연결단자(P-,B-)에 연결된다.
이때, 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 내부는 적어도 하나의 과방전 디텍터, 적어도 하나의 과충전 디텍터, 적어도 하나의 방전 과전류 디텍터, 적어도 하나의 충전 과전류 디텍터, 적어도 하나의 레벨시프터를 구비하고 있다. 여기서 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전 상태를 판정한다.
상기 제2프로텍션IC(PIC2)는 방전시에 과방전상태에 이르게 되면, DO단자는 로우(LOW)로 되어 제3FET(FET3)를 오프시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 CO단자가 로우로 되어 제4FET(FET4)를 오프시키고, 과전류가 흐르는 경우에는 충전시에는 제4FET(FET4), 방전시에는 제3FET(FET3)를 오프시키도록 구성되어 있다.
상기 저항(R3,R4)과 상기 커패시터(C3,C4)는 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R4)은 배터리의 전원 공급노드인 제1노드(n1)에 연결된 제7스위치(SW7)와 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 저항(R3)은 배터리의 전원 공급노드인 제3노드(n3)에 연결된 제8스위치(SW8)와 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 VC 단자 사이에 연결된다.
또한, 상기 커패시터(C4)는 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 VDD단자와 VSS단자 사이에 연결되고, 커패시터(C3)는 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 VC단자와 VSS단자 사이에 연결된다.
여기서 제1노드(n1)는 제1외부연결단자(P+,B+)에 연결되어 있다.
저항(R3,R4)을 크게 하면 전압 검출시 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R3, R4)의 값은 1KΩ 이하의 적당한 값(예를 들면, 각각 330Ω)으로 설정된다. 또한 안정된 동작을 위해서 상기 커패시터(C3,C4)의 값은 0.01μF 이상의 적당한 값(예를 들면, 0.1μF)을 가진다.
그리고 저항(R3,R4)과 저항(R5)은 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R5)은 상기 제2프로텍션IC(PIC2)의 V-단자와 상기 제2FET(FET4)의 소오스 단자(S4)가 연결된 제2외부연결단자(P-,B-)사이에 연결된다. 저항(R3,R4)과 저항(R5)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상 저항(R3,R4)과 저항(R5)의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정된다. 그리고 저항(R5)이 너무 크다면 과충전 차단후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R5)의 값은 10KΩ 또는 그 이하의 적당한 값(예를 들면, 1.0KΩ)으로 설정된다.
커패시터(C5)는 상기 제4FET(FET4)의 소오스 단자(S4)가 연결된 제2외부연결단자(P-,B-)와 상기 제3FET(FET3)의 소오스 단자(S3)(또는 VSS 단자) 사이에 연결되는 구조를 가진다. 커패시터(C5)는 상기 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 상기 커패시터(C5)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화 시키는 효과를 위한 것이다. 추가적으로 커패시터(C6)가 제1외부연결단자(P+,B+)와 제2외부연결단자(P-,B-) 사이에 연결구성될 수 있다, 상기 커패시터(C6)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화 시키는 효과를 위한 것이다.
상기 직렬연결 보호회로(134)는 ESD(Electrostatic Discharge) 등을 포함하는 서지(surge) 보호를 위한 소자들(예를 들면, 저항 및 배리스터)이 추가될 수 있다.
도 5는 도 3의 배터리 시스템(100)의 구현회로의 예를 나타낸 것으로, 별도의 컨트롤유닛(MCU)에 의해 스위칭 동작이 수행되는 자동스위치들을 구비하는 경우를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120) 및 보호회로부(130)를 구비하며, 상기 보호회로부(130)는 병렬연결보호회로(132), 및 직렬연결 보호회로(134)를 구비한다.
도 5의 배터리 시스템은 직병렬 전환부(120)의 구성이 다른점을 제외하고는 도 4의 구성과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 직병렬 전환부(120)는 복수의 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8) 및 컨트롤 유닛(122)을 구비한다.
상기 복수의 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8)은 상기 컨트롤 유닛(122)에서 인가되는 제어신호들에 응답하여 스위칭 동작을 수행하는 반도체 소자(예를 들면, FET 등)로 구비된다는 점을 제외하고 그 연결구조는 도 4에서 설명한 바와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
상기 컨트롤 유닛(122)은 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨(전지셀들의 출력레벨 또는 배터리 시스템(100)의 출력레벨)을 자동으로 감지하거나 입력되는 외부커맨드에 응답하여 상기 스위치들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6,SW7,SW8)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 것이다.
즉 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 병렬연결이 필요한 경우에는 스위치(SW2,SW3,SW5,SW6)를 클로즈하고, 스위치(SW1,SW4,SW7,SW8)를 오픈하며, 직렬연결이 필요한 경우에는, 스위치(SW2,SW3,SW5,SW6)를 오픈하고, 스위치(SW1,SW4,SW7,SW8)를 클로즈하게 된다.
도 6은 도 4 및 도 5의 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨을 나타낸 타이밍도이다. 도 6의 (a)는 전지셀(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)을 나타낸 타이밍도이고, 도 6의 (b)는 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)을 나타낸 타이밍도이다. 도 6에서 제1시간구간(t1)은 병렬연결 상태의 시간구간이고, 제2시간구간(t2)는 직렬연결 상태의 시간구간이다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 충전이 완료된 상태에서, 병렬연결 상태 초기에는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨은 병렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 유지한다. 이후 전자기기에 연결되어 방전이 시작되게 되면 시간이 경과하면서 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin) 상태로 떨어지게 된다. 즉 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결상태를 직렬연결상태로 전환하기 위한 상기 제1레벨로 낮아지게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)이 상기 제1레벨인 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin)로 낮아지게 되면, 상기 직병렬 전환부(120)에서는 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 되면, 상기 제2시간구간(t2)에서와 같이, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 직렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 가지며, 이후 방전이 계속됨에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)로 낮아지게 된다. 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 배터리의 충전이 필요한 레벨로 더 이상 연결된 전자기기에 필요전압을 공급할 수 없는 레벨을 의미할 수 있다. 도 6에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)이 병렬구성 최대전압(VPmax) 보다 높은 전압레벨을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 하나의 예일 뿐이며, 필요에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 변경될 수 있다.
도 6의 (b)는 도 6의 (a)의 경우에 동일한 그래프 형태를 가지나 전압레벨은 동일하거나 약간 낮은 레벨을 가질 수 있다.
상기 배터리 시스템(100)에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)에 도달하는 경우 상기 직병렬 전환부(120)을 통해 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 병렬연결상태로 전환하여 충전하도록 할 수 있다.
종래의 배터리 시스템의 경우에는 상기 제1시간구간(t1)이 배터리 가용시간이나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 배터리 시스템의 경우는 제2시간구간(t2) 만큼 더 배터리 가용시간을 늘릴 수 있는 장점이 있어 활용도를 높일 수 있게 된다,
도 7 및 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도 및 구현 회로도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120), 보호회로부(130), 및 전압변환부(140)를 구비한다.
상기 전원공급부(110), 상기 직병렬 전환부(120) 및 상기 보호회로부(130)의 구성은 도 1 내지 도 5의 경우와 동일하므로 그 설명을 생략하고 여기서는 상기 전압변환부(140)에 대해서만 설명한다.
상기 전압변환부(140)는 상기 배터리 시스템(100)에 연결되는 외부 전자기기들에서 정전압이 요구되는 경우, 또는 상기 배터리 시스템(100) 또는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vo)이 너무 높거나 낮을 때 이를 승압하거나 감압할 필요성이 있는 경우에 구비될 수 있다.
상기 전압변환부(140)는, 상기 제1전압 변환부(142)를 구비하며, 상기 제1전압변환부(142)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)이 병렬연결 상태를 가질 때 동작하며, 병렬연결 상태의 전지셀들(VC1,VC2)에서 출력되는 방전전압을 승압하거나 미리 설정된 제1정전압 레벨로 출력되도록 제어하게 된다.
상기 제1전압변환부(142)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 병렬연결 상태의 출력레벨전압(Vcell)을 승압하거나 일정레벨의 정전압으로 제공할 필요가 있는 경우에 구비될 수 있다, 예를 들어, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 병렬연결 상태의 출력레벨전압(Vcell)이 4.2V 수준이고 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)은 5.0V 의 정전압을 가지도록 하는 경우에 구비될 수 있다.
상기 제1전압변환부(142)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)에서 제공되는 전압레벨을 상기 제1정전압레벨의 출력전압(Vo)으로 출력하기 위해, 스텝업(step-up) 컨버터 또는 부스팅(boost) 컨버터(예로 'TPS61027')을 구비할 수 있으며, 저항(R), 인덕터, 커패시터 등을 구비하여 도 8에 도시된 바와 같은 연결구조를 가질 수 있다. 도 8의 상기 제1전압변환부(142)의 연결구성은 하나의 예에 불과한 것으로, 통상의 기술자에게 잘 알려진 다양한 구성이 이용될 수 있다.
상기 제1전압변환부(142)가 구비되는 경우에는 충전단자(B+)와 외부 전자기기 연결을 위한 출력단자(P+)가 분리될 수 있다. 이는 충전시에는 충전단자(B+)와 상기 전지셀들(VC1,VC2)가 직접연결되어야 하고, 방전시에는 출력전압이 상기 제1전압변환부(142)를 통하여 출력되기 때문에 분리구성될 수 있다.
도 9는 도 7 및 도 8의 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨을 나타낸 타이밍도이다. 도 9의 (a)는 전지셀(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)을 나타낸 타이밍도이고, 도 9의 (b)는 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)을 나타낸 타이밍도이다. 도 9에서 제1시간구간(t1)은 병렬연결 상태의 시간구간이고, 제2시간구간(t2)는 직렬연결 상태의 시간구간이다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 충전이 완료된 상태에서, 병렬연결 상태 초기에는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 유지한다. 이후 전자기기에 연결되어 방전이 시작되게 되면 시간이 경과하면서 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin) 상태로 떨어지게 된다. 즉 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결상태를 직렬연결상태로 전환하기 위한 상기 제1레벨로 낮아지게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)이 상기 제1레벨인 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin)로 낮아지게 되면, 상기 직병렬 전환부(120)에서는 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 되면, 상기 제2시간구간(t2)에서와 같이, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 직렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 가지며, 이후 방전이 계속됨에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)로 낮아지게 된다. 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 배터리의 충전이 필요한 레벨로 더 이상 연결된 전자기기에 필요전압을 공급할 수 없는 레벨을 의미할 수 있다.
도 9에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)이 병렬구성 최대전압(VPmax) 보다 높은 전압레벨을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 하나의 예일 뿐이며, 필요에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 변경될 수 있다.
상기 배터리 시스템(100)에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)에 도달하는 경우 상기 직병렬 전환부(120)을 통해 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 병렬연결상태로 전환하여 충전하도록 할 수 있다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서는 상기 제1전압변환부(142)에 의해 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)의 변동과 관계없이 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨(Vo)는 제1정전압레벨(V1)을 가지게 된다. 그리고, 제2시간구간(t2)에서는 직렬연결 상태 구간으로 상기 제1전압변환부(142)가 동작하지 않으며, 도 9의 (a)의 경우와 유사한 그래프 형태를 가지게 된다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도 및 구현 회로도이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120), 보호회로부(130), 및 전압변환부(140)를 구비한다.
상기 전원공급부(110), 상기 직병렬 전환부(120) 및 상기 보호회로부(130)의 구성은 도 1 내지 도 5의 경우와 동일하므로 그 설명을 생략하고 여기서는 상기 전압변환부(140)에 대해서만 설명한다.
상기 전압변환부(140)는 상기 배터리 시스템(100)에 연결되는 외부 전자기기들에서 정전압이 요구되는 경우, 또는 상기 배터리 시스템(100) 또는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vo)이 너무 높거나 낮을 때 이를 승압하거나 감압할 필요성이 있는 경우에 구비될 수 있다.
상기 전압변환부(140)는, 상기 제2전압 변환부(144)를 구비하며, 상기 제2전압변환부(144)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)이 직렬연결 상태를 가질 때 동작하며, 직렬연결 상태의 전지셀들(VC1,VC2)에서 출력되는 방전전압을 감압하거나 미리 설정된 제2정전압 레벨로 출력되도록 제어하게 된다.
상기 제2전압변환부(144)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 직렬연결 상태의 출력레벨전압(Vcell)을 감압하거나 일정레벨의 정전압으로 제공할 필요가 있는 경우에 구비될 수 있다, 예를 들어, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 직렬연결 상태의 출력레벨전압(Vcell)이 최대 8.4V 수준이고 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)은 5.0V 의 정전압을 가지도록 하는 경우에 구비될 수 있다.
상기 제2전압변환부(144)는 상기 전지셀들(VC1,VC2)에서 제공되는 전압레벨을 상기 제2정전압레벨의 출력전압(Vo)으로 출력하기 위해, 스텝 다운(step-down) 컨버터(예로 'TPS62133')를 구비할 수 있으며, 저항(R), 인덕터, 커패시터 등을 구비하여 도 11에 도시된 바와 같은 연결구조를 가질 수 있다.
상기 제2전압변환부(144)가 구비되는 경우에는 충전단자(B+)와 외부 전자기기 연결을 위한 출력단자(P+)가 분리될 수 있다. 이는 충전시에는 충전단자(B+)와 상기 전지셀들(VC1,VC2)가 직접 연결되어야 하고, 방전시에는 출력전압이 상기 제1전압변환부(142)를 통하여 출력되기 때문에 분리구성될 수 있다.
도 11의 상기 제2전압변환부(144)의 연결구성은 하나의 예에 불과한 것으로, 통상의 기술자에게 잘 알려진 다양한 구성이 이용될 수 있다.
도 12는 도 10 및 도 11의 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨을 나타낸 타이밍도이다. 도 12의 (a)는 전지셀(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)을 나타낸 타이밍도이고, 도 12의 (b)는 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)을 나타낸 타이밍도이다. 도 12에서 제1시간구간(t1)은 병렬연결 상태의 시간구간이고, 제2시간구간(t2)은 직렬연결 상태의 시간구간이다.
도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 충전이 완료된 상태에서, 병렬연결 상태 초기에는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 유지한다. 이후 전자기기에 연결되어 방전이 시작되게 되면 시간이 경과하면서 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin) 상태로 떨어지게 된다. 즉 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결상태를 직렬연결상태로 전환하기 위한 상기 제1레벨로 낮아지게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)이 상기 제1레벨인 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin)로 낮아지게 되면, 상기 직병렬 전환부(120)에서는 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 되면, 상기 제2시간구간(t2)에서와 같이, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 직렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 가지며, 이후 방전이 계속됨에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)로 낮아지게 된다. 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 배터리의 충전이 필요한 레벨로 더 이상 연결된 전자기기에 필요전압을 공급할 수 없는 레벨을 의미할 수 있다.
도 12에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)이 병렬구성 최대전압(VPmax) 보다 높은 전압레벨을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 하나의 예일 뿐이며, 필요에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 변경될 수 있다.
상기 배터리 시스템(100)에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)에 도달하는 경우 상기 직병렬 전환부(120)을 통해 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 병렬연결상태로 전환하여 충전하도록 할 수 있다.
도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서는 병렬연결 상태 구간으로 상기 제2전압변환부(144)가 동작하지 않으며, 도 12 (a)의 경우와 유사한 그래프 형태를 가지게 되나, 상기 제2시간구간(t2)에서는 상기 제2전압변환부(144)에 의해 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)의 변동과 관계없이 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨(Vo)는 제2정전압레벨(V2)을 가지게 된다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제5실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도 및 구현 회로도이다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 전원공급부(110), 직병렬전환부(120), 보호회로부(130), 및 전압변환부(140)를 구비한다. 상기 전압변환부(140)는 제1전압변환부(142) 및 제2전압변환부(144)를 구비한다.
상기 전원공급부(110), 상기 직병렬 전환부(120) 및 상기 보호회로부(130)의 구성은 도 1 내지 도 5의 경우와 동일하고, 상기 전압변환부(140) 중 상기 제1전압변환부(142)의 구성은 본 발명의 제3실시예(도 7 및 도 8)를 통해 설명한 바와 동일하고, 상기 전압변환부(140) 중 상기 제2전압변환부(144)의 구성은 본 발명의 제4실시예(도 10 및 도 11)를 통해 설명한 바와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
도 15는 도 13 및 도 14의 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨을 나타낸 타이밍도이다. 도 15의 (a)는 전지셀(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)을 나타낸 타이밍도이고, 도 15의 (b)는 상기 배터리 시스템(100)의 출력전압레벨(Vo)을 나타낸 타이밍도이다. 도 15에서 제1시간구간(t1)은 병렬연결 상태의 시간구간이고, 제2시간구간(t2)은 직렬연결 상태의 시간구간이다.
도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 충전이 완료된 상태에서, 병렬연결 상태 초기에는 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 유지한다. 이후 전자기기에 연결되어 방전이 시작되게 되면 시간이 경과하면서 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin) 상태로 떨어지게 된다. 즉 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 병렬연결상태를 직렬연결상태로 전환하기 위한 상기 제1레벨로 낮아지게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)이 상기 제1레벨인 병렬연결 상태의 최소전압레벨(VPmin)로 낮아지게 되면, 상기 직병렬 전환부(120)에서는 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 된다.
상기 전지셀들(VC1,VC2)을 직렬연결상태로 전환하게 되면, 상기 제2시간구간(t2)에서와 같이, 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)은 직렬연결 상태의 최대전압레벨(VPmax) 상태를 가지며, 이후 방전이 계속됨에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)로 낮아지게 된다. 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 배터리의 충전이 필요한 레벨로 더 이상 연결된 전자기기에 필요전압을 공급할 수 없는 레벨을 의미할 수 있다.
도 15에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)이 병렬구성 최대전압(VPmax) 보다 높은 전압레벨을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 하나의 예일 뿐이며, 필요에 따라 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)은 변경될 수 있다.
상기 배터리 시스템(100)에서는 직렬연결상태의 최소전압레벨(VSmin)에 도달하는 경우 상기 직병렬 전환부(120)을 통해 상기 전지셀들(VC1,VC2)을 병렬연결상태로 전환하여 충전하도록 할 수 있다.
도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1시간구간(t1)에서는 상기 제1전압변환부(142)에 의해 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)의 변동과 관계없이 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨(Vo)는 제1정전압레벨(V1)을 가지게 된다. 그리고, 상기 제2시간구간(t2)에서는 상기 제2전압변환부(144)에 의해 상기 전지셀들(VC1,VC2)의 출력전압레벨(Vcell)의 변동과 관계없이 상기 배터리 시스템(100)의 출력레벨(Vo)는 제2정전압레벨(V2)을 가지게 된다.
이때 상기 제1정전압 레벨(V1)과 상기 제2정전압 레벨(V2)이 동일한 레벨인 경우, 상기 제1시간구간(t1) 및 상기 제2시간구간(t2)에서는 일정 레벨의 정전압이 가용시간 내내 출력되는 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 전지셀들을 구비하고, 이들 전지셀들의 일부 또는 전체를 직렬 또는 병렬연결로 전환하여 사용이 가능하므로, 연결되는 휴대 전자기기 등의 전자기기의 배터리 가용시간을 늘릴 수 있다 또한, 배터리 시스템의 방전전압레벨의 조절이 가능하므로, 가용전압을 달리하는 휴대전자기기에도 사용이 가능하여 활용도를 높일 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
110 : 전원공급부 120 : 직병렬 전환부
130 : 보호회로부 140 : 전압변환부

Claims (11)

  1. 직렬 또는 병렬 전환이 가능한 배터리 시스템에 있어서:
    충전 및 방전이 가능한 복수의 전지셀들을 구비하는 전원공급부와;
    상기 복수의 전지셀들을 직렬연결 또는 병렬연결로 전환시켜 출력전압레벨을 변동시키기 위한 복수의 스위치들을 구비하는 직병렬 전환부를 구비하되,
    상기 배터리 시스템은,
    과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 듀얼 FET와 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 프로텍션(protection) IC를 포함하는 적어도 하나의 보호회로를 구비하여, 과방전 및 과충전 상태에서 상기 복수의 전지셀들을 보호하는 보호회로부를 더 구비하며,
    상기 보호회로부는,
    병렬연결상태의 전지셀들을 보호하기 위하여, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제1FET 및 제2FET와, 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제1프로텍션(protection) IC를 구비하는 병렬연결 보호회로와;
    직렬연결상태의 전지셀들을 보호하기 위하여, 과방전 및 과충전상태에서 스위칭 소자들로 기능하는 공통 드레인 구조의 제3FET 및 제4FET와, 과방전 및 과충전 동작을 제어하는 제2프로텍션(protection) IC를 구비하는 직렬연결 보호회로를 구비함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 직병렬 전환부는, 초기에는 상기 복수의 전지셀들 전체가 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 필요한 출력레벨에 대응하여 상기 복수의 전지셀들 중 전체 또는 일부를 직렬연결로 전환시킴을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 직병렬 전환부는, 상기 전원공급부의 상기 복수의 전지셀들을, 방전전압레벨이 미리 설정된 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 방전전압레벨이 상기 제1레벨에 도달하면 상기 복수의 전지셀들 전체를 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 직병렬 전환부는, 상기 전원공급부의 상기 복수의 전지셀들을, 방전전압레벨이 미리 설정된 제1레벨에 도달할 때까지는 병렬연결상태를 유지하도록 하고, 상기 제1레벨에 도달하면, 상기 복수의 전지셀들 중 적어도 두개의 전지셀들을 선택하여 직렬연결상태로 전환하여 방전전압을 공급하도록 제어함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 직병렬 전환부에서의 병렬연결상태에서 직렬연결상태로의 전환은 상기 방전전압레벨의 상기 제1레벨에의 도달여부에 따라, 직렬연결되는 전지셀의 개수를 순차적으로 늘리는 방식으로 수행됨을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 시스템은, 상기 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 미리 설정된 정전압레벨로 변환하거나 승압 또는 감압하여 출력되도록 제어하는 전압변환부를 더 구비함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전압변환부는, 병렬연결 상태의 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 승압하거나 미리 설정된 제1정전압 레벨로 출력되도록 제어하는 제1전압변환부를 구비함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전압변환부는, 직렬연결상태의 전지셀들에서 출력되는 방전전압을 감압하거나 미리 설정된 제2정전압 레벨로 출력되도록 제어하는 제2전압변환부를 더 구비함을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 스위치들은 수동스위치들이거나, 제어신호에 의해 스위칭 동작이 제어되는 반도체 스위치소자들임을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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