KR101525941B1 - 배터리 충전 회로 - Google Patents

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Abstract

본 기술의 일 실시예에 의한 배터리 충전 회로는 외부 전원을 이용하여 내부 전원을 생성하는 충전 전원부, 제 1 내지 제 4 배터리의 전압 레벨을 측정하여 측정 결과에 따라 결정되는 측정 신호를 출력하고, 충전 제어 신호에 응답하여 제 1 내지 제 4 배터리 중적어도 하나를 선택적으로 충전하는 충전부 및 측정 신호에 대응하여 기 저장된 충전 제어 신호를 출력하는 제어부;를 포함하며, 충전 제어 신호는 하나의 충전 배터리를 이용하여 하나의 피충전 배터리를 충전하는 제 1 모드, 복수의 충전 배터리를 이용하여 복수의 피충전 배터리를 충전하는 제 2 모드, 내부 전원을 이용하여 제 1 내지 제 4 배터리의 일부 또는 전부를 충전하는 제 3 모드 중 적어도 어느 하나를 선택하는 신호일 수 있다.

Description

배터리 충전 회로{BATTERY CHARGE CIRCUIT}
본 발명은 직렬로 연결된 복수의 배터리들로 구성된 배터리팩의 충전회로에 관한 것으로 충전시 각 배터리의 전압을 동일하게 맞추어 주는 셀 밸런싱(cell-balancing)을 위한 것이다.
배터리가 직렬 연결되어 충전과 방전이 반복되면 배터리마다 다른 수명때문에 각 배터리의 전압이 서로 달라지게 된다. 배터리마다 서로 다른 전압을 갖고 충방전을 반복할경우 열화가 보다 많이 진행된 배터리는 방전시 과다 방전하고 충전시 과다충전되어 열화과정이 가속되고 이는 전체 배터리팩의 성능을 저하시키게 된다. 배터리팩의 효율적인 사용을 위해서는 직렬 연결된 배터리의 충방전정도를 균일하게 하는 것이 필요한데 보통 이를 위해 배터리전압들을 모두 똑같이 맞춰준다. 이를 셀 밸런싱(Cell-balancing)이라고 하며 이런 필요성을 충족시키는 방법으로서 본 발명을 제안하고자 한다. 셀 밸런싱과 관련하여, 한국특허 제969589호 (2010.07.12.)와 한국특허공개 제2008-0080864호(2008.09.05.)가 공개되어 있으나, 이러한 선행기술은 본 발명의 일 특징 중 하나인 구체적인 복수의 충전 모드에 대해 개시된 바 없다.
직렬 연결된 복수의 배터리를 서로의 특성 차이와 상관없이 동일한 전압 레벨로 충전할 수 있도록 한 배터리 충전 회로를 제공하고자 한다.
본 기술의 일 실시예에 의한 배터리 충전 회로는 외부 전원을 이용하여 내부 전원을 생성하는 충전 전원부; 제 1 내지 제 4 배터리의 전압 레벨을 측정하여 측정 결과에 따라 결정되는 측정 신호를 출력하고, 충전 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 내지 제 4 배터리 중적어도 하나를 선택적으로 충전하는 충전부; 및 상기 측정 신호에 대응하여 기 저장된 상기 충전 제어 신호를 출력하는 제어부;를 포함하며, 상기 충전 제어 신호는 하나의 충전 배터리를 이용하여 하나의 피충전 배터리를 충전하는 제 1 모드, 복수의 충전 배터리를 이용하여 복수의 피충전 배터리를 충전하는 제 2 모드, 상기 내부 전원을 이용하여 상기 제 1 내지 제 4 배터리의 일부 또는 전부를 충전하는 제 3 모드 중 적어도 어느 하나를 선택하는 신호일 수 있다.
본 기술에 의하면 직렬 연결된 복수의 배터리를 선택적으로 충전할 수 있으므로 모든 배터리가 동일한 전압 레벨로 충전되도록 하여 배터리 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 회로(1)의 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예의 충전 모드들을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1의 충전부(100)의 회로도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어 신호 드라이버의 구성을 나타낸 회로도,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예의 충전 모드들에 따른 배터리 충전 회로(1)의 동작 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 회로(1)는 충전 전원부(20), 충전부(100) 및 제어부(30)를 포함한다.
충전 전원부(20)는 외부 교류 전원(10)을 이용하여 충전용 내부 직류 전원(Vdc)을 생성하도록 구성된다.
충전 전원부(20)는 변압기(21) 및 정류기(22)를 포함한다.
변압기(21)는 외부 교류 전원(10)의 전압 레벨을 배터리 충전을 위한 전압 레벨로 변압하도록 구성된다.
정류기(22)는 변압기(21)의 출력을 정류하여 내부 직류 전원(Vdc)을 생성하도록 구성된다.
충전부(100)는 내부에 장착된 복수의 배터리, 이때 도 1에 따른 본 발명의 실시예에서는 4개의 배터리 즉, E1 ~ E4가 장착된 것을 기준으로 회로 구성이 이루어진다.
충전부(100)는 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 레벨을 측정하여 측정 신호(Vdet<1:4>)를 출력하고, 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)에 해당하는 충전 모드로 복수의 배터리(E1 ~ E4)가 서로 동일한 전압 레벨을 갖도록 충전동작을 수행한다.
충전부(100)는 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)에 응답하여 복수의 배터리(E1 ~ E4)를 선택적으로 충전할 수 있다.
충전부(100)는 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)에 응답하여 복수의 배터리(E1 ~ E4) 중에서 일부(단수 또는 복수)의 배터리를 충전 배터리로 이용하여 다른 배터리를 피충전 배터리로 하여 충전하거나, 내부 직류 전원(Vdc)을 이용하여 복수의 배터리(E1 ~ E4) 모두 또는 일부를 충전할 수 있다.
제어부(30)는 측정 신호(Vdet<1:4>)에 응답하여 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)를 생성하도록 구성된다.
제어부(30)는 MCU(Micro Controller Unit)로 구성할 수 있다.
제어부(30)의 MCU는 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 레벨 별 충전 모드들이 프로그래밍되어 있다. 따라서 제어부(30)는 측정 신호(Vdet<1:4>)에 응답하여 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 레벨 및 그에 적합한 충전 모드를 파악하고, 파악된 충전 모드에 해당하는 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)를 충전부(100)로 출력한다.
도 2는 본 발명의 실시예의 충전 모드들을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명의 실시예는 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 밸런싱(Balancing)을 위한 것이다. 즉, 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 충전 전압이 일정한 전압 레벨로 일치되도록 한 것이다.
이를 위해서는 복수의 배터리(E1 ~ E4) 중에서 상대적으로 높거나 낮은 전압 레벨을 갖는 배터리를 다른 배터리와 동일한 전압 레벨을 갖도록 해야 한다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 복수의 배터리(E1 ~ E4)를 기준으로 다양한 충전 모드 예를 들어, 모드 1 ~ 모드 7을 선택적으로 사용할 수 있도록 구성한 것이다.
모드 1은 배터리 (E1)을 이용하여 배터리 (E2)를 충전하는 모드이다.
모드 2는 배터리 (E2)를 이용하여 배터리 (E1)을 충전하는 모드이다.
모드 3은 배터리 (E3)를 이용하여 배터리 (E4)를 충전하는 모드이다.
모드 4는 배터리 (E4)를 이용하여 배터리 (E3)을 충전하는 모드이다.
모드 5는 배터리 (E1, E2)를 이용하여 배터리 (E3, E4)를 충전하는 모드이다.
모드 6은 배터리 (E3, E4)를 이용하여 배터리 (E1, E2)를 충전하는 모드이다.
모드 7은 내부 직류 전원(Vdc)을 이용하여 모든 배터리들(E1 ~ E4)을 충전하는 모드 이다.
한편, 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 특성의 차이는 다양한 경우의 수가 존재한다. 따라서 본 발명은 상술한 다양한 경우의 수 각각에 대하여 상술한 충전 모드들을 하나 또는 둘 이상 선택적으로 조합한 충전방식을 이용하여 모든 배터리가 서로 일치하는 전압 레벨을 갖도록 할 수 있다.
즉, 제어부(30)의 MCU에는 복수의 충전 방식 즉, 상술한 경우의 수 각각에 대하여 충전 방식이 하나씩 내장되어 있다.
아래에는 상기 충전회로의 동작 절차(Step ① ~ Step ⑦)가 나열된다.
① E1 과 E2를 비교했을 때 E1의 전압이 더 크다면 E1 과 E2의 전압이 같아 질 때까지 모드 1의 형태로 동작한다.
② E1 과 E2를 비교했을 때 E2의 전압이 더 크다면 E1 과 E2의 전압이 같아 질 때까지 모드 2의 형태로 동작한다.
③ E3 과 E4를 비교했을 때 E3의 전압이 더 크다면 E3 과 E4의 전압이 같아 질 때까지 모드 3의 형태로 동작한다.
④ E3 과 E4를 비교했을 때 E4의 전압이 더 크다면 E3 과 E4의 전압이 같아 질 때까지 모드 4의 형태로 동작한다.
⑤ E1,E2의 직렬전압과 E3,E4의 직렬전압을 비교했을 때 E1,E2의 직렬전압이 더 크다면 E1,E2의 직렬전압이 E3,E4의 직렬전압과 같아질 때까지 모드 5의 형태로 동작한다.
⑥ E3,E4의 직렬전압과 E1,E2의 직렬전압을 비교했을 때 E3,E4의 직렬전압이 더 크다면 E1,E2의 직렬전압이 E3,E4의 직렬전압과 같아질 때까지 모드 6의 형태로 동작한다.
⑦ 모드 7로 다른 배터리 충전 회로 세트(이하, 모듈)와 동일한 전압으로 만듦.
결국, 본 발명의 실시예는 도 1을 참조하면, 제어부(30)가 측정 신호(Vdet<1:4>)에 따라 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 레벨을 측정하고, 상술한 절차(Step ① ~ Step ⑦)에 따라 충전부(100)를 동작시킴으로써 복수의 배터리(E1 ~ E4)가 동일한 전압 레벨로 충전되도록 한 것이다.
도 3은 도 1의 충전부(100)의 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 충전부(100)는 복수의 충전 셀(101 ~ 104), 측정부(110) 및 충전 회로부(SW1~SW7, D1~D6, L1~L6)를 포함한다. 충전 회로부(SW1~SW7, D1~D6, L1~L6)에 의해 복수의 충전 경로가 형성될 수 있다.
복수의 충전 셀(101 ~ 104)은 복수의 배터리(E1 ~ E4) 및 복수의 커패시터(C1 ~ C4)를 포함한다.
이때 복수의 커패시터(C1 ~ C4)는 각각 평활 작용 즉, 리플 전류(Ripple Current) 제거를 위해 복수의 배터리(E1 ~ E4)와 연결된다.
측정부(110)는 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 전압 레벨을 측정하여 측정 신호(Vdet<1:4>)를 생성하도록 구성된다. 측정부(110)는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 구성할 수 있다. 따라서 측정부(110)는 복수의 배터리(E1 ~ E4)의 아날로그 전압 레벨을 디지털 값 형태의 측정 신호(Vdet<1:4>)로 변환한다.
이때 측정 신호(Vdet<1:4>) 각각은 둘 또는 그 이상의 비트(bit)가 될 수 있다. 예를 들어, 측정 신호(Vdet<1>)가 둘 이상의 비트가 될 수 있다. 이와 같이 측정 신호(Vdet<1:4>) 각각이 둘 이상의 비트가 됨으로써 각 배터리의 충전 전압 레벨을 복수의 단계로 구분할 수 있다.
복수의 충전 모드는 충전 회로부 즉, 복수의 스위치(SW1 ~ SW7), 복수의 다이오드(D1 ~ D6) 및 복수의 인덕터(L1 ~ L6)에 의해 수행된다.
제 1 충전 모드는 스위치 (SW1), 다이오드 (D1) 및 인덕터 (L1)에 의해 수행된다.
제 2 충전 모드는 스위치 (SW2), 다이오드 (D2) 및 인덕터 (L2)에 의해 수행된다.
제 3 충전 모드는 스위치 (SW3), 다이오드 (D3) 및 인덕터 (L3)에 의해 수행된다.
제 4 충전 모드는 스위치 (SW4), 다이오드 (D4) 및 인덕터 (L4)에 의해 수행된다.
제 5 충전 모드는 스위치 (SW5), 다이오드 (D5) 및 인덕터 (L5)에 의해 수행된다.
제 6 충전 모드는 스위치 (SW6), 다이오드 (D6) 및 인덕터 (L6)에 의해 수행된다.
제 7 충전 모드는 스위치 (SW7)에 의해 수행된다.
이때 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)는 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)에 의해 제어된다. 이때 동일 번호의 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)가 복수의 스위치(SW1 ~ SW7) 각각을 제어한다. 즉, 충전 제어 신호(CTRL<1>)가 스위치(SW1)를 제어하고, 충전 제어 신호(CTRL<2>)가 스위치(SW2)를 제어하며, 이런 방식으로 충전 제어 신호(CTRL<7>)가 스위치(SW7)를 제어한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어 신호 드라이버의 구성을 나타낸 회로도이다.
상술한 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)는 다양한 스위칭 소자 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(FET)를 이용하여 구성할 수 있다.
이때 전계 효과 트랜지스터를 이용하는 경우, 전계 효과 트랜지스터를 제어하기 위한 전위와 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)의 전위가 다를 수 있다. 따라서 충전 제어 신호(CTRL<1:7>)를 전계 효과 트랜지스터에 전달하기 위한 드라이버가 필요하며, 스위치(SW1)를 제어하기 위한 드라이버로서 광학 스위칭 소자의 한 종류인 포토 모스(Photo MOS)를 사용한 회로 구성예가 도 4에 도시되어 있다.
이때 포토 모스 이외에도 포토 커플러(Photo Coupler)와 같은 다양한 광학 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
그리고 제어 신호(CTRL<1:7>)는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 펄스 신호가 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 포토 모스는 일측 즉, 발광 소자측이 제어부(30)의 충전 제어 신호(CTRL<1>) 출력단과 제어부(30)의 접지단(GND) 사이에 연결되며, 타측 즉, 수광 소자측이 전원단(VDD)과 스위치(SW1)의 게이트 단자 사이에 연결된다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예의 충전 모드들에 따른 배터리 충전 회로(1)의 동작 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 충전 모드들 중에서 모드 2를 나타낸 것이다. 이때 도 5에서 실선은 모드 2를 수행하는 회로와 소자를 나타낸다.
도 5와 같이, 모드 2가 선택된 경우, 스위치(SW2)가 PWM 형태의 펄스 신호인 제어 신호(CTRL<2>)에 응답하여 턴 온과 턴 오프를 반복한다.
스위치(SW2)가 턴 온 된 구간 동안에는 배터리(E2)의 전류가 인덕터(L2)에 자기 에너지 형태로 저장된다.
이후, 스위치(SW2)가 턴 오프되면 인덕터(L2)에 저장된 자기 에너지가 전기 에너지 즉, 전류 형태로 변환되어 다이오드(D2)를 통해 배터리(E1)를 충전한다.
도 6은 충전 모드들 중에서 모드 5를 나타낸 것이다. 이때 도 6에서 실선은 모드 5를 수행하는 회로와 소자를 나타낸다.
도 6과 같이, 모드 5가 선택된 경우, 스위치(SW5)가 PWM 형태의 펄스 신호인 제어 신호(CTRL<5>)에 응답하여 턴 온과 턴 오프를 반복한다.
스위치(SW5)가 턴 온 된 구간 동안에는 두 배터리(E1, E2)의 전류가 인덕터(L5)에 자기 에너지 형태로 저장된다.
이후, 스위치(SW5)가 턴 오프되면 인덕터(L5)에 저장된 에너지가 전기 에너지 즉, 전류 형태로 변환되어 다이오드(D5)를 통해 두 배터리(E3, E4)를 충전한다.
도 7은 충전 모드들 중에서 모드 6을 나타낸 것이다. 이때 도 7에서 실선은 모드 6을 수행하는 회로와 소자를 나타낸다.
도 7과 같이, 모드 6이 선택된 경우, 스위치(SW6)가 PWM 형태의 펄스 신호인 제어 신호(CTRL<6>)에 응답하여 턴 온과 턴 오프를 반복한다.
*스위치(SW6)가 턴 온 된 구간 동안에는 두 배터리(E3, E4)의 전류가 인덕터(L6)에 자기 에너지 형태로 저장된다.
이후, 스위치(SW6)가 턴 오프되면 인덕터(L6)에 저장된 에너지가 전기 에너지 즉, 전류 형태로 변환되어 다이오드(D6)를 통해 두 배터리(E1, E2)를 충전한다.
이때 BMS(Battery Management System)에서 전압 측정을 위한 상용 모니터링칩의 규격이 8개의 배터리를 기준으로 하는 경우가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 회로는 4개의 배터리를 기준으로 설계되었으므로 BMS에 효율적으로 적용 가능하다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 외부 전원을 이용하여 내부 전원을 생성하는 충전 전원부;
    상기 내부 전원을 제공받으며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 배터리, 제 2 배터리, 제 3 배터리 및 제 4 배터리 각각의 전압 레벨을 측정하여 측정 결과에 따라 결정되는 측정 신호를 출력하고, 충전 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 내지 제 4 배터리 중 적어도 하나를 선택적으로 충전하는 충전부; 및
    상기 측정 신호에 대응하여 기 저장된 상기 충전 제어 신호를 출력하는 제어부;를 포함하며,
    상기 충전 제어 신호는 하나의 충전 배터리를 이용하여 하나의 피충전 배터리를 충전하는 제 1 모드, 복수의 충전 배터리를 이용하여 복수의 피충전 배터리를 충전하는 제 2 모드, 상기 내부 전원을 이용하여 상기 제 1 내지 제 4 배터리의 일부 또는 전부를 충전하는 제 3 모드 중 적어도 어느 하나를 선택하는 신호인 배터리 충전 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전부는, 상기 제 1 내지 제 4 배터리 각각의 전압 레벨을 측정하여 상기 측정 신호를 생성하는 측정부; 및
    상기 충전 제어 신호에 응답하여 상기 제 1 내지 제 4 배터리 중 적어도 하나를 선택적으로 충전하는 충전 회로부;
    를 포함하는 배터리 충전 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 제 1 내지 제 4 배터리 각각의 전압 레벨을 디지털 형태의 상기 측정 신호로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하는 배터리 충전 회로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 회로부는 상기 제 1 내지 제 4 배터리와 선택적으로 연결되며, 상기 제 1 내지 제 4 배터리 중에서 선택된 적어도 하나의 배터리를 이용하여 상기 선택된 적어도 하나의 배터리와 직렬 연결된 적어도 다른 하나의 배터리를 충전하는 배터리 충전 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전부는 상기 제 1 내지 제 4 배터리 중 선택된 충전 배터리로부터 방전되는 전기 에너지를 저장하고, 저장된 상기 전기 에너지를 선택된 피충전 배터리로 전달하는 에너지 저장 소자; 및
    상기 선택된 충전 배터리를 이용하여 상기 선택된 피충전 배터리를 충전하도록, 상기 충전 제어 신호에 응답하여 상기 선택된 충전 배터리 및 상기 에너지 저장 소자를 선택적으로 연결하는 스위칭 소자;
    를 포함하는 배터리 충전 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에너지 저장소자는, 상기 선택된 충전 배터리로부터 방전되는 전기 에너지를 저장하는 인덕터; 및
    상기 인덕터에 저장된 상기 전기 에너지를 상기 선택된 피충전 배터리로 전달하는 다이오드;
    를 포함하는 배터리 충전 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어 신호를 상기 충전부에 전달하는 드라이버를 더 포함하는 배터리 충전 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 드라이버는 광학 스위칭 소자를 포함하는 배터리 충전 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 형태인 배터리 충전 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는, 상기 제 1 배터리를 이용하여 상기 제 2 배터리를 충전하는 모드, 상기 제 2 배터리를 이용하여 상기 제 1 배터리를 충전하는 모드, 상기 제 3 배터리를 이용하여 상기 제 4 배터리를 충전하는 모드, 상기 제 4 배터리를 이용하여 상기 제 3 배터리를 충전하는 모드를 포함하고,
    상기 제 2 모드는 상기 제 1 및 제 2 배터리를 이용하여 상기 제 3 및 제 4 배터리를 충전하는 모드 및 상기 제 3 및 제 4 배터리를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 배터리를 충전하는 모드를 포함하는 배터리 충전 회로.
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