KR101578867B1 - 균형 충전 회로를 포함하는 배터리 충전회로 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전회로는 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)의 일단과 타단 사이로 메인 충전 전류경로를 형성하는 메인 충전 스테이지와, 복수의 단위 전지셀의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전 전류경로를 선택적으로 형성하는 복수의 균형 충전 스테이지와, 메인 충전 스테이지 및 복수의 균형 충전 스테이지에 충전 전류를 공급하는 충전 전원 공급부를 포함한다.

Description

균형 충전 회로를 포함하는 배터리 충전회로{BATTERY CHARGING CIRCUIT HAVING CELL BALANCING CIRCUIT}
본 발명은 배터리 관리 시스템(BMS)에 관한 것으로서, 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)이 모두 동일한 목표전압까지 빠르게 충전될 수 있도록 제어하는 회로에 관한 것이다.
이차전지로 만들어진 배터리, 특히 리튬 배터리 등은 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)을 통해서 구성된다. 일반적으로 높은 전위를 출력하기 위해서, 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)은 서로 직렬로 연결되어 있다. 이때, 각각의 단위 전지셀은 동일한 전해질 물질을 이용하여 동일한 구조로 제조되더라도 충전, 방전, 자가 방전 등의 특성 차이가 발생한다.
반복적인 충전 및 방전 동작이 수행될 경우, 복수의 단위 전지셀의 특성의 차이로 인해서 각 단위 전지셀마다 충전되는 전압의 차이가 발생한다. 즉, 특정 단위 전지셀은 과충전이 될 수 있으며, 특정 단위 전지셀은 목표전압까지 충전되지 못하는 경우가 발생한다. 충전 및 방전 횟수가 많이 질수록 이러한 특성 차이로 인해서 충전 효율이 떨어지며, 배터리의 수명이 단축된다.
본 발명은 균형충전회로를 구비하여 단위 전지 셀들이 균일하게 충전될 수 있는 배터리 충전회로를 제공한다.
또한, 본 발명은 회로의 사이즈가 작은 대전류용 균형 충전을 포함한 균형 충전 회로 및 배터리 충전회로를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)들과; 상기 단위 전지셀들에 메인 충전 전류경로를 형성하는 메인 충전 스테이지; 상기 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전 전류경로를 선택적으로 형성하는 복수의 균형 충전 스테이지; 및 상기 메인 충전 스테이지 및 상기 복수의 균형 충전 스테이지에 충전 전류를 공급하는 충전 전원 공급부;를 포함하는 배터리 충전회로가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)을 구비하는 배터리부; 메인 충전 선택신호에 응답하여 상기 배터리부에 메인 충전전류를 선택적으로 전달하는 메인 충전 선택부; 상기 복수의 단위 전지셀의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 균형 충전 선택코드의 코드값에 따라 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전전류를 선택적으로 공급하는 복수의 균형 충전전류 공급부; 상기 메인 충전 선택부 및 상기 복수의 균형 충전전류 공급부에 충전전류를 공급하는 충전 전원 공급부; 상기 복수의 단위 전지셀에 충전된 전압을 검출하는 충전전압 검출부; 및 상기 충전전압 검출부의 검출결과에 따라 상기 메인 충전 선택신호 및 상기 균형 충전 선택코드를 조절하는 충전 제어부;를 포함하는 배터리 충전회로가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전 전류경로를 선택적으로 형성하는 균형 충전 회로에 있어서, 상기 균형 충전 회로는, 내부 저항값에 따라 균형 충전전류의 크기를 조절하여 구동하는 복수의 전류 구동부; 및 상기 복수의 전류 구동부에 각각 할당되며, 할당된 전류 구동부에서 구동되는 상기 균형 충전전류를 선택된 단위 전지셀에 공급하거나, 바이패스 시키도록 구성되는 복수의 전류 전달부를 포함하는 균형 충전 회로가 제공된다.
본 발명을 적용한 배터리 관리 시스템(BMS)은 고속 균형 충전을 수행할 수 있으므로, 배터리 충전 효율을 향상 시킬 수 있다. 또한, 안정된 균형 충전을 통해서 배터리 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전회로의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배터리 충전회로의 좀 더 구체적인 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전회로의 구성도이다.
본 실시예에 따른 배터리 충전회로는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전회로는 배터리부(10)와, 메인 충전 스테이지(MS0,MS1)와, 복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)와, 충전 전원 공급부(30)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 배터리 충전회로의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
배터리부(10)는 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)로 구성된다. 여기에서 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)은 이차 전지용 물질인 리튬 이온 또는 리튬 폴리머등으로 구성될 수 있다.
메인 충전 스테이지(MS0,MS1)는 배터리부(10)에 메인 충전전류를 선택적으로 전달한다. 본 실시예에서 메인 충전 스테이지(MS0,MS1)는 적어도 두 개의 즉, 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)중 제1 단위 전지셀(CELL1)의 양극과 충전 전원 공급부(30) 사이에 접속되는 전류 소싱용 메인 스위칭부(MS0)와, 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)중 제N 단위 전지셀(CELLN)의 음극과 충전 전원 공급부(30) 사이에 접속되는 전류 싱킹용 메인 스위칭부(MS1)로 구성된다.
통상적으로 메인 충전 스테이지에 비해 작은 전류로 충전하는 복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전전류를 선택적으로 공급한다.
복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)는 각각 동일한 회로로 구성되므로, 대표적으로 제1 균형 충전 스테이지(20_1)의 세부구성 및 주요 내부동작을 설명하기로 한다.
제1 균형 충전 스테이지(20_1)는 제1 전류 구동부(ZD1,RZ1,R1,S1,BJT1)와, 제1 전류 전달부(CS11)와, 제2 전류 전달부(CS21)로 구성된다. 여기에서 제1 전류 구동부( ZD1,RZ1,R1,S1,BJT1)는 R1의 저항값에 따라 균형 충전전류의 크기를 조절하여 구동한다. 본 실시예에서 제1 전류 구동부(ZD1,RZ1,R1,S1,BJT1)는 제너 다이오드(ZD1)와 제너 다이오드 연결 저항(RZ1)과, 베이스 저항(R1)과, 바이폴라 트랜지스터(BJT1)와, 베이스 스위치(S1)으로 구성된다. 바이폴라 트랜지스터(BJT1)는 베이스 저항(R1)을 통해서 흐르는 전류크기에 대응하는 크기를 갖는 균형 충전전류를 구동한다. 베이스 스위치(S1)는 베이스 저항(R1)과 바이폴라 트랜지스터(BJT1) 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되며, 활성화 되었을 때 바이폴라 트랜지스터(BJT1)가 균형 충전전류를 구동한다. 균형충전은 보통 단위 전지셀이 충전 목표전압에 가까운 전위를 가질 때 이루어지며, 전류가 각 균형 충전 스테이지를 통과할 때 발생하는 전압강하는 단위 전지셀의 충전 목표전압에 가깝게 하여 충전부의 정전압 충전을 용이하게 한다. 따라서 직렬로 연결된 제너 다이오드(ZD1)와 제너 다이오드 연결 저항(RZ1)으로 바이폴라 트랜지스터(BJT1)의 전압강하가 충전 목표전압과 같게 한다. 즉, 제너 다이오드(ZD1)와 제너 다이오드 연결 저항(RZ1)의 값은 대응되는 해당 단위 전지셀의 충전 목표전압에 대응되도록 설정한다. 제너 다이오드 연결 저항(RZ1)은 제너 다이오드(ZD1)와 함께 적절한 전압강하를 만들고, 또한 흐르는 전류의 양의 조절을 가능하게 한다. 이때, 제2 단위 전지셀(CELL2)에 공급되는 균형 충전전류의 최대값은 베이스 저항(R1)의 저항값에 의해서 결정된다. 즉, 베이스 저항(R1)을 통해서 흐르는 전류의 크기에 따라 균형 충전 전류값이 결정된다. 도시한 바와 같이 바이폴라 트랜지스터(BJT1)는 NPN 타입 또는 PNP 타입 트랜지스터로 구성될 수 있다.
또한 상기 균형 충전 스테이지(20_1~20_N) 각각은, 보다 많은 전류를 통과시키기 위해 도시한 바와 같이 NPN 타입 또는 PNP 타입 트랜지스터로 구성된 전류 구동부를 복수개 구비하고, 이를 병렬로 연결하는 구조로 만들 수 있다. 또한 n 채널 모스펫(n-channel MOSFET) 혹은 p 채널 모스펫(p-channel MOSFET)을 이용하여 각 전류 구동부를 만들 수 있다. 베이스 저항(R1)은 바이폴라 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터와 베이스 사이에 역바이어스를 형성하여 바이폴라 트랜지스터(BJT1)가 활성모드에서 동작되도록 한다. 베이스 스위치(S1)를 통해서 흐르는 소전류인 베이스 전류를 조절하여 바이폴라 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터와 이미터 사이에 대전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
제1 전류 전달부(CS11)는 제1 전류 구동부(ZD1,RZ1,R1,S1,BJT1)에서 구동되는 균형 충전전류를 제2 단위 전지셀(CELL2)에 선택적으로 공급한다. 즉, 제1 전류 전달부(CS11)는 균형 충전전류 유입 전류경로를 형성한다. 또한, 제2 전류 전달부(CS21)는 균형 충전전류가 제2 균형 충전 스테이지(20_2)의 전류 구동부(ZD2,RZ2,R2,S2,BJT2)로 전달되게 한다. 즉, 제2 전류 전달부(CS21)는 유출 전류경로를 형성한다. 복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)는 서로 선택적으로 연결되며, 유출 전류경로를 통해서 바이패스된 균형 충전전류는 서로 연결된 균형 충전 스테이지를 통해서 선택적으로 전달된다. 여기에서 복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)가 연결된다는 것은, 전류 구동부의 구성하는 각각의 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이에 전류가 흐른다는 것을 의미한다. 제1 단위 전지셀(CELL1)은 제1 전류 구동부(ZD1,RZ1,R1,S1,BJT1)를 제외한 다른 전류 구동부에 전류가 흐르게 하면 충전된다. 또한 제N 단위 전지셀(CELLN)은 제N 전류 구동부(ZDN,RZN,RN,SN,BJTN)를 제외한 다른 전류 구동부에 전류가 흐르게 하면 충전된다. 상시 일어날 수 있는 방전 폐회로는 두 개의 다이오드인 MD0와 MD1에 만들어진다.
제1 전류 전달부(CS11) 및 제2 전류 전달부(CS21)는 선택된 단위 전지셀에 균형 충전전류가 전달될 수 있도록, 균형 충전전류 유입 전류경로 및 유출 전류경로를 선택적으로 형성한다. 제1 전류 전달부(CS11) 및 제2 전류 전달부(CS21) 각각은, 제1 전류 구동부와 제1 단위 전지셀의 음극 및 제2 단위 전지셀의 양극 사이에 접속되는 스위치로 구성될 수 있다. 즉, 스위치가 턴온(turn on) 되었을 때 전류경로를 형성하고, 스위치가 턴오프(turn off) 되었을 때 전류경로를 형성하지 않는다. 예를 들어 제2 단위 전지셀(CELL2)에만 균형 충전전류를 공급하기 위해서는, 제1 균형 충전 스테이지(20_1)의 제1 전류 전달부(CS11)가 균형 충전전류 유입 전류경로를 형성하여 제2 단위 전지셀(CELL2)의 양극에 전류를 소싱(sourcing)하고, 제2 균형 충전 스테이지(20_2)의 제2 전류 전달부(CS22)가 균형 충전전류 유출 전류경로를 형성하여 제2 단위 전지셀(CELL2)의 음극에 전류를 싱킹(sinking)해야 한다.
메인 충전 스테이지(MS0,MS1)와 복수의 균형 충전 스테이지(20_1~20_N)에 의해서 메인 충전 전류경로 및 균형 충전 전류경로가 형성되는 동작을 예시를 통해서 설명하기로 한다.
우선, 전류 소싱용 메인 스위칭부(MS0) 및 전류 싱킹용 메인 스위칭부(MS1)가 활성화 되면, 메인 충전 전류경로가 형성되어 충전 전원 공급부(30)에서 공급되는 충전전류가 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)에 공급된다. 메인 충전 스테이지는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN) 중 어느 하나가 목표전압에 도달할 때까지 활성화 된다.
다음으로, 메인 충전 스테이지가 비활성화 된 이후 (즉, 단위 전지셀들 중에서 일부의 단위 전지셀이 목표 전압에 도달한 이후)에 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)이 모두 목표전압에 도달할 때까지 복수의 균형 충전 스테이지가 선택적으로 활성화 되어 균형 충전 전류경로가 형성된다. 이때, 전류 소싱용 메인 스위칭부(MS0) 및 전류 싱킹용 메인 스위칭부(MS1)는 턴오프(turn off) 되고, 전류 소싱용 균형 스위칭부(BS0) 및 전류 싱킹용 균형 스위칭부(BS1)는 턴온(turn on) 된다.
예를 들어 제2 단위 전지셀(CELL2)에 균형 충전전류가 공급되는 동작을 설명하면 다음과 같다. 전류 소싱용 균형 스위칭부(BS0) 및 전류 싱킹용 균형 스위칭부(BS1)가 활성화 되고, 제2 균형 충전 스테이지(20_2)의 베이스 스위치(S2)를 제외한 모든 베이스 스위치(S1,S3~SN)가 활성화 되고, 제1 균형 충전 스테이지(20_1)의 제1 전류 전달부(CS11) 및 제2 균형 충전 스테이지(20_2) 의 제2 전류 전달부(CS22)가 활성화 되면 도 1에 도시한 바와 같은 균형 충전 전류경로가 형성되어 제2 단위 전지셀(CELL2)에 균형 충전전류가 전달된다. 제2 단위 전지셀(CELL2)이 목표전압에 도달하면 균형 충전전류의 공급이 중단된다.
도 2는 도 1의 배터리 충전회로의 좀 더 구체적인 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 충전회로는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 충전회로는 배터리부(10)와, 메인 충전 선택부(MS0,MS1)와, 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)와, 충전 전원 공급부(30)와, 충전전압 검출부(40)와, 충전 제어부(50)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 배터리 충전회로의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
배터리부(10)는 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)로 구성된다. 여기에서 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)은 이차 전지용 물질인 리튬 이온 또는 리튬 폴리머등으로 구성될 수 있다.
메인 충전 선택부(MS0,MS1)는 메인 충전 선택신호에 응답하여 배터리부(10)에 메인 충전전류를 선택적으로 전달한다. 본 실시예에서 메인 충전 선택부(MS0,MS1)는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)의 일단과 충전 전원 공급부(30) 사이에 접속되며, 메인 충전 선택신호의 제어에 따라 선택적으로 활성화 되는 전류 소싱용 메인 스위칭부(MS0)와, 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)의 타단과 충전 전원 공급부(30) 사이에 접속되며, 메인 충전 선택신호의 제어에 따라 선택적으로 활성화 되는 전류 싱킹용 메인 스위칭부(MS1)로 구성된다.
복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 균형 충전 선택코드의 코드값에 따라 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전전류를 선택적으로 공급한다.
복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)는 각각 동일한 구조의 회로로 구성되므로, 대표적으로 제1 균형 충전전류 공급부(20_1)의 세부구성 및 주요 내부동작을 설명하기로 한다.
제1 균형 충전전류 공급부(20_1)는 제1 전류 구동부(21_1)와, 복수의 전류 전달부(22_1)로 구성된다. 본 실시예에서 복수의 전류 전달부(22_1)는 제1 전류 전달부(CS11)와, 제2 전류 전달부(CS21)로 구성된다. 제1 전류 구동부(21_1)는 내부 저항값에 따라 균형 충전전류의 크기를 조절하여 구동한다. 본 실시예에서 제1 전류 구동부(21_1)는 제너 다이오드(ZD1), 제너 가변 저항(RZ1), 가변 저항(R1)과, 바이폴라 트랜지스터(BJT1)와, 베이스 스위치(S1)로 구성된다. 바이폴라 트랜지스터(BJT1)는 가변저항(R1)을 통해서 흐르는 전류크기에 대응하는 크기를 갖는 균형 충전전류를 구동한다. 베이스 스위치(S1)는 가변저항(R1)과 바이폴라 트랜지스터(BJT1) 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되며, 활성화 되었을 때 바이폴라 트랜지스터(BJT1)가 균형 충전전류를 구동한다. 제2 단위 전지셀(CELL2)에 공급되는 균형 충전전류의 최대값은 가변저항(R1)의 저항값에 의해서 결정된다. 즉, 가변저항(R1)을 통해서 흐르는 전류의 크기에 따라 균형 충전전류의 최대값이 결정된다. 참고적으로 가변저항(R1)은 바이폴라 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터와 베이스 사이에 역바이어스를 형성하여 바이폴라 트랜지스터(BJT1)가 활성모드에서 동작되도록 한다. 베이스 스위치(S1)를 통해서 흐르는 소전류인 베이스 전류를 조절하여 바이폴라 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터와 이미터 사이에 고전류가 흐르도록 제어할 수 있다. 바이폴라 트랜지스터(BJT1)를 통해 단위 전지 셀에 인가되는 전류의 양은 제너 다이오드(ZD1)와 제너 가변 저항(RZ1)에 따라 결정된다. 따라서 제너 다이오드(ZD1) 및 제너 가변 저항(RZ1)의 값을 적절하게 설정하여 단위 전지셀의 최대 허용 충전전압을 맞출 수 있다.
제1 전류 전달부(CS11)는 제1 전류 구동부(21_1)에서 구동되는 균형 충전전류를 제2 단위 전지셀(CELL2)에 선택적으로 공급한다. 즉, 제1 전류 전달부(CS11)는 균형 충전전류 유입 전류경로를 형성한다. 또한, 제2 전류 전달부(CS21)는 균형 충전전류가 제2 단위 전지셀(CELL2)에 전달되지 않도록 바이패스 시키며, 바이패스된 균형 충전전류는 제2 균형 충전전류 공급부(20_2)의 전류 구동부(21_2)로 전달된다. 즉, 제2 전류 전달부(CS21)는 유출 전류경로를 형성한다. 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)는 서로 선택적으로 연결되며, 바이패스된 균형 충전전류는 서로 연결된 균형 충전전류 공급부를 통해서 선택적으로 전달된다. 여기에서 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)가 연결된다는 것은, 전류 구동부의 구성하는 각각의 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이에 전류가 흐른다는 것을 의미한다.
충전 전원 공급부(30)는 메인 충전 선택부(MS0,MS1) 및 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)에 충전전류를 공급한다.
충전전압 검출부(40)는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)에 충전된 전압을 검출하여, 그 검출결과를 출력한다. 충전전압 검출부(40)는 각 단위 전지셀(CELL1~CELLN)에 충전된 전압을 검출하는 구성들 및 각각 검출된 아날로그 신호(전압)을 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터로 구성될 수 있다.
충전 제어부(50)는 충전전압 검출부(40)의 검출결과에 따라 메인 충전 선택부 및 균형 충전 선택부의 각 스위칭부들을 제어하여 복수 단위 전지셀들의 메인 충전 및 균형 충전 동작을 제어한다. 즉, 충전 제어부(50)는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN) 중 어느 하나가 목표전압에 도달할 때까지 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)에 메인 충전전류를 공급하도록 제어하고, 메인 충전전류의 공급이 중단된 이후에 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)이 모두 목표전압에 도달할 때까지 균형 충전전류가 공급되도록 제어한다. 참고적으로 충전 제어부(50)는 일반적인 마이크로 컨트롤러를 이용하여 구성될 수 있다.
한편, 충전 제어부(50)에서 출력되는 메인 충전 선택신호 및 균형 충전 선택코드는 도면에 미도시 되어 있으나, 메인 충전 선택신호는 전류 소싱용 메인 스위칭부(MS0) 및 전류 싱킹용 메인 스위칭부(MS1)를 제어하는 신호로서 정의된다. 또한, 균형 충전 선택코드는 전류 소싱용 균형 스위칭부(BS0), 전류 싱킹용 균형 스위칭부(BS1), 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)에 포함된 스위치 소자(S1~SN, CS11~CS1N, CS21~CS2N)를 제어하는 신호로서 정의된다.
본 실시예의 배터리 충전회로에서 메인 충전 전류경로 및 균형 충전 전류경로가 형성되는 동작을 예시를 통해서 설명하기로 한다.
우선, 메인 충전 선택부(MS0,MS1)가 활성화 되면, 메인 충전 전류경로가 형성되어 충전 전원 공급부(30)에서 공급되는 충전전류가 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)에 공급된다. 메인 충전전류는 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN) 중 어느 하나가 목표전압에 도달할 때까지 활성화 된다.
다음으로, 메인 충전 선택부(MS0,MS1)가 비활성화 된 이후에 복수의 단위 전지셀(CELL1~CELLN)이 모두 목표전압에 도달할 때까지 복수의 균형 충전전류 공급부(20_1~20_N)가 선택적으로 활성화 되어 균형 충전전류를 공급한다.
예를 들어 제2 내지 제4 단위 전지셀(CELL2,CELL3,CELL4)에 균형 충전전류가 공급되는 동작을 설명하면 다음과 같다. 전류 소싱용 균형 스위칭부(BS0) 및 전류 싱킹용 균형 스위칭부(BS1)가 활성화 되고, 제2 내지 제4 균형 충전전류 공급부(20_2,20_3,20_4)의 베이스 스위치(S2,S3,S4)를 제외한 모든 베이스 스위치(S1,S5~SN)가 활성화 되고, 제1 균형 충전전류 공급부(20_1)의 제1 전류 전달부(CS11) 및 제4 균형 충전전류 공급부(20_4)의 제2 전류 전달부(CS24)가 활성화 되면 도 2에 도시한 바와 같은 균형 충전 전류경로가 형성되어 제2 내지 제4 단위 전지셀(CELL2,CELL3,CELL4)에 균형 충전전류가 전달된다. 제2 내지 제4 단위 전지셀(CELL2,CELL3,CELL4)이 목표전압에 도달하면 균형 충전전류의 공급이 중단된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전회로는 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 대전류를 통해서 빠르게 균형 충전을 수행할 수 있으므로, 배터리 충전 효율을 향상 시킬 수 있다. 통상적으로 메인 충전 스테이지에서 정전류 충전기법을 사용하므로 전지셀들이 목표전압에 거의 도달하면, 충전부의 출력전압의 큰 변화없이 안정된 균형 충전을 통해서 배터리 수명을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
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.
10 : 배터리부
20_1~20_N : 복수의 균형 충전전류 공급부, 복수의 균형 충전 스테이지
21_1~21_N : 전류 구동부
22_1~22_N : 전류 전달부

Claims (17)

  1. 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)들과;
    상기 단위 전지셀들에 메인 충전 전류경로를 형성하는 메인 충전 스테이지;
    상기 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전 전류경로를 선택적으로 형성하는 복수의 균형 충전 스테이지; 및
    상기 메인 충전 스테이지 및 상기 복수의 균형 충전 스테이지에 충전 전류를 공급하는 충전 전원 공급부;를 포함하고,
    상기 복수의 균형 충전 스테이지는 각각,
    내부 저항값에 따라 균형 충전전류의 크기를 조절하여 구동하는 전류 구동부; 및
    목표 전압값에 도달한 단위 전지 셀에는 상기 균형 충전전류를 바이패스시키고, 상기 목표 전압값에 도달하지 못한 단위 전지 셀에는 상기 균형 충전 전류를 선택적으로 공급하도록 구성되는 복수의 전류 전달부를 포함하는 배터리 충전회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전지셀 중 어느 하나가 목표전압에 도달할 때까지 상기 메인 충전 스테이지가 활성화 되고, 상기 메인 충전 스테이지가 비활성화 된 이후에 상기 복수의 단위 전지셀이 모두 상기 목표전압에 도달할 때까지 상기 복수의 균형 충전 스테이지가 선택적으로 활성화 되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전지셀은 리튬 이온 또는 리튬 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 충전 스테이지는,
    상기 복수의 단위 전지셀의 일단과 상기 충전 전원 공급부 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되는 전류 소싱용 메인 스위칭부; 및
    상기 복수의 단위 전지셀의 타단과 상기 충전 전원 공급부 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되는 전류 싱킹용 메인 스위칭부를 포함하는 배터리 충전회로.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 균형 충전 스테이지는 서로 선택적으로 연결되며, 바이패스된 상기 균형 충전전류는 서로 연결된 균형 충전 스테이지를 통해서 선택적으로 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류 구동부는,
    베이스 저항;
    상기 베이스 저항을 통해서 흐르는 전류크기에 대응하는 크기를 갖는 상기 균형 충전전류를 구동하는 바이폴라 트랜지스터; 및
    상기 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 이미터사이의 전압 조정을 하는 제너 다이오드;
    상기 제너 다이오드를 통하는 전류 조정 및 추가적인 전압 조정을 하는 제너 다이오드 연결 저항; 및
    상기 베이스 저항과 상기 바이폴라 트랜지스터 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되는 베이스 스위치를 포함하는 배터리 충전회로.
  8. 제7항에 있어서,
    병렬로 연결된 상기 전류 구동부가 복수개 구비되며, 복수개의 상기 전류 구동부는 선택적으로 전류를 구동하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  9. 서로 직렬로 연결된 복수의 단위 전지셀(Unit Battery Cell)을 구비하는 배터리부;
    메인 충전 선택신호에 응답하여 상기 배터리부에 메인 충전전류를 선택적으로 전달하는 메인 충전 선택부;
    상기 복수의 단위 전지셀의 각 단위 전지셀 사이에 연결되며, 균형 충전 선택코드의 코드값에 따라 선택된 하나 또는 그 이상의 단위 전지셀에 균형 충전전류를 선택적으로 공급하는 복수의 균형 충전전류 공급부;
    상기 메인 충전 선택부 및 상기 복수의 균형 충전전류 공급부에 충전전류를 공급하는 충전 전원 공급부;
    상기 복수의 단위 전지셀에 충전된 전압을 검출하는 충전전압 검출부; 및
    상기 충전전압 검출부의 검출결과에 따라 상기 메인 충전 선택신호 및 상기 균형 충전 선택코드를 조절하는 충전 제어부;를 포함하고,
    상기 복수의 균형 충전전류 공급부는 각각,
    내부 저항값에 따라 균형 충전전류의 크기를 조절하여 구동하는 전류 구동부; 및
    상기 균형 충전 선택코드의 제어에 따라, 목표 전압값에 도달한 단위 전지 셀에는 상기 균형 충전전류를 바이패스시키고, 상기 목표 전압값에 도달하지 못한 단위 전지 셀에는 상기 균형 충전 전류를 선택적으로 공급하도록 구성되는 복수의 전류 전달부를 포함하는 배터리 충전회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 복수의 단위 전지셀 중 어느 하나가 목표전압에 도달할 때까지 상기 메인 충전전류를 공급하도록 제어하고, 상기 메인 충전전류의 공급이 중단된 이후에 상기 복수의 단위 전지셀이 모두 상기 목표전압에 도달할 때까지 상기 균형 충전전류가 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 단위 전지셀은 리튬 이온 또는 리튬 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 메인 충전 선택부는,
    상기 복수의 단위 전지셀의 일단과 상기 충전 전원 공급부 사이에 접속되며, 상기 메인 충전 선택신호의 제어에 따라 선택적으로 활성화 되는 전류 소싱용 메인 스위칭부; 및
    상기 복수의 단위 전지셀의 타단과 상기 충전 전원 공급부 사이에 접속되며, 상기 메인 충전 선택신호의 제어에 따라 선택적으로 활성화 되는 전류 싱킹용 메인 스위칭부를 포함하는 배터리 충전회로.
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 균형 충전 선택코드의 제어에 따라 상기 복수의 균형 충전전류 공급부는 서로 선택적으로 연결되며, 바이패스된 상기 균형 충전전류는 서로 연결된 균형 충전전류 공급부를 통해서 선택적으로 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 전류 구동부는,
    가변저항;
    상기 가변저항을 통해서 흐르는 전류크기에 대응하는 크기를 갖는 상기 균형 충전전류를 구동하는 바이폴라 트랜지스터; 및
    상기 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터와 이미터사이의 전압 조정을 하는 제너 다이오드;
    상기 제너 다이오드를 통하는 전류 조정 및 추가적인 전압 조정을 하는 제너 가변저항; 및
    상기 가변저항과 상기 바이폴라 트랜지스터 사이에 접속되어 선택적으로 활성화 되는 베이스 스위치를 포함하는 배터리 충전회로.
  16. 제15항에 있어서,
    병렬로 연결된 상기 전류 구동부가 복수개 구비되며, 복수개의 상기 전류 구동부는 선택적으로 전류를 구동하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 충전 제어부는,
    상기 가변저항의 저항값의 조절 및 병렬로 연결된 상기 복수개의 전류 구동부가 선택적으로 구동되도록 제어하여 상기 균형 충전전류의 최대크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
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