KR101581781B1

KR101581781B1 - 배터리 충전 장치

Info

Publication number: KR101581781B1
Application number: KR1020140186695A
Authority: KR
Inventors: 이동희; 박노식
Original assignee: 경성대학교 산학협력단
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-12-31

Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 배터리 충전 장치는 전원과 전기적으로 연결되고 제어신호에 따라 턴온되면 배터리를 충전하도록 스위칭 동작하는 스위칭부와, 배터리 전류를 기설정된 제1임계 전류값과 비교하는 제1비교기와, 배터리 전류를 제1임계 전류값보다는 낮은 기설정된 제2임계 전류값과 비교하는 제2비교기와, 기설정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 발생시키되, 제1비교기의 출력에 기초하여 리셋 동작하는 PWM 신호 발생부와, PWM 신호를 입력받아 스위칭부를 턴온하거나 턴오프하기 위한 제어신호를 생성하고 제2비교기의 출력에 기초하여 스위칭부를 턴오프하도록 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부와, 스위칭부가 턴오프되면 배터리의 전압을 측정하여 충전상태를 파악하는 배터리전압 측정부를 포함한다.
이에 따라, 배터리의 충전전류와 충전전압을 구분하여 검출하도록 제한적인 PWM 신호를 사용하여 배터리의 상태 모니터링을 정확하게 할 수 있고, 배터리의 충전전류가 안정적이고 이상 없이 충전될 수 있도록 제어할 수 있다.

Description

배터리 충전 장치{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY}

본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로서, 배터리를 안정적으로 충전하도록 하면서도 충전상태의 검출이 가능한 배터리 충전 장치에 관한 것이다.

배터리와 같은 2차 전지는 최근 연속적으로 전원이 공급되어야 하는 비상장치 및 통신장치와 중요 데이터 저장장치에 매우 다양하게 사용되고 있다. 특히, 이송 및 이동장치에 있어서 배터리의 사용은 크게 증가하고 있다. 배터리를 사용하는 장치에 있어서, 부하에 연속적인 전원의 공급과 배터리가 안정적으로 충전될 수 있도록 제어하는 충전 및 방전 회로와 제어는 배터리의 수명과 시스템의 안정성을 위한 매우 중요한 기술이다.

종래에는 배터리를 충전하는 방식과 배터리의 충전량을 검출하는 방식의 기술들이 제안되었다. 특히, 과충전 검출회로와 과방전 검출회로를 가지는 충방전 제어 회로 및 배터리 장치와 배터리 팩을 열화시키지 않는 정전압 충전기술 및 충전구간을 구분하여 충전하는 기술 등이 제안되었었다.

하지만, 종래에 제안된 방식에서는 배터리의 충전에 있어서 일반적인 PWM 및 비교 신호만을 사용하여 충전을 하도록 하여 시스템의 이상이나, 배터리의 이상충전에 대해 대응하기 어려운 문제가 있어왔다. 특히, 전압 및 전류 충전방식에서 연속적인 충전을 하는 기술에서는 배터리의 전압이 충전회로의 전압과 동일하게 인식되어 실제 배터리의 전압을 모니터링 함에 있어 충전전압 자체를 인식하는 문제가 있어 왔다. 또한, 전원공급장치에서 이상이 있어, 배터리에서 부하로 전원을 공급하는 경우에 있어서도, 전원공급장치의 특정한 오류에서는 배터리의 전류가 전원공급장치로 역류하여 배터리의 용량이 충분히 부하로 공급되지 아니한 경우도 있어왔다.

KR

1019960016049

A

KR

1020030072734

A

KR

1020110076119

A

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리의 충전전류와 충전전압을 구분하여 검출하도록 제한적인 PWM 신호를 사용하여 배터리의 상태 모니터링을 정확하게 할 수 있고, 배터리의 충전전류가 안정적이고 이상 없이 충전될 수 있도록 제어할 수 있는 배터리 충전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일면에 따른 배터리 충전 장치는 전원과 전기적으로 연결되고 제어신호에 따라 턴온되면 배터리를 충전하도록 스위칭 동작하는 스위칭부와, 배터리 전류를 기설정된 제1임계 전류값과 비교하는 제1비교기와, 배터리 전류를 제1임계 전류값보다는 낮은 기설정된 제2임계 전류값과 비교하는 제2비교기와, 기설정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 발생시키되, 제1비교기의 출력에 기초하여 리셋 동작하는 PWM 신호 발생부와, PWM 신호를 입력받아 스위칭부를 턴온하거나 턴오프하기 위한 제어신호를 생성하고 제2비교기의 출력에 기초하여 스위칭부를 턴오프하도록 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부와, 스위칭부가 턴오프되면 배터리의 전압을 측정하여 충전상태를 파악하는 배터리전압 측정부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 배터리의 충전전류와 충전전압을 구분하여 검출하도록 제한적인 PWM 신호를 사용하여 배터리의 상태 모니터링을 정확하게 할 수 있고, 배터리의 충전전류가 안정적이고 이상 없이 충전될 수 있도록 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타내는 회로도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서 배터리 충전 제어 모듈을 나타내는 회로도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서, 배터리의 충전 상태에 따른 제어신호를 설명하기 위한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서, 스위칭부의 동작에 따른 배터리 충전 전류 상태를 도시하는 그래프이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 충전 장치를 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타내는 회로도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서 배터리 충전 제어 모듈을 나타내는 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서, 배터리의 충전 상태에 따른 제어신호를 설명하기 위한 그래프이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(10)는 전류 센서부(110), 배터리 충전 제어 모듈(120), 스위칭부(130), 배터리전압 측정부(140)를 포함한다.

전류 센서부(110)는 배터리 전류(ibat)를 측정한다.

배터리 충전 제어 모듈(120)은 제1비교기(121)와, 제2비교기(122)와, PWM 신호 발생부(124)와, 제어신호 생성부(123)를 포함한다.

여기서, 제1비교기(121)는 배터리 전류(ibat)를 기설정된 제1임계 전류값(Ish)과 비교하고, 제2비교기(122)는 배터리 전류(ibat)를 제1임계 전류값(Ish)보다는 낮은 기설정된 제2임계 전류값(Isl)과 비교한다. 예컨대, 도 3을 참조하여 설명하면, 제2비교기(122)는 배터리 전류(ibat)와 제2임계 전류값(Isl)을 비교한 결과에 기초하여 클리어신호(/CLR)를 출력한다. 구체적으로, 제2비교기(122)는 배터리 전류(ibat)가 제2임계 전류값(Isl)보다 높아지는 시점(t1,t5,t8)에 클리어신호(/CLR)를 Low상태로 출력하고, 스위칭부(130)를 턴오프 시키도록 제어하는 제어신호(SQ1)를 출력하도록 제어신호 생성부(123)를 제어한다. 여기서, 배터리 전류(ibat)는 스위칭 지연으로 인하여 턴오프 시점인 t1에서 td시간만큼 지연된 후인 t2에서부터 감소하게 된다. 만일 제1비교기(121)에 의해 배터리 전류(ibat)가 제1임계 전류값(Ish)을 초과하는 것으로 판단되는 경우(t11)에는, 제1비교기(121)에서 리셋신호(/RESET)를 발생시켜 PWM신호도 완전히 차단시킴으로써, 배터리 전류(ibat)가 더 이상 충전되지 않도록 한다.

PWM 신호 발생부(124)는 기설정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 발생시키되, 제1비교기(121)의 출력에 기초하여 리셋 동작한다. 예컨대, 배터리 전압 검출을 위한 시간확보와 배터리의 효율적인 충전을 위하여, PWM 신호의 듀티비는 전체 샘플링 시간(Ts)의 95[%]를 넘지 않는 것일 수 있다.

제어신호 생성부(123)는 PWM 신호를 입력받아 스위칭부(130)를 턴온하거나 턴오프하기 위한 제어신호를 생성하고, 제2비교기(122)의 출력에 기초하여 스위칭부(130)를 턴오프하도록 하는 제어신호(SQ1)를 생성한다. 예컨대, 도 3을 참조하여 설명하면, 제어신호 생성부(123)는 PWM 신호가 발생하는 시점(t0,t4,t7,t9)에 스위칭부(130)가 턴온되도록 하는 제어신호(SQ1)를 생성하고, 배터리 전류(ibat)가 제2임계 전류값(Isl)보다 높아지는 시점(t1,t5,t8)부터는 스위칭부(130)를 턴오프 시키도록 제어하는 제어신호(SQ1)를 출력하게 된다.

스위칭부(130)는 전원과 전기적으로 연결되고, 제어신호(SQ1)에 따라 턴온되면 배터리(100)를 충전하도록 스위칭 동작한다.

배터리전압 측정부(140)는 스위칭부(130)가 턴오프되면 배터리 전압(Vbat)을 측정하여 충전상태를 파악한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(10)는 배터리(100)로부터 부하(190)로의 전류 도통 경로를 제공하거나 차단하도록 스위칭 동작하는 부하측 스위칭부(131)를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치(10)는 배터리(100)로부터 전원으로의 전류 도통을 차단하는 다이오드와, 부하(190)로부터 배터리(100)로의 전류 도통을 차단하는 다이오드와, 부하(190) 또는 배터리(100)로부터 전원으로의 전류 도통을 차단하는 다이오드를 더 포함할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 있어서, 스위칭부의 동작에 따른 배터리 충전 전류 상태를 도시하는 그래프이다.

도 1과 도 4를 함께 참조하여 설명하면, 먼저, t0~t10까지의 정상 구간에서는 제어신호(SQ1)의 턴온 시간(ton) 동안 배터리(100)가 충전되어 충전전류(ichg)가 스위칭부(130)를 통해 배터리(100)로 유입된다. 만약 전원공급부의 전압(Vsrc)이 t10에서 차단되는 경우, 배터리 충전 제어 모듈(120)이 이를 감지하여 제어신호(SQ1)를 차단하고, 부하측 스위칭부(131)를 턴온하도록 제어하는 제어신호(SQ2)를 출력하여 배터리(100)로부터 부하(190)에 배터리 전압(Vbat)을 공급한다. 이에 따라, 배터리 방전전류(idis)가 부하(190)로 흐르게 되어 배터리 전압(Vbat)은 방전으로 서서히 감소하게 된다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

10: 배터리 충전 장치
100: 배터리
110: 전류 센서부
120: 배터리 충전 제어 모듈
121: 제1비교기
122: 제2비교기
123: 제어신호 생성부
124: PWM 신호 발생부
130: 스위칭부
131: 부하측 스위칭부
140: 배터리전압 측정부
190: 부하

Claims

전원과 전기적으로 연결되고, 제어신호에 따라 턴온되면 배터리를 충전하도록 스위칭 동작하는 스위칭부;
배터리 전류를 기설정된 제1임계 전류값과 비교하는 제1비교기;
배터리 전류를 상기 제1임계 전류값보다는 낮은 기설정된 제2임계 전류값과 비교하는 제2비교기;
기설정된 듀티비를 가지는 PWM 신호를 발생시키되, 상기 제1비교기의 출력에 기초하여 상기 PWM 신호를 차단하는 PWM 신호 발생부;
상기 PWM 신호를 입력받아 스위칭부를 턴온하거나 턴오프하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 제2비교기의 출력에 기초하여 상기 스위칭부를 턴오프하도록 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
상기 스위칭부가 턴오프되면 배터리의 전압을 측정하여 충전상태를 파악하는 배터리전압 측정부를 포함하는 배터리 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1비교기는 상기 배터리 전류가 상기 제1임계 전류값을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 리셋 동작하도록 상기 PWM 신호 발생부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2비교기는 상기 배터리 전류가 상기 제2임계 전류값을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 상기 스위칭부를 턴오프하기 위한 제어신호를 생성하도록 상기 제어신호 생성부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 배터리로부터 부하로의 전류 도통 경로를 제공하거나 차단하도록 스위칭 동작하는 부하측 스위칭부를 더 포함하는 배터리 충전 장치.