KR102087218B1

KR102087218B1 - 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치

Info

Publication number: KR102087218B1
Application number: KR1020190071848A
Authority: KR
Inventors: 이우용
Original assignee: 동아전기부품(주)
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2020-03-11

Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 공급하는 충전부, 충전부로부터 충전 전류가 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 충전부가 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 충전부로 피드백하는 전압 피드백부, 전압 피드백부에 접속되는 스위치부, 및 배터리부의 충전 시, 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 전압 피드백부로부터 충전부로 피드백되는 전압을 조정하여 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 충전부에 의한 배터리부의 충전을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY AND OPERATING METHOD THEREOF, APPARATUS FOR MANAGING BATTERY}

본 발명은 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에 적용되는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management Sytem)에 적용되는 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치에 관한 것이다.

가솔린이나 증유 등의 화석연료에 의한 내연 엔진을 주 동력원으로 이용하는 자동차를 대체하여 최근에는 대용량 배터리에 의한 전기 에너지를 주 동력원으로 이용하는 전기 자동차(EV: Electric Vehicle) 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 사용이 증가하고 있으며, 이러한 전기 자동차에 적용되는 대용량 배터리는 적어도 하나 이상의 배터리 팩을 포함하고, 각 배터리 팩은 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 각 배터리 모듈은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하도록 구성된다.

전기 자동차는 배터리의 성능이 차량의 성능에 직접적인 영향을 미치는 점에서 배터리의 전반적인 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템이 전기 자동차에 장착된다. 일반적으로 배터리 관리 시스템은 각 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 모니터링함으로써, 배터리의 SOC(State Of Charge)를 추정을 통한 연비 효율 제어, 각 배터리 셀에 대한 충방전 제어, 및 셀 밸런싱(Cell Ballancing) 등을 수행하도록 동작한다.

한편, 배터리 관리 시스템에 의한 배터리 충전 시, 배터리가 과방전된 상태에서는 충전 시의 배터리 손상을 방지하기 위해 저전류를 이용하여 배터리를 충전시킬 필요가 있으며, 이를 위해 일반적으로 도 1에 도시된 것과 같이 배터리 충전 시 배터리로의 충전 전류를 제한하여 저전류 충전을 수행하기 위한 프리차지(Pre-Charge) 회로가 배터리의 충전 전류 공급 단자에 접속된다.

이러한 종래의 프리차지 회로는 배터리(BT)로의 충전 전류를 제한하기 위해 저항값이 큰 프리차지 저항(R_PCG)이 요구됨에 따라 프리차지 저항에서 소모되는 전력에 따른 전력 손실이 증가하게 되어 전력 효율이 낮아지는 문제점이 존재하며, 또한 프리차지 동작 수행을 위한 프리차지 스위치(SW_PCG)가 요구됨에 따라 제품 사이즈가 증대되는 문제점이 존재한다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0024561호(2015.03.09. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 배터리 관리 시스템에 의한 배터리의 충전 제어 시 저전류 충전을 위해 요구되었던 프리차지 회로에 대한 의존성을 제거함으로써, 배터리 충전 시의 전력 손실을 저감시켜 전력 효율을 개선하고 별도의 프리차지 회로의 부가로 인한 제품 사이즈 증대 문제를 해소하기 위한 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충전 장치는 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 공급하는 충전부, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 상기 충전부가 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 상기 충전부로 피드백하는 전압 피드백부, 상기 전압 피드백부에 접속되는 스위치부, 및 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전압 피드백부로부터 상기 충전부로 피드백되는 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 전압 피드백부는, 상기 하나 이상의 저항으로서, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항, 및 상기 션트 저항에 인가된 기본 전압을 분배하고 그 분배 전압을 상기 충전부로 피드백하도록 결선된 분배 저항을 포함하고, 상기 스위치부는 상기 분배 저항에 접속되며, 상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 분배 저항에 의한 상기 기본 전압의 분배 비율을 조절하여 상기 충전부로 피드백되는 상기 분배 전압을 조정하고, 상기 조정되는 분배 전압에 따라 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 충전부는, 피드백 받은 상기 분배 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 스위치부는, 턴 오프 및 턴 온 동작에 의해 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 각각 분리 및 접속되도록 상기 분배 저항에 결선되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 스위치부의 턴 오프 시 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 분리됨에 따라 상기 분배 전압으로서 제1 전압이 상기 충전부로 피드백되고, 상기 스위치부의 턴 온 시 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 접속됨에 따라 상기 분배 전압으로서 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압이 상기 충전부로 피드백되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리부의 프리차지(Pre-Charge)를 수행할 때 상기 스위치부를 턴 오프시켜 상기 제1 전압이 상기 충전부로 피드백되도록 제어함으로써 상기 충전 전류의 크기를 제한하고, 상기 배터리부의 프리차지가 완료된 후 상기 스위치부를 턴 온시켜 상기 제2 전압이 상기 충전부로 피드백되도록 제어함으로써 상기 충전 전류의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 배터리부는, 직렬 접속된 복수의 배터리 셀(Battery Cell)을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 과정에서 상기 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하여 배터리 셀 밸런싱을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리부에 포함된 대상 배터리 셀에 대하여 모니터링된 전압에 반영된, 상기 배터리부 및 기준 전위 노드 간의 결선으로 인한 전압 강하를 보상하여 배터리 셀 밸런싱을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충전 장치의 동작 방법은 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 공급하는 충전부, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 상기 충전부가 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 상기 충전부로 피드백하는 전압 피드백부, 상기 전압 피드백부에 접속되는 스위치부, 및 제어부를 포함하는 배터리 충전 장치의 동작 방법으로서, 상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전압 피드백부로부터 상기 충전부로 피드백되는 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 생성하여 상기 배터리부로 공급하되, 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 복수의 저항을 통해 상기 충전 전류의 크기를 조절하기 위한 피드백 전압을 조정하고, 상기 복수의 저항 간의 결선은 스위치에 의해 변경되며, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 상기 피드백 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 조절되도록 하고, 상기 배터리부의 충전 과정에서 상기 배터리부에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압을 각각 모니터링하여 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 충전 IC(Integrated Circuit)로부터의 충전 전류가 배터리로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항과, 션트 저항에 인가된 전압을 분배하여 충전 IC로 피드백하도록 결선된 분배 저항을 통해 충전 IC로부터의 충전 전류의 크기가 조절되도록 함으로써, 종래 배터리의 저전류 충전을 위해 요구되었던 프리차지 회로에 대한 의존성을 제거하여 전력 효율 개선, 제품 사이즈 감소 및 원가 절감의 효과를 도출할 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 관리 시스템의 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치 및 배터리 관리 장치를 설명하기 위한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 충전 장치 및 그 동작 방법, 배터리 관리 장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치 및 배터리 관리 장치를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 충전부(100), 전압 피드백부(200), 스위치부(300), 셀 밸런싱부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.

충전부(100)는 차량의 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부(BT)를 충전하기 위한 충전 전류를 공급할 수 있다. 배터리부(BT)는 차량의 주배터리에 대한 보조 전력원인 보조 배터리에 해당할 수 있으며, 충전부(100)는 차량의 주배터리로부터 그 동작 전원을 공급받아 동작할 수 있다. 충전부(100)는 후술하는 제어부(500)로부터 입력되는 충전 제어 명령(CH ON 및 CH OFF)에 따라 충전 전류를 공급하여 배터리부(BT)를 충전하거나 충전 전류의 공급을 중지하여 배터리부(BT)의 충전을 중지할 수 있다. 충전부(100)로부터의 충전 전류가 배터리부(BT)로 공급되는 배터리부(BT)의 (+) 노드(BT(+))에는 충전 스위치(SW_CH)가 접속되어 있으며, 충전 스위치(SW_CH)는 후술하는 프리차지 동작 및 정상 충전 동작 동안 제어부(500)의 제어에 의해 턴 온될 수 있다. 충전부(100)는 정전류(CC: Constanct Current) 모드(또는 정전압(CV: Constanct Voltage) 모드)에서 배터리부(BT)를 충전하는 충전 IC로 구현될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.

전압 피드백부(200)는 충전부(100)로부터 충전 전류가 배터리부(BT)로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 충전부(100)가 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 충전부(100)로 피드백할 수 있으며, 스위치부(300)는 전압 피드백부(200)에 접속될 수 있다.

도 2를 참조하면, 전압 피드백부(200)는 상기한 하나 이상의 저항으로서, 충전부(100)로부터 충전 전류가 배터리부(BT)로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항(210), 및 션트 저항(210)에 인가된 기본 전압을 분배하고 그 분배 전압을 충전부(100)로 피드백하도록 결선된 분배 저항(240)을 포함할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 것과 같이 제1 및 제2 저항(220, 230)을 더 포함할 수도 있으며, 제1 및 제2 저항(220, 230)의 저항값은 션트 저항(210)의 저항값 및 분배 저항(240)의 저항값 대비 매우 작은 값을 가질 수 있다. 그리고, 스위치부(300)는 상기한 분배 저항(240)에 접속될 수 있으며, 구체적으로는 분배 저항(240)에 접속되는 메인 스위치(310)와, 제어부(500)의 제어에 의해 메인 스위치(310)의 턴 온 및 턴 오프를 제어하는 제어 스위치(320)를 포함할 수 있다.

충전부(100)로부터 충전 전류가 출력되는 단자를 제1 단자(T1)로 정의하고, 분배 전압이 피드백되는 충전부(100)의 단자를 제2 및 제3 단자(T2, T3)로 정의하여 전압 피드백부(200) 및 스위치부(300)의 결선 구조를 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 션트 저항(210)은 제1 단자에 접속되고(구체적으로는, 제1 단자 및 충전 스위치(SW_CH) 사이에 접속), 제1 저항(220)은 제1 단자 및 제2 단자 사이에 접속되며, 제2 저항(230)은 션트 저항(210)을 거쳐 충전 전류가 공급되는 노드 및 제3 단자 사이에 접속된다. 그리고, 제2 단자 및 제3 단자 사이에는 분배 저항(240) 및 메인 스위치(310)가 순차적으로 직렬 접속되고, 메인 스위치(310)는 제어 스위치(320)에 의해 그 턴 온 및 턴 오프가 제어될 수 있다. 이 경우, 메인 스위치(310)가 FET(Field Effect Transistor)로 구현되고 제어 스위치(320)가 BJT(Bipolar Junction Transistor)로 구현되어, 메인 스위치(310)의 게이트 단자 및 제어 스위치(320)의 컬렉터 단자가 상호 접속되고 제어 스위치(320)는 그 베이스 단자를 통해 제어부(500)로부터 입력받는 제어 신호를 통해 턴 온 및 턴 오프됨으로써 메인 스위치(310)가 턴 온 및 턴 오프되도록 동작할 수 있다.

제어부(500)는 배터리부(BT)의 충전 시, 스위치부(300)의 온오프 동작 제어를 통해 전압 피드백부(200)로부터 충전부(100)로 피드백되는 전압을 조정하여 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 충전부(100)에 의한 배터리부(BT)의 충전을 제어할 수 있으며, 구체적으로는 스위치부(300)의 온오프 동작 제어를 통해 분배 저항(240)에 의한 기본 전압의 분배 비율을 조절하여 충전부(100)로 피드백되는 분배 전압을 조정하고, 조정되는 분배 전압에 따라 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 충전부(100)에 의한 배터리부(BT)의 충전을 제어할 수 있다. 상술한 동작을 수행하는 제어부(500)는 MCU(Micro Controller Unit)로 구현될 수 있다.

여기서, 전술한 전압 피드백부(200) 및 스위치부(300)의 결선 구조를 채용한 본 실시예의 기술적 특징을 명확히 기술하기로 한다.

통상적으로, 배터리 관리 시스템에 적용되는 충전 IC는 정전류 모드에서 차량의 배터리를 충전하도록 설계되어 있다. 즉, 통상적인 충전 IC는 션트 저항(210)에 인가되는 전압을 피드백받고, 피드백받은 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 배터리 충전을 위한 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있다. 이를테면, 상기의 기준 전압이 1V로 미리 정의되어 있는 경우로서 션트 저항(210)에 인가된 전압이 0.5V로 측정되면 충전 IC는 션트 저항(210)에 인가된 전압을 기준 전압인 1V로 유지하기 위해 출력 전류를 증가시켜 출력하도록 설계되고, 반대로 션트 저항(210)에 인가된 전압이 2V로 측정되면 충전 IC는 션트 저항(210)에 인가된 전압을 감소시키기 위해 출력 전류를 감소시켜 출력하도록 설계된다.

상술한 충전 IC의 설계 방식을 고려할 때, 충전 IC로부터 출력되는 충전 전류는 션트 저항(210)에 인가된 전압에 의해 결정되고, 션트 저항(210)의 저항값은 고정된 값이므로, 결과적으로 배터리 관리 시스템에 대한 고정된 하드웨어 설계로 인해 충전 IC로부터 출력되는 충전 전류는 그 크기가 변경될 수 없게 된다.

전술한 것과 같이 배터리가 과방전된 상태에서는 충전 시의 배터리 손상을 방지하기 위해 저전류를 이용하여 배터리를 충전시킬 필요가 있으며, 위와 같은 충전 IC의 설계를 전제할 때 충전 전류의 크기 변경이 불가능하여 충전 전류를 제한하기 위한 프리차지(Pre-Charge) 회로가 필수적으로 수반되어야 한다. 이 경우, 프리차지 회로는 충전 전류 제한을 위해 저항값이 큰 프리차지 저항이 요구됨에 따라 프리차지 저항에서 소모되는 전력에 따른 전력 손실이 증가하게 되어 전력 효율이 낮아지는 문제점이 존재하며, 또한 프리차지 동작 수행을 위한 프리차지 스위치가 요구됨에 따라 제품 사이즈가 증대되는 문제점이 존재한다.

따라서, 본 실시예에서는 충전부(100)가 피드백받은 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 배터리 충전을 위한 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있는(즉, 정전류 모드에서 배터리부(BT)를 충전하도록 설계되어 있는) 경우에도 충전 전류 제한을 위한 별도의 프리차지 회로가 요구되지 않는 회로 구성을 제시한다. 즉, 본 실시예는 충전부(100)가 피드백 받은 분배 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있음을 전제하며, 이 경우 프리차지 회로 대신 전압 피드백부(200) 및 스위치부(300)를 구현하고 제어부(500)의 제어를 통해 배터리에 대한 프리차지를 수행함으로써 충전 전류 제한을 위한 프리차지 회로를 제거하는 구성을 채용한다.

상술한 구성의 구현을 가능하게 하는 본 실시예의 전압 피드백부(200) 및 스위치부(300)의 결선 구조에 대하여 다시 한번 기술하면, 션트 저항(210)은 제1 단자에 접속되고, 제1 저항(220)은 제1 단자 및 제2 단자 사이에 접속되며, 제2 저항(230)은 션트 저항(210)을 거쳐 충전 전류가 공급되는 노드 및 제3 단자 사이에 접속된다. 그리고, 제2 단자 및 제3 단자 사이에는 분배 저항(240) 및 메인 스위치(310)가 순차적으로 직렬 접속되고, 메인 스위치(310)는 제어 스위치(320)에 의해 그 턴 온 및 턴 오프가 제어될 수 있다.

위와 같은 회로 구성에서 스위치부(300)는 그 턴 오프 및 턴 온 동작에 의해 분배 저항(240)이 션트 저항(210)과 각각 분리 및 접속되도록 분배 저항(240)에 결선된다. 즉, 제어 스위치(320)가 턴 오프됨에 따라 메인 스위치(310)도 턴 오프된 상태에서, 분배 저항(240)은 플로팅(floating)되어 션트 저항(210)가 분리되며, 제어 스위치(320)가 턴 온됨에 따라 메인 스위치(310)도 턴 온된 상태에서, 분배 저항(240)은 제1 및 제2 저항(220, 230)을 통해 션트 저항(210)과 접속된다.

이에 따라, 스위치부(300, 제어 스위치(320) 및 메인 스위치(310))의 턴 오프 시 분배 저항(240)이 션트 저항(210)과 분리되는 경우, 상기한 분배 전압으로서 제1 전압이 충전부(100)로 피드백되고, 스위치부(300, 제어 스위치(320) 및 메인 스위치(310))의 턴 온 시 분배 저항(240)이 션트 저항(210)과 접속됨에 따라 분배 전압으로서 제2 전압이 충전부(100)로 피드백될 수 있으며, 여기서 제2 전압은 제1 전압보다 낮은 전압값을 갖게 된다. 즉, 스위치부(300)의 턴 온에 따라 분배 저항(240)이 션트 저항(210)에 접속되는 경우, 션트 저항(210) 및 분배 저항(240) 간의 전압 분배에 의해, 충전부(100)로 피드백되는 분배 전압(즉, 제2 전압)은 스위치부(300)가 턴 오프된 상태에서 충전부(100)로 피드백되는 분배 전압(즉, 제1 전압)보다 낮은 값을 갖게 된다.

충전부(100)는 정전류 모드에서 배터리부(BT)를 충전하도록 설계되어 있으므로, 스위치부(300)의 턴 오프에 의해 제1 전압이 피드백되는 경우 충전부(100)는 제1 전류치를 갖는 충전 전류를 출력하도록 동작하고, 스위치부(300)의 턴 온에 의해 제1 전압보다 낮은 제2 전압이 피드백되는 경우 충전부(100)는 제1 전류치보다 높은 제2 전류치를 갖는 충전 전류를 출력하도록 동작하게 된다. 즉, 스위치부(300)의 턴 오프 및 턴 온 동작에 따라 충전부(100)로 피드백되는 전압이 변화됨에 따라 충전부(100)가 정전류 모드에서 배터리부(BT)를 충전하도록 설계되어 있더라도 그 충전 전류의 크기가 변화될 수 있다.

상술한 회로 구성은 제어부(500)에 의해 그 동작이 제어될 수 있으며, 구체적으로 제어부(500)는 배터리부(BT)의 프리차지(Pre-Charge)를 수행할 때 스위치부(300)를 턴 오프시켜 제1 전압이 충전부(100)로 피드백되도록 제어함으로써 충전 전류의 크기를 제한하고, 배터리부(BT)의 프리차지가 완료된 후 스위치부(300)를 턴 온시켜 제2 전압이 충전부(100)로 피드백되도록 제어함으로써 충전 전류의 크기를 증가시킬 수 있다.

즉, 제어부(500)는 배터리부(BT)의 프리차지를 수행할 때, 스위치부(300)를 턴 오프시켜 제1 전압이 충전부(100)로 피드백되도록 제어함으로써 충전 전류의 크기를 상기한 제1 전류치로 제한할 수 있으며, 배터리부(BT)의 프리차지가 완료된 후 스위치부(300)를 턴 온시켜 제1 전압보다 낮은 제2 전압이 충전부(100)로 피드백되도록 제어함으로써 충전 전류의 크기를 제1 전류치에서 제2 전류치로 증가시킴으로써 정상적인 배터리부(BT)의 충전이 수행되도록 할 수 있다. 션트 저항(210), 제1 및 제2 저항(220, 230), 분배 저항(240)의 각 저항값은 프리차지 동작 동안 배터리부(BT)를 충전하기 위한 충전 전류의 제1 전류치와, 정상 충전 동작 동안 배터리부(BT)를 충전하기 위한 충전 전류의 제2 전류치를 고려하여 설계자의 의도에 따라 적절한 값으로 선택될 수 있다.

상술한 구성에 따를 때, 높은 저항값 및 부피를 갖는 프리차지 저항과 전류량이 높은 프리차지 스위치를 제거하여 제품 사이즈를 축소시키고 원가를 절감하는 효과를 달성할 수 있다. 나아가, 본 실시예의 제1 및 제2 저항(220, 230)과 분배 저항(240)은 종래의 프리차지 저항 대비 그 저항값 및 부피가 작고, 또한 메인 스위치(310) 및 제어 스위치(320)는 소신호 회로에 적용되는 소전류 스위치에 해당하므로 제품 사이즈 축소 및 원가 절감의 효과를 확보할 수 있다.

한편, 본 실시예의 배터리부(BT)는 도 2에 도시된 것과 같이 직렬 접속된 복수의 배터리 셀(Battery Cell)을 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩으로 구현될 수 있으며, 제어부(500)는 배터리부(BT)의 충전 과정에서 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하여 셀 밸런싱부(400)를 통해 배터리 셀 밸런싱(예: Passive Ballancing 또는 Active Ballancing)을 제어할 수도 있다(편의상 도 2에는 도시하지 않았으나, 각 배터리 셀에는 패시브 밸런싱을 위한 바이패스 저항 및 바이패스 스위치, 또는 액티브 밸런싱을 위한 DC/DC 컨버터가 접속되어 있을 수 있으며, 셀 밸런싱부(400)는 제어부(500)의 제어 하에 바이패스 스위치 또는 DC/DC 컨버터를 제어하여 배터리 셀 밸런싱을 수행할 수 있다).

이 경우, 제어부(500)는 배터리부(BT)에 포함된 대상 배터리 셀에 대하여 모니터링된 전압에 반영된, 배터리부(BT) 및 기준 전위 노드 간의 결선으로 인한 전압 강하를 보상하여 배터리 셀 밸런싱을 제어할 수 있다.

구체적으로, 배터리 셀 밸런싱을 수행하기 위해서는 각 배터리 셀의 전압을 정확히 파악하는 과정이 선결되어야 한다. 그러나, 배터리부(BT) 및 기준 전위 노드(예: 배터리부(BT)의 (-) 노드(BT(-))) 간의 결선으로 인해 소정의 전압 강하(예: 배터리부(BT)의 (-) 노드에서의 라인 저항으로 인한 전압 강하(Vc))가 발생하게 되며, 따라서 배터리부(BT)에 포함된 각 배터리 셀 중 기준 전위 노드에 접속되어 있는 종단 배터리 셀(본 실시예에서 대상 배터리 셀로 정의한다)에 대하여 모니터링되는 전압(도 2에서 Vx)에는 상기한 전압 강하가 반영되게 된다. 예를 들어, 대상 배터리 셀의 실제 전압이 2.5V임에도 배터리부(BT) 및 기준 전위 노드 간의 결선으로 인해 0.2V 만큼의 전압 강하가 발생하는 경우, 대상 배터리 셀의 전압은 2.3V로 모니터링되어 결과적으로 배터리 셀 밸런싱을 정확하게 제어할 수 없는 문제점이 수반된다.

따라서, 제어부(500)는 기준 전위 노드에서의 전압을 파악하여 그 전압 강하를 파악하고, 파악된 전압 강하를 대상 배터리 셀에 대하여 모니터링되는 전압에 반영하여 보상함으로써, 대상 배터리 셀의 정확한 전압을 측정하여 배터리 셀 밸런싱을 보다 정확하게 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 본 실시예는 배터리 충전 장치의 동작 방법으로 구현될 수 있으며, 즉 제어부(500)가 배터리부(BT)의 충전 시, 스위치부(300)의 온오프 동작 제어를 통해 전압 피드백부(200)로부터 충전부(100)로 피드백되는 전압을 조정하여 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 충전부(100)에 의한 배터리부(BT)의 충전을 제어하는 배터리 충전 장치의 동작 방법으로 구현될 수도 있다.

또한, 본 실시예의 충전부(100), 전압 피드백부(200), 스위치부(300), 셀 밸런싱부(400) 및 제어부(500)는 차량에 적용되는 배터리 관리 장치(즉, 배터리 관리 시스템(BMS))로 구현될 수도 있으며, 즉 차량의 전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부(BT)를 충전하기 위한 충전 전류를 생성하여 배터리부(BT)로 공급하되, 충전 전류가 배터리부(BT)로 공급되는 경로 상에 접속되는 복수의 저항을 통해 충전 전류의 크기를 조절하기 위한 피드백 전압을 조정하고, 복수의 저항 간의 결선은 스위치에 의해 변경되며, 배터리부(BT)의 충전 시, 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 피드백 전압을 조정하여 충전 전류의 크기가 조절되도록 하고, 배터리부(BT)의 충전 과정에서 배터리부(BT)에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압을 각각 모니터링하여 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 배터리 관리 장치로 구현될 수도 있다.

이와 같이 본 실시예는 충전 IC(Integrated Circuit)로부터의 충전 전류가 배터리로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항과, 션트 저항에 인가된 전압을 분배하여 충전 IC로 피드백하도록 결선된 분배 저항을 통해 충전 IC로부터의 충전 전류의 크기가 조절되도록 함으로써, 종래 배터리의 저전류 충전을 위해 요구되었던 프리차지 회로에 대한 의존성을 제거하여 전력 효율 개선, 제품 사이즈 감소 및 원가 절감의 효과를 도출할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

BT: 배터리부
SW_CH: 충전 스위치
100: 충전부
200: 전압 피드백부
210: 션트 저항
220, 230: 제1 저항, 제2 저항
240: 분배 저항
300: 스위치부
310: 메인 스위치
320: 제어 스위치
400: 셀 밸런싱부
500: 제어부

Claims

전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 공급하는 충전부;
상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 상기 충전부가 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 상기 충전부로 피드백하는 전압 피드백부;
상기 전압 피드백부에 접속되는 스위치부; 및
상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전압 피드백부로부터 상기 충전부로 피드백되는 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 전압 피드백부는, 상기 하나 이상의 저항으로서, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항, 및 상기 션트 저항에 인가된 기본 전압을 분배하고 그 분배 전압을 상기 충전부로 피드백하도록 결선된 분배 저항을 포함하고,
상기 스위치부는 상기 분배 저항에 접속되며,
상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 분배 저항에 의한 상기 기본 전압의 분배 비율을 조절하여 상기 충전부로 피드백되는 상기 분배 전압을 조정하고, 상기 조정되는 분배 전압에 따라 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하고,
상기 충전부는, 피드백 받은 상기 분배 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
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제1항에 있어서,
상기 스위치부는, 턴 오프 및 턴 온 동작에 의해 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 각각 분리 및 접속되도록 상기 분배 저항에 결선되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제4항에 있어서,
상기 스위치부의 턴 오프 시 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 분리됨에 따라 상기 분배 전압으로서 제1 전압이 상기 충전부로 피드백되고, 상기 스위치부의 턴 온 시 상기 분배 저항이 상기 션트 저항과 접속됨에 따라 상기 분배 전압으로서 상기 제1 전압보다 낮은 제2 전압이 상기 충전부로 피드백되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리부의 프리차지(Pre-Charge)를 수행할 때 상기 스위치부를 턴 오프시켜 상기 제1 전압이 상기 충전부로 피드백되도록 제어함으로써 상기 충전 전류의 크기를 제한하고, 상기 배터리부의 프리차지가 완료된 후 상기 스위치부를 턴 온시켜 상기 제2 전압이 상기 충전부로 피드백되도록 제어함으로써 상기 충전 전류의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 배터리부는, 직렬 접속된 복수의 배터리 셀(Battery Cell)을 포함하고,
상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 과정에서 상기 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하여 배터리 셀 밸런싱을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리부에 포함된 대상 배터리 셀에 대하여 모니터링된 전압에 반영된, 상기 배터리부의 음(-)의 노드에서의 전압 강하를 보상하여 배터리 셀 밸런싱을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 공급하는 충전부, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 하나 이상의 저항을 이용하여 상기 충전부가 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 하기 위한 전압을 상기 충전부로 피드백하는 전압 피드백부, 상기 전압 피드백부에 접속되는 스위치부, 및 제어부를 포함하는 배터리 충전 장치의 동작 방법으로서,
상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 전압 피드백부로부터 상기 충전부로 피드백되는 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하고,
상기 전압 피드백부는, 상기 하나 이상의 저항으로서, 상기 충전부로부터 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항, 및 상기 션트 저항에 인가된 기본 전압을 분배하고 그 분배 전압을 상기 충전부로 피드백하도록 결선된 분배 저항을 포함하고,
상기 스위치부는 상기 분배 저항에 접속되며,
상기 제어부는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치부의 온오프 동작 제어를 통해 상기 분배 저항에 의한 상기 기본 전압의 분배 비율을 조절하여 상기 충전부로 피드백되는 상기 분배 전압을 조정하고, 상기 조정되는 분배 전압에 따라 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 충전부에 의한 상기 배터리부의 충전을 제어하고,
상기 충전부는, 피드백 받은 상기 분배 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 상기 충전 전류의 크기를 조절하여 출력하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치의 동작 방법.
전장 부품으로 전원을 공급하는 배터리부를 충전하기 위한 충전 전류를 생성하여 상기 배터리부로 공급하되, 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 복수의 저항을 통해 상기 충전 전류의 크기를 조절하기 위한 피드백 전압을 조정하고, 상기 복수의 저항 간의 결선은 스위치에 의해 변경되며, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 상기 피드백 전압을 조정하여 상기 충전 전류의 크기가 조절되도록 하고, 상기 배터리부의 충전 과정에서 상기 배터리부에 포함된 복수의 배터리 셀의 전압을 각각 모니터링하여 배터리 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치로서,
상기 복수의 저항은, 상기 충전 전류가 상기 배터리부로 공급되는 경로 상에 접속되는 션트 저항, 및 상기 션트 저항에 인가된 기본 전압을 분배하여 그 분배 전압을 상기 피드백 전압으로 생성하는 분배 저항을 포함하고,
상기 스위치는 상기 분배 저항에 접속되며,
상기 배터리 관리 장치는, 상기 배터리부의 충전 시, 상기 스위치의 온오프 동작 제어를 통해 상기 분배 저항에 의한 상기 기본 전압의 분배 비율을 조절하여 상기 피드백 전압을 조정하고, 상기 조정되는 피드백 전압에 따라 상기 충전 전류의 크기가 제어되도록 함으로써 상기 배터리부의 충전을 제어하고,
상기 충전 전류의 크기는 상기 피드백 전압이 미리 정의된 기준 전압과 일치하도록 조절되는, 배터리 관리 장치.