KR102353638B1 - 멀티 배터리의 충전 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리의 충전 제어 장치에 대해 제시한다. 본 발명의 실시예에 따른 멀티 배터리 충전 제어 장치는 복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리, 복수의 충전 제어회로를 포함하는 배터리 셀 충전부, 복수의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 충전량을 검출하는 충전전압 검출부, 각 배터리 셀의 충전량이 조절되도록 각 충전 제어회로의 충전 전압 및 전류량을 가변시키는 밸런싱 조절 회로부, 및 검출된 각 배터리 셀의 충전 전압과 충전량에 따라 각 충전 제어회로와 밸런싱 조절 회로부의 동작 타이밍을 제어함으로써 각 배터리 셀별로 충전량을 제어하는 밸런싱 제어부를 포함하는바, 멀티 배터리의 안정성을 높이고 전체 배터리 셀들의 완충률과 밸런스 제어 효율을 높일 수 있다.

Description

멀티 배터리의 충전 제어 장치{CHARGE CONTROL DEVICE OF MULTIPLE BATTERY CELL}
본 발명은 복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리의 충전 제어 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.
이에 따라, 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 수요의 형태 역시 다양해지고 있다. 따라서 다양한 요구에 부응할 수 있게 이차 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차 전지들은 리튬 계열 전지와 니켈 수소 계열의 전지로 분류될 수 있는데, 이중 니켈 수소 계열 전지는 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품에 적용되어 사용되고 있다.
일반적으로, 하이브리드 등의 전기 자동차들은 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생 에너지로부터 발전된 계통 전력이나 자체의 구동계에서 생산된 전력을 복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리에 충전해서 이용한다.
하이브리드 계열이 아닌 전기 충전식 자동차들은 주택이나 주차장 등에서 완속 충전 방식으로 멀티 배터리를 충전시키거나, 주유식의 급속 충전 방식으로 충전시켜 이용하게 된다.
종래의 전기 자동차 충전 장치들은 복수의 배터리 셀이 구성된 멀티 배터리의 충전 단자에 AC/DC 컨버터를 통해 변환된 직류 전압을 공급해서 한번에 복수의 배터리 셀이 충전되도록 구성되어 있다.
즉, 종래 기술에 따른 전기 자동차 충전 장치들은 단방향 형태로서, 하나의 AC/DC 컨버터를 이용하여 복수의 배터리 셀들을 동시에 충전시키는 구조이다. 하지만, 복수의 배터리 셀들을 동시에 충전시키게 배터리 셀들의 고유 특성상 일부 배터리 셀들은 미충전이 발생하거나 과충전이 발생할 수도 있기 때문에 위험 요소로 작용할 수 있다.
또한, 각각의 배터리 셀별로 충전 속도와 충전량이 다르게 유지되거나 완충 상태가 서로 다르게 반복되면, 각각의 배터리 셀별로 충/방전량과 사용량이 달라지기 때문에 멀티 배터리 장치의 수명이 저하되고, 신뢰도가 낮아지는 등의 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 각각의 배터리 셀들에 대한 충전량을 모니터하고 각 배터리 셀들의 충전 타이밍과 기간을 개별적으로 제어함으로써, 전체 배터리 셀들의 충전량 밸런스를 제어할 수 있는 멀티 배터리의 충전 제어 장치를 제공하는제 그 목적이 있다.
또한, 각각의 배터리 셀별로 모니터된 충전량에 따라 전압 제어 방식 또는 전류 제어 방식으로 전환해서 개별적으로 충전을 제어할 수 있는 멀티 배터리의 충전 제어 장치를 제공하는제 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 상기에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리, 복수의 충전 제어회로를 포함하는 배터리 셀 충전부, 복수의 배터리 셀에 대한 충전 전압과 충전량을 검출하는 충전전압 검출부, 각 배터리 셀의 충전량이 조절되도록 각 충전 제어회로의 충전 전압 및 전류량을 가변시키는 밸런싱 조절 회로부, 및 검출된 각 배터리 셀의 충전 전압과 충전량에 따라 각 충전 제어회로와 밸런싱 조절 회로부의 동작 타이밍을 제어함으로써 각 배터리 셀별로 충전량을 제어하는 밸런싱 제어부를 포함한다.
충전전압 검출부는 복수의 배터리 셀에 대해 적어도 하나씩의 배터리 셀 단위로 충전 전압과 충전량을 검출하는 적어도 하나의 충전전압 검출회로를 포함하는바, 적어도 하나의 충전전압 검출회로를 이용해서 적어도 하나씩의 배터리 셀별로 충전 전압과 충전량 정보를 순차적으로 검출하거나, 복수의 배터리 셀 각각에 대한 충전 전압과 충전량 정보를 동시에 실시간으로 검출할 수 있다.
또한, 밸런싱 조절 회로부는 복수의 충전 제어회로 중 적어도 하나씩의 충전 제어회로와 대응되도록 구성된 적어도 하나의 제어 전력 회로부를 포함함으로써, 밸런싱 제어부로부터 입력되는 전압/전류량 제어신호에 응답해서 각각의 충전 제어회로를 통해서 각각의 배터리 셀로 공급되는 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 공급할 수 있다.
이러한 구성에 따라 밸런싱 제어부는 적어도 하나의 배터리 셀 충전 전압과 충전량 모니터 결과를 통해서 각 배터리 셀의 충전 전압 크기와 및 전류량을 가변시켜 설정하고, 각 배터리 셀의 충전 전압 크기와 및 전류량이 가변되도록 적어도 하나의 제어 전력 회로부에 전압 또는 전류량 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명에 따른 멀티 배터리의 충전 제어 장치에 의하면 다음과 같은 효과들을 기대할 수 있다.
첫째, 전체 배터리 셀들의 충전량 밸런스를 개별적으로 제어함으로써 멀티 배터리의 안정성을 높일 수 있다.
둘째, 각각의 배터리 셀별로 모니터된 충전량에 따라 전압 제어 방식 또는 전류 제어 방식으로 전환해서 개별적으로 충전을 제어함으로써, 전체 배터리 셀들의 완충률과 밸런스 제어 효율을 높일 수 있다.
셋째, 각 배터리 셀들에 대한 충전량을 필터링해서 검출 및 모니터함과 아울러, 전압 제어 방식 및 전류 제어 방식을 통한 충전을 위해 최적의 인덕턴스를 적용해서 충전량을 제어함으로써, 충전 효율 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 배터리의 충전 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 충전전압 검출부의 충전전압 검출회로를 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 밸런싱 조절 회로부의 인덕턴스 검출 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 셀 충전부의 충전 제어회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 충전 제어 회로의 스위칭 제어를 위한 충전 제어 신호를 도시한 파형도이다.
도 6은 도 1에 도시된 밸런싱 제어부의 충전 제어 과정을 순차적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 도 1에 도시된 각 배터리 셀의 충전량 밸런싱 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 배터리의 충전 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 멀티 배터리 충전 제어 장치는 복수의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 구비된 멀티 배터리(100), 복수의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)가 구비된 배터리 셀 충전부(200), 충전전압 검출부(300), 밸런싱 조절 회로부(400), 및 밸런싱 제어부(500)를 포함한다.
구체적으로, 멀티 배터리(100)는 직렬 및 병렬 구조로 조합되어 배치된 복수의 배터리 셀(BTS1~BTSn)을 포함한다. 멀티 배터리(100)는 복수의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 단수 또는 복수의 모듈 형태로 조립되도록 구성되어, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 적용될 수 있다.
멀티 배터리(100)에 구비된 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)은 배터리 셀 충전부(200)에 구비된 복수의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)와 일대일로 대응되도록 연결될 수도 있으며, 각 충전 제어회로(CHC1~CHCn)의 전자 접촉기와 개폐 스위칭 회로 등에 의해 접점의 개폐가 이루어지도록 연결될 수 있다.
각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)은 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)로부터 입력되는 충전 전압 및 충전 전류에 의해 소정의 충전 기간동안 충전되며, 각 충전 제어회로(CHC1~CHCn)의 전자 접촉기나 개폐 스위칭 회로의 개폐 동작에 따라 소정의 방전 기간동안 방전 동작이 진행될 수 있다.
충전전압 검출부(300)는 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 단위로 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 대한 충전 전압과 충전량(또는, 충전 상태(State of charge, SOC))를 실시간으로 검출한다. 그리고, 검출된 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)들에 대한 충전 전압 크기 정보와 충전량 정보를 밸런싱 제어부(500)로 전송한다. 이를 위해, 충전전압 검출부(300)는 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 단위로 충전 전압과 충전량을 검출하기 위해, 적어도 하나의 충전전압 검출회로를 포함해서 구성될 수 있다.
적어도 하나의 충전전압 검출회로는 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn)별로 충전 전압과 충전량 정보를 순차적으로 검출하거나, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)과 일대일로 대응되도록 구성되어 전체 배터리 셀(BTS1~BTSn) 각각에 대한 충전 전압과 충전량 정보를 동시에 실시간으로 검출할 수도 있다.
밸런싱 조절 회로부(400)는 적어도 하나씩의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)와 각각 대응되도록 구성된 적어도 하나의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)를 포함해서 구성될 수 있다. 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)를 통해서 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)로 공급되는 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 공급한다.
구체적으로, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 밸런싱 제어부(500)로부터 입력되는 전압/전류량 제어신호에 응답해서, 제어 전압 및 제어 전류 공급 타이밍에 제어 전압 크기와 제어 전류량을 가변시킨다. 그리고, 밸런싱 제어부(500)로부터 입력되는 충전 제어신호에 응답해서 가변된 제어 전압과 전류를 충전 타이밍에 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)로 공급한다. 이렇게, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별 충전 타이밍에 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)를 통해 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)로 공급되는 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 공급한다.
배터리 셀 충전부(200)는 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)을 충전시키는 복수의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)를 구비한다. 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)는 밸런싱 제어부(500)로부터 입력되는 충전 제어신호에 응답하여 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별 충전 타이밍에 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 충전 전압 및 전류를 공급한다. 이때, 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)는 밸런싱 조절 회로부(400)로부터의 제어 전압 크기와 제어 전류량에 대응되도록 외부 전원(VC)의 전압 및 전류량을 가변시켜서 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)로 공급한다.
밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량에 따라 각 충전 제어회로(CHC1~CHCn)와 밸런싱 조절 회로부(400)의 동작 타이밍을 제어함으로써, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별로 충전 타이밍(또는, 충전 기간)과 충전량을 제어한다.
밸런싱 제어부(500)는 실시간으로 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량을 모니터하고 충전 기간을 설정해서, 전체 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전량(또는, 충전 상태) 밸런스가 유지되도록 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 전류/전압 제어 충전 모드 전환과 전류/전압 제어 충전 타이밍을 제어한다.
밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압 크기와 및 전류량을 가변시켜 설정하고, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압 크기와 및 전류량이 가변되도록 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)에 전압/전류량 제어신호를 전송한다.
전압/전류량 제어신호는 각 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)의 제어 전압 크기와 전류량을 설정한 신호이다. 이에, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 밸런싱 제어부(500)의 전압/전류량 제어신호에 따라 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)로 공급한다.
밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 전압 제어 방식으로 충전되거나 전류 제어 방식으로 충전되도록 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 방식을 제어한다. 이를 위해, 밸런싱 제어부(500)는 DSP계열 TM320F28057 등의 MCU(Micro Controller Unit)를 포함해서 구성될 수 있다.
한편, 전압 제어 방식의 충전 방식은 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 충전 기간 중 소정의 기간 동안 정전압 상태로 유지되도록 하되 전류량을 제어해서 해당 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 전류가 공급되도록 하는 충전 방식이다. 이를 위해, 밸런싱 제어부(500)는 소정의 기간 동안 충전 전압을 정전압 상태로 유지하되 전류량이 제어되도록 하는 전압/전류량 제어신호를 각 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)로 전송할 수 있다. 이에, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 정의 충전 기간 동안에 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 전압 제어 방식으로 충전되도록 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)에 해당 제어 전압 및 제어 전류를 공급할 수 있다.
반면, 전류 제어 방식의 충전 방식은 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 충전 기간 중 소정의 기간 동안 정전류로 유지되도록 하되 전압 크기를 제어해서 해당 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 전압이 공급되도록 하는 충전 방식이다. 이를 위해, 밸런싱 제어부(500)는 정전류 상태로 유지하되 전압 크기가 제어되도록 하는 전압/전류량 제어신호를 각 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)로 전송할 수 있다. 이에, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 충전 기간에 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 전류 제어 방식으로 충전되도록 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)에 해당 제어 전압 및 제어 전류를 공급할 수 있다.
이에, 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)는 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)로부터 입력되는 제어 전압 크기와 제어 전류량에 따라 외부 전원(VC)의 전압 및 전류량을 가변시켜서 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)을 전류/전압 제어 방식으로 충전시킬 수 있다.
한편, 밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 미리 설정된 기준 전류량까지는 전류 제어 방식으로 충전이 진행되도록 제어할 수 있다, 이때는, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 미리 설정된 기준 전류량까지 전류 제어 방식으로 충전이 진행되도록 한 전압/전류량 제어신호를 각 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)로 전송한다. 전류 제어 방식으로의 충전시, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 안정성을 위해 기준 전류량은 완충의 80% 미만의 전압이나 전류로 설정될 수 있다.
다음으로, 밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 미리 설정된 기준 전압(또는, 충전량이나 충전 상태)까지 전압 제어 방식으로 충전이 진행되도록 제어할 수 있다, 이때는, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 미리 설정된 기준 전압까지 전압 제어 방식으로 충전이 진행되도록 한 전압/전류량 제어신호를 각 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)로 전송한다.
전압 및 전류 충전 방식은 충전 속도가 각각 상이하기 때문에, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 상태에 따라 전압 또는 전류 충전 방식으로 충전 방식을 전환시킬 수 있다. 이때는, 전압 또는 전류 충전 시간을 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별 실험치에 따라 각각 다르게 설정 및 가변시킴으로써, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 밸런스 조정을 위한 타이밍을 효율적으로 제어할 수 있다,
즉, 실험치에 따라 충전 속도가 평균 이하로 낮은 배터리 셀들은 기준 전류량을 낮게 설정해서 전압 충전 방식 이용 비율을 높이고, 충전 속도가 평균 이상으로 높은 배터리 셀들은 기준 전류량을 높게 설정해서 전류 충전 방식 이용 비율을 높임으로써, 전체적으로 완충까지의 밸런스가 최대한 유사하게 조절되도록 할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 충전전압 검출부의 충전전압 검출회로를 나타낸 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 충전전압 검출부(300)는 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 단위로 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 대한 충전 전압과 충전량(또는, SOC)를 실시간으로 검출하기 위해, 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn)과 전기적으로 연결된 적어도 하나의 충전전압 검출회로(300_1, 300_2)를 포함해서 구성될 수 있다.
각각의 충전전압 검출회로(300_1, 300_2)는 적어도 하나씩의 차동 증폭기(OP1 또는 OP2)를 이용해서 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 입출력단 전압(BTS(+,-))을 입력받아 기준 전압(예를 들어, 15V)을 통해 증폭시켜 출력하고, C1을 통해 출력되는 피드백 전압과 입출력단 전압(BTS(+,-))의 차전압을 검출함으로써, 적어도 하나씩의 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 대한 충전 전압이나 충전량을 검출한다.
각각의 충전전압 검출회로(300_1, 300_2)는 적어도 하나씩의 차동 증폭기(OP1 또는 OP2)를 비롯해서, 입출력단 전압(BTS(+,-)) 안정화 회로(예를 들어, R2,R3,R4,C2 조합회로), 피드백 회로(예를 들어, C1,R1,R5 조합회로), 출력 전압 안정화 회로(예를 들어, C4, D1,D2 조합회로)를 포함할 수 있다. 이렇게 각각의 충전전압 검출회로(300_1, 300_2)는 적어도 하나씩의 차동 증폭기(OP1 또는 OP2)를 이용해서 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압을 검출하는 바, 차동 증폭기(OP1 또는 OP2)를 통해 노이즈를 제거하는 등의 필터링 효과까지 기대할 수 있다.
이에, 밸런싱 제어부(500)는 각각의 충전전압 검출회로(300_1, 300_2)를 통해서 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량을 노이즈 없이 정확하게 수신하고 모니터할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 밸런싱 조절 회로부의 인덕턴스 검출 회로를 나타낸 회로도이다.
도 3에 도시된 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)는 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)를 통해 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)로 공급되는 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)로 공급한다.
이를 위해, 밸런싱 제어부(500)는 각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn) 또는 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)에 걸리는 인덕턴스, 트로이달 코어, 전력 손실량 등을 먼저 확인해야 한다.
각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)에 걸리는 인덕턴스 등이 검출될 수 있도록 하기 위해, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)에는 적어도 하나씩의 스위칭 제어 IC(S_DC1, S_DC2), 각 스위칭 제어 IC(S_DC1, S_DC2)의 인덕턴스 및 전력 손실량을 검출하기 위한 Rds 검출 회로부가 포함될 수 있다.
각 스위칭 제어 IC(S_DC1, S_DC2)의 Rds 검출 회로부는 각 스위칭 제어 IC(S_DC1, S_DC2)의 출력단에 직렬로 연결된 적어도 하나의 리액터(L1,L2), 및 적어도 하나의 리액터(L1,L2)와 병렬 구조로 연결된 복수의 입출력 캐패시터를 포함한다.
이에, 밸런싱 제어부(500)는 각 스위칭 제어 IC(S_DC1, S_DC2)에 걸리는 LC 전압 값을 검출해서, 각각의 제어 전력 회로부(SBC1~SBCn)에 걸리는 인덕턴스, 트로이달 코어, 전력 손실량 중 적어도 하나의 값을 확인하거나 모니터할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 셀 충전부의 충전 제어 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 셀 충전부(200)는 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)을 충전 시키는 복수의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)를 구비한다.
각각의 충전 제어회로(CHC1~CHCn)는 적어도 하나의 퓨즈(FU1), 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 등으로 적용 가능한 복수의 전력 반도체 스위칭 소자(SW1,SW2), 밸런싱 제어부(500)로부터 입력되는 충전 제어 신호에 응답하여 외부 전원부(VC)로부터의 교튜 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(SW_out), 및 충전 전압이나 충전 전류를 안전화시켜 출력하는 안정화 회로부(C11.R12.C12 조합 회로부)를 포함해서 이루어질 수 있다.
적어도 하나의 컨버터(SW_out)는 제어 전압 크기와 제어 전류량에 따라 외부 전원(VC)의 전압 및 전류량을 가변시키고, 각각의 전력 반도체 스위칭 소자(SW1,SW2)는 밸런싱 제어부(500)로부터 입력되는 충전 제어 신호 즉, 복수의 펄스 폭 변조 신호(PWM1,PWM2)에 응답해서 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별 충전 타이밍에 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)에 충전 전압 및 전류를 공급한다.
이때, 각각의 컨버터(SW_out)는 밸런싱 조절 회로부(400)로부터의 제어 전압 크기와 제어 전류량에 따라 외부 전원(VC)의 전압 및 전류량을 가변시켜서 각각의 전력 반도체 스위칭 소자(SW1,SW2)를 통해 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)로 공급한다.
도 5는 도 4에 도시된 충전 제어 회로의 스위칭 제어를 위한 충전 제어 신호를 도시한 파형도이다.
도 5를 참조하면, 밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량에 따라 각 충전 제어회로(CHC1~CHCn)의 턴-온/오프 동작 타이밍을 제어함으로써, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)별로 충전량을 제어한다.
즉, 밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량에 기인하여 각 충전 제어회로(CHC1~CHCn)의 전력 반도체 스위칭 소자(SW1,SW2) 턴-온/오프 동작 타이밍을 제어한다. 전력 반도체 스위칭 소자(SW1,SW2)로 공급되는 충전 제어 신호 즉, 복수의 펄스 폭 변조 신호(PWM1,PWM2)의 듀티비(Duty ratio)는 충전량에 따라 20% 내지 80%의 사이로 가변될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 밸런싱 제어부의 충전 제어 과정을 순차적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 밸런싱 제어부(500)는 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn) 충전을 위한 외부 전원(VC)이 인가되면, 충전 동작을 수행하기 위한 내부 변수 및 장치를 초기화하고, 입력전압 측정하여 입/출력 릴레이 가동시킨다(ST1). 그리고, 외부 전원(VC)의 입력 전압을 측정한다.
이어, 외부 전원(VC) 전압과 안정화 기준 전압 등을 비교하여 초기화 모드를 수행한다.(ST1~ST5)
한편, 충전전압 검출부(300)를 통해서는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전 상태를 측정한다(ST6).
도 7은 도 1에 도시된 각 배터리 셀의 충전량 밸런싱 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6과 함께 도 7을 참조하면, 밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 전압 제어 방식으로 충전되거나 전류 제어 방식으로 충전되도록 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 방식을 설정할 수 있다(ST7).
이를 위해, 밸런싱 제어부(500)는 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전량(SOC)이 미리 설정된 기준 전류량(I_Ref)까지는 전압 제어 방식으로 충전이 진행되도록 제어한다.
즉, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 전류량을 기준 전류량(I_Ref)과 비교해서(ST8), 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 전류량이 기준 전류량(I_Ref)에 도달할 때까지 정전압을 유지시켜 전압 제어 방식으로 충전(ST9) 되도록 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 방식을 제어한다(ST10,ST11).
밸런싱 제어부(500)는 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 전류량이 기준 전류량(I_Ref)에 도달하면, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)이 미리 설정된 기준 전압(VC_Ref)까지 전류 제어 방식으로 충전이 진행되도록 제어할 수 있다.
즉, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압과 충전 상태(SOC)를 전류량을 기준 전압(VC_Ref)과 비교해서(ST12), 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 전압이 기준 전압(VC_Ref)에 도달할 때까지 전류 제어 방식으로 충전(ST13) 되도록 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)의 충전 방식을 제어한다(ST14).
이상 상술한 바에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 배터리의 충전 제어 장치는 전체 배터리 셀(BTS1~BTSn)들의 충전량 밸런스를 개별적으로 제어함으로써 멀티 배터리의 안정성을 높일 수 있다. 그리고, 각각의 배터리 셀(BTS1~BTSn)별로 모니터된 충전량에 따라 전압 제어 방식 또는 전류 제어 방식으로 전환해서 개별적으로 충전을 제어함으로써, 전체 배터리 셀(BTS1~BTSn)들의 완충률과 밸런스 제어 효율을 높일 수 있다.
아울러, 각 배터리 셀(BTS1~BTSn)들에 대한 충전량을 필터링해서 검출 및 모니터함과 아울러, 전압 제어 방식 및 전류 제어 방식을 통한 충전을 위해 최적의 인덕턴스를 적용해서 충전량을 제어함으로써, 충전 효율 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용효과에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형된 예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형 예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 할 것이다.
100: 멀티 배터리
200: 배터리 셀 충전부
300: 충전 전압 검출부
400: 밸런싱 조절 회로부
500: 밸런싱 제어부
BTS1~BTSn: 복수의 배터리 셀
CHC1~CHCn: 복수의 충전 제어회로
SBC1~SBCn: 제어 전력 회로부

Claims (6)

  1. 복수의 배터리 셀이 구비된 멀티 배터리;
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 연결되는 복수의 충전 제어회로를 포함하는 배터리 셀 충전부;
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 배터리 셀 단위로 충전 전압과 충전량을 검출하는 복수의 충전전압 검출회로를 포함하는 충전전압 검출부;
    상기 복수의 충전 제어회로 각각에 연결되어 상기 각각의 배터리 셀의 충전량이 조절되도록 상기 각각의 충전 제어회로의 충전 전압 및 전류량을 가변시켜 공급하는 복수의 제어 전력 회로부를 포함하는 밸런싱 조절 회로부; 및
    상기 검출된 각 배터리 셀의 충전 전압과 충전량에 따라 상기 각 충전 제어회로와 밸런싱 조절 회로부의 동작 타이밍을 제어함으로써, 상기 각 배터리 셀별로 충전량을 제어하는 밸런싱 제어부;를 포함하며,
    상기 복수의 제어 전력 회로부는, 상기 밸런싱 제어부로부터 입력되는 전압/전류량 제어신호에 응답해서 상기 각각의 충전 제어회로를 통해서 상기 각각의 배터리 셀로 공급되는 충전 전압 크기와 전류량을 제어하기 위한 제어 전압 및 제어 전류를 공급하고,
    상기 밸런싱 제어부는, 상기 각각의 배터리 셀 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 상기 각각의 배터리 셀의 충전 전압 크기와 및 전류량을 가변시켜 설정하고, 상기 각각의 배터리 셀의 충전 전압 크기와 및 전류량이 가변되도록 상기 적어도 하나의 제어 전력 회로부에 전압 또는 전류량 제어신호를 전송하되,
    상기 각각의 제어 전력 회로부는, 적어도 하나씩의 스위칭 제어 IC와, 상기 각 스위칭 제어 IC의 인덕턴스 및 전력 손실량을 검출하기 위해 각 스위칭 제어 IC의 출력단에 직렬로 연결된 적어도 하나의 리액터 및 적어도 하나의 리액터와 병렬 구조로 연결된 복수의 입출력 캐패시터를 포함하는 Rds 검출 회로부를 포함하며,
    상기 밸런싱 제어부는, 상기 제어 전력 회로부의 각 스위칭 제어 IC에 걸리는 LC 전압 값을 검출해서, 각각의 제어 전력 회로부에 걸리는 인덕턴스, 트로이달 코어, 전력 손실량 중 적어도 하나의 값을 확인하여, 상기 제어 전력 회로부에 전압 또는 전류량 제어신호를 전송하며,
    또한 상기 밸런싱 제어부는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 충전 전압과 충전량 모니터 결과에 따라, 상기 각각의 배터리 셀이 선택적으로 전압 제어 방식으로 충전되거나 전류 제어 방식으로 충전되도록 상기 각 배터리 셀의 충전 방식을 제어하되, 각 배터리 셀의 전류량을 기준 전류량과 비교해서, 각각의 배터리 셀의 전류량이 기준 전류량에 도달할 때까지 전압 제어 방식으로 충전되도록 하되, 각 배터리 셀의 전류량이 기준 전류량에 도달하면 전류 제어 방식으로 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리의 충전 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전전압 검출부의 각각의 충전전압 검출회로는,
    상기 적어도 하나씩의 배터리 셀별로 충전 전압과 충전량 정보를 순차적으로 검출하거나, 상기 복수의 배터리 셀과 일대일로 대응되도록 구성되어 상기 복수의 배터리 셀 각각에 대한 충전 전압과 충전량 정보를 동시에 실시간으로 검출하는 멀티 배터리의 충전 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 충전부의 상기 각각의 충전 제어회로는,
    상기 밸런싱 제어부로부터 입력되는 충전 제어신호에 응답하여 상기 각 배터리 셀의 충전 타이밍에 상기 적어도 하나씩의 배터리 셀에 충전 전압 및 전류를 공급하며, 상기 각 배터리 셀의 충전 기간 동안 상기 밸런싱 조절 회로부로부터의 제어 전압 크기와 제어 전류량에 대응되도록 외부 전원의 전압 및 전류량을 가변시켜서 상기 각 배터리 셀로 공급하는 멀티 배터리의 충전 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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