KR200330157Y1 - 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로에 관한 것이다.
다수의 2차 전지의 전압을 측정하기 위한 충방전기의 전압 측정 회로에 있어서, 각각의 2차 전지의 양단과 연결되는 다수의 입력 단자를 갖되, 상기 다수의 입력 단자를 순차적으로 스위칭하는 하나 이상의 먹스; 상기 먹스의 출력 단자에 연결되어 상기 각각의 2차 전지로부터 전달되는 전압의 노이즈를 제거하는 RC 필터; 일측 단자는 접지되고 다른 측 단자는 상기 RC 필터에 직렬로 연결되어, 상기 RC 필터에 충전된 전하를 방전하기 위한 방전용 먹스; 및 상기 RC 필터에 서 출력되는 차동 전압을 입력받아 단일 아날로그 신호로 변환하여 상기 2차 전지의 전압을 측정하는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로를 제공한다.
본 고안에 따르면, 충방전기에 2차 전지가 삽입되지 않은 경우에도 전압 측정을 정확하게 할 수 있다.

Description

2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로{Voltage Measuring Circuit of Battery Charge/Discharge Testing Apparatus}
본 고안은 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 2차 전지 충방전기의 RC 필터(Filter) 회로에 별도의 먹스(MUX)를 연결하여 임의의 채널에 2차 전지가 삽입되지 않은 경우에도, 축적된 이전 채널에서의 전하가 빨리 방전될 수 있도록 하여 이전 채널의 영향을 받지 않는 정확한 전압 측정이 가능하도록 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로에 관한 것이다.
전기 및 전자 기술이 발전하면서 가능한 한 작고 가벼우면서도 다양한 기능을 갖는 전자제품들이 수 없이 개발됨에 따라 휴대형 전자제품들을 사용하는 사용자들이 급속하게 증가하고 있다. 이러한 휴대형 전자제품의 동작을 위해서는 전원공급 장치의 일종인 배터리(Battery)가 일반적으로 사용되는데, 충전하여 다시 쓸 수 있는 2차 전지가 주로 사용되고 있다.
한편, 니켈카드뮴 전지 및 납 축전지와 같은 종래의 2차 전지는 생산 후 곧바로 사용이 가능하기 때문에 충방전기는 성능 평가용으로만 필요하였다. 그러나, 최근에 널리 사용되며 차세대 2차 전지로 각광받고 있는 리튬이온 전지 및 리튬폴리머 전지 등과 같은 2차 전지는 제조 후 소정의 충방전 과정을 거쳐야만 전지로서의 성능이 완성되므로 충방전기가 2차 전지의 생산 라인에 필요하게 되었다. 즉, 충방전기는 2차 전지의 생산 단계 공정 중 조립이 완료된 최초의 조(祖)전지가 에너지를 저장할 수 있도록 대략 2 ~ 3 회 정도의 충전 및 방전 공정을 반복하여 2차 전지의 특성을 부여하는 기능을 수행한다.
한편, 앞에서 설명하였듯이 휴대용 전자기기가 급속하게 보급됨에 따라 2차 전지의 수요도 따라서 증가하고, 2차 전지의 생산 단계에서 충방전 기능을 수행하는 충방전기도 많이 필요하게 되었다. 따라서, 일반적으로 충방전기는 다수 개의 2차 전지를 동시에 충방전할 수 있는 기능을 구현할 수 있도록 도 1과 같은 구조로 제작된다.
도 1은 종래 충방전기(100)에 있어서 여러가지 구성들 중 2차 전지의 전압을 측정하는 구성만을 간략하게 나타낸 블럭도이다.
종래 충방전기(100)는 다수의 2차 전지(110, 120, 130), 각각의 2차 전지(110, 120, 130)와 병렬로 연결되는 저항 소자(112, 122, 132), 먹스(140, 142), RC 필터(150), 차동 증폭기(160), A/D 변환기(170) 및 마이크로컴퓨터(180) 등을 포함한다. 물론, 저항 소자(112, 122, 132)를 포함하지 않는 충방전기도 사용되고 있다.
도 1에서 각각의 2차 전지(110, 120, 130)를 충방전할 수 있는 회로를 채널(Channel)이라고 한다. 충방전기(100)의 제작 원가를 절감하고, 부피를 작게 하기 위해 일반적으로 수십 개의 채널(통상 64 채널)이 하나의 인쇄 회로 기판(PCB : Printed Circuit Board)에 밀집되도록 설계한다. 즉, 하나의 인쇄 회로 기판에는 다수의 채널이 포함되어 있으며 각 채널별로 충방전 회로가 내장되어 있다.
종래 충방전기(100)를 이용하여 2차 전지의 전압을 측정하는 원리는 다음과 같다. 수십 개의 2차 전지가 일정한 간격으로 끼워진 직사각형의 2차 전지 트레이(Tray)가 삽입되는 경우 충방전기(100)는 각 2차 전지를 충방전하기 위한 작동을 개시한다. 그러면, 충방전기에 삽입된 2차 전지 트레이에 끼워진 2차 전지로 전압이 공급되고, 공급되는 전압은 먹스(140, 142)를 통해 RC 필터(150)를 충전시킨다. 먹스(140, 142)는 각 채널로부터 입력되는 다수의 입력 전압들 중 순차적으로 하나씩 선택하여 출력하는 기능을 한다. RC 필터(150)는 2차 전지의 전압을 측정하는 과정에서 발생할 수 있는 노이즈(Noise)의 영향을 감소시키는 기능을 수행한다.
차동 증폭기(160)는 2차 전지의 양단 전압을 검출하여, 검출된 전압을 A/D 변환기(170)로 전달하는데, A/D 변환기(170)는 수신되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 변환 시점은 RC 필터(150)의 시정수(Time Constant)보다 많은 시간이 경과한 후에 전압을 측정하는 것이 바람직하다. 마이크로컴퓨터(180)는 A/D 변환기(170)로부터 수신되는 디지털 신호를 이용하여 2차 전지의 전압을 산출하고, 다수의 채널로부터 측정된 전압을 수집하여 데이터 처리를 통해 충방전기(100)를 전반적으로 제어한다.
하나의 채널에 대해 2차 전지의 전압 측정이 완료되면, 먹스(140, 142)를 스위칭하여 다음 채널을 선택한다. 다음 채널이 선택되면 앞에서 설명한 것과 동일한 과정을 거쳐 2차 전지 트레이에 끼워진 모든 2차 전지에 대한 전압 측정이 반복적으로 수행된다.
한편, 종래 충방전기(100)는 각 채널마다 2차 전지가 모두 삽입되어 있는 경우에는 각 채널이 폐루프(Closed Loop)를 형성하므로 RC 필터(150)에 충전된 전하가 해당 2차 전지의 전압을 빨리 추종하게 된다. 따라서, 특정 채널에서의 2차 전지 전압 측정을 수행할 때, 이전 채널의 영향을 거의 받지 않는다.
하지만, 특정 채널에 2차 전지가 삽입되지 않고 오픈(Open)되는 경우에는 폐루프가 형성되지 않으므로, RC 필터(150)에 충전된 전하의 방전이 제대로 이루어지지 않게 된다. 즉, 오픈 상태에서는 RC 필터(150)의 시정수가 크게 증가하므로, C1, C2의 방전이 이루어지는 시간 역시 시정수에 비례하여 증가하기 때문이다. 따라서, 오픈 상태에서 전압을 측정하게 되면 이전 채널에서의 RC 필터(150)에 남아 있는 전하의 영향으로 인해 정확한 전압 측정이 이루어지지 않는다는 문제점이 있다. 예컨대, 오픈 상태에서는 0 V의 전압이 측정되어야 하지만, 이전 채널의 전압 측정 단계에서 4 V의 전압이 측정된 경우 실제 전압을 측정하면 4 V에 근접한 전압, 즉 잔류 전압(Vr)이 측정된다는 문제점이 있다.
도 2는 종래 충방전기를 이용한 충방전기(100)의 RC 필터(150)의 충방전 그래프이다.
도 2a는 2차 전지 트레이의 모든 채널(채널 1, 채널 2 및 채널 3)에 2차 전지가 삽입된 경우의 충방전 그래프이다. 도 2a에서 각 채널을 구성하는 2차 전지마다의 개별적인 전압 측정이 매 A/D 시점에서 이루어진다. 도 2a를 보면, 각 채널에서의 2차 전지의 전압 측정이 이전 채널의 영향을 받지 않고 정상적으로 수행되고 있음을 알 수 있다.
도 2b는 2차 전지 트레이의 특정 채널(채널 2)에 2차 전지가 삽입되지 않은 경우의 충방전 그래프이다. 도 2b를 보면, 2차 전지가 삽입된 채널 1 및 채널 3에서의 2차 전지의 전압 측정은 정상적으로 수행되고 있음을 알 수 있다. 하지만, 2차 전지가 삽입되지 않은 채널 2의 경우에는 0 V의 전압이 측정되어야 함에도 불구하고, 앞에서 설명하였듯이 채널 1의 영향으로 인한 특정 잔류 전압(Vr)이 측정되고 있다. 따라서, 종래 충방전기(100)를 이용하는 경우에는 2차 전지 트레이에 일부 2차 전지가 삽입되지 않은 경우에도, 특정 잔류 전압이 측정되므로 잘못된 전압값을 읽게 된다.
그래서, 도 1과 같이 저항(112, 122, 132)을 2차 전지(110, 120, 130)와 병렬로 연결하여 폐루프를 형성해 주는 충방전기(100)도 사용되고 있다. 하지만, 도 1과 같이 2차 전지(110, 120, 130)에 저항(112, 122, 132)을 접속하면, 접속된 저항(112, 122, 132)을 통하여 전지로부터 전류가 항상 흐르게 되므로 작은 값의 저항을 접속할 수 없게 된다. 따라서, 큰 값을 갖는 저항을 접속해야 하는데, 저항값이 크면 클수록 방전 시정수를 단축시킬 수 없다는 문제점이 발생한다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 고안은 2차 전지 충방전기의 RC 필터 회로에 별도의 먹스를 연결하여 임의의 채널에 2차 전지가 삽입되지 않은 경우에도 RC 필터의 커패시터에 축적된 이전 채널에서의 전하가 빨리 방전될 수 있도록 하여 이전 채널의 영향을 받지 않는 정확한 전압 측정이 가능하도록 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로를 제시하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 충방전기에 있어서 2차 전지의 전압을 측정하는 구성을 간략하게 나타낸 블럭도,
도 2는 종래 충방전기에 있어서 전압 측정시 RC 필터의 충방전 그래프,
도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 충방전기에 있어서 2차 전지의 전압을 측정하는 구성을 간략하게 나타낸 블럭도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충방전기의 RC 필터 충방전 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 300 : 충방전기 110, 120, 130 : 2차 전지
140, 142 : 먹스 144 : 방전용 먹스
150 : RC 필터 160 : 차동 증폭기
170 : A/D 변환기 180 : 마이크로컴퓨터
이를 위하여 본 고안은, 다수의 2차 전지의 전압을 측정하기 위한 충방전기의 전압 측정 회로에 있어서, 각각의 2차 전지의 양단과 각각 직렬로 연결되는 다수의 입력 단자를 갖되, 상기 다수의 입력 단자를 순차적으로 스위칭하는 하나 이상의 먹스; 상기 먹스의 출력 단자에 연결되어 상기 각각의 2차 전지로부터 전달되는 전압의 노이즈를 제거하는 RC 필터; 일측 단자는 접지되고 다른 측 단자는 상기 RC 필터에 연결되어, 상기 RC 필터에 충전된 전하를 방전하기 위한 방전용 먹스; 및 상기 RC 필터에서 출력되는 차동 전압을 입력받아 단일 아날로그 신호로 변환하여 상기 2차 전지의 전압을 측정하는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로를 제공한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 충방전기(300)에 있어서 2차 전지의 전압을 측정하는 구성을 간략하게 나타낸 블럭도이다.
본 고안의 바람직한 실시예에 따른 충방전기(300)는 도 1에서 설명한 충방전기(100)의 RC 필터(500)에 별도의 방전용 먹스(144)를 추가한 것이다. 방전용 먹스(144)의 일측 단자는 접지되어 있고, 출력 단자는 RC 필터(150)에 연결되어 있다. 방전용 먹스(144)는 각 채널마다 2차 전지의 전압 측정이 완료되면 RC 필터(150)에 충전된 전하를 방전하는 데 사용된다.
본 고안의 실시예에 따른 충방전기(300)에 있어서 2차 전지의 전압을 측정하기 위한 원리는 다음과 같다. 먼저, 채널 1 및 채널 3에는 2차 전지가 삽입되어 있고, 채널 2에는 2차 전지가 삽입되지 않는 것으로 가정한다.
2차 전지가 삽입된 채널 1에서의 전압을 측정하기 위해 먹스(140, 142)의 스위치는 채널 1의 입력 단자로 스위칭된다. 2차 전지에서 출력되는 전압은 먹스(140, 142)를 통해 RC 필터(150)에 충전되고, 차동 증폭기(160)에 의해 2차 전지 양단의 전압이 측정된다. 차동 증폭기(160)는 측정되는 전압을 A/D 변환기(170)로 출력하고, 마이크로컴퓨터(180)는 A/D 변환기(170)로부터 디지털 신호로 변환된 전압 값을 수신하여 2차 전지의 전압을 검출한다.
채널 1에서의 전압 측정이 완료되면, 채널 2의 전압을 측정하기 전에 일정 시간 동안 방전용 먹스(144)가 구동되어 채널 1의 측정 단계에서 RC 필터(150)에 충전된 전하를 방전한다. 즉, 마이크로컴퓨터(180)는 특정 채널의 전압 측정 작업이 완료되면, 일정한 시간 동안 방전용 먹스(144)를 구동시킨다. 여기서, 방전 시간은 RC 필터(150)에 충전된 전하가 모두 방전되기 위해 필요한 시간으로, 다수의 실험을 거쳐 적절한 값으로 설정하는 것이 바람직할 것이다.
방전용 먹스(144)가 구동되면 두 스위치가 접지 단자로 연결되어 RC 필터(150)에 충전된 전하의 방전이 빠르게 진행된다. 기 설정된 방전 시간이 경과하면 마이크로컴퓨터(180)는 먹스(140, 142)의 스위치를 채널 2의 입력 단자로 스위칭시켜, 채널 2에서의 2차 전지의 전압 측정을 수행한다. 하지만, 채널 2에는 2차 전지가 삽입되지 않았으므로 채널 2의 측정 단계에서 RC 필터(150)에 충전되는 전하는 없다. 또한, 채널 1의 측정 단계에서 RC 필터(150)에 충전된 전하는 방전용먹스(144)에 의해 모두 방전되었기 때문에 최종적으로 RC 필터(150)에 충전된 전하는 거의 없다고 볼 수 있다. 따라서, 마이크로컴퓨터(180)는 차동 증폭기(160) 및 A/D 변환기(170)를 통해 채널 2에서의 전압 값을 거의 0으로 측정할 수 있다.
마찬가지로, 채널 2의 측정 작업이 완료되면 방전용 먹스(144)가 구동되어 방전이 수행되고, 방전이 종료되면 먹스(140, 142)가 채널 3으로 스위칭되어 채널 3에서의 2차 전지의 전압 측정이 수행된다. 이러한, 전압 측정은 충방전기(300)에 형성된 모든 채널에 대해 반복적으로 수행된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충방전기(300)의 RC 필터(150)의 충방전 그래프이다.
도 4a는 모든 채널에 2차 전지가 삽입된 경우의 충방전 그래프이다. 도 2를 함께 참조하면서 도 4a를 설명하면, 채널 1의 측정 단계가 시작되기 전에 방전용 먹스(144)에 의한 방전 작업이 참조번호 ①동안 먼저 수행되고, 방전 작업이 종료된 후부터 RC 필터(150)에 전하가 충전되어 RC 필터(150)의 전압이 급격하게 상승하고 있음을 알 수 있다. 여기서, 참조번호 ①은 본 발명의 실시예에 따른 방전용 먹스(144)에 의한 RC 필터(150)의 방전 시간이다. A/D 변환기(170)에 의한 전압 값 변환은 RC 필터(150)의 전압 값이 일정하게 유지되는 시점(그래프가 직선 모양을 갖는 시점) 이후에 수행된다. 채널 2 및 채널 3에서의 전압 측정도 채널 1과 마찬가지로 방전용 먹스(144)에 의한 방전 종료 후에 수행된다.
한편, 도 4b는 채널 2에 2차 전지가 삽입되지 않은 경우의 충방전 그래프이다. 채널 1의 측정 단계에서 RC 필터(150)에 충전된 전하는 채널 2의 방전 작업 동안 방전이 빠르게 이루어져 RC 필터(150)의 전압 값은 0으로 떨어진다. 또한, 채널 2에는 2차 전지가 삽입되어 있지 않으므로 RC 필터(150)에 충전되는 전하도 없다. 따라서, 도 4b에 보여지는 것처럼 방전 작업이 종료된 채널 2에서의 전압 값은 0이 된다. RC 필터(150)의 전압 값은 채널 3에서의 충전 작업이 시작될 때까지 0의 값을 갖는다. 즉, 도 4a 및 도 4b를 보면 충방전기(300)에 형성된 채널에 2차 전지의 삽입 여부에 관계없이 전압 측정이 정확하게 수행될 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 고안을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 고안을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
앞에서 설명하였듯이, 종래 2차 전지 충방전기는 2차 전지가 삽입되지 않은 채널에서의 전압 측정을 정확하게 수행하지 못하였지만, 본 고안에 따르면 2차 전지가 삽입되지 않은 채널에서의 전압도 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 다수의 2차 전지의 전압을 측정하기 위한 충방전기의 전압 측정 회로에 있어서,
    각각의 2차 전지의 양단과 연결되는 다수의 입력 단자를 갖되, 상기 다수의 입력 단자를 순차적으로 스위칭하는 하나 이상의 먹스;
    상기 먹스의 출력 단자에 연결되어 상기 각각의 2차 전지로부터 전달되는 전압의 노이즈(Noise)를 제거하는 RC 필터;
    일측 단자는 접지되고 다른 측 단자는 상기 RC 필터에 연결되어, 상기 RC 필터에 충전된 전하를 방전하기 위한 방전용 먹스;
    상기 RC 필터에서 출력되는 차동 전압을 입력받아 단일 아날로그 신호로 변환하여 상기 2차 전지의 전압을 측정하는 차동 증폭기;
    상기 단일 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기; 및
    상기 먹스, 상기 방전용 먹스 및 상기 A/D 변환기를 제어하기 위한 제어 신호를 발생하고, 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 각각의 2차 전지의 전압을 순차적으로 측정하는 마이크로컴퓨터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로컴퓨터는 상기 먹스를 순차적으로 스위칭하여 상기 2차 전지의전압을 측정하되, 상기 먹스의 매 스위칭 순간마다 전압 측정에 앞서 상기 방전용 먹스를 구동하여 이전 채널에서의 상기 RC 필터에 충전된 전하를 방전하도록 하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충방전기의 전압 측정 회로.
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