KR20050004544A

KR20050004544A - 인공지능 배터리 관리기

Info

Publication number: KR20050004544A
Application number: KR1020030044764A
Authority: KR
Inventors: 오세광
Original assignee: 오세광
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-12

Abstract

본 발명은 리튬-이온, 리튬-폴리머, 니켈-수소, 니켈-카드뮴, 납-산 전지 등의 배터리 과방전 감지수단과 배터리의 단위전지의 균등화수단을 스위칭IC와 마이콤IC를 이용하여 간단히 구성함으로써, 전지관리 과정을 자동화와 인공지능화 하며, 배터리의 관리기의 부피를 작게 하고, 배터리의 사용 수명을 연장하는 배터리 관리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명의 배터리 관리기는 복수개의 단위전지(102a∼102j)로 된 배터리부(102)와, 상기 배터리를 구성하는 각각의 단위전지의 전압을 감지하는 배터리 과방전감지수단(101)과, 상기 각각의 단위전지를 동시에 같은 전위 수준으로 개별로 방전할 수 있도록 구성되는 단위전지의 균등화수단(104)과, 상기 배터리 과방전 감지수단 및 상기 단위전지의 균등화수단을 제어하는 중앙처리장치(5)를 구비하고, 배터리를 사용하거나 방전시킬 때 상기 배터리 과방전감지수단이 상기 배터리를 구성하는 단위전지 중 어느 하나 이상의 단위전지의 전압이 소정 전압 이하가 된 것을 감지하면 상기 중앙처리장치는 상기 배터리의 사용 전원을 차단하도록 구성되고, 상기 배터리의 사용 전원이 차단된 후 상기 단위전지의 균등화수단이 구동되어 각각의 단위전지의 관리말전위(end-of-maintenance voltage)를 상기 배터리 과방전감지수단(101)이 감지할 때까지 단위전지 균등화를 지속하도록 구성된다.

Description

인공지능 배터리 관리기{A intelligent management system for the rechargeable batteries}

본 발명은 배터리를 사용하는 과정에서 배터리의 과방전으로 인하여 야기되는 배터리의 영구적 손상을 방지할 수 있는 배터리 관리기를 제공하는 것에 관련된 것으로, 관리과정을 전산회로로 인공지능화 한 것에 관련된 것이다.

더 구체적으로는 복수개의 단위전지를 직렬 연결하여 사용 중인 배터리에 단위전지의 과방전을 감시할 수 있는 과방전감시장치 및 배터리를 구성하는 단위전지의 균등화처리가 가능한 균등화관리장치를 구성하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 충전용 배터리는 복수개의 단위전지(Cell)로 이루어지고, 각 단위 전지의 기본 전위보다 높은 전위를 필요로 하는 경우에는 다수의 단위전지를 직렬로 연결하여 사용하는 것이 보통이다. 이럴 경우 각 단위전지는 여러 차례 반복충전하여 사용하는 동안 서로 다른 에너지 수준으로 충전되고 방전된다.

일단, 다수의 단위전지를 직렬로 연결하여 사용한 후에 즉, 서로 다른 에너지 수준으로 방전된 후에, 다시 충전하면 충전된 단위전지의 에너지 수준 역시 서로 다르게 형성된다. 이런 상태에서 충전과 방전이 수 차례 반복되면 하나의 그룹을 이루는 단위전지 중 몇 개는 과방전이 되어 사용말전위(end-of-use voltage)가 0V이하가 된다. 이 상태에서 사용자가 계속 단위전지를 방전시킨다든지 계속 사용하게 되면, 이런 단위전지들은 전위가 바뀌는 이른바 "전지 역전 현상(Battery Reversal)"이 나타나면서 단위전지는 영구적으로 파괴된다.

이와 같이 에너지 수준이 서로 다른 단위전지들이 직렬로 연결되어 충전될 경우, 낮은 에너지 수준의 단위전지들이 충전 상태에 도달하기 전에 비교적 높은 에너지 수준의 다른 단위전지가 충전 완료 신호를 보내어 충전기는 충전을 완료하게 된다. 또한, 과방전된 단위전지를 포함하는 경우에서는, 과방전된 단위전지가 완전 충전 상태가 되기 전에 다른 단위전지는 과충전 상태에 도달하게 된다. 즉, 다수의 단위전지 중 일부 단위전지는 불완전 충전 - 과방전 또는 전지 역전을 반복하게 되며, 나머지 단위전지는 완전 충전 또는 과충전 - 불완전 방전을 반복하게 되어 결국 단위전지들의 영구적 손상이 일어나고 배터리의 수명을 단축시키게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법으로써 본 발명의 출원인은 한국 특허출원번호 2002-70043호에서 도 1과 같은 구조의 배터리 관리기를 제시하였다.

상기 도 1의 종래 구조의 배터리 관리기는 과방전 감지수단(11)으로 릴레이 스위치(1a∼1h)를 각각의 단위전지(2a∼2h)에 연결하여 그 단위전지 중 어느 하나 이상의 단위전지의 전압이 소정의 전압(예를 들어 니켈-수소나 니켈-카드뮴 전지의 경우 0.9V)이하로 방전되었을 때 상기 배터리의 전원 연결을 차단하도록 구성되어 있다.

그러나, 상기와 같이 구성되는 종래의 배터리 관리기는 릴레이 스위치로 인하여 부피가 커지는 단점이 있고, 각각의 단위전지를 원하는 관리말전압으로 제어하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 직렬로 연결하여 사용하고 있는 배터리의 단위전지들 중 어느 하나라도 소정의 전압(단위전지 감시전압: 사용말 전위보다는 약간 높은 전압) 이하가 되면 전지 파괴 시점이 가까워져 있음을 경고해 주고, 이 전압 이하로 전압이 하강하여 일정 전압(배터리 관리개시전압: 사용말 전압과 같거나 약간 낮은 전압) 이하에 도달하면 자동으로 배터리의 전원이 오프 되도록 제어하는 배터리 과방전감지수단, 상기 배터리 과방전감지수단에 의하여 배터리 전원이 차단 된 후 각각의 단위전지를 개별 방전하여 균등화 관리할 수 있는 단위전지의 균등화수단을 구성한다.

상기 배터리 과방전감지수단은 마이컴IC에 의하여 제어되는 스위칭IC와 컴퍼레이터를 이용하여 각각의 단위전지 셀에 대한 전압를 감지할 수 있도록 하고, 상기 각각의 단위전지(셀)들 중 어느 하나 이상의 단위전지가 소정 전압 이하가 되면자동으로 배터리의 전원이 차단되도록 마이컴IC가 제어한다.

또, 단위전지의 균등화수단은 각각의 단위전지에 대하여 병렬로 연결되는 저항과 트랜지스터로 이루어지고, 상기 트랜지스터의 온/오프에 의하여 각 단위전지에 대한 균등화를 제어한다. 상기 단위전지의 균등화수단에 구성되는 트랜지스터는 배터리 과방전 감지수단에 의하여 배터리 전원이 차단되기 전까지는 오프 상태를 유지하다가 배터리 전원이 차단된 후에는 온 상태로 전환되도록 마이컴IC가 제어하되, 상기 트랜지스터의 온 상태는 배터리 과방전감지수단이 그 트랜지스터와 연결된 각 단위전지 셀의 관리말전위를 감지할 때까지 지속되도록 제어한다.

상기 배터리 과방전감지수단과 단위전지의 균등화수단에는 각각 경고장치가 구성되어 배터리의 과방전감지와 균등화 관리 과정을 사용자가 알 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 사용 중인 배터리의 단위전지들 중 어느 하나라도 단위전지 감시전압에 도달하면 배터리가 과방전되기 전에 미리 배터리의 균등화 시점을 사용자에게 경고하여 줄 수 있도록 하고, 배터리의 단위전지들 중 어느 하나라도 배터리 관리개시전압에 도달하면 동시에 배터리를 구성하는 단위전지의 균등화 방전관리가 이루어지도록 하는 배터리 관리기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 배터리의 사용 수명을 연장하는 배터리 관리기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리 과방전감지수단과 단위전지의 균등화수단을 스위칭IC와 마이컴IC를 이용하여, 과방전감시를 인공지능화하여 관리시점을 정확히 파악하여 자동으로 관리하도록 함으로써 전지관리로 인한 전지의 작동 불능시간을 최소로 줄이고, 전지의 사용가능 시간을 최대로 연장하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 관리기의 부피와 무게를 줄이고 제조 원가를 낮추는데 있다.

도 1은 종래 구조의 배터리 관리기를 설명하기 위한 도면이고,

도 2는 본 발명의 배터리 관리기의 구조를 설명하기 위한 회로도이고,

도 3은 본 발명의 배터리 관리기의 과방전감지수단의 동작 과정을 설명하기 위한 요부 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 3 - 릴레이스위치

2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f, 102g, 102h, 102i, 102j - 단위전지

4 - 릴레이스위치의 코일 P - 릴레이스위치의 접촉단자

S1,S2 - 릴레이스위치의 단자 5 - 마이컴IC(중앙처리장치)

6 - 배터리 과방전 경고장치

7 - 단위전지균등화수단의 구동경고장치.

8 - 배터리전원차단스위치 9 -리셋스위치

10 - 스위칭IC 11- 전압감지장치

12 - 전류감지장치 13 - 전류표시장치

16 - 전자장비연결단자 17 - 충전단자

22 - 저항 8a, 33 -트랜지스터 스위치

11, 101 - 배터리 과방전감지수단 102- 배터리부

104b, 104c, 104d, 104e, 104f, 104g, 104h, 104i, 104j, 104 - 단위전지의 균등화수단

상기 목적 달성을 위하여 본 발명은 복수개의 단위전지(102a∼102j)로 된 배터리부(102)와, 상기 배터리를 구성하는 각각의 단위전지의 전압을 감지하는 배터리 과방전감지수단(101)과, 상기 각각의 단위전지를 개별 방전할 수 있도록 구 성되는 단위전지의 균등화수단(104)과, 상기 배터리 과방전감지수단 및 상기 단위전지의 균등화수단을 제어하는 중앙처리장치(5)를 구비하고, 상기 배터리 과방전감지수단이 상기 배터리를 구성하는 단위전지 중 어느 하나 이상의 단위전지의 전압이 소정 전압(단위전지 감시전압: 사용말전위와 같거나 약간 높은 전압) 이하가 되면 전지 파괴 시점이 가까워져 있음을 경고해 주고 이 전압 이하로 전압이 하강하여 일정전압(배터리 관리개시전압) 이하에 도달하면 상기 중앙처리장치는 상기 배터리의 사용 전원을 차단하도록 구성되고, 상기 배터리의 사용 전원이 차단된 후 상기 단위전지의 균등화수단이 구동되어 각각의 단위전지의 관리말전위를 상기 배터리 과방전감지수단(101)이 감지할 때까지 지속되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

단위전지 감시전압, 배터리 관리개시전압, 사용말전위나 관리말전위는 리튬-이온, 리튬-폴리머, 니켈-수소, 니켈-카드뮴, 납-산 전지 등의 전지화학 및 전지의 종류와 사용목적 등에 의하여 결정된다.

또, 상기 단위전지는 직렬로 연결되고, 상기 단위전지의 균등화수단은 상기직렬로 연결된 각 단위 전지에 대하여 병렬로 연결된 저항(32)과 트랜지스터(33)로 이루어진다.

상기 배터리 과방전감지수단과 상기 단위전지의 균등화수단의 감지신호를 알려주는 경고장치(6,7)를 추가로 구성할 수 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 기술구성 및 작용 효과에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 배터리 관리기는 스위칭IC(10)와 전압감지장치(11)로 이루어진 배터리 과방전감지수단(101)과, 저항(32) 및 트랜지스터(33)로 이루어진 각 단위전지의 균등화수단(4a∼4j))과, 상기 배터리 과방전 감지수단과 단위전지의 균등화수단을 제어하는 마이컴IC(5)와, 부져 또는 제1램프로 이루어진 배터리 과방전 경고장치(6)와, 제2램프로 이루어진 단위전지의 균둥화수단의 구동경고장치(7)와, 배터리 과방전감지수단이 배터리 단위전지의 과방전을 감지한 경우 외부와 연결된 전자장비연결단자(16)의 전원을 차단하도록 하는 배터리전원차단스위치(8)와, 상기 단위전지의 균등화수단의 리셋스위치(9)를 포함하여 구성한다.

상기 배터리전원차단스위치(8)는 배터리 과방전감지수단이 배터리 단위 전지의 과방전을 감지하였을 때 마이컴IC(중앙처리장치:5)가 제어하여 자동으로 배터리전원차단스위치(8)를 차단하도록 하는 트랜지스터(8a)만으로 배터리전원 차단스위치를 구성할 수 있으나 사용자가 수동으로 차단할 수 있도록 수동스위치 (8b)를 추가하여 구성할 수 있다.

또, 배터리와 마이컴IC 사이에는 배터리의 사용전류를 측정하는 전류감지장치(12)가 설치되고, 상기 감지된 전류는 전류표시장치(13)에 표시되도록 구성된다.

또, 배터리를 전자장비연결단자(16)와 연결하여 사용 중에라도 배터리를 구성하는 단위전지를 개별 방전하여 균등화 할 수 있도록 관리스위치(14)를 추가하여 설치할 수 있다.

배터리를 구성하는 소정 개수의 단위전지(102a∼102j)는 직렬로 연결되어 구성되고, 그 단위전지 마다 전압감지장치(11)에 의하여 전압이 감지되어 마이컴IC(5)에 전송될 수 있도록 스위칭하여 주는 스위칭IC(10)가 연결된다.

상기 마이컴IC(5) 및 스위칭IC(10)는 도 3과 같이 회로가 구성되어 각각의 단위전지 (102a∼102j)의 전압을 측정할 수 있도록 스위치의 온/오프를 순차적으로 마이컴IC(5)가 제어한다. 특히 , 상기 마이컴IC(5) 및 스위칭IC(10), 전압감지장치, 전류감지장치 등은 단위전지를 구성하는 자체 배터리 전원에 의하여 구동하도록 한다.

예를 들어 단위전지(102b)의 전압을 전압감지장치(11)가 감지하여 마이컴IC(5)로 전송하도록 하는 경우에는 스위칭IC의 스위칭단자(10a)와(10b)만 연결되고 나머지 스위칭 단자는 각 단위전지와 연결이 차단되도록 스위칭IC를 제어한다. 상기와 같은 방법으로 단위전지(102b)에서 (102j)까지 스위칭IC를 순차적으로 반복 스위칭하여 마이컴IC(5)에 그 단위전지의 전압정보를 전송하고 마이컴IC는 그 단위전지 중 어느 하나의 단위전지라도 소정 값(단위전지 감시전압: 예를 들어 니켈-수소나 니켈-카드뮴 전지의 경우 1.0V) 이하의 전압을 감지하면 곧 바로 부져 또는 제1램프로 된 배터리 과방전경고장치(6)를 구동하고, 계속 전지를 사용하여일정전압(배터리 관리개시전압: 사용말전압 예를 들어 니켈-수소나 니켈-카드뮴 전지의 경우 0.9V)에 도달하면 이를 감지하여 배터리전원차단스위치(8)를 오프 하도록 제어한다.

상기 배터리전원차단스위치가 자동으로 오프되면 마이컴IC는 단위전지 균등화수단(104a∼104j)을 구성하는 각각의 트랜지스터(33)를 구동하여 저항(22)과 각각의 단위전지를 연결함으로써 그 단위전지에 대한 관리말전위까지 개별방전을 실시한다. 상기 단위전지의 개별방전이 이루어지는 동안에도 스위칭IC(10)의 스위칭 단자들은 순차적으로 반복 스위칭 함으로써 전압감지장치(11)가 각각의 단위전지의 전압을 감지할 수 있도록 한다.

한편, 단위전지의 균등화수단이 작동되면 제2램프로 이루어진 균등화수단의 구동경고장치(7)가 작동한다.

(전지의공칭전압)＞(단위전지감시전압)≥(사용말전압)≥(관리개시전압)≥(관리말전압)≥0

상기 단위전지의 균등화수단이 작동하여 각각의 단위전지(104a∼104j)가 모두 관리말전위(0V에서 0.9V의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다)로 방전되어 균등화되면 균등화수단을 구성하는 트랜지스터(33)가 다시 오프되도록 마이컴IC(5)가 제어한다.

상기 각 단위전지의 관리말전위는 전압감지장치(11)에 의하여 감지되고, 그 정보가 마이컴IC에 입력되어 그 정보에 따라 상기 트랜지스터(33)의 온/오프가 제어된다.

상기와 같이 배터리의 과방전 전에 그 신호를 감지하여 배터리를 구성하는 각각의 단위전지를 개별 방전하여 균등화시킨 후에는 충전단자(17)를 도시되지 않은 별도의 충전기에 연결하여 배터리를 충전한다.

상기 리셋스위치(9)는 단위전지의 균등화수단의 트랜지스터(33)를 오프 상태로 리셋하는 스위치로서 균등화 모드 즉, 배터리 관리를 강제로 해제하여 줄 수 있는 스위치이고, 관리스위치(14)는 반대로 단위전지의 균등화수단의 트랜지스터(33)를 온 상태로 강제로 바꾸어 배터리의 관리모드로 강제로 변환하는 스위치이다.

본 발명의 배터리 관리기는 직렬 연결된 각 단위전지들의 과방전을 감지할 수 있는 스위칭 수단을 스위칭IC를 이용하여 구성하고, 그 스위칭IC와 연결된 단위전지의 전압감지장치에 의하여 과방전을 감지할 수 있도록 구성하고, 과방전 감지수단이 배터리의 과방전을 감지하면 전자장비연결단자(16)의 전원 연결을 자동 차단하고, 배터리의 균등화관리 모드로 자동 변경되어 배터리를 구성하는 각 단위전지를 관리말전위까지 균등화 되도록 함으로써, 배터리의 관리 효율을 향상시키고, 배터리의 사용 수명을 크게 개선하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

복수개의 단위전지(102a∼102j)로 된 배터리부(102)와, 상기 배터리를 구성하는 각각의 단위전지의 전압을 감지하는 배터리 과방전감지수단(101)과, 상기 각각의 단위전지를 개별 방전할 수 있도록 구성되는 단위전지의 균등화수단(104)과, 상기 배터리 과방전감지수단 및 상기 단위전지의 균등화수단을 제어하는 중앙처리장치(5)를 구비하고, 상기 배터리 과방전감지수단이 상기 배터리를 구성하는 단위전지 중 어느 하나 이상의 단위전지의 전압이 소정 전압 이하가 된 것을 감지하면 상기 중앙처리장치는 상기 배터리의 사용 전원을 차단하도록 구성되고, 상기 배터리의 사용 전원이 차단된 후 상기 단위전지의 균등화수단이 구동되어 각각의 단위전지의 관리말전위를 상기 배터리 과방전 감지수단(101)이 감지할 때까지 지속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공지능 배터리 관리기.
제1항에 있어서,

상기 단위전지는 직렬로 연결되고, 상기 단위전지의 균등화수단은 상기 직렬로 연결된 각 단위 전지에 대하여 병렬로 연결된 저항과 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능 배터리 관리기.
제1항에 있어서,

상기 배터리 과방전감지수단과 상기 단위전지의 균등화수단의 감지신호를 경고하는 경고장치가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공지능 배터리 관리기.