KR20060091450A - Charge balancing circuit for solar cell and rechargeable lithium battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에서 나오는 출력전기를 이용하여 리튬이차전지를 충전하고자 할 때를 위한 충전제어회로에 관한 것이다.The present invention relates to a charge control circuit for charging a lithium secondary battery using the output electricity from the solar cell.
본 발명에 따른 충전제어회로는 정전류 충전(Constant Current:이하 'CC'라 한다)과 정전압 충전(Constant Voltage:이하 'CV'라 한다)회로를 포함하는 태양전지와 리튬계 이차전지를 위한 충전제어회로에 있어서, 상기 충전제어회로는 태양전지에 연결되고 기준 태양전지 전압과 태양전지 실제 전압을 비교하여 그 결과를 출력하는 아날로그 오피엠프 연산증폭기를 포함하여 이루어지는 최대 전력점 추종 제어기(이하 'MPPT(Maximum Power Point Tracking)' 제어기라 한다)를 포함하고, 상기 MPPT-제어기, CC-제어기, 및 CV-제어기는 다이오드-AND로 연결되고, 상기 MPPT-제어기, CC-제어기, 및 CV-제어기들이 3개 출력신호가 AND된 다음 삼각파와 비교하는 비교기 및, 상기 비교기를 통해 비교된 두개의 제어신호를 스위치 S1, S2 제어신호로 구동시키는 게이트 드라이버(Gate Driver)로 구성된 것을 특징으로 한다.The charge control circuit according to the present invention includes a charge control for a solar cell and a lithium secondary battery including a constant current charge (hereinafter referred to as "CC") and a constant voltage charge (hereinafter referred to as "CV") circuit In the circuit, the charge control circuit is connected to a solar cell and a maximum power point tracking controller (hereinafter referred to as 'MPPT') comprising an analog op amp operational amplifier that compares the reference solar cell voltage with the actual solar cell voltage and outputs the result. Maximum Power Point Tracking), and the MPPT controller, CC controller, and CV controller are connected by diode-AND, and the MPPT controller, CC controller, and CV controllers Comparator for AND outputting three output signals and comparing them to a triangular wave, and a gate driver for driving two control signals compared through the comparator with switch S1 and S2 control signals. It is characterized by.
Description
도 1은 본 발명에 따른 태양전지-리튬이차전지 충전회로와 제어기의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a solar cell-lithium secondary battery charging circuit and a controller according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 제어기 동작모드의 흐름도이다.2 is a flowchart of a controller operation mode according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 MPPT-CV 제어기 전환시 배터리 전압, 전류, 태양전지전압 파형도이다.Figure 3 is a waveform diagram of the battery voltage, current, solar cell voltage when switching the MPPT-CV controller according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 부하10: load
20 : 태양전지20 solar cell
30 : 게이트 드라이버30: gate driver
40 : MPPT-제어기40: MPPT controller
50 : CC-제어기50: CC controller
60 : CV-제어기60: CV controller
본 발명은 태양전지와 리튬이차전지를 위한 충전제어회로에 관한 것으로, 특히 태양전지에서 나오는 출력전기를 이용하여 리튬이차전지를 충전하고자 할 때를 위한 충전제어회로에 관한 것이다.The present invention relates to a charge control circuit for a solar cell and a lithium secondary battery, and more particularly, to a charge control circuit for charging a lithium secondary battery using the output electricity from the solar cell.
모바일 전자기기의 기능이 다양화되고 고급화됨에 따라 모바일 전력원에 대한 전력 요구량도 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 태양광 등과 같은 자유 에너지원을 이용한 전력시스템의 필요성도 커지고 있다.As the functions of mobile electronic devices are diversified and advanced, the power demand for mobile power sources continues to increase, and accordingly, the need for power systems using free energy sources such as solar power is increasing.
종래 상용 모바일 기기에서 리튬이차전지의 충전에 사용되는 기술은 입력 전원을 상용 AC 전원으로 사용하며, 이를 DC 전원으로 변환한 후 정전류 충전(Constant Current:이하 'CC'라 한다)과 정전압 충전(Constant Voltage:이하 'CV'라 한다)기술을 복합하여 연속 운용하는 형태의 기술, 즉 CC-CV 기술이 사용되고 있다.In the conventional commercial mobile devices, the technology used to charge the lithium secondary battery uses an input power source as a commercial AC power source, and converts it into a DC power source, followed by constant current charging (Constant Current) and constant voltage charging (Constant). Voltage (hereinafter referred to as 'CV') technology is a type of continuous operation, that is, CC-CV technology is used.
태양전지로 리튬이차전지를 충전하려 할 경우에도 상기와 같은 정전류 회로와 정전압회로로 구성되어야 하는데, 태양전지는 입사되는 빛의 양에 비례하는 전류를 생성하는 비선형 전류원이고, 외부온도와 입사되는 광량에 비례하여 동작특성이 달라지기 때문에, 태양전지의 상태를 알아내어 제어할 수 있는 최대전력 충전회로를 필요로 한다.In order to charge a lithium secondary battery with a solar cell, the constant current circuit and the constant voltage circuit should be configured as described above. The solar cell is a non-linear current source that generates a current proportional to the amount of incident light. Since the operating characteristics are changed in proportion to, a maximum power charging circuit capable of detecting and controlling the state of the solar cell is required.
그러나 종래의 태양전지를 이용한 전력시스템은 태양전지를 통한 전류원에 대한 이러한 최대전력 충전회로가 구비되어 있지 않아 사용시 그 효율성이 떨어지 는 문제점이 있었고 이런 이유로 실제 많이 사용되지 못하며 상용화가 어려운 문제점이 있었다.However, the conventional power system using a solar cell is not equipped with such a maximum power charging circuit for the current source through the solar cell has a problem that the efficiency is lowered in use, for this reason there is a problem that it is not practically used a lot and difficult to commercialize.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 최대전력충전회로와 정전류 충전회로 그리고 정전압 충전회로로 충전제어회로를 구성하고, 각각의 회로들을 태양전지 입력조건과 배터리 상태에 따라 동작시키는 매칭 회로에 관한 충전제어회로를 제공하는데 있다.An object of the present invention has been proposed to solve the problems in the prior art as described above, comprising a charge control circuit consisting of a maximum power charging circuit, a constant current charging circuit and a constant voltage charging circuit, each of the circuit input conditions And a charging control circuit related to a matching circuit operated according to a battery condition.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 정전류 충전(Constant Current:이하 'CC'라 한다)과 정전압 충전(Constant Voltage:이하 'CV'라 한다)회로를 포함하는 태양전지와 리튬계 이차전지를 위한 충전제어회로에 있어서, 태양전지에 연결되고 기준 태양전지 전압과 태양전지 실전압을 비교하여 그 결과를 출력하는 아날로그 오피엠프 연산증폭기를 포함하여 이루어지는 최대 전력점 추종 제어기(MPPT 제어기)와 상기 MPPT-제어기, CC-제어기, 및 CV-제어기의 출력중 하나의 출력과 기준파와 비교하는 비교기와 상기 비교기를 통해 출력된 하나의 제어신호를 스위치 S1, S2 제어신호로 구동시키는 게이트 드라이버(Gate Driver)로 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지와 리튬계 이차전지를 위한 충전제어회로가 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, an embodiment including a constant current charging (hereinafter referred to as 'CC') and a constant voltage charging (hereinafter referred to as 'CV') circuit A charge control circuit for a battery and a lithium secondary battery, the maximum power point tracking controller including an analog op amp operational amplifier connected to a solar cell and comparing a reference solar cell voltage with a solar cell real voltage and outputting the result. (MPPT controller) and a comparator for comparing the output of one of the outputs of the MPPT controller, CC controller, and CV controller and the reference wave, and one control signal output through the comparator with the switch S1 and S2 control signals. Provided is a charge control circuit for a solar cell and a lithium secondary battery, comprising a gate driver.
바람직하게는, 상기 MPPT-제어기, CC-제어기 및 CV-제어기는 각각 AC이득증폭회로 F1(s)(46), F2(s)(54), F3(s)(64)를 포함하여 이루어지며, 이들은 각각 입력과 출력의 응답특성에 대해서 정상상태에러를 0으로 하고 빠른 과도응답특성을 가지는 P-I 제어기로 선정된 것을 특징으로 한다.Preferably, the MPPT controller, the CC controller and the CV controller comprise AC gain amplifier circuits F1 (s) 46, F2 (s) 54, and F3 (s) 64, respectively. They are characterized as PI controllers that have a steady state error of 0 and fast transient response for the input and output response characteristics, respectively.
또한 바람직하게는, 태양전지에서 들어오는 전력 Psa가 배터리에서 필요로 하는 전력 Pbat보다 작을 경우에는, 제어기가 태양전지에서 최대전력을 추적하여 배터리에 충전시키게 되는데, 즉, MPPT 제어기가 동작하는 상태가 되어 각각의 조건(Condition)이 Vref > Vbat, Iref > Ibat가 되고, 이 경우 제어기들의 상태는 CC-제어기와 CV-제어기는 디스에이블(Disable)되고, MPPT-제어기가 인에이블(Enable)되어서 MPPT-제어기가 동작되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, when the power Psa coming from the solar cell is smaller than the power Pbat required by the battery, the controller tracks the maximum power from the solar cell and charges the battery, that is, the MPPT controller is operated. Each condition is Vref> Vbat, Iref> Ibat. In this case, the state of the controllers is disabled for the CC controller and the CV controller, and the MPPT controller is enabled for the MPPT controller. The controller is characterized in that the operation.
또한 바람직하게는, 태양전지에서 뽑아낼 수 있는 에너지가 배터리가 필요로 하는 에너지보다 크다면, 배터리 전류-전압 제어상태로 들어가야 되는데 이것은 먼저 배터리 전류를 관찰함으로써 알 수 있게 되며, 즉, Ibat > Iref 이면 제어기는 CC-제어 상태로 들어가서 Vref > Vbat 가 되고 Vsa > Vsa_ref 가 되어 CV-제어기와 MPPT-제어기는 디스에이블(Disable) 되고 CC-제어기가 인에이블(Enable)되어 배터리는 일정전류 제어모드로 들어가게 되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, if the energy that can be extracted from the solar cell is greater than the energy required by the battery, it must enter the battery current-voltage control state, which can be known by first observing the battery current, ie Ibat> Iref. When the controller enters CC-control state, Vref> Vbat, Vsa> Vsa_ref, CV-controller and MPPT-controller are disabled, CC-controller is enabled, and the battery is in constant current control mode. It is characterized by being entered.
또한 바람직하게는, 배터리 전압이 만 충전 전압에 도달하게 되면(Vbat > Vref), CC-제어기와 MPPT-제어기가 디스에이블(Diable)되어서 CV-제어상태로 들어가며 결국 CV-제어기가 인에이블(inable)되고, 이때의 상태는 Iref > Ibat이고 Vsa > Vsa_ref 가 되며, 이상의 상태 천이(State transition)가 배터리와 태양전지의 상태에 따라서 연속적으로 변화하게 되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, when the battery voltage reaches the full charge voltage (Vbat> Vref), the CC-controller and the MPPT-controller are disabled to enter the CV-controlled state and eventually the CV-controller is enabled. In this case, the state is Iref > Ibat and Vsa > Vsa_ref, and the above state transition is continuously changed according to the states of the battery and the solar cell.
이하 본 발명에 따른 충전제어회로를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the charge control circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지-리튬이차전지 충전회로와 제어기의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a solar cell-lithium secondary battery charging circuit and a controller according to the present invention.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안된 새로운 충전제어 회로(100)는 1) 최대전력 충전회로 2) 정전류 충전회로 3) 정전압 충전회로로 구성되어 있고, 각 충전회로는 배터리 상태와 외부 입력조건에 따라서 순차적으로 동작된다.As shown in the drawing, the new
도 1을 참조하면, 전력단은 높은 에너지 변환 효율을 가지기 위해서 동기식 벅 컨버터(Synchronous Buck Converter)로 구성되어 있다.Referring to FIG. 1, the power stage includes a synchronous buck converter in order to have high energy conversion efficiency.
상기 충전 제어회로(100)는 태양전지로부터 커패시터 및 리튬이차전지로의 충전시 충전효율 극대화를 위한 회로로서, 세 개의 제어기(40,50,60)는 출력단자가 역방향 다이오드와 연결되어 있어 세 개의 출력값중에 하나의 출력값만이 선택되도록 연결되어 있다. 각각의 제어기(40,50,60)는 최대 전력점 추종 제어기(이하 'MPPT(Maximum Power Point Tracking)' 제어기라 한다. 최대 전력점 추종을 하는 기능)(40)와 CC-제어기(Controller)(50)(배터리 일정충전 전류제어기, 보통 기준전류는 배터리 용량의 0.5C 로 정함) 그리고 CV-제어기(Controller)(60)(배터리 일정충전 전압 제어기, 보통 만충전 전압은 4.2V로 정함)로 구성되어 있다.The
기준전류와 만충전 전압은 현재 사용되고 있는 상용의 리튬이온전지와 폴리머 계열의 리튬 전지 데이터 시트에서 발췌하여 선정하였다.The reference current and full charge voltage were selected from current commercially available lithium ion batteries and polymer-based lithium battery data sheets.
각 제어기(40,50,60)의 출력신호 3개중 선택된 하나의 신호가 기준파인 삼각파와 비교기(70)를 통해 비교되어 두개의 스위치 S1, S2 제어신호를 만들어 내게 되고, 게이트 드라이버(Gate Driver)(30)를 거쳐서 스위치(22,24)를 구동하게 된다. F1(s)(46), F2(s)(54), F3(s)(64)는 AC이득증폭회로이고, 입력과 출력의 응답특성에 대해서 정상상태에러를 0으로 하고 빠른 과도응답특성을 가지는 P-I 제어기를 선정하였다.One of the three selected output signals of the
참조부호 20은 태양전지를 나타낸다.
미설명부호 14는 배터리(전지)를 나타내고, 11 및 12는 캐패시터를 나타낸다. 미설명부호 10은 부하를 나타낸다.
또한 미설명부호 33,52 및 62는 각각 기준 태양전지 전압과 태양전지 전압을 비교하는 아날로그 오피엠프 연산증폭기, 기준전류와 배터리 전류를 비교하는 아날로그 오피엠프 연산증폭기 및 기준전압과 배터리 전압을 비교하는 아날로그 오피엠프 연산증폭기를 나타낸다.In addition,
상기 아날로그 오피엠프 연산증폭기(44)는 일측은(비반전단자) 태양전지(20)에 연결되고 타측은(반전단자) MPPT-기준발생기(42)에 연결되며, 이득증폭회로(46)는 일측은 상기 연산증폭기(44)의 반전단자에 연결되고 타측은 출력단에 연결된다. 상기 출력단은 역방향 다이오드(82)에 연결되어 비교기의 출력이 음이면 인에이블되고, 양이면, 디스에이블된다. The analog op amp
또한 상기 아날로그 오피엠프 연산증폭기(52)는 일측은(반전단자) 배터리(14)의 (-)단자에 연결되고 타측은(비반전단자) 기준 전류에 연결되며, 이득증폭회 로(54)는 일측은 상기 연산증폭기(54)의 반전단자에 연결되고 타측은 출력단에 연결된다. 상기 출력단은 역방향 다이오드(84)에 연결되어 비교기의 출력이 음이면 인에이블되고, 양이면, 디스에이블된다. In addition, the analog op amp
상기 아날로그 오피엠프 연산증폭기(62)는 일측은(반전단자) 배터리(14)의 (+)단자에 연결되고 타측은(비반전단자) 기준전압에 연결되며, 이득증폭회로(64)는 일측은 상기 연산증폭기(62)의 반전단자에 연결되고 타측은 출력단에 연결된다. 상기 출력단은 역방향 다이오드(86)에 연결되어 비교기의 출력이 음이면 인에이블되고, 양이면, 디스에이블된다. The analog op amp
또한 미설명부호 22 및 24는 각각 제어신호 S1,S2에 의해 스위칭되는 스위칭 소자를 나타낸 것으로서, 각각 태양전지(20)와 부하(10)간에 직렬 및 병렬로 연결되며, 또한 상기 게이트 드라이버(30)로부터의 스위칭 신호를 접수가능하도록 연결된다.In addition,
도 2는 본 발명에 따른 제어기 동작모드의 흐름도이다. 제어기 구성 및 동작원리는 아래와 같다.2 is a flowchart of a controller operation mode according to the present invention. Controller configuration and operation principle are as follows.
도 2에 도시한 바와 같이, 제어기의 동작을 흐름도를 통해 보면, 먼저 태양전지에서 들어오는 전력 Psa가 배터리에서 필요로 하는 전력 Pbat보다 작을 경우에는(ST-2), 제어기가 태양전지에서 최대전력을 추적하여 배터리에 충전시키게 된다. 즉, MPPT 제어기(40)가 동작하는 상태가 되어 각각의 조건(Condition)은 Vref > Vbat, Iref > Ibat 가 된다. 이 경우 제어기들의 상태는 CC-제어기(50)와 CV-제어 기(60)는 디스에이블(Disable)되고, MPPT 제어기(40)가 인에이블(Enable)되어서 MPPT제어기(40)가 동작된다.As shown in FIG. 2, when the operation of the controller is shown through a flowchart, first, when the power Psa input from the solar cell is smaller than the power Pbat required by the battery (ST-2), the controller determines the maximum power in the solar cell. It will track and charge the battery. That is, the
만약 태양전지에서 뽑아낼 수 있는 에너지가 배터리가 필요로 하는 에너지보다 크다면, 배터리 전류-전압 제어상태로 들어가야 되는데 이것은 먼저 배터리 전류를 관찰함으로서 알 수 있게 된다(ST-4). 즉, 상기 단계 ST-4에서, Ibat > Iref 이면 제어기는 CC-제어 상태로 들어가서 Vref > Vbat 가 되고 Vsa > Vsa_ref 가 되어 CV-제어기(60)와 MPPT-제어기(40)는 디스에이블(Disable) 되고 CC-제어기(50)가 인에이블(Enable)되어 배터리는 일정전류 제어모드로 들어가게 된다.If the energy that can be extracted from the solar cell is greater than the energy required by the battery, it must enter the battery current-voltage control state, which can be seen by first observing the battery current (ST-4). That is, in step ST-4, if Ibat> Iref, the controller enters the CC-control state and becomes Vref> Vbat and Vsa> Vsa_ref so that the CV-
만약 배터리 전압이 만 충전 전압에 도달하게 되면(Vbat > Vref), CC-제어기(50)와 MPPT-제어기(40)가 디스에이블(Diable)되어서 CV-제어상태로 들어가며 결국 CV-제어기(60)가 인에이블(inable)되고, 이때의 상태는 Iref > Ibat이고 Vsa > Vsa_ref 가 된다. 이상의 상태 천이(State transition)가 배터리와 태양전지의 상태에 따라서 연속적으로 변화하게 된다. 이와 같은 동작은 도 1에 표시된 아날로그 연산증폭기(OP-Amp)에 의해서 구현되며, 동작원리는 도 2와 동일하다.If the battery voltage reaches the full charge voltage (Vbat> Vref), the CC-
도 3은 본 발명에 따른 MPPT-CV 제어기 전환시 배터리 전압, 전류, 태양전지전압 파형도이다.Figure 3 is a waveform diagram of the battery voltage, current, solar cell voltage when switching the MPPT-CV controller according to the present invention.
도 3을 참조하면, 도 1의 구조대로 설계된 실제 회로를 가지고 실험을 하였 다. 도 3에 충전시의 태양전지 전압, 배터리 전압-전류의 파형을 나타내었다. 제어기가 MPPT 모드에서 동작하고 있다가 배터리의 전압이 만충전 전압인 4.2[V]에 도달하게 되면 제어기가 CV모드로 전환되게 된다. CV모드에서는 배터리의 전압은 항상 일정하게 유지되지만, 배터리 내부의 전하가 계속 증가함에 따라 충전전류는 계속해서 감소하게 된다. 이때 태양전지의 전압은 계속 증가하게 되는데, 그 이유는 태양전지의 동작점이 MPPT모드에서는 최대전력점에서 유지되지만, CV 모드에서는 충전전류가 계속 감소하기 때문에 태양전지의 동작점이 최대전력점에서 오른쪽(즉 개방전압 Voc쪽) 으로 이동하기 때문에 태양전지의 전압이 증가하게 된다.Referring to FIG. 3, an experiment was performed with an actual circuit designed according to the structure of FIG. 1. 3 shows waveforms of the solar cell voltage and the battery voltage-current during charging. When the controller operates in MPPT mode and the battery voltage reaches 4.2 [V], the full charge voltage, the controller switches to CV mode. In CV mode, the voltage of the battery remains constant, but as the charge inside the battery continues to increase, the charge current continues to decrease. At this time, the voltage of the solar cell continues to increase. This is because the operating point of the solar cell is maintained at the maximum power point in the MPPT mode, but in the CV mode, the operating current of the solar cell is decreased from the maximum power point to the right ( That is, since the voltage moves to the open voltage Voc side, the voltage of the solar cell increases.
본 발명에 따른 충전제어회로에 의하면, 충전제어회로는 1)태양전지의 최대전력점에서 동작시키기 위한 최대전력충전회로 2) 정전류 충전을 하기 위한 정전류 충전회로 3)정전압 충전을 하기 위한 정전압 충전회로를 포함하여 구성되어 있으며, 이러한 충전회로들이 외부 입력조건과 배터리 상태에 따라 차례로 동작하게 되어 태양전지를 이용하여 리튬이차전지를 충전하고자 할 때 최대의 전력 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.According to the charge control circuit according to the present invention, the charge control circuit 1) the maximum power charging circuit for operating at the maximum power point of the solar cell 2) constant current charging circuit for constant current charging 3) constant voltage charging circuit for constant voltage charging It is configured to include, these charging circuits are operated in accordance with the external input conditions and the battery condition in order to have the effect of obtaining the maximum power efficiency when trying to charge the lithium secondary battery using a solar cell.
이상 본 발명에 대하여 첨부된 도면과 실시 예를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시 예에 한정되지 않으며 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도의 변형은 본 고안의 기술적 사상에 속하는 것은 자명하다. The present invention has been described above with reference to the accompanying drawings and embodiments, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and modifications of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art. It is obvious that it belongs to the technical idea of the invention.
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