KR20110106741A - 2차 전지의 충방전 시스템 - Google Patents

2차 전지의 충방전 시스템 Download PDF

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임성규
허정욱
이광규
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(주)지엘디테크
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Abstract

본 발명은 전류제어용 보조회로를 추가로 구비하여 2차 전지 셀의 초기 특성에 관계없이 균일한 충방전이 이루어질 수 있도록 해주는 2차 전지의 충방전 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, 2차 전지(40)의 각 셀을 충방전하는데 필요한 제어신호를 출력하는 메인 보드(20)와, 독립된 충전 및 방전 회로를 구비하고 상기 메인 보드(20)로부터 입력되는 제어신호에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀에 대해 충방전을 실행하는 채널 보드(30)로 이루어진 2차 전지의 충방전 시스템에 있어서, 상기 채널 보드(30)는, 상기 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호(Iref)에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀을 충전하고, 현재 충전 전류값을 측정하여 피드백하는 충전 회로, 상기 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀을 방전하고, 현재 방전 전류값을 측정하여 피드백하는 방전 회로, 및 상기 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에, 상기 충전 또는 방전 회로가 충전 또는 방전 전류를 증가시키도록 해주는 전류제어용 보조회로(50)를 포함한다.

Description

2차 전지의 충방전 시스템{CHARGING AND DISCHARGING SYSTEM FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은 2차 전지의 충방전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 전지의 최초 충방전 시에 2차 전지의 각 셀마다 균일한 충방전이 이루어질 수 있도록 해주는 시스템에 관한 것이다.
정보통신의 발달과 전기자동차의 개발로 인한 사용의 증가로 2차 전지의 수요가 많이 증가되고 있는데, 수소 이온 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 등과 같은 2차 전지는 제조 후 충방전 과정을 거쳐야만 전지로서의 성능이 완성되므로 테스트용 충방전 시스템이 생산 라인에 필요하게 되었다.
도 1에는 일반적인 2차 전지의 충방전 시스템이 도시되어 있다. 충방전 시스템은 중앙에서 충방전에 필요한 제어를 총괄하고 충방전 과정에서 얻어지는 데이터를 저장하는 메인 서버(10), 메인 서버(10)로부터 전송되는 제어신호에 따라 2차 전지의 충방전 동작을 제어하는 메인 보드(20), 메인 보드(20)로부터 정전압 충방전 신호, 정전류 충방전 신호와 같은 제어신호를 입력받아 실제로 2차 전지(40)의 각 셀마다 충방전 작업을 실시하고, 각 셀의 현재 충전 상태(충방전 경과 시간, 현재 충전 전압값, 현재 충전 전류값, 밧데리 이상 유무)를 모니터링하여 그 데이터를 메인 보드(20)로 전송하는 채널 보드(30)로 구성된다.
상기 채널 보드(30)는 하나의 충방전 유니트마다 32개로 독립된 채널로 구성되어 한번에 32개의 2차 전지 셀을 충방전시킬 수 있다. 1개의 독립된 채널에는 한 쌍의 충전 및 방전회로가 구비되어 독립적으로 충방전을 실행할 수 있다. 이 한 쌍의 충전 및 방전회로는 각 채널마다 동일하게 구성된다. 참고로 2차 전지는 용량에 따라서 차이가 있으나, 통상 4개의 셀이 하나로 연결되어 구성된다.
2차 전지의 충방전 시스템은 충전 또는 방전 시에 각 셀의 조건에 따라 정전압(Constant voltage), 정전류(Constant current) 방식 중 하나를 사용한다. 또한, 리니어(linear) 방식의 DC 레귤레이터를 사용하므로 노이즈가 없는 양질의 전원을 얻을 수 있다. 그 결과, 충전 또는 방전 과정이 상당히 안정적으로 이루어져 2차 전지 셀에 스트레스를 주지 않는다.
그러나, 최초 충방전 시에 2차 전지의 각 셀들은 초기 임피던스 및 셀의 충전 상태에 따라 제각기 다른 초기 전압, 전류 특성을 나타낸다. 따라서, 도 1과 같이 다수의 셀을 동일한 충방전 회로로 제어하는 경우 각 셀들의 초기 상태에 따라서 충방전 상태가 달라지게 된다. 다시 말해, 초기 셀들의 충전 또는 방전 상태에 따라 동일한 조건에서 충전 또는 방전을 시작하더라도 각 셀들이 응답하는 특성(충전 전류, 방전 전류)이 다르기 때문에 1개의 충방전 회로만으로 모든 셀을 균일하게 제어하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 2차 전지의 충방전 시스템의 각 채널마다 전류제어용 보조회로를 추가로 구비하여 2차 전지 셀의 충방전 상태에 따라 충방전 전류를 조절할 수 있도록 함으로써, 2차 전지 셀의 초기 특성에 관계없이 균일한 충방전이 이루어질 수 있도록 해주는 충방전 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 2차 전지의 충방전 시스템은, 2차 전지의 각 셀을 충방전하는데 필요한 제어신호를 출력하는 메인 보드와, 독립된 충전 및 방전 회로를 구비하고 상기 메인 보드로부터 입력되는 제어신호에 의해 상기 2차 전지의 각 셀에 대해 충방전을 실행하는 채널 보드로 이루어진 2차 전지의 충방전 시스템에 있어서, 상기 채널 보드는, 상기 메인 보드로부터 입력된 기준 전류신호에 의해 상기 2차 전지의 각 셀을 충전하고, 현재 충전 전류값을 측정하여 피드백하는 충전 회로, 상기 메인 보드로부터 입력된 기준 전류신호에 의해 상기 2차 전지의 각 셀을 방전하고, 현재 방전 전류값을 측정하여 피드백하는 방전 회로, 및 상기 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에, 상기 충전 또는 방전 회로가 충전 또는 방전 전류를 증가시키도록 해주는 전류제어용 보조회로를 포함한다.
또한, 상기 충전 회로는, 상기 기준 전류신호와 피드백되는 현재 충전 전류값을 입력받아 충전 제어신호를 출력하는 충전 컨트롤러, 이 충전 컨트롤러로부터 입력된 충전 제어신호에 따라 외부 전원의 전압을 필요한 충전 전압으로 강하시켜주는 하프브리지 컨버터, 및 이 하프브리지 컨버터로부터 상기 2차 전지의 각 셀로 출력되고 있는 현재 충전 전류값을 측정하여 상기 충전 컨트롤러 및 전류제어용 보조회로로 피드백하는 충전 센서를 포함한다.
또한, 상기 방전 회로는, 상기 기준 전류신호와 피드백되는 현재 방전 전류값을 입력받아 방전 제어신호를 출력하는 방전 컨트롤러, 상기 2차 전지의 각 셀로부터 방전되고 있는 현재 방전 전류값을 측정하여 상기 방전 컨트롤러 및 전류제어용 보조회로로 피드백하는 방전 센서, 및 상기 방전 컨트롤러로부터 입력된 방전 제어신호에 따라 상기 2차 전지의 각 셀을 방전 저항과 연결하여 방전이 일어나도록 해주는 방전 스위칭 소자를 포함한다.
또한, 상기 전류제어용 보조회로는 2개의 입력단과 1개의 출력단으로 된 비교기를 포함하고, 상기 2개의 입력단에는 미리 정해진 전압 신호와 보조회로 작동신호가 입력되고, 상기 1개의 출력단에는 상기 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 입력되며, 상기 메인 보드로부터 보조회로 작동신호가 입력되지 않는 경우에는 상기 비교기의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 커지도록 하고, 상기 메인 보드로부터 보조회로 작동신호가 입력되는 경우에는 상기 비교기의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 작아서 피드백되는 전류의 일부가 비교기를 통해 흘러나가도록 구성된다.
상기한 바와 같이 구성된 2차 전지의 충방전 시스템에 따르면, 서로 다른 초기 특성을 가진 2차 전지의 셀들을 균일하게 충방전 시킬 수 있다.
그 결과, 1개의 동일한 충방전 회로로 된 복수 개의 채널 보드를 사용하여 상이한 초기 특성을 가진 복수 개의 2차 전지의 셀들을 동일하게 제어할 수 있으므로 테스트용 충방전 시스템을 효율적으로 구성할 수 있다.
도 1은 일반적인 2차 전지의 충방전 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 충전 과정을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 방전 과정을 나타낸 블록도.
도 4는 도 2의 전류제어용 보조회로의 동작을 나타낸 도면.
도 5는 도 3의 전류제어용 보조회로의 동작을 나타낸 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 2차 전지의 충방전 시스템의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
2차 전지의 충방전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 메인 서버(10), 메인 보드(20), 채널 보드(30) 및 2차 전지(40)로 구성된다. 메인 서버(10)는 메인 보드(20)와 일체로 구성될 수도 있다. 본 발명의 기술적 특징은 상기 채널 보드(30)의 충방전 회로에 전류제어용 보조회로를 추가하여 충방전되는 2차 전지(40)의 각 셀의 초기 상태에 관계없이 균일한 충방전을 할 수 있도록 해주는 것인 바, 이하에서는 상기 채널 보드(30)의 구성을 중심으로 설명한다. 그 외의 메인 서버(10), 메인 보드(20) 등의 구성은 도 1을 참조로 기설명한 부분을 참조하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 채널 보드(30)는, 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호(Iref)에 의해 2차 전지(40)의 각 셀을 충전하고, 현재 충전 전류값을 측정하여 피드백하는 충전 회로, 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호에 의해 2차 전지(40)의 각 셀을 방전하고, 현재 방전 전류값을 측정하여 피드백하는 방전 회로, 및 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 기준 전류신호보다 작은 경우에, 충전 또는 방전 회로가 충전 또는 방전 전류를 증가시키도록 해주는 전류제어용 보조회로(50)를 포함한다.
채널 보드(30)는 직류 15V(15VDC)에 의해 동작된다. 이 직류 15V는 충전 및 방전 회로의 각종 구성칩에 메인 전원으로 공급될 뿐만 아니라, 충전 회로의 하프브리지 컨버터(32)에 의해 충전에 적합한 전압(예를 들어 5V)으로 강하되어 사용된다.
채널 보드(30)는 메인 보드(20)로부터 각종 제어신호를 입력받아 작동된다.
충전 이네이블(enable) 신호는 채널 보드(30)가 충전 동작을 수행하도록 지시하는 신호이고, 방전 이네이블 신호는 채널 보드(30)가 방전 동작을 수행하도록 지시하는 신호이다. 채널 보드(30)는 정전압(Constant Voltage) 또는 정전류(Constant current) 방식 중 한 가지 방법으로 충방전을 하게 되는데, 이를 위해 메인 보드(20)로부터 정전압의 기준 전압신호(Vref) 또는 정전류의 기준 전류신호(Iref)가 입력된다.
통상 2차 전지(40)의 각 셀은 2.7 ~ 4.2V 내에서 충방전이 이루어진다. 초기 조립된 2차 전지(40)의 셀 중에서 이미 충전이 어느 정도 되어있는 것도 있을 수 있는데, 이 경우에는 충전 전압이 4.2V를 넘지 않도록 하기 위해 정전압 방식으로 충전을 실행한다. 그러나, 대부분의 경우에는 정전류 방식으로 먼저 충방전시키고, 충방전의 임계 전압 근처에 도달한 경우에만 정전압 방식으로 전환하여 임계 전압을 넘지 않도록 제어한다. 따라서, 이하에서는 충방전의 대부분을 차지하는 정전류 방식을 중심으로 설명하기로 한다.
보조회로 작동신호는 전류제어용 보조회로(50)를 동작시키기 위한 제어신호이다. 이를 위해 메인 보드(20)는 채널 보드(30)로부터 현재 충전 또는 방전되고 있는 전압 또는 전류값, 2차 전지(40)의 각 셀의 현재 전압값 등을 입력받아 전류제어용 보조회로(50)의 동작 여부를 판단한다.
본 발명의 충전 회로는 도 3에 도시된 바와 같이 기준 전류신호(Iref)와 피드백되는 현재 충전 전류값을 입력받아 충전 제어신호를 출력하는 충전 컨트롤러(31), 이 충전 컨트롤러(31)로부터 입력된 충전 제어신호에 따라 외부 전원의 전압을 필요한 충전 전압으로 강하시켜주는 하프브리지 컨버터(32), 및 이 하프브리지 컨버터(32)로부터 2차 전지(40)의 각 셀로 출력되고 있는 현재 충전 전류값을 측정하여 충전 컨트롤러(31) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백하는 충전 센서(33)를 포함한다.
상기 충전 컨트롤러(31)는 PWM(Pulse-Wave Modulation) 출력 방식을 채택하여 듀티비(duty ratio)를 통해 제어신호를 출력한다. 이를 위해 일정한 전압을 출력해주는 DC 레귤레이터와, 현재 충전되고 있는 전류값을 피드백 받아 충전 FET 구동을 위한 180° 위상의 게이트 구동신호를 생성하는 펄스 제너레이터 등이 포함된다.
상기 하프브리지 컨버터(32)는 하프브리지(Half-bridge)로 구성된 스위칭단에서 직류 15V를 2차 전지의 충전에 필요한 낮은 충전 전압으로 변경하여 전송한다. 또한, 컨버팅 과정에서 발생하는 노이즈 전압을 제거하기 위하여 커패시터와 인덕터로 구성된 로우 패스 필터(Law pass filter)를 더 포함할 수 있다.
상기 충전 센서(33)는 충전하는 동안 2차 전지로 흐르는 현재의 충전 전류값을 측정하고, 이를 충전 컨트롤러(31) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다. 전류를 센싱하기 위해 통상의 션트 저항(Shunt resistance)을 사용하면 발열 및 전력 손실이 발생하므로, 홀 센서(Hall sensor)를 사용하는 것이 바람직하다. 2차 전지의 충방전 전압 범위를 고려해 볼 때, 1A:0.5V ~ 10A:2.5V의 측정 한도를 가진 단방향 홀 센서를 사용한다.
이와 같이 구성된 충전 회로의 동작을 간단히 설명한다. 먼저 메인 보드(20)로부터 충전 이네이블 신호와 기준 전류신호(Iref, 예를 들어 10A)가 입력되면, 충전 컨트롤러(31)에서 이에 적합한 듀티비 제어신호를 전송하고, 하프브리지 컨버터(32)에서 메인 전원인 직류 15V를 전압 강하시켜 기준 전류값인 10A가 2차 전지(40)의 각 셀로 흐를 수 있도록 해준다. 충전 센서(33)는 현재 충전되고 있는 전류값을 센싱하여 충전 컨트롤러(31) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다.
이때, 초기 임피던스의 차이 등으로 인해 2차 전지(40)의 각 셀로 실제 충전되는 전류값이 8A밖에 나오지 않아 기준 전류값인 10A가 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 메인 보드(20)는 충전 센서(33)로부터 각 셀들에 대한 현재 충전 전류 측정값을 입력받아 기준 전류값으로 충전되고 있지않은 셀을 찾아내고, 해당 채널의 전류제어용 보조회로(50)를 동작시켜 충전 컨트롤러(31)로 피드백되는 충전 전류를 감소시켜 줌으로써, 듀티비를 제어하여 현재 충전되는 전류값(8->10A)을 증가시켜 준다. 전류제어용 보조회로(50)의 상세한 동작 관계는 도 5를 참조로 후술하기로 한다.
본 발명의 방전 회로는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 기준 전류신호와 피드백되는 현재 방전 전류값을 입력받아 방전 제어신호를 출력하는 방전 컨트롤러(34), 2차 전지(40)의 각 셀로부터 방전되고 있는 현재 방전 전류값을 측정하여 방전 컨트롤러(34) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백하는 방전 센서(35), 및 방전 컨트롤러(34)로부터 입력된 방전 제어신호에 따라 2차 전지(40)의 각 셀을 방전 저항(37)과 연결하여 방전이 일어나도록 해주는 방전 스위칭 소자(36)를 포함한다.
상기 방전 컨트롤러(34)는 PWM(Pulse-Wave Modulation) 출력 방식을 채택하여 듀티비(duty ratio)를 통해 제어신호를 출력한다. 이를 위해 일정한 전압을 출력해주는 DC 레귤레이터와, 현재 방전되고 있는 전류값을 피드백 받아 방전 FET 구동을 위한 180° 위상의 게이트 구동신호를 생성하는 펄스 제너레이터 등이 포함된다.
상기 방전 센서(35)는 방전하는 동안 2차 전지로 흐르는 현재의 방전 전류값을 측정하고, 이를 방전 컨트롤러(34) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다. 전류를 센싱하기 위해 통상의 션트 저항(Shunt resistance)을 사용하면 발열 및 전력 손실이 발생하므로, 상기 충전 센서(33)와 마찬가지로 홀 센서(Hall sensor)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 방전 스위칭 소자(36)는 2차 전지(40)의 각 셀을 채널 보드(30) 내에 포함된 방전 저항(37)으로 단속적으로 스위칭시켜 방전이 일어나도록 해준다. 이 방전 스위칭 소자(36)로는 브리지형 컨버터가 아니라 변형된 형태의 플라이백(Irregular flyback) 또는 변형된 형태의 벅 컨버터(Irregular buck converter)를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 2.7 ~ 4.2 V의 2차 전지를 방전하기 위해서는 상하 2개 또는 4개의 스위치로 구성된 풀 또는 하프브리지만으로 충분한 방전 전압을 얻을 수 없기 때문이다. 또한, 상기 방전 스위칭 소자(36)는 방전 과정에서 발생하는 노이즈 전압을 제거하기 위한 필터부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 방전 회로의 동작을 간단히 설명하면, 먼저 메인 보드(20)로부터 방전 이네이블 신호와 기준 전류신호(Iref, 예를 들어 10A)가 입력되면, 방전 컨트롤러(34)에서 이에 적합한 듀티비 제어신호를 전송하고, 방전 스위칭 소자(36)는 2차 전지(40)의 각 셀을 방전 저항(37)과 단속적으로 연결하여 기준 전류값으로 방전이 일어나도록 해준다. 방전 센서(35)는 현재 방전되고 있는 전류값을 센싱하여 방전 컨트롤러(34) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다.
이때, 초기 조립된 2차 전지(40)의 각 셀의 특성으로 인해 실제 방전되는 전류값이 8A밖에 나오지 않아 기준 전류값인 10A가 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 메인 보드(20)는 방전 센서(35)로부터 각 셀들에 대한 현재 충전 전류 측정값을 입력받아 기준 전류값으로 충전되고 있지않은 셀을 찾아내고, 해당 채널의 전류제어용 보조회로(50)를 동작시켜 방전 컨트롤러(34)로 피드백되는 방전 전류를 감소시켜 줌으로써, 듀티비를 제어하여 현재 방전되는 전류값(8->10A)을 증가시킬 수 있도록 해준다. 전류제어용 보조회로(50)의 상세한 동작 관계는 도 5를 참조로 후술하기로 한다.
본 발명의 전류제어용 보조회로(50)는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에 충전 또는 방전 회로로 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값을 감소시켜주도록 구성된다.
보다 상세히 설명하면, 충전 동작 중에 현재 충전 전류값이 기준 전류신호보다 작은 경우에는 충전 센서(33)로부터 피드백되는 충전 전류의 일부를 전류제어용 보조회로(50) 쪽으로 흘러가도록 하여 충전 컨트롤러(31)로 피드백되는 현재 충전 전류값을 감소시켜준다. 방전 동작 중 현재 방전 전류값이 기준 전류신호보다 작은 경우에는 방전 센서(35)로부터 피드백되는 방전 전류의 일부를 전류제어용 보조회로(50) 쪽으로 흘러가도록 하여 방전 컨트롤러(34)로 피드백되는 현재 방전 전류값을 감소시켜준다.
전류제어용 보조회로(50)의 구성을 도 4 및 도 5를 참조로 간단히 설명한다. 전류제어용 보조회로(50)는 상술한 전류제어를 위하여 2개의 입력단과 1개의 출력단으로 된 비교기(51)를 포함하고, 2개의 입력단에는 미리 정해진 전압 신호(예를 들어 5V)와 보조회로 작동신호가 입력된다. 비교기(51)를 통한 출력값은 저항(52) 및 콘덴서(53)에 의해 조절되고, 입력되는 전압 신호는 한 쌍의 저항(54)에 의해 조절된다.
1개의 출력단에는 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 입력된다.
메인 보드(20)로부터 보조회로 작동신호가 입력되지 않은 경우에는 비교기(51)의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 커지도록 하여 전류가 흐르지 않게 된다. 메인 보드(20)로부터 보조회로 작동신호가 입력된 경우에는 비교기(51)의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 작아져서 피드백되는 전류의 일부가 비교기(51)를 통해 흘러나가게 된다.
바람직하게는, 상기 비교기(51)의 출력단에는 역방향(비교기 -> 충전 또는 방전 컨트롤러)으로 전류가 흘러서 회로가 손상되는 것을 방지하기 위하여 회로 보호용 다이오드 또는 저항(55)이 추가로 연결된다. 전압차가 큰 경우에는 다이오드를 사용하고, 전압차가 작은 경우에는 저항을 사용하여 회로를 보호할 수 있다.
이하에서는 전류제어용 보조회로의 동작에 따른 충전 또는 방전 과정의 일 예를 각각 설명한다.
충전 과정을 도 2 및 도 4를 참조로 설명하면, 초기 조립된 2차 전지(40)의 각 셀을 채널 보드(30)에 연결하고, 메인 전압(직류 15V)을 공급한다. 메인 보드(20)로부터 충전 이네이블 신호가 입력되면, 채널 보드(30)는 정전압 또는 정전류 방식 중 하나로 충전을 시작한다. 초기 조립된 2차 전지(40)가 어느 정도 충전되어 있는 경우를 제외하고는 대부분 정전류 방식으로 충전을 시작함은 이미 상기한 바와 같다. 정전류 방식으로 충전하기 위하여 기준 전류신호(Iref)가 입력된다.
충전 센서(33)가 현재 충전되고 있는 전류값을 측정하여 메인 보드(20)로 전송함과 동시에 현재의 충전 전류를 충전 컨트롤러(31) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다. 현재 충전 전류값의 감시는 충전이 이루어지고 있는 동안에 계속하여 실행되고, 측정된 데이터는 메인 서버로 전송되어 저장된다. 메인 보드(20)는 2차 전지(40)의 각 셀의 초기 임피던스 차이 등으로 인해 현재 충전 전류값이 기준 전류신호보다 낮아진 경우에는 보조회로 작동신호를 출력하여 전류제어용 보조회로(50)를 동작시킨다. 전류제어용 보조회로(50)는 비교기(51)의 출력단 전압이 피드백 전압보다 낮아지도록 하여 피드백되는 충전 전류의 일부가 비교기(51)를 통해 흘러나가도록 해준다. 그 결과, 충전 컨트롤러(31)로 피드백되는 충전 전류값이 작아져 듀티 제어를 통해 향후 충전되는 전류값을 증가시키게 된다.
이러한 과정을 통해 2차 전지(40)의 각 셀의 초기 충전 특성에 관계없이 균일한 정전류로 충전이 이루어진다. 메인 보드(20)는 2차 전지의 충전 전압을 실시간으로 측정하여 임계 전압인 4.2 V 가까이 된 경우에는, 정전류 방식에서 정전압 방식으로 전환하여 충전 전압이 4.2 V를 초과해 2차 전지에 충격을 가하는 것을 방지한다. 충전 전압이 4.2 V에 도달하면 충전 이네이블 신호를 OFF시키고 충전 동작을 완료한다.
다음으로, 방전 과정을 도 3 및 도 5를 참조로 설명하면, 메인 전원(직류 15V), 방전 이네이블 신호, 기준 전류신호(Iref)를 전송하여 1차 충전이 완료된 2차 전지(40)를 정전류 방식으로 방전시킨다. 방전 센서(35)가 현재 방전되고 있는 전류값을 측정하여 메인 보드(20)로 전송함과 동시에 현재 방전 전류를 방전 컨트롤러(34) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백한다. 현재 방전 전류값의 감시는 방전이 이루어지고 있는 동안에 계속하여 실행되고, 측정된 데이터는 메인 서버로 전송되어 저장된다.
메인 보드(20)는 현재 방전 전류값이 기준 전류신호보다 낮아진 경우에 보조회로 작동신호를 출력하여 전류제어용 보조회로(50)를 동작시킨다. 전류제어용 보조회로(50)는 비교기(51)의 출력단 전압이 피드백 전압보다 낮아지도록 하여 피드백되는 방전 전류의 일부가 비교기(51)를 통해 흘러나가도록 해준다. 그 결과, 방전 컨트롤러(34)로 피드백되는 방전 전류값이 작아져 듀티 제어를 통해 향후 방전되는 전류값을 증가시키게 된다.
이러한 과정을 통해 2차 전지(40)의 각 셀의 초기 방전 특성에 관계없이 균일한 정전류로 방전이 이루어진다. 메인 보드(20)는 2차 전지의 방전 전압을 실시간으로 측정하여 임계 전압인 2.7 V 가까이 된 경우에는 정전류 방식에서 정전압 방식으로 전환하여 방전 전압이 2.7 V보다 낮아져 2차 전지에 충격을 가하는 것을 방지한다. 방전 전압이 2.7 V에 도달하면 방전 이네이블 신호를 OFF시키고 방전 동작을 완료한다.
위에서 설명한 충전 또는 방전 과정은 정전류 방식을 예로 들어 설명하였으나, 정전압 방식의 경우에도 동일하게 적용할 수 있음은 당연하다. 또한, 통상적으로는 전류값을 높이는 방향으로 제어하는 것이 용이하나, 동일한 기술사상을 이용하여 전류값을 낮추는 방향으로 제어할 수도 있다.
10: 메인 서버 20: 메인 보드
30: 채널 보드 40: 2차 전지
50: 전류제어용 보조회로

Claims (10)

  1. 2차 전지(40)의 각 셀을 충방전하는데 필요한 제어신호를 출력하는 메인 보드(20)와, 독립된 충전 및 방전 회로를 구비하고 상기 메인 보드(20)로부터 입력되는 제어신호에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀에 대해 충방전을 실행하는 채널 보드(30)로 이루어진 2차 전지의 충방전 시스템에 있어서,
    상기 채널 보드(30)는, 상기 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호(Iref)에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀을 충전하고, 현재 충전 전류값을 측정하여 피드백하는 충전 회로,
    상기 메인 보드(20)로부터 입력된 기준 전류신호에 의해 상기 2차 전지(40)의 각 셀을 방전하고, 현재 방전 전류값을 측정하여 피드백하는 방전 회로, 및
    상기 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에, 상기 충전 또는 방전 회로가 충전 또는 방전 전류를 증가시키도록 해주는 전류제어용 보조회로(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전 회로는, 상기 기준 전류신호와 피드백되는 현재 충전 전류값을 입력받아 충전 제어신호를 출력하는 충전 컨트롤러(31),
    이 충전 컨트롤러(31)로부터 입력된 충전 제어신호에 따라 외부 전원의 전압을 필요한 충전 전압으로 강하시켜주는 하프브리지 컨버터(32), 및
    이 하프브리지 컨버터(32)로부터 상기 2차 전지(40)의 각 셀로 출력되고 있는 현재 충전 전류값을 측정하여 상기 충전 컨트롤러(31) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백하는 충전 센서(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하프브리지 컨버터(32)는, 컨버팅 과정에서 발생하는 노이즈 전압을 제거하기 위하여 로우 패스 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 회로는, 상기 기준 전류신호와 피드백되는 현재 방전 전류값을 입력받아 방전 제어신호를 출력하는 방전 컨트롤러(34),
    상기 2차 전지(40)의 각 셀로부터 방전되고 있는 현재 방전 전류값을 측정하여 상기 방전 컨트롤러(34) 및 전류제어용 보조회로(50)로 피드백하는 방전 센서(35), 및
    상기 방전 컨트롤러(34)로부터 입력된 방전 제어신호에 따라 상기 2차 전지(40)의 각 셀을 방전 저항(37)과 연결하여 방전이 일어나도록 해주는 방전 스위칭 소자(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방전 스위칭 소자(36)는, 방전 과정에서 발생하는 노이즈 전압을 제거하기 위한 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류제어용 보조회로(50)는, 상기 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에 충전 또는 방전 회로로 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값을 감소시켜주는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류제어용 보조회로(50)는, 상기 현재 충전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에 상기 충전 센서(33)로부터 피드백되는 충전 전류의 일부를 전류제어용 보조회로(50) 쪽으로 흘러가도록 하여 상기 충전 컨트롤러(31)로 피드백되는 현재 충전 전류값을 감소시켜주는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류제어용 보조회로(50)는, 상기 현재 방전 전류값이 상기 기준 전류신호보다 작은 경우에 상기 방전 센서(35)로부터 피드백되는 방전 전류의 일부를 전류제어용 보조회로(50) 쪽으로 흘러가도록 하여 상기 방전 컨트롤러(34)로 피드백되는 현재 방전 전류값을 감소시켜주는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류제어용 보조회로(50)는 2개의 입력단과 1개의 출력단으로 된 비교기(51)를 포함하고,
    상기 2개의 입력단에는 미리 정해진 전압 신호와 보조회로 작동신호가 입력되고, 상기 1개의 출력단에는 상기 충전 또는 방전 회로로부터 피드백되는 현재 충전 전류값 또는 방전 전류값이 입력되며,
    상기 메인 보드(20)로부터 보조회로 작동신호가 입력되지 않는 경우에는 상기 비교기(51)의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 커지도록 하고, 상기 메인 보드(20)로부터 보조회로 작동신호가 입력되는 경우에는 상기 비교기(51)의 출력이 피드백되는 충전 전류값 또는 방전 전류값보다 작아서 피드백되는 전류의 일부가 비교기(51)를 통해 흘러나가도록 해주는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 비교기(51)의 출력단에는 회로 보호용 다이오드 또는 저항(55)이 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 충방전 시스템.
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CN110912227A (zh) * 2019-11-29 2020-03-24 惠州Tcl移动通信有限公司 一种充放电结构及充电方法

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