KR20110134741A - 배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법 - Google Patents

배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 유닛을 안정적으로 웨이크업(wake up)시킨 상태에서 배터리의 충전을 이루게 할 수 있는 배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법에 관한 것이다.
일례로, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 커넥터; 및 상기 배터리와 상기 커넥터에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 유닛을 포함하며, 상기 커넥터는, 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압(wake up voltage) 미만인 경우 상기 배터리 관리 유닛으로 보조 전원이 공급되는 경로를 제공하는 보조 전원 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템이 개시된다.

Description

배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법{System of charging battery pack and method thererof}
본 발명은 배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 셀룰러 폰(Cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assitants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발히 연구되고 있다.
이러한 이차 전지는 배터리 셀과 충ㆍ방전 회로를 포함하는 배터리 팩 형태로 제작되고 있으며, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 외부 부하(load)에 의한 배터리 셀의 충전 또는 방전이 이루어지고 있다. 즉, 외부 단자를 통해 배터리 팩에 외부 전원이 연결되면 외부 단자와 충ㆍ방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 배터리 팩에 외부 부하가 연결되면 배터리 셀의 전원이 충ㆍ방전 회로와 외부 단자를 통해 외부 부하에 공급되는 방전 동작이 일어난다. 이때, 충ㆍ방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충ㆍ방전을 제어한다. 이러한 충ㆍ방전 회로는 통상적으로 배터리 관리 유닛(Battery Management Unit; BMU)에 의해 제어되며, 배터리 관리 유닛은 배터리 셀로부터 전원을 공급받아 동작하게 된다.
그런데, 배터리 셀의 전압이 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압(wake up voltage)보다 작은 경우, 종종 배터리 관리 유닛의 구동과 셧-다운(배터리 관리 유닛의 구동이 중단됨)이 반복되어 배터리 셀의 충전 제어가 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 배터리 관리 유닛을 안정적으로 웨이크업(wake up)시킨 상태에서 배터리의 충전을 이루게 할 수 있는 배터리 팩의 충전 시스템 및 충전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 커넥터; 및 상기 배터리와 상기 커넥터에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 유닛을 포함하며, 상기 커넥터는, 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압(wake up voltage) 미만인 경우 상기 배터리 관리 유닛으로 보조 전원이 공급되는 경로를 제공하는 보조 전원 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 관리 유닛과 상기 보조 전원 단자 사이에 DC-DC 컨버터가 더 연결될 수 있다.
상기 보조 전원의 전압은 상기 DC-DC 컨버터에 의해 더 높은 전압으로 컨버팅되며, 컨버팅된 보조 전원의 전압은 상기 웨이크업 전압 이상일 수 있다.
상기 커넥터는 상기 배터리의 제 1 전극 단자와 연결되는 제 1 팩 단자; 상기 배터리의 제 2 전극 단자와 연결되는 제 2 팩 단자; 및 상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 통신 단자를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 상기 제 1 팩 단자, 상기 배터리 관리 유닛 및 상기 배터리의 제 1 전극 단자 사이에 연결되는 주 전원 단자를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 상기 배터리의 제 1 전극 단자와 상기 제 1 팩 단자 사이에 연결되는 충전 소자; 및 상기 충전 소자와 상기 제 1 팩 단자 사이에 연결되는 방전 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 상기 배터리 관리 유닛과 상기 DC-DC 컨버터 사이에 연결되어, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 DC-DC 컨버터로부터 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원을 출력하는 선택부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 선택부는 상기 제 1 팩 단자와 연결되는 제 1 입력 단자; 상기 DC-DC 컨버터와 연결되는 제 2 입력 단자; 및 상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 출력 단자를 포함할 수 있다. 상기 선택부는 상기 제 1 입력 단자와 제 2 입력 단자가 연결되는 입력단을 갖는 비교기; 상기 비교기의 출력단에 연결되는 제 1 제어 전극, 상기 제 1 입력 단자에 연결되는 제 1 전극, 및 상기 선택부의 출력 단자에 연결되는 제 2 전극을 포함하는 제 1 스위치; 및 상기 비교기의 출력단에 연결되는 제 2 제어 전극, 상기 제 2 입력 단자에 연결되는 제 3 전극, 및 상기 선택부의 출력 단자에 연결되는 제 4 전극을 포함하는 제 2 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 상기 배터리 관리 유닛과 상기 보조 전원 단자 사이에 연결되어, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자 공급되는 상기 보조 전원 중 높은 전원을 출력하는 선택부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 선택부는 상기 제 1 팩 단자와 연결되는 제 1 입력 단자; 상기 보조 전원 단자와 연결되는 제 2 입력 단자; 및 상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 출력 단자를 포함할 수 있다.
상기 보조 전원은 상기 커넥터에 연결되는 충전기로부터 공급되며, 상기 충전기는 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만인 경우를 판단할 수 있다.
상기 보조 전원의 전압은 상기 충전기에 설정된 전원의 전압일 수 있다.
상기 보조 전원의 전압은 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 이상일 수 있다.
상기 배터리의 충전은 예비 충전 모드 상태이며, 상기 예비 충전 모드는 상기 커넥터에 연결되는 상기 충전기에 의해 상기 배터리 셀들 중 어느 하나의 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인 것으로 판단되는 경우일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 제 1 팩 단자, 제 2 팩 단자 및 보조 전원 단자를 포함하는 커넥터; 및 상기 배터리와 상기 커넥터에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 유닛을 포함하는 배터리 팩이 상기 커넥터를 통해 충전기와 연결되어 이루어지며, 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만인지 비교하는 웨이크업 전압 비교 단계; 및 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만이면, 상기 보조 전원 단자를 통해 보조 전원을 상기 배터리 관리 유닛으로 공급하는 보조 전원 공급 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 이상이면, 상기 보조 전원의 공급을 차단하는 보조 전원 차단 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 상기 보조 전원 차단 단계 후에, 상기 제 1 팩 단자를 통해 상기 배터리로 정상 충전 전원을 공급하는 정상 충전 전원 공급 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 상기 웨이크업 전압 비교 단계 전에, 상기 배터리의 총 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인지 비교하는 예비 충전 기준 전압 비교 단계; 및 상기 배터리 셀 중 어느 하나의 전압이 상기 예비 충전 기준 전압 미만이면, 상기 배터리가 예비 충전 모드인 것으로 판단하는 예비 충전 모드 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전 방법은 상기 보조 전원 공급 단계 후에, 상기 제 1 팩 단자를 통해 상기 배터리로 예비 충전 전원을 제공하는 예비 충전 전원 제공 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 전원 공급 단계에서, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자로부터 공급되는 보조 전원 중 높은 전원이 상기 배터리 관리 유닛으로 공급될 수 있다.
또한 상기 보조 전원 공급 단계에서, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자로부터 더 높은 전원으로 컨버팅되어 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원이 상기 배터리 관리 유닛으로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 배터리 관리 유닛과 연결되어 보조 전원이 공급되는 경로를 제공하는 보조 단자를 포함하는 커넥터를 구비함으로써, 보조 전원을 이용하여 배터리 관리 유닛이 안정적인 웨이크업 상태를 유지하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템은 배터리의 총 전압이 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만인 경우 배터리 관리 유닛의 구동 및 셧-다운이 반복되는 것을 방지함으로써, 배터리 관리 유닛의 안정적인 웨이크업 상태에서 배터리의 충전이 원활하게 이루어지게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 선택부의 상세 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할때, 이는 특별히 반재되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(10)은 배터리 팩(100)과 충전기(200)를 포함한다. 상기 배터리 팩(100)은 배터리 (110), 커넥터(120), 충전 소자(130), 방전 소자(140), 센서 저항(150), 배터리 관리 유닛(BMU; 160) 및 DC-DC 컨버터(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 배터리 팩(100)은 커넥터(120)를 통해 충전기(200)와 연결되어 배터리(110)의 충전 동작을 수행한다. 또한, 도시하진 않았지만 상기 배터리 팩(100)은 충전기(200) 대신 핸드폰 또는 휴대용 노트북 컴퓨터와 같은 외부 부하에 연결되어 배터리(110)의 방전 동작을 수행한다. 상기 커넥터(120)와 배터리(110) 사이의 대전류 경로(HCP)는 충ㆍ방전 경로로 사용되며, 이 대전류 경로(HCP)를 통해 비교적 큰 전류가 흐른다.
상기 충전기(200)는 배터리 팩(100)의 배터리(110)를 충전시키는데 필요한 전원을 공급하는 기기라면 어느 것이라도 무방하며, 예를 들어 전원을 공급하는 어댑터 자체 또는 이러한 어댑터가 연결된 휴대용 노트북 컴퓨터일 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(10) 중 배터리 팩(100)의 구성에 대해 자세히 살펴 보기로 한다.
상기 배터리(110)는 적어도 하나의 배터리 셀(B1, B2, B3)을 포함할 수 있으며, 일정 전압으로 충전되거나 방전될 수 있다. 도면에서 B+, B-는 대전류 단자를 표시하고, 직렬로 연결된 배터리 셀들(B1, B2, B3)의 제 1 전극 단자(양극 단자) 및 제 2 전극 단자(음극 단자)를 나타낸다. 여기서, 상기 배터리(110)는 3개의 배터리 셀들(B1, B2, B3)이 직렬 연결되어 이루어졌지만, 배터리 셀들의 수는 외부 부하가 필요로 하는 용량에 따라 달라질 수 있다.
상기 커넥터(120)는 배터리(110)와 연결되며, 충전기(200) 또는 외부 부하와 연결되어 배터리(110)로의 충전 또는 배터리(110)에 의한 방전시 단자로서 작동한다. 이를 위해, 커넥터(120)는 구체적으로 제 1 팩 단자(P+)와 제 2 팩 단자(P-)를 가진다. 상기 제 1 팩 단자(P+)는 제 1 전극 단자(B+)와 연결되는 양극 팩 단자일 수 있으며, 제 2 팩 단자(P-)는 배터리(110)의 제 2 전극 단자(B-)와 연결되는 음극 팩 단자일 수 있다. 이러한 커넥터(120)에 충전기(200)가 연결되면 충전기(200)로부터 배터리(110)로의 충전이 이루어지며, 커넥터(120)에 외부 부하가 연결되면 배터리(110)로부터 외부 부하로의 방전이 이루어진다. 한편, 상기 제 1 팩 단자(P+), 배터리 관리 유닛(160) 및 배터리(110)의 제 1 전극 단자(B+) 사이에 주 전원 단자(VCC1)가 연결된다. 상기 주 전원 단자(VCC1)는 배터리(110)의 전원을 배터리 관리 유닛(160)으로 공급하는 경로를 제공하거나, 충전기(200)가 커넥터(120)를 통해 배터리 팩(100)에 연결될 때 충전기(200)의 충전 전원이 공급되게 하는 경로를 제공한다.
또한, 상기 커넥터(120)는 배터리 관리 유닛(160)과 연결되는 통신 단자, 구체적으로 클럭 단자(CLOCK)와 데이터 단자(DATA)를 포함한다. 이러한 통신 단자(CLOCK, DATA)는 커넥터(120)에 충전기(200)가 연결되면, 배터리 관리 유닛(160)과 충전기(200) 사이의 통신을 가능하게 한다. 예를 들어, 상기 통신 단자(CLOCK, DATA)는 배터리 관리 유닛(160)으로부터 배터리(110)의 전압 정보 등을 충전기(200)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 커넥터(120)는 배터리 관리 유닛(160)과 연결되는 보조 전원 단자(VCC2)를 포함한다. 이러한 보조 전원 단자(VCC2)는 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압(wake up voltage) 미만인 경우 충전기(200)로부터 배터리 관리 유닛(160)으로 보조 전원이 공급되는 경로를 제공한다. 상기 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압은 배터리 관리 유닛(160)을 구동시키기 위해 필요한 전압이다. 여기서, 상기 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만이면, 배터리 관리 유닛(160) 자신이 웨이크업 상태를 유지할 수 있는 정도의 전원을 배터리(110)로부터 공급받지 못한다. 이에 따라, 충전기(200)의 충전 전원에 의해 순간적으로 웨이크업하는 배터리 관리 유닛(160)의 구동 및 셧다운이 반복되어 배터리(110)의 충전 제어가 원활하지 않게 된다. 상기 배터리 관리 유닛(160)의 구동 및 셧다운의 반복은, 특히 배터리 셀들(B1, B2, B3) 중 어느 하나의 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인 경우 충전기(200)에 의해 배터리(110)를 낮은 전원으로 충전하는 배터리(110)의 예비 충전시 자주 일어난다. 이로 인해서, 배터리 관리 유닛(160)은 안정되게 웨이크업 상태를 유지하기 위해 배터리(110)의 전원 외에 별도의 전원을 필요로 한다. 여기서, 보조 전원의 전압은 충전기(200)에 설정된 전원의 전압, 예를 들어 5V일 수 있으며, 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압은 보조 전원의 전압 이상, 예를 들어 5V 내지 10V일 수 있다. 이러한 보조 전원은 배터리 관리 유닛(160)이 안정적인 웨이크업 상태를 유지하도록 배터리 관리 유닛(160)에 그대로 공급되거나 더 높은 전원으로 컨버팅되어 공급될 수 있다.
한편, 상기 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만인지 판단하는 것과 배터리 셀(B1, B2, B3) 중 어느 하나의 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인지 판단하는 것은 충전기(200)에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 상기 충전기(200)는 커넥터(120)의 통신 단자(CLOCK, DATA)를 통해 배터리 관리 유닛(160)으로부터 배터리(110)의 전압 정보를 수신한 후, 배터리(110)의 전압 정보로부터 배터리 셀(B1, B2, B3) 각각의 전압을 저장하며 배터리(110)의 총 전압을 계산한다.
상기 충전 소자(130) 및 방전 소자(140)는 배터리(110)와 커넥터(120) 사이 대전류 경로(HCP) 상에 연결되어 배터리(110)의 충전 또는 방전을 수행한다. 구체적으로, 상기 충전 소자(130)는 배터리(110)의 제 1 전극 단자(B+)와 커넥터(120)의 제 1 팩 단자(P+) 사이에 연결되고, 방전 소자(140)는 충전 소자(130)와 커넥터(120)의 제 1 팩 단자(P+) 사이에 연결된다.
상기 충전 소자(130) 및 방전 소자(140) 각각은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; 이하 FET라함)와 기생 다이오드(parasitic diode; 이하 D라함)를 포함한다. 즉, 상기 충전 소자(130)는 FET1과 D1을 포함하며, 방전 소자(140)는 FET2와 D2를 포함한다. 상기 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)의 소스와 드레인 사이의 접속방향은 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)와 반대방향으로 설정된다. 이러한 구성으로 상기 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)는 커넥터(120)로부터 배터리(110)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속되는 한편, 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)는 배터리(110)로부터 커넥터(120)의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 여기서, 상기 충전 및 방전 소자(130, 140)의 전계 효과 트랜지스터(FET1, FET2)는 스위칭 소자이며, 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다. 또한, 상기 충전 및 방전 소자(130, 140)에 포함된 기생 다이오드(D1, D2)는 전류가 제한되는 방향에 반대방향으로 전류가 흐르도록 구성된다.
상기 센서 저항(150)은 배터리(110)와 커넥터(120) 사이 대전류 경로(HCP) 상에 연결된다. 구체적으로, 상기 센서 저항(150)은 배터리(110)의 제 2 전극 단자(B-)와 제 2 팩 단자(P-) 사이에 연결된다.
상기 센서 저항(150)의 양단은 배터리 관리 유닛(160)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 센서 저항(150)은 배터리 관리 유닛(160)이 센서 저항(150) 양단의 전압값과 센서 저항(150)의 저항값을 확인하여 충ㆍ방전 전류를 확인하게 할 수 있다. 따라서, 상기 센서 저항(150)은 배터리(110)의 충전 전류 또는 방전 전류에 대한 정보를 배터리 관리 유닛(160)에 전달하는 역할을 한다.
상기 배터리 관리 유닛(160)은 충전 소자(130), 방전 소자(140), 배터리(110) 및 커넥터(120)에 연결된다. 이러한 배터리 관리 유닛(160)은 집적회로(Integrated Circuit; IC)로서 구현될 수 있다.
상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리(110)로부터 배터리(110)의 전압을 검출하고, 검출된 전압에 따라 충전 소자(130) 및 방전 소자(140)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 상기 커넥터(120)를 통해 배터리 팩(100)에 충전기(200)가 연결될 경우, 배터리 관리 유닛(160)은 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 온(on)상태로, 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 온(on)상태로 설정하여 배터리(110)가 충전될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 상기 커넥터(120)를 통해 배터리 팩(100)에 외부 부하가 연결되면, 배터리 관리 유닛(160)은 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 온(on)상태로, 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 온(on)상태로 설정하여 배터리(110)가 방전될 수 있도록 한다. 한편 도시하진 않았지만, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 전압을 모두 감지할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛(160)은, 배터리(110)로부터 검출한 배터리(110)의 전압을 저장하며 내부에 미리 설정된 전압 레벨과 비교하여, 비교 결과에 따라 충전 소자(130) 및 방전 소자(140)를 온 또는 오프(on or off) 시킨다. 예를 들어, 상기 배터리(110)의 전압이 내부에 미리 설정된 과충전 레벨 전압값 이상이면, 배터리 관리 유닛(160)은 과충전 상태로 판단하여 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 오프(off) 시킨다. 그럼, 상기 충전기(200)로부터 배터리(110)의 충전이 차단된다. 이때, 상기 충전 소자(130)의 기생 다이오드(D1)는 충전 소자(130)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)가 오프(off)되더라도 배터리(110)의 방전이 수행될 수 있도록 하는 역할을 한다. 반대로, 상기 배터리(110)의 전압이 내부에 미리 설정된 과방전 레벨 전압값 이하이면, 배터리 관리 유닛(160)은 과방전 상태로 판단하여 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 오프(off) 시킨다. 그럼, 상기 배터리(110)로부터 외부 부하로의 방전이 차단된다. 이때, 상기 방전 소자(140)의 기생 다이오드(D2)는 방전 소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)가 오프(off)되더라도 배터리(110)의 충전이 수행될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리(110)의 충ㆍ방전 동작과 관련하여 통신 단자(CLOCK, DATA)를 통해 충전기(200)와 통신을 하는 기능을 갖는다. 즉, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리(110)의 전압 정보 등을 충전기(200)에 전달한다. 이에 따라, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 충전기(200)가 배터리(110)의 전압 정보를 확인하도록 하여 배터리(110)의 충ㆍ방전을 제어하게 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 충전기(200)에 의해 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만인 것으로 판단된 경우 보조 전원 단자(VCC2)를 통해 충전기(200)로부터 보조 전원을 공급받는다. 이에 따라, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압보다 작아 배터리 관리 유닛(160)의 구동 및 셧다운이 반복되는 경우, 보조 전원을 이용하여 안정적인 웨이크업 상태를 유지할 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터(170)는 배터리 관리 유닛(160)과 보조 전원 단자(VCC2) 사이에 연결된다. 이러한 DC-DC 컨버터(170)는 보조 전원 단자(VCC2)를 통해 공급되는 보조 전원을 더 높은 전원으로 컨버팅시켜 배터리 관리 유닛(160)에 공급한다. 예를 들어, 상기 DC-DC 컨버터(170)는 5V인 보조 전원을 10V의 전원으로 컨버팅할 수 있다. 여기서, 상기 보조 전원을 더 높은 전원으로 컨비팅하는 이유는, 배터리 관리 유닛(160)을 웨이크업 시키는데 충분한 전원을 제공하기 위함이다. 한편, 보조 전원의 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압보다 충분히 높으면, DC-DC 컨버터(170)는 생략될 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(10)은 배터리 관리 유닛(160)과 연결되어 보조 전원이 공급되는 경로를 제공하는 보조 단자(VCC2)를 포함하는 커넥터(120)를 구비함으로써, 보조 전원을 이용하여 배터리 관리 유닛(160)이 안정적인 웨이크업 상태를 유지하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(10)은 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만인 경우 배터리 관리 유닛(160)의 구동 및 셧-다운이 반복되는 것을 방지함으로써, 배터리 관리 유닛(160)의 안정적인 웨이크업 상태에서 배터리(110)의 충전이 원활하게 이루어지게 할 수 있다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)은 도 1에 도시된 배터리 팩의 충전 시스템(10)과 비교하여 배터리 팩(300)이 선택부(380)를 더 포함하는 점만 다르며 동일한 구성을 가지며 동일한 역할을 한다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)에서는 배터리 팩(300)의 선택부(380)에 대해 중점적으로 설명하기로 하며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템을 나타내는 회로도이고, 도 3은 도 2에 도시된 선택부의 상세 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)은 배터리 팩(300)과 충전기(200)를 포함한다. 상기 배터리 팩(300)은 배터리 (110), 커넥터(120), 충전 소자(130), 방전 소자(140), 센서 저항(150), 배터리 관리 유닛(BMU; 160), DC-DC 컨버터(170) 및 선택부(380)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 선택부(380)는 배터리 관리 유닛(160), DC-DC 컨버터(170) 및 제 1 팩 단자(P+) 사이에 연결되어, 제 1 팩 단자(P+)로부터 공급되는 충전 전원과 DC-DC 컨버터(170)로부터 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원을 출력한다. 이에 따라, 상기 선택부(380)는 배터리 관리 유닛(160)에 높은 전원을 선택하여 공급함으로써, 배터리 관리 유닛(160)이 안정적으로 웨이크업 상태를 유지하게 할 수 있다. 이러한 선택부(380)는 제 1 팩 단자(P+)와 연결되는 제 1 입력 단자(IT1), DC-DC 컨버터(170)와 연결되는 제 2 입력 단자(IT2), 및 배터리 관리 유닛(160)과 연결되는 출력 단자(OT)를 가지며, 비교기(381), 제 1 스위치(382) 및 제 2 스위치(383)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 비교기(381)는 제 1 입력 단자(IT1)와 제 2 입력 단자(IT2)가 연결되는 입력단(CI)을 가진다. 또한, 상기 비교기(381)는 제 1 팩 단자(P+)로부터 공급되는 충전 전원과 DC-DC 컨버터(170)로부터 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 충전 전원이 높으면 '+' 값을, 컨버팅된 보조 전원이 높으면 '-' 값을 출력하는 출력단(CO)을 가진다.
상기 제 1 스위치(382)는 비교기(381)의 출력단(CO)에 연결되는 제 1 제어 전극(382a), 제 1 입력 단자(IT1)에 연결되는 제 1 전극(382b), 및 선택부(380)의 출력 단자(OT)에 연결되는 제 2 전극(382c)을 포함한다. 상기 제 1 스위치(382)는 비교기(381)의 출력이 '+' 값일 때 턴온되어 충전 전원이 배터리 관리 유닛(160)으로 공급되게 할 수 있다. 이러한 제 1 스위치(382)는 N채널 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Trasistor)일 수 있으나, 이러한 스위치로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 제 2 스위치(383)는 비교기(381)의 출력단(CO)에 연결되는 제 2 제어 전극(383a), 제 1 입력 단자(IT1)에 연결되는 제 3 전극(383b), 및 선택부(380)의 출력 단자(OT)에 연결되는 제 4 전극(383c)을 포함한다. 상기 제 2 스위치(383)는 비교기(381)의 출력이 '-' 값일 때 턴온되어 컨버팅된 보조 전원이 배터리 관리 유닛(160)으로 공급되게 할 수 있다. 이러한 제 2 스위치(382)는 P채널 MOSFET일 수 있으나, 이러한 스위치로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 선택부(380)는 배터리 관리 유닛(160)과 DC-DC 컨버터(170) 사이에 연결되는 것으로 설명되었으나, DC-DC 컨버터(170)가 생략되는 경우 배터리 관리 유닛(160)과 보조 전원 단자(VCC2) 사이에 연결되어 제 1 팩 단자(P+)로부터 공급되는 충전 전원과 보조 전원 단자(VCC2)로부터 공급되는 보조 전원 중 높은 전원을 출력한다. 이 경우, 상기 선택부(380)의 제 2 입력 단자(IT2)는 보조 전원 단자(VCC2)와 연결된다.
상기와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)은 배터리 관리 유닛(160)과 충전기(200) 사이에 연결되는 선택부(380)를 구비함으로써, 배터리 관리 유닛(160)에 높은 전원을 공급하여 배터리 관리 유닛(160)이 더욱 안정적인 웨이크업 상태를 유지하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 시스템(20)은 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만인 경우 배터리 관리 유닛(160)의 구동 및 셧-다운이 반복되는 것을 더욱 효과적으로 방지함으로써, 배터리 관리 유닛(160)의 더욱 안정적인 웨이크업 상태에서 배터리(110)의 충전이 더욱 원활하게 이루어지게 할 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 충전 방법에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 팩의 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)의 충전 방법은 배터리의 전압 정보 제공 단계(S1), 예비 충전 기준 전압 비교 단계(S2), 예비 충전 모드 판단 단계(S3), 웨이크업 전압 비교 단계(S4), 보조 전원 제공 단계(S5), 예비 충전 전원 제공 단계(S6), 보조 전원 차단 단계(S8), 정상 충전 전원 제공 단계(S9)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 충전기(200)와 연결되며, 연결 초기에 충전기(200)의 충전 전원이 주 전원 단자(VCC1)를 통해 배터리 관리 유닛(160)에 공급되어 배터리 관리 유닛(160)이 순간적으로 웨이크업 되는 것으로 가정한다.
상기 배터리의 전압 정보 제공 단계(S1)에서, 상기 배터리 관리 유닛(160)은 배터리(110)의 전압을 검출하고 배터리(110)의 전압 정보를 통신 단자(CLOCK, DATA)를 통해 충전기(200)로 제공한다. 여기서, 배터리(110)의 전압 정보는 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 전압(Veb)을 포함할 수 있다.
상기 예비 충전 기준 전압 비교 단계(S2)에서, 상기 충전기(200)는 배터리(110)의 전압 정보를 이용하여 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 전압(Veb)이 예비 충전 기준 전압(Vp) 미만인지 비교한다. 여기서, 상기 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 만충전 전압은 약 4.2V일 수 있으며 예비 충전 기준 전압(Vp)은 약 3V일 수 있으나, 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 만충전 전압에 따라 예비 충전 기준 전압(Vp)이 달라질 수 있다.
상기 예비 충전 모드 판단 단계(S3)에서, 상기 충전기(200)는 배터리 셀들(B1, B2, B3) 중 어느 하나의 전압(Veb)이 예비 충전 기준 전압(Vp) 미만인 것으로 확인하면, 배터리(110)의 충전에 대해 예비 충전 모드인 것으로 판단한다. 여기서, 상기 예비 충전은 배터리(110)를 낮은 전원으로 충전하는 것을 의미하며, 낮은 전원을 가지는 배터리(110)에 높은 전원을 공급하는 경우 발생하는 배터리(110)의 열화를 방지하기 위해 실시된다.
상기 웨이크업 전압 비교 단계(S4)에서, 상기 충전기(200)는 배터리(110)의 총 전압(Vtb)이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만인지 비교한다.
상기 보조 전원 공급 단계(S5)에서, 상기 충전기(200)는 배터리(110)의 총 전압(Vtb)이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 미만이면, 보조 전원 단자(VCC2)를 통해 보조 전원을 배터리 관리 유닛(160)으로 공급한다. 여기서, 보조 전원은 DC-DC 컨버터(170)에 의해 더 높은 전원으로 컨버팅되어 배터리 관리 유닛(160)에 공급될 수 있다. 또한, 보조 전원은 배터리 관리 유닛(160)에 그대로 공급될 수 있으며, 이 경우 보조 전원의 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 이상일 수 있다. 한편, 상기 충전기(200)는 도 2의 선택부(380)를 통해 제 1 팩 단자(P+)로부터 공급되는 충전 전원과 DC-DC 컨버터(170)로부터 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원을 배터리 관리 유닛(160)으로 공급되게 할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(170)가 생략된 경우 상기 충전기(200)는 도 2의 선택부(380)를 통해 제 1 팩 단자(P+)로부터 공급되는 충전 전원과 보조 전원 단자(VCC2)로부터 공급되는 보조 전원 중 높은 전원을 배터리 관리 유닛(160)으로 공급되게 할 수 있다.
상기 예비 충전 전원 제공 단계(S6)에서, 상기 충전기(200)는 제 1 팩 단자(P+)를 통해 배터리(110)로 예비 충전 전원을 제공한다. 여기서, 상기 예비 충전 전원의 제공은 배터리(110)의 총 전압이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압과 같아질 때까지 계속 수행될 수 있다.
상기 보조 전원 차단 단계(S7)에서, 상기 충전기(200)는 배터리(110)의 총 전압(Vtb)이 배터리 관리 유닛(160)의 웨이크업 전압 이상이면, 보조 전원의 공급을 차단한다.
상기 정상 충전 전원 공급 단계(S8)에서, 상기 충전기(200)는 보조 전원이 차단되는 경우 제 1 팩 단자(P+)를 통해 배터리(110)로 정상 충전 전원을 공급한다. 여기서, 상기 정상 충전 전원은 배터리(110)의 전압에 따라 미리 정해진 충전 전원을 말한다. 한편, 상기 예비 충전 기준 전압 비교 단계(S2)에서, 상기 충전기(200)가 배터리(110)의 전압 정보를 이용하여 배터리 셀들(B1, B2, B3) 각각의 전압(Veb)이 예비 충전 기준 전압(Vp) 이상인 것으로 확인하면 배터리(110)의 충전에 대해 정상 충전 모드로 판단하여 정상 충전 전원 제공 단계(S8)를 수행한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100, 300: 배터리 팩 110: 배터리 셀
120: 커넥터 130: 충전 소자
140: 방전 소자 150: 센서 저항
160: 배터리 관리 유닛(BMU) 170: DC-DC 컨버터
200: 충전기 380: 선택부

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리와 전기적으로 연결되는 커넥터; 및
    상기 배터리와 상기 커넥터에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 유닛을 포함하며,
    상기 커넥터는, 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압(wake up voltage) 미만인 경우 상기 배터리 관리 유닛으로 보조 전원이 공급되는 경로를 제공하는 보조 전원 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛과 상기 보조 전원 단자 사이에 DC-DC 컨버터가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 전원의 전압은 상기 DC-DC 컨버터에 의해 더 높은 전압으로 컨버팅되며, 컨버팅된 보조 전원의 전압은 상기 웨이크업 전압 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커넥터는
    상기 배터리의 제 1 전극 단자와 연결되는 제 1 팩 단자;
    상기 배터리의 제 2 전극 단자와 연결되는 제 2 팩 단자; 및
    상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 통신 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 팩 단자, 상기 배터리 관리 유닛 및 상기 배터리의 제 1 전극 단자 사이에 연결되는 주 전원 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리의 제 1 전극 단자와 상기 제 1 팩 단자 사이에 연결되는 충전 소자; 및
    상기 충전 소자와 상기 제 1 팩 단자 사이에 연결되는 방전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛과 상기 DC-DC 컨버터 사이에 연결되어, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 DC-DC 컨버터로부터 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원을 출력하는 선택부를 더 포함하며,
    상기 선택부는
    상기 제 1 팩 단자와 연결되는 제 1 입력 단자;
    상기 DC-DC 컨버터와 연결되는 제 2 입력 단자; 및
    상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선택부는
    상기 제 1 입력 단자와 제 2 입력 단자가 연결되는 입력단을 갖는 비교기;
    상기 비교기의 출력단에 연결되는 제 1 제어 전극, 상기 제 1 입력 단자에 연결되는 제 1 전극, 및 상기 선택부의 출력 단자에 연결되는 제 2 전극을 포함하는 제 1 스위치; 및
    상기 비교기의 출력단에 연결되는 제 2 제어 전극, 상기 제 2 입력 단자에 연결되는 제 3 전극, 및 상기 선택부의 출력 단자에 연결되는 제 4 전극을 포함하는 제 2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛과 상기 보조 전원 단자 사이에 연결되어, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자 공급되는 상기 보조 전원 중 높은 전원을 출력하는 선택부를 더 포함하며,
    상기 선택부는
    상기 제 1 팩 단자와 연결되는 제 1 입력 단자;
    상기 보조 전원 단자와 연결되는 제 2 입력 단자; 및
    상기 배터리 관리 유닛과 연결되는 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 전원은 상기 커넥터에 연결되는 충전기로부터 공급되며,
    상기 충전기는 상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만인 경우를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조 전원의 전압은 상기 충전기에 설정된 전원의 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조 전원의 전압은 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 충전은 예비 충전 모드 상태이며,
    상기 예비 충전 모드는 상기 커넥터에 연결되는 상기 충전기에 의해 상기 배터리 셀들 중 어느 하나의 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인 것으로 판단되는 경우인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 시스템.
  14. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 제 1 팩 단자, 제 2 팩 단자 및 보조 전원 단자를 포함하는 커넥터; 및 상기 배터리와 상기 커넥터에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 유닛을 포함하며, 상기 커넥터를 통해 충전기와 연결되는 배터리 팩의 충전 방법에 있어서,
    상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만인지 비교하는 웨이크업 전압 비교 단계; 및
    상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 미만이면, 상기 보조 전원 단자를 통해 보조 전원을 상기 배터리 관리 유닛으로 공급하는 보조 전원 공급 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 배터리의 총 전압이 상기 배터리 관리 유닛의 웨이크업 전압 이상이면, 상기 보조 전원의 공급을 차단하는 보조 전원 차단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 보조 전원 차단 단계 후에, 상기 제 1 팩 단자를 통해 상기 배터리로 정상 충전 전원을 공급하는 정상 충전 전원 공급 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 웨이크업 전압 비교 단계 전에,
    상기 배터리의 총 전압이 예비 충전 기준 전압 미만인지 비교하는 예비 충전 기준 전압 비교 단계; 및
    상기 배터리 셀 중 어느 하나의 전압이 상기 예비 충전 기준 전압 미만이면, 상기 배터리가 예비 충전 모드인 것으로 판단하는 예비 충전 모드 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 보조 전원 공급 단계 후에, 상기 제 1 팩 단자를 통해 상기 배터리로 예비 충전 전원을 제공하는 예비 충전 전원 제공 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 보조 전원 공급 단계에서, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자로부터 공급되는 보조 전원 중 높은 전원이 상기 배터리 관리 유닛으로 공급되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 보조 전원 공급 단계에서, 상기 제 1 팩 단자로부터 공급되는 충전 전원과 상기 보조 전원 단자로부터 더 높은 전원으로 컨버팅되어 공급되는 컨버팅된 보조 전원 중 높은 전원이 상기 배터리 관리 유닛으로 공급되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충전 방법.
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