KR20120059851A - 배터리 팩 충전 제어 시스템 - Google Patents

배터리 팩 충전 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 충전 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 배터리의 충전을 위한 충전 소자부; 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하고, 상기 충전 소자부의 고장 여부에 따라 상기 배터리의 차지 모드 및 차지 스탑 모드 중 하나를 결정하고, 상기 결정 결과에 따라 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력을 제어하는 배터리 관리 유닛; 충전기의 데이터 입력 단자와 연결되고, 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨에 따라 상기 충전기의 동작을 제어하는 충전기 관리 유닛; 및 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력에 따라 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨을 변경하는 전압 레벨 변경부를 포함하는 배터리 팩의 충전 제어 시스템을 개시한다.

Description

배터리 팩 충전 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING CHARGING OF BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩의 충전 제어 시스템에 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 배터리와 충/방전 회로를 포함하는 배터리 팩 형태로 제작되고 있으며, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 외부 부하에 의한 배터리의 충전 또는 방전이 이루어지고 있다. 즉, 외부 단자를 통해 배터리 팩이 외부 전원과 연결되면, 외부 단자와 충/방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리가 충전된다. 또한, 외부 단자를 통해 배터리 팩에 외부 부하(load)가 연결되면, 배터리의 전원이 충/방전 회로와 외부 단자를 통해 외부 부하에 공급되는 방전 동작이 일어난다. 이 때, 충/방전 회로는 외부 단자와 배터리 사이에서 배터리의 충/방전을 제어한다.
일반적으로 배터리의 충전은 배터리의 전압이 일정 전압까지 도달할 때까지 최대 충전 전류로 배터리를 충전하다가, 배터리의 전압이 일정 전압에 도달하게 되면 충전 전류를 서서히 감소시키는 방식으로 이루어지고 있다.
노트북의 경우 충/방전 회로에서 충/방전 스위치가 고장 날 경우, 퓨즈(fuse)가 끊김으로써 배터리의 충전이 제어될 수 있다. 그러나, 전기 자전거(E-bike)의 경우 동작 전압이 높고 큰 전류가 흐르기 때문에 퓨즈를 적용하기 어렵다.
본 발명은 배터리의 충방전 소자의 고장 시 배터리를 안전하게 보호할 수 있는 배터리 팩의 충전 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 시스템은, 배터리의 충전을 위한 충전 소자부; 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하고, 상기 충전 소자부의 고장 여부에 따라 상기 배터리의 차지 모드 및 차지 스탑 모드 중 하나를 결정하고, 상기 결정 결과에 따라 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력을 제어하는 배터리 관리 유닛; 충전기의 데이터 입력 단자와 연결되고, 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨에 따라 상기 충전기의 동작을 제어하는 충전기 관리 유닛; 및 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력에 따라 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨을 변경하는 전압 레벨 변경부를 포함한다.
또한, 상기 데이터 입력 단자는 제 1 입력 단자와 제 2 입력 단자를 포함하고, 상기 전압 레벨 변경부는, 일단이 상기 제 1 입력 단자와 연결된 제 1 저항; 상기 제 1 저항의 타단과 연결된 제 1 전극, 상기 제 2 입력 단자와 연결된 제 2 전극 및 상기 제 1 포트와 연결된 제어 전극을 포함하는 제 1 트랜지스터; 일단이 상기 제 1 저항의 타단과 연결된 제 2 저항; 상기 제 2 저항의 타단과 연결된 제 1 전극, 상기 제 2 입력 단자와 연결된 제 2 전극 및, 상기 제 2 포트와 연결된 제어 전극을 포함하는 제 2 트랜지스터; 및 상기 제 1 저항의 타단 및 상기 제 2 입력 단자 사이에 연결된 제 3 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 저항, 상기 제 2 저항 및 상기 제 3 저항 순으로 저항 값이 클 수 있다.
또한, 상기 전압 레벨 변경부는 제 1 전압 분배기를 더 포함하고, 상기 제 1 전압 분배기는, 상기 제 1 포트와 상기 제 1 트랜지스터의 제어 전극 사이에 연결된 제 1 분배 저항; 및 상기 제 1 트랜지스터의 제어 전극과 상기 제 1 트랜지스터의 제 2 전극 사이에 연결된 제 2 분배 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압 레벨 변경부는 제 2 전압 분배기를 더 포함하고, 상기 제 2 전압 분배기는, 상기 제 2 포트와 상기 제 2 트랜지스터의 제어 전극 사이에 연결된 제 3 분배 저항; 및 상기 제 2 트랜지스터의 제어 전극과 상기 제 2 트랜지스터의 제 2 전극 사이에 연결된 제 4 분배 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 트랜지스터의 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 연결된 제 1 커패시터; 상기 제 3 저항과 병렬 연결된 제 2 커패시터; 및 상기 제 1 저항의 타단과 연결된 캐소드와 상기 제 2 입력 단자와 연결된 애노드를 갖는 제너 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전기 관리 유닛은, 공급 전원과 상기 제 1 입력 단자 사이에 연결된 풀-다운 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은, 상기 충전 소자부가 정상 동작할 경우, 상기 차지 모드를 결정하고, 상기 충전 소자부의 고장 시, 상기 차지 스탑 모드를 결정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은, 상기 차지 모드 시, 상기 제 1 포트의 출력을 오프, 상기 제 2 포트의 출력을 온시키고, 상기 차지 스탑 모드 시, 상기 제 1 포트의 출력을 온 시킬 수 있다.
또한, 상기 충전기 관리 유닛은, 상기 차지 모드일 경우, 상기 충전기를 동작시키고, 상기 차지 스탑 모드일 경우, 상기 충전기의 동작을 중단시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 유닛은, 상기 충전 소자부가 정상 동작할 경우, 상기 배터리의 전압에 따라 상기 차지 모드 및 프리차지 모드 중 하나를 결정하고, 상기 프리차지 모드 시, 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력을 오프시키고, 상기 충전 관리 유닛은, 상기 프리차지 모드일 경우, 상기 충전기를 동작시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리의 충방전 소자의 고장 시 배터리를 안전하게 보호할 수 있는 배터리 팩의 충전 제어 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 시스템의 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 레벨 변경부의 구성 및 충전 제어 시스템의 동작을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 제어 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 시스템(10)의 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 레벨 변경부(140)의 구성 및 충전 제어 시스템(10)의 동작을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
우선, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 시스템(10)의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 시스템(10)은 배터리 팩(100)과 충전기(200)를 포함한다.
배터리 팩(100)은 배터리(110), 충전 소자부(121, 123), 방전 소자부(125), 배터리 관리 유닛(130), 전압 레벨 변경부(140), 커넥터(150) 및, 센서 저항(160)을 포함할 수 있다.
배터리 팩(100)은 커넥터(150)를 통해 충전기(200)와 연결되고 배터리(110)의 충전 동작을 수행할 수 있다. 또한, 도시하지 않았으나 배터리 팩(100)은 충전기 대신 커넥터(150)를 통해 핸드폰 또는 휴대용 노트북 컴퓨터와 같은 외부 부하에 연결되어 배터리(110)의 방전 동작을 수행할 수 있다. 커넥터(150)와 배터리(110) 사이의 대전류 경로는 충/방전 경로로 사용되며, 대전류 경로를 통해 비교적 큰 전류가 흐르게 된다.
충전기(200)는 배터리 팩(100)의 배터리(110)를 충전시키는 필요한 전원을 공급하는 기기라면 어느 것이라도 무방하며, 예를 들어 전원을 공급하는 어댑터 또는 어댑터가 연결된 휴대용 노트북 컴퓨터일 수 있다.
충전기(200)는 전원 단자, 데이터 입력 단자 및, 풀-다운 저항(Rpd) 및 충전기 관리 유닛(210)을 포함할 수 있다.
충전기(200)의 전원 단자는 커넥터(150)의 제 1 팩 단자(P+) 및 제 2 팩 단자(P-)와 연결될 수 있고, 충전기(200)의 데이터 입력 단자는 커넥터(150)의 통신 단자(CLOCK, DATA)와 연결될 수 있다. 충전기(200)의 데이터 입력 단자는 충전기 관리 유닛(210)과 연결될 수 있다. 여기서, 충전기(200)의 데이터 입력 단자는 제 1 입력 단자(200b), 제 2 입력 단자(200c) 및 제 3 입력 단자(200a)를 포함할 수 있다.
충전기 관리 유닛(210)은 배터리 관리 유닛(130)으로부터 제 1 입력 단자(200b)를 통해 전압 정보를 전달받을 수 있으며, 제 1 입력 단자(200b), 제 2 입력 단자(200c)를 통해 충전 제어 정보를 전달받을 수 있다. 충전기 관리 유닛(210)은 데이터 입력 단자를 통해 전달된 정보에 따라 충전기(200)의 동작을 제어할 수 있다. 풀-다운 저항(Rpd)은 공급 전원(Vd)과 제 1 입력 단자(200b) 사이에 연결될 수 있다. 충전기 관리 유닛(210)에 대한 보다 상세한 설명은 후술하도록 한다.
이하에서는 배터리 팩(100)과 충전기(200)의 구성에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
배터리(110)는 적어도 하나의 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)을 포함할 수 있으며, 일정 전압으로 충전 또는 방전될 수 있다. 도 1의 B+, B-는 대전류 단자를 표시한 것이고, 직렬 연결된 배터리 셀(B1, B2, B3, B4)의 제 1 전극 단자(B+) 및 제 2 전극 단자(B-)를 나타낸다. 여기서, 제 1 전극 단자(B+)는 양극 단자, 제 2 전극 단자(B-)는 음극 단자 일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(110)의 배터리 셀 수는 외부 부하가 필요로 하는 용량에 따라 달라질 수 있다.
충전 소자부(121, 123)와 방전 소자부(125)는 배터리(110)와 커넥터(150) 사이의 대전류 경로 상에 연결되고 배터리(110)의 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 충전 소자부(121, 123)는 충전 소자(121) 및 프리차지 소자(123)를 포함할 수 있다. 충전 소자(121)는 제 1 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; 이하 FET 1이라고 함)와 제 1 기생 다이오드(parasitic diode; 이하 D 1이라고 함)를 포함할 수 있다. 프리차지 소자(123)는 제 2 전계 효과 트랜지스터(이하 FET 2라고 함), 제 2 기생 다이오드(이하 D 2라고 함) 및 프리차지 저항(Rpc)을 포함할 수 있다. 방전 소자부(125)는 방전 소자를 포함할 수 있다. 방전 소자는 제 3 전계 효과 트랜지스터(이하 FET 3이라고 함)와 제 3 기생 다이오드(이하 D 3이라고 함)를 포함할 수 있다.
제 1 전계 효과 트랜지스터(FET 1)의 소스와 드레인 사이의 접속 방향은, 제 2 전계 효과 트랜지스터(FET 2)와 같은 방향으로 설정되며, 제 3 전계 효과 트랜지스터(FET 3)와 반대 방향으로 설정될 수 있다. 이러한 구성으로 제 1 및 제 2 전계 효과 트랜지스터(FET 1, FET 2)는 커넥터(150)로부터 배터리(110)로의 전류 흐름을 제한할 수 있다. 또한, 제 2 전계 효과 트랜지스터(FET 2)는 프리차지 저항(Rpc)을 이용하여 전류량을 제한할 수 있다. 제 3 전계 효과 트랜지스터(FET 3)는 배터리(110)로부터 커넥터(150)의 전류 흐름을 제한하도록 접속될 수 있다. 여기서, 제 1, 제 2 및 제 3 전계 효과 트랜지스터(FET 1, FET 2, FET 3)는 스위칭 소자이며, 여기서 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기 소자가 사용될 수 있다. 제 1 및 제 3 기생 다이오드(D 1, D 3)는 전류가 제한되는 방향에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성될 수 있다. 또한, 제 2 및 제 3 기생 다이오드(D 2, D 3)는 전류가 제한되는 방향에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성될 수 있다.
배터리 관리 유닛(130)는 배터리(110), 충전 소자(121), 프리차지 소자(123), 방전 소자부(125), 전압 레벨 변경부(140), 커넥터(150) 및 센서 저항(160)과 연결될 수 있다. 이러한 배터리 관리 유닛(130)은 집적회로(IC: Integrated Circuit)로 구현된 것일 수 있다.
배터리 관리 유닛(130)은 배터리(110)의 전압을 검출하고, 검출된 전압에 따라 충전 소자(121), 프리차지 소자(123) 및 방전 소자부(125)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 커넥터(150)를 통해 배터리 팩(100)에 충전기(200)가 연결될 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 충전 소자(121)의 제 1 전계 효과 트랜지스터(FET 1)를 온(on) 상태로, 방전 소자부(125)의 제 3 전계 효과 트랜지스터(FET 3)를 오프(off) 상태로 설정하여 배터리(110)가 충전될 수 있도록 한다. 만약, 배터리(110)에 과도하게 전압이 충전되는 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 제 2 전계 효과 트랜지스터(FET 2)를 온(on) 상태로 설정하여 배터리(110)가 충전될 수 있도록 한다. 이 때, 배터리 관리 유닛(130)은 프리차지 소자(123)의 프리차지 저항(Rpc)에 의해 배터리(110)가 소정의 전압 레벨까지 서서히 충전되도록 함으로써, 배터리(110)에 이상발열이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 커넥터(150)를 통해 배터리 팩(100)에 외부 부하가 연결될 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 충전 소자(121)의 제 1 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 오프(off) 상태로, 방전 소자부(125)의 제 3 전계 효과 트랜지스터(FET3)를 온(on) 상태로 설정하여 배터리(110)가 방전될 수 있도록 한다. 한편 도시하진 않았지만, 배터리 관리 유닛(130)은 배터리 셀들(B1, B2, B3, B4) 각각의 전압을 모두 감지할 수 있다.
배터리 관리 유닛(130)은 검출된 배터리(110)의 전압과 충전 소자부(121, 123)의 고장 여부에 따라 차지 모드, 프리차지 모드 및 차지 스탑 모드 중 하나의 모드를 결정할 수 있다. 여기서, 배터리 관리 유닛(130)은 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2)를 포함할 수 있으며, 배터리(110)의 전압과 충전 소자부(121, 123)의 고장 여부에 따른 모드 결정 결과에 따라 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2)의 출력을 제어할 수 있다.
예를 들어, 충전 소자부(121, 123)가 정상적으로 동작할 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 검출된 배터리(110)의 전압에 따라 충전 소자(121) 또는 프리차지 소자(123)의 동작과, 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2)의 출력을 제어할 수 있다. 이때, 프리차지 모드일 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 프리차지 소자(123)를 온(on) 상태로 설정하고, 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2)를 오프(off)시킬 수 있다. 차지 모드일 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 프리차지 소자(123)를 온(on) 상태로 설정하고 제 1 포트(Port 1)를 오프(off)시키고, 제 2 포트(Port 2)를 온(on)시킬 수 있다. 충전 소자부(121, 123)가 정상적으로 동작하지 않을 경우(즉, 충전 소자부(121, 123가 고장 난 경우), 배터리 관리 유닛(130)은 검출된 배터리(110)의 전압에 관계없이 제 1 포트(Port 1)를 온(on) 시킬 수 있다. 이때, 제 2 포트(Port 2)의 출력 상태는 무관하다. 배터리 관리 유닛(130)에 대한 보다 상세한 설명은 후술하도록 한다.
전압 레벨 변경부(140)는 입력단이 배터리 관리 유닛(130)의 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2)와 연결되고, 출력단이 커넥터(150)를 통해 충전기(200)의 데이터 입력 단자와 연결될 수 있다. 여기서, 충전기(200)의 데이터 입력 단자는, 제 1 입력 단자(200b), 제 2 입력 단자(200b) 및 제 3 입력 단자(200a)를 포함할 수 있다. 전압 레벨 변경부(140)는 커넥터(150)의 데이터 단자(DATA 0, DATA 1, DATA 2)를 통해 충전기(200)의 데이터 입력 단자(200a, 200b, 200c)와 연결될 수 있다. 전압 레벨 변경부(140)는 배터리 관리 유닛(130)의 제 1 포트(Port 1) 및 제 2 포트(Port 2) 출력에 따라 충전기(200)의 데이터 입력 단자의 전압 레벨을 변경할 수 있다.
전압 레벨 변경부(140)는, 제 1 전압 분배기(Ra, Rb), 제 1 트랜지스터(T1), 제 1 저항(R1), 제 2 전압 분배기(Rc, Rd), 제 2 트랜지스터(T2), 제 2 저항(R2), 제 3 저항(R3), 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2), 및 제너 다이오드(Dz)를 포함할 수 있다.
제 1 전압 분배기(Ra, Rb)는 제 1 분배 저항(Ra) 및 제 2 분배 저항(Rb)을 포함할 수 있다. 제 1 분배 저항(Ra)은 일단이 배터리 관리 유닛(130)의 제 1 포트(Port 1)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 2 분배 저항(Rb)은 일단이 제 1 분배 저항(Ra)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 트랜지스터(T1)는 제 1 전극, 제 2 전극 및 제어 전극을 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(T1)의 제어 전극은 제 1 분배 저항(Ra)과 제 2 분배 저항(Rb)의 접속 노드에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제 1 트랜지스터(T1)의 제어 전극은 제 1 분배 저항(Ra)의 타단 및 제 2 분배 저항(Rb)의 일단에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 트랜지스터(T1)의 제 2 전극은 충전기(200)의 제 2 입력 단자(200c)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 저항(R1)은 일단이 충전기(200)의 제 1 입력 단자(200b)와 전기적으로 연결되고, 타단이 제 1 트랜지스터(T1)의 제 1 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
제 2 전압 분배기(Rc, Rd)는 제 3 분배 저항(Rc) 및 제 4 분배 저항(Rd)을 포함할 수 있다. 제 3 분배 저항(Rc)은 일단이 배터리 관리 유닛(130)의 제 2 포트(Port 2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제 4 분배 저항(Rd)은 일단이 제 3 분배 저항(Rc)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다.
제 2 트랜지스터(T2)는 제 1 전극, 제 2 전극 및 제어 전극을 포함할 수 있다. 제 2 트랜지스터(T2)의 제어 전극은 제 3 분배 저항(Rc)과 제 4 분배 저항(Rd)의 접속 노드에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제 2 트랜지스터(T2)의 제어 전극은 제 3 분배 저항(Rc)의 타단 및 제 4 분배 저항(Rd)의 일단에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 2 트랜지스터(T2)의 제 2 전극은 충전기(200)의 제 2 입력 단자(200c)와 전기적으로 연결될 수 있다.
제 2 저항(R2)은 일단이 제 1 저항(R1)의 타단과 전기적으로 연결되고, 타단이 제 2 트랜지스터(T2)의 제 1 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
제 3 저항(R3)은 제 1 저항(R1)의 타단과 충전기(200)의 제 2 입력 단자(200c) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 내지 제 3 저항(R1, R2, R3)의 저항 값은 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2) 및 제 3 저항(R3) 순으로 큰 것일 수 있다. 특히, 제 1 저항(R1)의 저항 값은 제 2 저항(R2) 및 제 3 저항(R3)의 저항 값에 비해 상당히 작은 값일 수 있다. 예를 들어, 제 1 저항(R1)은 560 Ohm, 제 2 저항(R2)은 5.1 KOhm, 제 3 저항(R3)은 6 KOhm일 수 있다.
제 1 커패시터(C1)는 제 1 트랜지스터(T1)의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제 2 커패시터(C2)는 제 3 저항(R3)과 병렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 2 커패시터(C2)는 제 1 저항(R1)의 타단과 충전기(200)의 제 2 입력 단자(200c) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제너 다이오드(Dz)는 애노드와 캐소드를 포함할 수 있다. 제너 다이오드(Dz)의 애노드는 충전기(200)의 제 2 입력 단자(200c)와 전기적으로 연결되며, 캐소드는 제 1 저항(R1)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다.
커넥터(150)는 배터리(110)와 연결되며, 충전기(200) 또는 외부 부하와 연결되어 배터리(110)로의 충전 또는 배터리(110)에 의한 방전 시 단자로서 작동할 수 있다. 이를 위해, 커넥터(150)는 제 1 팩 단자(P+)와 제 2 팩 단자(P-)를 포함할 수 있다. 제 1 팩 단자(P+)는 제 1 전극 단자(B+)와 연결되는 양극 팩 단자일 수 있으며, 제 2 팩 단자(P-)는 제 2 전극 단자(B-)와 연결되는 음극 팩 단자일 수 있다. 이러한 커넥터(150)에 충전기(200)가 연결되면, 충전기(200)로부터 배터리(110)로의 충전이 이루어질 수 있으며, 커넥터(150)에 외부 부하가 연결되면 배터리(110)로부터 외부 부하로의 방전이 이루어진다. 제 1 팩 단자(P+), 배터리 관리 유닛(130) 및 배터리(110)의 제 1 전극 단자(B+) 사이에 전원 단자(VCC)가 연결될 수 있다. 전원 단자(VCC)는 배터리(110)의 전원을 배터리 관리 유닛(130)으로 공급하는 경로를 제공하거나, 충전기(200)가 커넥터(150)를 통해 배터리 팩(100)에 연결될 때 충전기(200)의 충전 전원이 공급되게 하는 경로를 제공할 수 있다.
커넥터(150)는 배터리 관리 유닛(130)과 연결되는 통신 단자(CLOCK, DATA)를 포함할 수 있다. 여기서, 통신 단자(CLOCK, DATA)는 클록 단자(CLOCK)와 데이터 단자(DATA 0, DATA 1, DATA 2)를 포함할 수 있다. 커넥터(150)에 충전기(200)가 연결되면, 통신 단자는 배터리 관리 유닛(130)과 충전기(200) 사이의 통신을 가능하게 한다. 예를 들어, 통신 단자(CLOCK, DATA)는 배터리 관리 유닛(130)으로부터 배터리(110)의 전압 정보 및 충전 제어 정보를 충전기(200)에 전달할 수 있다.
센서 저항(160)은 배터리(110)와 커넥터(150) 사이의 대전류 경로 상에 연결될 수 있다. 구체적으로 센서 저항(160)은 배터리(100)의 제 2 전극 단자(B-)와 제 2 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 또한, 센서 저항(160)은 배터리 관리 유닛(130)과 연결될 수 있다. 이에 따라, 센서 저항(160)은, 배터리 관리 유닛(130)이 센서 저항(160) 양단의 전압 값과 센서 저항(160)의 저항 값을 확인하여, 충/방전 전류를 확인할 수 있게 한다. 따라서, 센서 저항(160)은 배터리(110)의 충전 전류 또는 방전 전류에 대한 정보를 배터리 관리 유닛(130)에 전달하는 역할을 한다.
다음, 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 시스템(10)의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
충전 제어 시스템(10)의 동작에 대한 이해를 돕기 위해, 배터리 관리 유닛(130)의 포트 출력 상태, 충전기(200)의 데이터 입력 단자의 전압 레벨, 충전 제어 모드에 대한 일례를 하기의 표와 같이 정리하였다.
Figure pat00001
<표>
상기 표는 전압 레벨 변경부(140)의 제 1 저항(R1)은 560 Ohm, 제 2 저항(R2)은 5.1 KOhm, 제 3 저항(R3)은 6 KOhm, 충전기(200)의 풀-다운 저항(Rpd)은 10.5 KOhm의 저항 값을 갖고, 공급 전압(Vd)이 12V인 경우를 일례로 한 것이다.
배터리 관리 유닛(130)은 검출된 배터리(110)의 전압과 충전 소자부(121, 123)의 고장 여부에 따라서 충전 제어 모드를 결정한다. 우선, 충전 소자부(121, 123)이 정상적으로 동작하는지에 대하여 판별한다. 상기 판별 결과 충전 소자부(121, 123)가 정상적으로 동작하는 경우, 검출된 배터리(110)의 전압에 기초하여 프리 차지 모드인지 아니면 차지 모드인지를 결정한다.
1) 프리차지 모드(Pre-Charge Mode)
상기 판별 결과가 프리차지 모드인 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 제 1 포트(Port 1)와 제 2 포트(Port 2)의 출력을 모두 오프(off) 시킨다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 트랜지스터(T1, T2)가 오프 상태가 되고, 충전기(200)의 공급 전원(Vd)과 제 2 입력 단자(200b) 사이에는 풀-다운 저항(Rpd), 제 1 저항(R1) 및 제 3 저항(R3)이 연결될 수 있다. 이 때, 제 1 저항(R1)은 제 3 저항(R3)보다 상당히 작은 저항 값을 가지므로, 공급 전압(Vd)의 대부분은 풀-다운 저항(Rpd)과 제 3 저항(R3)에 분배되어 인가되는 것으로 해석해도 무방하다. 따라서, 전압 분배 법칙에 의해 제 3 저항(R3)에는 약 4.34V의 전압이 인가될 수 있다. 제 3 저항(R3)의 일단은 충전기(200)의 제 1 입력 단자(200b)와 연결되어 있으므로, 충전기 관리 유닛(210)으로 약 4.34V의 전압이 인가될 수 있다. 이러한 경우는 제 1 입력 단자(200b)에 인가된 전압이 4V를 초과하는 경우이므로, 충전기 관리 유닛(210)은 프리차지 모드를 인식하게 되며, 프리차지 모드에 따른 충전기의 동작을 제어한다.
2) 차지 모드(Charge Mode)
상기 판별 결과가 차지 모드인 경우, 배터리 관리 유닛(130)은 제 1 포트(Port 1)의 출력을 오프(off) 시키고, 제 2 포트(Port 2)의 출력을 온(on) 시킨다. 이에 따라, 제 1 트랜지스터(T1)은 오프 상태가 되고, 제 2 트랜지스터(T1, T2)는 온 상태가 되며, 충전기(200)의 공급 전원(Vd)과 제 2 입력 단자(200b) 사이에는 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2) 및 제 3 저항(R3)이 연결될 수 있다. 이 때, 제 2 저항(R2) 및 제 3 저항(R3)은 병렬 연결되고, 그 합성 저항(R2//R3)은 약 2.75 KOhm을 갖게 된다. 여기서, 제 1 저항(R1)은 상기 합성 저항(R2//R3)보다 상당히 작은 저항 값은 가지므로, 공급 전압(Vd)의 대부분은 풀-다운 저항(Rpd)과 상기 합성 저항(R2//R3)에 분배되어 인가되는 것으로 해석해도 무방하다. 따라서, 전압 분배 법칙에 의해 충전기(200)의 제 1 입력 단자(200b)에는 약 2.5V의 전압이 인가될 수 있다. 이러한 경우는, 제 1 입력 단자(200b)에 인가된 전압이 1V 내지 4V의 범위 내에 있는 경우이므로, 충전기 관리 유닛(210)은 차지 모드를 인식하게 되며, 차지 모드에 따른 충전기(200)의 동작을 제어한다.
3) 차지 스탑 모드(Charge Stop Mode)
충전 소자부(121, 123)가 정상적으로 동작하지 않는 경우(즉, 충전 소자부(121, 123)의 고장으로 판별된 경우), 배터리 관리 유닛(130)은 검출된 배터리(110)의 전압에 관계없이 제 1 포트(Port 1)의 출력은 온(on) 시킨다. 이 때, 제 2 포트(Port 2)의 출력은 온(on)이든 오프(off)이든 무관하다. 이에 따라, 제 1 트랜지스터(T1)가 온 상태가 되어, 공급 전원(Vd)에 의한 전류는 풀-다운 저항(Rpd)과, 제 1 저항(R1) 및 제 1 트랜지스터(T1)를 통하여 제 2 입력 단자(200c)로 흐르게 된다. 이 때, 제 2 저항(R2) 및 제 3 저항(R3)은 제 1 저항(R1)에 비해 저항 값이 상당히 크므로, 제 1 저항(R1)과 제 1 트랜지스터(T1)를 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제 1 저항(R1)에 의해 제 1 입력 단자(200b)에는 약 0.6V의 전압이 인가될 수 있다. 이러한 경우는 제 1 입력 단자(200b)의 전압이 1V 미만이 되는 경우이므로, 충전기 관리 유닛(210)은 차지 스탑 모드를 인식하게 되며, 충전기(200)의 동작을 즉시 중단시키게 된다.
충전 제어 시스템(10)의 동작은 상기 표와 상술한 바에 의하여 한정되는 것이 아니라, 이해를 돕기 위한 일례일 뿐이며 배터리 관리 유닛(130)의 포트 출력 제어, 충전기(200)의 입력 단자의 전압 레벨의 설정에 따라 프리차지 모드, 차지 모드 및 차지 스탑 모드를 다양하게 변경하여 실시할 될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 자명한 것이다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10: 충전 제어 시스템
100: 배터리 팩
110: 배터리
121: 충전 소자
123: 프리차지 소자
125: 방전 소자
130: 배터리 관리 유닛
140: 전압 레벨 변경부
150: 커넥터
160: 센서 저항
200: 충전기
200b: 제 1 입력 단자
200c: 제 2 입력 단자
Port 1: 제 1 포트
Port 2: 제 2 포트
P+: 제 1 팩 단자
P-: 제 2 팩 단자

Claims (11)

  1. 배터리의 충전을 위한 충전 소자부;
    제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하고, 상기 충전 소자부의 고장 여부에 따라 상기 배터리의 차지 모드 및 차지 스탑 모드 중 하나를 결정하고, 상기 결정 결과에 따라 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력을 제어하는 배터리 관리 유닛;
    충전기의 데이터 입력 단자와 연결되고, 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨에 따라 상기 충전기의 동작을 제어하는 충전기 관리 유닛; 및
    상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력에 따라 상기 데이터 입력 단자의 전압 레벨을 변경하는 전압 레벨 변경부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 입력 단자는 제 1 입력 단자와 제 2 입력 단자를 포함하고,
    상기 전압 레벨 변경부는,
    일단이 상기 제 1 입력 단자와 연결된 제 1 저항;
    상기 제 1 저항의 타단과 연결된 제 1 전극, 상기 제 2 입력 단자와 연결된 제 2 전극 및 상기 제 1 포트와 연결된 제어 전극을 포함하는 제 1 트랜지스터;
    일단이 상기 제 1 저항의 타단과 연결된 제 2 저항;
    상기 제 2 저항의 타단과 연결된 제 1 전극, 상기 제 2 입력 단자와 연결된 제 2 전극 및, 상기 제 2 포트와 연결된 제어 전극을 포함하는 제 2 트랜지스터; 및
    상기 제 1 저항의 타단 및 상기 제 2 입력 단자 사이에 연결된 제 3 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 저항, 상기 제 2 저항 및 상기 제 3 저항 순으로 저항 값이 큰 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 변경부는 제 1 전압 분배기를 더 포함하고,
    상기 제 1 전압 분배기는,
    상기 제 1 포트와 상기 제 1 트랜지스터의 제어 전극 사이에 연결된 제 1 분배 저항; 및
    상기 제 1 트랜지스터의 제어 전극과 상기 제 1 트랜지스터의 제 2 전극 사이에 연결된 제 2 분배 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압 레벨 변경부는 제 2 전압 분배기를 더 포함하고,
    상기 제 2 전압 분배기는,
    상기 제 2 포트와 상기 제 2 트랜지스터의 제어 전극 사이에 연결된 제 3 분배 저항; 및
    상기 제 2 트랜지스터의 제어 전극과 상기 제 2 트랜지스터의 제 2 전극 사이에 연결된 제 4 분배 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터의 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 연결된 제 1 커패시터;
    상기 제 3 저항과 병렬 연결된 제 2 커패시터; 및
    상기 제 1 저항의 타단과 연결된 캐소드와 상기 제 2 입력 단자와 연결된 애노드를 갖는 제너 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전기 관리 유닛은, 공급 전원과 상기 제 1 입력 단자 사이에 연결된 풀-다운 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은,
    상기 충전 소자부가 정상 동작할 경우, 상기 차지 모드를 결정하고,
    상기 충전 소자부의 고장 시, 상기 차지 스탑 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은,
    상기 차지 모드 시, 상기 제 1 포트의 출력을 오프, 상기 제 2 포트의 출력을 온시키고,
    상기 차지 스탑 모드 시, 상기 제 1 포트의 출력을 온 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 충전기 관리 유닛은,
    상기 차지 모드일 경우, 상기 충전기를 동작시키고,
    상기 차지 스탑 모드일 경우, 상기 충전기의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 유닛은,
    상기 충전 소자부가 정상 동작할 경우, 상기 배터리의 전압에 따라 상기 차지 모드 및 프리차지 모드 중 하나를 결정하고,
    상기 프리차지 모드 시, 상기 제 1 포트 및 상기 제 2 포트의 출력을 오프시키고,
    상기 충전 관리 유닛은,
    상기 프리차지 모드일 경우, 상기 충전기를 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 시스템.
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