KR20140065951A - 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법이 개시된다. 충전기의 출력신호가 제1 전압보다 높은 경우에는, 제1 충전회로에 의해 제1 전류로 배터리 셀이 충전된다. 그리고 충전기의 출력신호가 제2 전압보다 높은 경우에는, 제2 충전회로에 의해 제2 전류로 배터리 셀이 충전된다. 여기서 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 높으며, 상기 제2 전류는 상기 제1 전류보다 높다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
급속도로 변화하고 있는 정보화 시대에는 정보기기의 소형화, 경량화 및 고기능화에 대한 사용자들의 요구가 증대되고 있다. 이를 위해 PDA(Personnel Digital Assistant), GPS, 캠코더, 노트북, 스마트 폰 등의 정보기기들은 배터리(전지)를 주 전원으로 사용하고 있다. 배터리는 전기 에너지를 충전하여 각종 전자 기기에 전기 에너지를 공급하는 역할을 한다.
특히 대부분의 정보기기들은 소형화와 경량화를 위해 에너지 밀도가 높으며재충전이 가능한 이차 전지를 사용하고 있다.
특히, 충전과 방전이 가능한 리듐 이차 전지는 리듐의 가벼운 원자 특성으로 인하여 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지 등 과 비교하여 당위 중량당 에너지 밀도가 높고 충전 속도가 빨라 널리 쓰이고 있다.
이러한 이차 배터리는 방전 동작뿐만 아니라 충전 동작이 모두 수행되며, 이러한 충전 및 방전 동작을 효율적으로 관리하기 위해, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 'BMS'라 함)이 탑재되어 있다.
일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 충전 동작을 수행할 시 과전류로 인한 배터리 손상을 방지하기 위해 보호 회로를 포함하고 있다. 이러한 보호 회로는 배터리 충전 시의 과전류 상태를 감지하여 충전동작의 온/오프를 제어한다.
그러나 일반 모드(normal mode) 충전인 경우 상기 보호 회로를 통해 배터리를 보호할 수 있으나, 급속 모드(express mode) 충전인 경우는 높은 전류로 인해 상기 보호 회로가 동작하여 급속 충전이 불가능해 질 수 있다. 즉, 급속 모드의 충전인 경우에는 높은 전류를 통해 배터리를 급속하게 충전시키는 것이 필요한데, 높은 전류로 인해 오히려 상기 보호 회로가 동작하게 되어 급속 충전 동작이 멈출 수 있다.
본 발명이 해결하고 하는 과제는 급속 충전이 가능한 배터리 관리 시스템 및 및 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면 배터리 관리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은, 충전기의 일단과 배터리 셀의 일단 사이에 연결되며, 상기 배터리 셀을 제1 전류로 충전시키도록 제어하는 제1 충전 회로 상기 배터리 셀의 타단에 제1 단자가 연결되며, 상기 제1 충전 회로의 제어에 의해 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 제2 단자와 상기 충전기의 타단 사이에 연결되며, 상기 충전기의 출력 신호의 값에 대응하여 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제2 스위치; 상기 충전기의 일단과 상기 배터리 셀의 일단 사이에 연결되며, 상기 배터리 셀을 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류로 충전시키도록 제어하는 제2 충전 회로 상기 배터리 셀의 타단에 제1 단자가 연결되며, 상기 제2 충전 회로의 제어에 의해 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제3 스위치; 및 상기 제3 스위치의 제2 단자와 상기 충전기의 타단 사이에 연결되며, 상기 충전기의 출력 신호의 값에 대응하여 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제4 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위치는 상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압인 경우 턴온되며, 상기 제4 스위치는 상기 충전기의 출력 신호의 값이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압인 경우 턴온될 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압보다 높은 경우, 상기 제2 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제2 스위치로 출력하는 제1 비교기; 및 상기 충전기의 출력 신호의 값이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압인 경우, 상기 제4 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제4 스위치로 출력하는 제2 비교기를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압보다 높은 경우, 상기 제4 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 상기 제4 스위치로 출력하는 제1 비교기; 및 상기 비교기의 출력 신호를 반전하며, 상기 제2 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제2 스위치로 출력하는 인버터를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 스위치의 턴온 저항인 제1 저항은 상기 제1 스위치의 턴온 저항인 제2 저항 보다 낮을 수 있다.
상기 제1 충전 회로는 상기 배터리 셀에 충전되는 충전 전류가 제1 기준 전류보다 높은 경우 상기 제1 스위치를 턴오프시키며, 상기 제2 충전 회로는 상기 배터리 셀에 충전되는 충전 전류가 제2 기준 전류보다 높은 경우 상기 제3 스위치를 턴오프시키며, 상기 제2 기준 전류는 상기 제1 기준 전류보다 높을 수 있다.
상기 제1 충전 회로는 상기 제1 스위치의 제1 단자와 제2 단자 사이의 전압과 상기 제2 저항을 통해 상기 제1 전류를 측정하며, 상기 제2 충전 회로는 상기 제3 스위치의 제1 단자와 제2 단자 사이의 전압과 상기 제1 저항을 통해 상기 제2 전류를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 충전기로부터 배터리 셀로의 충전 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템의 구동 방법은, 상기 충전기의 출력 신호를 측정하는 단계 상기 충전기의 출력 신호가 제1 전압보다 높은 경우, 제1 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계; 및 상기 충전기의 출력 신호가 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템의 구동 방법은, 상기 배터리 셀의 일단에 제1 단자가 연결되는 제1 스위치를 제공하는 단계; 및 상기 제1 스위치의 제2 단자와 상기 충전기 사이에 연결되는 제2 스위치를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계는, 상기 충전기의 출력신호가 상기 제1 전압보다 높은 경우 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴온하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템의 구동 방법은, 상기 배터리 셀의 일단에 제1 단자가 연결되는 제3 스위치를 제공하는 단계; 및 상기 제3 스위치의 제2 단자와 상기 충전기 사이에 연결되는 제4 스위치를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계는, 상기 충전기의 출력신호가 상기 제2 전압보다 높은 경우 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴온하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전기의 출력 신호를 측정하는 단계는, 상기 충전기의 출력 신호와 상기 제1 전압을 각각 입력 받는 제1 비교기, 그리고 상기 충전기의 출력신호와 상기 제2 전압을 각각 입력 받는 제2 비교기를 통해 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템의 구동 방법은, 상기 제1 전류의 양을 측정하여 제1 기준 전류보다 높은 경우 상기 충전기를 충전시키는 동작을 멈추는 단계; 및 상기 제2 전류의 양을 측정하여 제2 기준 전류보다 높은 경우 상기 충전기를 충전시키는 동작을 멈추는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 기준 전류는 상기 제1 기준 전류보다 높을 수 있다.
상기 제3 스위치의 턴온 저항은 상기 제1 스위치의 턴온 저항보다 낮을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 급속 모드(express mode)에서 충전 전류의 양이 높더라도 급속 모드 용 충전 회로를 통해 충전 동작이 제어되므로 정상적으로 배터리 셀을 충전시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300) 및 배터리 관리 시스템(300)의 주변 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 충전 회로(320)가 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 충전 회로(340)가 충전 전류(Ic')를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300)의 일반 모드(normal mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300)의 급속 모드(express mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300') 및 배터리 관리 시스템(300')의 주변 장치를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300) 및 배터리 관리 시스템(300)의주변 장치를 나타내는 도면이다. 배터리 관리 시스템(300)의 주변장치는 충전기/부하(100) 및 배터리 셀(200)을 포함하며, 배터리 관리 시스템(300)과연결되어 있다.
배터리 셀(200)은 복수의 셀이 서로 직렬로 연결되어 있으며, 각 셀에는 소정의 전하가 충전될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(200)은 재충전이 가능한 이차 전지일 수 있으며, 배터리 관리 시스템(300)은 배터리 셀(200)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 이러한 배터리 셀(200)은 방전 동작을 통해 충전된 전하를 각종 전자 기기(즉, 부하 100)에 공급하며, 충전 동작을 통해 충전기(100)로부터 전하를 저장한다.
배터리 셀(200)의 충전 동작 시에는 배터리 관리 시스템(300)에 충전기(100)가 연결되며, 배터리 셀(200)의 방전 동작 시에는 배터리 관리 시스템(300)에 부하(100)가 연결된다. 충전기(100)는 배터리 관리 시스템(300)을 통해 배터리 셀(200)에 전하를 공급하며, 부하(100)는 배터리 셀(200)에 충전된 전하를 배터리 관리 시스템(300)을 통해 공급 받는다. 여기서 부하(100)는 각종 전자 기기가 될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300)은 제1 충전 회로(320), 제1 충전 스위치(SWc), 제1 방전 스위치(SWd), 제1 비교기(CP1), 제1 스위치(SW1), 제2 충전 회로(340), 제2 충전 스위치(SWc'), 제2 비교기(CP2) 및 제2 스위치(SW2)를 포함한다.
제1 충전 회로(320)는 일반 모드(normal mode)시 배터리 셀(200)의 충전 및 방전을 제어한다. 제1 충전 회로(320)는 입력 단자(IN) 및 출력 단자(OUT)를 포함하며, 입력 단자(IN)는 충전기/부하(100)의 일단에 연결되며 출력 단자(OUT)는 배터리 셀(200)의 일단에 연결된다. 제1 충전 회로(320)의 충전 단자(CHG)에는 제1 충전 스위치(SWc)의 제어단자(즉, 게이트)가 연결되며, 제1 충전 회로(320)의 방전 단자(DSG)에는 제1 방전 스위치(SWd)의 제어단자(즉, 게이트)가 연결된다. 제1 충전회로(320)는 일반 모드(normal mode)의 충전 동작을 수행할 경우 충전 단자(CHG)를 통해 제1 충전 스위치(SWc)를 턴온하며 일반 충전모드(normal mode)의 방전 동작을 수행할 경우 방전 단자(DSG)를 통해 제1 방전 스위치(SWd)를 턴온하다. 즉, 제1 충전 스위치(SWc)와 제1 방전 스위치(SWd)는 드레인과 드레인이 서로 연결된 백투백 스위치로서, 제1 충전 스위치(SWc)는 충전 동작을 스위칭하며 제1 방전 스위치(SWd)는 및 방전 동작을 스위칭한다.
한편 제1 충전 회로(320)는 그라운드 단자(Vss) 및 센싱 단자(CS)를 통해 해당 지점의 전압을 측정한 후 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 측정한다. 제1 충전 회로(320)는 측정된 충전 전류(Ic)가 미리 설정된 소정의 값보다 높은 경우 보호(protection) 기능 동작을 위해 제1 충전 스위치(SWc)를 턴오프한다. 그리고 충전 회로(320)는 측정된 방전 전류(Id)가 미리 설정된 소정의 값보다 높은 경우 보호 기능 동작 위해 제1 방전 스위치(SWd)를 턴오프한다.
제1 충전 회로(320)가 그라운드 단자(Vss) 및 센싱 단자(CS)를 통해 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 측정하는 방법에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 충전 회로(320)가 충전 전류(Ic) 및 방전 전류(Id)를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
제1 충전 회로(320)는 그라운드 단자(Vss)를 통해 제1 방전 스위치(SWd)의 제2 단자(즉, 소스) 전압을 측정하며, 제1 충전 회로(320)는 센싱 단자(CS)를 통해 제1 충전 스위치(SWc)의 제2 단자(즉, 소스) 전압을 측정한다. 제1 충전 회로(320)는 측정된 그라운드 단자(Vss)의 전압과 센싱 단자(CS)의 전압의 차(
Figure pat00001
)를 계산 한 후 아래 수학식 1에 의해 충전 전류(Ic)를 계산한다.
Figure pat00002
수학식 1에서, Ron은 제1 충전 스위치(SWc)의 턴온 저항으로서 설계 시 미리 알고 있는 값이다.
제1 충전 회로(320)가 충전 전류(Ic)를 측정하는 방법과 동일하게 그라운드단자(Vss)의 전압과 센싱 단자(CS)의 전압의 측정을 통해 방전 전류(Id)를 구할 수 있다. 방전 전류(Id)를 계산하는 경우에는 수학식 1에서 Ron 값으로서 제1 방전 스위치(Swd)의 턴온 저항이 사용된다.
제1 비교기(CP1)의 비반전 단자(+)는 충전기/부하(100)의 일단에 연결되며 제1 비교기(CP1)의 반전 단자(-)는 제1 기준 전압(Vth1)에 연결된다. 그리고 제1 비교기(CP1)의 출력단자는 제1 스위치(SW1)의 제어단자(즉, 게이트)에 연결된다. 제1 스위치(SW1)의 제1 단자(즉, 드레인)는 충전 스위치(SWc)에 연결되며 제2 단자(즉, 소스)는 충전기/부하(100)의 타단에 연결된다. 제1 비교기(CP1)는 충전기/부하(100)의 일단에서 출력되는 신호의 전압이 제1 기준 전압(Vth1)보다 높은 경우 출력 단자로 하이(High) 신호를 출력하며, 이러한 하이(High) 신호에 의해 제1 스위치(SW1)가 턴온된다. 여기서 제1 기준 전압(Vth1)은 일반 모드(normal mode)의 충전 동작 시 충전기/부하(100)에서 출력되는 전압을 감안하여 설정된 값으로서, 제1 비교기(CP1)은 일반 충전모드의 충전 동작 시 하이(High)를 출력하여 제1 스위치(SW1)를 턴온시킨다. 이와 같이 제1 스위치(SW1)가 턴온되는 경우, 제1 충전 회로(320)의 충전 동작 제어에 의해 배터리 셀(200)은 일반 모드로 충전된다.
제2 충전 회로(340)는 급속 모드(express mode)시 배터리 셀(200)의 충전을 제어한다. 제2 충전 회로(340)는 입력 단자(IN) 및 출력 단자(OUT)를 포함하며, 입력단자(IN)는 충전기/부하(100)의 일단에 연결되며 출력 단자(OUT)는 배터리 셀(200)의 일단에 연결된다. 제2 충전 회로(340)의 충전 단자(CHG)에는 제2 충전 스위치(SWc')의 제어단자(즉, 게이트)가 연결된다. 제2 충전 회로(340)는 급속 모드(express mode)의 충전 동작을 수행할 경우 충전 단자(CHG)를 통해 제2 충전 스위치(SWc')를 턴온한다. 제2 충전 스위치(SWc')의 제1 단자(즉 드레인)는 배터리 셀(200)의 타단에 연결되고 제2 단자(즉, 소스)는 제2 스위치(SW2)의 제1 단자(즉, 드레인)에 연결되며, 제2 충전 스위치(SWc')는 급속 모드(express mode)의 충전 동작을 스위칭한다.
한편 제2 충전 회로(340)는 그라운드 단자(Vss) 및 센싱 단자(CS)를 통해 해당 지점의 전압을 측정한 후 충전 전류(Ic')를 측정한다. 제2 충전 회로(340)는 측정된 충전 전류(Ic')가 미리 설정된 소정의 값보다 높은 경우 보호(protection) 기능 동작을 위해 제2 충전 스위치(SWc')를 턴오프한다. 여기서, 제2 충전 회로(340)가 보호(protection) 기능 동작을 위해 미리 설정된 충전 전류는 제1 충전 회로(320)가 보호(protection) 기능 동작을 위해 미리 설정된 충전 전류보다 큰 값으로 설정된다. 따라서 급속 모드로 배터리 셀(200)을 충전시킬 경우 제1 충전 회로(320)가 아닌 제2 충전 회로(340)를 통해 충전 동작이 제어되므로, 정상적으로 배터리 셀(200)을 급속 모드로 충전시킬 수 있다.
제2 충전 회로(340)가 그라운드 단자(Vss) 및 센싱 단자(CS)를 통해 충전 전류(Ic)를 측정하는 방법에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 충전 회로(340)가 충전 전류(Ic')를 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
제2 충전 회로(340)는 그라운드 단자(Vss)를 통해 제2 충전 스위치(SWc')의 제1 단자(즉, 드레인) 전압을 측정하며, 제2 충전 회로(340)는 센싱 단자(CS)를 통해 제2 충전 스위치(SWc')의 제2 단자(즉, 소스) 전압을 측정한다. 제2 충전 회로(340)는 측정된 그라운드 단자(Vss)의 전압과 센싱 단자(CS)의 전압의 차(
Figure pat00003
)를 계산 한 후 아래 수학식 2에 의해 충전 전류(Ic')를 계산한다.
Figure pat00004
수학식 1에서, Ron'은 제2 충전 스위치(SWc')의 턴온 저항으로서 설계 시 미리 알고 있는 값이다.
여기서 Ron'의 값은 수학식 1에서의 Ron 값보다 작은 값이다. 급속 모드(express mode) 시에는 일반 모드(normal mode) 시보다 높은 전류가 흐르므로 제2 충전 스위치(SWc')의 턴온 저항을 상대적으로 작은 값으로 설정한다.
제2 비교기(CP2)의 비반전 단자(+)는 충전기/부하(100)의 일단에 연결되며 제2 비교기(CP2)의 반전 단자(-)는 제2 기준 전압(Vth2)에 연결된다. 그리고 제2 비교기(CP2)의 출력 단자는 제2 스위치(SW2)의 제어단자(즉, 게이트)에 연결된다. 제2 스위치(SW2)의 제1 단자(즉, 드레인)은 충전 스위치(SWc')의 제2 단자(즉, 소스)에 연결되며 제2 단자(즉, 소스)은 충전기/부하(100)의 타단 연결된다. 제2 비교기(CP2)는 충전기/부하(100)의 일단에서 출력되는 신호의 전압이 제2 기준 전압(Vth2)보다 높은 경우 출력 단자로 하이(High) 신호를 출력하며, 이러한 하이(High) 신호에 의해 제2 스위치(SW2)가 턴온된다. 여기서 제2 기준 전압(Vth2)은 급속 모드(express mode)의 충전 동작 시 충전기/부하(100)에서 출력되는 전압을 감안하여 설정된 값으로서, 제2 비교기(CP2)는 급속 충전모드의 충전 동작 시 하이(High)를 출력하여 제2 스위치(SW2)를 턴온시킨다. 이와 같이 제2 스위치(SW2)가 턴온되는 경우, 제2 충전 회로(340)의 충전 동작 제어에 의해 배터리 셀(200)은 급속모드로 충전된다.
여기서 제2 비교기(CP2)의 반전단자(-)에 입력되는 제2 기준 전압(Vth2)은 제1 비교기(CP1)의 반전단자(-)에 입력되는 제1 기준 전압(Vth1)보다 높은 전압으로 설정된다. 급속 모드(express mode)의 경우에는 일반 모드(normal mode)보다 높은 전류로 배터리 셀(200)을 충전시키기 위해, 충전기/부하(100)의 출력 전압이 높다. 따라서 급속 모드(express mode)에서 제2 충전 회로(340)의 제어에 의해 배터리 셀(200)을 충전 시키기 위해서 제2 기준 전압(Vth2)을 제1 기준 전압(Vth1)보다 높게 설정한다.
이하에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 일반 모드(normal mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법 및 급속 모드(express mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법에 대해서 알아본다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300)의 일반 모드(normal mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법을 나타내는 도면이다.
일반 모드(normal mode)의 충전 시에는 충전기/부하(100)로부터 일반모드 충전 전압(Vc)이 출력된다. 이러한 일반모드 충전 전압(Vc)은 제1 기준 전압(Vth1)보다 높은 전압이므로 제1 비교기(CP1)는 하이(High) 신호를 출력하며, 이로 인해 제1 스위치(SW1)가 턴온된다. 그리고 제1 충전 회로(320)는 일반모드(normal mode)인 경우 제1 충전 스위치(SWc)를 턴온한다.
이에 따라 도 4a에 나타낸 바와 같이 충전기/부하(100), 제1 충전 회로(320), 배터리 셀(200), 제1 방전 스위치(SWd)의 바디 다이오드, 제1 충전 스위치(SWc) 및 제1 스위치(SW1)로 전류 경로가 형성된다. 즉, 충전기(100)로부터 배터리 셀(200)에 일반모드 충전전류(Ic)가 공급되어, 배터리 셀(200)이 충전된다.
한편, 일반모드 충전 전압(Vc)은 제2 기준 전압(Vth2)보다 낮은 전압이므로 제2 비교기(CP2)는 로우(Low) 신호를 출력하며, 이에 따라 제2 스위치(SW2)는 턴오프된다. 따라서 제2 충전 회로(340)에는 전류 경로가 형성되지 않는다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300)의 급속 모드(express mode) 동작 시 배터리 셀(200)이 충전되는 방법을 나타내는 도면이다.
급속 모드(express mode)의 충전 시에는 충전기/부하(100)로부터 급속모드 충전 전압(Vc')이 출력된다. 이러한 급속 모드 충전 전압(Vc')은 제2 기준 전압(Vth2)보다 높은 전압이므로 제2 비교기(CP2)는 하이(High) 신호를 출력하며, 이로 인해 제2 스위치(SW2)가 턴온된다. 그리고 제2 충전 회로(340)는 급속 모드(express mode)인 경우 제2 충전 스위치(SWc')를 턴온한다.
이에 따라 도 4b에 나타낸 바와 같이 충전기/부하(100), 제2 충전 회로(340), 배터리 셀(200), 제2 충전 스위치(SWc') 및 제2 스위치(SW2)로 전류 경로가 형성된다. 즉, 충전기(100)로부터 배터리 셀(200)에 급속모드 충전 전류(Ic')가 공급된다. 한편, 급속모드 충전 전압(Vc')은 제1 기준 전압(Vth1)보다 높은 전압이므로 제1 비교기(CP1)도 하이(High) 신호를 출력하며, 이에 따라 제1 스위치(SW1)가 턴온될 수 있다. 그러나 이 경우에는 급속모드 충전 전류(Ic')이 높은 전류이므로 제1 충전회로(320)가 보호 기능 동작을 수행하여, 제1 충전 스위치(SWc)를 턴오프한다. 따라서 제1 충전 회로(340)에는 전류 경로가 형성되지 않는다.
한편 일반모드(normal mode) 시 충전기/부하(100)로부터 일반모드 충전 전압(Vc)이 아닌 일반 모드에 대응하는 신호가 출력될 수 있다. 그리고 급속모드 시 충전기/부하(100)로부터 급속모드 충전 전압(Vc')이 아닌 급속 모드에 대응하는 신호가 출력될 수 있다. 이러한 신호들에 따라 제1 기준 전압(Vth1) 및 제2 기준 전압(Vth2)을 설정하면, 상기에서 설명한 바와 동일하게 동작할 수 있음은 당업자라면 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따르면 급속 모드(express mode)에서 충전 전류의 양이 높더라도 제2 충전 회로(340)를 통해 충전 동작이 제어되므로 정상적으로 배터리 셀(200)을 충전시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300') 및 배터리 관리 시스템(300')의 주변 장치를 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(300')은 제1 실시예의 비교기(CP1)를 인버터(INV)로 대체한 것으로 제외하면 제1 실시예와 동일하다.
인버터(INV)는 제2 비교기(CP2)의 출력 단자와 제1 스위치(SW1)의 제어 단자(즉, 게이트) 사이에 연결된다.
먼저 일반 모드(normal mode) 충전 시에는 충전기/부하(100)로부터 일반모드 충전 전압(Vc)이 출력된다. 이러한 일반모드 충전 전압(Vc)는 제2 기준 전압(Vth2)보다 낮은 전압이므로 제2 비교기(CP)는 로우(Low) 신호를 출력하다. 이에 따라 제2 스위치(SW2)는 턴오프되며, 제2 충전 회로(340)를 통한 충전 동작은 발생하지 않는다.
상기와 같이 제2 비교기(CP)가 로우(Low) 신호를 출력하면, 인버터(INV)의 출력은 하이(High) 신호를 출력하게 되어 제1 스위치(SW1)는 턴온된다. 그리고 제1 충전 회로(320)는 일반모드(normal mode)인 경우 제1 충전 스위치(SWc)를 턴온한다.
이에 따라 도 4a와 동일하게, 충전기/부하(100), 제1 충전 회로(320), 배터리 셀(200), 제1 방전 스위치(SWd)의 바디 다이오드, 제1 충전 스위치(SWc) 및 제1 스위치(SW1)로 전류 경로가 형성된다. 즉, 충전기(100)로부터 배터리 셀(200)에 일반모드 충전전류(Ic)가 공급되어, 배터리 셀(200)이 충전된다.
다음으로 급속 모드(express mode)의 충전 시에는 충전기/부하(100)로부터 급속모드 충전 전압(Vc')이 출력된다. 이러한 급속모드 충전 전압(Vc')은 제2 기준 전압(Vth2)보다 높은 전압이므로 제2 비교기(CP2)는 하이(High) 신호를 출력하며, 이로 인해 제2 스위치(SW2)이 턴온된다. 그리고 제2 충전 회로(340)는 급속 모드(express mode)인 경우 제2 충전 스위치(SWc')를 턴온한다.
이에 따라 도 4b와 동일하게, 충전기/부하(100), 제2 충전 회로(340), 배터리 셀(200), 제2 충전 스위치(SWc') 및 제2 스위치(SW2)로 전류 경로가 형성된다. 즉, 충전기(100)로부터 배터리 셀(200)에 급속모드 충전 전류(Ic')가 공급되어, 배터리 셀(200)이 급속으로 충전된다.
한편 제2 비교기(CP2)의 출력이 하이(High) 신호이므로, 인버터(INV)의 출력은 로우(Low) 신호가 된다. 이에 따라 제1 스위치(SW1)가 턴오프되어, 제1 충전 회로(320)에는 전류 경로가 형성되지 않는다.
한편 제2 실시예의 경우도 제1 실시예와 동일하게, 일반모드 시 충전기/부하(100)에서 일반모드 충전 전압(Vc)이 아닌 일반 모드에 대응하는 신호가 출력될 수 있다. 그리고 급속모드 시 충전기/부하(100)에서 급속모드 충전 전압(Vc')이 아닌 급속 모드에 대응하는 신호가 출력될 수 있다. 이러한 신호들에 따라 제2 기준 전압(Vth2)을 설정하면, 상기와 같이 동일하게 동작할 수 있음은 당업자라면 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따르면 급속모드에서 충전 전류의 양이 높더라도 제2 충전 회로(340)를 통해 충전 동작이 제어되므로 정상적으로 배터리 셀(200)을 충전시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 제2 실시예의 경우 제1 비교기(CP1)를 생략하고 보다 간편하고 경제적인 인버터(INV)로 대체할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 충전기의 일단과 배터리 셀의 일단 사이에 연결되며, 상기 배터리 셀을 제1 전류로 충전시키도록 제어하는 제1 충전 회로;
    상기 배터리 셀의 타단에 제1 단자가 연결되며, 상기 제1 충전 회로의 제어에 의해 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 제2 단자와 상기 충전기의 타단 사이에 연결되며, 상기 충전기의 출력 신호의 값에 대응하여 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제2 스위치;
    상기 충전기의 일단과 상기 배터리 셀의 일단 사이에 연결되며, 상기 배터리 셀을 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류로 충전시키도록 제어하는 제2 충전 회로;
    상기 배터리 셀의 타단에 제1 단자가 연결되며, 상기 제2 충전 회로의 제어에 의해 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제3 스위치; 및
    상기 제3 스위치의 제2 단자와 상기 충전기의 타단 사이에 연결되며, 상기 충전기의 출력 신호의 값에 대응하여 상기 배터리 셀을 충전시키도록 스위칭하는 제4 스위치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압인 경우 턴온되며,
    상기 제4 스위치는 상기 충전기의 출력 신호의 값이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압인 경우 턴온되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압보다 높은 경우, 상기 제2 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제2 스위치로 출력하는 제1 비교기; 및
    상기 충전기의 출력 신호의 값이 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압인 경우, 상기 제4 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제4 스위치로 출력하는 제2 비교기를 더 포함하는 배터리 관리 시스템
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전기의 출력 신호의 값이 제1 전압보다 높은 경우, 상기 제4 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 상기 제4 스위치로 출력하는 제1 비교기; 및
    상기 비교기의 출력 신호를 반전하며, 상기 제2 스위치를 턴온시키는 신호를 상기 제2 스위치로 출력하는 인버터를 더 포함하는 배터리 관리 시스템
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 스위치의 턴온 저항인 제1 저항은 상기 제1 스위치의 턴온 저항인 제2 저항 보다 낮은 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 충전 회로는 상기 배터리 셀에 충전되는 충전 전류가 제1 기준 전류보다 높은 경우 상기 제1 스위치를 턴오프시키며,
    상기 제2 충전 회로는 상기 배터리 셀에 충전되는 충전 전류가 제2 기준 전류보다 높은 경우 상기 제3 스위치를 턴오프시키며,
    상기 제2 기준 전류는 상기 제1 기준 전류보다 높은 배터리 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 충전 회로는 상기 제1 스위치의 제1 단자와 제2 단자 사이의 전압과 상기 제2 저항을 통해 상기 제1 전류를 측정하며,
    상기 제2 충전 회로는 상기 제3 스위치의 제1 단자와 제2 단자 사이의 전압과 상기 제1 저항을 통해 상기 제2 전류를 측정하는 배터리 관리 시스템.
  8. 충전기로부터 배터리 셀로의 충전 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 충전기의 출력 신호를 측정하는 단계;
    상기 충전기의 출력 신호가 제1 전압보다 높은 경우, 제1 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계; 및
    상기 충전기의 출력 신호가 상기 제1 전압보다 높은 제2 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계를 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 일단에 제1 단자가 연결되는 제1 스위치를 제공하는 단계; 및
    상기 제1 스위치의 제2 단자와 상기 충전기 사이에 연결되는 제2 스위치를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제1 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계는, 상기 충전기의 출력신호가 상기 제1 전압보다 높은 경우 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴온하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 일단에 제1 단자가 연결되는 제3 스위치를 제공하는 단계; 및
    상기 제3 스위치의 제2 단자와 상기 충전기 사이에 연결되는 제4 스위치를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 전류로 상기 배터리 셀을 충전시키는 단계는, 상기 충전기의 출력신호가 상기 제2 전압보다 높은 경우 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 턴온하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전기의 출력 신호를 측정하는 단계는,
    상기 충전기의 출력 신호와 상기 제1 전압을 각각 입력 받는 제1 비교기, 그리고 상기 충전기의 출력신호와 상기 제2 전압을 각각 입력 받는 제2 비교기를 통해 비교하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전류의 양을 측정하여 제1 기준 전류보다 높은 경우 상기 충전기를 충전시키는 동작을 멈추는 단계; 및
    상기 제2 전류의 양을 측정하여 제2 기준 전류보다 높은 경우 상기 충전기를 충전시키는 동작을 멈추는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 기준 전류는 상기 제1 기준 전류보다 높은 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제3 스위치의 턴온 저항은 상기 제1 스위치의 턴온 저항보다 낮은 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
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