KR20160115262A - 배터리 충방전 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 배터리 충방전 제어 시스템은 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 입력 값을 바탕으로 이차 배터리의 충전 또는 방전 조건을 세팅하는 신호처리부(DSP), 상기 신호처리부에서 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따른 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 신호 신호 출력부, 상기 신호 출력부에서 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 충방전 스위칭부 및 상기 충방전 스위칭부의 스위칭에 따라 상기 이차 배터리를 외부 전원을 이용하여 충전 또는 방전하는 충방전부를 포함한다.
배터리 충방전 제어 시스템은 배터리 충방전에 사용되는 정전류 또는 정전압을 실시간으로 제어하여, 다양한 현장에서 사용되고 있는 이차 배터리를 현장 상황에 맞게 실험을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

배터리 충방전 제어 시스템 및 방법 {System for controlling discharge or charge of battery and therefor}

본 발명은 배터리 충방전 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 충방전에 있어서 정전류 또는 정전압을 실시간으로 제어하면서 현장 상황에 맞게 배터리 셀, 배터리 팩 등을 연구 개발할 수 있는 배터리 충방전 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 노트북이나 휴대폰과 같은 모바일 장치, 자전거, 자동차, 오토바이, 골프카 같은 각종동력 이동수단, 정전 시 전원을 공급하기 위한 전력 백업 장치 및 대용량의 전력을 저장하여 두었다가 다른 장치에 전력을 공급하는 대용량 전력 저장 장치 등에 이차 배터리가 폭 넓게 사용되고 있다.

배터리 중에서 리튬을 이용한 전지 및 납축전지 등, 다양한 종류의 배터리가 사용된다. 그 중 다른 종류의 전지에 비해 에너지 밀도 및 작동 전압이 높고 수명이 길다는 장점을 가지고 있어 많이 사용되는 리튬을 이용한 전지(리튬이온, 리튬 폴리머)는 폭파의 위험을 항시 내포하고 있다.

배터리의 폭파 발생은 순간적으로 일어나는 과충전이나 과방전이 원인으로, 화재 등을 동반하는 경우가 발생한다. 따라서 이차 배터리는 BMS(Battery Management System)라고 불리는 전지 관리 장치와 결합되어 사용된다. 이러한 전지 관리 장치는 이차 배터리의 충전과 방전을 적정한 수준으로 제어하고 과방전, 과충전, 과열 등의 이상 상황이 발생되면 이차 배터리의 충전이나 방전을 중단시켜 이차 전지의 폭발이나 성능의 저하를 방지하는 동작을 수행한다.

그러나 전자 관리 장치의 동작을 수행하기 위하여 불필요한 전력의 소모가 발생하고 순간적으로 일어나는 과충전 및 과방전에 대응이 늦어질 경우 배터리 폭파로 인한 화재 및 인명피해가 지속적으로 발생하고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1367161호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 배터리를 충전 또는 방전하는 과정에서 배터리가 쓰이는 현장 상황에 맞는 배터리를 설계하여 배터리 폭파를 대비할 수 있도록, 배터리 충방전시 실험시 전류와 전압을 실시간으로 제어할 수 있는 시스템 및 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.

또한, 배터리의 충전 또는 방전에 사용되는 전류 또는 전압을 다양하게 변경하면서 고속 제어가 가능하도록 하여 과전류, 과전압여부를 확인할 수 있는데 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단을 위한 배터리 충방전 제어 시스템은 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 입력 값을 바탕으로 이차 배터리의 충전 또는 방전 조건을 세팅하는 신호처리부(DSP); 상기 신호처리부에서 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따른 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 신호 출력부; 상기 신호 출력부에서 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 충방전 스위칭부; 및 상기 충방전 스위칭부의 스위칭에 따라 상기 이차 배터리를 외부 전원을 이용하여 충전 또는 방전하는 충방전부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이차 배터리와 연결되고, 상기 충방전부의 충전 또는 방전에 따라 상기 이차 배터리의 과전류 또는 과전압 여부를 센싱하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 신호 출력부는 컴퓨터에서 사용하는 디지털 신호와 회로 내에서 사용하는 아날로그 신호를 상호 변경하는 컨버터부; 및 상기 컨버터부와 연결되며, 상기 신호처리부에서 세팅한 복수개의 서로 다른 입력신호를 전달할 수 있는 복수개의 채널을 구비하고, 각각의 채널의 선택에 따라 상기 이차 배터리 충전 또는 방전을 위한 전류 또는 전압의 크기를 서로 다르게 변화시켜 출력하는 멀티플렉서부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 멀티플렉서부는 상기 각 채널과 개별적으로 연결되며, 상기 컨버터부에서 변경된 신호를 공급받는 복수개의 입력단; 상기 복수개의 입력단으로 전달된 신호에 따라 충전 또는 방전에 사용할 펄스 주파수의 전압 또는 전류의 값을 세팅하는 디코더부; 및 상기 디코더부에서 제어된 신호를 출력하는 출력단을 포함할 수 있다.

또한, 상기 디코더부는 상기 세팅된 전압 또는 전류 신호값의 흐름을 제어하는 복수개의 노드를 포함하며, 상기 복수개의 노드는 개별적인 활성입력값 또는 디폴트값으로 지정되고 상기 활성입력값의 지정에 따라 상기 복수개의 채널 중 일부를 선택할 수 있다.

또한, 상기 멀티플렉서부는 상기 이차 배터리의 충방전 오류에 따른 과충전 또는 과방전 여부를 상기 센싱부로부터 실시간으로 전달받으면, 상기 복수개의 채널을 이용하여 상기 신호 처리부에서 다른 크기로 세팅된 전류 또는 전압의 입력 신호를 변경하면서 출력할 수 있다.

또한, 상기 신호 출력부는 상기 이차 배터리에 적합한 충전 또는 방전모드를 위한 서로 다른 크기의 정전류를 출력하는 제 1신호 출력부 및 상기 이차 배터리에 적합한 충전모드를 위한 서로 다른 크기의 정전압을 출력하는 제 2신호 출력부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전류 모드에서 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하거나 상기 제 2신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전압 모드에서 복수개의 채널을 통해 전압의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하며, 이후 상기 신호에 따른 전류 또는 전압으로 상기 충방전부를 통해 상기 이차 배터리를 충전할 수 있다.

그리고 상기 제 1신호 출력부 또는 제 2신호 출력부에 의한 출력신호를 전달받아 상기 충방전부에 의한 충전이 이루어진 이후, 상기 제 1신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전류 모드에서 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하며, 이후 상기 신호에 따른 전류로 상기 충방전부를 통해 상기 이차 배터리를 방전할 수 있다.

상기 과제의 해결 수단을 위한 배터리 충방전 제어 방법은 사용자가 입력한 전류 또는 전압값을 바탕으로 이차 배터리의 충전 또는 방전 조건을 세팅하는 단계; 상기 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따라 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 단계; 상기 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 단계; 상기 스위칭에 따라 외부 전원과 연결된 이차 배터리를 충전 또는 방전하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이차 배터리의 충전 또는 방전에 따른 과전류 또는 과전압 여부를 센싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값 신호를 출력하는 단계는 컴퓨터에서 사용하는 디지털 신호와 회로 내에서 사용하는 아날로그 신호를 상호 변경하는 단계 및 서로 다른 입력신호를 전달할 수 있는 복수개의 채널을 구비한 멀티플렉서부에서 상기 채널의 선택에 따라 상기 이차 배터리 충전 또는 방전을 위해 서로 다른 크기의 전류 또는 전압 값의 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

더욱이 상기 이차 배터리의 충방전 오류에 따른 과충전 또는 과방전 여부를 센싱하여 실시간으로 전달받으면, 상기 멀티플렉서부는 복수개의 채널을 이용하여 신호 처리부에서 서로 다르게 세팅된 전류 또는 전압 값의 신호를 변경하면서 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 이차 배터리로 전달할 전류 또는 전압의 신호를 출력하는 단계는, 상기 이차 배터리에 적합한 충전을 위해 정전류 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전 하는 단계 이후에, 상기 이차 배터리에 적합한 충전을 위해 정전압 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전압의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있으며,

상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계 이후에, 상기 이차 배터리에 적합한 방전을 위해 정전류 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 방전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 배터리 충방전 제어 시스템 및 방법은 배터리 충방전에 사용되는 정전류 또는 정전압을 실시간으로 제어하여, 다양한 현장에서 사용되고 있는 이차 배터리를 현장 상황에 맞게 실험을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 실험을 통하여 배터리의 능력을 확인하고 적합한 배터리를 설계하여 폭파로 인한 화재 및 인명피해를 막을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 시스템의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 시스템의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티플렉서부의 복수개의 채널에 임의로 설정된 전류 값 및 전압 값을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티플렉서부의 복수개의 채널과 연결된 단자 및 디코더부를 나타낸 개략도이다.
도 5(a)는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 용량에 맞도록 정전류-정전압이 제어 되는 충전 파형그래프이며, 도 5(b)는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리에 전류 또는 전압의 변화를 주며 충전 및 방전을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 방법에 대한 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 시스템 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예의 이하에서 개시되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 시스템의 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 시스템의 회로도이다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 배터리 충방전 제어 시스템(10)은 입력/표시부(100), 신호처리부(200), 신호 출력부(300), 충방전 스위칭부(400), 충방전부(500), 센싱부(600) 및 배터리(700)를 포함한다.

입력/표시부(100)는 이차 배터리(700)의 충전 또는 방전에 적용하기 위해 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 값 및 일정 전류 또는 전압이 충전 또는 방전에 부여되는 시간 등을 입력할 수 있는 장치로, 컴퓨터 프로그램 등으로 설정될 수 있다. 또한, 입력/표시부(100)는 배터리 충방전 제어 시스템(10)이 시작되기 전에 미리 입력하고 실시간 입력에 따른 배터리(700)의 충방전 여부를 모니터링하거나 모니터링하면서 상황에 따라 실시간으로 전류 또는 전압에 필요한 값을 입력할 수 있다.

신호처리부(200)는 입력/표시부(100)에 해당하는 컴퓨터 등에 연결되며, 컴퓨터의 소정의 프로그램을 통해 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 파형을 인터넷 통신 등을 통하여 전달받을 수 있다. 또한, 신호처리부(200)는 컴퓨터 프로그램을 통해 입력 받은 데이터를 확인한 후, 사용자가 원하는 전류 또는 전압 파형의 입력된 값을 바탕으로 시스템 내의 공정 조건을 세팅할 수 있다.

구체적으로, 세팅되는 공정 조건은 이차 배터리(700)에 용량에 적합한 전류의 변화값 또는 전압의 변화값 및 각각의 적용 시간일 수 있으며, 각각의 정해진 값에 따라 충방전부(500)에서 이차 배터리(700)에 출력할 값의 신호를 세팅할 수 있다. 또한, 상기 전류 또는 전압의 변화 값은 무한대로 변화시키며, 배터리(700)의 내구성에 적합하고 현장 상황에 맞는 특성에 맞도록 실험할 수 있다.

신호 출력부(300)는 상기 신호처리부(200)에서 세팅된 충전 또는 방전에 따른 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값에 따른 신호를 출력할 수 있다. 신호 출력부(300)의 일단은 신호처리부(200)와 연결되고 신호 출력부(300)의 타단은 충방전 스위칭부(400)와 연결될 수 있다.

신호 출력부(300)는 컴퓨터에서 사용하는 디지털 신호와 회로 내에서 사용하는 아날로그 신호를 상호 변경하는 컨버터부(301)와 다양한 전류 또는 전압의 크기를 시시각각으로 변경할 수 있는 복수개의 채널(305)을 구비한 멀티플렉서부(303)를 포함할 수 있다.

컨버터부(301)는 컴퓨터에서 전달된 디지털 신호를 변경하기 위한 D/A 컨버터를 사용할 수 있다.

멀티플렉서부(303)는 상기 복수개의 채널(305)별로 전류 또는 전압의 설정값을 세팅할 수 있으며, 멀티플렉서 truth table을 사용하여 이차 배터리(700)에 사용자가 원하는 다양한 전류 또는 전압의 파형을 만들어 낼 수 있다. 또한, 사용자는 입력/표시부(100)에서 이미 세팅된 값을 멀티플렉서부(303)에 전달하여 서로 다른 크기의 전류 또는 전압 형상에 따른 충전 또는 방전에 필요한 값을 조절할 수도 있다. 또한, 배터리(700)의 충전 또는 방전 여부에 대한 센싱에 따라 검출된 값을 실시간으로 반영하여 상황에 따라 충방전에 필요한 전류 또는 전압의 값을 조절할 수 있으며, 이에 따라 입력/표시부(100)에서 과충전 여부 또는 과방전 여부를 확인할 수 있다.

신호 출력부(300)는 정전류를 출력하는 제 1신호 출력부(310) 및 정전압을 출력하는 제 2신호 출력부(330)로 구성될 수 있다. 제 1신호 출력부(310) 및 제 2신호 출력부(330)는 신호처리부(200)에 병렬 형태의 회로로 연결되어 구성되어 있으며 각 필요한 전류와 전압을 개별적으로 출력하는 역할을 한다.

제 1신호 출력부(310)는 제 1컨버터부(311)와 제 1멀티플렉서부(313)로 구성될 수 있으며, 상기와 마찬가지로 제 1컨버터부(311)는 D/A 컨버터를 이용하고 제 1멀티플렉서부(313)는 복수개의 채널(305)을 구비할 수 있다. 제 1신호 출력부(310)는 신호처리부(200)에서 전달받은 정전류 값에 해당하는 신호를 복수개의 채널(305)을 통하여 변경하면서 출력하여 충방전부(500)에 전달할 수 있다.

제 2신호 출력부(330)는 제 2컨버터부(331)와 제 2멀티플렉서부(333)로 구성될 수 있으며, 상기와 마찬가기로 제 2컨버터부(331)는 D/A 컨버터를 이용하고 제 2멀티플렉서부(333)는 복수개의 채널(305)을 구비할 수 있다. 제 2신호 출력부(330)는 신호처리부(200)에서 전달받은 정전압 값에 해당하는 신호를 복수개의 채널(305)을 통하여 변경하면서 출력하여 충방전부(500)에 전달할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티플렉서부(303)의 복수개의 채널(305)에 임의로 설정된 전류 값 및 전압 값을 나타낸 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티플렉서부(303)의 복수개의 채널(305)과 연결된 단자 및 디코더부를 나타낸 개략도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 멀티플렉서부(303)는 4개의 채널(305)을 구비하고 있으며, 제 1신호 출력부(310)의 4개의 채널(305)은 전류의 크기를 다양하게 설정한 값을, 제 2신호 출력부(330)의 4개의 채널(305)은 전압의 크기 값을 다양하게 설정한 값을 보여준다. 일반적으로, 정전류 모드 또는 정전압 모드에서 전류 또는 전압의 크기 변화 및 각 설정 시간의 변화가 이루어질 수 있다.

예를 들면, 정전류를 이용한 충전모드에서 각각의 4개의 채널(305)을 10μsec 50A, 10msec 5A, 30usec 10A, 100msec 0.5A로 설정하고 전류에 변화를 주면서 완충전압에 도달하도록 충전할 수 있다. 이후, 정전압을 이용한 충전모드에서 각각의 4개의 채널(305)을 10sec 20V, 10msec 18V, 30usec 22V, 100msec 20V로 설정하고 전압에 변화를 주면서 충전할 수 있다. 충전모드로 정전류 또는 정전압의 변화를 주면서 배터리(700)의 과충전 여부를 확인한 후, 과방전 여부도 확인할 수 있다. 즉, 충전이 완료된 후, 정전류를 이용한 방전모드로 전환하여 각각의 4개의 채널(305)을 10μsec 50A, 10msec 5A, 30usec 10A, 100msec 0.5A로 설정하고 전류에 변화를 주면서 방전할 수 있다.

이러한 형태로 배터리(700)의 전류 또는 전압을 다양하게 변화시키면서 충방전하여 배터리(700)의 특성을 분석할 수 있다.

본 발명의 일실시 예에서 멀티플렉서부(303)의 채널(305)은 4개로 한정되어 설명되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 그 이상, 이하의 복수개로 설정되어 충전 또는 방전 실험을 위한 다양한 전류 또는 전압 크기 변경을 설정할 수 있다.

도 4를 참고하면, 멀티플렉서부(303)는 각 채널(305)과 개별적으로 연결되며, 상기 컨버터부(301)에서 변경된 신호를 공급받는 복수개의 입력단(304), 상기 복수개의 입력단(304)으로 전달된 신호에 따라 충전 또는 방전에 사용할 펄스 주파수의 전압 또는 전류의 값을 세팅하는 디코더부(306) 및 상기 디코더부(306)에서 제어된 신호를 출력하는 출력단(309)을 포함할 수 있다.

복수개의 입력단(304)은 컨버터부(301)와 채널(305) 사이에 배치되며, 컨버터부(301)의 신호를 멀티플렉서부(303)에 전달한다. 디코더부(306)는 상기 전달받은 신호에 따라 이차 배터리(700) 충전 또는 방전에 적합한 펄스 주파수에 해당하는 전류 또는 전압을 세팅하고 출력단(309)에서 출력하는 출력값을 제어할 수 있으며, 상기 복수개의 세팅된 값을 선택하기 위한 복수개의 노드(307)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 디코더부(306)의 복수개의 노드(307)는 각각의 채널(305)을 개별적으로 선택함에 따라 디코더부(306)에서 세팅된 필요한 전류 또는 전압을 출력단(309)으로 전달할 수 있다. 복수개의 노드(307)는 개별적으로 채널(305)과 연결되어 각각의 채널(305)의 온/오프 상태를 조절하는 활성입력값과 디폴트값으로 지정될 수 있다.

표 1은 전압 또는 전류의 세팅값을 제어하기 위한 복수개의 노드의 제어방법을 나타내었다.

도 4 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복수개의 노드(307)는 A1, A2, A3으로 표시되고 활성입력값이 설정되는 활성노드와 디폴트값이 설정된 디폴트노드를 포함한다. 각 개별적인 노드(307)는 이진법에 따라 채널의 온/오프를 담당하고 제어할 수 있다. 따라서 상기 실시예처럼 8개의 채널(305)에 따라 각 개별적으로 1부터 8까지 스위치 번호를 설정하고 각 활성노드와 디폴트노드에 입력된 값에 따라 상기 채널(305)의 온/오프를 제어할 수 있다. 지정된 채널(305)이 온 신호일 때, 디코더부(306)에서 지정된 채널(305)에 세팅된 값에 따라 발생된 펄스 주파수 전류 또는 전압 신호의 출력을 결정하고 출력단(309)으로 제공할 수 있다.

다시 도 1 및 2를 참고하면, 충방전 스위칭부(400)는 신호 출력부(300)와 이차 배터리(700)의 충방전 회로의 경로에 설치되며, 신호 출력부(300)에서 출력된 전류 또는 전압을 충전모드 또는 방전모드로 상호 변경할 수 있다.

상기 설명한 대로, 충전을 위해서 설정된 크기의 정전류로 충전을 하다가 배터리(700) 전압이 완충전압(즉, 배터리 충전 완료시 목료로 하는 전압)에 도달하면, 충방전 스위칭부(400)는 정전압 충전으로 스위칭하여 충전전류를 낮춰서 단자전압을 유지하면서 남은 용량을 충전하게 된다. 이때, 충전에 필요한 정전류와 정전압을 변경하면서 충전이 이루어지게 되는데, 충방전 스위칭부(400)는 이러한 충전이 이루어질 수 있도록 충전 회로 방향으로 회로를 구성할 수 있도록 한다. 또한, 충전이 이루어진 이후, 과방전 실험을 위하여 충방전 스위칭부(400)는 정전류 방전으로 스위칭하여 충전된 배터리(700)를 정전류를 이용하여 방전이 되도록 할 수 있다.

충방전부(500)는 충방전 스위칭부(400)의 스위칭에 따라 충전 회로 또는 방전 회로와 연결되며, 이차 배터리(700)의 충전 또는 방전할 수 있다. 이차 배터리(700)의 충전은 외부 전원부(800)에 의하여 이루어질 수 있다. 과충전 여부를 실험하기 위하여, 충방전 스위칭부(400)에서 충전 방향으로 회로가 연결되면, 전지의 음극에 전자를 가할 수 있도록 정전압으로 제어된 DC성분을 인가하여 인가전압과 배터리(700)의 내부 전압 차이를 이용하여 전류가 흘러 전자를 공급함으로써 충전을 진행할 수 있다.

충전회로는 배터리(700)의 전기적, 화학적 특성을 이해하고 배터리(700)의 수명 및 성능에 악영향을 미치지 않는 범위에서 최대한 빠른 시간에 안정적으로 충전시키는데 그 목적이 있다. 따라서 다양한 배터리(700)에 과전류 및 과전압의 실험을 위한 본 발명에 따라, 적합한 전압 또는 전류가 배터리에 순간적 또는 일시적으로 일어날 수 있도록 설계할 수 있다. 충전회로 방식은 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있는바, 생략한다.

방전회로 또한, 충방전 스위칭부(400)의 스위칭에 의하여 방전방향으로 설정되면, 기존에 충전 실험 테스트를 적합하게 마친 충전된 배터리(700)를 정전류 또는 정전압을 이용하여 방전시키며, 멀티플렉서부(303)의 복수개의 채널(305)의 전류에 따라 순간적 또는 일시적으로 일어날 수 있는 방전 여부를 실험할 수 있다.

센싱부(600)는 이차 배터리(700)와 연결되고, 이차 배터리(700)를 충전 또는 방전하는 과정에서 발생하는 충방전 오류 즉, 과전류 또는 과전압 여부를 센싱할 수 있다. 배터리(700)의 전류 공급에 따른 충전 또는 방전의 영향을 파악하는 전류 센싱부(610) 및 배터리(700)의 전압 공급에 따른 충전의 영향을 파악하는 전압 센싱부(630)는 각각 별도로 설치될 수 있다.

센싱부(600)는 배터리(700)의 충방전 여부를 실시간 센싱하고, 신호처리부(200)와 연결되어 센싱된 값을 즉각적으로 전달할 수 있도록 구성할 수 있다. 따라서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변경할 수 있는 A/D 컨버터를 센싱부(600)와 신호처리부(200) 경로 상에 설치할 수 있다. A/D 컨버터는 전류 센싱부(600) 및 전압 센싱부(600)에 개별적으로 연결되도록 설치되어, 각각의 전류 및 전압의 센싱된 값을 독립적으로 신호처리부(200)에 전달하도록 구비할 수 있다.

도 5(a)는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 용량에 맞도록 정전류-정전압이 제어 되는 충전 파형그래프이며, 도 5(b)는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리에 전류 또는 전압의 변화를 주며 충전 및 방전을 나타낸 그래프이다.

도 5(a)의 그래프에 따르면, 시간에 따라 이차 배터리(700)에 전달할 정전류 및 정전압의 제어가 이루어지면서 이차 배터리(700)가 충전되는 파형을 보여준다. 또한, 도 5(b)의 그래프에 따르면, 시간에 따라 전류와 전압에 변화를 주는 경우, 충전 또는 방전이 이루어지는 파형을 보여준다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 방법을 블록도로 제시한 순서도이다.

우선, 각 현장 상황에 필요한 이차 배터리(700)의 내구성 등과 같은 특성을 실험하기 위하여 사용자는 입력/표시부(100)를 통해 충방전에 필요한 전류 및 전압 값을 시간별로 다양하게 설정할 수 있다.

사용자가 입력/표시부(100) 즉, 컴퓨터를 통하여 상기 전류 및 전압값 등을 설정하면, 컴퓨터 프로그램과 연결된 신호처리부(200)는 컴퓨터 프로그램을 통해 입력 받은 데이터를 확인한 후, 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 파형 등과 같은 입력된 값을 바탕으로 시스템에 사용할 공정 조건을 세팅할 수 있다.(S10)

그리고 신호처리부(200)와 연결된 신호 출력부(300)는 신호처리부(200)에서 설정된 충전 또는 방전의 공정 조건에 따라 이차 배터리(700)로 전달할 전류 또는 전압값의 신호 출력할 수 있다.(S20) 구체적으로, 신호처리부(200)에서 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따라 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 단계가 이루어진다.

신호 출력부(300)는 정전류를 출력하는 제 1신호 출력부(310) 및 정전압을 출력하는 제 2신호 출력부(330)로 구성되며, 본 발명의 일실시예와 같이 이차 배터리(700)를 충전하는 경우에는 제 1신호 출력부(310)와 제 2신호 출력부(330)를 이용하고, 이차 배터리(700)를 방전하는 경우에는 제 1신호 출력부(310)를 이용할 수 있다.

본 발명에서 이차 배터리(700)의 방전과정에서 정전류를 이용한 방법에 대하여 주로 설명하고 있으나, 제 2신호 출력부(330)의 각 채널을 통한 정전압을 이용한 방전도 당연히 가능하다.

이후 상기 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 단계(S30) 및 상기 스위칭에 따라 외부 전원과 연결된 이차 배터리를 충전 또는 방전하는 단계(S40)가 이루어진다.

구체적으로, 이차 배터리(700)의 충전 실험을 하기 위해서, 제 1신호 출력부(310)는 제 1컨버터부(311)에서 컴퓨터 프로그램에서 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환한 후, 제 1멀티플렉서부(313)의 복수개의 채널을 이용하여 정전류를 다양하게 변경하면서 전류값 신호를 출력할 수 있다. 출력된 전류값 신호는 충전과 방전을 스위칭하는 충방전 스위칭부(400)에서 충전모드로 스위칭 된 후, 스위칭에 따라 연결된 충방전부(500)를 통해 이차 배터리(700)를 충전할 수 있다.

본 발명에 의하여 복수개의 채널(305)에 따라 시간대별 및 전류의 크기별로 다양한 정전류에 해당하는 신호가 이차 배터리(700)에 전달되면, 이차 배터리(700)에 연결된 센싱부(600)는 배터리(700)의 과전류 여부를 센싱할 수 있다. 센싱은 실시간으로 이루어지며, 센싱에 따라 전류가 과하게 충전되는 경우 이러한 데이터 값을 즉각적으로 컴퓨터 프로그램에 전달한다. 따라서 센싱부(600)와 컴퓨터 프로그램 경로상에 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하기 위해 상기 신호 출력부(300)와 별도록 A/D 컨버터가 설치될 수 있다.

과전류 여부가 센싱되어 컴퓨터 프로그램에 신호가 전달되면, 기 설정된 값에 의하여 정전류의 설정값을 변경할 수 있으며, 상황에 따라 실시간으로 정전류의 변화값을 입력하여 조절할 수 있다.

상기와 같은 방식으로 제 1신호 출력부(310)의 제 1멀티플렉서부(313)에 의하여 정전류를 다양하게 공급함으로써, 순간적 또는 일시적으로 흐르는 과전류를 확인하고 전류의 크기를 변경하면서 이차 배터리(700)의 내구성 또는 적합성 특의 조건을 관측할 수 있다. 이에 따라 특정한 환경 현장에 맞는 배터리(700)를 구별하고 실험하여 적합하지 못한 배터리(700)의 사용으로 발행하는 폭파로 인한 화재 및 인명사고를 미연에 방지할 수 있다.

제 1신호 출력부(310)의 제 1멀티플렉서부(313)에 의하여 정전류에 해당하는 신호를 다양하게 공급함에 따른 배터리(700)의 충전 실험이 확인되면, 뒤이어 완충을 위한 제 2신호 출력부(330)의 제 2멀티플렉서부(333)에 의한 정전압에 해당하는 신호의 전달이 이루어진다.

방법은 상기와 마찬가지로, 이차 배터리(700)의 충전 실험을 하기 위해서, 제 2신호 출력부(330)의 제 2컨버터부(331)는 컴퓨터 프로그램에서 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환한 후, 제 2멀티플렉서부(333)의 복수개의 채널을 이용하여 정전압에 해당하는 신호를 다양하게 변경하면서 전압값 신호를 출력할 수 있다. 출력된 전압값 신호는 충전과 방전을 스위칭하는 충방전 스위칭부(400)에서 충전모드로 스위칭 된 후, 스위칭에 따라 연결된 충방전부(500)를 통해 이차 배터리(700)를 충전할 수 있다.

본 발명에 의하여 복수개의 채널(305)에 따라 시간대별 및 전압의 크기별로 다양한 정전압에 해당하는 신호가 충방전부(500)에 전달되고 상기 신호값에 해당하는 값이 이차 배터리(700)에 전달되면, 이차 배터리(700)에 연결된 센싱부(600)는 배터리(700)의 과전압 여부를 센싱할 수 있다. 센싱은 실시간으로 이루어지며, 센싱에 따라 전류가 과하게 충전되는 경우 이러한 데이터 값을 즉각적으로 컴퓨터 프로그램에 전달한다. 이어서 설정된 공정 조건에 따라 변화값을 입력하면서 완충이 되는지, 어느 전압에서 과전압이 발생하는지 각 변화값을 고속으로 제어하면서 충전이 가능하다.

제 1신호 출력부(310)와 제 2신호 출력부(330)에 의한 전류 및 전압의 충전이 완료되면, 배터리(700)의 방전 실험이 이루어진다. 방전 실험은 제 1신호 출력부(310)에서 시간대와 전류의 크기가 설정된 정전류 신호에 의하며, 제 1신호 출력부(310)는 제 1컨버터부(311)에서 컴퓨터 프로그램에서 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 전환한 후, 제 1멀티플렉서부(313)의 복수개의 채널을 이용하여 정전류 값을 다양하게 변경하면서 각 전류에 해당하는 값을 출력하고 출력된 전류는 충전과 방전을 스위칭하는 충방전 스위칭부(400)에서 방전모드로 스위칭 된 후, 스위칭에 따라 연결된 충방전부(500)를 통해 이차 배터리(700)를 방전할 수 있다.

본 발명에 의하여 복수개의 채널(305)에 따라 시간대별 및 전류의 크기별로 다양한 정전압이 이차 배터리(700)에 전달되면, 이차 배터리(700)에 연결된 센싱부(600)는 배터리(700)의 과전류 여부를 센싱하고, 센싱에 따라 전류가 과하게 방전되는 경우 이러한 데이터 값을 실시간으로 컴퓨터 프로그램에 전달한다. 이어서 설정된 공정 조건에 따라 변화값을 입력하면서 방전이 되는지, 어느 전압에서 과전압이 발생하는지 각 변화값을 고속으로 제어하면서 방전 실험이 가능하다.

이러한 본 발명에 따른 제시 방법에 따라 각각의 다른 현장에 적용되면서 순간적으로 일어나는 배터리(700)의 과충전 여부 또는 과방전 여부의 실험이 가능하다. 따라서 이러한 실험을 통하여 각 문제점을 보완하고 배터리의 내구성 및 적합성 등의 특성을 현장 상황에 맞도록 설계할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

배터리 충방전 제어 시스템 : 10
입력/표시부 : 100
신호처리부 : 200
신호 출력부 : 300
충방전 스위칭부 : 400
충방전부 : 500
센싱부 : 600
배터리 : 700
전원부 : 800
제 1신호 출력부 : 310
제 2신호 출력부 : 330
컨버터부 : 301
멀티플렉서부 : 303
입력단 : 304
채널 : 305
디코더부 : 306
노드 : 307
출력단 : 309
제 1컨버터부 : 311
제 2컨버터부 : 331
제 1멀티플렉서부 : 313
제 2멀티플렉서부 : 333
전류 센싱부 : 610
전압 센싱부 : 630

Claims (16)

1. 사용자가 원하는 전류 또는 전압의 입력 값을 바탕으로 이차 배터리의 충전 또는 방전 조건을 세팅하는 신호처리부(DSP);
   상기 신호처리부에서 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따른 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 신호 출력부;
   상기 신호 출력부에서 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 충방전 스위칭부; 및
   상기 충방전 스위칭부의 스위칭에 따라 상기 이차 배터리를 외부 전원을 이용하여 충전 또는 방전하는 충방전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 신호 출력부는,
   컴퓨터에서 사용하는 디지털 신호와 회로 내에서 사용하는 아날로그 신호를 상호 변경하는 컨버터부; 및
   상기 컨버터부와 연결되며, 상기 신호처리부에서 세팅한 복수개의 서로 다른 입력신호를 전달할 수 있는 복수개의 채널을 구비하고, 각각의 채널의 선택에 따라 상기 이차 배터리 충전 또는 방전을 위한 전류 또는 전압의 크기를 서로 다르게 변화시켜 출력하는 멀티플렉서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 멀티플렉서부는
   상기 각 채널과 개별적으로 연결되며, 상기 컨버터부에서 변경된 신호를 공급받는 복수개의 입력단;
   상기 복수개의 입력단으로 전달된 신호에 따라 충전 또는 방전에 사용할 펄스 주파수의 전압 또는 전류의 값을 세팅하는 디코더부; 및
   상기 디코더부에서 제어된 신호를 출력하는 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 디코더부는
   상기 세팅된 전압 또는 전류 신호값의 흐름을 제어하는 복수개의 노드를 포함하며,
   상기 복수개의 노드는 개별적인 활성입력값 또는 디폴트값으로 지정되고 상기 활성입력값의 지정에 따라 상기 복수개의 채널 중 일부를 선택하는 것을 특징으로 하는 배처리 충방전 제어 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 이차 배터리와 연결되고, 상기 충방전부의 충전 또는 방전에 따라 상기 이차 배터리의 과전류 또는 과전압 여부를 센싱하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 멀티플렉서부는 상기 이차 배터리의 충방전 오류에 따른 과충전 또는 과방전 여부를 상기 센싱부로부터 실시간으로 전달받으면, 상기 복수개의 채널을 이용하여 상기 신호 처리부에서 다른 크기로 세팅된 전류 또는 전압의 입력 신호를 변경하면서 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
7. 제 2항에 있어서, 상기 신호 출력부는
   상기 이차 배터리에 적합한 충전 또는 방전모드를 위한 서로 다른 크기의 정전류를 출력하는 제 1신호 출력부 및 상기 이차 배터리에 적합한 충전모드를 위한 서로 다른 크기의 정전압을 출력하는 제 2신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제 1신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전류 모드에서 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하거나 상기 제 2신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전압 모드에서 복수개의 채널을 통해 전압의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하며, 이후 상기 신호에 따른 전류 또는 전압으로 상기 충방전부를 통해 상기 이차 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 제 1신호 출력부 또는 제 2신호 출력부에 의한 출력신호를 전달받아 상기 충방전부에 의한 충전이 이루어진 이후, 상기 제 1신호 출력부의 상기 멀티플렉서부는 상기 정전류 모드에서 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하며, 이후 상기 신호에 따른 전류로 상기 충방전부를 통해 상기 이차 배터리를 방전하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
   
10. 사용자가 입력한 전류 또는 전압값을 바탕으로 이차 배터리의 충전 또는 방전 조건을 세팅하는 단계;
    상기 세팅된 충전 또는 방전 조건에 따라 적어도 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값을 복수개의 채널로 구분하여 순차적으로 신호를 출력하는 단계;
    상기 출력된 전류 또는 전압 신호를 스위칭하여 충전 또는 방전 여부를 결정하는 단계;
    상기 스위칭에 따라 외부 전원과 연결된 이차 배터리를 충전 또는 방전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법.
    
11. 제 10항에 있어서, 상기 하나 이상의 전류 또는 전압의 입력 값 신호를 출력하는 단계는,
    컴퓨터에서 사용하는 디지털 신호와 회로 내에서 사용하는 아날로그 신호를 상호 변경하는 단계 및
    서로 다른 입력신호를 전달할 수 있는 복수개의 채널을 구비한 멀티플렉서부에서 상기 채널의 선택에 따라 상기 이차 배터리 충전 또는 방전을 위해 서로 다른 크기의 전류 또는 전압 값의 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 이차 배터리의 충전 또는 방전에 따른 과전류 또는 과전압 여부를 센싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
    
13. 제 11항에 있어서,
    상기 이차 배터리의 충방전 오류에 따른 과충전 또는 과방전 여부를 센싱하여 실시간으로 전달받으면, 상기 멀티플렉서부는 복수개의 채널을 이용하여 신호 처리부에서 서로 다르게 세팅된 전류 또는 전압 값의 신호를 변경하면서 출력하는 단계를 더 포함하는 배터리 충방전 제어 방법.
    
14. 제 11항에 있어서, 상기 이차 배터리로 전달할 전류 또는 전압의 신호를 출력하는 단계는,
    상기 이차 배터리에 적합한 충전을 위해 정전류 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 배터리 충방전 제어 방법.
    
15. 제 14항에 있어서, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전 하는 단계 이후에,
    상기 이차 배터리에 적합한 충전을 위해 정전압 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전압의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 배터리 충방전 제어 방법.
    
16. 제 15항에 있어서, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 충전하는 단계 이후에,
    상기 이차 배터리에 적합한 방전을 위해 정전류 모드에서 상기 멀티플렉서부의 복수개의 채널을 통해 전류의 크기 변화를 주면서 신호를 출력하고, 상기 출력 신호에 따라 상기 이차 배터리를 방전하는 단계를 더 포함하는 배터리 충방전 제어 방법.

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