KR20190108411A - 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체 - Google Patents

양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬형 스위치를 이용하여 배터리 셀을 충전 또는 방전시킬 수 있도록 구현한 배터리 충방전기에 관한 것으로, 적어도 하나의 배터리 셀; 각 배터리 셀에 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전에 대응하여 각각 스위칭 온 되는 두 개의 스위치가 병렬 연결된 병렬형 선형 레귤레이터; 상기 병렬형 선형 레귤레이터와 연결 설치되어 상기 병렬형 선형 레귤레이터로 전달되는 전류가 차단될 수 있도록 스위칭 오프 되는 릴레이; 상기 릴레이의 양단의 전압을 비교하여 상기 릴레이의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 릴레이 제어기; 상기 배터리 셀의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기; 및 상기 배터리 셀의 전압과 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압의 사잇값을 제어 기준값의 영역으로 설정하여 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는 전압 제어기를 포함한다.

Description

양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체{Battery Charging-Discharging Device Using a Bidirectional Parallel Linear Regulator and Control Method thereof, Recording Medium for Performing the Method}
본 발명은 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병렬형 스위치를 이용하여 배터리를 충전 또는 방전시킬 수 있도록 구현한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지셀 1 개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(Portable DVD), 소형 PC(Personal Computer), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈의 사용이 요구된다.
전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 후 보호회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극 탭들을 버스 바 등의 접속부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지 모듈을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위전지로서 유리하다.
종래에는 이차전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 주로 사용되었으나, 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬이온 전지 및 리튬 폴리머 전지가 많이 사용되고 있다. 이러한 이차전지는 앞에서 설명한 바와 같은 장점으로 인하여 수요가 증가하고 있다.
한편, 이차전지는 셀을 조립하는 과정과 전지를 활성화하는 과정을 거쳐 제조되는 바, 전지 활성화 단계에서는 소정의 장치에 전지셀을 탑재하고 활성화에 필요한 조건으로 충전을 수행하게 된다.
그러나, 이차전지의 적용 분야가 다양해짐에 따라 다양한 크기와 구조의 전지셀들이 제조되고 있으므로, 그러한 전지셀들을 활성화하기 위해서는 별도로 충방전 장치를 준비하여야 하는 단점이 있다.
또한, 최근 상용화가 진행되기 시작한 전기자동차, 하이브리드 전기자동차용 중대형 전지모듈 분야에서는 단위 전지로서 파우치형 전지와 같은 판상형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있지만, 제조사별 또는 이차전지 모델별로 판상형 전지의 크기, 전극 탭의 위치 등이 다르고, 특히 전극 탭이 양측에 형성되어 있는 전지셀의 경우, 크기의 차이에 따라 충방전 장치의 크기 및 형태가 달라져야 하므로, 전지셀의 활성화 과정에서 소요되는 시간이 증가하고 별도의 충방전 장치를 제작함에 따른 제조 비용이 크게 증가한다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1017391호 한국공개실용신안 제20-2012-0006321호
본 발명의 일측면은 배터리 셀에 연결 설치된 병렬 형태의 선형 레귤레이터를 통해 배터리 셀의 충방전 전류를 제어할 수 있는 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기는, 적어도 하나의 배터리 셀; 각 배터리 셀에 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전에 대응하여 각각 스위칭 온 되는 두 개의 스위치가 병렬 연결된 병렬형 선형 레귤레이터; 상기 병렬형 선형 레귤레이터와 연결 설치되어 상기 병렬형 선형 레귤레이터로 전달되는 전류가 차단될 수 있도록 스위칭 오프 되는 릴레이; 상기 릴레이의 양단의 전압을 비교하여 상기 릴레이의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 릴레이 제어기; 상기 릴레이에 직렬로 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기; 및 상기 배터리 셀의 전압과 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압의 사잇값을 제어 기준값의 영역으로 설정하여 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는 전압 제어기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터는, 상기 배터리 셀의 방전시 스위칭 온 되어 상기 배터리 셀로부터 공급되는 전류를 상기 릴레이로 전달하는 제1 스위치; 상기 제1 스위치에 병렬로 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전시 스위칭 온 되어 상기 릴레이로부터 공급되는 전류를 상기 배터리 셀로 전달하는 제2 스위치; 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 충방전 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 제어기는, 상기 배터리 셀의 충전시, 상기 제1 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 충전 제어 기준값의 범위 내에서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 높도록 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 릴레이 제어기는, 상기 배터리 셀의 충전시 상기 릴레이를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 높게 되면 상기 릴레이를 스위칭 온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전 제어 기준값은, 상기 배터리 셀의 전압보다 높고, 상기 역도통 다이오드의 문턱전?보다 낮은 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 제어기는, 상기 배터리 셀의 방전시, 상기 제2 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 방전 제어 기준값의 범위 내에서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 낮도록 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 릴레이 제어기는, 상기 배터리 셀의 방전시 상기 릴레이를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 낮게 되면 상기 릴레이를 스위칭 온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방전 제어 기준값은, 상기 배터리 셀의 전압보다 낮고, 상기 역도통 다이오드의 문턱전?보다 높은 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 제어기는, 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압보다 상기 배터리 셀의 전압에 근접하게 제어 기준값을 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 릴레이 제어기는, 상기 릴레이가 스위칭 온 되는 경우, 돌입전류를 방지할 수 있도록 스위칭 온 되는 상기 릴레이의 출력전압의 문턱값을 기 설정된 값으로 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법은, 배터리 셀의 전압과 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압의 사잇값을 상기 배터리 셀의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기의 제어 기준값의 영역으로 설정하는 단계; 설정된 제어 기준값에 따라 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는 단계; 상기 병렬형 선형 레귤레이터와 연결 설치된 릴레이의 양단 전압을 비교하여 상기 릴레이의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 단계; 및 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 전압 또는 전류를 제어하여 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전을 수행하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제어 기준값의 영역으로 설정하는 단계는, 상기 배터리 셀의 방전시 스위칭 온 되어 상기 배터리 셀로부터 공급되는 전류를 상기 릴레이로 전달하는 제1 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 충전 제어 기준값으로 설정하는 단계; 및 상기 배터리 셀의 충전시 스위칭 온 되어 상기 릴레이로부터 공급되는 전류를 상기 배터리 셀로 전달하는 제2 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 방전 제어 기준값으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 선형 레귤레이터와의 접점의 전압을 제어할 수 있는 전압 제어기를 별도로 구성함으로써 병렬형 선형 레귤레이터 내의 다이오드를 제거할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 병렬형 선형 레귤레이터와 직류전압 변환기 사이에 릴레이를 연결시켜 부가하고, 직류전압 변환기에 입력전압을 제어할 수 있는 전압 제어기를 적용함으로써, 기존 기술에 있어서 블로킹 다이오드가 추가되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 배터리 셀을 충전 또는 방전시킬 수 있는 구성을 선형 레귤레이터로 구성함으로써, 노이즈가 없으며, 신뢰성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제작 단가를 줄일 수 있고, 전체적인 형성 부피를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 충방전기에서 배터리 방전시의 전력 전달을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 충방전기에서 배터리 충전시의 전력 전달을 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 기존의 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기의 개략적인 구성이 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 배터리 충방전기에서 배터리 방전시의 전력 전달을 설명하는 도면이며, 도 3은 도 1의 배터리 충방전기에서 배터리 충전시의 전력 전달을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기는, 적어도 하나의 배터리 셀(100), 병렬형 선형 레귤레이터(200), 릴레이(300), 직류전압 변환기(400), 전압 제어기(500) 및 릴레이 제어기(600)를 포함한다.
본 명세서의 도면들에서, 실선은 전력의 흐름을 나타내는 것이고, 점선은 각 구성 간의 신호의 흐름을 나타내는 것이다.
본 발명에 있어서의 전력의 흐름은, 먼저 방전의 경우(도 2를 참조), 배터리 셀(100)에서 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 제1 스위치(210)를 통하여 릴레이(300)를 거쳐서 직류전압 변환기(400)를 통해 출력으로 전달되며, 충전의 경우(도 3을 참조), 직류전압 변환기(400)으로부터 공급되는 전력이 릴레이(300)를 거쳐서 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 제2 스위치(220)를 통해 배터리 셀(100)로 전달된다.
배터리 셀(100)은, 배터리 내에서 양극판과 음극판으로 조합된 1조로, 하나의 격실로 된 케이스 내에서　전해액　속에 담가 다른 셀과 분리되어 있는 충전 또는 방전이 가능한 전기 에너지 저장장치를 지칭한다.
배터리 셀(100a, 100b, 100c)은, 복수 개 형성되며, 배터리 셀(100)을 필요로 하는 장치 등의 요구에 대응하여 다양하게 형성될 수 있다.
여기서, 배터리 셀(100)은, 전류 또는 전압을 통해 충전 또는 방전이 가능한 에너지 저장 장치를 총칭하는 것으로, 에너지 저장 장치이면 그 용어에 한정되지 아니하고 적용이 가능하다.
병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 각 배터리 셀(100)에 연결 설치되며, 배터리 셀(100)의 충전 및 방전에 대응하여 각각 스위칭 온 되는 두 개의 스위치가 병렬 연결되어, 배터리 셀(100)로 전류를 전달하거나(즉, 충전의 경우) 배터리 셀(100)로부터 전류를 전달받는다(즉, 방전의 경우).
병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 배터리 셀(100)의 개수에 대응하여 배터리 셀(100)에 각각 연결 설치되며, 배터리 셀(100)의 개수가 변하면 이에 대응하여 동일한 수로 변하여 배터리 셀(100)에 각각 연결 설치될 수 있다. 즉, 병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 배터리 셀(100)의 수에 대응되는 수로 형성될 수 있다.
예를 들어, 3 개의 배터리 셀(100a, 100b, 100c)이 형성될 경우, 각 배터리 셀(100a, 100b, 100c)에 병렬형 선형 레귤레이터(200a, 200b, 200c)가 연결 설치될 수 있다.
병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 제1 스위치(210)와 제2 스위치(220)가 배터리 셀(100)의 충전 또는 방전을 각각 담당할 수 있도록, 제1 스위치(210)와 제2 스위치(220)가 병렬로 연결되도록 형성된다. 이에 따라, 제1 스위치(210)와 제2 스위치(220)가 직렬 형태로 연결된 경우보다 향상된 효율을 제공할 수 있다.
다만, 제1 스위치(210)와 제2 스위치(220)가 충전 또는 방전시에 일반적으로 사용되는 MOSFET(Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor)으로 형성되는 경우, 역도통 다이오드(reverse-conducting diode)가 발생되어서 전류 제어가 불안정하게 될 우려가 있다.
따라서, 병렬형 선형 레귤레이터(200)와 직류전압 변환기(400)의 사이에 후술하는 릴레이(300)를 연결시켜 부가하고, 직류전압 변환기(400)에 입력전압을 제어할 수 있는 전압 제어기(500)를 적용함으로써, 역도통 다이오드가 발생되는 것을 방지하도록 한다.
일 실시예에서, 릴레이(300)는, 상술한 바와 같이 병렬형 선형 레귤레이터(200)가 복수 개로 형성될 경우 적어도 2개의 병렬형 선형 레귤레이터(200)와 연결됨으로써, 배터리 셀(100)의 충전 또는 방전에 대응하여 전력을 전달하거나 전력을 전달받을 수 있다.
일 실시예에서, 병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 제1 스위치(210), 제2 스위치(220) 및 충방전 제어기(230)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(210)는, 배터리 셀(100)의 방전시 스위칭 온(즉, 단락, short-circuit) 되어 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류를 릴레이(300)로 전달한다.
제2 스위치(220)는, 제1 스위치(210)에 병렬로 연결 설치되며, 배터리 셀(100)의 충전시 스위칭 온(즉, 단락, short-circuit) 되어 릴레이(300)로부터 공급되는 전류를 배터리 셀(100)로 전달한다.
충방전 제어기(230)는, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)에 각각 연결 설치되며, 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어한다.
일 실시예에서, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 스위치인 제1 스위치(210) 및 제2 스위치(220)는, MOSFET(Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor)로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 스위칭 동작을 수행할 수 있는 MOSFET 이외의 다른 트랜지스터로 형성되어도 무방하다.
도 4는 기존의 전달 게이트(transmission gate) 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 기존의 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터의 경우에도, 본 발명에서와 같이 병렬형 스위칭 동작을 통해 전력을 전달하고 있으나, 본 발명과 기존의 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터는 다음과 같은 차이점을 가지고 있다.
기존의 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터는, 전통적인 전계 효과 트랜지스터와 달리 p 채널과 n 채널 2 개의 전계 효과 트랜지스터로 구성되며,　기판 단자(벌크)가 소스 단자에 내부적으로 연결되지 않는다. 두 개의 트랜지스터, 즉 n 채널 MOSFET과 p 채널 MOSFET이 병렬로 연결되어 있지만, 두 트랜지스터의 드레인 및 소스 단자만 함께 연결된다.
이에 따라, 이들의 게이트 단자는 제어 단자를 형성하기 위해 NOT 게이트(NOT gate)(인버터)에 의해 서로 접속되므로, 두 MOSFET은 동시에 on 또는 off가 될 수밖에 없다.
또한, 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터의 기판 단자는, 소스 연결부에 연결되어 있지 않는 대신, 게이트와 기판 사이의 기생　역도통　다이오드가 항상 역방향으로 바이어스되어 신호 흐름에 영향을 미치지 않도록 보장하기 위해, 각각의 공급 전위에 연결된다. 즉, MOSFET에 존재하는 바디 다이오드를 항상 off시켜야 한다.
이는, p 채널 MOSFET의 기판 단자는 양의 공급 전위에 접속되고, n 채널 MOSFET의 기판 단자는 음의 공급 전위에 접속시킴으로써 가능해진다.
즉, 본 발명의 병렬형 선형 레귤레이터(200)는, 2 개의 n 채널, 혹은 2 개의 p 채널 트랜지스터로 구성되어, 역도통 바디 다이오드가 있는 상태에서 전압 제어를 이용하여 선형적으로 동작을 수행한다. 반면, 도 4와 같은 기존의 전달 게이트 전계 효과 트랜지스터는 역도통 다이오드를 비활성화시킨 상태에서 비선형 동작으로 on/off 스위칭 동작을 하는 특수한 구조의 MOSFET 조합에 해당한다.
도 5는, 본 발명과 비교하기 위해 기존의 병렬형 선형 레귤레이터("Integrated circuit for electronic cigarette and electronic cigarette", CN104055224A)를 설명하는 도면이다.
기존의 병렬형 선형 레귤레이터는 도 5에 도시된 바와 같이 직렬로 다이오드가 필요하여 이에 따른 문제점을 가지고 있었다.
이에 따라, 본 발명에서는, 회로의 뒷 단에 형성되는 직류전압 변환기(400)가 병렬형 선형 레귤레이터(200)와의 접점의 전압을 제어함으로써, 레귤레이터 내에 포함되어야만 했던 다이오드의 구성을 제거할 수 있다.
릴레이(300)는, 병렬형 선형 레귤레이터(200)와 직류전압 변환기(400)의사이에 연결 설치되어 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 역도통 다이오드를 도통시킬 가능성이 있는 상황에서 직류전압 변환기(400)와의 연결을 차단하기 위하여 릴레이 제어기(600)의 제어에 따라 스위칭 오프 된다.
일 실시예에서, 릴레이(300)는, 직류전압 변환기(400)의　입력전압이　충방전　제어기(230)의　출력전압과　연결　시,　모스펫의　역도통　다이오드가　도통될　우려가　있는　상황을　방지하기　위해서　좌우 회로(즉, 병렬형 선형 레귤레이터(200)와 직류전압 변환기(400))를　차단할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이(300)는, 입력이 설정된 값에 도달하였을 때 작동하여 다른 회로를 개폐하는 일반적인 릴레이(relay)로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 통상적인 개폐기(switch) 모두 사용 가능하다.
배터리 셀(100)의 충전시 제2 스위치(220)를 스위칭 온 시키고 제1 스위치(210)를 오프시켜 전류를 조절하며, 배터리 셀(100)의 방전시 제1 스위치(210)를 스위칭 온 시키고 제2 스위치(220)를 오프시켜 전류를 조절하게 된다. 이 경우 MOSFET을 스위치로 사용하게 되면 내부의 역도통 다이오드로 인하여, 충전의 경우 제1 스위치(210)의 다이오드가 도통할 수 있는 위험이 있으며, 방전의 경우 제2 스위치(220)의 다이오드가 도통할 수 있는 위험을 가지고 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 배터리 셀(100)로 공급되거나 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류가 역도통 다이오드로 흐를 수 있는 경우, 릴레이(300)의 스위칭 오프를 통해 이를 방지하고, 역도통 다이오드가 도통이 되지 아니하는 범위 내에서 직류전압 변환기(400)의 입력전압을 전압 제어기(500)로 제어함으로써, 설정된 범위 내에 입력전압이 도달하면 릴레이(300)를 도통시켜 배터리 셀(100)의 충전 또는 방전을 진행하도록 할 수 있다.
릴레이 제어기(600)는, 스위칭 오프 상태에서의 릴레이(300)의 양단의 전압을 비교하여 릴레이(300)의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 결정한다.
일 실시예에서, 릴레이 제어기(600)는, 릴레이(300)를 스위칭 오프 상태에서 스위칭 온 상태로 변경시키는 경우, 돌입전류(rush current, 선로,　변압기,　전동기 또는　콘덴서　등의　회로의　개폐기를 투입했을 경우, 순간적으로 증가하지만 즉시　정상상태로 복귀되는　과도전류)가 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 릴레이(300)가 스위칭 온 되는 릴레이(300)의 출력전압 문턱값(threshold)을 기 설정된 값(예를 들어, 릴레이(300)의 입력전압 85% 내지 95% 등) 으로 설정할 수 있다.
직류전압 변환기(400)는, 릴레이(300)에 직렬로 연결 설치되며, 배터리 셀(100)의 충전시 필요로 하는 입력전압을 전압 제어기(500)의 제어에 따라 공급한다.
전압 제어기(500)는, 릴레이(300)의 스위칭 오프 시에 발생하는 배터리 셀(100)의 전압과 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압을 참고하여 배터리(100)의 전압과 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 양 전압 간의 사잇값을 제어 기준값으로 가짐으로써 역도통 다이오드의 도통을 방지하며, 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어한다.
일 실시예에서, 전압 제어기(500)는, 제어 기준값을 설정함에 있어, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 충방전 전류제어가 가능한 한도내에서, 최대한 배터리 셀(100)의 전압에 근접하게 제어 기준값을 설정함으로써, 충전 또는 방전 효율을 극대화 할 수 있다.
즉, 전압 제어기(500)는, 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압이 제1 스위치(210) 또는 제2 스위치(220)의 역도통 다이오드가 도통이 되지 않는 범위 내에서 제어되도록 하며, 입력전압이 충분히 제어되지 않았을 때에는 릴레이(300)로 스위칭 오프 시킴으로써, 역도통 다이오드의 도통을 방지할 수 있다.
릴레이(300)가 스위칭 오프 된 후, 릴레이(300)의 양단 전압이 서로 근접하게 되면 릴레이(300)를 스위칭 온 시키며, 전압 제어기(500)에 의해 제어되는 직류전압 변환기(400)의 입력전압이 배터리 셀(100)의 전압에 최대한 가깝게(배터리 셀(100)의 충방전 전류가 병렬형 선형 레귤레이터(200)에 의해서 원하는 만큼 제어되는 한도 내에서) 되도록 제어한다.
먼저, 배터리 셀(100)의 충전의 경우, 전압 제어기(500)는, 제1 스위치(210)의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 충전 제어 기준값의 범위 내에서, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 높도록 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이 제어기(600)는, 배터리 셀(100)의 충전시 릴레이(300)를 스위칭 오프 시킨 후, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 높게 되면 릴레이(300)를 스위칭 온 시켜 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 전달하도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 의한 배터리 셀(100)을 충전하기 위한 충전 제어 기준값은, 배터리 셀(100)의 전압보다 높고, 역도통 다이오드의 문턱전압(예를 들어, 배터리 셀(100)의 전압+0.7V, 여기서, "0.7V"는, 일반적인 바디 다이오드 문턱 전압에 해당한다)보다 낮은 값일 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)의 전압이 4V고 할 경우, 충전 제어 기준값은, 4V보다 높고, 4.7V보다는 낮은 전압값일 것이다.
다음으로, 배터리 셀(100)의 방전의 경우, 전압 제어기(500)는, 제2 스위치(220)의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 방전 제어 기준값의 범위 내에서, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 낮도록 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이 제어기(600)는, 배터리 셀(100)의 방전시 릴레이(300)를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 낮게 되면 릴레이(300)를 스위칭 온 시켜 배터리 셀(100)로부터 공급되는 입력전압을 출력단으로 전달하도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 의한 배터리 셀(100)을 방전하기 위한 방전 제어 기준값은, 배터리 셀(100)의 전압보다 낮고, 역도통 다이오드의 문턱전압(예를 들어, 배터리 셀(100)의 전압-0.7V, 여기서, "0.7V"는, 일반적인 바디 다이오드 문턱 전압에 해당한다)보다 낮은 값일 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)의 전압이 4V라 할 경우, 방전 제어 기준값은, 4V보다 낮고, 3.3V보다는 높은 전압값일 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기의 개략적인 구성이 도시된 도면이다
도 6을 참조하면, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기(2)는, 적어도 하나의 배터리 셀(100), 병렬형 선형 레귤레이터(200), 복 수 개의 릴레이(300), 직류전압 변환기(400), 전압 제어기(500) 및 릴레이 제어기(600)를 포함한다. 여기서, 릴레이(300)를 제외한, 배터리 셀(100), 병렬형 선형 레귤레이터(200), 직류전압 변환기(400), 전압 제어기(500) 및 릴레이 제어기(600)의 구성은 도 1의 구성과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
복수 개의 릴레이(300a, 300b)는, 적어도 하나의 병렬형 선형 레귤레이터(200)에 각각 연결 설치되어, 병렬형 선형 레귤레이터(200)로 전달되는 전류가 차단될 수 있도록 릴레이 제어기(600)의 제어에 따라 각각 스위칭 오프 된다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 총 3 개의 병렬형 선형 레귤레이터(200a, 200b, 200c)가 형성되고, 두 개의 릴레이(300a, 300b)가 형성된다고 할 경우, 두 개의 병렬형 선형 레귤레이터(200a, 200b)는 첫 번째 릴레이(300a)에 연결되도록 하고, 나머지 병렬형 선형 레귤레이터(200c)는 두 번째 릴레이(300b)에 연결되도록 할 수 있다.
기존의 경우 배터리 셀 유닛을 직렬로 연결하여 고전압 고전력으로 사용하는데, 셀 간의 편차가 있으므로 각 셀마다 충전량을 일정하게 조절해주는 셀발란싱 회로가 부가되어 가격, 효율 및 크기에 있어서 문제점을 가지고 있었다.
이를 해결하기 위해, 단일 저전압 셀에서 고전압 DC 링크까지 연결하는 고승압/고강압 양방향 컨버터가 제안되었으나, 각 배터리 셀마다 원하는 전류가 다르므로, 각 배터리 셀별로 컨버터가 필요하여 양방향 컨버터를 2단계로 나누어 설계하는 것이 제안되었다.
그러나, 각 배터리 셀별로 스위칭 컨버터가 들어가면 가격 및 크기 면에서 불리해진다는 단점을 가질 수밖에 없었다.
이에 따라, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기는, 스위칭 방식의 충방전용 컨버터를 이용한 기존의 배터리 충전 또는 방전 회로와는 달리, 선형 레귤레이터를 병렬로 사용하되 추가적인 블로킹 다이오드(blocking diode, 일련의 모듈과 직렬로 설치되며 블로킹 기능을 수행하여 모듈 스트링의 역류를 방지함)를 제거한 형태의 배터리 충전 또는 방전 장치를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법은, 먼저, 배터리 셀(100)의 전압과 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압의 사잇값을 배터리 셀(100)의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기의 제어 기준값의 영역으로 설정한다(S610).
일 실시예에서, 제어 기준값의 영역으로 설정하는 단계 S610는, 배터리 셀(100)의 방전시 스위칭 온 되어 배터리 셀(100)로부터 공급되는 전류를 릴레이(300)로 전달하는 제1 스위치(210)의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 충전 제어 기준값으로 설정하고, 배터리 셀(100)의 충전시 스위칭 온 되어 릴레이(300)로부터 공급되는 전류를 배터리 셀(100)로 전달하는 제2 스위치(220)의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 방전 제어 기준값으로 설정할 수 있다.
상술한 단계 S610에서 설정된 제어 기준값에 따라 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어한다(S620).
일 실시예에서, 상술한 단계 S620에 있어서의 입력전압의 제어는, 배터리 셀(100)의 충전시, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 높도록 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 셀(100)의 충전시, 릴레이(300)를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 높게 되면 릴레이(300)를 스위칭 온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 충전 제어 기준값은, 배터리 셀(100)의 출력전압보다 높고, 배터리 셀(100)의 전압+0.7V보다 낮은 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상술한 단계 S620에 있어서의 입력전압의 제어는, 배터리 셀(100)의 방전시, 병렬형 선형 레귤레이터(200)의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 낮도록 직류전압 변환기(400)로부터 공급되는 입력전압을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 셀(100)의 방전시, 릴레이(300)를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 배터리 셀(100)의 전압보다 낮게 되면 릴레이(300)를 스위칭 온 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 방전 제어 기준값은, 배터리 셀(100)의 전압보다 낮고 배터리 셀(100)의 전압-0.7V보다 높은 값을 가질 수 있다.
병렬형 선형 레귤레이터(200)와 연결 설치된 릴레이(300)의 양단 전압을 비교하여 릴레이(300)의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어한다(S630).
병렬형 선형 레귤레이터(200)의 전압 또는 전류를 제어하여 배터리 셀(100)의 충전 또는 방전을 수행한다(S640).
상술한 바와 같은 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CDROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀에 연결 설치된 병렬 형태의 선형 레귤레이터를 통해 배터리 셀의 충방전 전류를 제어할 수 있는 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기를 제공함으로써, 선형 레귤레이터와의 접점의 전압을 제어할 수 있는 전압 제어기를 별도로 구성함으로써 병렬형 선형 레귤레이터 내의 추가적인 블로킹 다이오드의 구성을 생략할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 의할 경우, 다이오드 제거에 따른 제작 비용을 절감할 수 있고, 전체적인 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전력 효율 및 회로의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
1, 2: 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기
100a, 100b, 100c: 배터리 셀
200a, 200b, 200c: 병렬형 선형 레귤레이터
210a, 210b, 210c: 제1 스위치
220a, 220b, 220c: 제2 스위치
230: 충방전 제어기
300a, 300b: 릴레이
400: 직류전압 변환기
500: 전압 제어기
600: 릴레이 제어기

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀;
    각 배터리 셀에 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전 및 방전에 대응하여 각각 스위칭 온 되는 두 개의 스위치가 병렬 연결된 병렬형 선형 레귤레이터;
    상기 병렬형 선형 레귤레이터와 연결 설치되어 상기 병렬형 선형 레귤레이터로 전달되는 전류가 차단될 수 있도록 스위칭 오프 되는 릴레이;
    상기 릴레이의 양단의 전압을 비교하여 상기 릴레이의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 릴레이 제어기;
    상기 릴레이에 직렬로 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기; 및
    상기 배터리 셀의 전압과 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압의 사잇값을 제어 기준값의 영역으로 설정하여 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는 전압 제어기를 포함하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터는,
    상기 배터리 셀의 방전시 스위칭 온 되어 상기 배터리 셀로부터 공급되는 전류를 상기 릴레이로 전달하는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치에 병렬로 연결 설치되며, 상기 배터리 셀의 충전시 스위칭 온 되어 상기 릴레이로부터 공급되는 전류를 상기 배터리 셀로 전달하는 제2 스위치; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 충방전 제어기를 포함하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전압 제어기는,
    상기 배터리 셀의 충전시, 상기 제1 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 충전 제어 기준값의 범위 내에서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 높도록 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 릴레이 제어기는,
    상기 배터리 셀의 충전시 상기 릴레이를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 높게 되면 상기 릴레이를 스위칭 온 시키는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 충전 제어 기준값은,
    상기 배터리 셀의 출력전압보다 높고, 상기 역도통 다이오드의 문턱전?보다 낮은 값을 갖는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전압 제어기는,
    상기 배터리 셀의 방전시, 상기 제2 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 방전 제어 기준값의 범위 내에서, 상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 낮도록 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 릴레이 제어기는,
    상기 배터리 셀의 방전시 상기 릴레이를 스위칭 오프 시킨 후, 선형 레귤레이터의 출력전압이 상기 배터리 셀의 전압보다 낮게 되면 상기 릴레이를 스위칭 온 시키는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 방전 제어 기준값은,
    상기 배터리 셀의 전압보다 낮고, 상기 역도통 다이오드의 문턱전?보다 높은 값을 갖는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전압 제어기는,
    상기 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압보다 상기 배터리 셀의 전압에 근접하게 제어 기준값을 설정하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 릴레이 제어기는,
    상기 릴레이가 스위칭 온 되는 경우, 돌입전류를 방지할 수 있도록 스위칭 온 되는 상기 릴레이의 출력전압의 문턱값을 기 설정된 값으로 설정하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기.
  11. 배터리 셀의 전압과 병렬형 선형 레귤레이터의 출력전압의 사잇값을 상기 배터리 셀의 충전시 필요로 하는 입력전압을 공급하는 직류전압 변환기의 제어 기준값의 영역으로 설정하는 단계;
    설정된 제어 기준값에 따라 상기 직류전압 변환기로부터 공급되는 입력전압을 제어하는 단계;
    상기 병렬형 선형 레귤레이터와 연결 설치된 릴레이의 양단 전압을 비교하여 상기 릴레이의 스위칭 온 또는 스위칭 오프를 제어하는 단계; 및
    상기 병렬형 선형 레귤레이터의 전압 또는 전류를 제어하여 상기 배터리 셀의 충전 또는 방전을 수행하는 단계를 포함하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 기준값의 영역으로 설정하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 방전시 스위칭 온 되어 상기 배터리 셀로부터 공급되는 전류를 상기 릴레이로 전달하는 제1 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 충전 제어 기준값으로 설정하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 충전시 스위칭 온 되어 상기 릴레이로부터 공급되는 전류를 상기 배터리 셀로 전달하는 제2 스위치의 역도통 다이오드가 온 되지 않는 범위를 방전 제어 기준값으로 설정하는 단계를 포함하는, 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법.
  13. 제11항에 따른 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 제어 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
KR1020180029899A 2018-03-14 2018-03-14 양방향 선형 레귤레이터를 이용한 배터리 충방전기 및 제어 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체 KR102082317B1 (ko)

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