KR20210022423A - Dc 오프셋을 이용한 pwm 방식의 배터리 충전 장치 - Google Patents

Dc 오프셋을 이용한 pwm 방식의 배터리 충전 장치 Download PDF

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KR20210022423A
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Abstract

DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치가 개시된다. 공급 전원을 스위칭에 의해 PWM 신호로 출력하여 배터리(battery)를 충전하는 반도체 스위칭 소자 모듈; 상기 배터리의 방전 상태에 따라 공급 전원의 전압 레벨을 결정하기 위한 스위칭 제어 신호를 이용하여 상기 반도체 스위칭 소자 모듈의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 모듈; 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 스위칭 제어 모듈의 스위칭 제어를 실행하는 MCU(microcontroller unit)을 구성한다. 상술한 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치에 의하면, 충전 전압의 감지에 의한 PWM 주파수 제어 및 듀티비(duty ratio) 제어를 하도록 구성되며, 구체적으로는 반도체 스위칭 소자의 차단(cut-off) 영역 레벨 이상의 도통 상태를 만들기 위해 PWM 제어 신호에 DC 오프셋 신호를 더하여 스위칭 제어 신호를 생성하고 스위칭 제어 신호의 상단을 반도체 스위칭 소자의 포화(saturation) 영역 레벨 이하로 설정하도록 구성됨으로써, 과전류 상태를 방지하고 안정적인 충전 동작을 수행할 수 있으며, 충전 전압 범위를 초과하여 충전하는 상황을 방지할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 충전 전류의 주기적인 변화로 인하여 전하의 축적이 감소하고 전극에서 농도 분극 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 배터리 충전 장치{BATTERY CHARGING DEVICE F PULSE WIDTH MODULATION USING DC OFFSET}
본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 PWM(pulse width modulation) 방식의 충전 장치에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 DC 오프셋(DC offset)을 이용한 PWM 방식의 충전 장치에 관한 것이다.
배터리 충전 방식은 기본적으로 정전압 충전 방식과 정전류 충전 방식으로 대별될 수 있다. 정전압 충전 방식은 충전 시간이 너무 길어지는 문제가 있어 거의 사용되지 않고, 정전류 충전 방식은 축전지를 완충할 수 없는 문제가 있어 사용되지 않고 있다. 최근의 보편적인 충전 방식은 충전 초기에는 정전류로 충전을 하고 어느 정도의 충전이 되고 나서는 정전압으로 충전하는 방식이다. 충전 초기에는 일정한 충전 전류로 충전하여 빠른 충전이 가능하며, 어느 정도의 충전이 된 후에는 배터리의 충전 전압이 상승한 상태이므로 정전압으로 충전하고 있다.
한편, 펄스 충전 방식은 정전압-정전류(CC-CV) 충전과 달리 전하의 축적이 감소하기 때문에 전극에서 농도 분극 현상을 최소화할 수 있다. 이는 충전지의 충전 속도를 향상시키는 것은 물론 농도 분극 현상의 방지에 의해 수명도 길게 유지할 수 있다. 그러나, 충전 전압보다 높은 전압을 사용하여야 하므로 상황에 따라 오히려 충전지의 수명을 더 줄이게 될 수 있는 단점이 있다.
한편, 차량 배터리는 충전 속도와 수명이 중요하므로, PWM 제어에 의한 펄스 충전 방식이 이용되고 있다. 그런데, PWM 공급 전압은 배터리 전압보다 높아야 하는데, 배터리의 커패시턴스(capacitance) 성분이 전압의 급격한 변화를 거부하는 상태에 의해 배터리가 손상될 위험성이 있다. 또한, PWM 전원 신호는 반도체 스위칭 소자에 의해 형성되는데, 반도체 스위칭 소자가 차단(cut-off) 상태에서 포화(saturation) 상태로 순간적으로 전환될 때 과전류가 발생하여 배터리가 손상될 수 있다.
즉, PWM 충전 방식은 충전 속도와 수명의 면에서 장점을 갖지만, 세심한 PWM 제어가 요구되며, 배터리 손상을 쉽게 가져올 수 있다는 치명적인 단점이 있다.
등록특허공보 10-1449306 등록특허공보 10-1897297
본 발명의 목적은 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치는, 공급 전원을 스위칭에 의해 PWM 신호로 출력하여 배터리(battery)를 충전하는 반도체 스위칭 소자 모듈; 상기 배터리의 방전 상태에 따라 공급 전원의 전압 레벨을 결정하기 위한 스위칭 제어 신호를 이용하여 상기 반도체 스위칭 소자 모듈의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 모듈; 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 스위칭 제어 모듈의 스위칭 제어를 실행하는 MCU(microcontroller unit)을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 반도체 스위칭 소자 모듈은, 다수의 반도체 스위칭 소자를 포함하며, 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 중 적어도 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 스위칭 제어 모듈은, 상기 반도체 스위칭 소자가 차단(cut-off) 레벨 이상의 도통 상태에서 동작하도록 DC 오프셋(DC offset) 레벨을 조정하여 DC 오프셋 신호를 출력하는 DC 오프셋 조정부; 상기 스위칭 제어 신호가 상기 반도체 스위칭 소자의 포화(saturation) 레벨을 초과하지 않도록 PWM 신호의 크기를 조정하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 조정부; 상기 DC 오프셋 조정부에서 출력되는 DC 오프셋 신호와 상기 PWM 신호 조정부에서 출력되는 PWM 신호를 합하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 가산기(adder)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상술한 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치에 의하면, 충전 전압의 감지에 의한 PWM 주파수 제어 및 듀티비(duty ratio) 제어를 하도록 구성되며, 구체적으로는 반도체 스위칭 소자의 차단(cut-off) 영역 레벨 이상의 도통 상태를 만들기 위해 PWM 제어 신호에 DC 오프셋 신호를 더하여 스위칭 제어 신호를 생성하고 스위칭 제어 신호의 상단을 반도체 스위칭 소자의 포화(saturation) 영역 레벨 이하로 설정하도록 구성됨으로써, 과전류 상태를 방지하고 안정적인 충전 동작을 수행할 수 있으며, 충전 전압 범위를 초과하여 충전하는 상황을 방지할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 충전 전류의 주기적인 변화로 인하여 전하의 축적이 감소하고 전극에서 농도 분극 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
한편, 반도체 스위칭 소자 모듈의 다수의 반도체 스위칭 소자를 활성화/비활성화하도록 구성됨으로써, 소정 정상 충전 범위 내에서 충전 채널을 유지하여 충전 전류를 최적 범위 내에서 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치의 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 제어 신호를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 스위칭 소자 모듈의 역전압 방지 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 감지 모듈의 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치의 블록 구성도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 제어 신호를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자의 회로도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 반도체 스위칭 소자 모듈의 역전압 방지 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 감지 모듈의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치(100)는 반도체 스위칭 소자 모듈(110), 스위칭 제어 모듈(120), 전압 감지 모듈(130), MCU(microcontroller unit)(140), 반도체 스위칭 소자 활성화/비활성화 모듈(150)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
반도체 스위칭 소자 모듈(110)은 공급 전원(10)을 스위칭에 의해 PWM 신호로 출력하여 배터리(battery)(20)를 충전하기 위한 구성이다. 본 발명은 기본적으로 PWM 충전 방식을 이용한다.
반도체 스위칭 소자 모듈(110)은 도 4에서 보듯이 다수의 반도체 스위칭 소자를 포함하며, 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 중 적어도 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 반도체 스위칭 소자는 도 5와 같이 각 반도체 스위칭 소자에 역전압 방지용 다이오드를 추가하도록 구성될 수 있다.
반도체 스위칭 소자는 MCU(140)의 제어에 의해 반도체 스위칭 소자 활성화/비활성화 모듈(150)에 의해 개별적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있다.
스위칭 제어 모듈(120)은 배터리(20)의 방전 상태에 따라 공급 전원(10)의 전압 레벨을 결정하기 위한 스위칭 제어 신호를 생성하고 이를 이용하여 반도체 스위칭 소자 모듈(110)의 스위칭을 제어하도록 구성될 수 있다.
스위칭 제어 모듈(120)은 DC 오프셋(DC offset) 조정부(121), PWM(pulse width modulation) 신호 조정부(122), 가산기(adder)(123)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
DC 오프셋 조정부(121)는 반도체 스위칭 소자가 차단(cut-off) 레벨 이상의 도통 상태에서 동작하도록 DC 오프셋(DC offset) 레벨을 조정하여 DC 오프셋 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 도 2에서와 같은 DC 오프셋 신호는 반도체 스위칭 소자가 차단 영역에서 동작하다가 갑자기 급전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 일정한 최소한의 도통 상태를 유지하여 준다.
PWM 신호 조정부(122)는 반도체 스위칭 소자의 포화(saturation) 레벨을 초과하지 않도록 PWM 신호의 크기를 조정하여 PWM 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. PWM 신호는 반도체 스위칭 모듈(110)의 스위칭 제어 신호가 포화 레벨 이하에서 동작하여 안정적인 전류 공급을 할 수 있도록 한다.
가산기(123)는 DC 오프셋 조정부(121)에서 출력되는 DC 오프셋 신호와 PWM 신호 조정부(122)에서 출력되는 PWM 신호를 합하여 스위칭 제어 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 스위칭 제어 신호는 반도체 스위칭 소자의 차단 레벨 이상과 포화 레벨 이하의 구간의 PWM 신호로 구성될 수 있다. 이로 인해 순간적인 과전류에 의한 배터리(20)의 손상을 방지하고 안정적인 전류 공급을 할 수 있다. 도 3은 이와 같은 스위칭 제어 신호의 동작 구간을 나타내고 있다. 충전 속도와 수명의 향상이 기대될 수 있다.
전압 감지 모듈(130)은 배터리(20)의 충전 전압을 실시간 감지하도록 구성될 수 있다. 전압 감지 모듈(130)은 도 6과 같이 전압 분배 원리에 따라 배터리(20)의 충전 전압을 감지하도록 구성될 수 있다.
MCU(140)는 미리 정해진 알고리즘에 따라 스위칭 제어 모듈(120)의 스위칭 제어를 실행하도록 구성될 수 있다. MCU(140)는 전압 감지 모듈(130)에서 실시간 감지되는 충전 전압에 따라 PWM 제어 신호의 PWM 주파수와 듀티비(duty ratio)를 실시간 변경 제어할 수 있다. 여기서, 듀티비는 반도체 스위칭 소자 모듈(110)에서 출력되는 전압을 제어하기 위한 인자이다.
한편, MCU(140)는 전압 감지 모듈(130)에서 감지된 배터리(20)의 충전 전압에 따라 반도체 스위칭 소자 각각에 대한 활성화/비활성화를 제어할 수 있다.
MCU(140)의 제어에 따라 반도체 스위칭 소자 활성화/비활성화 모듈(150)이 반도체 스위칭 소자의 활성화/비활성화를 수행할 수 있다.
MCU(140)는 전압 감지 결과에 따라 충전 전류가 부족한다고 판단하면, 더 많은 반도체 스위칭 소자를 활성화하도록 구성될 수 있다. 즉, MCU(140)는 PWM 주파수, 듀티비를 제어하는 것은 물론 각 반도체 스위칭 소자의 활성화를 제어하여 전압과 전류를 제어하도록 구성될 수 있다. 구체적으로는 다음과 같다.
만약, 배터리(20)에 공급되는 전류가 부족하면 전압 감지 결과 충전 전압의 강하가 발생하는데, MCU(140)는 충전 전압이 미리 설정된 방전 금지 상한선 이하의 전압이면 DC 오프셋 신호만을 이용하여 정류 공급 모드로 충전을 하도록 제어할 수 있다. 그리고 충전 전압이 미리 설정된 방전 금지 상한선 이상의 전압인 경우 DC 오프셋 신호와 PWM 신호가 합산된 신호를 이용하여 충전을 하도록 구성될 수 있다.
한편, 감지된 충전 전압이 미리 설정된 충전 채널 추가 상한선 이하의 전압이면 충전 채널 추가 상한선 이상이 될 때까지 반도체 스위칭 소자를 추가하여 활성화하도록 제어할 수 있다. 충전이 상당힌 진행되어 실시간 감지되는 충전 전압이 충전 채널 제거 하한선 이상이 되면 충전 채널 제거 하한선 이하가 되지 않도록 반도체 스위칭 소자를 하나씩 비활성화하도록 제어할 수 있다. 비활성화는 1개의 반도체 스위칭 소자만 활성화될 때까지 진행될 수 있다. 1개만 활성화된 상태에서 충전 전압이 충전 채널 제거 하한선 이상이 되면 PWM 주파수를 높여서 충전할 수 있다. 그리고 전압 감지 모듈(130)에서 감지된 최대 충전 전압에 리플(ripple)이 발생하면 완충으로 판단하고 PWM 충전을 중지하도록 구성될 수 있다.
이러한 지능형 충전을 통해 배터리(20)의 수명을 단축하지 않고 안정적이고 빠른 충전이 가능해진다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 반도체 스위칭 소자 모듈
120: 스위칭 제어 모듈
121: DC 오프셋 조정부
122: PWM 신호 조정부
123: 가산기
130: 전압 감지 모듈
140: MCU
150: 반도체 스위칭 소자 활성화/비활성화 모듈

Claims (2)

  1. 공급 전원을 스위칭에 의해 PWM 신호로 출력하여 배터리(battery)를 충전하는 반도체 스위칭 소자 모듈;
    상기 배터리의 방전 상태에 따라 공급 전원의 전압 레벨을 결정하기 위한 스위칭 제어 신호를 이용하여 상기 반도체 스위칭 소자 모듈의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 모듈;
    미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 스위칭 제어 모듈의 스위칭 제어를 실행하는 MCU(microcontroller unit)을 포함하고,
    상기 반도체 스위칭 소자 모듈은,
    다수의 반도체 스위칭 소자를 포함하며, 트랜지스터(transistor), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 중 적어도 하나 이상을 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어 모듈은,
    상기 반도체 스위칭 소자가 차단(cut-off) 레벨 이상의 도통 상태에서 동작하도록 DC 오프셋(DC offset) 레벨을 조정하여 DC 오프셋 신호를 출력하는 DC 오프셋 조정부;
    상기 스위칭 제어 신호가 상기 반도체 스위칭 소자의 포화(saturation) 레벨을 초과하지 않도록 PWM 신호의 크기를 조정하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 조정부;
    상기 DC 오프셋 조정부에서 출력되는 DC 오프셋 신호와 상기 PWM 신호 조정부에서 출력되는 PWM 신호를 합하여 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 가산기(adder)를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 오프셋을 이용한 PWM 방식의 충전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101897297B1 (ko) 2012-10-16 2018-09-12 현대자동차주식회사 차량의 고전압배터리 충전시간 추정방법

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