KR100285949B1 - 배터리 충전회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 충전회로에서 있어서, 배터리와, 입력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 배터리에 충전전원으로 공급하는 변환기와, 상기 충전전원과 독립적인 보조전원을 발생하는 보조전원발생부와, 상기 보조전원으로 일정전압 및 전류크기를 감지하기 위한 기준전원을 발생하는 기준전원발생부와, 상기 충전전원과 상기 기준전원의 전압을 비교하여 일정크기의 정전압으로 유지될 시 전압제어신호를 발생하는 전압감지부와, 상기 충전전원과 상기 기준전원의 전류를 비교하여 상기 전류가 일정크기의 전류가 될 시 전류제어신호를 발생하는 전류감지부와, 상기 변환기에 연결되는 스위치소자를 구비하며, 상기 전압제어신호 및 전류제어신호에 의해 스위칭되어 충전 시에 일정 충전전류값에 도달하기까지 충전전압값을 유지하고, 상기 일정 충전전류값에 도달하면 상기 충전전압값을 일정 크기로 조정하는 제어부로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

배터리 충전회로{BATTERY CHARGING CIRCUIT}
본 발명은 배터리 충전회로에 관한 것으로, 특히 입력전압 및 온도의 변화에 상관없이 안정되게 동작할 수 있는 충전회로에 관한 것이다.
일반적으로 충전기(charger)는 AC 전원을 정류한 후 배터리의 정격전압으로 변환하여 배터리(rechargeable battery)의 충전 전원으로 공급하며, 배터리의 충전 상태에 따라 충전전원의 공급을 제어한다. 따라서 충전기는 AC전원을 DC전원으로 변환하는 변환기(AC-DC converter)를 구비하며, 배터리의 종류에 따른 충전특성에 맞게 구성된다.
상기와 같은 충전기의 충전 방식은 크게 3가지로 구분된다. 첫 번째 충전 방법은 충전전원의 전압에 관계없이 일정 전류만을 배터리에 공급하는 방법이다. 두 번째 충전 방법은 제어회로를 탑재하여 회로의 손실 및 배터리의 손상을 방지하기 위해 온도감지 및 과충전 방지 등을 위한 보호 기능을 가지며 트리클 충전(tricle charge)을 하는 방법이다.
그러나 상기와 같은 충전방법에서 첫 번째의 충전 방법은 충전회로에서 발생하는 손실이 크기 때문에 방열 대책이 추가로 고려되어야 하는 문제점이 있으며, 두 번째의 충전방법이 가장 양호한 방법이지만, 비용이 많이 들고 제어가 어려운 문제점이 있다.
또 다른 충전 방법은 출력전류가 일정한 값에 도달하기 전까지는 정전압을 유지하다가 전류가 일정 값에 도달되면 전류는 고정시키고 전압을 가변하는 방법이다.
도 1은 상기와 같은 세 번째 충전 방법을 수행하기 위한 충전기 회로의 구성을 도시하고 있다. 상기 도 1을 참조하여 세 번째 충전 방법의 동작을 살펴보면, 전원(voltage source)111은 AC전원을 발생하는 소스이다. 전압변환부 112는 상기 AC전원을 충전전원의 레벨로 변환하는 기능을 수행한다. 정류부(rectifier ＆ filter) 113은 상기 전압변환부 112에서 출력되는 전원을 정류 및 평활하여 상기 배터리 100의 충전전원으로 공급한다. 상기 전압변환부 112와 정류부 113은 AC전원을 상기 배터리 100의 충전전원 레벨의 DC전원으로 변환하는 AC-DC변환기가 된다. 전류감지부(current sensor) 114는 상기 정류부 113에서 출력되는 충전전원의 전류를 감지하며, 설정 값을 초과할 시 제어신호를 발생한다. 스위치부 115는 상기 전류감지부 114의 제어신호 상태에 따라 온오프 된다. 상기 스위치부 115는 포토커플러(photo coupler)로 구성할 수 있다. 제어부 116은 상기 전원 111과 전압변환기 112 사이에 연결되는 스위치를 구비하며, 상기 스위치부 115의 상태에 따라 상기 전압변환부 112에 AC전원의 공급을 제어한다.
상기와 같은 구성을 갖는 충전회로에서 전류감지부 114는 기준 전류값을 구비하며, 상기 배터리 100의 충전전류를 상기 기준전류와 비교하여 상기 충전전류가 기준 전류값이 되면 제어신호를 발생한다. 그러면 스위치부 115 및 제어부 116이 동작되어 상기 전압변환부 112에 인가되는 AC전원을 차단한다. 따라서 상기 도 1과 같은 구성을 갖는 충전회로는 상기 출력전류가 일정한 값에 도달하기 전 까지는 정전압으로 유지될 수 있도록 동작하며, 상기 출력전류가 일정 값에 도달하면 전류는 고정시키고 전압을 가변한다.
그러나 상기 도 1과 같은 충전 방법은 입력 전압의 변화 및 주변 온도의 변화에 민감하여 정전압 및 정전류 제어가 힘들며, 손실이 커서 소형화가 어려운 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 입력전압의 변화와 주변온도의 변화에도 정전압 및 정전류 제어가 용이한 배터리 충전회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리의 충전전원 손실을 최소화하고 소형화시킬 수 있는 배터리 충전회로를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배터리 충전회로에서 있어서, 배터리와, 입력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 배터리에 충전전원으로 공급하는 변환기와, 상기 충전전원과 독립적인 보조전원을 발생하는 보조전원발생부와, 상기 보조전원으로 일정전압 및 전류크기를 감지하기 위한 기준전원을 발생하는 기준전원발생부와, 상기 충전전원과 상기 기준전원의 전압을 비교하여 일정크기의 정전압으로 유지될 시 전압제어신호를 발생하는 전압감지부와, 상기 충전전원과 상기 기준전원의 전류를 비교하여 상기 전류가 일정크기의 전류가 될 시 전류제어신호를 발생하는 전류감지부와, 상기 변환기에 연결되는 스위치소자를 구비하며, 상기 전압제어신호 및 전류제어신호에 의해 스위칭되어 충전 시에 일정 충전전류값에 도달하기까지 충전전압값을 유지하고, 상기 일정 충전전류값에 도달하면 상기 충전전압값을 일정 크기로 조정하는 제어부로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 배터리 충전회로의 구성을 도시하는 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전회로의 구성을 도시한 도면
도 3은 배터리 충전회로의 특성 곡선을 도시하는 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 배터리 충전회로의 제어를 위한 신호를 나타낸 도면
도 5는 도 2와 같은 배터리 충전회로의 구체적 실시예를 도시하는 도면
도 6은 도 3 또는 도 5에서 적용되는 기준전원과 충전전원을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전회로의 구성을 도시하는 도면으로서, 전원(voltage source) 211은 AC전원을 출력한다. 브리지다이오드(bridge diode) 및 캐패시터로 구성되는 제1정류부 212는 상기 AC전원을 정류 및 평활하여 출력한다. 전압변환부(transformer) 213은 상기 제1정류부 212에서 출력되는 정류 전원을 충전전원의 레벨로 전압을 변환하여 출력한다. 제2정류부(rectifier ＆ filter) 214는 상기 전압변환부 213에서 출력되는 전압을 정류 및 평활하여 배터리200의 충전전원으로 공급한다. 상기 제1정류부 212, 전압변환부 213 및 제2정류부 214는 교류전원을 충전전원으로 변환하는 AC-DC변환부가 된다.
보조전원발생부(sub-voltage generator) 215는 상기 전압변환부 213에 연결되어 보조전원을 발생한다. 기준전압발생부(reference voltage generator) 216은 상기 보조전원을 분압하여 기준전압을 발생한다. 전류감지부(current sense ＆ feedback) 217은 상기 기준전압과 상기 제2정류부 214에서 출력되는 충전전원을 비교하여 설정 값 보다 충전전류가 높을 시 전류제어신호를 발생한다. 전압감지부(voltage sense ＆ feedback) 218은 상기 기준전압과 상기 제2정류부 214에서 출력되는 충전전원을 비교하여 전압제어신호를 발생한다.
포토커플러 219는 상기 전류감지부 217 및 전압감지부 218의 출력을 제어신호로 입력하며, 상기 전류제어신호 및 전압제어신호가 활성화될 시 온 스위칭신호를 발생한다. 제어부 220은 상기 제1정류부 212와 전압변환부 213 사이에 연결되는 스위치소자를 구비하며, 상기 포토커플러 219가 활성화될 시 상기 스위치소자가 구동되어 상기 제1정류부 212에서 출력되는 전원의 공급을 차단한다. 상기 포토커플러 219 및 제어부 220은 스위칭 모드로 전원을 공급을 제어하는 기능을 수행하는 스위치제어부가 된다.
즉, 상기 전류감지부 217 및 전압감지부 218은 상기 배터리 200에 공급되는 전류 및 전압을 검출하여 설정 값 이하이면 전류제어신호 및 전압제어신호를 비활성화시키고 설정 값 이상이면 상기 전류제어신호 및 전압제어신호를 활성화시킨다. 이때 상기 전류제어신호 및 전압제어신호는 상기 배터리 200에 인가되는 전류 및 전압에 따라 펄스 형태의 신호로 발생되며, 이런 펄스신호에 의해 상기 제어부 220의 스위치소자가 온/오프되므로 결국 스위칭모드의 전원 공급 동작을 수행하게 된다.
도 3은 배터리 충전회로의 특성곡선을 도시하는 도면이고, 도 4는 배터리 충전회로에서 배터리의 공급전원을 스위칭 모드 방식으로 제어하는 신호의 형태를 도시하는 도면이다.
먼저 충전전원의 공급과정을 살펴보면, 전원 211에서 발생되는 AC전원은 브리지다이오드 및 캐패시터로 구성되는 제1정류부 212에서 정류된 후 전압변환부 213에서 충전전원의 레벨로 변환되어 출력된다. 그러면 제2정류부 214는 상기 전압변환부 213에서 출력되는 전압을 정류 및 평활하여 배터리의 충전전원으로 인가하게 된다. 이와 같은 구성은 일반적인 AC-DC변환기의 구성 형태가 된다.
상기와 같은 AC-DC 변환기는 1차측의 에너지를 2차측의 에너지로 변환하기 위해 스위치의 온/오프 시간을 조절하여 전압변환부 213의 자속을 변화시킨다. 하기의 〈수학식 1〉은 플라이 백(flyback) 방식의 입출력 전압 관계식을 나타낸 것으로 입력전압이 변화해도 출력전압을 안정화시키려면 스위치의 온/오프 시간(duty)을 조정하여야한다.
상기 〈수학식 1〉에서 d는 듀티로, D=ton*(1/f)가 된다.
또한 부하의 특성이 저항성일 경우 상기 〈수학식 1〉에서 V0= i0*R0를 대입하고 전류에 대해 정리하면, 하기의 〈수학식 2〉와 같다.
상기 〈수학식 2〉에서 R0는 부하저항이고, I0는 출력전류이다. 상기 〈수학식 2〉에서도 부하저항이 변화해도 듀티비를 적절히 제어한다면 출력 전류를 일정하게 유지할 수 있음을 알 수 있다.
이런 방법으로 도 3의 3a와 같은 특성 곡선을 만족시키려면, 상기 배터리200의 충전전원의 전류가 Ib에 도달하기 전에 상기 〈수학식 1〉을 만족하는 제어를 하고, 상기 배터리200의 충전전원의 전류가 Ib에 도달하면 상기 〈수학식 2〉를 만족하는 제어를 하여야 한다.
상기와 같은 개념을 참조하여 상기 도 2와 같은 구성을 배터리 충전회로의 동작을 살펴보면, 상기 제1정류부 212, 전압변환부 213 및 제2정류부 214를 이루어지는 AC-DC변환기로 원하는 레벨의 충전전원을 발생한다. 상기 부하전류가 목표하는 전류 Ib에 도달하기 전까지 출력전압을 안정화시키기 위하여, 상기 배터리 200에 공급되는 최종 출력단의 전압을 감지하는 전압감지부 218을 구비한다. 이때 상기 부하전류가 증가하게 되면, 상기 전압감지부 218은 상기 포토커플러219를 통해 제어부220이 동작하도록 제어하며 이로 인해 제어부220의 스위치소자는 상기 제1정류부212 및 전압변환부213의 전원 통로를 형성한다. 따라서 상기 부하전류가 증가하면 도 4의 4a와 같이 온 시간을 증가시키며, 이때 전류감지부 217은 동작하지 않는다.
이후 상기 부하전류가 Ib에 도달하면, 상기 전압감지부 218의 구동은 중단되고 전류감지부 217이 구동된다. 상기 배터리200으로 인가되는 충전전원의 출력단에 직렬 연결되는 상기 전류감지부 217은 상기 충전전원의 전류 레벨 변화를 감지한다. 이때 상기 감지되는 전류의 값이 커지게 되면 상기 전류감지부 217은 상기 포토커플러 219를 통해 제어부 220이 동작을 중단하도록 제어하며, 이로 인해 제어부220의 스위치소자는 상기 제1정류부 212 및 전압변환부213의 전원 통로를 차단한다. 따라서 상기 출력전류 값이 커지게 되면 도 4의 4b와 같이 온 시간을 감소시키게 된다. 즉, 출력 임피던스가 감소되더라도 듀티를 적절하게 조절하면 출력전류를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
상기 〈수학식 1〉에서와 같이 전압감지부 218은 입력전압에 출력전압을 일정하게 유지하기 위한 궤환 기능을 수행하며, 이후 듀티가 조정된 상태에서 상기 전류감지부 217은 전류 Ib점에서 정전류 제어모드로 전환한다. 이때 상기 듀티가 감소하게 되면 출력전압은 도 3의 3a에서와 같이 수학특성을 그리며 하강하게 된다.
상기와 같은 궤환이 이루어지기 위해서는 상기 도 2에서와 같이 보조전원발생부 215 및 기준전압발생부 216을 구비한다. 이는 상기 도 3b와 같이 전류 제한모드로 진입하여 전압이 떨어지더라도 보조전원 및 기준전압은 하나의 트랜스포머를 사용하여도 일정한 전압을 유지할 수 있도록 동작한다.
도 6을 참조하여 상술한 기준전원과 충전전원에 따른 비교 동작을 하기에 설명한다.
통상 충전을 위한 변환 방식에는 입력되는 DC 성분의 듀티비에 의해 출력 전원이 결정되는 Forward 방식(도6a)과 입력되는 DC 성분의 피크치에 의해 출력 전원이 결정되는 Flyback 방식(도 6b)이 있다. 본원 발명에 따른 실시예에서는 도 6c의 b값(피크치)에 의해서 기준전원이 출력되고, 도 6c의 a값(듀티)에 의해서는 충전전원이 출력된다. 그런데, 전압변환부 213의 출력을 제어하는 것은 도 4에 도시된 바와 같은 제어 신호에 의해 출력된다. 결국 전압변환부(213)에서 출력되는 신호도 도 4에서와 같이 출력되는 것이다. 따라서, 피크치에 의해 전원이 변화되는 기준전원은 변화가 거의 없이 출력되고, 듀티에 의해 변화되는 충전전원만이 변화되어 출력되는 것이다. 즉, 전압변환부 213의 출력이 변하더라도 기준전원은 변화됨이 없이 출력되고 충전전원만 변화되어 출력되는 것이다. 부언하면 입력 전압의 변화에도 불구하고 기준전원이 변화되지 않으므로 정전압 및 정전류 제어가 정확하게 이루어질 수 있는 것이다.
상기와 같은 점을 고려하여 본원 발명에 따른 실시예의 도 5에서는 기준전원으로 Forward 방식(T22)이 사용되고 있으며, 충전전원으로 Flyback 방식(T21)이 사용되고 있다. 이는 도 5의 변환부에서 도트(ㆍ) 표시에 의해 상이한 방식에 의해 기준전원과 충전전원이 독립되어 생성되고 있음을 알 수 있다. 즉, 도5에 따른 실시예에서는 충전전원 발생과는 독립된 별도의 트랜스포머(22)를 두어 기준전원을 발생하고 있다.
도 5는 상기 도 2와 같은 충전회로의 구체적일 실시예의 구성을 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 브리지다이오드 및 캐패시터(C2, C3)로 구성되는 제1정류부 212는 AC전원을 정류한다. 그리고 1차측 트랜스포머 T22 및 2차측 트랜스포머 T21은 전압변환부 213으로서, 상기 배터리 200의 충전전원 레벨로 변환하는 기능을 수행한다. 다이오드D2 및 캐패시터 C7 및 C8은 제2정류부 214의 구성으로서 상기 2차측 트랜스포머 T21에 유기되는 충전전원을 정류 및 평활하여 상기 배터리200에 인가한다. 따라서 상기와 같은 구성은 AC전원을 배터리200의 충전전원으로 변환하는 AC-DC변환기의 구성이 된다.
1차측 트랜스포머 T22 및 2차측 트랜스포머 T21은 보조전원발생부 215의 구성이 된다. 상기 보조전원은 상기 충전전원과 독립적인 전원으로서 기준전원을 발생하기 위한 전원이다. 저항R13, 검출기 U2는 기준전압발생부 216의 구성이 된다. 상기 기준전압발생부 216은 상기 보조전원을 분압하여 상기 전류감지부 217 및 전압감지부 218의 기준전압으로 인가한다.
콜렉터전극이 발광다이오드의 캐소드에 연결되고 에미터전극이 상기 기준전압에 연결되며, 베이스전극이 전압검출용 저항R10-11과 연결된 트랜지스터 Q3는 전압감지부 217이다. 상기 배터리 200의 충전전원이 전류 Ib에 도달할 때까지 출력전압을 안정화시키는 기능을 수행한다. 따라서 상기 제2정류부 214가 목표하는 전압이 되면, 이로 인해 노드 N1에 연결된 포토커플러 PC1의 발광다이오드 전류통로를 형성한다.
또한 전류검출용 저항R16, 기준전압에 연결된 R14, R15 및 검출기 U1은 전류감지부 218이 된다. 상기 검출기 U1의 캐소드는 N1에 연결되어 있고 기준전압단자는 상기 저항 R10과 R11의 사이에 연결된다. 상기 구성에서 기준전압에 연결된 저항 R14, R15의 분압전압과 전류검출저항 R16에서 발생하는 전압이 더하여져 검출기U1의 기준입력단자의 내부전압과 비교된다. 따라서 상기 충전전원의 부하전류가 목표하는 전류 Ib에 도달하면, 상기 충전전원의 전류값에 따라 상기 검출기 U1 및 포토커플러 PC1의 발광다이오드에서 제어신호가 발생한다. 이때 상기 충전전원의 전류값이 커지면 전류 제어신호에 의해 제어부 220이 동작을 중단하도록 제어하여 듀티를 감소시키게되며, 이로 인해 출력전류를 일정하게 유지시킬 수 있게 되는 것이다.
상기 전압제어신호 및 전류제어신호는 포토커플러PC1를 통해 제어부220의 스위치소자인 트랜지스터Q2의 베이스 전극에 인가된다. 이때 상기 트랜지스터 Q2는 NPN형 트랜지스터이므로 상기 충전전원의 전압 및 전류 값에 따라 온/오프되어 AC-DC변환기에 스위칭 전원을 공급하게 되며, 이에 따라 안정된 충전전원을 발생할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전회로는 출력단자에 연결된 배터리에 공급되는 전류가 일정 크기에 이를 때까지 출력전압을 일정한 크기로 유지하고, 상기 출력전류가 일정 크기에 이르면 수하 특성을 나타내며, 이때 트랜스포머의 자속을 제어하여 회로에서 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 배터리 충전회로에서 있어서,
    배터리와,
    입력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 배터리에 충전전원으로 공급하는 변환부와,
    독립적인 보조전원을 발생하는 보조전원발생부와,
    상기 보조전원으로 일정전압 및 전류를 감지하기 위한 기준전원을 발생하는 기준전원발생부와,
    상기 충전전원과 상기 기준전원의 전압을 비교하여 일정크기의 정전압으로 유지될 시 전압제어신호를 발생하는 전압감지부와,
    상기 충전전원과 상기 기준전원의 전류를 비교하여 상기 전류가 일정크기의 전류가 될 시 전류제어신호를 발생하는 전류감지부와,
    상기 변환부에 연결되는 스위치소자를 구비하며, 상기 전압제어신호 및 전류제어신호에 의해 스위칭되어 충전 시에 일정 충전전류값에 도달하기까지 충전전압값을 유지하고, 상기 일정 충전전류값에 도달하면 상기 충전전압값을 일정 크기로 조정하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리의 충전회로.
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