KR100824888B1 - 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법 - Google Patents

하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 적어도 두개의 전원 소스를 하나의 회로로 전원 관리하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩은 스위칭 회로를 갖는 제1전원 소스와, 제1전원 소스에 병렬로 연결된 동시에, 다른 스위칭 회로를 갖는 제2전원 소스와, 제1,2전원 소스에 직렬로 연결된 동시에, 제1,2전원 소스의 전류를 센싱하는 전류 센서와, 제1,2전원 소스의 전압을 센싱하여, 제1,2전원 소스가 과충전 또는 과방전되지 않도록 하는 동시에, 전류 센서에 의한 전류를 이용하여, 제1,2전원 소스의 전체 용량을 계산하는 하나의 제어부로 이루어진다.
Figure R1020060079513
하이브리드 배터리 팩, 과충전, 과방전, 스위칭 회로, 용량, 제어부

Description

하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법{Hybrid battery pack, and charging method and discharging method thereof}
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩중 예비충전/충전/방전 스위치와 주 스위칭 회로 사이의 관계를 도시한 회로도이고, 도 2b는 보조 스위칭 회로와 퓨즈 사이의 관계를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩의 충전 방법을 도시한 플로우 챠트이다.
도 4a는 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩의 방전 방법을 도시한 플로우 챠트이고, 도 4b는 그 타이밍 챠트이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1000; 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩
1100; 제1전원 소스 1110; 제1배터리 셀
1120; 제1주 스위칭 회로 1122; FET 제어 회로
1130; 제1예비충전/충전/방전 스위치 1131; 제1충전 스위치
1132; 제1예비 충전 스위치 1133; 제1방전 스위치
1140; 제1보조 스위칭 회로 1142; 제1스위치
1150; 제1퓨즈 1151; 제1온도 퓨즈
1152; 제1가열 저항 1160; 제1온도 센서
1200; 제2전원 소스 1210; 제2배터리 셀
1220; 제2주 스위칭 회로 1230; 제2예비충전/충전/방전 스위치
1240; 제2보조 스위칭 회로 1250; 제2퓨즈
1260; 제2온도 센서 1300; 전류 센서
1400; 제어부 1500; 외부 시스템
1510; 부하 1520; 충전 회로
본 발명은 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 서로 다른 적어도 두개의 전원 소스를 수용하는 동시에 전원 관리 및 제어는 하나의 회로로 구현할 수 있는 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법 및 방전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용 전자기기는 충전 가능한 전원 소스에 의해 전력을 공급받으며, 그 전원 소스에 의한 전원 공급 가능 시간에 따라 그 휴대용 전자기기의 사용 가능 시간도 결정된다. 따라서, 상기 휴대용 전자기기의 사용 가능 시간을 연장시키기 위해서는, 상기 전원 소스를 수시로 충전하여야 한다.
상기 휴대용 전자기기의 사용 가능 시간을 극대화하기 위해, 두개의 전원 소스를 하나의 휴대용 전자기기에 장착하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 같은 크기 및 같은 화학적 성질을 갖는 두개의 전원 소스를 구비하고, 이를 하나의 휴대용 전자기기에 장착하는 것이다.
그러나, 이러한 방법은 충전 및 방전을 제어하기 위한 회로가 각각의 전원 소스에 설치되어야 할 뿐만 아니라, 각 전원 소스의 용량 계산을 위한 퓨엘 게이지 회로 또는 마이크로 컴퓨터가 각각 구비됨으로써, 전원 소스의 가격이 비싸지는 문제가 있다.
더불어, 종래의 방법은 형상 및 화학적 성질이 완전히 동일한 배터리 셀을 이용하기 때문에, 추가적인 공간이 필요하게 되며, 따라서 부피당 에너지 사용 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 다른 적어도 두개의 전원 소스를 수용하는 동시에, 용량 계산이나 전원 관리 및 제어는 하나의 회로로 구현할 수 있는 하이브리드 배터리 팩 및 그것의 충전 방법과 방전 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩은 스위칭 회로를 갖는 제1전원 소스와, 상기 제1전원 소스에 병렬로 연결된 동시에, 다른 스위칭 회로를 갖는 제2전원 소스와, 상기 제1,2전원 소스에 직렬로 연결된 동시 에, 상기 제1,2전원 소스의 전류를 센싱하는 전류 센서와, 상기 제1,2전원 소스의 전압을 센싱하여, 상기 제1,2전원 소스가 과충전 또는 과방전되지 않도록 하고, 상기 전류 센서로부터 얻은 전류량을 이용하여, 상기 제1,2전원 소스의 전체 용량을 계산하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 제1전원 소스 또는 제2전원 소스는 연료 전지, 태양 전지, 원통형 리튬 이온 전지, 각형 리튬 이온 전지, 파우치형 리튬 폴리머 전지 또는 파우치형 리튬 이온 전지중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1전원 소스 및 제2전원 소스는 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압중 적어도 어느 하나가 서로 다른 배터리 셀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 전압이 과충전 전압일 경우 각각의 스위칭 회로에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 스위칭 회로가 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 충전을 정지하도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 전압이 과방전 전압일 경우 각각의 스위칭 회로에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 스위칭 회로가 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 방전을 정지하도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 온도를 센싱하여, 허용 온도 이상일 경우 각각의 스위칭 회로에 충전 정지 신호 또는 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 스위칭 회로가 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 충전 또는 방전을 정지하도록 할 수 있다.
또한, 상기 제1전원 소스의 스위칭 회로는 상기 전류 센서로부터 전류를 감 지하여, 과전류시 제1전원 소스의 충전 또는 방전을 정지할 수 있다.
또한, 상기 제2전원 소스의 스위칭 회로는 상기 전류 센서로부터 전류를 감지하여, 과전류시 제2전원 소스의 충전 또는 방전을 정지할 수 있다.
또한, 상기 제1전원 소스는 충방전 경로에 설치된 퓨즈를, 과충전시 끊을 수 있도록, 보조 스위칭 회로가 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 제2전원 소스는 과충전시 충방전 경로에 설치된 퓨즈를 끊을 수 있도록 보조 스위칭 회로가 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 통신 라인을 이용하여 제1전원 소스 및 제2전원 소스의 용량 정보를 합산하여 외부 시스템에 전달할 수 있다.
또한, 상기 제1전원 소스는 충방전 경로에 충전 스위치 및 방전 스위치가 직렬로 연결되고, 이러한 스위치는 그것의 스위칭 회로에 의해 온/오프될 수 있다.
또한, 상기 제2전원 소스는 충방전 경로에 충전 스위치 및 방전 스위치가 직렬로 연결되고, 이러한 스위치는 그것의 스위칭 회로에 의해 온/오프될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 적어도 두개의 전원 소스 및 이들을 제어하는 한개의 제어부로 이루어진 하이브리드 배터리 팩을 충전 회로에 연결하여 충전하는 방법에 있어서, 본 발명은 상기 제어부가 모든 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와, 상기 충전 회로가 충전 전류의 생성을 정지하는 단계와, 상기 충전 회로가 상기 제어부에게 충전할 전원 소스의 정보를 요구하는 단계와, 상기 제어부가 충전할 전원 소스를 선택함과 동시에, 그것을 상기 충전 회로에 연결하여 충전 경로를 확보하는 단계와, 상기 제어부가 충전할 전원 소스의 정보와 그것의 충전 준비 완 료 신호를 상기 충전 회로에게 전송하는 단계와, 상기 충전 회로가 충전 전류를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 적어도 두개의 전원 소스 및 이들을 제어하는 한개의 제어부로 이루어진 하이브리드 배터리 팩을 부하에 연결하여 방전하는 방법에 있어서, 본 발명은 상기 부하에 대하여 방전을 종료할 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와, 상기 부하에 대하여 새롭게 방전을 시작할 다른 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와, 상기 새롭게 방전을 시작할 전원 소스를 부하에 연결하여 방전 경로를 확보하는 단계와, 상기 방전을 종료할 전원 소스의 방전 경로를 부하로부터 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 부하에 대한 어느 한 전원 소스로부터 다른 전원 소스로 방전 경로가 바뀔 경우, 소정 시간 동안 두 전원 소스의 방전 경로가 동시에 상기 부하에 연결되도록 할 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명은 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 서로 다른 전원 소스를 함께 수용함으로써, 공간상의 제약을 극복할 수 있고, 또한 부피당 에너지 사용 효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 하나의 제어부가 적어도 두개의 전원 소스를 동시에 관리할 뿐만 아니라, 두 전원 소스의 용량을 각각 계산하고, 이를 합산하여 외부 시스템에 알려줌으로써, 회로 소자 개수를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 하이브리드 배터리 팩 전체의 용량을 정확히 알 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 두 전원 소스의 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 모두 다르다고 해도 충전시 그 충전할 전원 소스의 정보(예를 들면 충전 C-rate)가 충전 회로에 전송되고, 이어서 충전 회로가 그 충전할 전원 소스의 정보에 알맞은 충전 전류를 공급함으로써 상이한 종류의 두 전원 소스를 용이하게 충전할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 두 전원 소스중 어느 하나의 전원 소스가 방전을 정지하고, 다른 전원 소스가 방전을 시작할 경우, 소정 시간동안 두 전원 소스의 방전 경로가 함께 연결됨으로써, 외부 시스템에 대한 전원 공급의 끊김 현상을 방지할 수 있게 된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩(1000)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩(1000)은 제1전원 소스(1100)와, 제2전원 소스(1200)와, 전류 센서(1300)와, 제어부(1400)를 포함한다.
상기 제1전원 소스(1100)는 다시 제1배터리 셀(1110), 제1주 스위칭 회로(1120), 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130), 제1보조 스위칭 회로(1140), 제1 퓨즈(1150) 및 제1온도 센서(1160)를 포함한다. 상기 제1배터리 셀(1110)은 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 연료 전지, 태양 전지 또는 2차 전지가 직렬 또는/ 및 병렬로 연결된 형태일 수 있다. 일례로, 상기 2차 전지는 원통형 리튬 이온 전지, 각형 리튬 이온 전지, 파우치형 리튬 폴리머 전지, 파우치형 리튬 이온 전지 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 제1주 스위칭 회로(1120)는 상기 제1배터리 셀(1110)의 충전 전압 또는 방전 전압을 감지하고, 그 값을 제어부(1400)에 전달하는 역할을 한다. 또한, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)는 제어부(1400)의 제어 신호(즉, 충전 정지 신호, 충전 개시 신호, 방전 정지 신호 및 방전 개시 신호)에 의해 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)를 턴온 또는 턴오프시키는 역할을 한다. 더욱이, 이러한 제1주 스위칭 회로(1120)는 전류 센서(1300)로부터 전류 신호를 감지하여, 그 감지 결과값이 과전류로 판단되면 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)를 턴오프시키는 역할도 한다. 여기서, 상기 제1주 스위칭 회로(1120) 및 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)의 유기적 결합 관계는 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
상기 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)는 제1배터리 셀(1110)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+) 사이의 충방전 경로에 직렬로 연결된 3개의 스위치일 수 있다. 이러한 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)는 상기 제1주 스위칭 회로(1120)에 의한 제어 신호에 의해 턴온 및 턴오프된다. 더불어, 경우에 따라 상기 제1예비충전 스위치는 없을 수도 있다.
상기 제1보조 스위칭 회로(1140)는 예를 들어 상기 제1주 스위칭 회로(1120) 또는 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)가 정상적으로 동작하지 않을 경우 제1퓨즈(1150)를 끊음으로써, 충방전 경로를 차단하는 역할을 한다.
상기 제1퓨즈(1150)는 상기 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)와 팩 양극 단자(P+)의 충방전 경로에 직렬로 연결되어 있다. 상술한 바와 같이 상기 제1퓨즈(1150)는 상기 제1보조 스위칭 회로(1140)의 제어 신호에 의해 끊어지며, 한번 끊어지면 다시 회복되지 않는 특성을 갖고 있다.
상기 제1온도 센서(1160)는 상기 제1배터리 셀(1110)의 온도를 감지하고, 이를 제어부(1400)에 출력한다. 상기 제어부(1400)는 상기 제1온도 센서(1160)로부터 얻은 온도가 허용 온도 이상일 경우, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)에 충전 또는 방전 정지 신호를 출력함으로써, 그 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)중 적어도 어느 하나를 턴오프시켜 충방전 경로가 차단되도록 한다. 물론, 상기 제어부(1400)는 상기 제1온도 센서(1160)로부터 감지된 온도를 이용하여 전원 소스의 용량 보정 용도로 사용하기도 한다. 이러한 온도에 따라 전원 소스의 용량을 보정하는 방법은 이미 당업자에게 주지된 사항이므로 여기서 그 방법에 대하여 설명하지는 않겠다.
상기 제2전원 소스(1200)는 마찬가지로 제2배터리 셀(1210), 제2주 스위칭 회로(1220), 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230), 제2보조 스위칭 회로(1240), 제2퓨즈(1250) 및 제2온도 센서(1260)를 포함한다. 상기 제2배터리 셀(1210)은 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 2차 전지로서, 직렬 또는/ 및 병렬로 연결된 형태 일 수 있다. 일례로, 이러한 2차 전지는 원통형 리튬 이온 전지, 각형 리튬 이온 전지, 파우치형 리튬 폴리머 전지, 파우치형 리튬 이온 전지 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
여기서, 중요한 것은 상기 제1전원 소스(1100)의 제1배터리 셀(1110)과 제2전원 소스(1200)의 제2배터리 셀(1210)이 형상, 화학적 성질, 용량, 충전 전압 또는 충전 전류 등이 서로 상이할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 상기 제1배터리 셀(1110)이 연료 전지 또는 태양 전지라면, 상기 제2배터리 셀(1210)은 리튬 이온 전지(원통형 리튬 이온 전지, 각형 리튬 이온 전지, 파우치형 리튬 폴리머 전지, 파우치형 리튬 이온 전지) 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 제1전원 소스(1100)가 리튬계 배터리 셀이라면, 상기 제2배터리 셀(1210)은 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 또는 그 등가물중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 제1전원 소스(1100)의 용량과 제2전원 소스(1200)의 용량은 서로 다를 수 있다. 더욱이, 상기 제1전원 소스(1100)의 충전 전압, 충전 전류와 제2전원 소스(1200)의 충전 전압, 충전 전류도 서로 다를 수 있다.
상기 제2주 스위칭 회로(1220)는 상기 제2배터리 셀(1210)의 충전 전압 또는 방전 전압을 감지하고, 그 결과를 제어부(1400)에 전달한다. 또한, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)는 제어부(1400)의 제어 신호(즉, 충전 정지 신호, 충전 개시 신호, 방전 정지 신호 및 방전 개시 신호)에 의해 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)를 턴온 또는 턴오프시키는 역할을 한다. 더욱이, 이러한 제2주 스위칭 회로(1220)는 전류 센서(1300)로부터 전류 신호를 감지하며, 그 감지 결과가 과전류 로 판단되면 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)를 턴오프시키는 역할도 한다.
상기 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)는 제2배터리 셀(1210)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+) 사이의 충방전 경로에 직렬로 연결된 3개의 스위치일 수 있다. 이러한 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)는 상기 제2주 스위칭 회로(1220)에 의한 제어 신호에 의해 턴온 및 턴오프된다. 물론, 상기 제2예비충전 스위치는 경우에 따라 없을 수도 있다.
상기 제2보조 스위칭 회로(1240)는 예를 들어 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)가 정상적으로 동작하지 않을 경우 제2퓨즈(1250)를 끊는 역할을 한다.
상기 제2퓨즈(1250)는 상기 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)와 팩 양극 단자(P+)의 충방전 경로에 직렬로 연결되어 있다. 상술한 바와 같이 상기 제2퓨즈(1250)는 상기 제2보조 스위칭 회로(1240)의 제어 신호에 의해 끊어지며, 한번 끊어지면 다시 회복되지 않는 특성을 갖는다.
상기 제2온도 센서(1260)는 상기 제2배터리 셀(1210)의 온도를 감지하고, 이를 제어부(1400)에 출력한다. 상기 제어부(1400)는 상기 제2온도 센서(1260)로부터 얻은 온도가 허용 온도 이상일 경우, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)에 충전 또는 방전 정지 신호를 출력함으로써, 그 제2주 스위칭 회로(1220)가 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)중 적어도 어느 하나를 턴오프시켜 충방전 경로가 차단되도록 한다. 더불어, 상술한 바와 같이 상기 제어부(1400)는 상기 제2온도 센서(1260)로부터 얻은 온도를 이용하여 용량 보정을 수행하기도 한다.
여기서, 상기 제2퓨즈(1250)(또는 제1퓨즈(1150)) 및 제2보조 스위칭 회 로(1240)(제1보조 스위칭 회로(1140))는 본 발명의 구성 요소로 채택되지 않을 수도 있다. 즉, 상기 제1퓨즈(1150)(또는 제2퓨즈(1250))를 노드 N1과 팩 양극 단자(P+) 사이에 설치하고, 제1보조 스위칭 회로(1140)(또는 제2보조 스위칭 회로(1240))가 제1주 스위칭 회로(1120) 또는 제2주 스위칭 회로(1220) 등이 정상적으로 동작하지 않을 경우 동작되도록 프로그램을 셋팅해 놓는다면 상기 제2퓨즈(1250)(또는 제1퓨즈(1150)) 및 제2보조 스위칭 회로(1240)(제1보조 스위칭 회로(1140))를 생략할 수도 있다.
상기 전류 센서(1300)는 노드 N2와 팩 음극 단자(P-) 사이의 충방전 경로에 직렬로 설치되어 있다. 이러한 전류 센서(1300)는 그것에 인가되는 전압을 전류로 환산하여 제어부(1400), 제1주 스위칭 회로(1120) 및 제2주 스위칭 회로(1220)에 각각 전달하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 상기 전류 센서(1300)는 과전류 여부를 제1주 스위칭 회로(1120) 및 제2주 스위칭 회로(1220)에 알려주는 역할을 하는 동시에, 상기 제어부(1400)에는 전류량을 적산할 수 있도록 하는 역할을 한다.
더욱이, 도 1에서는 1개의 전류 센서(1300)가 설치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 총 3개가 설치될 수도 있다. 예를 들여, 전류 센서(1300)는 제1배터리 셀(1110)의 음극 단자(B-)와 노드 N2 사이, 제2배터리 셀(1210)의 음극 단자(B-)와 노드 N2 사이, 노드 N2와 팩 음극 단자(P-) 사이에 각각 설치될 수 있다. 이와 같이 3개의 전류 센서(1300)를 설치하면, 제1배터리 셀(1110) 및 제2배터리 셀(1210)에 각각 흐르는 과전류 및 전류 누적량을 더욱 정확하게 감지할 수 있고, 또한 제1배터리 셀(1110)과 제2배터리 셀(1210) 전체에 흐르는 과전류 및 전류 누 적량도 더욱 정확하게 감지할 수 있게 된다.
상기 제어부(1400)는 내부에 중앙처리장치(CPU), 램(RAM) 또는 롬(ROM)과 같은 메모리(1410) 및 각종 입출력 포트를 갖는 퓨얼 게이지 IC 또는 마이크로 컴퓨터일 수 있다. 이러한 제어부(1400)는 상술한 바와 같이 제1전원 소스(1100)의 제1주 스위칭 회로(1120)로부터 제1배터리 셀(1110)의 전압 정보를 얻고, 제2전원 소스(1200)의 제2주 스위칭 회로(1220)로부터 제2배터리 셀(1210)의 전압 정보를 얻으며, 또한 상기 전류 센서(1300)로부터 전류 정보(전류 누적량)를 얻는다. 더욱이, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)의 제1온도 센서(1160)로부터 제1배터리 셀(1110)의 온도 정보를 얻고, 제2전원 소스(1200)의 제2온도 센서(1260)로부터 제2배터리 셀(1210)의 온도 정보를 얻는다.
상기 제어부(1400)는 기본적으로 상기 전류 센서(1300)로부터 얻은 전류 누적량을 기초로 하여 쿨롱 카운트(전류 적산)를 수행함으로써 제1전원 소스(1100) 및 제2전원 소스(1200)의 전체 용량 및 잔존 용량을 계산한다. 이러한 전원 소스의 전체 용량 및 잔존 용량 계산은 매우 다양한 방법으로 가능하며 당업자에게는 이미 주지된 사항이므로 여기서 그 전체 용량 및 잔존 용량 계산 방법을 상세하게 설명하지는 않는다. 단, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100) 및 제2전원 소스(1200)의 잔존 용량을 각각 계산하며, 두 전원 소스의 잔존 용량을 합하여 외부 시스템(1500)(부하(1510))에 SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통하여 전송한다. 따라서, 외부 시스템(1500) 즉, 부하(1510)를 통해서는 마치 하나의 전원 소스가 연결된 것처럼 느껴지며, 전체 용량을 쉽게 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)의 제1주 스위칭 회로(1120)로부터 충전 전압 정보 및 방전 전압 정보를 얻는데, 충전 전압이 과충전 전압으로 인식될 경우 충전 정지 신호를 제1주 스위칭 회로(1120)에 출력하고, 방전 전압이 과방전 전압으로 인식될 경우 방전 정지 신호를 제1주 스위칭 회로(1120)에 출력한다. 물론, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)는 충전 정지 신호가 입력될 경우 제1충전 스위치를 턴오프시키고, 방전 정지 신호가 입력될 경우 제1방전 스위치를 턴오프시킨다.
더불어, 상기 제어부(1400)는 제2전원 소스(1200)의 제2주 스위칭 회로(1220)로부터 충전 전압 정보 및 방전 전압 정보를 얻는데, 충전 전압이 과충전 전압으로 인식될 경우 충전 정지 신호를 제2주 스위칭 회로(1220)에 출력하고, 방전 전압이 과방전 전압으로 인식될 경우 방전 정지 신호를 제2주 스위칭 회로(1220)에 출력한다. 물론, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)는 충전 정지 신호가 입력될 경우 제2충전 스위치를 턴오프시키고, 방전 정지 신호가 입력될 경우 제2방전 스위치를 턴오프시킨다.
더욱이, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100) 또는 제2전원 소스(1200)중 어느 하나로부터만 전력이 외부 시스템(1500)에 공급되도록 제어하는 역할을 한다. 예를 들어, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)로부터만 전력이 부하(1510)에 공급되도록 하였다면, 상기 제2전원 소스(1200)에 충전 정지 신호 및 방전 정지 신호를 출력함으로써, 상기 제2전원 소스(1200)가 제1전원 소스(1100)에 의해 충전되지 않도록 한다. 물론, 이와 같이 하여 제2전원 소스(1200)의 방전도 차단된다. 또한, 상기 제어부(1400)는 제2전원 소스(1200)로부터만 전력이 부하(1510)에 공급되도록 하였다면, 상기 제1전원 소스(1100)에 충전 정지 신호 및 방전 정지 신호를 출력함으로써, 상기 제1전원 소스(1100)가 제2전원 소스(1200)에 의해 충전되지 않도록 한다. 이와 같이 하여 제1전원 소스(1100)의 방전도 차단된다. 여기서, 한가지 전제 사항은 이러한 동작이 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)에 부하(1510)가 연결된 경우에 한하여 이러한 동작이 이루어진다는 것이다. 즉, 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)에 충전 회로(1520)가 연결되는 경우에는 약간 다른 메카니즘을 가질 수 있다. 다른 말로, 충전 회로(1520)가 연결된 경우에는 상기 제어부(1400)가 제1전원 소스(1100)와 제2전원 소스(1200)가 순차적으로 충전되도록 하거나 또는 동시에 충전되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)의 제1온도 센서(1160)로부터 얻은 온도 정보가 허용 온도보다 높다고 판단될 경우에는 제1주 스위칭 회로(1120)에 충전 정지 신호 또는 방전 정지 신호를 출력함으로써, 제1주 스위칭 회로(1120)가 충방전 경로를 차단하도록 한다. 즉, 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1충전 스위치 또는 제2방전 스위치를 턴오프시킨다.
또한, 상기 제어부(1400)는 제2전원 소스(1200)의 제2온도 센서(1260)로부터 얻은 온도 정보가 허용 온도보다 높다고 판단될 경우에는 제2주 스위칭 회로(1220)에 충전 정지 신호 또는 방전 정지 신호를 출력함으로써, 제2주 스위칭 회로(1220)가 충방전 경로를 차단하도록 한다. 즉, 제2주 스위칭 회로(1220)가 제1충전 스위치 또는 제2방전 스위치를 턴오프시킨다.
도 2a는 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩(1000)중 제1주 스위칭 회로(1120) 및 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)의 관계를 도시한 회로도이고, 도 2b는 제1보조 스위칭 회로(1140)와 퓨즈(1150) 사이의 관계를 도시한 회로도이다.
도 2a에 도시된 구성은 제1전원 소스(1100)의 제1주 스위칭 회로(1120)와 제1예비충전/충전/방전 스위치(1130)의 구성이지만, 이러한 구성은 제2전원 소스(1200)에 그대로 적용 가능하다. 따라서, 제2전원 소스(1200)에 설치된 제2주 스위칭 회로(1220) 및 제2예비충전/충전/방전 스위치(1230)의 상세한 구성 및 작용 설명은 생략하도록 한다.
먼저 제1배터리 셀(1110)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+)의 충방전 경로에 제1충전 스위치(1131), 제1예비 충전 스위치(1132) 및 제1방전 스위치(1133)가 순차적으로 연결되어 있다. 즉, 상기 제1충전 스위치(1131) 및 제1방전 스위치(1133)는 충방전 경로에 직렬로 연결되어 있고, 상기 예비 충전 스위치(1132)는 충방전 경로에 병렬로 연결되어 있다. 상기 모든 스위치(131,132,133)는 예를 들면 드레인(drain)에서 소스(source)쪽으로 순방향의 기생 다이오드(parasite diode)를 갖는 P채널 전계효과트랜지스터(P-channel Field Effect Transistor)일 수 있으나, 이러한 반도체 소자로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 상기 제1충전 스위치(1131)의 소스와 제1방전 스위치(1133)의 소스는 상호 연결되어 있다. 또한, 상기 제1충전 스위치(1131)의 드레인은 제1배터리 셀(1110)의 양극 단자(B+)에 연결되고, 상기 제1방전 스위치(1133)의 드레인은 팩 양극 단자(P+)에 연결되어 있다. 더불어, 상기 제1예비 충전 스위치(1132)는 소스가 상기 제1충전 스위치(1131)와 제1방전 스위치(1133)의 소스에 각각 연결되어 있고, 드레인은 상기 제1충전 스위치(1131)의 드레인에 저항 R을 경유하여 연결되어 있다. 도면중 미설명 부호 C는 전원 변동 억제용으로 연결된 캐패시터(capacitor)이다.
더불어, 상기 제1충전 스위치(1131), 제1예비 충전 스위치(1132) 및 제1방전 스위치(1133)의 각 게이트는 제1주 스위칭 회로(1120)에 의해 제어되도록 되어 있다. 예를 들어 제1주 스위칭 회로(1120)가 CFET 단자를 통하여 로우(low) 신호를 인가하면 제1충전 스위치(1131)가 턴온되고, PCFET 단자를 통하여 로우 신호를 인가하면 제1예비 충전 스위치(1132)가 턴온되며, DFET 단자를 통하여 로우 신호를 인가하면 제1방전 스위치(1133)가 턴온된다. 물론, 반대로 제1주 스위칭 회로(1120)가 CFET 단자를 통하여 하이(high) 신호를 인가하면 제1충전 스위치(1131)가 턴오프되고, PCFET 단자를 통하여 하이 신호를 인가하면 제1예비 충전 스위치(1132)가 턴오프되며, DFET 단자를 통하여 하이 신호를 인가하면 제1방전 스위치(1133)가 턴오프된다. 물론, 이러한 각 스위치(1131,1132,1133)의 게이트 전압 제어를 위해 제1주 스위칭 회로(1120)에는 FET 제어 회로(1122)가 내장될 수 있다.
이러한 구성에 의해 상기 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1충전 스위치(1131)를 턴오프시키게 되면 제1배터리 셀(1110)의 충전이 정지되고(기생 다이오드에 의해 방전은 가능함), 제1방전 스위치(1133)를 턴오프시키게 되면 제1배터리 셀(1110)의 방전이 정지(기생 다이오드에 의해 충전은 가능함)된다. 물론, 주지된 바와 같이 상기 제1예비 충전 스위치(1132)는 예를 들면 제1배터리 셀(1110)의 전 압이 과방전 전압 이하로 떨어진 경우 충전 전류를 낮추어 배터리 셀에 소정 시간동안 제공함으로써, 상기 제1배터리 셀(1110)이 패스트(fast) 충전할 수 있을 만큼의 전압이 되도록 한다. 이러한 제1충전 스위치(1131), 제1예비 충전 스위치(1132) 및 제1방전 스위치(1133)의 동작은 당업자에게 주지된 사항이므로, 더 이상의 설명은 생략하도록 한다.
도 2b에 도시된 구성은 제1전원 소스(1100)의 제1보조 스위칭 회로(1140)와 제1퓨즈(1150)이지만, 이러한 구성은 제2전원 소스(1200)에 그대로 적용 가능하다. 따라서, 제2전원 소스(1200)의 제2보조 스위칭 회로(1240)와 제2퓨즈(1250)에 대한 구성 및 작용 설명은 생략하도록 한다.
도시된 바와 같이 제1배터리 셀(1110)의 양극 단자(B+)와 팩 양극 단자(P+) 사이의 충방전 경로에 제1퓨즈(1150)가 설치되어 있다. 또한, 제1배터리 셀(1110)의 음극 단자(B-)와 팩 음극 단자(P-) 사이의 충방전 경로에는 상기 제1퓨즈(1150)를 동작시키기 위한 제1스위치(1142)가 연결되어 있다. 더불어, 상기 제1스위치(1142)는 제1보조 스위칭 회로(1140)의 CO 단자에 연결되어 있다.
여기서, 상기 제1퓨즈(1150)는 적어도 하나의 온도 퓨즈(1151)와, 상기 온도 퓨즈(1151)를 용융하여 끊는 가열 저항(1152)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1스위치(1142)는 통상의 N채널 전계효과트랜지스터일 수 있으나, 이러한 소자 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 상기 제1보조 스위칭 회로(1140)가 CO 단자를 통하여 하이 신호를 인가하면, 상기 제1스위치(1142)가 턴온되고, 이에 따라 충전 전류 또는 방전 전류 가 양극 단자(B+ 또는 P+), 온도 퓨즈(1151), 가열 저항(1152) 및 스위치(1142)의 드레인 소스를 통하여 음극 단자(B- 또는 P-)로 흐르게 된다. 따라서, 상기 가열 저항(1152)이 발열하게 되고 이에 따라 온도 퓨즈(1151)가 끊어짐으로써, 충방전 경로가 영구적으로 차단된다. 여기서, 상기 제1보조 스위칭 회로(1140)는 제1주 스위칭 회로(1120) 또는 제1예비 충전/충전/방전 스위치(1130)가 정상적으로 동작되지 않을 경우 동작한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩(1000)의 충전 방법을 도시한 플로우 챠트이다. 여기서, 기본적인 전제 사항은 상술한 바와 같이 적어도 두 개의 전원 소스 및 이들을 제어하는 한 개의 제어부로 이루어진 하이브리드 배터리 팩을 충전 회로에 연결하였을 경우 최초에 어떠한 방식으로 충전할지에 대한 충전 방법에 대한 설명임을 유의한다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩(1000)의 충전 방법은 제어부(1400)에 의한 충전 스위치 턴오프 단계(S31)와, 충전 회로(1520)에 의한 충전 전류 생성 정지 단계(S32)와, 충전 회로(1520)에 의한 전원 소스 정보 요구 단계(S33)와, 제어부(1400)에 의한 소정 전원 소스 선택 및 충전 스위치 턴온 단계(S34)와, 제어부(1400)에 의한 충전할 전원 소스의 정보와 충전 준비 완료 신호 전송 단계(S35)와, 충전 회로(1520)에 의한 충전 전류 생성 단계(S36)를 포함한다.
먼저 상기 제어부(1400)에 의한 충전 스위치 턴오프 단계(S31)에서는, 본 발 명에 의한 하이브리드 배터리 팩(1000)이 외부 시스템(1500)중 충전 회로(1520)에 연결되면, 제1전원 소스(1100) 및 제2전원 소스(1200)의 모든 충전 스위치를 턴오프시킨다. 여기서, 상기 하이브리드 배터리 팩(1000)이 충전 회로(1520)에 연결되면, SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통하여, 하이브리드 배터리 팩(1000)과 충전 회로(1520)가 상호 통신을 시작하기 때문에, 제어부(1400)는 현재 자신이 충전 회로(1520)에 연결되었는지 끊어졌는지를 알 수 있다.
이어서, 상기 충전 회로(1520)에 의한 충전 전류 생성 정지 단계(S32)에서는, 상기와 같이 SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통해 충전 회로(1520)가 상기 하이브리드 배터리 팩(1000)에 연결된 상태를 인식하게 되고, 이에 따라 상기 충전 회로(1520)는 바로 충전 전류의 생성을 정지한다. 물론, 애초에 상기 충전 회로(1520)는 충전 전류를 생성하지 않고 있는 상태일 수도 있으나, 혹시 충전 전류를 생성하고 있다면 그것을 바로 정지한다.
이어서, 상기 충전 회로(1520)에 의한 전원 소스 정보 요구 단계(S33)에서는, 외부 시스템(1500) 즉, 충전 회로(1520)가 충전할 전원 소스의 정보를 요구하는 신호를 SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통하여 상기 제어부(1400)에 요청한다.
이어서, 상기 제어부(1400)에 의한 소정 전원 소스 선택 및 충전 스위치 턴온 단계(S34)에서는, 상기 제어부(1400)가 실제로 충전을 수행한 전원 소스의 충전 스위치를 턴온시키고, 충전을 수행하지 않을 전원 소스의 충전 스위치는 그대로 턴오프 상태가 되도록 한다. 예를 들어, 제2전원 소스(1200)의 제2충전 스위치는 턴오프시키고, 제1전원 소스(1100)의 제1충전 스위치는 턴온시킨다.
이어서, 상기 제어부(1400)에 의한 충전할 전원 소스의 정보와 충전 준비 완료 신호 전송 단계(S35)에서, 상기 제어부(1400)가 실제로 충전할 전원 소스의 정보와 충전 준비 완료 신호를 SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통하여 상기 충전 회로(1520)에 전송한다. 예를 들면, 상기 제어부(1400)는 실제로 충전할 전원 소스의 용량, 충전 전압, 충전 전류, 충전 전압 등의 정보를 상기 충전 회로(1520)에 전송한다. 물론, 당연한 이야기이지만 상기 제어부(1400)에는 각 전원 소스의 용량, 충전 전압, 충전 전류, 충전 전압 등의 정보가 미리 저장되어 있다.
마지막으로, 상기 충전 회로(1520)에 의한 충전 전류 생성 단계(S36)에서는, 상기 충전 회로(1520)가 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)에 소정 충전 전압 및 충전 전류를 제공한다. 일례로, 상기 제어부(1400)가 제1전원 소스(1100)의 제1충전 스위치는 턴온시키고, 제2전원 소스(1200)의 제2충전 스위치는 턴오프시켜 놓은 상태라면, 충전 전류는 충전 회로(1520), 팩 양극 단자(P+), 제1퓨즈(1150), 제1방전 스위치(1132), 제1충전 스위치(1131), 제1배터리 셀(1110)의 양극 단자(B+), 제1배터리 셀(1110)의 음극 단자(B-) 및 전류 센서(1300)를 통하여 흐르게 된다. 만약, 제어부(1400)가 제2전원 소스(1200)의 제2충전 스위치는 턴온시키고, 제1전원 소스(1100)의 제1충전 스위치는 턴오프시켜 놓은 상태라면, 충전 전류는 충전 회로(1520), 팩 양극 단자(P+), 제2퓨즈(1250), 제2방전 스위치, 제2충전 스위치, 제2배터리 셀(1210)의 양극 단자(B+), 제2배터리 셀(1210)의 음극 단자(B-) 및 전류 센서(1300)를 통하여 흐르게 된다.
한편, 이러한 충전 동작중 상기 제어부(1400)는 제1주 스위칭 회로(1120)로 부터 제1배터리 셀(1110)의 과충전 전압이 감지되면, 충전 정지 신호를 그 제1주 스위칭 회로(1120)에 출력함으로써, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1충전 스위치(1131)를 턴오프시키도록 한다.
물론, 제2전원 소스(1200)를 충전중이었다면 상기 제어부(1400)는 제2주 스위칭 회로(1220)로부터 제2배터리 셀(1210)의 과충전 전압이 감지되면, 충전 정지 신호를 그 제2주 스위칭 회로(1220)에 출력함으로써, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)가 제1충전 스위치(1131)를 턴오프시키도록 한다.
더불어, 상기 제어부(1400)는 제1온도 센서(1160)로부터 감지된 제1배터리 셀(1110)의 온도가 허용 온도 이상이라고 판단되면, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 제1전원 소스(1100)의 충전이 정지되도록 한다. 또한, 제어부(1400)는 제2온도 센서(1260)로부터 감지된 제2배터리 셀(1210)의 온도가 허용 온도 이상이라고 판단되면, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 제2전원 소스(1200)의 충전이 정지되도록 한다.
계속해서, 상기 제어부(1400)는 전류 센서(1300)로부터 감지되는 제1전원 소스(1100)의 충전 전류 또는 제2전원 소스(1200)의 충전 전류를 적산함으로써 각각의 충전 용량을 계산하고, 이를 합산하여 전체 충전 용량을 계산하며, 이를 메모리에 저장한다.
도 4a는 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩(1000)의 방전 방법을 도시한 플로우 챠트이고, 도 4b는 그 타이밍 챠트이다. 도 4b에서는 제1전원 소스(1100)가 방전을 멈춤과 동시에 제2전원 소스(1200)의 방전이 시작되는 예가 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩(1000)의 방전 방법은 방전을 종료할 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계(S41)와, 새롭게 방전을 시작할 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계(S42)와, 새롭게 방전을 시작할 상기 전원 소스의 방전 경로를 연결하는 단계(S43)와, 방전을 종료할 상기 전원 소스의 방전 경로를 차단하는 단계(S44)를 포함한다.
먼저, 방전을 종료할 전원 소스(예를 들면, 제1전원 소스(1100))의 충전 경로를 차단하는 단계(S41)에서는, 제어부(1400)가 제1주 스위칭 회로(1120)에 충전 정지 신호를 출력함으로써, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1충전 스위치(1131)를 턴오프하도록 한다. 이에 따라 제2전원 소스(1200)에 의한 제1전원 소스(1100)의 충전이 정지된다. 그러나, 여전히 제1충전 스위치(1131)의 기생 다이오드를 통해서는 제1배터리 셀(1110)이 방전되고 있는 상태이다.
이어서, 새롭게 방전을 시작할 전원 소스(예를 들면, 제2전원 소스(1200))의 충전 경로를 차단하는 단계(S42)에서는, 제어부(1400)가 제2주 스위칭 회로(1220)에 충전 정지 신호를 출력함으로서, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)가 제2충전 스위치를 턴오프하도록 한다. 이에 따라 상기 제2전원 소스(1200)는 제1전원 소스(1100)에 의해 충전이 이루어지지 않는다. 더불어, 이러한 제2충전 스위치는 상기 제2배터리 셀(1210)의 방전 전류가 아주 작을 경우 예를 들면 대략 150mA 이하일 경우에도 자동적으로 턴오프될 수 있다. 즉, 제2배터리 셀(1210)의 방전 전류가 작을 경우 상기 제어부(1400)가 불필요한 전력 낭비를 막기 위해 충전 정지 신호를 상기 제1주 스위칭 회로(1120)에 출력한다.
이어서, 새롭게 방전을 시작할 상기 전원 소스(예를 들면, 제2전원 소스(1200))의 방전 경로를 연결하는 단계(S43)에서는, 제어부(1400)가 제2주 스위칭 회로(1220)에 방전 개시 신호를 출력함으로써, 제2주 스위칭 회로(1220)가 제2방전 스위치를 턴온되도록 한다. 이에 따라 상기 제2전원 소스(1200)는 부하(1510)에 소정 전원을 공급하게 된다.
마지막으로, 방전을 종료할 상기 전원 소스(예를 들면, 제1전원 소스(1100))의 방전 경로를 차단하는 단계(S44)에서는, 제어부(1400)가 제1주 스위칭 회로(1120)에 방전 정지 신호를 출력함으로써, 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1방전 스위치(1132)를 턴오프하도록 한다. 이에 따라 상기 제1전원 소스(1100)로부터의 전원 공급은 중지된다.
이에 따라 본 발명에 의한 하이브리드 배터리 팩(1000)은 방전되는 전원 소스가 바뀌는 경우에도 부하에 대한 전력 공급이 끊기지 않아서, 사용자는 전자 장치를 연속적으로 사용할 수 있게 된다.
한편, 도 4b를 참조하면, 상기 제어부(1400)는 기본적으로 제1전원 소스(1100)의 전력 공급이 끊기기 대략 3초전 그것의 제1충전 스위치(1131)가 턴오프되도록 한다. 따라서, 이때 제1전원 소스(1100)는 노드 N1,N2를 통하여 연결된 제2전원 소스(1200)에 의해 충전되지 않는다. 그러나, 여전히 상기 제1전원 소스(1100)는 제1충전 스위치(1131)의 기생 다이오드에 의해 방전하는 상태이다.
이어서, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)의 전력 공급이 끊기기 대 략 2초전 제2전원 소스(1200)의 제2충전 스위치가 턴오프되도록 한다. 따라서, 이때 제2전원 소스(1200)는 노드 N1,N2를 통하여 제1전원 소스(1100)에 의해 충전되지 않는다. 그러나, 상기 제2전원 소스(1200)는 제2충전 스위치의 기생 다이오드에 의해 방전 가능한 상태이다.
이어서, 상기 제어부(1400)는 제1전원 소스(1100)의 전력 공급이 끊기기 대략 1초전 제2전원 소스(1200)의 제2방전 스위치를 턴온시킨다. 이때, 상술한 바와 같이 제1전원 소스(1100)의 방전 스위치 역시 턴온된 상태이다. 따라서, 예를 들면 대략 1초동안 제1전원 소스(1100)와 제2전원 소스(1200)는 함께 방전되는 상태이다.
이어서, 상기 제어부(1400)는 제2전원 소스(1200)의 제2방전 스위치가 턴온된 후 대략 1초뒤, 상기 제1전원 소스(1100)의 제1방전 스위치(1133)를 턴오프시킨다. 따라서, 제1전원 소스(1100)에 의한 부하(1510)에의 전력 공급은 중단되고, 오로지 제2전원 소스(1200)에 의해서만 부하(1510)에 전력 공급이 이루어진다. 물론, 상술한 바와 같이 소정 시간동안 제1전원 소스(1100)와 제2전원 소스(1200)가 함께 방전되는 시간이 있기 때문에, 전력 공급의 끊김 현상은 전혀 없다.
계속해서, 이러한 방전 동작중 상기 제어부(1400)는 제1주 스위칭 회로(1120)로부터 제1배터리 셀(1110)의 과방전 전압이 감지되면, 방전 정지 신호를 그 제1주 스위칭 회로(1120)에 출력함으로써, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)가 제1방전 스위치를 턴오프시키도록 한다. 물론, 이와 동시에 상기와 같은 단계(S41 내지 S44)를 수행함으로써, 부하(1510)에 끊김없는 전력이 공급되도록 함은 당연하 다.
또한, 제2전원 소스(1200)가 방전중이었다면 상기 제어부(1400)는 제2주 스위칭 회로(1220)로부터 제2배터리 셀(1210)의 과방전 전압을 감지하고, 방전 정지 신호를 그 제2주 스위칭 회로(1220)에 출력함으로써, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)가 제2방전 스위치를 턴오프시키도록 한다.
더불어, 상기 제어부(1400)는 제1온도 센서(1160)로부터 감지된 제1배터리 셀(1110)의 온도가 허용 온도 이상이라고 판단되면, 상기 제1주 스위칭 회로(1120)에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 제1전원 소스(1100)의 방전이 정지되도록 한다. 물론, 이와 동시에 상기와 같은 단계(S41 내지 S44)를 수행함으로써, 부하(1510)에 끊김없는 전력이 공급되도록 함은 당연하다. 또한, 제어부(1400)는 제2온도 센서(1260)로부터 감지된 제2배터리 셀(1210)의 온도가 허용 온도 이상이라고 판단되면, 상기 제2주 스위칭 회로(1220)에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 제2전원 소스(1200)의 방전이 정지되도록 한다.
계속해서, 상기 제어부(1400)는 전류 센서(1300)로부터 감지되는 제1전원 소스(1100)의 방전 전류 또는 제2전원 소스(1200)의 방전 전류를 적산함으로써 각각의 방전 용량 및 잔존 용량을 계산하고, 이를 합산하여 전체 방전 용량 및 잔존 용량을 계산하며, 이를 메모리에 저장한다. 더불어, 이러한 제어부(1400)는 그 전체 방전 용량 및 잔존 용량 정보를 SMBus와 같은 통신 인터페이스를 통하여 외부 부하(1510)에 전송함으로써, 사용자가 액정 화면 등을 통하여 하이브리드 배터리 팩(1000)의 잔존 용량을 정확히 알 수 있게 한다. 물론, 주지된 바와 같이 이러한 전원 소스의 방전 중에는 잔존 용량이 대략 7% 정도 되었을 때 전체 방전 용량의 보정이 이루어지며, 이러한 전체 방전 용량의 보정은 당업자에게 주지된 사항이므로 여기서 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기와 같이 하여 본 발명은 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 서로 다른 전원 소스를 함께 수용함으로써, 공간상의 제약을 극복할 수 있고, 또한 부피당 에너지 사용 효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 하나의 제어부가 적어도 두개의 전원 소스를 동시에 관리할 뿐만 아니라, 두 전원 소스의 용량을 각각 계산하고, 이를 합산하여 외부 시스템에 알려줌으로써, 회로 소자 개수를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 전원 소스 전체의 용량을 정확히 알 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 두 전원 소스의 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압이 모두 다르다고 해도 충전시 그 충전할 전원 소스의 정보(예를 들면 충전 C-rate)가 충전 회로에 전송되고, 이어서 충전 회로가 그 충전할 전원 소스의 정보에 알맞은 충전 전류를 공급함으로써 상이한 종류의 두 전원 소스를 용이하게 충전할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 두 전원 소스중 어느 하나의 전원 소스의 방전이 정지되고, 다른 전원 소스의 방전이 시작될 경우, 소정 시간동안 두 전원 소스의 방전 경로가 함께 연결됨으로써, 외부 시스템에 대한 전원 공급의 끊김 현상을 방지할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하이브리드 배터리 팩 및 그 충전 방법과 방전 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 스위칭 회로를 갖는 제1전원 소스와, 상기 제1전원 소스에 병렬로 연결된 동시에, 다른 스위칭 회로를 갖는 제2전원 소스와, 상기 제1,2전원 소스에 직렬로 연결된 동시에, 상기 제1,2전원 소스의 전류를 센싱하는 전류 센서와, 상기 제1,2전원 소스의 전압을 센싱하여, 상기 제1,2전원 소스가 과충전 또는 과방전되지 않도록 하고, 상기 전류 센서로부터 얻은 전류량을 이용하여, 상기 제1,2전원 소스의 전체 용량을 계산하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1전원 소스는 충방전 경로에 충전 스위치 및 방전 스위치가 직렬로 연결된 동시에, 상기 충전 스위치에 병렬로 연결되되 상호간은 직렬로 저항 및 제1예비 충전 스위치가 연결되고, 상기 충전 스위치, 방전 스위치 및 제1예비 충전 스위치는 제1전원 소스의 스위칭 회로에 의해 온/오프됨을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1전원 소스 또는 제2전원 소스는 연료 전지, 태양 전지, 원통형 리튬 이온 전지, 각형 리튬 이온 전지, 파우치형 리튬 폴리머 전지 또는 파우치형 리튬 이온 전지중 선택된 어느 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1전원 소스 및 상기 제2전원 소스는 형상, 화학적 성질, 용량 또는 충전 전압중 적어도 어느 하나가 서로 다른 배터리 셀을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1전원 소스 또는 상기 제2전원 소스의 전압이 과충전 전압일 경우 각각의 전원 소스의 스위칭 회로에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 전원 소스의 스위칭 회로가 제1전원 소스 또는 제2전원 소스의 충전을 정지하도록 함을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1전원 소스 또는 상기 제2전원 소스의 전압이 과방전 전압일 경우 각각의 전원 소스의 스위칭 회로에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 전원 소스의 스위칭 회로가 상기 제1전원 소스 또는 상기 제2전원 소스의 방전을 정지하도록 함을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1전원 소스 또는 상기 제2전원 소스의 온도를 센싱하여, 허용 온도 이상일 경우 각각의 전원 소스의 스위칭 회로에 충전 정지 신호 또는 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 각각의 전원 소스의 스위칭 회로가 상기 제1전원 소스 또는 상기 제2전원 소스의 충전 또는 방전을 정지하도록 함을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1전원 소스의 스위칭 회로는 상기 전류 센서로부터 전류를 감지하여, 과전류시 상기 제1전원 소스의 충전 또는 방전을 정지함을 특 징으로 하이브리드 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2전원 소스의 스위칭 회로는 상기 전류 센서로부터 전류를 감지하여, 과전류시 상기 제2전원 소스의 충전 또는 방전을 정지함을 특징으로 하이브리드 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1전원 소스는 과충전시 충방전 경로에 설치된 퓨즈를 끊을 수 있도록 보조 스위칭 회로가 더 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제2전원 소스는 과충전시 충방전 경로에 설치된 퓨즈를 끊을 수 있도록 보조 스위칭 회로가 더 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 통신 라인을 이용하여 상기 제1전원 소스 및 상기 제2전원 소스의 용량 정보를 합산하여 외부 시스템에 전달함을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제2전원 소스는 충방전 경로에 충전 스위치 및 방전 스위치가 직렬로 연결된 동시에, 상기 충전 스위치에 병렬로 연결되며 상호간은 직렬로 저항 및 제2예비 충전 스위치가 연결되고, 상기 충전 스위치, 방전 스위치 및 제2예비 충전 스위치는 제2전원 소스의 스위칭 회로에 의해 온/오프됨을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩.
  14. 적어도 두개의 전원 소스 및 이들을 제어하는 한개의 제어부로 이루어진 하이브리드 배터리 팩을 충전 회로에 연결하여 충전하는 방법에 있어서,
    상기 제어부가 모든 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와,
    상기 충전 회로가 충전 전류의 생성을 정지하는 단계와,
    상기 충전 회로가 상기 제어부에게 충전할 전원 소스의 정보를 요구하는 단계와,
    상기 제어부가 충전할 전원 소스를 선택함과 동시에, 그것을 상기 충전 회로에 연결하여 충전 경로를 확보하는 단계와,
    상기 제어부가 충전할 전원 소스의 정보와 그것의 충전 준비 완료 신호를 상기 충전 회로에게 전송하는 단계와,
    상기 충전 회로가 충전 전류를 생성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩의 충전 방법.
  15. 적어도 두개의 전원 소스 및 이들을 제어하는 한개의 제어부로 이루어진 하 이브리드 배터리 팩을 부하에 연결하여 방전하는 방법에 있어서,
    상기 부하에 대하여 방전을 종료할 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와,
    상기 부하에 대하여 새롭게 방전을 시작할 다른 전원 소스의 충전 경로를 차단하는 단계와,
    상기 새롭게 방전을 시작할 전원 소스를 부하에 연결하여 방전 경로를 확보하는 단계와,
    상기 방전을 종료할 전원 소스의 방전 경로를 부하로부터 차단하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩의 방전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 부하에 대한 어느 한 전원 소스로부터 다른 전원 소스로 방전 경로가 바뀔 경우, 소정 시간 동안 두 전원 소스의 방전 경로가 동시에 상기 부하에 연결되도록 함을 특징으로 하는 하이브리드 배터리 팩의 방전 방법.
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