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KR100685449B1 - 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로 - Google Patents

펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로 Download PDF

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KR100685449B1
KR100685449B1 KR1020050106352A KR20050106352A KR100685449B1 KR 100685449 B1 KR100685449 B1 KR 100685449B1 KR 1020050106352 A KR1020050106352 A KR 1020050106352A KR 20050106352 A KR20050106352 A KR 20050106352A KR 100685449 B1 KR100685449 B1 KR 100685449B1
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KR
South Korea
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battery
voltage
temperature
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motor
Prior art date
Application number
KR1020050106352A
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노영배
김흥일
시미즈다카오
Original Assignee
노영배
김흥일
시미즈다카오
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Abstract

본 발명은 모형무선전동기기의 사용되는 배터리 보호회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬계 2차전지를 사용하고 펄스폭 신호로 모터를 구동시키는 모형무선전동기기에 있어서 수신기로부터 수신된 수신펄스신호의 폭을 계측하고 이를 배터리팩 내의 각 전지의 전지전압 또는 배터리팩의 온도에 따라 적절히 제어하여 모터를 구동시킴으로서 배터리를 보호하는 보호회로에 관한 것이다.
본 발명인 모형무선전동기기의 배터리 보호회로는, 배터리팩 내의 각 전지의 전압을 감지하는 전지전압감지부; 펄스폭 크기에 의해 회전속도(RPM)가 결정되는 구동모터로 구동펄스 신호를 송신하여 상기 모터의 RPM을 조절하는 모터속도조절부; 수신기로부터 입력되는 수신펄스 신호의 폭을 계측하고, 상기 전지전압감지부로부터 받은 전압 세기에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하고, 폭이 제어된 펄스를 상기 모터속도조절부로 보내는 제어부;를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 배터리팩의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하여 이루어지고, 상기 제어부는 상기 온도감지부로부터 받은 온도에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하는 것을 특징으로 한다.
모형무선전동기, 배터리, 보호회로, 펄스폭, 온도감지, 전압감지

Description

펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로{PROTECTION CIRCUIT MODULE FOR LITHIUM BATTERY BY CONTROLING PULSE WIDTH}
도 1 은 본 발명에 따른 배터리 보호회로의 개략적인 블록도.
도 2 는 본 발명에 따른 제어부에서의 펄스 폭 제어 절차도.
도 3 은 펄스폭 제어에 의한 모터의 회전 속도를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수신기 20 : 모터
30 : 배터리팩 100 : PCM
110 : 제어부 120 : 전지전압감지부
130 : 온도감지부 140 : 모터속도조절부
본 발명은 모형무선전동기기 등에 사용되는 리튬계2차전지 보호회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬계 2차전지를 사용하고 펄스폭 크기에 의해 회전속도가 결정되는 모터를 사용하는 모형무선전동기기 등에 있어서 수신기로부터 수신된 수신펄스신호의 폭을 계측하고 수신펄스 폭을 배터리팩 내의 각 전지의 전지전압 또는 배터리팩의 온도에 따라 적절히 제어함으로서 모터와 배터리를 보호하는 보호회로에 관한 것이다.
리튬계 2차전지는 휴대전화, 노트북등의 구동전원으로 사용되고 있을 뿐 만 아니라 다양한 전자통신기기의 전원으로 사용되고 있다. 이러한 리튬계 2차전지(리튬폴리마 2차전지, 리튬 이온 2차전지, 니켈 수소 2차전지, 니카드 2차전지 등)는 발전을 거듭하여 기존 민생용 전원기기에서 요구하는 출력(1C:전지가 가지고 있는 용량을 1시간에 전부 방전하는 전력량)보다도 10배 이상의 출력(10C)을 내는 고출력 전지로 발전되었다.
이와 같이 고출력이 가능하여 리튬계2차전지는 최근에 모형무선전동기기(비행기, 헬리콥타, 레이싱카, 보트 등)의 모터를 구동시키는 전원으로 사용되고 있다. 리튬계2차전지는 고출력이 가능하다는 장점을 갖지만 과방전 및 과충전에 취약하다. 예를 들어 리튬폴리마 전지의 경우 과방전으로 전지 전압이 2.5볼트 이하로 떨어지거나 과충전으로 4볼트 이상이 되면 팽창하면서 폭발하는 문제를 갖는다.
모형비행기처럼 구동모터로 추진력을 얻는 모형무선전동기기는 과방전이 빈 번히 이루어진다. 이는 초기 구동시뿐만 아니라 비행중에도 모형비행기의 조종자는 비행속도를 일정하게 유지하지 않고 순간순간 속도를 변경하고 장시간 최고속도로 비행시키려는 경향이 있기 때문이다. 이렇게 비행속도(즉, 모터 회전속도)를 순간순간 올리고 최고속도로 장시간 유지하는 경우에는 리튬폴리마 전지는 대전류를 방전하게 된다.
그런데 이렇게 모타를 빠른 속도로 구동하기 위하여 대전류를 방전해야 하는 문제 때문에 기존에 민생용 전원기기에서 사용하는 종래의 보호회로(전지 전압이 일정범위를 벗어나면 전지의 방전을 무조건 차단한다.)를 사용하기를 모형비행기 조종자들이 꺼려 보호회로(PCM) 없이 전지를 사용하는 경우에는 전지의 수명이 단축되고, 연속적인 과방전시에는 모터가 파손되거나 전지가 폭발하고, 방전중 배터리팩의 온도가 상승하여 화재가 발생하는 등의 문제들이 발생 한다.
종래의 고출력 리튬폴리마 2차전지를 전원으로 사용하는 모형무선전동기기(모형무선비행기, 모형무선 핼리콥타, 모형 무선 레이싱카, 모형무선 보트 등)는 보호회로(PCM)의 일부기능(과방전방지기능; 전지가 일정전압 이하로 떨어지면 전지와 모터의 연결을 차단)을 모터속도조절부에 부여하여 전지를 방전시킴으로써 모형무선전동기기를 구동하였다.
모터속도조절부에 PCM기능을 부여하는 경우에는 모터속도조절부 본래의 역할(모터에 전력공급 및 펄스폭에 의한 RPM 조절) 때문에 회로가 복잡하게 되어 불량율이 증가하고 범용성이 떨어져서 전지의 배열(직병열 배열)이 바뀌는 경우는 모터 속도조절부 전체를 사용할 수 없게 되어 전지배열에 맞는 고가의 모터속도조절부를 재 구입하여야 하는 등 금전적 손실과 불편이 가중되어 왔다.
또한 모형무선전동기기는 민생용 전자기기에 사용되는 일반 PCM을 사용하는 경우에는 비행중에 리튬폴리마를 보호하기 위하여 전지전압이 감소(2.5V이하)할 때 전지로부터 공급전류가 끊어지게 된다. 따라서 모터속도조절부에 탑재되어있는 BEC(Battery Eliminate Circuit)를 통해서 수신기와 모터에 공급되는 전원도 끊어지게 되어 더 이상의 조종이 불가능하게 됨에 따라서 비행기기를 바람에 날려보내게 되어 비행기기를 추락시키거나 잃어버리는 결과를 초래한다. 또한 RC 구동 모타에 대전류를 공급하기 위하여 PCM 상에 대전류용 MOSFET등을 탑재해서 전류를 끊을 필요가 있어 크고 무거운 제어소자가 필요할 뿐만 아니라 회로에 열이 발생한다. 또한 리튬폴리마 전지의 용량 및 직병렬 구성등을 바꾸는 경우에는 모터속도조절부측의 보호전압설정 및 전류 제한(Limit) 설정도 변경할 필요가 있어 이를 바꾸지 않고 비행시키는 경우에는 리튬폴리마 2차전지를 파괴시키는 결과를 낳게 한다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 고안된 것으로 기존의 PCM과 같이 전지를 보호하는 기능을 구현하면서도 대전류 방전시에도 사용가능한 새로운 용도의 모형무선전동기기의 배터리 보호회로(PCM)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로는,
배터리팩 내의 각 전지의 전압을 감지하는 전지전압감지부;
펄스폭 크기에 의해 회전속도(RPM)가 결정되는 구동모터로 구동펄스 신호를 송신하여 상기 모터의 RPM을 조절하는 모터속도조절부;
수신기로부터 입력되는 수신펄스 신호의 폭을 계측하고, 상기 전지전압감지부로부터 받은 전압 세기에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하고, 폭이 제어된 펄스를 상기 모터속도조절부로 보내는 제어부;를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 배터리팩의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하여 이루어지고, 상기 제어부는 상기 온도감지부로부터 받은 온도에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제어부는 펄스 폭 제어의 기준이 되는 기준전압 및 기준온도 그리고 이에 따른 펄스폭크기가 설정되어 있는 설정부와, 상기 기준전압 및 기준온도와 상기 전지전압감지부 및 온도감지부에서 감지되는 전압 및 온도를 비교하는 비교부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제어부의 설정부에 설정되는 기준전압 및 기준온도는 단계적으로 이루어지고, 이에 따라 모터를 구동시키는 펄스폭의 제어도 상기 전지전압감지부 또는 온도감지부에서 감지되는 전압 또는 온도에 따라 단계적으로 행해지는 것을 특징으 로 하며,
상기 제어부는 상기 전지전압감지부 또는 온도감지부에서 감지되는 전압 또는 온도가 상기 설정부에 설정된 최저전압 보다 작거나 최고온도 보다 높은 경우에는 펄스폭을 상기 모터를 구동시키는데 필요한 폭 이하로 제한하여 모터를 정지시키는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 리튬폴리머2차전지 보호회로의 개략적인 블록도를 도시한 도1을 참조하면,
배터리팩(30) 내의 각 전지(31~35)의 전압을 감지하는 전지전압감지부(120), 배터리팩(30)의 온도를 감지하는 온도감지부(130), 구동모터(20)로 구동펄스 신호를 송신하여 상기 모터(20)의 RPM을 조절하는 모터속도조절부(150), 그리고 수신기(10)로부터 펄스신호를 수신하여 계측하고 온도감지부(130)와 전지전압감지부(120)에서 감지되는 온도와 전압에 따라 모터속도조절부(140)의 펄스신호의 폭을 제어하는 제어부(110)를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 제어부(110)에 안정적인 구동전압(5V)을 공급하기 위한 레귤레이터(111)가 제어부(110)와 배터리팩(30)을 연결하며, 제어부(110)의 설정부에 설정되는 기준전압, 기준온도, 최대 펄스폭 등을 위한 프로그래밍포트(112)가 제어부(110)에 연결되어 있다.
상기 배터리팩(30) 내에는 다수의 리튬폴리머 전지(31~35)가 모터기동 전력에 맞게 직병렬 연결되어 있다.
상기 전지전압감지부(120)는 각각의 전지(31~35)와 연결되어 각 전지(31~35)의 전압을 감지하고, A/D 컨버터를 구비하여 감지된 전압의 크기를 디지털화하여 제어부(110)로 전송한다.
상기 온도감지부(130)는 배터리팩(30) 내부온도(또는 각 전지의 표면온도)를 써미스터로 감지하고 이를 제어부(110)로 전송한다.
상기 모터속도조절부(140)는 배터리팩(30)과 연결되어 모터(20)로 구동전원을 공급하고 제어부(110)로부터 펄스폭이 제어된 펄스신호를 수신하고 이를 이용하여 모터(20)의 회전속도를 조절한다. 또한, 비행기 날개 각도 등을 조절하는 서보모터에 구동전원을 공급하고 펄스신호를 전달한다.
상기 제어부(110)는 수신기(10)로부터 펄스신호를 수신하여 그 폭을 계측하며, 상기 전지전압감지부(120)로부터 받은 전압과 상기 온도감지부(130)로부터 받은 온도에 따라 수신된 펄스신호의 폭을 제어하여 상기 모터속도조절부(140)로 전달한다.
도면에 도시하지 않았으나 상기 제어부(110)는 펄스 폭 제어의 기준이 되는 기준전압 및 기준온도 그리고 이에 따른 펄스폭크기가 설정되어 있는 설정부와, 상기 기준전압 및 기준온도와 상기 전지전압감지부(120) 및 온도감지부(130)에서 감지되는 전압 및 온도를 비교하는 비교부를 포함한다.
일반적으로 모형무선전동기기에서는 RC용 수신기에서 나오는 펄스 신호 폭에 따라서 모터의 회전속도를 설정하게 된다. 예를 들어서 펄스 폭이 1mS 에서 2mS 인 신호에 의해 모터 속도가 제어되는 모형무선전동기의 경우 수신되는 펄스폭이 1mS라면 모터는 회전하지 않고 펄스 폭이 증가함에 따라 회전속도도 차츰 증가하고 펄스폭이 2mS가 되면 모터는 최고속도로 회전한다.
그런데 이러한 모형무선전동기기를 조종하는 사람은 빠른 속도를 원하기 마련이어서 계속해서 펄스폭이 2mS인 신호를 보내게 된다. 이럴 경우 리튬폴리마 전지의 계속된 고출력 과방전으로 배터리팩(30)의 온도가 상승하여 화재가 발생하거나 전지(31~35)의 전압이 떨어져 폭발(리튬폴리마 전지는 전압이 2.5V 이하나 4V 이상이 되면 팽창하다가 폭발하는 성질을 갖는다.)하거나 모터(20)가 계속된 고속회전으로 타버리게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 제어부(110)를 통해 수신기(10)로부터 수신된 펄스신호를 일정조건하에서 그 폭을 제한시켜 모터(20)의 회전속도를 제어하고 이에 따라 전지의 과방전도 제어함으로서 모터 및 전지를 보호한다. 즉, 펄스 폭에 리미트가 설정되면 파워를 낮추는 방향으로 펄스 신호를 제어하게 되어 결과적으로 모타의 구동 전력이 줄어들게 되어 비행체는 서서히 속도를 줄이게 되고 전지는 더 이상의 발열이나 과방전이 억제되어 비행체(모터) 및 전지 모두를 보호할 수 있게 된다.
이와 같이 모터 및 전지를 보호하기 위하여 제어부(110)를 통하여 펄스폭을 제어하는 과정을 도2에 도시하고, 도3에는 펄스폭 제어에 따른 모터의 회전속도 변화를 도시 하였다. 참고로, 모터를 구동시키는 펄스폭이 1ms에서 2ms 사이인 것을 전제로 하였으며, 전압은 리튬폴리머 전지를 기준으로 하였다. 이하 도면을 참고하여 펄스폭 제어 과정을 설명한다.
우선, 제어부(110)는 수신기(10)로부터 수신되는 수신펄스의 폭을 계측하고(S10),
전지전압감지부(120)로부터 수신되는 배터리팩(30) 내의 각 전지(31~35)의 각 단자전압이 어느 하나라도 2.5V 이하일 경우에는 수신된 펄스폭을 최대 1ms로 제한하여 모터속도조절부(140)로 보냄으로서 모타(20)를 정지시킨다(펄스폭이 1ms이하인 경우 모터가 구동되지 아니하도록 설정한 경우이다.)(S20,S21)
온도감지부(130)로부터 수신되는 배터리팩(140) 내의 온도가 65도 이상이면 수신된 펄스폭을 최대 1ms로 제한하여 모터속도조절부(140)로 보냄으로서 모타(20)를 정지시킨다.(S30,S31)
그리고 배터리팩(140) 내의 온도가 65도 이하인 경우 5도 마다 수신된 펄스폭의 최대치 이하로 제한한다. 즉 수신된 펄스폭이 설정된 최대 펄스폭 이하라면 그대로 모터속도조절부(140)로 전달하고, 신된 펄스폭이 설정된 최대 펄스폭 이상이라면 최대 펄스폭으로 제한하여 모터속도저절부(140)로 전달한다.(S40,S41,S50,S51)
참고로, 전압과 관련한 펄스폭 제어는 2.5V 이하로 떨어진 경우 모터를 바로 정지시키는 1단계로 도시되었으나, 이는 조종자 들이 빠른 속도감을 원하는 것을 반영한 것으로, 전압도 온도와 마찬가지로 펄스폭을 단계적으로 제한할 수 있음은 당연하다.
상기한 바와 같이 본 발명은 PCM이 수신기의 펄스 폭을 제어하여 모타의 회전속도를 효과적으로 제어함을 알 수 있다. 결과적으로 PCM이 작동하게 되면 전지는 더 이상의 방전이 억제되어 결과적으로 전지를 보호하게 되는 것이다.
본 발명의 특징은 리튬폴리마 전지의 발열 및 각 전지의 과방전 전압을 감시하여 RC용 수신기로부터 수신되는 수신펄스의 폭에 리미트(Limit) 기능을 부여함으로써 모터를 구동시키는 파워가 증가하는 것을 방지하도록 하여 결과적으로 전지의 발열 및 과방전 보호 기능을 갖도록 하는 것이다. 이러한 의미에서 본래의 민생용 전원기기에 사용되는 PCM과는 다르지만 결과적으로 같은 기능(전지보호)을 구현하는 배터리 보호회로이다. 또한 본 발명의 PCM회로에는 대전류가 흐르는 전력선이 없고(모터속도조절부 제외) 센서 기능만을 가지고 있기 때문에 회로가 간단하고 가격이 저렴하며 다양한 전지배열(직병렬)에서도 사용할 수 있는 등 범용성이 풍부하기 때문에 어떠한 모터 및 RC 수신기에도 접속이 가능하며 특별한 설정조작이 불필요한 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 모형무선전동기기의 배터리 보호회로에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 배터리팩 내의 각 전지의 전압을 감지하는 전지전압감지부;
    펄스폭 크기에 의해 회전속도(RPM)가 결정되는 구동모터로 구동펄스 신호를 송신하여 상기 모터의 RPM을 조절하는 모터속도조절부;
    수신기로부터 입력되는 수신펄스 신호의 폭을 계측하고, 상기 전지전압감지부로부터 받은 전압 세기에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하고, 폭이 제어된 펄스를 상기 모터속도조절부로 보내는 제어부;를 포함하여 이루어진 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리팩의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제어부는 상기 온도감지부로부터 받은 온도에 따라 상기 수신펄스의 폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 펄스 폭 제어의 기준이 되는 기준전압 및 기준온도 그리고 이에 따른 펄스폭크기가 설정되어 있는 설정부와, 상기 기준전압 및 기준온도와 상기 전지전압감지부 및 온도감지부에서 감지되는 전압 및 온도를 비교하는 비교부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부의 설정부에 설정되는 기준온도는 단계적으로 설정되고, 이에 따라 펄스폭의 제어도 상기 온도감지부에서 감지되는 온도에 따라 단계적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부의 설정부에 설정되는 기준전압은 최저전압만이 설정되고, 이에 따라 펄스폭의 제어도 상기 전지전압감지부에서 감지되는 전압이 기준전압 이하가 되는 경우에만 행해지는 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전지전압감지부 또는 온도감지부에서 감지되는 전압 또는 온도가 상기 설정부에 설정된 최저기준전압 보다 작거나 최고기준온도 보다 높은 경우에는 펄스폭을 상기 모터를 구동시키는데 필요한 폭 이하로 제한하여 모터 를 정지시키는 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전지는 리튬폴리마 전지이고, 상기 최저기준전압은 2.5볼트이고, 상기 최고기준온도는 65도 인 것을 특징으로 하는 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로.
KR1020050106352A 2005-10-31 2005-11-08 펄스폭제어에 의한 리튬계2차전지 보호회로 KR100685449B1 (ko)

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