KR200359024Y1 - 개별 충전이 가능한 배터리 충전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 복수개의 셀(Cell)들이 상호 직렬 연결된 셀 어셈블리를 충전하는 장치에 관한 것으로서, 각각의 셀에 대응되게 마련되어 셀 양단에 직류전원을 인가하는 복수개의 전원공급부재; 및 상기 셀 양단의 전압 검출치에 따라 선택적으로 상기 전원공급부재를 동작시켜 각각의 셀을 개별적으로 균등하게 충전제어하는 메인 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치가 개시된다.

본 고안에 의하면 상호 직렬 연결된 복수개의 셀들을 균등하게 충전시킴으로써 과충전이나 과방전, 저충전 현상 등을 방지할 수 있다.

Description

개별 충전이 가능한 배터리 충전장치{BATTERY CHARGER CAPABLE OF INDIVIDUAL CHARGING}

본 고안은 배터리 충전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 셀들이 상호 직렬 연결된 셀 어셈블리를 균등하게 충전하기 위한 배터리 충전장치에 관한 것이다.

노트북과 같은 휴대형 단말기를 비롯하여 중장비, 전기 자동차, 전동 공구 등과 같이 충전 전원을 사용하는 각종 제품에는 적정 동작전압 및 충전 용량이 확보되도록 복수개의 셀이 상호 직렬로 연결된 셀 어셈블리를 가진 전원공급장치가 구비되는 것이 일반적이다.

직렬 연결타입의 셀 어셈블리를 충전하기 위해서는 그에 걸맞는 충전장치가 구성되어야 하는 바, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 셀 어셈블리(10)의 최외곽의 양단에 대하여 전원을 인가하여 복수개의 셀을 일괄적으로 충전 제어하는 충전장치(1)가 널리 사용되었다.

그러나, 상기와 같은 구성의 충전장치(1)는 셀간의 용량차이나 임피던스 차이 등에 대한 고려없이 일괄적으로 충전 혹은 방전 동작이 수행되도록 구성됨으로 인해 여타의 셀과는 달리 과충전 되거나, 완전히 충전되지 않은 상태에서 전원 공급이 중단되는 셀이 존재하게 되는 등의 취약점이 있다. 즉, 제조상 오차로 각각의 셀은 그 충/방전 특성이 서로 다르게 제조되므로, 상호 직렬로 연결된 복수의 셀들을 일괄적으로 충전하면 각각의 셀은 상호 다른 충전량 및 전압 레벨로 충전되어 전압편차가 발생하게 된다.

이러한 충전 불균일 현상은 결국 과방전 등을 야기하여 배터리의 수명에 악영향을 끼칠 수 있으며, 충전 용량이 감소되거나 필요한 동작 전압이 얻어지지 않는 등 배터리의 품질을 저하시키는 요인이 된다.

비록, 대안으로 대한민국 실용신안등록 제189819호(셀의 균형 충전이 가능한 배터리 팩)에 게재된 바와 같이 각각의 셀마다 스위치를 구비하여 전원공급을 제어하는 기술이 제시된 바 있으나, 이 기술의 경우 스위치의 응답특성 등을 고려할 때 충전제어의 신뢰도에 한계가 있는 것이 사실이며, 특히 풀(Full)충전시 셀에 흐르는 전류를 바이패스시키는 실시예의 경우에는, 다수의 스위치 중 어느 하나라도 이상이 있을 경우 충전장치 전체의 기능이 마비되는 취약점이 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 셀 어셈블리를 이루는, 상호 직렬 연결된 복수개의 셀들에 대하여 각기 개별적으로 전원을 공급하여 균등한 충전이 이루어지도록 하는 배터리 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 고안의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 고안의 상세한 설명과 함께 본 고안의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 고안은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 배터리 충전장치의 구성을 도시하는 블록도.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치의 구성을 도시하는 블록도.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치의 동작을 도시하는 흐름도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10...셀 어셈블리 100...전원공급부재

101...커런트 레귤레이터 102...피씨엠

103...메인 프로세서 104...리딩수단

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안에 따른 배터리 충전장치는, 복수개의 셀들이 상호 직렬 연결된 셀 어셈블리를 충전하는 장치에 있어서, 각각의 셀에 대응되게 마련되어 셀 양단에 직류전원을 인가하는 복수개의 전원공급부재; 및 상기 셀 양단의 전압 검출치에 따라 선택적으로 상기 전원공급부재를 동작시켜 각각의 셀을 개별적으로 충전제어하는 메인 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 전원공급부재로는 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS)가 채용될 수 있다.

부가적으로, 본 고안에는 각각의 셀과 전원공급부재 사이에 개재되어 과충전 등으로부터 셀을 보호하는 피씨엠(PCM);이 더 포함될 수 있다.

정전류 충전모드시 상기 전원공급부재의 충전전압은 상기 셀의 만충전압보다 높게 설정되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 본 고안에는 각각의 피씨엠과 전원공급부재 사이에 개재되어 전류를 일정하게 유지시키는 커런트 레귤레이터;가 더 포함될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치의 구성을 도시하는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치는 셀 어셈블리(10)를 이루는 각 셀(11)에 대응되게 마련된 전원공급부재(100)와, 상기 셀(11) 양단의 전압 검출치에 따라 각각의 전원공급부재(100)의 동작을 제어하는 메인 프로세서(103)를 포함한다.

셀 어셈블리(10)는 상호 직렬 연결된 복수개의 셀(11)들로 이루어져 해당 제품의 동작을 위한 적정 충전용량 및 방전전압을 제공하게 되며, 방전단은 그 최외곽 양단(A,B 참조)이 해당된다. 상기 셀 어셈블리(10)를 이루는 셀(11)로는 통상의 리튬이온 전지나 리튬폴리머(LiPo) 전지 등과 같은 이차전지가 채용될 수 있다.

전원공급부재(100)는 상기 셀(11)의 충전을 위한 적정 전압의 직류전원을 각각의 셀(11)의 양단에 선택적으로 인가하는 전원장치로서, 셀(11)의 수에 상응하는 수만큼 구비된다. 이러한 전원공급부재(100)로는 외부로부터 교류(AC) 전원을 입력받아 직류(DC)로 변환하여 출력하는 모듈화된 통상의 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS)가 채용되는 것이 바람직하나, 본 고안이 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 직류전원장치가 사용될 수 있음은 물론이다.

메인 프로세서(103)는 상기 셀(11) 양단의 전압 검출치에 따라 각각의 전원공급부재(100)를 선택적으로 온/오프시켜 각 셀(11)을 균등하게 충전제어한다. 이를 위해, 각각의 셀(11) 양단에는 전압의 검출을 위한 리딩수단(104)이 연결되어 셀(11) 양단의 충전전압을 검출하고 이를 상기 메인 프로세서(103)로 전달하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 리딩수단(104)으로는 공지된 다양한 형태의 전압/전류 검출수단이 채용될 수 있다.

바람직하게, 본 고안의 배터리 충전장치에는 통상의 CC-CV 충전 알고리즘이 채용될 수 있다. 여기서, 정전류(Constant Current; CC) 충전모드시 상기 전원공급부재(100)의 충전전압은 셀(11) 고유의 만충전압에 비해 높은 전압으로 설정되어 CC 충전모드의 마지막 구간에서도 충분한 전류가 흐르도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 각각의 셀(11)의 만충전압이 4.2V일 경우 상기 전원공급부재(100)에 의해 셀(11)에 인가되는 충전전압은 대략 6V로 설정될 수 있다.

또한, 상기 정전류 충전모드로부터 정전압(Constant Voltage; CV) 충전모드로 전환시 상기 메인 프로세서(103)의 오류나 상기 전원공급부재(100)의 과도한 충전전압 등에 의해 과충전 현상이 발생하는 것을 방지하도록 각각의 셀(11)과 전원공급부재(100) 사이에는 피씨엠(102)(Protection Circuit Module; PCM)이 더 개재될 수 있다.

부가적으로, 각각의 피씨엠(102)과 전원공급부재(100) 사이에는 커런트 레귤레이터(101)(Current Regulator)가 개재되어 상기 전원공급부재(100)로부터 셀(11)로 흐르는 전류를 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.

그러면, 도 3을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치의 동작을 설명하기로 한다.

메인 프로세서(103)의 제어작용에 의해 전원공급부재(100)인 SMPS들이 턴 온(Turn on) 되면, 각 SMPS에 대응하는 셀(11)의 양단에 전압이 인가되면서 충전 알고리즘이 진행된다(단계 S100).

계속해서, 충전 알고리즘에 따른 각 셀(11)의 충전전압은 리딩수단(104)에 의해 검출되어 상기 메인 프로세서(103)에 전달되고(단계 S110), 메인 프로세서(103)에서는 미리 설정된 충전전압 설정치와 각 셀(11)에 대한 검출치를 비교하여 만충상태 여부를 판단한다(단계 S120).

상기 판단결과, 전압 검출치가 설정치에 도달한 만충상태의 경우 메인 프로세서(103)는 해당 SMPS를 선택적으로 턴 오프(Turn off)시켜 대응하는 셀(11)의 충전을 중단시킨다(단계 S130 및 단계 S140).

반면에, 상기 전압 검출치가 설정치에 도달하지 않은 저충전 상태의 경우 상기 메인 프로세서(103)는 선택적으로 해당 SMPS의 턴 온 상태를 유지하여 대응하는셀(11)에 대한 충전을 지속시킨다(단계 S150 및 단계 S160).

바람직하게, 상기의 충전동작은 CC-CV 충전 알고리즘을 따르는 바, 정전류 충전모드시 각각의 SMPS로부터 해당 셀(11)에 인가되는 충전전압은 셀(11)의 만충전압에 비해 높게 설정됨으로써 정전류 충전모드의 마지막 구간까지 충분한 전류가 흐르게 되며, 정전류 충전모드로부터 정전압 충전모드로 전환시에는 셀(11)과 SMPS 사이에 부가되는 피씨엠(102) 및 커런트 레귤레이터(101)의 작용에 의해 과충전 현상이나 이상전류의 발생이 방지된다.

이상, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 고안에 의하면 상호 직렬 연결되어 셀 어셈블리를 이루는 각각의 셀들이 개별적으로 충전되므로 과충전이나 저충전 현상의 발생없이 균등한 충전이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 고안에 의하면 CC-CV 충전 알고리즘의 채용시 충분한 전류를 공급할 수 있으므로 충전시간을 줄일 수 있는 이점이 있으며, 각각의 셀에 대응하여PCM과 커런트 레귤레이터를 구비함으로써 과충전이나 이상전류 등으로부터 회로를 보호할 수 있다.

따라서, 본 고안을 리튬폴리머 배터리팩 등의 충전장치로 사용할 경우 충전 전원을 안정적으로 공급할 수 있고, 나아가서는 해당 배터리팩이 사용되는 제품의 동작에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (5)

1. 복수개의 셀들이 상호 직렬 연결된 셀 어셈블리를 충전하는 배터리 충전장치에 있어서,

   각각의 셀에 대응되게 마련되어 셀 양단에 직류전원을 인가하는 복수개의 전원공급부재; 및

   상기 셀 양단의 전압 검출치에 따라 선택적으로 상기 전원공급부재를 동작시켜 각각의 셀을 개별적으로 충전제어하는 메인 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전원공급부재가 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS)인 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   각각의 셀과 전원공급부재 사이에 개재되어 과충전 등으로부터 셀을 보호하는 피씨엠(PCM);을 더 포함하는 배터리 충전장치.
4. 제 3항에 있어서,

   정전류 충전모드시 상기 전원공급부재의 충전전압이 상기 셀의 만충전압보다높게 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전장치.
5. 제 3항에 있어서,

   각각의 피씨엠과 전원공급부재 사이에 개재되어 전류를 일정하게 유지시키는 커런트 레귤레이터;를 더 포함하는 배터리 충전장치.