KR100420388B1 - 복수개 전지의 충전방법 - Google Patents

Abstract

복수개 전지를 보다 짧은 시간에 만충전한다. 복수개 전지의 전지 성능을 저하시키지 않고 모든 전지를 신속하게 만충전한다. 저렴하게 제조할 수 있는 충전용 전원으로 복수개 전지를 단시간에 만충전한다.

복수개 전지의 충전방법은 충전용 전원으로 충전할 전지를 시분할로 전환하여 복수개 전지를 펄스 충전하여 만충전한다. 또한, 충전방법은 만충전된 전지 충전이 정지되면 그 다음에 충전할 전지의 충전 타이밍을 앞당겨 충전을 개시한다.

Description

복수개 전지의 충전방법{METHOD FOR CHARGING PLURALITY OF BATTERY}

본 발명은 복수개 전지를 순서대로 펄스 충전하는 충전방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법으로 충전된 전지는 단1 내지 단4 의 2차 전지, 또는 단일 또는 복수개 전지를 내장하고 있는 팩전지이다.

복수개 전지를 만충전하는 종래의 충전방법은 모든 전지를 동시에 충전하는 방법과 충전할 전지를 순서대로 시분할로 전환하여 만충전하는 방법이 있다. 모든 전지를 동시에 충전하는 방법은, 복수개 전지를 직렬로 접속해서 충전하는 방법과 병렬로 접속해서 충전하는 방법이 있다. 직렬로 접속하는 방법은 모든 전지에 같은 충전전류가 흐르기 때문에, 충전을 개시하는 전지의 잔존 용량에 차이가 있으면 모든 전지를 만충전할 수 없다. 잔존 용량이 큰 전지는 과충전되고, 잔존 용량이 작은 전지는 만충전될 수 없기 때문이다. 복수개 전지를 병렬로 접속하는 방법은 모든 전지에 이상적인 상태로 충전 전류를 균일하게 분배하여 충전할 수 없다. 예컨대, 전압이 낮은 전지는 전압이 높은 전지보다 대전류가 흘러 전류를 균일하게 분배할 수 없게 된다. 따라서, 모든 전지를 이상적인 상태로 만충전할 수 없다.

이 결점은 각각의 전지를 최적의 충전전류로 충전하기 위한 전용 충전회로를 설치함으로써 해소할 수 있다. 그러나, 이 방법으로 충전하는 충전기는 충전기 비용이 더 비싸진다. 예컨대, 4 개의 전지를 이상적인 상태로 충전하기 위해서는 4 세트의 충전용 전원을 필요로 하기 때문이다.

1 세트의 충전용 전원에 복수개 전지를 병렬로 연결하는 충전방법은 각각의 전지와 직렬로 충전 전류를 제어하는 전류제어회로를 연결하여 충전전류를 이상적인 상태로 분배하는 것이 이론적으로는 가능하다. 그러나, 전류제어회로는 그자체의 내부 저항을 조정하여 전지의 충전전류를 제어하기 때문에 여기에서 전력을 소비하는 결점이 있어 실용화는 어렵다. 전류제어회로는 대전력을 제어할 수 있는 회로로 설계할 필요가 있어 부품 비용이 비싸진다. 또, 전류제어회로에서 전력을 소비하기 때문에 충전용 전원의 출력전력을 크게 설계해야 할 필요도 있다. 또한, 전류제어회로에서의 발열도 크기 때문에 큰 방열 판을 필요로 하며 이런 점도 부품 비용이 비싸지게 한다.

이 결점은 복수개 전지를 순서대로 전환하여 충전하는 방법으로 해소할 수 있다. 이 충전방법은 만충전된 전지를 순서대로 전환하여 충전하기 때문에, 1 세트의 충전용 전원으로 복수개 전지를 이상적인 충전 전류로 제어하여 만충전할 수 있는 특징이 있다.

이 충전방법은 일본 공개특허공보 평4-105521 호와 동 평3-164034 호에 기재되어 있다. 이들 공보에 기재된 충전방법은 맨처음에 제 1 전지에만 충전 전류를 공급하여 이 전지를 만충전한다. 그 후에 제 1 전지가 만충전되면 제 1 전지의 충전을 차단하여 제 2 전지에만 충전 전류를 공급하여 이 전지를 만충전한다. 이렇게 제 1, 제 2, 제 3 …로 전환하여 전지를 만충전한다.

복수개 전지를 순서대로 전환하여 만충전하는 충전방법은 충전 전류를 작게 하여 순서대로 전지를 만충전할 수 있다. 그러나, 이 충전방법은 모든 전지를 만충전하는 데에 시간이 걸리는 결점이 있다. 만충전 시간을 단축시키기 위해 충전 전류를 크게 하면 전지 성능이 저하된다. 전지는 바람직한 상태로 충전할 수 있는 최대 전류가 제한되기 때문이다. 대전류로 급속 충전하면 전지 온도가 상승되거나 전지에 나쁜 영향을 미쳐 전지의 전기적인 성능을 저하시킨다.

이 결점은 도 1 에 나타낸 바와 같이 복수개 전지를 충전하는 타이밍을 시분할로 전환하여 순서대로 펄스 충전하는 방법으로 해소할 수 있다. 이 도면은 제 1 전지, 제 2 전지, 제 3 전지, 제 4 전지 순서대로 충전하는 순서를 시분할로 전환하여 반복 펄스 충전하는 상태를 나타내고 있다. 또, 이 도면은 처음에 제 1 전지가 만충전되고 이어서 제 3 전지가 만충전되는 상태를 나타내고 있다. 만충전된 전지는 충전이 정지되므로 충전을 중단시킨다.

도 1 에 나타낸 바와 같이 복수개 전지를 시분할로 펄스 충전하는 방법은 모든 전지를 만충전한 후에 충전을 전환하는 방법과 비교하여 충전 시간을 단축시킬 수 있다. 그러나, 만충전된 전지를 충전하는 타이밍에서는 일시적으로 충전을 정지시키기 때문에 가장 이상적인 상태로 모든 전지를 단시간에 만충전할 수 없다.

본 발명은 또한 이 결점을 해소하는 것을 목적으로 개발된 것으로, 본 발명의 중요한 목적은 복수개 전지를 보다 짧은 시간에 만충전할 수 있는 충전방법을 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 중요한 목적은 복수개 전지의 전지 성능을 저하시키지 않고 모든 전지를 신속하게 만충전할 수 있는 복수개 전지의 충전방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또다른 중요한 목적은 저렴하게 제조할 수 있는 충전용 전원으로 복수개 전지를 단시간에 만충전할 수 있는 복수개 전지의 충전방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 종래의 복수개 전지의 충전방법을 나타낸 타이밍차트도이다.

도 2 는 본 발명의 실시예의 복수개 전지의 충전방법에 사용되는 충전기의 블록도이다.

도 3 은 본 발명의 실시예의 복수개 전지의 충전방법을 나타낸 타이밍차트도이다.

도 4 는 본 발명의 다른 실시예의 복수개 전지의 충전방법을 나타낸 타이밍차트도이다.

(부호 설명)

1 : 전지 2 : 전원 회로

3 : 스위칭소자 4 : 충전제어회로

5 : 충전스위치

본 발명의 충전방법은 충전용 전원으로 충전할 전지를 시분할로 전환하여 복수개 전지를 펄스 충전하여 만충전한다. 또, 본 발명의 충전방법은 만충전된 전지의 충전이 정지되면 그 다음에 충전될 전지의 충전 타이밍을 앞당겨 충전을 개시한다.

본 발명의 충전방법은 바람직하게는 펄스 충전할 전지를 전환할 때에 어떤 전지의 충전을 정지시키는 순간에 그 다음 전지의 충전을 개시하여 충전 전류를 중단시키지 않고 충전한다. 이 방법은 충전 전류가 차단되지 않으므로, 충전할 전지를 전환할 때에 러쉬 전류나 노이즈를 적게 할 수 있는 특징이 있다.

또, 본 발명의 충전방법은 바람직하게는 충전된 전지 충전을 정지시키는 순간에 그 다음에 충전될 전지 충전을 개시하여 충전 전류를 중단시키지 않고 충전한다.

또한, 본 발명의 충전방법은 용량이 다른 복수개 전지를 순서대로 펄스 충전할 때에는 소용량 전지를 펄스 충전하는 펄스의 시간폭을 대용량 전지를 펄스 충전하는 펄스의 시간폭보다 짧게 하여 소용량 전지의 평균 충전 전류를 작게 제어할 수 있다.

발명의 실시형태

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다. 단, 이하에 나타낸 실시예는 본 발명의 기술 사상을 구체화시키기 위한 전지의 충전방법을 예시한 것으로, 본 발명은 전지의 충전방법을 이하의 것으로 특정하지 않는다.

도 2 는 본 발명의 충전방법에 사용되는 충전기의 블록도를 나타낸다. 이 도면은 ch1 내지 ch4 로 이루어진 4개의 전지 (1) 를 탈착 가능하게 장착하여 만충전하는 충전기를 나타낸다. 단, 본 발명의 충전방법은 복수개 전지를 펄스 충전하는 방법인데, 충전하는 전지 수를 4 개로 특정하지 않는다. 또, 전지를 탈착 가능하게 장착하며 충전하는 방법으로도 특정하지 않는다. 다수의 전지를 복수 세트의 채널로 분할하고 분할된 각각의 채널의 전지를 순서대로 만충전할 수도 있다.

도면에 나타낸 충전기는 전원회로 (2) 와, 전원회로 (2) 를 각각의 전지 (1) 에 접속시키는 스위칭소자 (3) 와, 스위칭소자 (3) 를 제어하는 충전제어회로 (4) 를 구비하고 있다. 또, 이 도면의 충전기는 ch1 내지 4 의 전지 (1) 가 장착되었는지의 여부를 검출하기 위한 충전스위치 (5) 를 충전제어회로 (4) 에 접속시킨다. 충전스위치 (5) 는 장착된 전지 (1) 에서 ON OFF 로 전환되어 전지 (1) 가 장착되었는지의 여부를 검출한다. 이 충전기는 충전스위치 (5) 로 전지 (1) 가 장착된 ch 와 장착되지 않은 ch 를 검출하고, 장착되지 않은 ch 는 충전하지 않고 건너뛰어 충전할 수 있기 때문에 모든 ch 에 전지를 장착하지 않았을 때에 보다 짧은 시간에 모든 전지를 만충전할 수 있다.

단, 충전기에 전지가 장착되었는지의 여부는 반드시 충전스위치로 검출할 필요는 없다. 충전 전류를 검출하면서 전지 장착과 비장착을 검출할 수도 있기 때문이다. 충전 전류를 검출하면서 전지 장착을 검출하는 방법은 최초의 펄스 충전시에 충전 전류를 검출하여 충전 전류가 흐르지 않는 ch 를 전지가 장착되지 않은 ch 로 판정하여 그 후에는 그 ch 를 건너뛰어 충전한다.

전원회로 (2) 는 전지 (1) 를 충전할 수 있는 전압과 전류를 출력한다. 충전용 전원은 스위칭 전원인 것이 바람직하다. 스위칭 전원은 100 볼트의 교류를 정류하는 정류회로와, 정류회로로부터 출력된 직류를 스위칭하는 스위칭회로와, 이 스위칭회로에서 스위칭되는 교류를 일차적으로 입력하여 입력된 전압을 전지의 충전 전압으로 하강시키는 트랜스와, 트랜스에서 출력된 교류를 정류하여 직류화하는 다이오드로 이루어진 정류회로와, 정류회로의 출력 전압과 제어회로로부터의 신호로 스위칭 회로가 스위칭되는 듀티를 제어하는 CV/CC 제어회로 및 절연용 PC 회로를 구비하고 있다. 전원회로가 반드시 스위칭 전원일 필요는 없다. 전원회로는 입력되는 100V 의 교류를 트랜스로 강압시켜 정류하고, 정류된 직류를 안정화시키는 회로일 수도 있다.

스위칭소자 (3) 는 FET 나 트랜지스터 등의 반도체 스위칭소자이다. 각각의 스위칭소자 (3) 는 각각의 전지 (1) 에 직렬로 접속되어 전지 (1) 를 전원회로 (2) 에 접속한다. 온의 스위칭소자 (3) 를 통해 전원회로 (2) 에 접속된 전지 (1) 는 충전 전류가 공급되어 충전된다. 오프의 스위칭소자 (3) 에 접속된 전지 (1) 는 충전 전류가 차단되어 충전되지 않는다. 복수개 스위칭소자 (3) 가 어느 하나는 온, 다른 하나는 오프로 제어하여 전지 (1) 를 펄스 충전한다.

충전제어회로 (4) 는 각각의 전지 (1) 에 접속된 스위칭소자 (3) 의 온/오프를 제어한다. 충전제어회로 (4) 는 충전 신호를 스위칭소자 (3) 로 출력하여 스위칭소자 (3) 의 온/오프를 제어한다. 충전제어회로 (4) 는 복수개 전지 (1) 를 펄스 충전하는 순서와 타이밍을 결정한다.

충전제어회로 (4) 가 스위칭소자 (3) 를 온/오프로 제어하여 각각의 전지 (1) 를 충전하는 충전 전류를 도 3 에 나타낸다. 이 도면의 충전 회로는 ch1 내지 ch4 의 전지를 순서대로 펄스 충전한다. 복수개 전지를 충전하는 순서는 예컨대 만충전에 가까운 전지를 먼저 충전할 수도 있다. 이 방법은 처음에 전지를 만충전하는 시간을 가장 짧게 할 수 있다. 전지가 만충전에 가까운지의 여부는 충전을 개시할 때의 전지 전압으로 판정한다.

각각의 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭은 스위칭소자에 입력하는 충전 신호의 펄스폭으로 결정한다. 1 펄스 시간폭은 예컨대 1 초로 한다. 단, 본 발명의 충전방법은 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭을 특정하지 않는다. 1 펄스 시간폭은 예컨대 50 ms 내지 10 sec, 바람직하게는 0.1 내지 5 sec, 더 바람직하게는 0.2 내지 3 sec, 가장 바람직하게는 0.3 내지 2 sec 로 설정된다.

펄스 충전할 1 펄스 시간폭 (tn) 은 충전될 복수개 전지의 용량이 동일할 때에 도 3 에 나타낸 바와 같이 모든 전지를 동일한 1 펄스 시간폭 (t1,t2,t3,t4) 으로 충전한다. 용량이 다른 복수개 전지를 순서대로 충전할 때에 소용량 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭을 대용량 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭보다 짧게 한다. 이 방법은 소용량 전지와 대용량 전지를 균형있게 신속하게 만충전할 수 있는 특징이 있다. 1 펄스 시간폭을 짧게 하여 충전하는 소용량 전지의 평균 충전전류가 대용량 전지의 평균 충전전류보다 작아지기 때문이다.

도 4 는 대용량인 ch 1, 2 전지에 비하여 소용량인 ch 3, 4 전지의 1 펄스 시간폭을 짧게 하여 충전하는 충전전류를 나타낸다. 이 도면은 ch 3, 4 전지를 충전하는 1 펄스 시간폭 (t3,t4) 을 ch 1, 2 전지의 1 펄스 시간폭 (t1,t2) 의 약 1/2 로 하며 평균 충전전류를 1/2 로 한다. 소용량 전지를 충전하는 1 펄스 시간폭 (t3,t4) 을 짧게 하여 전류를 차단하지 않고 충전하는 방법은 소용량 전지의 충전 시간을 단축시켜 모든 전지를 충전하는 1 펄스의 주기를 짧게 할 수 있다. 이런 점은 대용량 전지를 충전하는 평균 충전전류를 증가시켜 보다 단시간에 만충전할 수 있다. 대용량 전지의 평균 충전전류는 1 펄스 시간폭 / 모든 전지를 충전하는 1 주기의 시간 (T) 이기 때문이다.

모든 전지를 충전하는 1 주기의 시간 (T) 은 각각의 전지를 충전하는 1 펄스 시간폭의 합, 즉 t1+t2+t3+t4 가 된다. 도 3 에 나타낸 바와 같이 모든 전지를 동일한 시간폭으로 펄스 충전할 때에 1 주기의 시간은 1 펄스 시간폭과 충전하는 전지 개수의 곱이 된다. 도 4 에 나타낸 바와 같이 1 펄스 시간폭이 다른 경우 1 주기의 시간 (T) 은 1 펄스 시간폭 × 전지 개수보다 짧아진다.

본 발명의 충전방법은, 도 3 과 도 4 에 나타낸 바와 같이, 펄스 충전할 전지를 전환할 때 이미 충전된 전지의 충전은 정지시키고 그 다음 전지의 충전을 개시할 때는 충전을 정지시키는 순간에 그 다음 전지의 충전을 개시하여 충전 전류를 중단시키지 않고 충전한다. 이 충전방법은 도 3 과 도 4 에 나타낸 바와 같이 전원 회로에서 출력된 전류를 변화시키지 않고 복수개 전지를 충전할 수 있다. 또, 도 3 과 도 4 에 나타낸 충전방법은 만충전된 전지의 충전을 정지시키고 그 다음 전지의 충전을 개시할 때도 충전 전류를 중단시키지 않고 충전한다.

단, 본 발명의 충전방법은 충전할 전지를 전환할 때에 충전을 정지시키는 시간을 설정할 수도 있다. 충전을 정지시키는 시간은 1 펄스 시간폭에 비하여 충분히 짧게 한다. 정지 시간이 길어지면 모든 전지를 만충전할 시간이 짧아지기 때문이다.

본 발명의 충전방법은 만충전된 전지는 건너뛰고 그 다음 전지의 충전을 개시한다. 도 3 은 모든 전지가 만충전되지 않은 경우 ch 1, 2, 3, 4 순서대로 충전되는데, ch 1 전지가 만충전된 후에는 이 전지의 충전을 건너뛰어 ch 2, 3, 4 순서대로 충전되고, 또 ch 3 전지가 만충전된 후에는 ch 2, 4 의 순서대로 충전되며 또한 ch 2 전지가 만충전된 후에는 ch 4 전지만 연속적으로 충전되어 만충전된다.

도 4 는 모든 전지가 만충전되지 않은 경우 ch 1, 2, 3, 4 순서대로 충전되는데, ch 1 전지가 만충전된 후에는 ch 2, 3, 4 순서대로 충전되고, 또 ch 3 전지가 만충전된 후에는 ch 2, 4 순서대로 충전되며 또한 ch 4 전지가 만충전된 후에는 ch 2 전지만 연속적으로 충전되어 만충전된다.

충전제어회로 (4) 는 전지 (1) 의 만충전을 검출하여 만충전된 전지에 접속된 스위칭소자를 온으로 전환하지 않고 그 다음에 충전될 전지에 접속된 스위칭소자를 온으로 한다. 충전제어회로 (4) 는 전지 (1) 타입에 따른 방법으로 전지 (1) 의 만충전을 검출한다. 충전될 전지가 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지인 경우에는 전지 전압이 피크 전압이 된 것을 검출하거나 피크 전압에서 △V 저하된 것을 검출하여 만충전을 검출한다. 전지가 리튬이온 2차 전지인 경우에는 전지 전압이 설정 전압이 된 것을 검출하여 만충전을 검출한다.

충전제어회로 (4) 는 만충전된 전지에 접속된 스위칭소자를 오프로 유지하며 이 스위칭소자를 온으로 하는 타이밍에 그 다음 전지에 접속된 스위칭소자를 온으로 제어하면서 그 다음 다음으로 만충전되지 않은 전지를 충전하여 모든 전지가 만충전되면 모든 스위칭소자를 오프로 유지하며 충전을 종료한다. 모든 전지가 만충전된 후 모든 전지를 미소 전류로 세류 충전할 수도 있다. 세류 충전은 급속 충전에 비하여 충분히 작은 충전 전류로 펄스 충전하거나 모든 전지를 병렬로 접속하여 정전압 정전류 충전함으로써 실행된다.

본 발명의 충전방법은 복수개 전지를 전지 성능을 저하시키지 않고 보다 짧은 시간에 만충전할 수 있는 특징이 있다. 그것은 본 발명의 충전방법이 복수개 전지를 시분할로 전환하여 펄스 충전하고 있으며, 만충전된 전지 충전이 정지되면 그 다음에 충전될 전지의 충전 타이밍을 앞당겨 충전을 개시하기 때문이다. 이 충전방법은 만충전된 전지를 충전하는 타이밍에 일시적으로 충전을 정지시키는 것이 아니라 이 전지를 건너뛰어 그 다음 전지를 충전하기 때문에 복수개 전지를 매우 효율적으로 신속하게 만충전할 수 있다. 또한, 본 발명의 충전방법은 저렴하게 제조할 수 있는 충전용 전원으로 복수개 전지를 이상적으로 만충전할 수 있어 충전기 비용을 저감시킬 수 있는 특징도 있다.

또, 본 발명의 충전방법은 펄스 충전하는 전지를 전환할 때에, 어떤 전지 충전을 정지시키는 순간에 그 다음 전지 충전을 개시함으로써 충전 전류를 중단시키지 않고 충전할 수 있다. 이 충전방법은 충전 전류가 차단되지 않아 충전할 전지를 전환할 때에 러쉬 전류나 노이즈 발생을 적게 할 수 있는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 충전방법은 용량이 다른 복수개 전지를 충전할 때에 소용량 전지를 펄스 충전하는 펄스의 시간폭을 대용량 전지를 펄스 충전하는 펄스의 시간폭보다 짧게 하여 모든 전지를 단시간에 이상적으로 펄스 충전할 수 있는 특징이 있다. 그것은 이 충전방법이 펄스 충전하는 펄스의 시간폭을 전지의 용량으로 변경하여 충전되는 듀티를 변동시킴으로써 토탈의 전원 전류를 변화시키지 않고 충전 전원의 이용효율을 높이기 때문이다.

Claims (4)

1. 충전용 전원으로 충전할 전지를 시분할로 전환하여 복수개 전지를 펄스 충전하여 만충전하는 충전방법에 있어서,

   만충전된 전지의 충전이 정지되면, 그 다음 충전될 전지의 충전 타이밍 간격을 앞당겨 충전을 개시할 수 있는 것을 특징으로 하는 복수개 전지의 충전방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   펄스 충전할 전지를 전환할 때는 어떤 전지의 충전을 정지시키는 순간에 그 다음 전지의 충전을 개시하여 충전 전류를 중단시키지 않고 충전하는 것을 특징으로 하는 복수개 전지의 충전방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   만충전된 전지의 충전을 정지시키는 순간에는 그 다음에 충전될 전지의 충전을 개시하여 충전 전류를 중단시키지 않고 충전하는 것을 특징으로 하는 복수개 전지의 충전방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   용량이 다른 복수개 전지를 순서대로 펄스 충전함과 동시에 소용량 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭을 대용량 전지를 펄스 충전하는 1 펄스 시간폭보다 짧게 하는 것을 특징으로 하는 복수개 전지의 충전방법.