KR101033014B1

KR101033014B1 - 배터리 충전기의 충전 제어 방법

Info

Publication number: KR101033014B1
Application number: KR1020090075228A
Authority: KR
Inventors: 구성모
Original assignee: (주) 다이시스
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-05-09
Also published as: KR20110017649A

Abstract

본 발명은 배터리 충전기의 충전제어방법에 관한 것으로, 충전기의 충전모드를 고속 정전류 충전, 보통 정전류 충전, 저속 정전류 충전 및 정전압 충전 모드로 세분하고, 배터리의 충전상태를 측정하여 잔량에 따라 초기충전모드를 설정하고 충전모드를 자동으로 변환하여 고속 정전류 충전, 보통 정전류 충전, 저속 정전류 충전 및 정전압 충전이 순차적으로 진행되도록 하고, 모드별로 각각의 충전 타이머를 부가하여, 배터리가 거의 소진된 상태에서는 고속충전이 이루어지도록 하고, 배터리 잔량이 많이 남아있는 상태에서는 충전속도를 늦추어 만충전이 되도록 하면서 과충전을 방지하는 것이다.

충전, 고속, 정전류, 저속, 정전압, 배터리

Description

배터리 충전기의 충전 제어 방법{CHARGE CONTROL METHOD OF BATTERY CHARGER}

본 발명은 배터리 충전기의 충전 제어 방법에 관한 것이다.

휴대용 전자기기의 발전 및 대중적인 보급에는 배터리의 용량 증가가 일조를 하였으며 더불어 충전기의 발전도 가져왔다. 그 대표적인 예가 현재 대부분의 휴대용 기기에 사용되고 있는 리튬-이온 배터리 및 충전기이다.

상기한 리튬-이온 배터리 충전기는 통상적으로 정전류/정전압 충전방식을 사용한다. 즉, 도 1에 나타내는 바와 같이 배터리 전압이 기준전압(CC/CV 변곡점)인 4.2V 이하에서는 임의의 정전류로 충전하다가 기준전압에 도달하면 4.2V 정전압으로 충전전류가 변하는 방식이다. 그러므로 충전전류 곡선은 배터리 전압이 4.2V이하에서는 정전류로 일정하다가 4.2V에 도달하면 지수함수적으로 감소하는 형태를 가지며, 충전전압 곡선은 4.2V 변곡점을 중심으로 로그함수적으로 증가하다가 4.2V로 일정하게 유지되는 형태이다.

이러한 충전기에서 과충전이 발생하지 않도록 정전압 충전 모드에서 전류를 검출하여 배터리 용량의 90~95% 충전상태에서 충전을 완료하는데, 이는 과충전 상 태가 지속되면 배터리의 발열과 이로 인한 노화 및 사용횟수가 감소하기 때문이다.

그리고, 충전전류는 사용자 요구사항(충전시간, 사용횟수 등), 배터리의 충전 안전성(최대허용충전전류), 검출 및 안전장치의 신뢰도(충전 속도, 단가 등) 등을 복합적으로 고려하여 결정하게 되고, 충전시간은 배터리 용량, 충전전류 및 충전완료검출 기준에 따라 달라지는데, 고속 충전기의 경우에는 리튬-이온 배터리의 최대허용충전전류인 1C로 충전하여 90~95% 충전완료검출 기준인 1/40C가 되기까지 최대 80분 정도가 소요되고, 통상적인 보통 충전기의 충전전류는 최대허용충전전류의 50~70%이므로 충전시간은 2~3시간 정도이다.

이와 같은 충전기는 충전속도에 따라 고속 정전류 충전과 저속 정전류 충전으로 나누어지는데, 고속 정전류 충전은 충전전류를 가능한 최대로 하여 충전시간을 단축시켜 사용자의 편의를 증진시킬 수 있으나 보다 정교한 전압/전류 검출 및 안전장치가 구비되어야 하며 배터리 노화를 촉진시키는 문제를 안고 있다.

저속 정전류 충전은 충전완료까지의 시간이 많이 걸리도록 충전전류를 최소화하여 사용자의 실제 사용 패턴에서 과충전이 일어날 시간조건이 크지 않도록 하므로 전압/전류 검출 및 안전장치가 완화될 수 있다. 또한 충전효율이 좋고 과충전으로 인한 배터리 손상(damage) 가능성이 적어 배터리를 오랫동안 사용할 수 있으나 만충전이 안된 상태에서 사용할 가능성이 높으므로 실제 사용 용량에 대한 사용자의 불만이 발생할 수 있다.

이런 점을 고려하여 사용하는 보통 충전기는 충전전류를 배터리의 최대허용충전전류의 50~70%로 설정하여 최대 충전시간이 2~3시간이 되도록 한다. 또한 안전 장치로서 충전 타이머를 사용하는데 이는 사용자의 다양한 충전환경에서 발생할 수 있는 배터리의 충전전압특성 변화로 충전완료 검출이 이루어지지 않거나, 충전기 자체의 검출기능이 동작하지 않아서, 충전이 지속되어 발생하는 배터리의 과충전을 방지하기 위하여 부가한다. 타이머의 동작시간은 완전 방전된 배터리 기준으로 최대 충전시간의 110~130%으로 설정하는데 배터리의 초기잔량에 상관없이 고정된 타이머를 사용하므로 50%이상 충전된 배터리를 충전시 배터리 또는 충전기 문제로 정상검출이 되지 않아 최종적으로 타이머가 동작시에는 배터리가 과충전 상태가 되어 배터리 노화 및 사고의 위험성을 안고 있다.

또한 사용자가 저속 정전류 충전 및 고속 정전류 충전 중 충전방식을 선택할 수 있도록 하는 충전전류 선택형 충전기는 이미 공개되어있으며, 그 예로 등록특허 10-0595613호에서 제시하고 있는 휴대폰 내장형 충전기의 경우에는 사용자가 메뉴에서 직접 충전모드를 설정하여 사용하고, 등록특허 10-0698200호의 외장형 충전기는 단자를 셋팅하여 사용하여야 하는 단점이 있다. 또한 고속 정전류 충전모드에서 충전시 배터리잔량이 50%이상인 경우에 배터리 또는 충전기 문제로 정상검출이 되지않아 최종적으로 타이머가 동작시에는 과충전 상태에서 충전종료 되어 배터리 노화 및 사고의 위험성을 안고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 충전 모드를 고속 정전류, 보통 정전류, 저속 정전류, 정전압 충전 모드로 세분하고, 배터리의 충전상태를 측정하여 잔량에 따라 초기충전모드를 설정하고 충전모드를 자동으로 변환하여 고속 정전류 충전, 보통 정전류 충전, 저속 정전류 충전 및 정전압 충전이 순차적으로 진행되도록 하고, 모드별로 각각의 충전 타이머를 부가하여, 과충전을 방지함과 아울러 짧은 시간 충전을 하더라도 사용하는데 충분한 정도의 배터리용량을 갖도록 하여 사용상의 만족도를 향상시키고 배터리 수명을 연장하는 데 목적이 있다.

본 발명의 충전방법은 충전기를 구성하는 제어부가 배터리의 전압 및 전류를 검출하는 전압, 전류 검출부 및 배터리 종류를 판단하는 ID검출부로부터 출력되는 신호 및 해당 충전기 스펙을 기준으로 배터리 잔량에 따라 기 설정된 각 충전모드(배터리 잔량이 작은 순으로 잔량에 따라 고속 정전류 충전, 보통 정전류 충전, 저속 정전류 충전 및 정전압 충전 모드가 순차적으로 구동되도록 설정)별 충전전류 및 충전시간을 계산하는 과정과; 상기한 제어부가 기 설정된 다수의 충전 모드 중에서 해당 배터리의 잔량에 맞는 충전모드를 선택하는 과정과; 상기한 충전모드 선택과정에서 선택된 초기충전모드를 시작으로 이후 충전 모드로 충전기가 순차적으로 동작되도록 충전기를 구성하는 각 구성부분으로 제어신호를 출력하는 과정으로 구성된다.

상기에서 초기충전모드를 선택하는 과정은 배터리를 보호하기 위하여, 저속 정전류 충전모드부터 시작하여 보통 정전류 충전모드 및 고속 정전류 충전모드 순으로 충전기의 모드를 변환하면서 각 모드별로 배터리 전압을 측정하여 해당 충전모드에 해당하는 배터리 전압이 검출되면 초기충전모드 선택을 위한 충전모드 변환은 종료한다.

그리고, 상기한 본 발명에서 각 충전모드별로 배터리 잔량과 충전전류를 살펴보면, 고속 정전류 충전은 배터리 잔량이 배터리최대용량의 40%이하인 경우로서 배터리가 완전 방전되어 충전하면서 사용하거나, 급히 충전하여 사용할 경우, 또는 외출시 배터리 잔량이 부족하여 빠른 시간에 고속 충전을 원할 경우 사용하도록 하며 배터리의 최대허용충전전류까지 설정할 수 있다. 고속 정전류 충전시간은 모드초기 배터리 잔량에 따라 달라지나 최대시간은 고속 정전류 충전 타이머에 의해 결정된다.

저속 정전류 충전은 배터리 잔량이 배터리최대용량의 70%초과~90%이하인 경우에 동작하도록 하며 충전효율 증대 및 배터리 과충전을 방지하기 위하여 고속 정전류 충전전류의 20~40%로 설정하여 충전시간을 길게 한다. 저속 정전류 충전시간은 모드초기 배터리 잔량에 따라 달라지나 최대시간은 저속 정전류 충전 타이머에 의해 결정된다.

보통 정전류 충전은 두 모드의 중간단계로서 배터리 잔량이 배터리최대용량의 40%초과~70%이하일 경우에 동작하며 고속 정전류 충전전류의 50~70%로 설정한다. 이는 종래의 고속(보통) 정전류 충전기의 충전전류 사양과 동일하며 배터리의 최대허용충전전류의 50~70%이다. 보통 정전류 충전시간은 모드초기 배터리 잔량에 따라 달라지나 최대시간은 보통 정전류 충전 타이머에 의해 결정된다.

정전압 충전모드는 배터리 잔량이 배터리최대용량의 90%초과~100%이하일 경우에 잔여충전을 위하여 사용하도록 하며 충전전류를 검출하여 배터리 충전량이 배터리최대용량의 95% 일 때 충전을 종료하며, 일반적으로 1/40C로 한다.

또한, 충전모드마다 각각의 충전 타이머를 설정하여 기존 충전기의 단점인 배터리 잔량이 50%이상인 상태에서 충전을 시작하여, 배터리 또는 충전기 문제로 정상검출이 되지 않고, 타이머에 의해 충전 종료되어 발생하는 과충전 문제를 해결하였다. 이는 모드별 충전 타이머를 사용하고, 배터리 충전상태를 측정하여 잔량에 따라 기 설정된 충전모드에서 충전을 시작하고, 배터리 또는 충전기 문제로 검출 기능이 동작하지 않더라도 세분화된 타이머에 의해 단계적으로 충전이 종료되므로 과충전을 방지할 수 있다. 예를 들면 배터리 잔량이 70%상태에서 충전을 시작하여, 배터리 또는 충전기 문제로 정상적인 전압/전류 검출에 오류가 발생하면, 기존의 충전기는 단일 타이머에 의해 70%이상 과충전 상태에서 충전종료 되나, 본 발명의 충전기는 배터리 잔량을 측정하여 저속 정전류 충전모드에서 충전을 시작하고, 충전중 배터리 또는 충전기 문제로 정상적인 검출에 오류가 발생하더라도 최종적으로 저속 및 정전압 타이머에 의해 충전종료 되므로 10%정도의 과충전 상태만 발생한다. 이때 각 모드별 충전 타이머는 고속 30%, 보통 30%, 저속 30% 및 정전압 10%로 할당하였다고 가정한다.

이를 위하여 제어부에는 각 모드별로 구동되도록 4개의 타이머가 구비된다.

한편, 상기와 같이 충전 모드를 구분한 것은 사용자가 고속 정전류 충전을 원할 경우는 배터리 잔량이 40%이하로서 배터리가 완전 방전되어 사용자가 충전중 사용하거나, 급히 충전하여 사용할 경우, 또는 외출시 배터리 잔량이 부족하여 빠른 시간 내에 고속 충전을 원할 경우에 사용한다는 점에 착안하였다. 그리고 배터리 잔량이 70%이상인 경우에는 저속 정전류 충전 및 정전압 충전을 수행하여 상대적으로 기존 고속(보통) 충전기보다 충전시간을 길게하여 안전성과 충전효율을 높이도록 한 것으로, 이와 같이 배터리 잔량이 70% 이상인 경우 사용자가 배터리를 충전하는 상황은 90%이상의 만충전을 위하여 그리고 충전시간이 여유롭다는 가정하에서 착안되었다.

그리고, 상기한 제어부에는 충전기의 동작을 제어하기 위한 각종 데이터가 기록되는 메모리와 타이머가 구비된다.

본 발명에 의하면 배터리의 잔량이 거의 소진된 상태에서는 사용자가 빠르게 충전을 하여 배터리를 빠른 시간내에 사용할 수 있기를 희망하고, 배터리 잔량이 많이 남아있는 상태에서는 만충전이 되기를 원하므로, 배터리 잔량에 따라 충전모드를 변경하여 사용상의 만족도를 향상시키는 효과가 있다.

그리고, 각 모드별로 별도로 구동되는 타이머를 사용하므로 과충전이 발생하지 않아서 배터리의 수명이 길어지는 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 살펴본다.

도 2 및 도 3은 본 발명을 실현하기 위한 충전기의 구성을 나타내는 도면이다.

우선, 교류/직류 전원변환장치를 포함하는 외장형 충전기는 도 2에 나타내는 바와 같이 AC 전원 플러그(110)를 통해 공급되는 가정용 교류전원을 1차측 교류/직류 전원변환부(112)에 의해 개략적으로 평활하고, 이를 고속의 DC-DC 스위칭 구동부(114)와 트랜스포머(116)를 사용하여 2차측에 유기전압을 발생시켜 2차측 정전류/정전압 발생부(118)에서 정류 회로를 통해 배터리(120) 단자에 임의의 정전류 또는 정전압을 공급한다. 충전기의 제어부(130)는 배터리 전압, 온도 및 ID 검출부(132)(134)(136)로부터 출력되는 신호를 기준으로 동작 여부 및 충전 전류량을 결정하고 설정한 정전류 또는 정전압을 유지하도록 전류 및 전압 검출부(132)(138)를 통해서 전류와 전압을 검출하고 이를 설정된 기본값과 비교하여 차이 값을 발생시키면 광커플러(139)를 통해 DC-DC 스위칭 구동부(114)를 제어한다. 이 부궤환 과정을 반복하므로서 배터리에 일정한 정전류 또는 정전압을 공급한다. 이때 트랜스포머(116) 및 광커플러(139)는 1 차와 2차측 간의 절연을 위하여 필수적으로 사용해야 한다.

휴대폰 내장형 충전기는 도 3에 나타내는 바와 같이 입력 전압으로 직류 5V 전압을 사용하므로 트랜스포머 및 광커플러 없이 직접 전기적으로 연결하여 제어한다. 즉 DC 전원 플러그(210)를 통해서 입력되는 직류 5V를 스위칭 또는 선형 구동부(212)에서 스위칭 및 선형 구동 방식으로 직접 제어하여 정전류/정전압 발생 부(214)의 정류회로를 통해 배터리(220) 단자에 정전류 또는 정전압을 공급한다. 제어부(230)는 배터리 전압, 온도 및 ID 검출부(232)(234)(236)로부터 출력되는 신호에 따라 동작 여부 및 충전전류량을 결정하고 설정한 정전류 또는 정전압을 유지하도록 전류 또는 전압 검출부(232)(238)의 출력신호를 이용하여 전류 또는 전압을 설정한 기본값과 비교하여 차이값을 발생시켜 구동회로를 부궤환 제어한다.

도면 중 미설명부호 140 및 240은 충전기에 구비된 표시부로서 충전상태 등을 표시한다.

그리고, 본 발명에 따른 충전방법을 살펴본다.

본 발명의 충전방법은 우선, 제어부에서 배터리가 충전기에 장착된 것 즉, 전원이 온(S101)되면, 배터리 전압, 온도 및 ID를 감지(S102)하여 배터리의 종류와 이상 유무를 판단(S103)한다.

이 과정에서 배터리에 이상이 발생되면 충전에러(S104)를 사용자에게 표시해주고 충전과정을 종료하며, 배터리가 정상이면 그 종류에 따라 각 충전모드별 모드변환전압, 충전전류 및 충전 타이머를 설정하는데, 이러한 전압, 전류 및 시간은 충전기를 구성하는 제어부에 포함된 메모리에 배터리 종류별로 미리 셋팅되어 있다.

이와 같이 모드변환전압, 충전전류 및 충전 타이머가 설정되면 충전을 진행하는데, 제어부는 우선 충전기를 저속 정전류 충전 모드로 실행(S105)한 후 배터리 전압을 측정하여 V3(=4.2V)이상인지를 판단(S106)하여, V3(=4.2V)이상인 경우 정전 압 충전 모드를 수행(S107)하여 충전전류가 1/40C 이하 또는 설정된 정전압 충전모드의 충전시간이 경과했는지를 판단(S108)하여, 충전전류 혹은 시간이 설정치를 넘어서면 충전을 완료(S109)하고, 설정값에 이르지 못할 경우에는 스텝 S107과 S108을 반복해서 정전압 충전 모드를 수행한다.

그리고, 상기한 스텝 S106에서 배터리 전압이 V3(=4.2V)이상이 아니면 제어부는 충전기를 보통 정전류 충전 모드(S110)로 실행한 후 배터리 전압이 V2(=4.0V)이상인지를 판단(S111)한다.

배터리 전압이 V2(=4.0V)이상이면 저속 정전류 충전모드(S112)를 수행하여 배터리 전압이 V2(=4.0V)이상이 되는지를 판단하면서 충전시간을 측정(S113)하여, 배터리 전압 혹은 충전시간이 설정치 이상이 될 경우에는 정전압 충전모드(S107 내지 S109)를 수행하여 충전을 완료하고, 배터리 전압 혹은 충전시간이 설정치 미만일 경우에는 계속해서 저속 정전류 충전 모드(S112,S113)를 실행한다.

그리고, 상기한 스텝 S111에서 배터리 전압이 V2(=4.0V)미만일 경우에는 충전기를 고속 정전류 충전모로 실행(S114)한 후, 배터리 전압이 V1(=3.8V)이상이거나 고속 정전류 충전 시간이 경과되는지를 판단(S115)하고, 배터리 전압이 V1(=3.8V)이상이거나 고속 정전류 충전 시간이 경과되면 충전기를 보통 정전류 충전 모드(S116)로 변경한 후, 배터리 전압이 V2(=4.0V)이상인지, 설정된 보통 정전류 충전 시간이 경과했는지를 판단(S117)하여 저속 정전류 충전 모드(S118)로 진행하고, 다시 배터리 전압 V3(=4.2V)과 충전시간(저속 정전류 충전 시간을 경과했는지)을 판단(S119)하여, 정전압 충전 모드(S108~S109)를 순차적으로 수행한다.

이러한 본 발명에 따른 모드별 충전전류 및 실제적인 충전 타이머 및 모드변환전압의 계산 예는 아래와 같다.

설명을 위해 충전기의 최대정격전류는 1000mA 이고 배터리의 최대허용충전전류를 1C로 하였으며 모드별 배터리 충전량은 배터리 총용량을 기준으로, 고속 정전류 충전 30%, 보통 정전류 충전 30%, 저속 정전류 충전 30% 및 정전압충전 10%로 가정하였다. 충전전류량은 고속 정전류 충전은 배터리의 최대허용충전전류, 보통 정전류 충전은 고속 정전류 충전전류의 70%, 저속 정전류 충전은 40%로서 도 5에 나타내는 바와 같다.

[배터리 용량이 800mAH 이면]

a) 고속 정전류 충전전류=800mA(배터리의 최대허용충전전류),

b) 고속 정전류 충전시간=총용량*0.3/고속 정전류 충전전류*시간오율(=1.2)

=800*0.3/800*1.2=0.36H=약 22분

c) 보통 정전류 충전전류=고속 정전류 충전전류*0.7=800*0.7=560mA,

d) 보통 정전류 충전시간=총용량*0.3/보통 정전류 충전전류*시간오율(=1.2)

=800*0.3/560*1.2=0.514H=약 31분

e) 저속 정전류 충전전류=고속 정전류 충전전류*0.4=800*0.4=320mA,

f) 저속 정전류 충전시간=총용량*0.3/저속 정전류 충전전류*시간오율(=1.2)

=800*0.3/320*1.2=0.9H=54분

g) 정전압 충전전류=정전압모드 평균전류=(320+20)/2=170mA

h) 정전압 충전시간=총용량*0.1/정전압모드 평균전류*시간오율(=1.2)

=800*0.1/170*1.2=0.565H=약 34분

[배터리 용량이 1200mAH 이면]

a) 고속 정전류 충전전류=1000mA(충전기의 최대정격전류),

=1200*0.3/1000*1.2=0.432H=약 26분

c) 보통 정전류 충전전류=고속 정전류 충전전류*0.7=1000*0.7=700mA,

=1200*0.3/700*1.2=0.617H=37분

e) 저속 정전류 충전전류=고속 정전류 충전전류*0.4=1000*0.4=400mAH,

=1200*0.3/400*1.2=1.08H=약 65분

g) 정전압 충전전류=정전압모드 평균전류=(400+30)/2=215mA (30?)

=1200*0.1/215*1.2=0.67H=40분

위식에서 g)의 정전압모드 평균전류 계산에서 20과 30은 각각 배터리용량을 충전완료시점의 전류값인 1/40C로 하였을 경우 1/40*800과 1/40*1200으로 하여 나온 값이다.

위 예의 고속 정전류 충전전류는 충전기의 최대정격전류(1000mA로 가정)에 의해 최대값이 제약되나 범위내에서는 배터리의 최대허용충전전류(1C로 가정)로 규정하고, 보통 정전류 충전전류는 고속 정전류 충전전류의 70%, 저속 정전류 충전전류는 고속 정전류 충전전류의 40%로 규정하였으며 모드별 가중을 달리 할 수 있다.

각 모드별 충전량은 고속 정전류 충전모드 30%, 보통 정전류 충전모드 30%, 저속 정전류 충전모드 30% 및 정전압충전모드 10%로 할당하였으며 모드별 가중을 달리 할 수 있다.

그리고, 이상적인 충전의 시간오율은 1이고 충전효율을 감안한 실제적인 충전의 시간오율은 충전전류량에 따라 달라질 수 있으나 여기서는 일괄적으로 충전모드에 상관없이 시간오율을 1.2로 가정하였다.

각 모드별 실제적인(시간오율=1.2) 충전시간 계산은 예시에서 계산되어 있으며 각 모드별 충전전류 및 충전량 할당에 따라 위 공식에 의해 자동으로 계산된다.

각 모드별 시간오율은 실제적인 충전으로 가정하여 1.2로 계산하였으나 충전효율 및 충전중 휴대폰의 사용 빈도 등을 고려하여 변경할 수 있다. 일반적으로 충전중 휴대폰 사용을 무시한다면 시간오율은 1.2를 사용한다.

상기에서 이상적인 충전시간 및 시간오율을 설명하기 위해 먼저 1 Cell 리튬-이온 배터리를 예를 들어 정격용량에 대해서 알아보면 정격용량 3.6V/1000mAH는 평균전압인 공칭전압 3.6V를 유지하면서 전류 1000mA로 1시간 사용할 수 있는 전력량을 의미한다. 100mA 부하인 경우에는 10시간 사용할 수 있는 전력량이다. 역으로 충전효율이 100%인 이상적인 충전기와 배터리로 완전 방전된 배터리를 1000mA 전류로 1시간이면 100% 충전이 된다는 의미이다. 그러나 실제 충전효율은 전기에너지 의 화학에너지로의 변환 효율에 의해 결정되는데 충전전류량, 배터리 종류, 배터리 온도, 충전 방식 등 여러 가지 요인에 따라 달라진다. 일반적으로 상온에서 보통충전기의 리튬-이온 배터리의 충전효율은 약 80~90% 정도이므로 실제적인 충전시간은 이상적인 충전시간의 110~130% 정도이다. 그러므로 이상적인 충전시간에 비하여 실제 배터리의 만충전 시간은 이상적인 시간에 비하여 1.2배 정도 증가하므로, 상기한 수식에서 배터리의 만충전 시간오율은 1.2로 설정하며 충전중 휴대폰 사용 등을 반영할 경우에 시간오율은 더 늘어날 수 있다.)

각 단계에서 충전모드 변환은 타이머 또는 모드변환전압으로 이루어지는데 모드변환전압 설정은 완전 방전된 배터리로 실험하여 결정하며 모드변환전압을 조정하여 도달 우선 순위를 변경할 수 있다.

상기한 실시예에서 모드변환전압은 V3(=4.2V). V2(=4.0V). V1(=3.8V) 로 설정하여 예시하였는데, 이러한 모드변환전압은 배터리 잔량과 충전중 배터리 전압과의 관계는 실험을 통하여 측정하여 적정 값을 구한다.

먼저, 완전 방전된 표본 배터리를 상기에서 설정한 고속 정전류로 충전하여 상기에서 계산한 30% 충전완료시간에 도달하면 이때 배터리 전압 V1을 기록한다. 다음단계에서 보통 정전류로 충전하여 추가 30% 충전완료시간(상기에서 계산한 보통 정전류 충전 완료 시간)에 도달하면 이때 배터리 전압 V2를 기록한다. 마지막으로 저속 정전류로 충전하여 배터리 전압이 V3(=4.2V) 도달까지의 충전시간과 전압을 측정하여 모드별 잔량측정 및 충전시간 설정의 데이터로 사용한다.

상기에서 V3는 배터리 최대 허용 전압으로, 배터리 종류에 따라 달라질 수 있다.

이와 같은 본 발명의 충전방법은 충전중 배터리 전압과 타이머를 동시에 사용하므로 각 모드별 최대충전시간은 설정된 타이머에 의해 결정되고 최소 충전시간은 초기 배터리 잔량에 따라 가변적이다.

도 1은 종래의 리튬-이온 배터리 충전기의 전압/전류 특성을 나타내는 그래프

도 2는 휴대폰 외장형 충전기의 내부 구성도

도 3은 휴대폰 내장형 충전기의 내부 구성도

도 4는 본 발명의 충전기 제어 흐름도

도 5는 본 발명의 리튬-이온 배터리 충전기의 전압/전류 특성

Claims

충전기를 구성하는 제어부가 배터리의 전압 및 전류를 검출하는 전압, 전류 검출부 및 배터리 종류를 판단하는 ID검출부로부터 출력되는 신호 및 해당 충전기 스펙을 기준으로 배터리 잔량에 따라 기 설정된 각 충전모드(배터리 잔량이 작은 순으로 잔량에 따라 고속 정전류 충전, 보통 정전류 충전, 저속 정전류 충전 및 정전압충전 모드가 순차적으로 구동되도록 설정)별 충전전류 및 충전시간을 계산하는 과정과;

상기한 제어부가 기 설정된 다수의 충전 모드 중에서 해당 배터리의 잔량에 맞는 충전모드를 선택하는 과정과;

상기한 제어부는 충전모드 선택과정에서 선택된 초기충전모드를 시작으로 하여 이후 다른 충전 모드로 충전기가 순차적으로 동작되도록 충전기를 구성하는 각 구성부분으로 제어신호를 출력하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전기의 충전 제어 방법.
제 1항에 있어서, 상기한 배터리의 잔량에 맞는 초기충전모드를 선택하는 과정은, 저속 정전류 충전 모드부터 시작하여 보통 정전류 충전모드 및 고속 정전류 충전모드 순으로 충전기의 모드를 변환하면서 각 모드별로 배터리전압을 측정하여 해당 충전모드에 해당하는 배터리 전압이 검출되면 초기충전모드 선택을 위한 충전모드 변환은 종료되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전기의 충전 제어 방법.
제 1항에 있어서, 고속 정전류 충전은 배터리 잔량이 배터리최대용량의 40%이하인 경우로서 배터리의 최대허용충전전류까지 충전전류를 설정할 수 있고, 저속 정전류 충전은 배터리 잔량이 배터리최대용량의 70%초과~90%이하인 경우에 동작하도록 하며 고속 정전류 충전 전류의 20~40%로 설정하며, 보통 정전류 충전은 두 모드의 중간단계로서 배터리 잔량이 배터리최대용량의 40%초과~70%이하일 경우에 동작하며 고속 정전류 충전 전류의 50~70%로 설정하며, 정전압 충전모드는 배터리 잔량이 배터리최대용량의 90%초과~100%이하일 경우에 잔여충전을 위하여 사용하도록 하며 충전전류를 감지하여 배터리잔량이 배터리최대용량의 95% 일 때 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전기의 충전 제어 방법.
제 1항에 있어서, 각 충전 모드 마다 각각의 충전 타이머를 설정하여 해당 시간이 경과되면 해당 충전모드를 종료하고 다음 충전모드로 들어가는 것을 특징으로 하는 배터리 충전기의 충전 제어 방법.