KR20000073379A - 복수개의 이차전지 고속충전 방법 및 장치 - Google Patents

복수개의 이차전지 고속충전 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

충전장치의 최대가용전류량을 최대로 활용하여 복수개의 이차전지에 적응적으로 분배하면서 동시충전을 할 수 있는 충전장치가 개시된다. 충전전류의 적응적 분배는 복수개의 이차전지가 정전류 충전 시에 각 충전전류의 합이 최대가용전류가 되도록 하며, 어느 한 이차전지가 만충전압에 도달하면 그 이차전지는 정전압으로 충전하며, 이 과정에서 정전압충전을 위해 낮추어 지는 이차전지의 충전전류를 다른 이차전지의 충전전류로 활용하여 이때의 각 충전전류의 합 또한 최대가용전류를 유지하도록 한다. 이에 의해 또 다른 이차전지도 신속하게 만충전압에 이르게 되며 그 후에는 이 이차전지도 정전압으로 충전한다. 이후 만충전압에 이른 이차전지들은 모두 만충이 되도록 충전전류를 서서히 감소시키면서 종지전류가 될 때까지 충전하여 충전을 완성시킨다. 즉, 이차전지의 충전전류의 합이 가능한 한 최대가용전류량을 유지하도록 적응적으로 충전전류를 분배하여 충전효율을 극대화함으로써 복수개의 이차전지를 짧은 시간에 충전할 수 있다.

Description

복수개의 이차전지 고속충전 방법 및 장치 {METHOD FOR CHARGING SECONDARY BATTERIES IN HIGH-SPEED AND CHARGING APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 이차전지(secondary battery)의 충전방식에 관한 것으로서, 특히 복수개의 이차전지를 동시에 급속충전할 수 있는 충전방법과 이를 위한 충전장치에 관한 것이다.
용량이 다른 복수개의 이차전지를 충전할 수 있도록 고안된 충전기의 전원부는 최대용량의 이차전지의 용량을 기준으로 하여 설계되어야 한다. 복수개의 이차전지를 충전할 수 있는 충전방법에는 동시충전방식과 순차충전방식이 있다. 전자는 모든 이차전지에 동시적으로 충전전류를 공급하여 충전시키는 방식이고, 후자는 하나의 이차전지를 먼저 충전한 후 다른 이차전지의 충전을 개시하는 방식이다.
기존의 동시충전방식은 충전시간을 단축시킬 수 있으나, 전체 이차전지가 최대용량일 때를 고려하여 최대충전전력을 각 이차전지에 동시에 충분히 제공할 수 있도록 전원부가 설계되어야 하기 때문에 전원부의 회로가 커야 하고 단가가 비싸지는 단점이 있다. 이에 비해, 순차충전방식은 전원부의 회로는 작게 할 수 있다는 점에서는 유리하지만, 충전시간이 길어진다는 단점이 있다.
도1은 종래의 대표적인 순차충전방식에 따른 충전전압 및 충전전류의 시간에 따른 변화를 도시한다. 이 방식에 의하면, 제1 이차전지의 충전전류(I'1c)는 전원부의 최대 가용전류량(IT)의 범위 내에서 전지의 용량에 따라 그 전류값(A0)이 정해지며, 정해진 전류값(A0)으로 제1 이차전지를 정전류충전을 하고 그 전압이 만충전압(Vm)에 도달하면 정전압충전을 하여 우선 제1 이차전지의 충전을 완성시킨다. 이제는 제2 이차전지에 전류를 공급할 수 있으므로, 제2 이차전지의 충전전류(I'2c)의 전류값을 제2 이차전지의 용량에 따라 설정(B0)하여 제2 이차전지를 정전류충전을 하고, 제2 이차전지가 만충전압(Vm)에 도달하면 정전압충전을 하여 충전을 완성한다. 이 방식은 제1 이차전지를 정전압으로 충전하는 동안에, 그리고 전지의 용량이 작은 경우에는, 처음부터 전원부의 최대가용전류량(IT)을 최대한으로 활용하지 못하며, 그 결과 충전시간은 대략 충전대상인 이차전지의 개수에 비례하여 증가한다. 만약, 최대가용전류량(IT)의 범위 내에서 두 개의 같은 용량(A0)을 갖는 이차전지에 처음부터 최대충전류를 공급하여 동시충전을 시키면 충전시간을 줄일 수는 있으나(충전시간이 tp4에서 tp2로 단축됨), 이를 위해서는 전원부의 용량이 2배(2IT> 2A0)로 커져야 하므로 전원부의 크기도 더불어 커지는 문제가 있다.
한편, 현재까지 재충전용 이차전지로 널리 이용되고 있는 대표적인 것으로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)배터리, 니켈-메탈할라이드(Ni-MH)배터리 및 리튬-이온(Li-Ion)배터리 등이 있다. 이차전지의 충전방법으로는 정전류로 충전하는 방법과 선 정전류 후 정전압으로 충전하는 방법이 주로 사용되고 있다. Ni-Cd배터리와 Ni-MH배터리는 정전류 충전방법으로 충전되는 이차전지의 대표적인 예이다. 이에 대해, 선 정전류 후 정전압 충전방식을 통해 충전할 수 있는 이차전지의 대표적인 예가 Li-Ion배터리이다.
Li-Ion배터리를 먼저 정전류로 충전하여 최대전압에 이르면 그 후로는 정전압으로 충전하면서 만충시킨다. 이 때, 정전압을 유지하려면 충전전류는 점차적으로 줄여야 하며, Li-Ion배터리가 정전압으로 만충 될 때까지는 상당한 시간이 걸린다. 따라서, Li-Ion배터리와 같은 정전류 정전압 충전방식을 이용하여 충전하는 이차전지를 순차충전방법을 이용하여 충전하면, 앞서 언급한 바와 같이 충전시간이 길어진다. 또한, 충전시간을 단축시키기 위해서는 전원부의 용량을 키워줘야 하는 문제가 따른다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 정전류 정전압 충전이 가능한 복수개의 이차전지를 동시충전함에 있어서, 복수개의 이차전지에 충전전류를 적응적으로 분배함으로써 가용한 최대충전전류, 즉 최대가용전류량(IT)을 최대한 효율적으로 활용하여 충전시간을 단축시킬 수 있는 충전방법과 이를 위한 충전장치를 제공함을 목적으로 한다.
도1은 종래 방식에 따른 2개의 이차전지를 순차충전하는 경우의 전압 및 전류 특성 그래프이다.
도2는 본 발명에 따른 2개의 이차전지를 동시충전하는 경우의 전압 및 전류 특성 그래프이다.
도3은 본 발명에 따른 이차전지 충전기의 회로구성을 도시한 블록도이다.
도4a 및 4b는 본 발명에 따른 복수개의 이차전지 동시충전방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도5는 본 발명에 따른 3개의 이차전지를 동시충전하는 경우의 전압 및 전류 특성 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20: 교류/직류 변환부 30: 구동전원부
40A, 40B: 스위칭모드 전원공급(SMPS)부
42A, 42B: 전류제어부
50A, 50B: 충전부 52A, 52B: 충전구
60A, 60B: 전압측정부 100: 마이크로프로세서
200: 전원공급부 300: 제1 충전회로
400: 제2 충전회로 500A, 500B: 이차전지
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 첫 번째의 기술적 특징으로서, 복수개의 이차전지들을 동시에 충전하는 방법은, 상기 이차전지들의 전압과 정격테이타에 따라 충전기의 최대 가용전류량(IT)의 범위내에서 각 이차전지에 분배될 충전전류를 결정하고, 결정된 충전전류들을 각 이차전지에 공급하여 복수개의 이차전지들을 동시에 충전하며, 충전과정에서 목표전압에 도달한 이차전지는 그 충전전류의 양을 점차적으로 감소시키면서 상기 목표전압을 유지하도록 충전하고, 상기 감소되는 충전전류를 상기 목표전압에 미달된 이차전지들의 충전전류로 추가 할당하면서 상기 목표전압에 미달된 이차전지들을 충전함을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째의 기술적 특징으로서, 복수개의 충전부를 구비한 충전장치를 이용하여 하나 이상의 이차전지들을 충전하는 방법은,
충전을 위해 충전부에 이차전지가 연결되어 있는지 주기적으로 검사하는 제1단계;
충전을 위해 상기 충전부에 연결된 이차전지들의 정격데이타와 전압을 주기적으로 검출하는 제2단계; 및
검출된 이차전지들의 전압과 정격데이타에 따라 상기 충전장치의 가용전류를 최대로 활용하도록 각 이차전지에 공급할 충전전류를 설정하고, 검출된 전압이 목표전압과 같아진 이차전지의 충전전류의 크기를 상기 이차전지의 전압이 목표전압보다 낮아지지 않도록 점차적으로 감소시킴과 동시에 감소된 전류량을 검출된 전압이 상기 목표전압에 미달된 이차전지에게 분배되도록 각 이차전지에 제공되는 충전전류의 크기를 주기적으로 제어하는 제3단계를 구비함을 특징으로 한다.
본 발명의 두 번째의 기술적 특징에 있어서, 상기 충전방법은 보다 확실한 만충을 위해 충전부에 연결된 이차전지들 중 검출된 전압이 가장 마지막으로 목표전압에 도달한 다음에는 목표전압을 유지하면서 그 이차전지의 충전전류량을 감소시켜 충전하는 제4단계를 더 구비한다.
나아가, 본 발명의 세 번째의 기술적 특징으로서, 예컨데 충전장치가 두 개의 충전부를 통해 두 개의 이차전지를 동시에 충전할 수 있는 경우에 이 충전장치를 이용하여 이차전지를 충전하는 방법은,
한 개의 이차전지만이 상기 충전부에 연결된 경우, 상기 충전장치가 공급할 수 있는 최대가용전류량(IT)의 범위 내에서 상기 이차전지의 정격데이타와 초기전압에 의거하여 최대크기로 정해진 충전전류를 상기 이차전지에 공급하여 충전하고, 상기 이차전지가 목표전압에 도달한 후에는 상기 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시키면서 충전하며;
두 개의 이차전지가 상기 충전부 각각에 연결된 경우에는, 상기 충전장치가 공급할 수 있는 최대가용전류량(IT)의 범위 내에서 상기 이차전지 각각의 정격데이타와 초기전압에 의거하여 크기가 결정되는 제1 충전전류 및 제2충전전류를 상기 이차전지 각각에 공급하고, 충전과정에서 어느 하나의 이차전지의 전압이 먼저 목표전압에 도달하면 목표전압을 유지하면서 그 이차전지의 충전전류의 크기를 조절함과 동시에 감소된 크기만큼 나머지 이차전지의 충전전류의 크기를 증가시키고, 상기 이차전지가 상기 목표전압에 도달하면 상기 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시키면서 충전함을 특징으로 한다.
나아가, 위와 같은 여러 가지 충전방법들은, 이차전지의 손상방지를 위해, 이차전지의 전압이 한계전압 이상이거나 온도가 한계온도 이상인 경우 또는 식별(ID)단자의 값이 정해진 값이 아닐 때에 충전을 중단하는 인터럽트 기능을 더 구비한다. 또한, 상설한 충전방법들은 이차전지가 종지전류에 도달하여 만충을 확인한 후에는 충전을 중지하는 기존의 충전기와는 달리 충전을 중지하지 않고 이차전지의 전압을 일정하게 유지하도록 충전을 계속한다.
한편, 하나 이상의 이차전지들을 동시에 충전하기 위해, 본 발명에 따른 이차전지 충전장치는,
교류전압을 이용하여 제1직류전압과 제2직류전압을 생성하기 위한 전원공급수단;
동일한 구성의 복수개의 충전회로를 구비하며, 각각의 충전회로는 상기 제1직류전압을 충전전원으로 제공받아 충전을 위해 충전단자에 연결된 이차전지에 충전전류를 공급하며, 충전과정에서 상기 이차전지의 전압 및 정격데이타를 측정하고 상기 충전전류의 크기를 전류제어신호들에 대응하여 가변적으로 조절하는 충전수단; 및
상기 제2직류전압을 전원전압으로 제공받고, 충전과정에서 측정된 전압과 정격데이타에 따라 최대 가용전류량(IT)을 모두 활용하도록 각 이차전지에 분배될 충전전류를 설정하고, 전압이 목표전압과 같아진 이차전지의 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시킴과 동시에 감소된 전류량을 검출된 전압이 상기 목표전압에 미달된 이차전지에게 분배하여 최대가용전류량(IT)을 유지하게 하는 전류제어신호들을 생성하여 상기 충전수단에 제공하는 제어수단으로 구성됨을 특징으로 한다.
제어수단은 마이크로프로세서로 구성한다. 마이크로프로세서는 각 이차전지로부터 제공되는 상기 이차전지의 정격데이타 및 전압에 의거하여 상기 이차전지의 유무상황, 이차전지의 종류 및 충전상태를 판단하여 충전전류량을 설정하고 이에 의거하여 전류제어신호들을 생성한다. 또한, 마이크로프로세서는 이차전지의 전압이 한계전압 이상이거나 온도가 한계온도 이상인 경우 또는 식별(ID)단자의 값이 정해진 값이 아닐 때에 충전을 중단하도록 제어한다.
충전회로는 이차전지에 공급되는 충전전류의 측정값과 전류제어신호를 이용하여 정해지는 기준값의 크기를 비교하여 충전전류량을 제어하기 위한 스위칭제어신호를 생성하는 전류제어부; 상기 전류제어부의 스위칭제어신호에 응답하여 상기 충전전원을 스위칭하여 상기 충전전류를 생성하기 위한 스위칭모드전력공급(SMPS)부; 상기 스위칭모드전력공급부로부터 제공되는 상기 충전전류를 상기 충전단자를 통해 상기 이차전지에 전달하여 상기 이차전지를 충전하는 충전부; 및 상기 이차전지의 전압을 측정하기 위한 전압측정부로 구성된다. 또한, 충전회로는 주기적으로 이차전지의 정격데이타 및 전압을 측정하여 마이크로프로세서에 제공하므로써, 마이크로프로세서의 제어에 필요한 기초 데이터를 제공하는 역할을 담당한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 충전구를 갖는 충전장치가 도시된다. 이 충전장치는 전원공급부(200), 제1 충전회로(300), 제2 충전회로(400) 및 마이크로프로세서(100)로 구성된다.
전원공급부(200)는 교류전원(10)을 소정크기의 직류전압(Vin)으로 변환시켜주는 교류/직류 변환부(20)와 변환된 직류전압(Vin)을 마이크로프로세서(100)의 구동전압(VCC)의 크기로 변환해주는 구동전원부(30)로 구성된다.
제1 충전회로(300)는 스위칭모드 전원공급부(이하 SMPS부라 함)(40A), 전류측정부(비도시)와 저역통과휠터부(비도시)를 포함하는 전류제어부(42A), 소정갯수의 충전포트를 갖는 충전부(50A), 전압측정부(60A)로 구성된다.
SMPS부(40A)는 교류/직류변환부(20)로부터 직류전압(Vin)을 제공받아서 충전부(50A)에 충전전류(I1c)를 공급한다. 충전부(50A)에 공급되는 충전전류(I1c)의 양은 상기 전류제어신호(CUR1)를 아나로그값으로 변환시켜 생성된 전류값과의 비교를 통해 제어된다. 즉, 전류제어부(42A)는 마이크로프로세서(100)로부터 제공되는 펄스폭변조(PWM) 신호인 전류제어신호(CUR1)를 내부의 저역통과휠터부를 통하여 아날로그 값인 기준값으로 변환하고, 이 기준값과 상기 전류측정부에서 측정된 충전전류(I1c)의 값을 비교하여 충전부(50A)에 공급되는 충전전류(I1c)의 크기를 조절한다. 즉, 상기 전류제어신호에 의한 기준값이 상기 전류측정부에서 측정된 충전전류의 값보다 크면 SMPS부(40A)는 그 내부의 스위칭 소자(미도시)를 온시켜 충전전류의 양을 증가시킨다. 반대로 상기 기준값이 상기 측정된 충전전류 값보다 작으면, 위와는 반대로 SMPS부(40A)는 상기 스위칭 소자를 오프시켜 충전전류를 감소시킨다. 이와 같이 SMPS부(40A)는 내부의 스위칭 소자의 온/오프를 조절하므로써 상기 충전부(50A)에 공급되는 충전전류의 크기를 마이크로프로세서(100)가 설정해준 기준값으로 조절해 준다.
충전부(50A)는 이차전지(500A)의 입력단자와 접속할 수 있는 충전구(52A)를 포함한다. 이차전지(500A)는 일반적으로 4개의 입력단자를 가지므로 충전구(52A)도 이에 대응하여 접지단자, 충전단자, 온도측정단자 및 식별(ID)단자를 갖는다. 충전전류(I1c)는 충전단자를 통해 이차전지(500A)에 인가된다. 온도측정단자는 이차전지(500A)의 내부온도를 측정하여 그 크기에 대응하는 온도신호(TH1)를 마이크로프로세서(100)에 제공한다. 식별단자는 충전구(52A)에 연결된 이차전지(500A)의 종류를 식별하여 그에 관한 식별데이터(ID1)를 마이크로프로세서(100)에 제공한다. 마이크로프로세서(100)는 식별데이타(ID1)로부터 충전구(52A)에 연결된 이차전지(500A)의 정격특성 예컨대, 최대전압, 최대전류, 최대온도 등에 관한 정보를 얻는다.
전압측정부(60A)는 이차전지(500A)의 현재전압의 크기를 측정하여 그 크기에 비례하는 전압(Vb1)을 마이크로프로세서(100)에 제공한다.
제2 충전회로(300)와 제1 충전회로(400)는 동일한 회로구성을 가지며, 각 구성부의 작용 또한 동일하다. 도 3은 충전회로가 두 개인 경우를 예시적으로 도시하고 있지만, 충전회로를 더 늘려 3개 이상의 충전회로를 포함하는 충전장치를 구성하는 것도 본 발명의 다른 실시예임을 밝혀둔다.
마이크로프로세서(100)는 전류제어신호(CUR1, CUR2)와 보조기능의 구동제어신호(ON1, ON2)를 통하여 SMPS부(40A, 40B)의 동작을 제어한다. 예컨데, 이차전지의 전압이 한계전압 이상이거나 온도가 한계온도 이상이어서 이차전지가 비정상적인 상태인 경우 또는 이차전지의 식별(ID)데이타가 정해진 값이 아닐 때에는, 마이크로프로세서(100)는 구동제어신호(ON1, ON2)를 낮은 전압, 예컨데 0[V]로 출력하여 SMPS부(40A, 40B)를 꺼버린다. 그리고, 마이크로프로세서(100)는 이차전지의 상태가 양호할 경우에만 구동제어신호(ON1, ON2)를 높은 전압, 예컨데 5[V]로 설정하여 SMPS부(40A, 40B)를 작동가능한 상태로 유지시키면서, 이차전지(500A, 500B)의 전압(Vb1,Vb2)의 레벨과 정격데이타에 따라 설정되는 전류량에 만족하는 전류제어신호(CUR1, CUR2)를 생성하여 전류제어부(42A, 42B)에 제공한다. 그 결과 앞서 설명한 바와 같이, 전류제어신호(CUR1, CUR2)는 전류제어부(42A,42B) 내의 저역통과휠터에 의해 아날로그값으로 변환되고, 이 변환된 아날로그값은 전류제어부(42A,42B) 내의 전류측정부에서 측정된 충전전류와의 비교시 기준값으로 기능한다. 즉, SMPS부(40A, 40B)의 스위칭동작은 이차전지(500A,500B)의 전압(Vb1,Vb2)과 정격데이타에 따라 정해지는 전류제어신호(CUR1, CUR2), 구동제어신호(ON1, ON2)의 조합으로 제어되며, 충전부(50A, 50B)에 공급되는 충전전류량(I1c, I1c)은 SMPS부(40A, 40B)의 스위칭동작에 따라 조정되고 제어된다.
도 4는 위와 같은 기능을 수행하기 위한 마이크로프로세서(100)의 소프트웨어의 흐름도 이다. 주기적인 충전구의 상태측정과 전류량 설정 및 충전상태표시 기능을 수행하기 위하여, 실시간 오퍼레이팅 시스템이 사용되며, 이에 따라 마이크로프로세서(100)에 내장되어 있는 타이머 기능을 사용한다. 구동전원부(20)로부터 전원을 공급받아 마이크로프로세서(100)가 동작을 시작하면(S10 단계), 우선 마이크로프로세서에 내장되어 있는 하드웨어 자원들(미도시)을 초기화시킨다(S11 단계). 그 후, 내부의 타이머(미도시)와 이에 따른 인터럽트 발생부(미도시)를 가동시킨다(S12 단계). 이어서, 마이크로프로세서(100)는 주기적으로 발생될 인터럽트를 기다리는 상태(S13 단계)로 전환된다. 타이머 인터럽트가 일어나면(S20 단계), 도4에서와 같이, 마이크로프로세서(100)는 우선 충전구(52A, 52B)의 상태를 측정하여(S30 단계) 이차전지(500A, 500B)의 유무상태 및 장착된 이차전지의 정격데이터를 읽은 후, 충전전류량을 계산하여(S31 단계) 전류제어신호(CUR1, CUR2) 및 구동제어신호(ON1, ON2)를 출력하고(S32 단계) 충전구의 상태 및 충전상태를 표시한(S33 단계) 후 다시 대기 상태(S40 단계)로 돌아간다. 전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력(S32 단계)은 마이크로프로세서(100)에 PWM신호 출력을 위한 장치가 내장되어있는 경우에는 계산된 전류량의 값을 상기 PWM 출력장치에 보내는 것을 의미한다. 만약 그렇지 아니한 경우에는, 상기 흐름도의 S20 단계와 S30 단계사이에 측정을 위한 시간인가 아니면 PWM출력을 위한 시간인가에 따라 분기되는 단계(S21 단계)를 더 포함하게 된다. 또한, 전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력이 필요한 경우 마이크로프로세서(100)는 그 신호를 출력하고(S23 단계) 다시 대기상태로 돌아간다(S40 단계). 만약 마이크로프로세서(100)에 타이머 인터럽트기능이 복수개 있을 때는, 제2 타이머를 전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력에 사용하며(S22 단계) 이 때 (S21 단계)는 생략된다.
이하에서는 도2, 도3, 도4a 및 도4b를 참조하여 두 개의 이차전지를 동시충전하는 경우를 예로 하여 본 발명의 충전장치의 동작내용을 예시적으로 설명한다.
먼저 전원이 켜지면 구동전원부(30)로부터 구동전원(Vcc)이 공급되어 마이크로프로세서(100)가 동작을 시작하며(S10 단계), 마이크로프로세서(100)는 그 내부에 내장되어 있는 하드웨어자원, 예컨데 입출력포트(I/O port), 아날로그/디지탈 변환부(ADC)등을 초기화시킨다(S11 단계). 이 때 타이머와 이에 따른 타이머 인터럽트 발생부를 가동시키며(S12 단계), 그 다음 마이크로프로세서(100)는 주기적으로 발생될 인터럽트를 기다리는 상태(S13 단계)로 전환된다.
마이크로프로세서(100)가 상기와 같은 대기 상태로 있을 때 인터럽트가 발생(S20 단계)하면, 먼저 충전을 위해 충전구(52A,52B)의 상태를 측정하여 충전부(50A, 50B)에 이차전지가 연결되어 있는지를 검사한다(S30 단계).
나아가, 마이크로프로세서(100)는 전압측정부(60A, 60B) 및 충전부(50A, 50B)와 연결된 이차전지(500A, 500B)의 입력단자들을 검사하여 전압측정부(60A, 60B)가 검출한 이차전지(500A, 500B)의 전압(Vb1, Vb2)과 충전부(50A, 50B)가 검출한 이차전지의 온도(TH1, TH2) 및 식별데이타(ID1, ID2)의 값을 읽어들이며, 식별데이타(ID1, ID2)에 기초하여 각각의 이차전지에 할당할 전력량을 계산한다. 즉, 마이크로프로세서(100)는 충전부(50A)로부터 제공되는 식별데이타(ID1)에 의거하여 미리 내장된 정보로부터 제1 이차전지(500A)에 공급될 수 있는 최대전압 및 최대전류의 크기를 알아낸다. 만약 내장된 정보가 없으면 최대전압과 최대전류의 값을 이차전지에 손상을 주지 않는 안정적인 값으로 설정하거나 오류로 표시한다. 최대전압(혹은 만충전압)은 이차전지의 정전류충전 완료를 판단하는 기준전압으로 설정되며, 마이크로프로세서(100)는 전압측정부(60A, 60B)로부터 전달받은 이차전지(500A, 500B)의 전압(Vb1,Vb1)이 미리 설정된 만충전압에 도달했는지를 검사한다.
먼저 이차전지(500A, 500B)의 전압(Vb1,Vb1)이 만충전압에 이르지 않았을 때는, 동일한 크기의 충전전압을 가정하면 이차전지에 할당되는 전력량은 공급전류의 크기로 대표될 수 있으므로, 마이크로프로세서(100)는 이차전지(500A, 500B)에 각각에 제공되어야 할 충전전류(I1c,I2c)의 양을 산출할 수 있다(S31 단계). 여기서, 두 개의 이차전지(500A, 500B)에 공급될 충전전류(I1c,I2c)의 합은 전원공급부(200)가 공급할 수 있는 최대가용전류량(IT)보다는 클 수 없다. 예컨데, 전원공급부(200)의 최대가용전류량(IT)이 1[A]로 설계된 충전장치에 있어서, 350[mA]로 충전될 수 있는 이차전지(500A)와 1350[mA]로 충전될 수 있는 이차전지(500B)가 충전구(52A)와 충전구(52B)에 각각 연결되어 있는 경우를 가정하자. 제1 이차전지(500A)에 우선권이 주어지는 경우, 충전개시시에는 마이크로프로세서(100)는 제1 이차전지(500A)의 충전전류(I1c)의 크기(A0)를 350[mA]로 산출하고, 제2 이차전지(500B)의 충전전류(I2c)의 크기(B0'=IT-A0)를 650[mA]로 산출한다.
만충전압에 도달한 이차전지가 있을 때, 예컨데 제1 이차전지가 만충전압으로 충전되었을 때, 마이크로프로세서(100)는 이 때부터 제1 이차전지(500A)의 충전모드를 정전류충전모드에서 정전압충전모드로 전환한다. 이 정전압충전모드에서는, 마이크로프로세서(100)는 만충전압(Vm)에 먼저 도달한 제1 이차전지(500A)를 정전압으로 충전하기 위해 충전전류(I1c)의 양을 매주기마다 조금씩 감소시켜 항상 만충전압에 있도록 한다. 이에 따른 제1 이차전지(500A)의 충전전류 감소량(??I1c)은 마이크로프로세서(100)에 의해 제2 이차전지(500B)의 충전전류(I2c)로 부가하여 최대가용전류량(IT)을 유지하도록 한다.
이렇게 산출된 충전전류(I1c,I2c)의 크기는 마이크로프로세서(100)내에서 전류제어를 위한 기준값으로 설정되며, 마이크로프로세서는 이 기준값으로 전류제어신호(CUR1, CUR2)를 만들어낸다(S32 단계).
다음은 전류제어신호(CUR1, CUR2)를 통한 충전부의 회로 동작을 설명한다. 먼저 마이크로프로세서(100)로부터 나오는 전류제어신호(CUR1, CUR2)를 저역통과휠터를 통하여 아날로그 값인 기준값으로 변환한다. 여기서 전류제어신호(CUR1, CUR2)는 PWM신호 또는 아날그로형태로 바뀔 수 있는 다양한 형태가 가능하며 본 발명에서는 PWM신호를 사용한다. 충전전류(I1c, I2c)는 PWM신호의 펄스폭을 조절하여 아날로그인 기준값을 변경함으로써 제어된다. 따라서, 제1 이차전지(500A)의 충전전류(I1c)의 양을 줄이기 위해서는 전류제어신호(CUR1)의 펄스폭을 줄여준다. 이에 의해, 상기 기준값이 낮아지고 이 기준값과 전류측정부를 통해서 측정되는 충전전류량에 비례하는 전압값과의 비교를 통하여 충전전류(I1c)의 양이 감소하게 된다. 이와 동시에 제1 이차전지(500A)에서 감소된 전류량에 비례하여 제2 이차전지(500B)의 전류제어신호(CUR2)의 펄스폭을 늘인다. 즉, 제2 이차전지 기준값의 증가분은 앞서의 제1 이차전지 기준값의 감소분과 같도록 한다. 이에 의해, 제2 이차전지(500B) 충전전류(I2c)의 양이 제1 이차전지(500A)의 충전전류(I1c)의 감소량(??I1c)만큼 더 증가된다. 여기서, 변화된 두 개의 이차전지(500A, 500B)에 공급될 각각의 충전전류(I1c,I2c)는 상기 식별테이타(ID1, ID2)에 의해 얻어진 각 이차전지의 최대 충전전류값을 넘지 못하며, 이와 같이 충전을 진행하는 경우 제1 및 제2 이차전지(500A, 500B)에 공급되는 충전전류(I1c,I2c)의 총합은 항상 최대 가용전류량(IT)과 같게 되어 충전기의 가용충전전류를 효율적으로 활용하여 충전시간을 현저히 줄일 수 있다.
전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력(S32 단계)은, 마이크로프로세서(100)에 PWM신호 출력을 위한 장치가 내장되어 있는 경우에는 계산된 전류량의 값을 상기 PWM 출력장치에 보내는 것을 의미하며, 그렇지 아니한 경우에는 도4의 S20 단계와 S30 단계사이에 측정을 위한 시간인가 아니면 PWM신호출력을 위한 시간인가에 따라 분기되는 단계(S21 단계)을 더 거침을 의미한다. 이러한 과정에서, 전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력이 필요한 경우 마이크로프로세서(100)는 그 신호(CUR1, CUR2)를 출력하고(S23 단계), 다시 대기상태로 돌아간다(S40 단계). 만약 마이크로프로세서(100)에 타이머 인터럽트기능이 복수개 있을 때는 여분의 타이머(제2 타이머)는 전류제어신호(CUR1, CUR2)의 출력에 사용되며(S22 단계), 이 때 S21 단계는 생략된다.
한편, 마이크로프로세서(100)는 전압측정부(60A, 60B)를 통해 측정된 이차전지의 전압(Vb1, Vb2)이 비정상적으로 높거나 충전부(50A, 50B)로부터 전달받은 온도신호(TH1, TH2)를 통해 확인되는 이차전지의 온도가 비정상적으로 높을 경우 또는 식별데이타(ID1, ID2)가 정해진 값이 아닐 때에 상기 구동제어신호(ON1, ON2)를 낮은 전압(0V)으로 출력하여 SMPS부(40A, 40B)의 충전동작을 중단시킨다. 이와 같은 비정상적인 상태에서 이차전지를 계속 충전하면, 이차전지가 손상을 받을 수 있고 심할 경우에는 파괴될 수도 있기 때문이다.
이와 같은 상기의 전류제어신호 및 구동신호 출력과정 후에 마이크로프로세서(100)는 표시부(미도시)를 통하여 충전구의 상태 및 충전상태를 표시한(S33 단계) 후 다시 대기 상태(S40 단계)로 돌아간다.
이와 같은 충전과정을 계속 수행하면, 도 2의 그래프에서 알 수 있듯이, 제2 이차전지(500B)의 전압(Vb2)도 점차적으로 증가하면서 임의의 시각(t2)에서 만충전압(Vm)에 이르게 될 것이다.
제2 이차전지(500B)도 만충전압(Vm)으로 충전된 후에는 제1 및 제2 이차전지(500A, 500B) 공히 정전압충전모드로 충전을 진행한다. 이 때부터는 정전압충전을 위해 제2 이차전지(500B)의 충전전류(I2c)의 양도 점차적으로 줄여가면서 충전을 진행한다.
이 과정에서 마이크로프로세서(100)는 제1 이차전지(500A)의 충전전류(I1c)의 값이 미리 설정된 종지전류에 이르면 제1 이차전지(500A)의 충전완료로 판단한다. 아울러, 제2 이차전지(500B)의 충전전류(I2c)까지도 미리 설정된 종지전류에 도달하면 제2 이차전지(500B)의 충전완료로 판단한다.
이상에서는 두 개의 이차전지를 동시충전하는 경우에 대하여 예시적으로 설명하였지만, 앞서 밝힌 바와 같이 3개 이상의 이차전지를 동시충전하는 것도 이상에서 설명한 충전방법에 의해 가능하다.
예컨대, 3개의 이차전지를 동시충전하기 위해서는, 충전장치는 제1 충전회로(200)와 동일한 구성을 갖는 제3 충전회로(미도시)를 마이크로프로세서(100)에 더 부가되도록 구성하면 된다.
이러한 충전장치를 이용하여 이차전지를 충전하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 마이크로프로세서(100)는 우선 충전부에 연결된 이차전지의 개수를 파악한다. 1개의 이차전지만이 충전부에 연결되어 있는 경우에는 충전장치의 최대 가용충전전류(IT)를 전부 그 이차전지에 공급한다. 두 개의 이차전지가 충전부에 연결되어 있는 경우에는 최대 가용충전전류(IT)를 두 개의 이차전지에 상설한 바와 같이 분배하여 위에서 설명한 방법에 따라 충전을 한다.
만약, 3개의 이차전지가 모두 충전부에 연결되어 있으면, 도 5에 도시한 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 최대 가용충전전류(IT)를 3가지의 전류값으로 분할하여 제1, 제2 및 제3 이차전지 각각에 공급하여 정전류충전을 시작한다. 가장 큰 전류로 충전되는 제1 이차전지가 먼저 만충전압(Vm)에 도달하면 제1 이차전지는 정전압으로 충전하면서 그 충전전류(I1c)를 점차적으로 줄여준다. 그리고, 감소되는 충전전류의 양(??I1c)은 제2 및/또는 제3 이차전지에 부가적으로 할당하여 그들의 충전전류(I2c, I3c)의 양을 늘려가면서 충전을 계속 진행한다. 이후, 제2 이차전지도 역시 만충전압(Vm)에 도달하게 될 것이고, 마이크로프로세서(100)는 이를 검사한다. 만충전압(Vm)에 이른 제2 이차전지는 그 때부터 역시 정전압으로 충전함과 동시에 그에 공급되는 충전전류(I2c)의 양을 점차 줄여나가고 그 충전전류의 감소량(??I2c)을 제3 이차전지에 추가로 할당하면서 충전을 진행한다. 마침내, 제3 이차전지까지도 만충전압(Vm)에 도달하게 되고, 그 후에는 제3 이차전지도 충전전류의 양을 점차 줄이면서 정전압으로 충전을 한다. 이와 같은 과정에서, 세 개의 이차전지들의 충전전류(I1c, I2c, I3c)는 순차적으로 종지전류에 도달하게 되고, 마이크로프로세서(100)는 이를 체크하여 각 이차전지의 충전완료를 인지한다. 충전완료가 체크된 이차전지에 대해서는 충전완료의 표시를 해준다. 이 과정에서 이차전지의 전압과 온도를 검출하여 충전중단을 제어하는 것도 병행적으로 수행함은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 복수개의 이차전지 동시 충전방법과 충전장치에 의하면 다음과 같은 이점이 있다.
본 발명은 복수개의 이차전지를 동시충전함에 있어서, 충전장치가 공급할 수 있는 가용 충전전력을 적응적으로 분배할 수 있으므로 충전효율을 극대화하여 복수개의 이차전지를 짧은 시간 안에 충전을 완료할 수 있다. 그 결과, 각각의 이차전지를 담당하는 충전회로 상호간에 충전전류량의 이전이 불가능한 즉, 충전전류를 고정적으로 분배하는 종래의 충전장치와 비교할 때, 전원부의 크기와 단가를 크게 줄일 수 있다. 충전시간의 단축은 충전장치의 상품가치 제고에 크게 기여할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 복수개의 이차전지들을 동시에 충전하는 방법에 있어서,
    상기 이차전지들의 전압과 정격테이타에 따라 충전기의 최대 가용전류량(IT)의 범위내에서 각 이차전지에 분배될 충전전류를 결정하고, 결정된 충전전류들을 각 이차전지에 공급하여 복수개의 이차전지들을 동시에 충전하며, 충전과정에서 목표전압에 도달한 이차전지는 그 충전전류의 양을 점차적으로 감소시키면서 상기 목표전압을 유지하도록 충전하고, 상기 감소되는 충전전류를 상기 목표전압에 미달된 이차전지들의 충전전류로 추가 할당하면서 상기 목표전압에 미달된 이차전지들을 충전함을 특징으로 하는 복수개의 이차전지 동시 충전방법.
  2. 복수개의 충전부를 구비한 충전장치를 이용하여 하나 이상의 이차전지들을 충전하는 방법에 있어서,
    충전을 위해 충전부에 이차전지가 연결되어 있는지 주기적으로 검사하는 제1단계;
    충전을 위해 상기 충전부에 연결된 이차전지들의 정격데이타와 전압을 주기적으로 검출하는 제2단계; 및
    검출된 이차전지들의 전압과 정격데이타에 따라 상기 충전장치의 가용전류를 최대로 활용하도록 각 이차전지에 공급할 충전전류를 설정하고, 검출된 전압이 목표전압과 같아진 이차전지의 충전전류의 크기를 상기 이차전지의 전압이 목표전압보다 낮아지지 않도록 점차적으로 감소시킴과 동시에 감소된 전류량을 검출된 전압이 상기 목표전압에 미달된 이차전지에게 분배되도록 각 이차전지에 제공되는 충전전류의 크기를 주기적으로 제어하는 제3단계를 구비함을 특징으로 하는 이차전지 충전방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충전부에 연결된 상기 이차전지들 중 검출된 전압이 가장 마지막으로 상기 목표전압에 도달한 다음에는 목표전압을 유지하면서 그 이차전지의 충전전류량을 감소시켜 충전하는 제4단계를 더 구비함을 특징으로 하는 이차전지 충전방법.
  4. 두 개의 충전부를 통해 두 개의 이차전지를 동시에 충전할 수 있는 충전장치를 이용하여 이차전지를 충전하는 방법에 있어서,
    한 개의 이차전지만이 상기 충전부에 연결된 경우, 상기 충전장치가 공급할 수 있는 최대가용전류량(IT)의 범위 내에서 상기 이차전지의 정격데이타와 초기전압에 의거하여 최대크기로 정해진 충전전류를 상기 이차전지에 공급하여 충전하고, 상기 이차전지가 목표전압에 도달한 후에는 상기 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시키면서 충전하며;
    두 개의 이차전지가 상기 충전부 각각에 연결된 경우에는, 상기 충전장치가 공급할 수 있는 최대가용전류량(IT)의 범위 내에서 상기 이차전지 각각의 정격데이타와 초기전압에 의거하여 크기가 결정되는 제1 충전전류 및 제2충전전류를 상기 이차전지 각각에 공급하고, 충전과정에서 어느 하나의 이차전지의 전압이 먼저 목표전압에 도달하면 목표전압을 유지하면서 그 이차전지의 충전전류의 크기를 조절함과 동시에 감소된 크기만큼 나머지 이차전지의 충전전류의 크기를 증가시키고, 상기 이차전지가 상기 목표전압에 도달하면 상기 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시키면서 충전함을 특징으로 하는 이차전지 충전방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이차전지의 전압이 한계전압 이상이거나 온도가 한계온도 이상인 경우 또는 식별(ID)단자의 값이 정해진 값이 아닐 때에 충전을 중단함을 특징으로 하는 이차전지 충전방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 이차전지가 종지전류에 도달하여 만충을 확인한 후 충전을 중지하지 않고 전압을 일정하게 유지하도록 충전을 계속하는 이차전지 충전방법.
  7. 교류전압을 이용하여 제1직류전압과 제2직류전압을 생성하기 위한 전원공급수단;
    동일한 구성의 복수개의 충전회로를 구비하며, 각각의 충전회로는 상기 제1직류전압을 충전전원으로 제공받아 충전을 위해 충전단자에 연결된 이차전지에 충전전류를 공급하며, 충전과정에서 상기 이차전지의 전압 및 정격데이타를 측정하고 상기 충전전류의 크기를 전류제어신호들에 대응하여 가변적으로 조절하는 충전수단; 및
    상기 제2직류전압을 전원전압으로 제공받고, 충전과정에서 측정된 전압과 정격데이타에 따라 최대 가용전류량(IT)을 모두 활용하도록 각 이차전지에 분배될 충전전류를 설정하고, 전압이 목표전압과 같아진 이차전지의 충전전류의 크기를 점차적으로 감소시킴과 동시에 감소된 전류량을 검출된 전압이 상기 목표전압에 미달된 이차전지에게 분배하여 최대가용전류량(IT)을 유지하게 하는 전류제어신호들을 생성하여 상기 충전수단에 제공하는 제어수단을 구비하여 하나 이상의 이차전지들을 동시에 충전할 수 있음을 특징으로 하는 이차전지 충전장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어수단은 마이크로프로세서이고, 상기 마이크로프로세서는 각 이차전지로부터 제공되는 상기 이차전지의 정격데이타 및 전압에 의거하여 상기 이차전지의 유무상황, 이차전지의 종류 및 충전상태를 판단하여 충전전류량을 설정하고 이에 의거하여 상기 전류제어신호들을 생성함을 특징으로 하는 이차전지 충전장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 충전회로는 상기 이차전지에 공급되는 충전전류의 측정값과 상기 전류제어신호를 이용하여 정해지는 기준값의 크기를 비교하여 충전전류량을 제어하기 위한 스위칭제어신호를 생성하는 전류제어부; 상기 전류제어부의 스위칭제어신호에 응답하여 상기 충전전원을 스위칭하여 상기 충전전류를 생성하기 위한 스위칭모드전력공급(SMPS)부; 상기 스위칭모드전력공급부로부터 제공되는 상기 충전전류를 상기 충전단자를 통해 상기 이차전지에 전달하여 상기 이차전지를 충전하는 충전부; 및 상기 이차전지의 전압을 측정하기 위한 전압측정부를 구비함을 특징으로 하는 이차전지 충전장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 충전회로는 주기적으로 이차전지의 정격데이타 및 전압을 측정하여 상기 제어수단에 제공함을 특징으로 하는 이차전지 충전장치.
  11. 제7 항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 이차전지의 전압이 한계전압 이상이거나 온도가 한계온도 이상인 경우 또는 식별(ID)단자의 값이 정해진 값이 아닐 때에 충전을 중단하도록 제어함을 특징으로 하는 이차전지 충전장치.
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