KR20030004617A - 배터리와 그 배터리 충전 회로 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 배터리 충전 회로에 관한 것으로 다수의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리를 충전할 때 상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 검출하고, 검출된 배터리 셀들의 전압 레벨을 기준 레벨과 비교해서 상기 기준 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 배터리 셀들 각각으로 충전 전압을 순차적으로 제공함으로써 하나의 배터리 셀을 충전하는데 요구되는 낮은 전압으로 모든 배터리 셀들을 충전할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

배터리와 그 배터리 충전 회로 및 방법 {A battery and a circuit and method for charging a battery}

본 발명은 충전 가능한 배터리 및 그 배터리를 충전하는 회로 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 저전압으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 회로 및 방법에 관한 것이다.

최근 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, PDA, CD 플레이어와 같은 휴대용 기기가 널리 보급 사용되고 있는데, 이러한 휴대용 기기들의 대부분은 충전 가능한 2차 배터리로부터 전원을 공급받아 동작한다.

도 1은 충전 가능한 배터리의 충전에 필요한 구성들을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, AC 어댑터(1)는 외부로부터 제공되는 교류 전원(AC)을 소정 레벨의 직류 전원(DC)으로 변환해서 출력하고, 충전 회로(2)는 상기 AC 어댑터(1)로부터 제공된 직류 전원을 배터리 팩(3)의 충전에 적합한 레벨의 직류 전원으로 변환해서 배터리 팩(3)으로 제공한다.

상기 배터리 팩(3)은 다수의 배터리 셀들(예를 들면, Li-Ion 셀들)로 구성되는데, 상기 배터리 셀들은 다수개씩 직렬로 연결되고, 그들이 다시 병렬로 연결된 구조를 갖는다. 예를 들어, 하나의 배터리 셀을 충전하는데 요구되는 충전 전압이 4.2V이라면, 4 개의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 경우의 충전 전압은 16.8V가 요구된다.

도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩(3)이 충전될 때 충전 전류 및 충전 전압의변화를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 예컨대, 배터리 팩(3)에서 요구하는 충전 전압이 16.8V 인 것으로 가정하면, 배터리 충전이 개시되면 충전 회로(2)로부터 출력되는 충전 전압이 서서히 증가하는 동안 충전 회로(2)는 배터리 팩(3)으로 일정한 레벨의 정전류를 공급한다. 충전 회로(2)로부터 출력되는 충전 전압이 요구되는 16.8V에 도달하면 충전 전류의 양은 급격히 감소하고, 배터리 팩(3)으로는 16.8V의 정전압이 공급된다.

상술한 바와 같이, 배터리 팩(3)으로 정전압 또는 정전류를 공급하기 위해서는 정밀한 충전 회로가 요구되므로 충전 회로의 생산 비용이 증가되는 단점이 있다. 더욱이, 배터리 팩(3)을 충전할 때 고전압이 요구되므로 충전 회로의 온도 상승이 유발되어 주변 회로 설계시 세심한 주의가 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 저전압으로 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 회로 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 충전 가능한 배터리의 충전에 필요한 구성들을 보여주는 도면;

도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩이 충전될 때 충전 전류 및 충전 전압의 변화를 보여주는 도면;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리와 배터리 충전 회로의 내부 회로 구성을 보여주는 도면; 그리고

도 4는 도 3에 도시된 배터리 충전 회로에 구비되는 마이크로컨트롤러의 제어 흐름을 보여주는 플로우차트이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 충전 회로

11-14, 21-25 : 스위치

15 ; 마이크로컨트롤러

MN11-MN41, MN12-MN42 : NMOS 트랜지스터

B11-B14, B21-B24 ; 배터리 셀

R1 ; 저항

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결 구성된 배터리를 충전하기 위한 회로는: 상기 배터리 셀들 각각에 대응하며, 제 1 스위칭 제어 신호에 응답해서 대응하는 배터리 셀로 충전 전압을 공급하기 위한 복수의 제 1 스위치 어레이; 그리고 상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 감지해서 기준 레벨보다 낮은 셀을 검출하고, 검출된 셀로 상기 충전 전압이 공급되도록 상기 제 1 스위칭 제어 신호를 발생하는 제어 회로를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 충전 가능한 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결 구성된 배터리를 충전하는 방법은: 상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 검출하는 제 1 단계와; 상기 1 단계에서 검출된 배터리 셀들의 전압 레벨을 기준 레벨과 비교하는 제 2 단계; 및 상기 기준 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 배터리 셀들 각각으로 충전 전압을 순차적으로 제공하는 제 3 단계를 포함한다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 충전 가능한 배터리는; 직렬로 연결된 배터리 셀의 어레이와; 상기 배터리 셀들의 어레이는 다수개 구비되며; 그리고 외부로부터 입력되는 스위칭 제어 신호에 응답해서 상기 배터리 셀들의 어레이들의 서로 대응하는 배터리 셀들의 양단들을 선택적으로 연결하는 스위치들을 포함한다.

이하 본 발명에 따른 배터리 충전 회로 및 방법에 대해, 첨부된 도면들을 참조로 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리와 배터리 충전 회로의 내부 회로 구성을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 배터리(20)는 충전 가능한 2차 배터리로서, 다수 개의 배터리 셀들(B11~B14, B21~B24)과 스위치들(21~25)을 포함한다. 상기 배터리 셀들(B11~B14) 및 (B21~B24)은 각각 직렬로 연결되며, 대응하는 배터리 셀들은 스위치들(21~25)을 통해 서로 병렬로 연결된다. 상기 스위치들(21~25)은 추후 설명될 배터리 충전 회로(10)의 마이크로컨트롤러(15)로부터 출력되는 스위칭 신호들(SWB[1:5])에 응답해서 대응하는 배터리 셀 쌍들((B11, B21), (B12, B22), (B13, B23), (B14, B24))을 병렬로 연결한다.

배터리 충전 회로(10)는 스위치들(11-14)과 마이크로컨트롤러(15) 그함한다. 상기 스위치들(11-14) 각각은 병렬로 연결되는 배터리 셀 쌍들((B11, B21), (B12, B22), (B13, B23), (B14, B24))에 각각 대응하며, 스위칭 신호(SWA[1:4])에 응답해서 충전 전원을 대응하는 한쌍의 배터리 셀들로 각각 제공한다. 상기 스위치들(11-14) 각각은 두 개의 NMOS 트랜지스터들((MN11, MN12), (MN21, MN22), (MN31, MN32), (MN41, MN42))로 각각 구성되는데, 일군의 트랜지스터들(MN11-MN41)은 스위칭 신호들(SWA[1:4])에 응답해서 노드들(N1~N4)을 제 1 전원 공급 단자(+)에 선택적으로 연결하고, 타군의 트랜지스터들(MN12-MN42)은 상기 스위칭 신호들(SWA[1:4])에 응답해서 상기 노드들(N2-N5)을 제 2 전원 공급 단자(-)에 선택적으로 연결한다. 한편, 상기 제 1 전원 공급 단자(+)에는 저항(R1)이 연결되어서 상기 배터리 셀들(B11~B14, B21~B24)로 정전류가 공급될 수 있다. AC 어댑터(미 도시됨)는 외부로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원(예를 들면, 5V)으로 변환해서 상기 충전 회로(10)로 제공한다.

상기 마이크로컨트롤러(15)는 상기 배터리 셀들(B11~B14, B21~B24)이 연결된 노드들(N1~N4)의 전압 차(즉, (V1-V2), (V2-V3), (V3-V4), (V4-V5))를 감지해서 상기 스위칭 신호들(SWA[1:4], SWB[1:5])를 발생한다.

계속해서, 도 4에 도시된 플로우차트를 참조하여 도 3에 도시된 배터리 충전 회로의 동작이 설명된다.

먼저, 단계 S100에서 마이크로컨트롤러(15)는 노드들(N-N5)에 전압이 인가되는 지의 여부를 판별하는 방법등을 이용하여 배터리(20)가 충전 회로(10)에 연결되었는 지의 여부를 판별한다. 판별 결과, 배터리(20)가 충전 회로(10)에 연결되었으면 제어는 단계 S101로 진행한다.

단계 S101에서 상기 마이크로컨트롤러(15)는 노드들(N1-N5)의 전압 레벨을 감지해서 배터리 셀들(B11~B14) 각각의 전압 레벨을 검출한다. 예를 들어, 배터리 셀(B11)의 전압 레벨은 노드(N1)의 전압(V1)과 노드(N2)의 전압(V2)의 차(V1-V2)이다.

단계 S102에서 마이크로컨트롤러(15)는 상기 배터리 셀들의 검출된 전압 레벨에 근거해서 배터리 셀들(B11-B14)이 모두 완전 충전 상태인지 판별한다. 예를 들어, 리튬-이온(Li-Ion) 배터리 셀은 완전 충전되었을 때 그 전압이 4.2V이므로, 감지된 전압 레벨이 4.15V 이상이면 완전 충전된 것으로 판별해서 충전 동작을 종료하고, 4.15V 미만이면 완전 충전되지 않은 것으로 판별해서 단계 S103으로 진행한다.

단계 S103에서는 배터리 셀(B11)의 전압 레벨이 기준 레벨(예를 들면, 4.15V)보다 높은지를 판별한다. 판별 결과 배터리 셀(B11)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높지 않으면 그 제어는 단계 S104로 진행한다.

단계 S104에서 마이크로컨트롤러(15)는 NMOS 트랜지스터들(MN11, MN12)을 턴온시키기 위해 제어 신호(SWA[1])는 하이 레벨(즉, 논리 '1')로 그리고 나머지 제어 신호들(SWA[2:4])은 로우 레벨(즉, 논리 '0')로 출력하며, 배터리(20) 내의 스위치들(21, 22)을 온시키 위해 제어 신호들(SWB[1:2])은 하이 레벨로 그리고 나머지 제어 신호들(SWB[3:5])은 로우 레벨로 출력한다. 그러므로, 노드(N1)는 NMOS 트랜지스터(MN11)를 통해 상기 제 1 전원 공급 단자(+)와 연결되고, 노드(N2)는 NMOS 트랜지스터(MN12)를 통해 상기 제 2 전원 공급 단자(-)와 연결되어서 배터리 셀들(B11, B21)이 충전된다. 이와 같은 방법으로 배터리 셀들(B11, B21)을 충전하는 시간은 설계자에 따라 다양하게 설정될 수 있는데 예컨대, 1분으로 설정한다. 마이크로컨트롤러(15)는 1분이 경과되면 트랜지스터들(MN11, MN12)을 턴 오프시키고, 스위치들(21, 22)을 오프시킨 후 상기 단계 S102로 그 제어를 리턴시킨다.

상기 단계 S103에서의 판별 결과, 상기 배터리(B11)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높으면 그 제어는 단계 S105로 진행한다. 단계 S105에서는 배터리 셀(B12)의 전압 레벨이 기준 레벨(예를 들면, 4.15V)보다 높은지를 판별한다. 판별 결과 배터리 셀(B12)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높지 않으면 그 제어는 단계 S106로 진행한다.

단계 S106에서 마이크로컨트롤러(15)는 NMOS 트랜지스터들(MN21, MN22)을 턴 온시키기 위해 제어 신호(SWA[2])는 하이 레벨로 그리고 나머지 제어 신호들(SWA[1], SWA[3:4])은 로우 레벨로 출력하며, 배터리(20) 내의 스위치들(22, 23)을 온시키 위해 제어 신호들(SWB[2:3])은 하이 레벨로 그리고 나머지 제어 신호들(SWB[1], SWB[4:5])은 로우 레벨로 출력한다. 그러므로, 노드(N2)는 NMOS 트랜지스터(MN21)를 통해 상기 제 1 전원 공급 단자(+)와 연결되고, 노드(N3)는 NMOS 트랜지스터(MN22)를 통해 상기 제 2 전원 공급 단자(-)와 연결되어서 배터리 셀들(B12, B22)이 충전된다. 충전을 개시한 후 1 분이 경과되면 마이크로컨트롤러(15)는 트랜지스터들(MN21, MN22)을 턴 오프시키고, 스위치들(22, 23)을 오프시킨 후 상기 단계 S102로 그 제어를 리턴시킨다.

상기 단계 S105에서의 판별 결과, 상기 배터리(B12)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높으면 그 제어는 단계 S107로 진행한다. 단계 S107에서는 배터리 셀(B13)의 전압 레벨이 기준 레벨(예를 들면, 4.15V)보다 높은지를 판별한다. 판별 결과 배터리 셀(B13)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높지 않으면 그 제어는 단계 S108로 진행한다.

단계 S108에서 마이크로컨트롤러(15)는 상술한 배터리 셀들(B12, B22)의 충전 동작과 동일한 방법으로 NMOS 트랜지스터들(MN31, MN32)을 턴 온시키고 스위치들(23, 24)을 온시켜서 배터리 셀들(B13, B23)을 1분동안 충전시킨 후, 트랜지스터들(MN31, MN32)을 턴 오프시키고, 스위치들(23, 24)을 오프시킨 후 상기 단계 S102로 그 제어를 리턴시킨다.

상기 단계 S107에서의 판별 결과, 상기 배터리(B13)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높으면 그 제어는 단계 S109로 진행한다. 단계 S109에서는 배터리 셀(B14)의 전압 레벨이 기준 레벨(예를 들면, 4.15V)보다 높은지를 판별한다. 판별 결과 배터리 셀(B14)의 전압 레벨이 기준 레벨보다 높지 않으면 그 제어는 단계 S110으로 진행한다.

단계 S110에서 마이크로컨트롤러(15)는 상술한 배터리 셀들(B12, B22)의 충전 동작과 동일한 방법으로 NMOS 트랜지스터들(MN41, MN42)을 턴 온시키고 스위치들(24, 25)을 온시켜서 배터리 셀들(B14, B24)을 1분동안 충전시킨 후, 트랜지스터들(MN41, MN42)을 턴 오프시키고, 스위치들(24, 25)을 오프시킨 후 상기 단계 S102로 그 제어를 리턴시킨다.

상술한 바와 같은 배터리 충전 동작은 단계 S102에서 모든 배터리 셀들이 완전 충전 상태인 것으로 판별될 때까지 반복적으로 수행되면서 배터리(20)에 구비된 배터리 셀들(B11~B14, B21~B24)이 모두 충전된다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

상기와 같이 구성 및 이루어지는 본 발명에 따른 배터리 충전 회로는 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리를 충전할 때 상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 검출하고, 검출된 배터리 셀들의 전압 레벨을 기준 레벨과 비교해서 상기 기준 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 배터리 셀들 각각으로 충전 전압을 순차적으로 제공함으로써 하나의 배터리 셀을 충전하는데 요구되는 낮은 전압으로 모든 배터리 셀들을 충전할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 충전 가능한 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결 구성된 배터리 셀 어레이를 충전하기 위한 회로에 있어서:

   상기 배터리 셀들 각각에 대응하며, 제 1 스위칭 제어 신호에 응답해서 대응하는 배터리 셀로 충전 전압을 공급하기 위한 복수의 제 1 스위치 어레이; 그리고

   상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 감지해서 기준 레벨보다 낮은 셀을 검출하고, 검출된 셀로 상기 충전 전압이 공급되도록 상기 제 1 스위칭 제어 신호를 발생하는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 배터리는 상기 배터리 셀 어레이를 다수개 구비하되;

   상기 배터리는 제 2 스위칭 제어 신호에 응답해서 상기 다수의 배터리 셀 어레이들의 서로 대응하는 배터리 셀들의 양단들을 선택적으로 연결하는 제 2 스위치 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 충전 전압의 레벨은, 상기 배터리 셀 하나를 충전하는데 적합한 레벨인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 스위치 어레이의 스위치들 각각은,

   상기 대응하는 배터리 셀의 일단과 제 1 전원 공급단자 사이에 형성된 전류 통로 및 상기 스위칭 신호에 의해 제어되는 게이트를 가지는 제 1 트랜지스터; 및

   상기 대응하는 배터리 셀의 타단과 제 2 전원 공급단자 사이에 형성된 전류 통로 및 상기 스위칭 신호에 의해 제어되는 게이트를 가지는 제 2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 회로.
5. 충전 가능한 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결 구성된 배터리를 충전하는 방법에 있어서:

   상기 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 검출하는 제 1 단계와;

   상기 1 단계에서 검출된 배터리 셀들의 전압 레벨을 기준 레벨과 비교하는 제 2 단계; 및

   상기 기준 레벨보다 낮은 전압 레벨을 갖는 배터리 셀들 각각으로 충전 전압을 순차적으로 제공하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
6. 충전 가능한 배터리에 있어서:

   직렬로 연결된 배터리 셀의 어레이와;

   상기 배터리 셀들의 어레이는 다수개 구비되며; 그리고

   외부로부터 입력되는 스위칭 제어 신호에 응답해서 상기 배터리 셀들의 어레이들의 서로 대응하는 배터리 셀들의 양단들을 선택적으로 연결하는 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 가능한 배터리.