KR20190001665U

KR20190001665U - 리튬이온멀티배터리충전기

Info

Publication number: KR20190001665U
Application number: KR2020170006683U
Authority: KR
Inventors: 김형배
Original assignee: 주식회사 지강
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02
Also published as: KR200490808Y1

Abstract

본 고안의 특징에 따르면, 일반적으로 리튬 이온 혹은 리튬 폴리머 배터리 셀을 이용하여 제작되는 배터리 팩은 그 목표 전압을 만들기 위해 필요한 갯 수의 배터리를 직렬 연결 구조를 통해 만들어 진다. 그렇게 만들어진 배터리 팩은 그 에 맞는 올바른 충전 전압으로 충전을 해야만 한다. 충전 전압이 부족하게 되면 충전 부족 상태가 되어 충분한 배터리 용량을 사용할 수 없게 되고, 과 충전이 되면 배터리가 위험 해 질수 도 있다. 그렇게 서로 다른 직렬 구조를 만들어진 서로 다른 배터리 팩를 충전 하려면 그에 적합한 충전 전압을 공급해야 하는데 기존의 방법은 그에 해당하는 충전기를 골라 사용해야만 했다 그러나 고안된 리튬 이온 멀티 배터리 충전기는 리튬 이온 멀티 배터리 충전 전압 자동 인식 및 결정 과정을 통해 해당하는 충전 전압을 확인 하고 그에 맞는 충전 전압으로 변환하여 충전 해주는 충전기로서 전기 자전거에 주로 사용되는 배터리는 정격36볼트와 정격 48볼트인데 고안된 단일의 멀티 배터리 충전기만으로 2개의 다른 충전 전압을 가진 배터리를 안전하고 정확하게 충전이 가능하게 된 것이다.

Description

리튬이온 멀티 배터리 충전기 {li-ion multi battery charger}

본 고안은 리튬이온 혹은 리튬 폴리머 멀티 배터리 충전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬 이온 셀 혹은 리튬 폴리머를 이용한 배터리를 충전 하는데 있어서 정격 36V의 배터리 와 정격 48V의 배터리에 해당하는 충전 전압을 단일 충전기로 충전이 가능한 리튬이온 멀티 배터리 충전기에 관한 것이다.

일반적으로, 리튬 이온 혹은 리튬 폴리머 충전기는 그 충전하려는 대상 즉 리튬 이온 셀의 조합에 따른 전압에 맞는 충전 전압으로 충전을 해야만 한다. 따라서 배터리 충전기는 해당 셀에 맞는 충전기를 선택하여 사용해야만 하였다. 예를 들어 일반적인 전기 자전거에 사용되는 배터리팩은 주로 정격 36볼트와 정격 48볼트가 주종을 이루고 있다 이 경우, 정격 36볼트용은 반드시 그의 충전 전압인 42.0볼트에 맞는 충전기를 사용해야만 하고 정격 48볼트용은 반드시 그의 충전 전압에 맞는 54.6볼트 충전기를 사용해야만 하는 것이다. 그러나 정격 36볼트 배터리이던지 혹은 정격 48볼트 이던지 충전기가 그에 맞는 충전 전압으로 충전 이 가능하다면 훨씬 더 사용이 편하고 공급적인 측면에서도 수월 할 것이다.

본 고안은 상기와 같이 배터리 전압에 따라 그에 맞는 충전기를 사용하는 불편을 해소하고 배터리 정격이 36V이던지 혹은 48V 이던지 하나의 충전기로 충전 이 가능한 리튬이온 멀티 배터리 충전기를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 고안의 목적은, 리튬이온 혹은 리튬 폴리머 배터리 셀을 사용하는 정격 36볼트 와 정격 48볼의 2 종류의 배터리를 충전 하는 각기 다른 충전 전압에 상관없이 단일의 멀티 배터리 충전기로 충전기 가능 하도록 하기 위함이다.

배터리 팩에 사용되는 배터리는 주로 리튬 이온 혹은 리튬 폴리머 배터리를 사용하고 있으며 그 리튬 이온 혹은 리튬 폴리머 배터리를 필요에 따라 직병렬 구조로 구성하여 스폿 용접을 통해 하나의 팩으로 구성되며 충전 보호와 방전 보호를 위하여 BMS(battery management system) 혹은 PCM(Protection circuit module)을 연결하여 보호 기능을 추가한다.(도1)

이러한 구조로 일반적인 전기 자전거에 주로 사용되는 정격36볼트용 혹은 정격48 볼트용 배터리를 제작하여 사용하는데 각 각의 리튬 이온 배터리 팩 마다 충전하는 충전 전압은 36볼트용 배터리는 42.0 볼트로 충전해야 하고, 48볼트용 배터리는 54.6 볼트로 충전해야 한다. 정격 36볼트 정격48볼트 배터리 팩의 충전 관련 규격을 (표1)에 나타내었다.

구분	배터리 전압(V)	충전 전압
48볼트 최대 충전전압	55.25
48볼트 표준 충전전압	54.6		54.6볼트 충전구간
36볼트 최대 충전전압	42.5	42볼트 충전구간		중첩 전압 구간
36볼트 표준충전전압	42.0
48볼트 컷오프전압	32.5
36볼트 컷오프전압	25.0

이와 같이 종래에는 서로 다른 배터리 셀 구성에 의한 서로 다른 충전 전압으로 인해 각 기 다른 충전기를 사용해야 했으나

리튬이온 혹은 리튬 폴리머 멀티 배터리 충전기는 배터리 셀 수에 따른 충전 전압을 자동 인식 과정을 통하여 충전 전압을 확인 한 후 그에 맞는 충전 전압을 공급하는 것을 특징으로 한다

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 리튬 이온 멀티 배터리 충전 전압 자동 인식 및 결정 과정을 상세히 설명하면

(도2)의 리튬이온 멀티 배터리 충전기 블록 구성도 에서 보듯이 상용 교류 전원 입력을 받아 직류 전압으로 변환 해 주는 어답터나 교류/직류 전압 변환장치 혹은 리튬이온이나 리튬 폴리머 로 구성된 배터리와 같은 전압 저장 장치로부터 직류 입력전원을 받아 충전이 가능한 충전 전압으로 전압을 변환 해 주는 전압 변환부 (10) 와 전압 변환부 (10) 로부터 충전 전압을 받아 해당하는 배터리에 맞추어 일정한 전류로 충전을 수행하는 정전류 (constant current)모드와 만충 전압에 가까워지면 내부 저항 값에 따라 일정한 충전 전류 보다 전류값이 작아져 만충 전압으로 충전을 수행하는 정전압(constant voltage) 모드로 충전을 수행하는 충전부 (20) 그리고 배터리로 충전을 수행할 때 흐르는 전류를 감지 하는 출력 전류 감지부 (30)과 배터리의 전압을 감지하는 출력전압 감지부( 40) 그리고 제어부(70)의 제어 신호에 따라 충전 전압의 출력을 스위칭 하는 충전출력 제어부(60) 와 상기 구성 요소들을 통합적으로 감시 제어 하는 제어부(70)로 구성된 리튬이온 멀티 배터리 충전기에서 (도4)의 충전 전압 자동 인식 및 결정 순서도에 나타낸 것 과 같은 과정을 수행한다.

(도2)와 같은 연결 구성이 된 상태에서 제어부(70)는 다음의 과정을 수행한다.

충전 출력 제어부를 OFF하여 충전 출력 전압을 차단하는 과정

출력 전압 감지부(40)를 통해 배터리의 전압을 측정하는 과정

배터리의 전압을 측정하여 배터리 전압이

가. 42.5볼트 보다 같거나 높은 경우

나. 25.0볼트 ~ 32.4 볼트 이내인 경우

다. 32.5볼트 ~ 42.4볼트 이내 인 경우 중의 어느 것에 해당되는지 결정하는 과정

상기 3 항에서 가. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정

5. 상기 3 항에서 나. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.0볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정

6. 상기 3 항에서 다. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.4볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정

7. 상기 6 항에서 출력 전압 감지부(40)을 통해 배터리 전압이 41.9 볼트 또는 그 이상인지 측정하여 배터리 전압이 41.9 볼트 미만이면 충전을 유지하는 과정

8. 배터리 전압이 41.9 볼트 이상이면 출력 전류 감지부(30)를 통해 배터리로 충전되는 전류를 측정하여 그 전류 값이 미리 설정된 정전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작은 값인지 확인하는 과정

9. 상기 8 항에서 전류 값이 미리 설정된 전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작은 값이면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.0볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정

10. 상기 8 항에서 전류 값이 미리 설정된 전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작지 않은 값이면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정을 특징으로 하는 리튬 이온 멀티 배터리 충전기

이상 살펴본 바와 같은 본 고안에 따르면, 상기 고안의 발명의 효과는 전기 자전거에 사용되는 다양한 배터리 충전기를 단일화하여 사용자의 편리함을 도모함과 충전기의 단일화를 통한 생산성 증대 그리고 어디서든 빌려서도 사용이 가능한 장점과 미리 충전이 된 전압 저장 장치인 보조배터리를 충전하여 이동 중에도 리튬이온 배터리 팩으로 충전이 가능한 잇점이 있다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 리튬 이온 배터리 10개 셀로 배터리 팩을 구성한 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 고안의 실시예에 따른 리튬이온 멀티 배터리 충전기의 블록 구성도이다.
도 3은 본 고안의 실시예에 따른 정격 36볼트 배터리와 정격 48볼트 배터리의 충전시 멀티 배터리 충전 전압 자동 인식 및 결정 과정을 나타낸 순서도 이다.
표 1은 본 고안의 실시 예에 따른 정격 36볼트 정격48볼트 배터리 팩의 충전 관련 규격을 나타낸 표이다.

이하 본 고안의 실시예로서 리튬 이온 배터리를 이용한 직렬 연결 개수 13개의 정격 전압 48볼트의 배터리 팩과 직렬 연결 개수 10개의 정격 전압 36볼트의 배터리 팩의 실시 예를 첨부된 (도3)에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 충전 출력 제어부를 OFF하여 충전 출력 전압을 차단하는 과정

2. 출력 전압 감지부(40)를 통해 배터리의 전압을 측정하는 과정

3. 배터리의 전압을 측정하여 배터리 전압이

가. 42.5볼트 보다 같거나 높은 경우

나. 25.0볼트 ~ 32.4 볼트 이내인 경우

4. 상기 3 항에서 가. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정

10. 상기 8 항에서 전류 값이 미리 설정된 전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작지 않은 값이면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정을 특징으로 하는 리튬 이온 멀티 배터리 충전기로서 사용하려는 배터리 팩의 용량에 따른 충전 전압을 지능적인 자동 인식 및 결정 과정을 통하여 단일의 충전기로 안정적이고 정확한 충전 전압을 공급해 줄 수 있는 것이다.

10: 전압 변환부
20: 충전부
30: 출력 전류 감지부
40: 출력 전류 감지 부
50: 리튬 이온 배터리 팩
51:BMS(Battery managemant system)
52: 리튬 이온 배터리 셀
60: 충전 출력 제어부
70: 제어부

Claims

상용 교류 전원 입력을 받아 직류 전압으로 변환 해 주는 어답터나 교류/직류 전압 변환장치 혹은 리튬이온이나 리튬 폴리머 로 구성된 배터리와 같은 전압 저장 장치로부터 직류 입력전원을 받아 충전이 가능한 충전 전압으로 전압을 변환 해 주는 전압 변환부 (10) 와 전압 변환부 (10) 로부터 충전 전압을 받아 해당하는 배터리에 맞추어 일정한 전류로 충전을 수행하는 정전류 (constant current)모드와 정전압(constant voltage) 모드로 충전을 수행하는 충전부 (20) 그리고 배터리로 충전을 수행할 때 흐르는 전류를 감지 하는 출력 전류 감지부 (30)과 배터리의 전압을 감지하는 출력전압 감지부( 40) 그리고 제어부(70)의 제어 신호에 따라 충전 전압의 출력을 스위칭 하는 충전출력 제어부(60) 와 상기 구성 요소들을 통합적으로 감시 제어 하는 제어부(70)로 구성된 리튬이온 멀티 배터리 충전기에서 제어부(70)는 다음의 과정을 수행한다.
1. 충전 출력 제어부를 OFF하여 충전 출력 전압을 차단하는 과정
2. 출력 전압 감지부(40)를 통해 배터리의 전압을 측정하는 과정
3. 배터리의 전압을 측정하여 배터리 전압이
가. 42.5볼트 보다 같거나 높은 경우
나. 25.0볼트 ~ 32.4 볼트 이내인 경우
다. 32.5볼트 ~ 42.4볼트 이내 인 경우 중의 어느 것에 해당되는지 결정하는 과정
4. 상기 3 항에서 가. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정
5. 상기 3 항에서 나. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.0볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정
6. 상기 3 항에서 다. 의 경우에 해당되면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.4볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정
7. 상기 6 항에서 출력 전압 감지부(40)을 통해 배터리 전압이 41.9 볼트 또는 그 이상인지 측정하여 배터리 전압이 41.9 볼트 미만이면 충전을 유지하는 과정
8. 배터리 전압이 41.9 볼트 이상이면 출력 전류 감지부(30)를 통해 배터리로 충전되는 전류를 측정하여 그 전류 값이 미리 설정된 정전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작은 값인지 확인하는 과정
9. 상기 8 항에서 전류 값이 미리 설정된 전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작은 값이면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 42.0볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정
10. 상기 8 항에서 전류 값이 미리 설정된 전류 (CONSTANT CURRENT)값 보다 작지 않은 값이면 제어부(70)는 전압 변환부 (10)를 통해 54.6볼트로 전압을 변환 하여 충전부(30)를 통해 정전류 모드 혹은 정전압 모드로 충전을 수행하도록 충전 출력 제어부(60)를 ON시켜서 리튬 이온 배터리팩(50)으로 충전 전압을 공급하는 과정을 특징으로 하는 리튬 이온 멀티 배터리 충전기.
제1항에 있어서, 충전 되는 충전 전압 과 충전 전류를 표시하여 충전 상태를 표시하는 표시기를 추가 구성하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 멀티 배터리 충전기