KR100241906B1 - 배터리 충전회로 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

배터리 충전회로에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

배터리 충전시 주변 온도에 따른 배터리의 만충전 전압 가변 특성에 적응적으로 그(만충전 전압에 대응되는) 기준전압을 변화시키는 배터리 충전회로를 제공함에 있다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 배터리 충전회로는 상기 배터리에 충전전원을 공급하는 수단과, 상기 배터리의 기준충전전류를 설정하는 기준전압을 발생하는 수단과, 상기 배터리의 부하전류에 대응되는 전압을 비교전압으로 수신하고 상기 기준전압을 수신하며, 상기 두전압을 비교하여 상기 배터리의 충전전류를 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 수단과, 주변온도에 따라 저항치가 가변하는 센서를 포함하며, 상기 배터리의 만충전 전압을 설정하는 기준전압을 발생하는 수단과, 상기 배터리의 충전전압에 대응되는 전압을 비교전압으로 수신하고 상기 만충전 전압의 기준전압을 수신하며, 상기 두 전압을 비교하여 상기 배터리의 충전전원의 펄스 폭을 제어하는 신호를 발생하는 수단과, 상기 충전전원과 배터리 사이에 연결되는 스위치수단을 구비하며, 상기 제어신호에 따라 상기 스위치수단을 스위칭시켜 상기 충전전원의 펄스 폭을 제어하는 수단으로 구성되어, 상기 배터리의 충전전압이 설정된 만충전 전압을 초과할 시 상기 충전전원의 공급을 차단하는 것을 특징으로 한다.

라. 발명의 중요한 용도

배터리의 과충전 방지를 온도 보상형으로 구현하는 데 사용한다.

Description

배터리 충전회로{APPARATUS FOR CHARGING A SECONDARY BATTERY}

본 발명은 배터리 충전회로에 있어서 충전 전류 및 전압을 감지하여 과충전을 방지하는 회로에 관한 것으로, 특히 만충전 기준전압을 주변 온도에 따라 적응적으로 설정하는 회로에 관한 것이다.

충전용 배터리를 충전하는 경우, 배터리의 성능을 저하시키거나 과충전으로 인한 배터리의 파열 현상을 방지하기 위한 기술들이 다양하게 개발되어 왔다.

배터리의 만충전상태를 감지하는 방법으로는 하기와 같은 방법들이 알려져 있다.

첫 번째로 충전 중에 배터리의 전압을 지속적으로 검사하는 방법으로서, 이중 하나는 배터리의 충전 특성 곡선에서 만충전되는 시기에 전압이 낮아지는 특성을 검사하는 방법으로 아날로그/디지탈 변환기 등의 복잡한 회로를 필요로 하며, 나머지 하나는 배터리의 충전 특성 곡선에서 만충전에 이르기 이전 상태에서 피크 전압을 검출하는 방법으로 간단한 전압 비교회로로 구현할 수 있다. 두번째로 배터리가 만충전될 때 배터리의 온도 특성이 상승 및 하강하는 상태를 점검하여 만충전 상태를 검사하는 방법이 있다. 그리고 세 번째로 위의 두가지 방법을 복합적으로 검사하는 방법이 있다. 또한 위와 같이 배터리의 만충전 상태를 감지한 후 과충전을 방지하기 위한 방법으로서, 첫째 전압 비교회로와 전자적 또는 기계적인 스위치 소자를 사용하여 배터리의 충전회로를 차단하는 방법이 있으며, 두 번째로 전압 비교회로와 전자적 또는 계적인 스위치 소자를 사용하여 일시적 또는 단계적으로 충전전류를 감축하는 방법이 있고, 세 번째로 충전 중인 배터리의 전압을 감지하여 충전 전류의 펄스 폭을 가변하여 평균 충전전류를 감소시키는 방법이 있으며, 네 번째로 타이머를 이용하여 충전 시간을 제어하는 방법이 있다.

그런데 상기와 같이 만충전 상태를 감지하는 방법은 구현 방법이 복잡하여 마이크로프로세서 등과 같은 회로들을 사용하여야 하며, 이런 경우 충전기 전용으로 사용하기에는 부적합한 문제점을 가지게 된다. 또한 배터리의 충전 상태를 감지하여 과충전을 감지하는 방법은 배터리가 만충전된 후 다시 방전하게 되거나 자연 방전되는 문제점을 가지게 되며, 충전전류를 단계적으로 조절하기 위한 소자가 추가적으로 필요하여 부품수가 증가되고 대기 상태에서 전류를 소모하는 소자의 수가 많아지는 문제점 등이 야기된다.

본원 출원인이 1994년에 출원번호 제19908호로서 특허출원한 '배터리 충전회로'에 따르면, 충전시 배터리의 충전전류가 설정된 기준 충전전류를 초과하거나 충전전압이 설정된 만충전 전압을 초과할 경우 충전전원의 공급을 차단하므로써 상기 배터리 충전전류의 양과 펄스 폭을 제어하고 있다. 실제로 만충전에 대응되는 기준전압은 주변 온도에 따라 변화한다. 그런데 상기한 배터리 충전회로는 그러한 주변 온도의 영향을 전혀 고려하지 않는다.

따라서 본 발명의 목적은 배터리 충전시 주변 온도에 따른 배터리의 만충전 전압 가변 특성에 적응적으로 그 기준전압을 변화시키는 배터리 충전회로를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 구성도

도 2는 도 1에서 시간의 변화에 따른 각 부분의 전압 특성도

도 3은 도 1에서 시간의 변화에 따른 충전전류의 특성도

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 구성도이다.

여기서 사용되는 ″제1기준전압″이라는 용어는 충전시 배터리가 과전류로 충전되는 것을 방지하기 위하여 배터리 충전 기준전류를 설정하는 전압을 나타낸다. ″제2기준전압″은 상기 배터리가 만충전될 때의 기준전압을 설정하는 전압을 나타낸다.

충전전원10은 배터리BT의 충전전원을 공급한다. 배터리BT는 노드N1 및 노드N2 사이에 연결되며, 노드N1으로 공급되는 충전전원에 의해 충전된다. 상기 노드N2와 접지단 사이에 연결되는 저항R5는 상기 배터리BT의 부하전류를 검출하는 기능을 수행한다.

제1전압V1은 상기 배터리BT가 과전류로 충전되는 것을 방지하기 위하여 기준 충전전류를 설정하는 제1기준전압이다.

비교기CP1은 상기 제1기준전압V1을 반전단자로 입력하고 노드N2의 전압을 비반전단자로 입력하고, 이들 두 전압을 비교하여 제1제어신호CTL1을 발생한다. 상기 노드N2의 전압은 배터리BT의 현재 충전전류(부하전류)에 대응되는 전압이다. 상기 제1제어신호CTL1은 배터리BT의 충전전류의 양을 일정하게 제어하는 신호가 된다. 저항R4는 전원단Vcc와 상기 비교기CP1의 출력단에 연결되어 상기 비교기CP1을 풀업(pull up)한다.

도시한 바에 따르면, 제2전압V2와 저항R6 및 써미스터R7은 상기 배터리BT의 만충전 전압을 발생하는 수단이다. 상기 저항R6은 상기 노드N2와 노드N3 사이에 연결된다. 써미스터R7은 온도가 증가함에 따라 저항값이 상승하며, 상기 노드N3와 제2전압V2 사이에 연결된다. 상기 노드N3의 전압은 배터리BT의 만충전 전압을 감지하기 위한 제2기준전압이다. 상기 저항R6 및 써미스터R7를 이용하여 설정하는 상기 제2기준전압은 배터리BT의 부하 전압, 즉 노드N2의 전압을 기준으로 상기 노드N2의 전압보다 배터리가 만충전되었을 때의 전압만큼 높도록 설정한다. 단, 그 설정되는 값은 배터리BT의 온도에 따른 충전전압 특성 곡선을 만족해야 한다.

비교기CP2는 상기 노드N1으로 발생되는 상기 배터리BT의 전압을 비반전단자로 입력하고 노드N3로 발생되는 상기 제2기준전압을 반전단자로 입력하고, 그 두 전압을 비교하여 제2제어신호CTL2를 발생한다. 상기 제2제어신호CTL2는 배터리BT의 충전전류의 펄스 폭을 제어하는 신호가 된다. 저항R8은 전원단Vcc와 상기 비교기CP2의 출력단에 연결되어 상기 비교기CP2를 풀업한다.

PNP형 트랜지스터Q1은 제1스위치수단으로서, 에미터는 충전전원 10에 연결되며 다이오드D1의 애노드는 상기 트랜지스터Q1의 컬렉터와 연결되고 캐소드는 노드N1에 연결된다. 상기 다이오드D1은 상기 배터리 BT의 충전전류가 역류되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 다이오드D2 및 다이오드 D3의 애노드에는 각각 제1제어신호CTL1 및 제2제어신호CTL2가 공급되고, 저항 R3은 상기 다이오드D2 및 다이오드D3의 캐소드에 연결된다. 결국 상기 다이오드D2와 다이오드D3은 상기 제1제어신호CTL1 및 제2제어신호CTL2를 논리합하는 기능을 수행한다. NPN형 트랜지스터Q2와 트랜지스터Q3은 달링턴 구성을 가지며, 제2스위치수단이다. 상기 트랜지스터Q3의 컬렉터는 저항R2를 통해 전원단Vcc와 연결되고 에미터는 접지단과 연결되며 베이스는 저항R3와 연결된다. 발광다이오드LD의 애노드는 저항R1을 통해 상기 트랜지스터Q1의 베이스와 연결되고 캐소드는 상기 트랜지스터Q2의 컬렉터와 연결된다. 상기 세 트랜지스터Q1∼트랜지스터Q3은 상기 제1제어신호CTL1 및 제2제어신호CTL2의 상태에 따라 턴온 혹은 턴오프되어 상기 배터리BT로 공급되는 충전전원을 제어한다. 이때 발광다이오드LD는 상기 배터리BT가 충전 또는 비충전 상태임을 표시하는 기능을 수행한다.

도 2는 도 1에서 시간의 변화에 따른 각 부분의 전압 특성도이다. 참조부호 21은 노드N2에서의 시간에 따른 전압 특성을 나타낸 것이고, 22는 노드N1에서의 시간에 따른 전압 특성을 나타낸 것이며, 23은 노드N3에서의 시간에 따른 전압 특성을 나타낸 것이다.

도 3은 도 1에서 시간의 변화에 따른 충전전류의 특성을 나타낸 도면이다.

상술한 도 1의 구성에 의거 도 2 및 도 3의 전압 특성도를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 BT 충전 동작을 부연 설명하면,

충전전원10은 트랜지스터Q1이 온 상태일 때 노드N1로 인가되어 배터리BT의 (+)단자로 공급된다. 이때 비교기CP1 및 비교기 CP2는 높은 입력임피던스를 가지므로, 상기 노드N1로 인가되는 충전전류는 역전류 방지용 다이오드D1과 배터리BT 및 전류 설정용 부하저항 R5를 통해 흐른다.

상기 충전전원10의 전압 및 전류 용량이 충분히 큰 경우에는 충전 초기 상태에서 노드N2의 전압은 도 2에 도시한 바와 같이 급격하게 상승한다. 이때 비교기CP1의 반전단자로 인가되는 제1기준전압V1은 전류 설정용 저항R5에 원하는 배터리BT의 충전전류가 흐를 때의 노드N2 전압과 동일한 전압으로 설정한다.

그러면 상기 비교기CP1은 상기 노드N2의 전압이 상기 제1기준전압V1 보다 커지는 경우 논리 하이 신호를 출력하고 상기 노드N2의 전압이 상기 제1기준전압V1 보다 작은 경우 논리 로우 신호를 출력한다. 상기 비교기CP1에서 출력하는 논리신호는 상기 배터리BT로 공급되는 충전전류를 제어하는 제1제어신호CTL1이다.

상기 저항R5에 흐르는 전류는 상기 배터리BT의 충전전류이다. 상기 배터리BT의 충전전류는 저항 R5의 값을 조정하거나 제1기준전압V1을 조정하면 그 크기를 가변시킬 수 있다. 상기 비교기CP1로부터 발생되는 제1제어신호CTL1은 스위치수단의 동작을 제어하여 배터리BT로 공급되는 충전전원10의 출력을 제어하게 되므로, 제어수단과 배터리BT 및 부하로 이루어지는 부궤환 루프를 형성하여 정전류원으로 동작하게 된다.

전술한 바와 같이 노드N3에는 노드N2의 전압보다 더 큰 전압으로서 상기 배터리BT의 만충전 전압에 대응되는 제2기준전압이 발생되는 바, 비교기CP2는 노드N1에 걸리는 배터리BT의 충전전압과 상기 노드N3에 걸리는 제2기준전압을 비교하여 상기 배터리BT의 충전전압이 상기 제2기준전압보다 클 경우 논리 하이 신호를 발생하고 상기 배터리BT의 충전전압이 제2기준전압보다 작을 경우에는 논리 로우 신호를 발생한다. 상기 비교기CP2에서 출력하는 논리신호는 상기 배터리BT로 공급되는 충전전류의 펄스 폭을 제어하는 제2제어신호CTL2이다.

상기 제1제어신호CTL1 및 제2제어신호CTL2는 각각 다이오드D2 및 다이오드D3을 통해 논리합되어 트랜지스터Q3의 베이스로 인가된다. 그러므로 상기 제1제어신호CTL1 혹은 상기 제2제어신호CTL2중 어느 한 신호라도 논리 하이 레벨을 갖는 경우 상기 트랜지스터Q3은 턴온된다. 그러므로 상기 트랜지스터Q3이 턴온되면 트랜지스터Q2가 턴오프되며 이로 인해 트랜지스터Q1도 턴오프된다. 그 결과 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 충전전원10의 통로가 차단되고 배터리BT의 전류통로가 차단되므로 충전동작이 중지되었음을 알리게 된다.

상기와 같이 충전 동작이 중단된 상태에서는 상기 비교기CP1의 제1제어신호CTL1은 논리 로우 신호를 출력하게 되어 정전류원의 역할을 중단하며, 일정 시간이 경과되면 상기 배터리BT의 특성상 노드N1의 전압이 노드N3의 전압보다 낮아지게 된다. 이런 경우 상기 비교기CP2의 제2제어신호CTL2는 논리 로우 신호를 출력하게 된다. 그러므로 다이오드D2 및 다이오드D3에 의한 상기 두 제어신호CTL1, CTL2의 논리합 결과는 로우가 되어 트랜지스터Q3이 턴오프된다. 그래서 상기 트랜지스터Q2가 턴온되며, 이로 인해 상기 트랜지스터Q1도 턴온된다. 그 결과 상기 충전전원10의 통로가 형성되어 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 배터리BT는 다시 충전 동작을 수행하게 되며, 상기 비교기CP1은 제1제어신호CTL1을 발생함으로써 정전류원의 역할을 다시 수행하게 된다. 그리고 상기 트랜지스터Q2가 턴온되면 발광다이오드LD는 다시 전류 통로가 형성되어 턴온되므로 충전 동작이 수행되고 있음을 표시한다.

상기 배터리BT의 충전전압의 상태 및 상기 배터리BT의 충전전류 상태에 따라 상기 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 충전전원10의 통로를 연결 및 차단하는 과정은 지속적으로 반복하게 된다. 이때 상기 배터리BT의 화학적 특성으로 충전전류가 온/오프되는 펄스의 폭은 충전회로가 오프시 배터리BT의 방전 용량과 균형을 이룰 때까지 점진적으로 좁아지게 되며, 이후에는 일정한 주기로 충전 및 방전 동작을 반복하게 되는 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은 만충전에 대응되는 기준전압을 주변 온도에 따라 적응적으로 설정함으로써 주변의 온도가 변화함에 따라 만충전 전압이 변화하는 배터리의 충전 특성을 보상할 수 있어서 충전 및 과충전 방지 등을 위한 제어가 보다 정확하고 안정되게 이루어질 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 배터리 충전회로에 있어서,

   충전전원을 공급하는 충전전원공급 수단과,

   주변 온도에 적응적인 배터리 만충전 전압을 발생하는 만충전 전압 발생 수단과,

   배터리 충전전압과 상기 배터리 만충전 전압을 비교하고, 비교결과에 따라 배터리 충전전류의 펄스 폭을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어신호 발생 수단과,

   상기 발생된 제어신호에 따라 스위칭되어 상기 충전전원을 배터리에 전달하거나 차단하는 스위칭 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 만충전 발생 수단은,

   써미스터로 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
3. 배터리 충전회로에 있어서,

   기준 충전전류를 설정하기 위한 제1기준전압을 발생하는 제1기준전압 발생수단과,

   상기 배터리의 부하전류에 대응되는 전압과 상기 제1기준전압을 비교하여 배터리 충전전류의 양을 제어하기 위한 제1제어신호를 발생하는 제1제어신호 발생수단과,

   주변 온도에 따라 저항치가 변하는 센서의 한 단자로 소정의 전압을 인가하고, 다른 단자를 상기 배터리로 연결함과 동시에 그 다른 단자에서 제2기준전압을 검출함으로써 상기 주변 온도에 적응적인 배터리 만충전 전압을 발생하는 만충전 전압 발생수단과,

   상기 배터리의 충전전압과 상기 제2기준전압을 비교하여 비교 결과로서 상기 배터리 충전전류의 펄스 폭을 제어하는 제2제어신호를 발생하는 제2제어신호 발생수단과,

   상기 발생된 제1 및 제2제어신호에 따라 스위칭되어 충전전원을 상기 배터리로 전달하거나 차단하는 스위칭수단으로 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
4. 제3항에 있어서, 상기 스위칭수단은,

   충전전원 공급단과 상기 배터리 사이에 연결되며, 소정의 제어를 받아 전류 경로를 형성하는 제1스위치수단과,

   상기 제1 혹은 제2제어신호에 따라 그 동작 여부가 결정되는 제2스위치수단과,

   상기 제1 및 제2스위치수단 사이에 연결되며, 상기 제2스위치수단에 의해 구동되어 상기 제1스위치수단을 구동시키는 동시에 배터리 충전 상태를 표시하는 표시수단으로 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2스위치수단은,

   달링턴 접속된 두 개의 트랜지스터로 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
6. 제3항에 있어서, 상기 스위칭수단은,

   상기 배터리 충전전류가 상기 기준 충전전류를 초과하거나 상기 배터리 충전전압이 상기 만충전 전압을 초과하는 경우, 상기 충전전원이 상기 배터리로 전달되지 못하도록 스위칭됨을 특징으로 하는 배터리 충전회로.
7. 제6항에 있어서, 상기 스위칭수단은,

   상기 배터리의 충전전압이 상기 만충전 전압보다 다시 낮아지면 상기 충전전원이 상기 배터리로 전달되도록 스위칭됨을 특징으로 하는 배터리 충전회로.

Images