KR100451637B1 - 충전용 배터리 관리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 충전용 단위전지들을 각각 개별로 하여 전위 에너지를 균등화 방전한 후, 상기 방전된 단위전지들을 직렬로 연결하여 충전할 수 있도록 스위칭회로가 구성되는 충전용 배터리 관리기에 관련된 것으로써, 스위칭회로의 접점을 줄여 그 접점으로 인한 접촉저항의 증대를 억제할 수 있는 배터리 관리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 배터리 관리기의 충방전용 릴레이 스위치(205)는 코일(202)과, 상기 코일의 자장에 의하여 구동되는 접촉단자(S)로 이루어지고, 상기 코일의 자장의 온/오프 의하여 상기 접촉단자의 접점을 스위칭함으로써 상기 단위전지(201)들을 직렬 연결 또는 상기 단위전지들을 각각의 대응하는 방전수단(저항: 223)에 개별 연결하도록 구성된다.

상기 접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치(6)에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 단위전지들이 각각 대응하는 방전수단(저항:223)에 개별 연결되도록 구성되고, 상기 코일의 일단에는 상기 각각의 단위전지의 방전전압제어수단(다이오드:10)이 연결되도록 구성된다.

Description

충전용 배터리 관리기{A Management System for the Rechargeable Battery}

본 발명은 복수개의 충전용 단위전지들을 각각 개별 방전하여 전위 에너지를 균등화한 후, 상기 방전된 단위전지들을 직렬로 연결하여 충전할 수 있도록 스위칭회로가 구성되는 충전용 배터리 관리기에 관련된 것이다.

일반적으로 충전용 배터리는 복수개의 단위전지(Cell)로 이루어지고, 각 단위 전지의 기본 전위보다 높은 전위를 필요로 하는 경우에는 다수의 단위전지를 직렬로 연결하여 사용하는 것이 보통이다. 이럴 경우 각 단위전지는 여러 차례 반복 충전하여 사용하는 동안 서로 다른 에너지 수준으로 충전되고 방전된다. 일단, 다수의 단위전지를 직렬로 연결하여 사용한 후에 즉, 서로 다른 에너지 수준으로 방전된 후에, 다시 충전하면, 충전된 단위전지의 에너지 수준 역시 서로 다르게 형성된다. 이런 상태에서 충전과 방전이 수차례 반복되면 하나의 그룹을 이루는 단위전지 중 몇 개는 과방전이 되어 사용말 전위가 0V이하가 된다. 이 상태에서 사용자가 계속 단위전지를 방전시킨다든지 계속 사용하게 되면, 이런 단위전지들은 전위가 바뀌는 이른바 '전지 역전 현상(Battery Reversal)'이 나타난다.

이와 같이 에너지 수준이 서로 다른 단위전지들이 직렬로 연결되어 충전될경우, 낮은 에너지 수준의 단위전지들이 충전 상태에 도달하기 전에 비교적 높은 에너지 수준의 다른 단위전지가 충전 완료 신호를 보내어 충전기는 충전을 완료하게 된다. 또한, 과방전된 단위전지를 포함하는 경우에서는, 과방전된 단위전지가 완전 충전 상태가 되기 전에 다른 단위전지는 과충전 상태에 도달하게 된다. 즉, 다수의 단위전지 중 일부 단위전지는 불완전 충전 - 과방전 또는 전지 역전을 반복하게 되며, 나머지 단위전지는 완전 충전 또는 과충전 - 불완전 방전을 반복하게 되어 결국 단위전지들은 손상을 받는다.

따라서, 단위전지의 손상을 줄이기 위하여 충전용 배터리를 구성하는 단위전지들의 전위에너지를 균일하게 한 후 충전할 필요가 있는데 단위전지가 직렬로 연결된 상태에서 각 단위전지의 균등화 방전이나 원상 복구는 거의 불가능하다. 이를 해결하기 위해 제시된 방법 중 하나가 본 출원인이 선출원한 한국특허공개번호 2000-57966호의 발명에 개시되어 있다.

상기 종래의 충전용 배터리 관리기는 단위전지들을 병렬 연결 상태로 스위칭하여 각 단위전지의 종지전압이 모두 균등하도록 방전시킨 후 다시 균등화된 단위전지들을 직렬 연결상태로 스위칭하여 충전을 시작하도록 하는 시스템이다.

상기 직렬/병렬전환수단을 갖는 충전용 배터리 관리기의 종래 구조에 대하여 도 1 및 도 2를 참고하여 더 구체적으로 설명한다.

도 1 및 도 2는 4개의 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)를 사용하여 충전용 배터리를 구성하는 경우를 예시하였다.

일단, 상기 충전용 배터리를 휴대폰, 카메라 플래쉬 등의 전자기기에 사용하여 적어도 어느 하나의 단위전지가 방전 종지전압에 도달하면 재충전을 필요로 하는 상태가 된다. 전자기기로부터 단위전지들을 분리해낸 후, 도 2의 충전용 배터리 관리기의 단위전지 홀더(90)에 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들을 끼워 넣는다.

그리고, 상기 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들을 직렬/병렬전환회로(105)에 구성된 스위치단자 S1을 접속단자 C1에 접속시켜 단위전지들을 병렬 연결하고, 그 병렬 연결된 단위전지의 기전력에 대응하는 정격전압을 갖는 방전수단(123)을 상기 단위전지들과 연결한다. 그럼으로써, 충전용 배터리를 구성하는 각 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들이 동시에 방전된다.

일반적으로 사용된 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들은 서로 다른 전압상태를 갖고 있기 때문에 이들을 서로 병렬로 연결한 후 방전을 수행하면, 우선, 각각의 단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들의 전압 상태 및 방전 상태가 동일한 상태 즉, 균등화(Equalization)가 이루어진다. 상기 병렬 방전을 일정시간 수행하여 각 단위전지들이 균등화되면, 다시 직렬/병렬전환회로의 스위치단자 S1을 스위칭하여 접속단자 C2에 접속시키면 각각의 단위전지들이 직렬 연결되고, 결국 충전수단(111)과 연결되어 충전이 시작된다.

병렬 방전을 이용한 충전용 배터리 관리를 위한 시간은 단위전지의 상태에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 병렬로 연결된 단위전지의 방전 종지 전압에 도달할 경우까지를 관리 시간으로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 단위전지의 방전 종지 전압의 총합과 일치하는 최소 통과 전압을 갖는 실리콘 다이오드 등을 상기단위전지(101a, 101b, 101c, 101d)들에 대해 병렬로 연결하여 사용하는 경우도 있다.

또, 방전 시간을 인위적으로 조절하기 위해 별도의 전압검출수단이 부착된 스위치를 구성할 수도 있다.

상기와 같이 구성되는 종래의 충전용 배터리 관리기는 직렬/병렬전환회로를 구성하는 스위칭수단의 점점이 크게 증가하여 충전용 배터리 관리기의 회로구성의 저항이 커져 과열되거나 성능이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 일단 배터리를 관리하기 위하여 스타트 스위치를 누르면 단위전지들이 각각 스위칭수단에 전원을 공급함과 아울러 그 스위칭수단에 의해 개별적으로 방전수단과 직렬 연결되어 종지전압까지 방전된 후, 자동으로 단위전지들이 직렬 연결되어 충전상태 모드로 전환될 수 있도록 하는 스위칭수단을 구성하는 것을 목적으로 한다.

즉, 단위전지의 잔류에너지를 이용하여 방전수단에 각각의 단위전지를 개별 연결하거나, 충전수단에 각각의 단위전지를 직렬 연결하는 스위칭수단을 구동하도록 구성한다.

본 발명의 또 다른 목적은 방전과 충전모드로 전환하는 스위칭수단의 연결 접점을 줄일 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 방전과 충전모드로 스위칭하는데 있어서 연결 접점을 줄일 수 있는 스위칭수단의 구조를 제공함으로써 충방전 효율을 극대화시킬 수 있는 충전용 배터리 관리기를 제공하는데 있다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명은 단위전지들을 충전수단과 방전수단들에 선택적으로 연결할 수 있는 스위칭수단과,

상기 각각의 단위전지에 1:1로 직렬 연결되어 상기 단위전지들을 개별 방전할 수 있도록 구성되는 방전수단들과,

상기 단위전지들이 직렬 연결된 상태에서 그 단위전지들을 충전시키는 충전수단을 포함하는 충전용 배터리 관리기에 있어서,

상기 스위칭수단은 코일과, 상기 코일의 자장에 의하여 구동되는 적어도 1개 이상의 접촉단자로 이루어지되, 상기 코일의 자장에 의하여 상기 접촉단자의 접점을 스위칭함으로써, 상기 단위전지들을 직렬 연결 또는 상기 단위전지들을 각각의 대응하는 방전수단에 연결하도록 구성되고,

상기 접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 단위전지들이 각각 대응하는 방전수단에 개별 연결되도록 구성되고, 상기 코일의 일단에는 상기 각각의 단위전지의 방전전압제어수단이 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 코일에 공급되는 전원은 컨버터를 개재하여 공급되고, 상기 단위전지가 각각의 방전수단에 연결된 후에는 그 방전수단에 연결된 단위전지의 전압을 증폭 승압하여 공급할 수 있도록 구성된다.

상기 접촉단자는 제1접촉단자와 제2접촉단자로 이루어지고, 상기 제1접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 제1접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 제2접촉단자가 상기 단위전지들을 대응하는 방전수단에 개별 연결하도록 접촉된다.

또, 상기 방전전압제어수단은 상기 방전수단에 연결된 단위전지가 소정의 종지전압에 이르렀을 때 상기 스위칭수단의 코일에 공급되는 전원을 차단하여 상기 스위치의 접촉단자를 원위치 시키도록 구성된다.

도 1은 종래의 충전용 배터리의 관리기의 불록도이고,

도 2는 종래 충전용 배터리 관리기의 회로의 구성을 나타내는 한 예이고,

도 3내지 도 5는 본 발명의 충전용 배터리 관리기의 스위칭회로의 예를 각각 나타내는 도면이고,

도 6내지 도 8은 도 3내지 도 5의 회로에 있어서, 스타트 스위치를 동시에 컨트롤 할 수 있도록 각각 구성한 예를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

6: 스타트 스위치 10: 방전전압제어수단(다이오드)

30: DC/DC 변환기(컨버터)

90: 단위전지 홀더

101a, 101b, 101c, 101d, 201 : 단위전지

101: 충전용 배터리

111 : 충전수단 123, 223 : 방전수단(저항)

202: 릴레이 코일

205: 릴레이 스위치(스위칭수단)

206: 스타트 릴레이 스위치

상기와 같이 구성되는 본 발명의 충전용 배터리 관리기는 도 3내지 도 5를 이용하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 충전용 배터리 관리기는 저항(223)으로 이루어진 방전수단, 단위전지(201)로 이루어진 배터리, 릴레이 스위치(205)로 이루어진 스위칭수단, 다이오드 (10)등으로 구성된 단위전지의 방전전압제어수단, DC/DC 변환기(30)로 구성된 컨버터, 상기 직렬 연결되는 단위전지를 충전하도록 구성되는 충전수단(미도시)을 포함하여 구성한다.

상기 릴레이 스위치(205)는 코일(202)로 구성되는 전자석 회로와, 적어도 1개 이상으로 구성되는 접촉단자(S,S1,S2)로 구성된다.

하나의 예로 도 3과 같이 릴레이 스위치의 코일(202)의 입출력단에 각각 DC/DC 변환기(30)로 된 컨버터와, 소정의 정류특성(0.7V)을 갖는 다이오드(10)로된 방전전압제어수단을 직렬로 연결하여 구성한다.

상기 방전전압제어수단과 컨버터는 각각의 단위전지(201)에 직렬 연결되도록 구성되고, 상기 방전전압제어수단과 상기 컨버터 사이에는 각각 소정의 저항(223)으로된 방전수단이 병렬로 연결되고, 컨버터의 입력단과 단위전지 사이에는 스타트 스위치(6)가 연결된다.

상기와 같이 구성된 충전용 배터리 관리기가 직렬로 복수 개 연결되어 하나의 그룹을 이룸으로써, 2개 이상의 단위전지를 관리할 수 있도록 한다.

상기 각각의 단위전지가 직렬 연결된 상태 즉, 스위칭수단의 접촉단자 S가 방전수단과 단위전지의 연결을 차단하고 각각의 단위전지를 직렬로 연결한 상태에서 스타트 스위치(6)를 푸시하면 단위전지(201)의 전압을 DC/DC 변환기(30)가 증폭하여 코일(202)에 공급함으로써 그 코일이 자화되고, 상기 코일의 자화에 의하여 접촉단자 S가 스위칭되면 단위전지와 방전수단을 각각 개별 연결한다. 상기 방전수단과 단위전지가 연결되면 각각의 단위전지는 개별 방전이 시작되고, 방전전압제어수단에서 규정한 제어전압이 될 때까지 방전을 실행한다.

상기 방전전압제어수단에서 규정한 전압으로 방전이 되면 방전전압제어수단을 구성하는 다이오드(10)의 정류 특성에 의하여 전류의 흐름이 차단되므로 스위칭수단으로의 전원 공급이 차단되고, 접촉단자 S는 다시 원위치로 스위칭되어 단위전지와 방전수단의 연결을 차단한다.

상기와 같이 단위전지의 개별방전이 종료 된 후 단자 A1,A2에 연결되는 충전수단을 구동하여 각각의 단위전지를 직렬 연결한 상태에서 충전이 이루어지도록 구성된다.

도 4는 도 3과 똑 같은 원리에 의하여 충전용 배터리 관리기를 구성하는 것이나 단지 스위칭수단을 구성하는 접촉단자를 제1접촉단자(S1)와 제2접촉단자(S2)로 하여 회로를 구성하였다.

상기와 같이 제1접촉단자와 제2접촉단자를 이용하는 경우에는 상기 제1접촉단자(S1)가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치(6)에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일(202)에 공급되면 상기 제1접촉단자(S1)가 개방됨과 동시에 상기 제2접촉단자(S2)가 상기 단위전지들을 대응하는 방전수단(저항:223)에 개별 연결하도록 접촉된다.

한편, 도 5는 도 4의 회로 구성과 차이가 없으나 코일(202)과 방전수단을 구성하는 저항(223)이 병렬 연결되어 이루어지는 점이 다르다.

또, 본 발명의 회로를 나타내는 도 3내지 도 5에서는 각 단위전지마다 스타트 스위치(6)가 구성되어 있으나 도 6내지 도 8과 같이 스타트 릴레이 스위치(206)를 이용하여 스타트 스위치(6)를 동시에 구동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 도 3내지 도 8과 같이 개별방전이 가능한 충전용 배터리 관리기의 회로를 구성에 한정되지 않고 청구범위의 범주 내에서 다양하게 그 변형이 가능하다.

본 발명의 충방전용 스위칭수단은 코일과, 상기 코일의 자장에 의하여 구동되는 접촉단자로 이루어지되, 상기 코일의 자장을 온/오프하여 상기 접촉단자의 접점을 스위칭함으로써, 상기 단위전지들을 직렬 연결 또는 상기 단위전지들을 각각의 대응하는 방전수단에 연결하도록 구성되고,

상기 접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 단위전지들이 각각 대응하는 방전수단에 개별 연결되도록 구성되고, 상기 코일의 일단에는 상기 각각의 단위전지의 방전전압제어수단이 연결되도록 구성한다.

상기와 같이 개별방전이 가능한 스위칭수단을 구성함으로써 스위칭수단의 접점을 즉, 릴레이 스위치의 개수를 줄여 그 릴레이 스위치의 증대로 인한 접촉저항의 증대를 억제할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 종래의 도 2의 구조는 단위전지 4개를 관리하는데 적어도 7개의 릴레이 스위치가 요구되나 본 발명에서는 최대 4개이면 충분하다.

또, 방전과 충전모드로 스위칭하는데 있어서 연결 접점을 줄일 수 있는 스위칭수단의 구조를 제공함으로써 충방전 효율을 극대화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 단위전지들을 충전수단과 방전수단들에 선택적으로 연결할 수 있는 스위칭수단과, 상기 각각의 단위전지에 1:1로 직렬 연결되어 상기 단위전지들을 개별 방전할 수 있도록 구성되는 방전수단들과, 상기 단위전지들이 직렬 연결된 상태에서 그 단위전지들을 충전시키는 충전수단을 포함하는 충전용 배터리 관리기에 있어서,

   상기 스위칭수단은 코일과, 상기 코일의 자장에 의하여 구동되는 적어도 1개 이상의 접촉단자로 이루어지되, 상기 코일의 자장에 의하여 상기 접촉단자의 접점을 스위칭함으로써, 상기 단위전지들을 직렬 연결 또는 상기 단위전지들을 각각의 대응하는 방전수단에 연결하도록 구성되고,

   상기 접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 단위전지들이 각각 대응하는 방전수단에 개별 연결되도록 구성되고, 상기 코일의 일단에는 상기 각각의 단위전지의 방전전압제어수단이 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전용 배터리 관리기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 코일에 공급되는 전원은 컨버터를 개재하여 공급되고, 상기 단위전지가 각각의 방전수단에 연결된 후에는 그 방전수단에 연결된 단위전지의 전압을 증폭하여 공급할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전용 배터리 관리기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 접촉단자는 제1접촉단자와 제2접촉단자로 이루어지고, 상기 제1접촉단자가 상기 단위전지들을 직렬 연결한 상태에서 스타트 스위치에 의하여 상기 단위전지의 전원이 상기 코일에 공급되면 상기 제1접촉단자가 개방됨과 동시에 상기 제2접촉단자가 상기 단위전지들을 대응하는 방전수단에 개별 연결하도록 접촉되는 것을 특징으로 하는 충전용 배터리 관리기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 방전전압제어수단은 상기 방전수단에 연결된 단위전지가 소정의 종지전압에 이르렀을 때 상기 스위칭수단의 코일에 공급되는 전원을 차단하여 상기 스위칭수단의 접촉단자를 원위치 시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 충전용 배터리 관리기.