KR100468127B1

KR100468127B1 - 배터리 셀의 균등 충전장치

Info

Publication number: KR100468127B1
Application number: KR10-2003-0009099A
Authority: KR
Inventors: 김종환
Original assignee: 넥스콘 테크놀러지 주식회사
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: KR20040073121A

Abstract

본 발명은 배터리 셀의 균등 충전장치에 관한 것으로 특히, 일정주기의 펄스를 발생시키는 펄스 발생기와; 상기 펄스 발생기의 출력신호를 1/2 분주시켜 주는 J-K 플립 플롭과; 상기 펄스 발생기와 J-K 플립 플롭의 정출력신호(Q) 및 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 반전시켜 주는 낸드 게이트와; 상기 펄스 발생기와 J-K 플립 플롭의 부출력신호(Q') 및 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 주는 앤드 게이트와; 제 1 셀의 충전을 제어하는 P채널 전계효과 트랜지스터와; 제 2 셀의 충전을 제어하는 N채널 전계효과 트랜지스터와; 제 1 및 제 2 셀 중 어느 한 셀이 충전 작동될시 소정전압을 일시적으로 축적하고 있다가 해당 셀의 충전작동의 정지시 낮은 전압을 갖는 다른 셀로 공급시켜 주는 코일과; 충전시 역방향 전압을 차단하고 충전 정지시 코일에 축적된 전압이 제 1 또는 제 2 셀로 공급되도록 하는 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드와; 배터리의 충전은 물론 각부의 전반적인 제어기능을 수행하는 배터리 충전회로로 구성하여, 일정 비율의 듀티(Duty) 사이클 제어로 셀과 셀의 균등 충전이 가능하도록 하는 방식을 통해, 니튬 이온 전지의 충전시 발생하는 열적인 문제를 해소할 수 있고, 회로의 구성이 간단하여 제품의 생산원가를 줄일 수 있음은 배터리의 수명과 효율을 극대화 할 수 있도록 한 것이다.

Description

배터리 셀의 균등 충전장치{Uniform Charging Device of Battery Cell}

본 발명은 배터리 셀의 균등 충전장치에 관한 것으로 더욱 상세히는, 코일을 이용하여 양단의 전압 차이만큼 발생한 전류를 저장한 뒤 리튬 이온 전지 각 셀 중에 전압이 낮은 셀에 충전하도록 하는 방식을 통해 일정비율의 듀티(Duty)비만 적용하여 축전지의 균등화를 이룰 수 있음과 아울러 열적인 문제를 해소하고, 회로구현의 간소화를 이룰 수 있도록 하여 축전지의 수명과 효율을 극대화 할 수 있도록 발명한 것이다.

일반적으로 납(Lead-acid)축전지, 니카드(Ni-Cd) 전지, 니켈수소(Ni-MH) 전지는 소형 2차 전지로서 많이 사용되어져 왔는데, 최근 휴대용, 무선전자 제품들의 개발이 증가하고 있는 추세로 볼 때, 이들 제품들의 소형화 및 경량화를 위해 에너지 밀도가 높은 2차 전지의 필요성이 크게 대두되고 있고, 또한 환경 보전에 대한 관심이 높아짐에 따라 환경 친화적인 제품에 대한 관심도 높아지고 있다.

따라서, 리튬 이온 2차 전지는 이와 같은 요구를 충족시킬 수 있는 강력한 후보인데, 이와같은 리튬 이온 2차 전지는 에너지밀도가 높고, 작동 전압이 높을 뿐 아니라, 우수한 보존 및 수명 특성을 보이는 등의 많은 장점을 지니고 있다.

이에 대한 응용기기로 현재는 3C 시장 즉, 휴대폰(Communication), 노트북 PC(Computer), 캠코더(Camcorder) 에 응용되고 있으며, 이런 고 출력 전지로 설계하여 전기 자전거(Electric assisted bicycle), 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle/ Electric Vehicle)용으로 응용 개발되어 에너지 마켓트에 대응하고 있다.

리튬 이론 전지의 장점은, 용량이 커서 충전 후 오래 사용할 수 있고 다른 전지보다 가볍다는 점이다.

그러나 다른 전지보다 위험하며, 안전성 문제로 인하여 고 전류를 흘릴 수 있는 고 출력(high power) 전지를 만들기가 힘든 것이 단점이다.

이 안전성 문제를 보완하고 전지의 성능을 유지하기 위해, 여타 다른 전지에서는 사용하지 않는 보호회로를 사용하기도 한다.

또 다른 문제점으로 리튬 이온과 리튬 폴리머 전지는 활성물질을 과충전하게 하면 위험을 초래할 수 있고, 이와같이 과충전이 이루어지면 리튬 이온 전지의 수명을 단축하는 등의 영향을 미친다.

일반적으로 배터리(Battery)란, 내부 활물질의 화학에너지(Chemical Energy)를 전기화학적(Electrochemical) 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지(Electrical Energy)로 변환하는 시스템을 갖는 것으로 그 구성요소는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다.

이때, 상기 양극은 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극으로 작용하고, 음극은 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극으로 작용하며, 전해질은 활물질의 환원반응 및 산화반응이 화학적 조화를 이룰 수 있도록 물질 이동이 일어나게 하는 매개체로 작용하고, 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지키 위한 격리판으로 작용한다.

한편, 현재까지 알려진 배터리의 종류는 도 1에 나타낸 바와 같다.

이들중 이차전지에서 불균형이 발생되는 원인을 살펴보면 다음과 같다.

그 첫째로는 셀의 조립시 가변성에 있고, 둘째로는 각각의 셀이 충전될시 수용범위의 가변성에 있으며, 셋째로는 다른 방전율과 방전 사이클의 가변성에 있고, 넷째로는 취부위치에 따른 축전지 팩 내부의 온도 편차에 있다.

이와 같이 셀이 불균형일 경우 예상되는 결과로는 셀이 직렬로 연결되어 있어도 각각의 셀은 불균형을 이루고 있으며, 그중 가장 먼저 충전이 된 축전지에 의해서 충전을 멈추어야 하는데, 이로 인하여 축전지의 가용용량의 범위를 줄여주는 결과가 초래된다.

한편, 셀 균형이 필요한 시점을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, Q cell1 ≠ Qcell2

Ccell1Vcell1 Ccell2 Vcell2 이라 가정할때,

Vcell1 = Vcell2 = Vcell

Ccell1 ≠ Ccell2

C = εr εoA/D

△V ≥ 100㎷가 된다.

이와같은 셀 간의 용량편차가 발생할 경우 각 셀간의 용량추이를 살펴보면 도 3a와 같이 100 사이클 동작시 9% 감소되고, 250 사이클 동작시에는 도 3b와 같이 27% 감소되며, 400 사이클 동작시에는 도 3c와 같이 50% 감소된다.

또한, 균등 충전을 할 경우 각 셀간의 용량추이를 살펴보면, 도 4a와 같이 100 사이클 동작시 9% 증가되고, 250 사이클 동작시에는 도 4b와 같이 27% 증가되며, 400 사이클 동작시에는 도 4c와 같이 50% 증가됨을 알 수 있다.

한편, 리튬이온 배터리와 리튬 폴리머 배터리는 과충전하면 활성영역에 위험을 줄 수 있는데, 전해질의 방전전압에서 완충전 전압에 이르기까지 예의 주시해서 충전을 하여야 할 것이며, 충전전압의 범위는 4.1 ~4.3volt/cell이다.

그러므로 과충전으로 인한 축전지에 무리를 주는 것을 막기 위하여 주의 깊은 감시와 제어가 필요하다.

비록 직렬로 연결된 팩 전압이 설정된 범위에 있다 할지라도 각각의 셀 중 하나라도 셀과 셀의 불균등화된 상태로 충전이 이루어졌다면 셀과 셀의 불균형 때문에 각각의 셀들은 위험한 상황에 놓이게 될 것이다.

전통적으로 납축전지의 셀과 셀 사이의 불균형은 과충전 제어에 의해서 해결할 수 있었다.

납축전지는 과충전으로 인해서 영구적으로 셀의 위험한 상황이 발생하지 않으나, 단지 가스만 방출할 뿐이다.

이렇게 직렬로 연결하여 납축전지를 균등화하는 것은 자연스런 방법이며, 다른 화학전지들은 납축전지와 같이 과충전으로 셀과 셀 균등화를 할 수 없다.

리튬전지는 과충전으로 셀과 셀의 균등화를 이룰 수 없으므로 대안적인 방법이 필요한 시점이다.

다시말해서, 충전하여 재 사용이 가능한 2차 전지(배터리)를 개별적으로 사용할 경우 그 충전 전압과 방전 전압을 정확히 제어할 수 있으므로 전지의 수명을 최대한 사용할 수 있다.

그 예로 휴대형 전화기의 경우 일반적으로 500회이상 재 충전하여 사용하여도 사용하는데 지장이 없으나, 베터리의 용량이 커야되는 노트북 컴퓨터의 경우는 상황이 다르다.

두회로 이상의 전지가 직렬로 연결되고 경우에 따라 각각의 회로에 여러 개의 전지가 병렬 연결되어 사용되고 있는데, 이때 전체를 구성하고 있는 각각의 배터리간의 용량 차가 발생할 경우 충전시에는 용량이 큰 전지에 비해 작은 용량의 전지가 과도하게 충전되고 방전 시에는 비교적 작은 용량의 배터리가 먼저 과도하게 방전 될 것이다.

이런 상황이 연속해서 반복될 경우 베터리의 수명이 현저하게 단축되는데 이는 여러 개의 베터리가 조합되어있는 베터리 펙이 성능이 비교적 떨어지는 배터리로 인해 전체 팩의 수명이 짧아지는 문제를 초래한다.

따라서, 종래에도 이를 방지하기 위해 균등화 충전방법이 많이 제시되고 있는데, 이하에서 종래에 널리 사용되고 있는 균등화 충전방법 세가지를 소개하면 다음과 같다.

그 첫번째로는 도 5로 도시한 저항을 이용한 균등화 회로로써, 이는 균등화 충전방법으로 시스템에 가장 넓게 도입되어 사용되고 있다.

이와같은 저항을 이용한 균등화 회로(Shunt resist R)는 각각의 셀을 모니터링하고 각 셀 중에서 가장 높은 셀을 선택하고 이 셀을 저항과 연결시켜 나머지 셀과 같도록 높은 셀을 방전시키는 방법이다.

이 방법은 제작하기가 간단하다는 장점이외에 셀과 셀의 균등화하는데, 각 셀의 전압의 편차가 매우 좁아야 하며 전압의 편차가 클 경우에는 계단식으로 방전을 해주어야 하기에 균등화하는데 많은 시간이 필요하며, 균등화를 하기 위해 저항을 사용하므로 열이 많이 방출하게 됨에 따라 온도관리도 요구되는 문제점이 있다.

따라서, 이 방법은 적은전류로 충전하는 시스템에 적합하다.

두번째로 도 6에 도시한 콘덴서를 이용한 능동적인 셀 균등화 회로로써, 이와 같은 능동적인 셀 균등화 방법은 능동 충전 쇼트링(shuttling) 소자 혹은 전압 또는 전류를 한쪽 셀에서 다른쪽 셀로 에너지를 전이하는 것을 말하며, 이 방법은 아날로그 혹은 디지털적인 방법으로 제어 가능하다.

충전 shuttling 셀 균등화 방법은 높은 전압의 셀을 선택하고 선택된 셀에서 콘덴서로 전압이 인가되어 곤덴서가 충전이 되고 충전된 콘덴서는 용량이 적은 축전지를 선택하고 에너지를 전이한다.

이때, 스위칭 듀티(Duty)비는 일정하게 고정 되어져야 할 것이고, 콘덴서 용량이 크면 클수록 전송해야할 시간은 길어지며, 클럭의 비율도 감소할 것이고 피크스위치 전류도 증가할 것이다.

따라서, 용량이 큰 축전지는 이를 실행하기 위하여 극단적으로 매우 큰 스위치와 매우 큰 용량을 가진 콘덴서가 필요로 하며, 에너지 전이를 콘덴서와 스위치를 통해서 전이하기에 많은 양의 전류를 스위칭소자를 통해서 전이하기 때문에 스위칭하면서 열이 발생하며 이로 인해서 열적저항성분으로 축적된 에너지가 방출되는 문제점이 있다.

세번째로, 도 7의 (a)(b)에 도시한 바와 같은 스위칭 트랜스포머를 이용한 균등화 회도로써, 이와같은 스위칭 트랜스포머 방식은 에너지 변환 원리를 이용하여 셀의 균등화하는 것으로, 트랜스포머를 이용하여 한 셀이나 혹은 그룹에서 다른 셀이나 그룹으로 에너지를 전이하는 것으로, 이때 에너지 변환방법에는 두가지가 있다.

즉, 스위칭 트렌스포머 방식(도 7의 (a))과 공유된 트랜스포머 방법(도 7의 (b))이 있는데, 상기 스위칭 트렌스머 방식은 공동의 트랜스머(즉, 병렬 연결식 트랜스포머)와 각각의 축전지에 각각을 분할하여 충전하는 방식이다.

이방법의 단점은 셀의 균등화하는데 많은 수의 스위치와 인덕터, 마그네트 등의 부품이 필요하며 또한 각각을 모니터링하고 제어하는데 많은 어려움이 있다.

상술한 바와 같이 종래 주로 사용되고 있는 3가지 균등화 방법을 도표로 상호 비교해 보면 다음과 같다.

구분	switch -R	switch- cap	개별 충전
특징	저항에 의한 균등화	콘덴서에 의한 균등화	각 셀의 개별 충전
장점	설계하기가 간단가격이 저렴	switching frequency에 의해서 pass current 결정	개별 충전제어가 편리
단점	저항으로 인한 발열각 셀의 용량 편차가 클 경우 효과 축소	축적된 에너지를 전이하는데 높은 전류를 전이 할 수 있는 스위치 소자의 필요하고, 가격의 상승요인	부피가 증대가격의 증대

본 발명은 이와같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 코일을 이용하여 양단의 전압 차이만큼 발생한 전류를 저장한 뒤 리튬 이온 전지 각 셀 중에 전압이 낮은 셀에 충전하도록 하는 방식을 통해 일정 비율의 듀티(Duty)비만 적용하여 축전지의 균등화를 이룰 수 있게 하여 열적인 문제를 해소할 수 있음은 물론 회로구현의 간소화를 통해 제품의 생산원가를 줄일 수 있고, 특히 축전지(즉, 리튬 이온 전지)의 수명과 효율을 극대화 할 수 있는 배터리 셀의 균등 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은, 배터리 충전회로에서 "온"신호가 출력되면 일정주기를 갖는 구형파 펄스를 지속적으로 발생시켜 주는 펄스 발생기와; 상기 펄스 발생기의 출력신호를 1/2 분주시켜 두 출력단자(Q,Q')를 통해 출력하는 J-K 플립 플롭과; 상기 펄스 발생기의 출력신호와 J-K 플립 플롭의 정출력신호(Q) 및 배터리 충전회로에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 반전시켜 주는 낸드 게이트와; 상기 펄스 발생기의 출력신호와 J-K 플립 플롭의 부출력신호(Q') 및 배터리 충전회로에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 주는 앤드 게이트와; 상기 낸드 게이트의 출력신호에 부응하여 스위칭 작동되어 제 1 셀의 충전을 제어하는 P채널 전계효과 트랜지스터와; 상기 앤드 게이트의 출력신호에 부응하여 스위칭 작동되어 제 2 셀의 충전을 제어하는 N채널 전계효과 트랜지스터와; 서로 교호로 작동되는 상기 두 전계효과 트랜지스터와 제 1 및 제 2 셀의 상호 연결부위 사이에 병렬로 연결되어 제 1 및 제 2 셀 중 어느 한 셀이 충전 작동될시 소정전압을 일시적으로 축적하고 있다가 해당 셀의 충전작동의 정지시 낮은 전압을 갖는 다른 셀로 축적된 전압을 공급시켜 균등 충전이 이루어지게 하는 코일과; 상기 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터의 드레인과 소오스 사이에 각각 설치되어 충전시 역방향 전압을 차단하고 충전 정지시 상기 코일에 축적된 전압이 제 1 또는 제 2 셀로 공급되도록 하는 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드와; 배터리의 충전에 필요한 전압을 출력시켜 줌은 물론 배터리 충전시 펄스 발생기에 "온"신호를 발생시켜 줌과 동시에 제 1 및 제 2 셀의 전위차에 부응하여 상기 낸드 및 앤드 게이트에 인에블이블 또는 디스에이블신호를 발생시켜 주는 배터리 충전회로로 구성하므로써 달성할 수 있다.

따라서, 일정 비율의 듀티(Duty) 사이클 제어로 셀과 셀의 균등 충전이 가능하여 니튬 이온 전지의 충전시 발생하는 열적인 문제를 해소할 수 있고, 회로의 구성이 간단하여 제품의 생산원가를 줄일 수 있음은 물론 리튬 이온 전지의 수명과 효율을 극대화 할 수 있는 것이다.

도 1은 일반적으로 사용되고 있는 배터리의 종류를 나타낸 도면.

도 2는 균등 충전기능이 없을때의 충전 예시도.

도 3a, 3b, 3c는 셀 간의 용량편차가 발생할 경우 각 셀간의 용량추이를 나타낸 그래프.

도 4a, 4b, 4c는 균등 충전을 할 경우 각 셀간의 용량추이를 나타낸 그래프.

도 5는 종래 저항을 이용한 균등화 회로도.

도 6은 종래 콘덴서를 이용한 능동적인 셀 균등화 회로도.

도 7의 (a)(b)는 종래 스위칭 트랜스포머를 이용한 균등화 회도도.

도 8은 본 발명 장치의 회로도.

도 9의 (a)-(i)는 본 발명 장치의 각부 동작 파형도.

도 10의 (a)(b)는 셀 균등화 회로를 미적용 했을때와 적용 했을때의 실험 결과를 나타낸 그래프.

* 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 펄스 발생기 2 : J-K 플립 플롭

3 : 낸드 게이트 4 : 앤드 게이트

5 : 충전회로 PFET : P채널 전계효과 트랜지스터

NFET : N채널 전계효과 트랜지스터 L : 코일

B1, B2 : 제 1 및 제 2 셀

D1, D2 : 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명 장치의 회로도를 나타낸 것이다.

이에 따르면, 배터리 충전회로(5)에서 셀들의 충전을 알리는 "온"신호가 출력되면 일정주기를 갖는 구형파 펄스를 지속적으로 발생시켜 주는 펄스 발생기(1)와;

상기 펄스 발생기(1)의 출력신호를 클럭펄스로 입력받아 1/2 분주시켜 일정주기를 갖는 서로 다른 위상의 출력신호를 두 출력단자(Q,Q')를 통해 출력하는 J-K 플립 플롭(2)과;

상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 정출력신호(Q) 및 배터리 충전회로(5)에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 반전시켜 주는 낸드 게이트(3)와;

상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 부출력신호(Q') 및 배터리 충전회로(5)에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 주는 앤드 게이트(4)와;

상기 낸드 게이트(3)의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리 충전회로(5)로부터 출력되어 제 1 셀(B1)로 공급되는 배터리 충전전압의 공급을 제어하는 P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)와;

상기 앤드 게이트(4)의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리충전회로(5)로부터 출력되어 제 2 셀(B2)로 공급되는 배터리 충전전압의 공급을 제어하는 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)와;

일정주기를 갖고 교호로 작동되는 상기 두 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)와 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)의 공통 접점 사이에서 병렬로 연결된 형태를 갖고 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2) 중 어느 한 셀이 배터리 충전회로(5)의 출력전압에 의해 충전 작동될시 소정전압을 일시적으로 축적하고 있다가 해당 셀의 충전작동의 정지되면 낮은 전압을 갖는 다른 셀로 축적된 전압을 공급시켜 균등 충전이 이루어지게 하는 코일(L)과;

상기한 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)의 드레인과 소오스 사이에 각각 설치되어 각각의 트랜지스터에 연결된 셀의 충전시에는 역방향 전압을 차단하고 충전 정지시 상기 코일(L)에 축적된 전압을 제 2 또는 제 1 셀(B2)(B1)로 공급시켜 주는 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드(D1)(D2)와;

배터리의 충전에 필요한 전압을 출력시켜 줌은 물론 배터리 충전시 펄스 발생기(1)에 "온"신호를 발생시켜 줌과 동시에 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)의 전위차에 부응하여 상기 낸드 및 앤드 게이트(3)(4)에 인에블이블 또는 디스에이블신호를 발생시켜 주는 배터리 충전회로(5)로 구성한 것을 특징으로 한다.

이와같이 구성된 본 발명 장치의 작용효과를 도 9의 (a)-(i)와 도 10의 (a)(b)를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 배터리 셀을 충전시키기 위해 배터리 충전회로(5)를 작동시키게 되면 상기 배터리 충전회로(5)에서 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)를 포함한 각 기능 부품에전원전압을 공급시켜 줌과 동시에 펄스 발생기(1)에는 "온"신호를 발생시켜 주게 됨에 따라 상기 펄스 발생기(1)가 발진동작을 시작하게 된다.

따라서, 상기 펄스 발생기(1)에서는 도 9의 (a)와 같이 일정주기를 갖는 구형파 펄스를 발생하여 J-K 플립 플롭(2)의 클럭펄스 입력단자(c)에 인가시켜 줌과 동시에 낸드 게이트(3) 및 앤드 게이트(4)의 세 입력단자 중 일측 입력단자에 인가시켜 준다.

그러므로, 상기 J-K 플립 플롭(2)의 정,부출력단자(Q,Q')에서는 상기 펄스 발생기(1)에서 출력되는 구형파 펄스의 한 주기 마다 서로 반대의 위상을 갖는 1/2분주의 출력신호가 도 9의 (b) 및 (c)와 같은 형태로 나타나게 된다.

이때, 충전용 배터리인 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)은 그의 성능상 충전 초기 두 셀간의 전위가 필연적으로 서로 상이하여 전위차가 발생하게 되므로 상기 배터리 충전회로()에서는 3입력단자를 갖는 낸드 및 앤드게이트(3)(4)의 일측 입력단자에 도 9의 (d)와 같이 스위칭 인에이블신호 즉, "하이"신호를 발생하게 된다.

따라서, 상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 정출력신호(Q) 및 상기 배터리 충전회로(5)에서 발생하는 스위칭 인에이블신호(즉, "하이"신호)를 논리적하여 반전시켜 주는 낸드 게이트(3)의 출력단자에서는 도 9의 (e)와 같은 형태의 출력신호가 나타나고, 상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 부출력신호(Q') 및 배터리 충전회로(5)에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 주는 앤드 게이트(4)에서는 도 9의 (f)와 같은 형태의 출력신호가 나타난다.

즉, 낸드 게이트(3)에서는 상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 정출력신호(Q) 및 배터리 충전회로(5)의 스위칭 인에이블신호가 모두 "하이"일때만 "로우"신호가 나타나고, 앤드 게이트(4)에서는 상기 펄스 발생기(1)의 출력신호와 J-K 플립 플롭(2)의 부출력신호(Q') 및 배터리 충전회로(5)의 스위칭 인에이블신호가 모두 "하이"일때만 "하이"신호가 나타나게 된다.

이때, 상기 낸드 게이트(3)의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리 충전회로(5)로부터 제 1 셀(B1)로 공급되는 배터리 충전전압의 공급 여부을 제어하는 전계효과 트랜지스터(PFET)를 P채널을 갖는 것이므로 상기 낸드 게이트(3)의 출력신호가 "로우"일때만 도 9의 (e)에 표기한 바와 같이 "온" 작동하고, 또 상기 앤드 게이트(4)의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리 충전회로(5)로부터 출력되어 제 2 셀(B2)로 공급되는 배터리 충전전압의 공급을 제어하는 전계효과 트랜지스터(NFET)는 N채널을 갖는 것이므로 상기 앤드 게이트(4)의 출력신호가 "하이"일때만 도 9의 (f)에 표기한 바와 같이 "온" 작동하게 된다.

따라서, 상기 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)는 일정한 시간간격을 두고 정해진 시간동안 교호로 "온"작동하게 되는데, 이때 상기 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET) 각각의 온/오프 작동시간은 펄스 발생기(1)에서 출력되는 펄스신호의 "하이"와 "로우"를 각각 1주기로 보았을 때 "온" 작동시간은 펄스 발생기(1) 출력신호 주기의 1/4 주기를 갖고, "오프" 작동시간은 3/4 주기를 갖게 되는데, 그들의 "온" 작동시기는 물론 각각 서로 교번되어작동된다.

한편, 배터리 충전회로(5)에서 출력되는 전압(B+, B-)은 P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)의 드레인단자과 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)의 소오스단자 사이에 항상 공급된 상태를 유지한다.

따라서, 상기 앤드 게이트(4)의 출력단자에서 단일 펄스로써 "하이"신호가 출력되는 동안(이때, 상기 낸드 게이트(3)의 출력은 물론 "하이" 상태를 유지함) N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)가 "온"이 되면 도 8과 같이 i11의 경로를 통하여 전류가 흐르게 되므로 제 2 셀(B2)이 배터리 충전회로(5)의 출력전압에 의해 충전이 이루어지게 된다.

이때, 상기 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)와 제 2 셀(B2)을 통해 흐르는 전류(i11)는 코일(L)을 자화시켜 코일 자체에 소정전압의 전류가 축적되는데, 이때의 전류 축적량은 상기 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)의 "온"시간과 제 2 셀(B2)의 전위에 의해 결정된다.

한편, 상기와 같은 경로를 통해 제 2 셀(B2)이 충전되는 상태에서 일정시간이 흘러 상기 앤드 게이트(4)의 출력신호가 "로우"로 변화되므로써 상기 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)가 "오프"되면 그 순간 상기 코일(L)에 축적되어 있던 전류가 코일의 특성에 의해 역기전력으로 작용하게 된다.

이때, 상기 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)의 드레인과 소오스 사이에 각각 설치되어 있는 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드(D1)(D2) 중 제 1 역전압 방지용 다이오드(D1)가 상기 코일(L)에서 발생되는 역기전력에 대해순방향을 갖게 된다.

따라서, 상기 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)가 "오프"되는 순간 발생되는 코일(L)의 역기전력이 제 1 역전압 방지용 다이오드(D1)를 통해 제 1 셀(B1)로 인가되는 형태를 갖게 되어 그 전류의 흐름이 도 8에서의 i21 경로를 갖게 된다.

다시말해서, 제 2 셀(B2)이 충전되는 동안 코일(L)에 축적되어 있던 전압이 N채널 전계효과 트랜지스터(NFET)가 "오프"되므로 인해 그 순간 i21의 경로를 통해 제 1 셀(B1)로 전이되는 형태를 갖게 된다.

한편, 전술과 반대로 상기 낸드 게이트(3)의 출력단자에서 단일 펄스로써 "로우"신호가 출력되는 동안(물론, 이때에는 상기 앤드 게이트(4)의 출력은 "로우" 상태를 유지함) P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)가 "온"이 되면 도 8과 같이 i12의 경로를 통하여 전류가 흐르게 되므로 제 1 셀이(B1)이 배터리 충전회로(5)의 출력전압에 의해 충전이 이루어지게 된다.

이때, 상기 P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)와 제 1 셀(B1)을 통해 흐르는 전류(i12)는 코일(L)을 자화시켜 코일 자체에 소정전압의 전류가 축적되는데, 이와 같은 상태에서 일정시간이 흘러 상기 낸드 게이트(3)의 출력신호가 "하이"로 변화되므로 인해 상기 P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)가 "오프"되면 그 순간 상기 코일(L)에 축적되어 있던 전압(즉 역기전력)이, 이 전압에 대해 순방향을 갖는 제 2 역전압 방지용 다이오드(D1)를 통해 제 2 셀(B2)로 인가되는 형태를 갖게 되어 그 전류의 흐름이 도 8에서의 i22 경로를 갖게 된다.

즉, 제 1 셀(B1)이 충전되는 동안 코일(L)에 축적되어 있던 전압이 P채널 전계효과 트랜지스터(PFET)가 "오프"되므로 인해 그 순간 i22의 경로를 통해 제 2 셀(B2)로 전이되는 형태를 갖게 된다.

이와 같은 동작은 상기 앤드 게이트(4)와 낸드 게이트(3)에서 소정시간 간격을 두고 서로 교호로 출력되는 "하이"신호와 "로우"신호에 부응하여 반복되며, 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)의 충전중 코일(L)에 각각 축전된 기전력이 상대편 셀에 충전되는 현상으로 반복 발생하게 되므로 상기 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)에 공급되는 전압주기는 도 9의 (g) 및 (h)와 같은 형태를 갖게 된다.

따라서, 상기 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)를 구동시키는 낸드 게이트(3) 및 앤드 게이트(4)의 출력펄스 폭을 동일한 폭으로 제어함과 동시에 두 트랜지스터가 서로 교차되는 형태에서 온/오프 될 수 있도록 제어하게 되면 각각의 셀(배터리) 전위에 따라 상대편으로 전이되는 에너지가 변동되는데, 이는 전위가 높은 쪽에서 많이 발생되고 낮은 쪽에서 적게 발생되므로 자연스럽게 높은 쪽의 에너지가 낮은 쪽으로 전이되어 지속적으로 가동될 경우 두 셀의 전위가 같아질때까지 에너지 이동이 이루어지게 된다.

이와 같이 각 셀의 전위에 비례한 전류가 상대 셀로 충전되게 되므로 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2) 간의 전위차가 클수록 이동되는 에너지가 크게 되며 셀간의 전위 자체가 동일해 지면 전위차 없이 같으므로 에너지 이동은 정지하게 되어 균등 전위가 자동적으로 이루어지게 된다.

도 9의 (i)는 상기한 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)에 흐르는 전류의 크기 및 형태를 통합하여 그래프로 나타낸 것으로, 초기보다 충전이 반복되며 시간이 흐를수록 두 셀간의 전위차가 차츰 작아지므로 각각의 셀에 흐르는 전류값도 서서히 적어짐을 알 수 있다.

한편, 상기와 같이 제 1 및 제 2 셀(B1)(B2)이 일정 시간간격으로 반복해서 충전됨과 동시에 각각의 셀이 충전될 때 코일(L)에 축적된 전압이 상대셀에 전이되는 동작이 자동으로 반복되므로 인해 상기한 두 셀간의 전위차가 없어지게 되면 상기 배터리 충전회로(5)에서 이를 인식하고 상기 낸드 및 앤드 게이트(3)(4)의 일측 입력단자에는 스위징 디스에이블신호(즉, "로우"신호)를 출력하고, 이와 동시에 펄스 발생기(1)에는 펄스 "오프"신호를 출력하게 된다.

따라서, 상기 펄스 발생기(1)는 물론 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터(PFET)(NFET)의 구동이 자동으로 차단되어 더이상의 충전이 이루어지지 않음은 물론 전류의 소모도 없게 된다.

또한, 도 10의 (a)(b)는 본 발명의 균등화 회로를 미적용 했을때와 적용 했을때의 실험 결과를 시간대별 셀 전압의 변화로 나타낸 그래프이다.

한편, 지금까지의 설명은 배터리 셀의 균등 충전기능에 대해서만 설명 하였는데, 실제에 있어서 본 발명 장치는 배터리의 방전시에도 동일한 동작 및 작용을 한다.

즉, 완충전 또는 균형화 충전이 이루어진 배터리를 이용하여 특정 기기기를 작동시키므로 인해 배터리 셀들에서 방전이 시작되면 두 셀의 전위가 동일하게 감소되지 않으므로 두 셀간에는 전위차가 발생하게 된다.

따라서, 배터리 충전회로(5)에서 펄스 "온"신호와 스위칭 인에이블신호를 발생하게 되므로 펄스 발생기(1)는 물론 본 발명 장치의 각 구성부품들이 전술한 바와 같이 작동하게 되므로 제 1 셀(B1)의 방전시에 코일(L)에 축적되었던 전압은 차후 제 2 셀(B2)로 전이되고, 또 제 2 셀(B2)의 방전시에 코일(L)에 축적되었던 전압은 차후 제 2 셀(B2)로 전이되는 동작이 반복되므로 방전시에도 두 셀의 전위차가 좁혀져 최종적으로 균등화가 이루어지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 여러 개의 배터리가 조합되어 하나의 펙을 형성하는 배터리 모듈에서 각각의 셀 전압에 비례한 전류를 코일에 축적하였다가 상대편의 배터리에 전류가 흐르도록 하여 자연스럽게 높은 전압이 충전되어 있는 배터리의 전류가 낮은 배터리로 이동하도록 하는 원리를 사용하므로써, 일정 비율의 듀티(Duty)비만 적용하여 축전지의 균등화를 이룰 수 있어 열적인 문제를 해소할 수 있음은 물론 회로구현의 간소화를 통해 제품의 생산원가를 줄일 수 있고, 특히 축전지(즉, 리튬 이온 전지)의 수명과 효율을 극대화 할 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

배터리 충전회로에서 셀들의 충전을 알리는 "온"신호가 출력되면 일정주기를 갖는 구형파 펄스를 지속적으로 발생시켜 주는 펄스 발생기와;

상기 펄스 발생기의 출력신호를 클럭펄스로 입력받아 1/2 분주시켜 일정주기를 갖는 서로 다른 위상의 출력신호를 두 출력단자(Q,Q')를 통해 출력하는 J-K 플립 플롭과;

상기 펄스 발생기의 출력신호와 J-K 플립 플롭의 정출력신호(Q) 및 배터리 충전회로에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 반전시켜 주는 낸드 게이트와;

상기 펄스 발생기의 출력신호와 J-K 플립 플롭의 부출력신호(Q') 및 배터리 충전회로에서 발생하는 스위칭 인에이블신호를 논리적하여 주는 앤드 게이트와;

상기 낸드 게이트의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리 충전회로로부터 출력되어 제 1 셀로 공급되는 배터리 충전전압의 공급을 제어하는 P채널 전계효과 트랜지스터와;

상기 앤드 게이트의 출력신호에 부응하는 주기로 스위칭 작동되어 배터리 충전회로로부터 출력되어 제 2 셀로 공급되는 배터리 충전전압의 공급을 제어하는 N채널 전계효과 트랜지스터와;

일정주기를 갖고 교호로 작동되는 상기 두 전계효과 트랜지스터와 제 1 및 제 2 셀의 공통 접점 사이에서 병렬로 연결된 형태를 갖고 제 1 및 제 2 셀 중 어느 한 셀이 배터리 충전회로의 출력전압에 의해 충전 작동될시 소정전압을 일시적으로 축적하고 있다가 낮은 전압을 갖는 다른 셀로 축적된 전압을 공급시켜 균등 충전이 이루어지게 하는 코일과;

상기한 P채널 및 N채널 전계효과 트랜지스터의 드레인과 소오스 사이에 각각 설치되어 각각의 트랜지스터에 연결된 셀의 충전시에는 역방향 전압을 차단하고 충전 정지시 상기 코일에 축적된 전압을 제 2 또는 제 1 셀로 공급시켜 주는 제 1 및 제 2 역전압 방지용 다이오드와;

배터리의 충전에 필요한 전압을 출력시켜 줌은 물론 배터리 충전시 펄스 발생기에 구동 제어신호를 발생시켜 줌과 동시에 제 1 및 제 2 셀의 전위차에 부응하여 상기 낸드 및 앤드 게이트에 인에블이블 또는 디스에이블신호를 발생시켜 주는 배터리 충전회로로 구성한 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 균등 충전장치.