KR100468176B1

KR100468176B1 - 이차전지의충전방법

Info

Publication number: KR100468176B1
Application number: KR1019960055538A
Authority: KR
Inventors: 미끼다까 다마이
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 2005-08-29
Also published as: KR970031150A; US5747969A

Abstract

본 발명의 목적은 이차 전지의 전지 성능을 열화시키지 않으면서 단시간에 급속 충전시키는 것이다. 본 발명은 충전과 휴지를 반복하여 이차 전지 B를 펄스 충전하는 방법으로서, 1 펄스에 해당하는 충전으로서 이차 전지 B를 소정 용량만큼 충전한 후에 이차 전지 B의 충전을 휴지하고, 이 휴지 중에 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하가 되면 이차 전지 B의 충전을 재개하는 것을 반복하여 이차 전지 B를 펄스 충전한다.

Description

이차 전지의 충전 방법

본 발명은 충전과 휴지를 반복해서 이차 전지를 펄스 충전하는 방법, 특히 납축 전지나 리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지의 충전에 적합한 충전 방법에 관한 것이다.

이차 전지중 하나인 리튬 이온 이차 전지를 충전하는 방법으로는 정전류 충전한 후에 정전압 충전하는 것이 일반적이다. 이 충전 방법은 전지 전압이 설정 전압(예를 들면, 4. 10V)이 될 때까지 정전류 충전하고, 전압이 설정 전압에 도달한 후에는 전지 전압이 설정 전압을 넘어서 상승하지 않도록 설정 전압에 의한 정전압 충전으로 전환하는 것이다. 이 충전 방법은 정전류 충전하는 충전 전류를 크게 함으로써 만충전하는 시간을 짧게 할 수 있다. 그러나, 충전 전류를 크게 해도 충전 폐회로 내에 존재하는 직류저항 성분에 의해서 정전류 충전기간이 짧아지기 때문에 충전전류를 크게 하는 만큼 충전시간이 단축되는 것은 아니다. 또한, 충전전류를 너무 크게 하면 전지성능이 저하할 우려가 있다.

한편, 일본 특허 공개 90-119539호 공보에 기재된 충전 방법은 정전류 충전할 때의 전지의 최종 전압을, 그 후에 정전압 충전할 때의 설정 전압(4.10V)보다도 높은 전압(예를 들면, 4.40V)으로 함으로써 이차 전지의 충전시간 단축화를 꾀하는 것이다. 이 충전 방법은 처음에 최종 전압을 높게 하여 정전류 충전하기 때문에, 정전류 충전시의 충전량을 많게 하여 전체 충전시간을 짧게 할 수 있다. 또한, 이 충전 방법은 정전류 충전할 때의 최종 전압을 높게 하는 만큼 충전 시간을 짧게 할 수 있는 것이다. 그러나, 정전류 충전할 때의 설정 전압을 높게 하면, 리튬 이온 이차 전지의 전지 성능을 저하시키는 폐해가 있다.

본 발명자는 이를 해소하기 위해, 충전과 휴지를 반복하는 펄스 충전에 의해서 전지성능의 저하를 방지하며 충전시간을 단축하는 기술을 개발하였다(일본 특허 공개 94-113474호 공보). 이 충전 방법은 충전을 개시한 초기에는 전지 전압이 제1 전압(예를 들면, 4.40V)으로 상승할 때까지 정전류 충전하고, 그 후 제1 전압에서의 정전압 충전과 충전 휴지를 반복하는 펄스 충전을 행하는 것이다. 펄스 충전 후에는 제1 전압보다 낮은 제2 전압(4.10V)으로 정전압 충전하여 만충전한다.

이 충전 방법은 펄스 충전하는 공정에서 이차 전지의 만충전 전압보다 높은 제1 전압에서 충전을 행하지만, 충전과 휴지를 반복하기 때문에 전지성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 제2 전압보다 높은 제1 전압에 의한 충전을 행하기 때문에 충전시간을 짧게 할 수는 있지만, 정전류 충전 회로, 펄스 충전 회로 및 정전압 충전 회로를 필요로 하여 충전 회로가 복잡해진다.

리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지를 급속 충전하는 방법은 상술한 바와 같이 여러가지 제안되어 있지만, 어느 것이나 충분히 만족할 수 있는 것이 아니었다.

그래서, 본 발명은 이차 전지의 과충전에 의한 열화를 초래하지 않으면서 이차 전지를 급속 충전하는 충전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 충전과 휴지를 반복하여 이차 전지를 펄스 충전하는 방법으로, 1 펄스에 해당하는 충전으로서 상기 이차 전지를 소정 용량만큼 충전한 후에 상기 이차 전지의 충전을 휴지하고, 이 휴지중에 상기 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 이하가 되면 상기 이차 전지의 충전을 재개하는 것을 반복하여 상기 이차 전지를 펄스 충전하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 이차 전지의 충전 방법에 따르면, 이차 전지는 1 펄스당의 충전으로 소정 용량만큼의 충전이 행해진 후, 일단 충전이 휴지된다. 이 휴지중에 상기 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 이하가 되면, 상기 이차 전지의 충전이 재개된다. 이 후, 이를 반복하여 상기 이차 전지는 펄스 충전된다.

이하, 실시예를 참조하면서 본 발명의 설명을 행하는데, 본 발명에서의 「충전의 휴지」는 충전 전류를 0으로 하는 것만을 의미하는 것이 아니라 충전 전류를 미소 전류로 해서 트리클 충전을 행하는 것, 이차 전지를 제1 설정 전압 V1으로 정전압 충전하는 것, 또는 이차 전지의 미소 방전을 행하는 것도 의미하는 것으로 한다.

우선, 본 발명의 충전 방법은 그 기본원리를 나타내는 도 1의 파형도에 도시하고 있는 바와 같이, 다음과 같이 해서 이차 전지를 펄스 충전하는 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 이차 전지는 1 펄스당의 충전에 의해 소정 용량만큼 충전된다. 구체적으로는, 이차 전지의 충전량인 [충전전류 Ic × 충전시간 Ta]가 1 펄스당의 충전에 의해 이차 전지의 만충전 용량의 10% 이하가 되도록, 바람직하게는 5% 이하, 더욱 바람직하게는 1% 이하가 되도록 이차 전지를 충전한다. 또, 이 소정 용량은 이차 전지의 충전중에 항상 일정하게 유지될 필요는 없으며, 10%를 넘지 않은 범위에서 변동해도 된다.

예를 들면, 이차 전지의 만충전 용량이 1300mAh이고, 충전전류 Ic가 1C(=1300mA)의 정전류이면, 충전시간 Ta를 360초 이하로 설정하여 충전하면 된다. 또, 충전전류가 도 1과 같이 정전류가 아니라 삼각파 형상이나 정현파 형상 등과 같이 규칙적으로 변동하는 경우에는 평균 전류를 상술한 충전전류 Ic로 해서 충전시간 Ta를 적절하게 산출하면 된다. 한편, 불규칙하게 변동하는 경우에는 충전전류를 검출하면서 [충전전류 × 충전시간]을 적산함으로써 충전용량을 연산한다. 그리고, 이 연산용량이 이차 전지의 만충전 용량의 10% 이내가 되도록 이차 전지의 충전을 행하면 된다.

이러한 소정 용량의 충전이 종료하면, 이차 전지의 충전이 휴지된다. 그리고, 이 휴지중에 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1(이차 전지를 과충전하지 않는 전압, 바꾸어 말하면 이차 전지의 만충전 전압으로, 예를 들면 4.10V/cell)이하가 되면 이차 전지의 소정량의 충전을 재개한다. 이 후, 소정량의 충전과 휴지를 반복해서 이차 전지는 펄스 충전된다.

또, 도 1에서 충전의 휴지 후에 이차 전지의 충전을 재개함에 있어서 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하가 되면 바로 충전을 재개하지만, 충전의 휴지중에 이차 전지의 전지 전압을 정확히 측정하고 회로의 오동작을 방지하기 위해서는 충전을 휴지하는 시간을 소정 시간 이상으로 하여 해당 시간의 경과 후에 충전을 재개하는 것이 바람직하다.

또한, 도 1에서 이차 전지의 펄스 충전은 이차 전지를 연속 충전하여 이차 전지의 전지 전압이 제2 설정 전압 V2(예를 들면, 4.15V/cell)에 도달한 후에 행해지지만, 이차 전지의 충전 개시 직후에 펄스 충전하도록 해도 된다. 이 제2 설정 전압 V2는 제1 설정 전압 V1과 같은 전압이어도 되고 또는 제1 설정 전압 V1보다 높게 또는 낮게 설정되어도 된다.

도 2는 이러한 충전 방법의 기본원리를 실시하기 위한 개략 회로도이다. 이 회로는 직류전원(21), 이차 전지 B, 제1 스위치 SW1, 충전 전류 검출 회로(22) 및 충전 제어 회로(23)를 구비한다. 또한, 제1 스위치 SW1와 병렬로, 제2 스위치 SW2 및 전류 제한 저항 R1으로 이루어진 트리클 충전 회로(24)와, 제3 스위치 SW3 및 정전압 회로(25)로 이루어진 정전압 충전 회로(26)가 접속되며, 또한 이차 전지 B와 병렬로, 제4 스위치 SW4 및 방전 저항 R2로 이루어진 방전 회로(27)가 접속되어 있다.

또, 트리클 충전 회로(24), 정전압 충전 회로(26) 또는 방전 회로(27)는 각각 충전의 휴지로서 충전전류를 미소 전류로 해서 트리클 충전을 행하는 것, 이차 전지를 제2 설정 전압 V2로 정전압 충전하는 것 또는 이차 전지의 미소 방전을 행하는 것 중 어느 하나를 선택하는 경우에만 설치하면 된다.

직류 전원(21)은 상용 전원인 교류100V를, 이차 전지 B의 충전에 알맞은 직류로 변환한다. 직류전원(21)의 전압치 및 전류치는 특별히 제한되지는 않지만, 전압치로서 이차 전지를 과충전하지 않는 값(예를 들면, 이차 전지의 만충전 전압이 4.10V/cell이라고 하면, 4.35V/cell 정도)으로 설정되면, 본 발명에 의한 충전 방법을 실시하기 위한 충전 제어 회로(상세한 내용은 후술)에 고장이 발생해도 이차 전지를 과충전하는 일이 없다.

제1 스위치 SW1 내지 제4 스위치 SW4는 트랜지스터나 MOS FET 등의 반도체 스위칭 소자로 이루어진다. 제1 스위치 SW1이 온일 때 이차 전지 B는 충전되고, 오프일 때 이차 전지 B의 충전은 휴지된다.

또한, 제1 스위치 SW1이 오프인 상태에서 제2 스위치 SW2가 온일 때 이차 전지 B는 트리클 충전되고, 제3 스위치 SW3가 온일 때 이차 전지 B는 제1 설정 전압 V1으로 정전압 충전된다. 더우기, 제1 스위치 SW1이 오프인 상태에서 제4 스위치 SW4가 온일 때 이차 전지 B는 미소 전류로 방전된다.

충전 제어 회로(23)는 우선 이차 전지 B의 전지 전압을 검출한다. 전지 전압의 검출은, 도에 도시한 바와 같이 직렬 접속된 복수개의 이차 전지 B의 전체 전압을 측정해도 되지만, 이차 전지의 전지 전압에 불균일이 생길 가능성이 있는 경우에는 각 이차 전지의 과충전을 확실하게 방지하기 위해서, 각 이차 전지의 전압을 측정하고 그 중의 최대 전압에 따른 제어를 행하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 충전 제어 회로(23)는 충전 전류 검출 회로(22)로써 검출된 충전 전류에 기초하여 충전량을 연산한다. 그리고, 이들 전지 전압 및 충전량에 응답하여 제1 스위치 SW1 내지 제4 스위치 SW4를 온오프 방식으로 제어한다.

이 회로의 동작에 있어서, 충전전류를 0으로 해서 충전을 휴지하는 경우를 간단히 설명하면, 우선 제1 스위치 SW1을 온 상태로 해서 이차 전지 B의 전지 전압이 제2설정 전압 V2(4.15V/cell)에 도달할 때까지 이차 전지 B를 충전한다. 이차 전지 B의 전지 전압이 제2 설정 전압 V2에 도달하면, 이차 전지 B를 소정 용량(이차 전지의 만충전 용량의 10% 이하의 용량)만큼 충전한다. 이 충전은 직류전원(1)이 정전류를 발생할 경우에는 충전 시간을 제어하고, 그렇지 않은 경우에는 충전 전류 검출 회로(22)에 의해 검출된 충전 전류에 기초하여 충전 제어 회로(23)가 충전량을 적산 연산하여 제어한다.

이러한 소정 용량의 충전이 종료하면, 제1 스위치 SW1을 오프로 해서 이차 전지 B의 충전을 휴지한다. 그리고, 이 휴지에 따라 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하가 되면, 이차 전지 B의 소정 용량의 충전을 재개한다. 이후, 이차 전지 B의 충전과 휴지를 반복하여 이차 전지 B를 펄스 충전한다.

이상이 본 발명의 기본 원리에 관한 설명이지만, 본 발명에서는 이차 전지 B의 특성 열화를 방지하며, 보다 더 안전성을 향상시키기 위해서 제1 설정 전압 V1(및 제2 설정 전압 V2)을 주위 온도에 의해 적절하게 보정해도 된다. 즉, 주위 온도가 낮을 경우에는 이들 설정 전압을 높게 하고, 주위 온도가 높을 경우에는 낮게 한다. 또한, 소정 용량의 충전시의 그 충전량을, 주위온도가 낮을 경우에는 크게, 높을 경우에는 작게 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 제3 설정 전압 V3(제1 설정 전압 V1보다 높은 값)를 설정하고, 충전 중에 이차 전지의 전지 전압이 이 제3 설정 전압 V3에 도달하면, 그 때까지의 충전량에 관계없이 충전을 휴지하거나 금지하든지 또는 이 제3 설정 전압 V3에서의 정전압을 행하는 등 이차 전지 B가 과충전되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이 제3 설정 전압 V3에 대해서도 주위 온도가 낮을 경우에는 높게 하고, 높을 경우에는 낮게 하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 보다 구체예인 제1 실시예에 대해서 도 3에 기초하여 설명한다. 이 예에서는 전지 전압이 제1 설정 전압 V1(상술한 제2 설정 전압 V2에 상당하는 전압)에 도달한 후에 펄스 충전을 개시하는 것이다.

이 충전 회로는 직렬 접속된 2개의 리튬 이온 이차 전지 B1, B2를 내장하는 팩 전지(34)의 충전 회로를 도시한다. 이 충전 회로는 직류 전원(31), 스위칭 트랜지스터 SW, 충전 제어 회로(32) 및 충전 종료 제어 회로(33)를 구비한다.

직류 전원(31)은 상용전원인 교류100V를, 이차 전지 B1, B2의 충전에 알맞은 직류의 정전압 및 정전류(예를 들면, 10V의 정전압과 1.3A의 정전류)를 발생시킨다. 스위칭 트랜지스터 SW는 트랜지스터나 MOS FET 등의 반도체 스위칭 소자로 이루어진다. 스위칭 트랜지스터 SW가 온일 때 이차 전지 B1, B2는 정전류 충전되고, 스위칭 트랜지스터 SW가 오프일 때에 이차 전지 B1, B2의 충전은 휴지된다. 스위칭 트랜지스터 SW가 온오프 전환되어 이차 전지 B1, B2가 펄스 충전되는 것이다.

팩 전지(34)는 이차 전지 B1, B2의 개개의 전압을 검출하여 전지의 과충전을 보호하는 과충전 보호 회로를 내장하고 있다. 과충전 보호 회로는 이차 전지 B1, B2의 개개의 전지 전압을 검출하고, 전지 전압이 4.35V(상술한 제3 설정 전압 V3에 상당) 이상이 되면 과충전 검출 신호를 발생시키는 전압 검출 회로(35, 36), 전압 검출 회로(35, 36)로부터의 과충전 검출 신호가 30밀리초 이상 계속하여 출력되면 충전 금지 신호를 출력하는 지연 회로(37), 및 이차 전지 B1, B2에 직렬 접속되며 충전 금지 신호에 응답하여 충전을 금지하는 MOS FET(38)로 이루어진다.

과충전 보호 회로는 다음 동작에 의해 이차 전지 B1, B2의 과충전을 방지한다. 이차 전지 B1, B2의 전지 전압이 어느 것이나 4.35V보다 낮을 때, 전압 검출 회로(35, 36)는 과충전 검출 신호를 발하지 않는다. 따라서, 지연 회로(37)로부터의 충전 금지 신호가 발생되지 않아서 MOS FET(38)는 오프 상태가 되지 않는다. 한편, 이차 전지 B1, B2 중 적어도 한쪽의 전지 전압이 4.35V보다도 높아지면 전압 검출 회로(35, 36) 중 어떤 것은 과충전 검출 신호를 발한다. 그리고, 이러한 과충전 검출 신호가 30밀리초 이상 계속해서 발생하면 지연 회로(37)로부터 충전 금지 신호가 발생되어 MOS FET(38)는 오프 상태가 된다.

즉, 과충전 보호 회로는 이차 전지 B1, B2 중 적어도 한쪽의 전지 전압이 30 밀리초 이상의 시간동안 계속해서 4.35V 이상이 되면, MOS FET(38)를 강제적으로 오프 상태로 해서 이차 전지 B1, B2의 충전을 금지하여 이차 전지 B1, B2의 과충전을 방지하도록 되어 있다. 한편, 이차 전지 B1, B2의 전압이 4.35V를 넘을 때 및 어느 한 쪽의 전압이 4.35V 이상이 되더라도 그 시간이 30밀리초 이하일 때는 MOS FET(38)를 온 상태로 유지한다.

충전 제어 회로(32)는 스위칭 트랜지스터 SW를 온 오프로 전환하여 이차 전지 B1, B2를 펄스 충전한다. 이 때문에, 충전 제어 회로(32)는 이차 전지 B1, B2의 합계 전압을 제1 설정 전압 V1(이 실시예에서는 8.20V 가 됨)과 비교하는 차동증폭기(39), 차동증폭기(39)의 출력에 의해 온오프되는 MOS FET(40), MOS FET(40)와 병렬로 접속된 컨덴서 C1, 컨덴서 C1과 MOS FET(40)에 전력을 공급하는 정전류원(41), 및 컨덴서 C1의 양단 전압을 기준 전압 E1과 비교하는 차동증폭기(42)를 구비한다. 차동증폭기(42)의 출력 신호가 하이가 되면, 스위칭 트랜지스터 SW는 온 상태로부터 오프상태로 전환된다.

이 충전 제어 회로(32)는 이차 전지 B1, B2의 합계 전압을 제1 설정 전압 V1과 비교하도록 하지만, 이차 전지 B1, B2의 전지 전압의 불균일에 의한 과충전을 방지하기 위해서 개개의 이차 전지 B1, B2의 전지 전압을 검출하고, 각각을 제1 설정 전압 V1(이 경우, 4.10V가 됨)과 비교해서 어느 한 쪽의 이차 전지 B1, B2의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1에 도달하면 차동증폭기(42)의 출력신호가 하이가 되도록 구성해도 된다.

충전 종료 제어 회로(33)는 스위칭 트랜지스터 SW를 오프로 전환해서 이차 전지 B1, B2의 충전을 종료한다. 이 때문에, 충전 종료 제어 회로(33)는 차동증폭기(42)의 출력 신호를 입력하는 인버터(43), 인버터(43)의 출력에 의해 온오프되는 MOS FET(44), MOS FET(44)와 병렬로 접속된 컨덴서 C2, 컨덴서 C2와 MOS FET(44)에 전력을 공급하는 정전류원(45), 컨덴서 C2의 양단 전압을 기준 전압 E2와 비교하는 차동증폭기(46), 차동증폭기(46)의 출력 신호를 래치하는 래치 회로(47), 및 래치 회로(47)의 래치 신호에 의해 온오프되는 트랜지스터(48)를 구비한다. 차동증폭기(42)의 출력 신호가 하이가 되어 설정 시간(예를 들면, 10초)이 경과하면, 이차 전지 B1, B2는 만충전된 것으로 하여 스위칭 트랜지스터 SW가 오프상태로 교체되고 이차 전지 B1, B2의 충전은 종료한다.

이하, 제1 실시예의 충전 방법에 대해서 설명한다. 우선 이차 전지 B1, B2는 정전류 충전된다. 그리고, 이차 전지 B1, B2의 합계 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘으면, 차동증폭기(39)의 출력 신호는 로우가 되고 MOS FET(40)는 오프상태가 된다. 그 결과, 컨덴서 C1이 정전류원(41)에 의해 충전되고나서 소정 시간이 경과하면, 컨덴서 C1의 양단 전압이 기준 전압 E1을 넘어 차동증폭기(42)의 출력 신호가 하이가 된다. 차동증폭기(42)의 출력 신호가 하이로 되면, 스위칭 트랜지스터 SW는 온 상태로부터 강제적으로 오프 상태로 전환되어 이차 전지 B1, B2의 충전이 휴지된다.

즉, 이차 전지 B1, B2는 그 합계 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘고나서 소정 시간이 경과할 때까지 충전된 후, 충전이 휴지된다.

여기서, 소정 시간은 상술한 바와 같이 이차 전지 B1, B2를 과충전하여도 열화되지 않는 충전량의 충전을 행하도록 설정되는 것으로, 소정 시간 내에서의 이차 전지 B1, B2의 충전량이 이차 전지 B1, B2의 만충전 용량의 10% 이하가 되도록 설정한다.

이러한 충전 휴지에 의해 이차 전지 B1, B2의 전지 전압은 저하한다. 그리고, 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하가 되면, 차동증폭기(39)의 출력 신호는 하이가 되고 MOS FET(40)는 온 상태가 된다. 따라서, 컨덴서 C1이 MOS FET(40)를 통하여 방전되어 차동증폭기(42)의 출력 신호는 로우가 된다. 차동증폭기(42)의 출력 신호가 로우로 되면, 스위칭 트랜지스터 SW는 오프 상태로부터 재차 온 상태로 전환되고 이차 전지 B1, B2의 충전은 재개된다.

이 충전의 재개에 따라 이차 전지 B1, B2의 전지 전압은 다시 제1 설정 전압 V1을 넘기 위해서, 상술한 바와 같이 소정 시간이 경과하면 다시 충전이 휴지된다. 이 후, 이차 전지 B1, B2는 소정 시간의 충전과, 이차 전지 B1, B2의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 하회할 때까지의 휴지를 반복하여 펄스 충전된다.

그런데, 차동증폭기(42)의 출력이 하이가 되면, 인버터43의 출력이 로우가 되고 MOS FET(44)는 오프 상태가 된다. 그 결과, 컨덴서 C2가 정전류원(45)에 의해 충전된다. 단, 차동증폭기(42)의 출력이 일단 하이가 되더라도 10초보다 짧은 시간에 로우로 변하면(즉, 이차 전지 B1, B2의 충전이 재개됨), MOS FET(44)가 오프 상태로부터 온 상태로 변하기 때문에 컨덴서 C2의 양단 전압은 기준 전압 E2를 넘는 일은 없다. 그 결과, 스위칭 트랜지스터 SW는 오프 상태로 전환되지 않고, 이차 전지 B1, B2의 충전(즉, 상술한 펄스 충전)은 계속된다.

한편, 차동증폭기(42)의 출력의 하이 상태가 10초 이상 계속되면, 컨덴서 C2의 양단 전압은 기준 전압 E2의 전압을 넘고 차동증폭기(46)의 출력 신호는 하이가 된다. 차동증폭기(46)의 출력 신호가 하이로 된면, 래치 회로(47)의 래치 신호는 로우가 된다. 그 결과, 트랜지스터(48)가 온 상태가 되어 스위칭 트랜지스터 SW는 오프 상태로 전환되고, 이차 전지 B1, B2는 만충전되어 충전이 종료한다.

또, 이차 전지 B1, B2의 충전을 즉시 종료하지 않고 래치 신호가 로우가 된후, 임의의 시간 더 추가 충전을 행하거나 제1 설정 전압 V1에 의한 정전압 충전을 행해도 된다. 더우기, 이들 충전이 종료한 후 이차 전지를 소정량 방전하고 재충전을 행하여도 된다.

도 4는 제1 실시예에서의 팩 전지(34) 내에 설치된 과충전 보호 회로의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 과충전 보호 회로는 이차 전지 B에 직렬 접속된 전류 퓨즈 H, 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘은 상태에서 소정 용량을 넘는 충전이 계속해서 행해진 것을 검출하는 검출 회로IC, 및 검출 회로 IC의 출력에 응답하여 전류 퓨즈 H를 용단하기 위한 스위칭 동작을 행하는 4개의 스위치Q1 내지 Q4를 구비하고 있다.

검출 회로 IC는 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘은 상태에서 소정 용량을 넘는 충전이 계속해서 행해진 것을 검출하기 위해서 전지 전압 검출부와 충전용량 검출부를 갖고 있다. 충전용량 검출부는 이차 전지 B의 충전이 정전류로 행해지는 경우에는 충전 시간을 측정하여 충전 용량을 검출한다.

이러한 구성에서, 검출 회로 IC가 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘은 상태에서 소정 용량을 넘는 충전이 계속해서 행해진 것을 검출하면, 검출 회로 IC의 출력 단자 OUT에서 하이 신호가 출력된다. 이에 따라, 4개의 스위치 Q1 내지 Q4가 온 상태가 되고, 스위치 Q4의 온상태가 이 후 계속됨으로써 전류 퓨즈 H가 용단하여 이차 전지 B의 충전은 완전히 저지된다.

또, 전류 퓨즈를 대신해서 온도 퓨즈와 가열 소자(예를 들면, 발열 저항)에 의한 것 또는 온도 퓨즈와 트랜지스터를 열결합한 것을 이용해도 된다.

도 5는 본 발명이 구체적인 제2 실시예를 도시하고 있다. 이 예에서도 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1에 도달한 후에 펄스 충전을 행하고 있다.

이 충전 회로는 리튬 이온 이차 전지 B를 포함하는 팩 전지(50) 내에 충전 제어 회로가 설치된 예를 도시하고 있는데, 직류 전원(51), 스위칭 트랜지스터 SW 및 충전 제어 회로(52)를 구비한다.

직류 전원(51)은 상용 전원인 교류 100V를, 이차 전지 B의 충전에 알맞은 직류의 정전압 및 정전류(예를 들면, 5V의 전압과 1.3A의 정전류)를 발생한다. 스위칭 트랜지스터 SW는 트랜지스터나 MOS FET 등의 반도체 스위칭 소자로 이루어지는데, 이것이 온오프 전환되어 이차 전지 B는 펄스 충전된다.

충전 제어 회로(52)는 스위칭 트랜지스터 SW를 온오프로 전환하여 이차 전지 B를 펄스 충전한다. 이 때문에, 충전 제어 회로(52)는 이차 전지 B의 전지 전압을 제1 설정 전압 V1(이 실시예에서는 4.10V 가 됨)과 비교하는 차동증폭기(53), 차동증폭기(53)의 출력에 의해 온오프되는 MOS FET(54), MOS FET(54)와 병렬로 접속된 컨덴서 C, 컨덴서 C와 MOS FET(54)에 전력을 공급하는 정전류원(55), 컨덴서 C의 양단 전압이 반전 임계치를 넘으면 로우 신호를 출력하는 인버터(56), 인버터(56)의 출력 신호에 의해 온오프되는 2단의 트랜지스터(57 및 58), 및 스위칭 트랜지스터 SW의 게이트 단자에 접속된 CR 적분 회로(59)를 구비한다.

또, 정전류원(55)은 이차 전지 B의 전지 전압에 비례한 전류치를 발생시키도록(즉, 이차 전지 B의 전지 전압이 커지면 큰 전류를 발생시키도록) 되어 있어서 단순히 저항으로 구성해도 된다.

이하, 제2 실시예의 충전 방법에 대해서 도 6의 파형도를 참조하여 설명한다. 우선 이차 전지 B는 정전류 충전된다. 그리고, 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘으면, 차동증폭기(53)의 출력 신호는 로우가 되고 MOS FET(54)는 오프 상태가 된다. 그 결과, 컨덴서 C가 정전류원(55)에 의해 충전되어 소정 시간이 경과하면, 컨덴서 C의 양단 전압이 인버터(56)의 반전 임계치를 넘어 인버터(56)의 출력신호가 로우가 된다. 이에 따라, 2단의 트랜지스터(57 및 58)는 모두 온 상태가 되고, 스위칭 트랜지스터 SW는 온 상태로부터 강제적으로 오프 상태로 전환되어 이차 전지 B의 충전은 휴지된다.

즉, 이차 전지 B는 그 전지 전압이 제1 설정 전압 V1을 넘고나서 소정 시간이 경과할 때까지 충전된 후 충전이 휴지된다.

이 실시예에서도 제1 실시예와 마찬가지로 소정 시간은 이차 전지 B를 과충전해도 열화되지 않는 충전량의 충전을 행하도록 설정되므로 소정 시간 내에서의 이차 전지 B의 충전량이 이차 전지 B의 만충전 용량의 10% 이하가 되도록 설정된다.

이러한 충전 휴지에 의해 이차 전지 B의 전지 전압은 저하한다. 그리고, 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하로 되면, 차동증폭기(53)의 출력 신호는 하이가 되고 MOS FET(54)는 온 상태가 된다. 따라서, 컨덴서 C가 MOS FET(54)를 통해서 방전되어 인버터(56)의 출력신호는 하이가 된다. 인버터(56)의 출력신호가 하이로 되면, 2단의 트랜지스터(57 및 58)는 모두 오프 상태가 된다. 이때, CR 적분 회로(59)에 의해 트랜지스터(58)가 오프 상태가 되고나서 CR 적분 회로(59)의 시상수 경과 후에 스위칭 트랜지스터 SW는 오프 상태로부터 다시 온 상태로 전환되고 이차 전지 B의 충전은 재개된다.

즉, 이차 전지 B의 충전 초기에는 충전이 휴지하면 즉시 이차 전지 B의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하로 되지만, 스위칭 트랜지스터 SW가 온 상태가 될 때까지는 CR 적분 회로(59)의 시상수의 시간을 필요로 한다. 바꾸어 말하면, 충전 휴지 시간은 적어도 CR 적분 회로(59)의 시상수에 상당하는 시간만큼 확보된다.

충전이 재개되면, 이차 전지 B의 전지 전압은 다시 제1 설정 전압 V1을 넘기 때문에 상술한 바와 같이 소정 시간이 경과하면 다시 충전이 휴지된다. 이 후, 이차 전지 B는 충전과 휴지를 반복하여 펄스 충전된다.

여기서, 정전류원(55)이 이차 전지의 전지 전압 B에 비례하는 전류를 발생시키므로 상기 소정 시간은 이차 전지 B의 전지 전압에 반비례하여 짧아진다. 따라서, 이차 전지 B의 펄스 충전은 이차 전지 B의 충전이 진행됨에 따라 충전 시간이 짧아지며 또 휴지 시간이 길어지는 형태로 행해지게 된다. 이에 따라, 이차 전지 B가 만충전 상태에 접근함에 따라 이차 전지 B가 고전압 상태에 노출되어지는 것을 억제하여 이차 전지 B의 열화를 방지한다는 효과가 있다.

그런데, 도 5에 도시한 회로에서 이차 전지 B의 +단자와 트랜지스터(58)의 베이스 단자 사이에 제너 다이오드를 역바이어스 방향으로 접속함으로써 이차 전지 B의 과전압 충전 보호를 행할 수 있다. 즉, 직류전원(51)의 고장 등에 의해서 이차 전지 B에 과전압이 인가되면, 제너 다이오드 및 트랜지스터(58)는 온 상태가 되므로 스위칭 트랜지스터 SW가 오프 상태가 되어 이차 전지 B의 충전은 금지된다.

이것은 이차 전지 B의 -단자와 트랜지스터(58)의 베이스 단자 사이에 다이오드를 순바이어스 방향으로 접속하는 것에 의해서도 달성할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 이차 전지를 소정 용량만큼 충전한 후 이차 전지의 충전을 휴지한다. 그리고, 이 휴지 중에 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 V1 이하가 되면 이차 전지의 충전을 개시한다. 이 후 이를 반복하여 이차 전지를 펄스 충전하는 것이다.

그런데, 본 발명의 충전 방법에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이 충전의 휴지 시간이 점차로 길어지기 때문에 평균 충전 전류도 점차로 적어진다. 따라서, 평균 충전 전류를 측정함으로써 이차 전지의 충전 상태를 인식할 수 있다. 이것을 이용해서 이차 전지의 충전량 표시를 행하거나 또는 만충전 검출을 행하는 것이 가능하다.

또한, 충전 휴지중의 전지 전압을 검출하고, 이 전지 전압에 기초하여 이차 전지의 충전상태를 인식할 수 있다. 또한, 충전의 휴지로서 제1 설정 전압 V1에 의한 정전압 충전을 행하는 경우에는 이러한 정전압 충전시의 충전 전류의 크기를 검출함으로써 이차 전지의 충전상태를 인식할 수 있다.

본 발명은 충전과 휴지를 반복하여 이차 전지를 펄스 충전하는 방법으로, 1 펄스당의 충전으로서 상기 이차 전지를 소정 용량만큼 충전한 후에 상기 이차 전지의 충전을 휴지하고, 이 휴지 중에 상기 이차 전지의 전지 전압이 제1 설정 전압 이하가 되면 상기 이차 전지의 충전을 재개하는 것을 반복해서 상기 이차 전지를 펄스 충전하기 때문에, 이차 전지의 전지 성능을 열화시키지 않으면서 이차 전지를 단시간에 급속 충전할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본 원리를 도시하는 파형도.

도 2는 본 발명의 기본 회로를 도시하는 개략 블럭 회로도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예를 도시한 회로도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에서의 과충전 보호 회로의 다른 예를 도시한 회로도.

도 5는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 회로도.

도 6은 본 발명의 제 2실시예에서의 동작을 도시한 파형도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21 : 직류 전원

22 : 충전 전류 검출 회로

23 : 충전 제어 회로

SW1 내지 SW4 : 제1 내지 제4 스위치

Claims

이차 전지를 펄스 충전하는 방법에 있어서,

이차 전지의 전지 전압을 검출하는 단계,

상기 전지 전압이 제1 설정 전압 이하인지 여부를 판정하는 단계,

상기 전지 전압이 제1 설정 전압 이하인 것으로 판정되면, 충전 전류량 및 펄스 시간주기에 기초하여 소정 용량의 전하를 전지에 인가함으로써 전지를 충전하는 단계, 및

소정 용량의 전하가 전지에 인가된 후 전지 충전을 휴지하는 단계

를 포함하고,

상기 검출, 판정, 충전 및 휴지 단계를 다수회 순차 행하고, 상기 제1 설정전압은 다수회 마다 동일하고, 소정 용량도 다수회 마다 동일한 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 펄스 충전은 상기 이차 전지의 전지 전압이 제2 설정 전압에 도달하고 나서 개시하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제2항에 있어서,

상기 제2 설정 전압은 제1 설정 전압과 동일한 전압인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 소정 용량은 상기 이차 전지의 만충전 용량의 10% 이하의 용량인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 소정 용량은 상기 이차 전지의 충전이 진행함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 이차 전지의 충전 재개는 충전 휴지로부터 소정 시간 경과 후에 행하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 이차 전지의 충전은 상기 제1 설정 전압보다 높은 제3 설정 전압에 의해 규제되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제7항에 있어서,

상기 제3 설정 전압에 의한 규제는 충전의 금지, 충전의 휴지 또는 상기 제3설정 전압에 의한 정전압 충전인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 설정 전압은 주위 온도에 대략 반비례하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제2항에 있어서,

상기 제2 설정 전압은 주위 온도에 대략 반비례하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제7항에 있어서,

상기 제3 설정 전압은 주위 온도에 대략 반비례하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.
제1항에 있어서,

상기 소정 용량은 주위 온도에 대략 반비례하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 방법.