KR100739942B1

KR100739942B1 - 이차전지 충전 방법 및 이차전지용 보호회로 장치

Info

Publication number: KR100739942B1
Application number: KR1020060009208A
Authority: KR
Inventors: 양종운
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-07-16

Abstract

베어셀의 단자 전압을 감지하여 초기 충전 여부를 보호회로부가 인식하고, 초기 충전으로 인식되는 경우에 보호회로부가 베어셀의 일 단자와 충전기의 일 단자를 연결하는 도선의 경로 상에 직렬로 설치되는 충전용 FET의 게이트에 오프 신호를 인가하여 전류 통과가 이루어지지 않도록 하면서, 상기 도선의 경로 상에 상기 충전용 FET와 병렬로 연결되는 프리차아지 FET의 게이트에 듀티 시간이 조절된 펄스 신호를 인가하여 충전율을 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충전 방법 및 이에 적합한 장치가 개시된다.

본 발명에 따르면, 이차 전지의 충전 초기에 이차 전지의 수용 능력보다 많은 전류가 흘러 전극 내부 구조의 손상을 가져오고 주기 수명을 떨어뜨리는 현상을 막을 수 있도록 프리차아지를 실시하면서도 프리차아지 FET의 게이트에 PWM 신호를 인가하고, 그 신호의 듀티 시간을 조절함으로써 별도의 포지스터 소자를 사용할 필요가 없도록 하여 생산 원가를 줄이는 효과를 가진다.

Description

이차전지 충전 방법 및 이차전지용 보호회로 장치{Method of charging rechargeable battery and Protection circuit for rechargeable battery}

도 1은 종래의 이차전지용 보호회로 장치를 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 의한 이차전지용 보호회로 장치의 주요부를 도시한 블록도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10; 베어셀 11,13; 내측 전기 단자

20: 충전기 21,23: 외측 전기 단자

30,130: 바이패스 회로부 33,133:프리차아지용 FET

31: 포지스터 131: 고정 저항

40,140; 충전용 FET 50,150; 방전용 FET

71; 온도 퓨즈 73: 발열 코일

75: 단락 FET 80;센서 레지스터

100,200: 보호회로부 103,203: 주제어 회로

101,201; 1차 보호회로 102,202; 2차 보호회로

본 발명은 이차전지 충전 방법 및 이차전지용 보호회로 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 충전 초기에 충전기를 통해 입력되는 전류의 크기를 조절할 수 있는 프리차아지(pre-charge) 방법 및 이를 위한 이차전지용 보호회로 장치에 관한 것이다.

리튬 이온 전지와 같은 이차전지의 사용과정에서는 특성상 전지의 충전 및 방전이 이루어지게 된다. 전지에는 에너지의 저장이 이루어지므로 내부 단락 등 이상이 발생할 때에는 저장된 에너지가 짧은 시간 내에 방출되면서 열을 발생시켜 발화가 이루어지거나, 폭발이 이루어질 수 있다. 특히 리튬 이차전지의 경우, 내부에 사용되는 비수성 전해액이 대개 가연성 물질이므로 안전성을 높이는 작업이 더욱 요구된다.

안전성 향상을 위한 장치로 온도 변화를 감지하여 전류를 차단하는 양성온도소자(PTC)나 바이메탈을 이용한 전류 차단기, 내부 압력 이상을 감지하여 폭발을 방지하는 안전벤트 등이 사용될 수 있고, 전지의 충전시 과충전을 방지하는 보호회로가 충전기나 전지 자체에 설치되는 것이 통상적이다.

도 1에는 종래 이차전지용 보호회로 장치를 개략적으로 나타내는 블록도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 종래 이차전지용 보호회로 장치는 베어셀(10)과, 상기 베어셀(10)에 직렬로 연결되어 과충전 및 과방전시 오프(off)되는 충전용 전계효과트 랜지스터 스위치(이하 "FET"으로 약칭함)(40) 및 방전용 FET(50)와, 내부 온도가 설정치 이상 상승할 경우 회로를 차단하는 퓨즈(71)와, 베어셀(10)의 전류를 감지하는 센서 레지스터(80)와, 베어셀(10) 및 센서 레지스터(80)에 의한 전기적 신호를 종합하여 각종 제어 신호를 출력하는 주제어 회로(103)와, 주제어 회로(103)에 의해 충전용 FET(40) 또는 방전용 FET(50)를 온, 오프(on, off)시키는 1차 보호회로(101)와, 역시 주제어 회로(103)에 의해 퓨즈(71)의 개방 여부를 결정하는 2차 보호회로(102)로 이루어져 있으며, 이러한 모든 구성 요소는 전지팩 내부에 일체로 구현되어 있다. 도면중 부호 20은 이차전지 베어셀(10)을 충전시키는 충전기이며, 경우에 따라서는 이차전지가 방전되며 구동되는 외부 부하가 될 수 있다. 여기서 베어셀(10)은 하나인 것으로 도시되나, 복수개의 베어셀 전지가 직렬로 연결된 것으로 대체될 수 있으며, 그에 따라 각각의 베어셀에 단자가 주제어 회로의 해당 단자에 연결될 수 있다.

이러한 종래의 이차전지용 보호회로 장치는 우선 베어셀(10)이 과충전될 경우, 센서 레지스터(80)가 이를 검출하여 주제어 회로(103)에 소정의 전기적 신호를 출력한다. 그러면 주제어 회로(103)는 다시 1차 보호회로(101)에 제어 신호를 출력한다. 그러면 1차 보호회로(101)가 충전용 FET(40)의 게이트(gate)에 로우(low) 신호를 출력함으로써, 충전용 FET(40)가 오프(off)되도록 하여 과충전이 정지된다.

또한, 상기 베어셀(10)이 과방전될 경우, 과충전시와 유사한 경로를 통해 방전용 FET(50)가 오프(off)되도록 하여 과방전이 정지된다.

더불어, 이차전지 내부의 온도가 내부 쇼트(short) 등의 비정상적 상태로 인 해 상승할 경우에는 온도 증가에 따라 저항이 증가하는 온도 퓨즈(71)가 끊어질 수 있도록 2차 보호회로(102)가 작동함으로써, 이차전지의 폭발, 발화 등을 방지한다.

한편, 충전시에는 충전기(20)는 초기에는 정전류 충전, 후기에는 정전압 충전을 하는 경우가 많은데, 리튬 이차 전지의 경우, 초기 정전류 충전이 이루어질 경우, 전류 값이 적정 수준보다 크게 되어 음극 활물질 내부 구조가 파괴되고, 전지의 주기수명이 단축되는 문제 등이 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 충전 초기에는 충전용 FET(40)를 오프시키고, 충전용 FET와 병렬로 설치된 프리차아지용 FET(33) 스위치와 포지스터(posister:31) 혹은 PTC 써미서터(Thermister)를 통해 충전 전류가 흐르도록 한다. 그리고, 프리차아지용 FET(33)를 통해 흐르는 전류는 포지스터(31)의 저항으로 인해 충전 초기에 이차 전지 전극 구조에 문제를 일으키지 않는 범위로 제한되어 흐르도록 한다.

그리고, 일정 시간이 지나거나, 이차 전지 베어셀(10)이 충전을 통해 일정 전압 수준이 이르면 게이트 전압을 조절하여 프리차아지용 FET(33)를 차단시키고, 충전용 FET(40)를 "온"시켜 충전 전류가 흐르도록 한다.

그런데, 이러한 종래의 보호회로 구성에서 포지스터의 가격이 상대적으로 일반 저항에 비해 높아 이차 전지의 생산 원가를 높이는 문제가 있었다.

본 발명은 종래의 이차 전지 보호회로에서 충전용 FET와 병렬로 설치된 프리차아지 FET와 함께 사용되던 포지스터를 사용하지 않으면서 충전 초기 전류를 낮게 제어할 수 있는 이차 전지 충전 방법 및 이차전지용 보호회로 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지 충전 방법은 충전시 초기에전류가 흐르는 경로상에 위치하는 충전용 FET를 닫고, 충전용 FET에 병렬로 설치된 프리차아지 FET 스위치를 통해 전류가 흐르도록 하면서 프리차아지용 FET 스위치의 게이트 단자에 펄스 폭 조절(PWM:Pulse Width Modulation) 신호의 듀티 시간(duty time, duty ratio)을 조절하여, 즉, 펄스 폭을 조절하여 충전율 혹은 시간 평균 전류를 낮은 수준으로 유지시키는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차전지용 보호회로 장치는 베어셀의 한 단자와 충전기 한 단자를 연결하는 경로상에 충전용 FET 및 이 충전용 FET와 병렬로 프리차아지 FET가 설치되고, 충전용 FET 및 프리차아지용 FET의 게이트 단자는 보호회로부에 연결되며, 보호회로부에는 내장 프로그램에 의해 프리차아지용 FET에 펄스 폭 조절 신호를 인가할 수 있는 신호 발생 장치가, 충전용 FET에는 고전압 신호와 저전압을 신호를 인가할 수 있는 신호 인가 장치가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명 장치에서 프리차아지용 FET에는 직렬로 고정 저항이 인가되는 것이 통상적이며, 신호 발생 장치는 펄스 폭 조절 신호의 듀티 시간을 복수의 단계로 가변적으로 조절할 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호회로 주요 부분의 개략적 구성을 나타내는 블럭도이다. 이하 설명 가운데 종래와 비교할 때 공통적인 부분은 종래의 경우를 나타내는 도1의 도면 부호가 사용된다.

먼저, 종래의 도1과 도2를 함께 참조하면서 설명하면, 실시예의 이차전지용 보호회로 장치는 전체적으로 도시되지 않지만 종래의 도1과 같이 베어셀(10)과 연결되는 두 내측 전기 단자(11,13)와, 충전기와 연결되는 두 외부 전기 단자(21,23)를 기본적으로 가진다.

보호회로 장치에서 베어셀(10)과 연결되는 일 단자(11)와 충전기의 일 단자를 연결하는 도선 경로 상에는 베어셀(10)에 직렬로 연결되어 과충전시 오프(off)되는 충전용 전계효과트랜지스터 스위치(이하 "FET"으로 약칭함)(140)가 설치되고, 통상적으로 과방전시 오프되는 방전용 FET(150)와, 내부 온도가 설정치 이상 상승할 경우 회로를 차단하는 퓨즈(71)가 설치된다. 도선 경로 상의 충전용 FET(140) 부분에서는 충전용 FET(140)와 병렬로 바이패스 회로부(130)가 형성되며, 바이패스 회로부(130)에는 프리차아지 FET(133)가 설치된다. 프리차아지 FET(133)와 함께 고정 저항(131)이 직렬로 설치된다. 직렬 저항(131)은 바이패스 회로부(130)를 흐르는 전류의 값을 더욱 낮추어 전류의 조절을 더욱 용이하게 할 수 있다.

베어셀(10)의 타 단자(13)와 충전기(20)의 타 단자(23)를 연결하는 도선 경로 상에는 베어셀(10)을 통해 흐르는 전류의 크기를 감지할 수 있도록 센서 레지스 터(80)가 설치된다. 그리고, 보호회로 장치 내에는 보호회로부(200)가 형성되고, 보호회로부(200)에는 많은 단자가 설치되어 베어셀의 접속단, 센서 레지스터의 양단, 충전용 FET(140)), 프리차아지용 FET(133) 및 방전용 FET(150))의 게이트 전극, 온도 퓨즈(71)의 개방과 관련된 단락용 FET(75)의 게이트 전극과 연결된다.

보호회로부(200)를 좀 더 세분하면, 보호회로부(200)는 다시 베어셀(10) 및 센서 레지스터(80)에 의한 전기적 신호를 종합하여 각종 제어 신호를 출력하는 주제어 회로(203)와, 주제어 회로(203)에 의해 충전용 FET(140), 프리차아지 FET(133) 또는 방전용 FET(150)를 온, 오프(on, off)시키는 1차 보호회로(201)와, 역시 주제어 회로(203)에 의해 단락용 FET(75)를 여닫아 분기 도선에 대전류를 흘리고, 분기 도선에 형성된 발열 코일(73)이 퓨즈(71)를 끊어주도록 결정하는 2차 보호회로(202)로 이루어진다. 주제어 회로(203)와 1차 보호회로(201) 및 2차 보호회로(202)는 보호회로부(200) 내부에서 서로 신호선을 통해 밀접하게 연결되어 있다.

이차전지가 충전기와 연결될 때에는 보호회로 장치의 두 외부 전기 단자(21,23)에 충전기의 두 단자가 접속된다. 충전기(20)에도 보호회로가 내장되어 기본적으로 충전 초기에 정전류를 공급하도록 회로가 구성되고, 충전이 대부분 이루어지면 후기에 정전압이 두 외부 전기 단자에 인가되도록 회로가 구성된다.

이차전지의 베어셀(10)은 충전 필요시 대개 일정 전압 이하의 상태이며, 이 상태에서 충전기(20)의 일정율로 공급되는 일정 이상 레벨의 전류를 공급받게 되면 내부 구조 손상 및 성능 저하가 우려된다. 따라서, 이차전지 내의 보호회로 장치에 서는 두 내측 전기 단자(11,13) 사이에 인가되는 베어셀(10)의 전압을 감지하여 일정 이하인 경우, 주제어 회로(203)에서는 1차 보호회로(201)에 소정의 제어 신호를 전달한다. 이 제어 신호에 의해 1차 보호회로(201)에서는 펄스 폭 조절이 가능한 펄스 신호 발생 장치(135)에서 프리차아지 FET(133)로 펄스 신호를 보낸다. 동시에 충전용 FET(140)의 게이트와 연결된 접속단을 통해서는 저전압 신호를 보내어 충전용 FET(140)를 통한 전류 흐름을 막는다.

펄스 신호에 의해 프리차아지 FET(133)가 주기적으로 개폐 동작을 하고, 펄스의 듀티 비율에 따라 별도의 포지스터 없이도 프리차아지 FET(133)를 통해 베에셀에 흐르는 전류를 규제하게 된다. 규제된 전류는 통상의 충전율보다 낮은 비율로 충전이 이루어지도록 한다. 즉, 전체적으로 충전율이 낮게 조절되며, 바이패스 회로부(130)를 따라 낮은 시간 평균 값의 전류가 흐르게 한다.

한편, 이런 동작을 위해서는 주제어 회로(203)에 미리 1차 보호회로(201)가 펄스 신호를 발생시켜 프리차아지 FET(133)의 게이트로 보내도록, 주제어 신호를, 별도의 외부 입력이 없는 경우, 계속적으로 1차 보호회로(201)에 주도록 회로 동작 프로그램이 설치될 수 있다. 이런 기능을 가지기 위해 주제어 회로(201)는 마이컴 형태로 제작될 수 있다.

혹은 주제어 회로(203)에는 베어셀의 전압이 일정 이하임을 감지하여 한 번만 1차 보호회로(201)에 신호를 주고, 1차 보호회로(201)는 별도의 주제어 신호가 없으면 자체에 정해진 듀티 시간을 가지는 펄스를 주기적으로 발생시켜 전송하는 프로그램이 설치될 수 있다. 이런 경우, 1차 보호회로(201)도 마이컴 형태로 프로 그램 동작이 가능하게 형성되어야 한다.

프리차아지 FET를 통해 일정 시간 전류가 공급되거나(시간 제어 방식), 베어셀이 일정 이상의 단자 전압을 가지도록 충전이 이루어지면(전압 제어 방식), 주제어 회로는 이러한 시간 경과나 베어셀 전지의 두 전극에 인가되는 전위차 혹은 두 내측 전기 단자의 인가 전압이 일정 이상임을 인식하여 새로운 제어 신호를 발생시킨다. 새로운 제어 신호에 따라 1차 보호회로에서는 충전용 FET의 게이트에 고전압 신호를 인가하여 충전기의 정전류 공급 회로에 따른 정전류가 흐르게 하고, 프리차아지 FET의 게이트에는 계속적으로 낮은 전압 신호를 인가하여(듀티 시간 0%) 전류가 흐르지 못하도록 한다.

이로써 충전 초기에 이차전지에 높은 충전율로 전류가 흘러 낮은 전압 상태의 베어셀에 내부 구조 손상이 발생하지 않고 충전이 원활히 이루어지게 된다.

Claims

베어셀의 단자 전압을 감지하여 초기 충전 여부를 보호회로부가 인식하는 인식단계,

초기 충전으로 인식되는 경우에 보호회로부가 베어셀의 일 단자와 충전기의 일 단자를 연결하는 도선의 경로 상에 직렬로 설치되는 충전용 FET의 게이트에 오프 신호를 인가하여 전류 통과가 이루어지지 않도록 하면서, 상기 도선의 경로 상에 상기 충전용 FET와 병렬로 연결되는 프리차아지 FET의 게이트에 듀티 시간이 조절된 펄스 신호를 인가하여 충전율을 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충전 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 충전율을 조절하는 단계에 이어 상기 보호회로부가 상기 베어셀 단자 전압이 일정 이상임을 감지하는 단계와

상기 보호회로부가 상기 프리차아지 FET를 통한 충전 전류의 흐름을 막고, 상기 충전용 FET의 게이트에는 온 신호를 인가하여 전류의 통과가 이루어지도록 하는 정전류 충전 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충전 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 충전율을 조절하는 단계에 이어 상기 보호회로부가 일정 시간의 경과를 인식하는 단계와

상기 보호회로부가 상기 프리차아지 FET를 통한 충전 전류의 흐름을 막고, 상기 충전용 FET의 게이트에는 온 신호를 인가하여 전류의 통과가 이루어지도록 하는 정전류 충전 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 충전 방법.
베어셀과 연결되는 두 내측 전기 단자와, 충전기와 연결되는 두 외부 전기 단자, 상기 두 내측 전기 단자 가운데 하나의 내측 전기 단자와 상기 두 외부 전기 단자 가운데 상기 내측 전기 단자에 대응되는 하나의 외부 전기 단자를 연결하는 제1 도선, 다른 내측 전기 단자와 그에 대응되는 다른 외부 전기 단자를 연결하는 제2 도선,

상기 제1 도선 및 상기 제2 도선 가운데 하나에 직렬로 연결되는 충전용 FET, 상기 충전용 FET와 병렬로 형성되며 프리차아지 FET를 가지는 바이패스부,

상기 제1 도선 및 상기 제2 도선 가운데 하나에 직렬로 연결되는 센서 레지스트,

상기 베어셀의 양단, 상기 센서 레지스트의 양단과 접속되는 단자를 가져 상기 양단의 전위차를 감지하며, 상기 프리차아지 FET의 게이트 및 상기 충전용 FET의 게이트와 접속되는 단자를 가져 고전압 신호와 저전압 신호를 인가하되 상기 프리차아지 FET의 게이트와는 펄스 신호 발생 장치를 통해 접속되는 보호회로부를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 보호회로 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 펄스 신호 발생 장치는 펄스 신호의 듀티 시간을 복수의 단계로 가변적으로 조절할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 보호회로 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 충전용 FET 및 상기 프리차아지 FET와 직렬로 방전용 FET 및 온도 퓨즈가 설치되고,

상기 온도 퓨즈 근방에는 상기 제1 도선 및 상기 제2 도선을 연결하며, 상기 보호회로부에 게이트가 연결되는 단락 FET가 직렬로 설치되는 분기선이 상기 제1 도선 혹은 상기 제2 도선으로부터 분기되어 형성되며,

상기 분기선의 상기 온도 퓨브 근방에는 상기 온도 퓨즈를 개방시킬 수 있는 히터가 형성됨을 특징으로 하는 이차 전지용 보호회로 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 보호회로부는

상기 충전용 FET, 상기 방전용 FET, 상기 프리차아지 FET의 게이트와 접속되는 1차 보호회로,

상기 단락 FET의 게이트에 연결되는 2차 보호회로,

상기 센서 레지스터 및 상기 베어셀의 양단과 연결되는 주제어 회로를 구비하여 이루어지며,

상기 1차 보호회로 및 상기 2차 보호회로는 상기 주제어 회로의 제어 신호에 따라 상기 게이트들에 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 보호회로 장치.