KR101245274B1 - 프리 차지가 가능한 휴대기기용 배터리, 배터리 충전 장치및 방법 - Google Patents

프리 차지가 가능한 휴대기기용 배터리, 배터리 충전 장치및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리 차지가 가능한 휴대기기용 배터리, 배터리 충전 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 휴대기기용 배터리는, 충방전이 가능한 2차 배터리 셀; 배터리 전류의 흐름 경로 상에 배치된 센스 저항; 배터리 전류의 흐름을 선택적으로 개폐하는 스위칭 소자부; 상기 배터리 셀의 양단 전압과 상기 센스 저항을 통하여 흐르는 전류를 모니터링하여 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 되거나, 한계 이상의 전류가 흐르는 경우 상기 스위칭 소자부를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 IC 소자; 상기 배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자; 상기 스위칭 소자부를 통해 상기 배터리 셀의 타 단자와 연결된 제2단자; 및 상기 배터리 셀의 어느 한 쪽 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자;를 포함하고, 상기 제3단자와 상기 제1단자를 통해 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 측정하는 배터리 충전장치와 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.
프리 차지, 2차 배터리, 정전류/정전압 충전

Description

프리 차지가 가능한 휴대기기용 배터리, 배터리 충전 장치 및 방법{Battery for hand-held electronic device capable of precharging, Batter charging apparatus, and Method thereof}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈을 도시한 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈을 도시한 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성을 보인 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성을 보인 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
<도면의 주요 참조 번호>
10: 보호회로 모듈 20: 배터리 셀
30: 스위칭 소자부 80: IC 소자
70: 충전 전압 센싱 라 인 90: PACK+ 단자
100: ID 단자 110: PACK- 단자
120: Vcell 단자 210: 정류부
220: 변압부 230: 배터리 충전부
240: 게이징 IC 250: 마이크로컨트롤러(250)
본 발명은 배터리의 프리 차지와 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 프리 차지가 가능한 휴대기기용 배터리, 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라 등의 소형 휴대 기기의 배터리로는 충방전이 가능한 2차 전지(예컨대, 리튬이온 2차 전지)가 주로 사용된다. 이러한 휴대기기용 배터리는 전자 기기의 각종 기능이 사용됨에 따라, 충전 레벨이 낮아지는데, 종래에는 충전 레벨이 동작 전압 범위(예: 4.2 ~ 3.0V)의 하한까지 떨어지면 실제로는 사용 가능 전력이 남아 있음에도 불구하고, 배터리의 과방전에 따른 손상을 방지하기 위해 배터리의 방전이 완료되었다고 간주하고 휴대폰의 전원을 턴오프 시키게 된다. 따라서 사용자는 배터리를 충전장치에 장착하여 충전을 진행하게 된다.
한편 휴대기기용 배터리의 충전 장치는 일반적으로 정전류/정전압(CC-CV) 모드에 의해 충전을 진행한다. 즉 충전 초기에는 충전전류를 일정하게 유지하여 충전을 진행하다가 충전 레벨이 어느 정도 올라가면 충전전압을 일정하여 유지하여 충전을 진행한다. 그런데 휴대용 기기가 0V로 판정한 배터리라 하더라도 실제로는 어느 정도의 전력이 남아 있는 상태이고, 또 자연 방전에 의해 배터리의 충전 레벨이 더 낮아져 있는 상태에서 통상적인 정전류 모드로 충전을 시작하게 되면 배터리에 필요 이상의 과도 충전 전류가 흐르게 되어 배터리가 손상되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 사용이 완료되어 저 전압 상태(즉, 동작 전압 영역보다 낮은 전압 레벨)에 있는 배터리의 충전을 진행할 때에는 배터리의 충전 잔량 레벨을 정확히 측정하여 전압 레벨이 현저하게 낮은 경우는 충전 전류의 크기를 낮게 하여 어느 정도 프리 차지를 진행한 후 본 충전을 진행하는 것이 바람직하다.
위와 같은 프리 차지 기능을 실현하기 위해서는, 휴대기기용 배터리에 일반적으로 포함되는 보호회로 모듈에 프리 차지 기능을 수행할 수 있는 회로를 부가하면 되지만, 최근 휴대용 기기의 크기가 점점 더 소형화됨에 따라 배터리의 크기도 경박 단소화되고 있어 보호회로 모듈에 프리 차지 회로를 부가하는데 어려움이 있다.
또한 대부분의 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈은 배터리의 경박 단소화라는 목적을 달성하기 위해 디지털 IC가 아닌 아날로그 IC를 포함하고 있는 데, 과충전 및 과방전과 과전류 방지라는 최소한의 배터리 보호 기능을 구현하기 위해 설계된 아날로그 IC에 의해서는 프리 차지 기능을 구현할 수 없는 문제도 있다.
나아가 배터리 제조사의 입장에서는 보호회로 모듈에 프리 차지 회로를 추가할 경우 경박단소화라는 배터리 설계 목적에 맞도록 전반적인 배터리 설계를 다시 변경해야 하고 이로 인해 배터리 제조 공정 자체도 복잡해 지므로 프리 차지 회로를 보호회로 모듈 내에 포함시키는데 상당한 부담을 느끼는 것이 현실이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈의 간단한 설계 변경에 의해 배터리 충전장치 측에서 저 전압 상태에 있는 배터리의 충전 잔량을 정확하게 측정할 수 있도록 한 휴대기기용 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은, 프리 차지가 필요한 저 전압 상태(예컨대, 0 ~ 2.2V)에 있는 배터리의 충전 전압 레벨을 정확하게 측정할 수 있는 배터리를 이용하여 배터리의 전압 레벨을 정확하게 측정하고 측정된 전압 레벨이 배터리의 동작 전압 범위보다 낮은 프리 차지 영역에 속하는 경우 프리 차지 모드에서 배터리의 충전을 진행한 후 본 충전을 진행함으로써 안정적으로 휴대기기용 배터리를 충전할 수 있는 충전장치와 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대기기용 배터리는, 충방전이 가능한 2차 배터리 셀; 배터리 전류의 흐름 경로 상에 배치된 센스 저항; 배터리 전류의 흐름을 선택적으로 개폐하는 스위칭 소자부; 상기 배터리 셀의 양단 전압과 상기 센스 저항을 통하여 흐르는 전류를 모니터링하여 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 되거나, 한계 이상의 전류가 흐르는 경우 상기 스위칭 소자부를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 IC 소자; 상기 배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자; 상기 스위칭 소자부를 통해 상기 배터리 셀의 타 단자와 연결된 제2단자; 및 상기 배터리 셀의 어느 한 쪽 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자;를 포함하고, 상기 제3단자와 상기 제1단자를 통해 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 측정하는 배터리 충전장치와 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전 레벨 센싱 라인과 상기 제3단자 사이에 직렬 연결된 배터리 식별 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대용기기 배터리 충전장치는, 상술한 휴대용 배터리 기기를 충전하는 장치로서, 상용 교류 전류를 인가받아 직류로 변환하는 정류부; 정류부로부터 출력되는 직류 전류의 전압 레벨을 충전 전압 레벨로 강압하는 변압부; 상기 제1단자 및 제2단자에 강압된 충전전압을 인가하여 배터리 셀에 충전전류를 인가하는 배터리 충전부; 상기 제3단자와 제1단자 사이의 전압을 측정하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 센싱하는 게이징 IC; 및 상기 게이징 IC에 의해 센싱된 충전 전압 레벨을 입력받아, 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 있으면 프리 차지 모드에 의한 충전이 미리 선행된 후 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전이 이루어지도록 상기 배터리 충전부를 제어하는 마이크로컨트롤러;를 포함한다.
바람직하게, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 프리 차지 모드에 의한 충전 진행시 본 충전시 인가되는 초기 충전전류의 크기보다 작은 크기의 충전전류가 배터리 셀에 인가되도록 상기 배터리 충전부를 제어한다.
바람직하게, 상기 마이크로컨트롤러는 프리 차지 모드에 의한 충전이 진행되어 게이징 IC로부터 입력되는 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 상승함에 따라, 충전전압의 크기는 고정하고 충전전류의 크기를 단계적으로 상향시키는 방식, 충전전류의 크기는 일정하게 고정하고 충전전압의 크기를 단계적으로 상향시키는 방식 또는 충전전류와 충전전압을 단계적으로 상향시키는 방식 중 어느 한 방식을 적용하여 배터리 제어부를 제어함으로써 프리 차지를 진행한다.
바람직하게, 상기 마이크로컨트롤러는 게이징 IC로부터 입력되는 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나면 본 충전 모드로 이행한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 휴대용기기 배터리의 충전 제어 방법은, 배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자와 상기 배터리 셀의 타 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자를 통하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 속하는지 판단하는 단계; 및 저 전압 상태에 속하면 프리 차지 모드에서 배터리 셀을 충전한 후 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전에 의해 배터리 셀을 충전하고, 저 전압 상태에 속하지 않으면 프리 차지 모드를 거치지 않고 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전에 의해 곧 바로 배터리 셀을 충전하는 단계;를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈을 도시한 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 보호회로 모듈(10)은, 배터리 셀(20)의 양 단자에 접속된다. 도면에서는, 보호회로 모듈(10)이 하나의 배터리 셀(20)에 접속된 것으로 되시되어 있지만, 보호회로 모듈(10)은 하나 이상의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 셀 어셈블리에 접속될 수도 있다. 따라서 배터리 셀(20)이라는 용어는 셀 어셈블리를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.
구체적으로, 상기 보호회로 모듈(10)은 충전전류 또는 방전전류의 크기를 센싱하기 위해 Pack+ 단에 설치된 센스 저항(R1), 과충전 또는 과방전시 충전전류 또 는 방전전류를 차단하기 위해 Pack- 단에 설치된 스위칭 소자부(30), 배터리 셀(20)의 양단 전압을 센싱하는 전압 센싱 와이어(40), 상기 센스 저항(R1)을 통해 충전전류 또는 방전전류의 크기를 센싱하는 전류 센싱 와이어(50), 상기 스위칭 소자부(30)로 제어 신호를 인가하는 제어 신호 입력 와이어(60), 배터리 셀의 규격 확인을 위해 ID 단자(100)와 Pack- 단자 사이에 설치된 배터리 식별 저항(R2), 상기 ID 단자(100)로부터 배터리 셀(20)의 일 단자(BAT-)까지 직렬로 연결된 충전 레벨 센싱 와이어(70), 및 배터리 셀(20)의 양단 전압과 센스 저항(R1)을 통하여 흐르는 충방전 전류를 모니터링하여 배터리 셀(20)이 과충전 또는 과방전 되거나 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우 스위칭 소자부(30)에 제어 신호를 인가하여 충방전 전류를 차단하는 등의 배터리 보호 기능을 제어하는 IC 소자(80)를 포함한다.
바람직하게, 상기 스위칭 소자부(30)는 충전 제어 스위치(30a)와 방전 제어 스위치(30b)로 구성된다. 이 때, 각 스위치(30a, 30b)는 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)로 구성하는 것이 바람직하다. 하지만 본 발명은 스위치를 구성하는 반도체 소자의 종류에 의해 한정되지 않는다. 상기 충전 제어 스위치(30a)와 방전 제어 스위치(30b)는 정상적인 충방전 전류가 흐를 경우 IC 소자(80)의 제어에 의해 턴온 상태를 유지한다. 하지만 배터리 셀(20)이 과충전 상태가 되거나 과도한 충전전류가 흐르면, IC 소자(80)의 제어에 의해 충전 제어 스위치(30a)가 턴 오프 됨으로써 충전전류의 흐름이 차단된다. 또한 배터리 셀(20)이 과방전 상태가 되거나 과도한 방전전류가 흐르면, IC 소자(80)의 제어에 의해 방전 제어 스위치(30b)가 턴 오프 됨으로써 방전전류의 흐름이 차단된다. 하지만 이상상황 발생시 충전전 류 또는 방전전류의 흐름을 차단하는 스위칭 소자부(30)의 동작은 상술한 예에 한하지않고 여러 가지 변형이 있을 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
바람직하게, 상기 IC 소자(80)는 경박단소화가 요구되는 휴대기기용 배터리에 탑재되는 보호회로 모듈(10)에 포함된다는 점을 감안하여 디지털 IC 보다는 아날로그 IC가 바람직하다. 이러한 경우, 상기 아날로그 IC는 배터리 셀(20)의 전압 센싱, PACK+ 단을 통하여 흐르는 충전전류 또는 방전전류의 센싱, 센싱된 전압과 전류의 모니터링 중 이상 상황이 발생된 경우 스위칭 소자부(30)를 제어하기 위한 제어 신호 출력을 포함하는 최소한의 동작 만을 위한 아날로그 제어 회로를 포함한다.
상기 PACK+ 단자(90), ID 단자(100), PACK- 단자(110)는 후술하는 휴대기기용 충전장치에 접속되는 단자이다. 여기서, PACK+ 단자(90)와 PACK- 단자(110)는 충전장치로부터 충전 전력이 인가되거나 배터리 셀(20)로부터 외부의 부하로 방전 전력을 출력하는 단자이다. 그리고 ID 단자(100)는 충전장치 측에서 배터리의 종류를 구분하기 위해 배터리 식별 저항(R2)의 저항값을 감지하는 단자이다. 상기 배터리 식별 저항(R2)의 저항값에 따라 충전장치는 다른 충전조건에서 충전을 진행할 수 있으며, 정품 배터리의 경우 감지되는 기준 저항값과 ID 단자(100)를 통해 감지되는 저항값을 서로 대비하여 충전장치에 장착된 배터리가 정품 배터리인지의 여부도 확인할 수 있다. 한편 배터리 식별 저항(R2)과 관련된 구성은 본 발명의 필수 구성요소는 아니므로 생략이 가능하다.
상기 충전 레벨 센싱 와이어(70)는 배터리 셀(20)의 양 단자 중 일 측과 접속된다. 도면에서는 BAT- 단자에 접속된 것으로 도시되어 있는데, BAT+ 단자에 접속될 수도 있다. 상기 PACK+ 단자(90)는 배터리 셀(20)의 BAT+ 단자에 접속되어 있으므로, ID 단자(100)와 PACK+ 단자(90) 사이의 전압 차를 센싱하면 배터리 셀(20)의 충전 레벨을 정확하게 측정할 수 있다. 상기 충전 레벨 센싱 와이어(70)는 종래의 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈에는 없는 구성으로서, 보호회로 모듈(10)의 회로 구성을 크게 변경하지 않고도 충전장치 측에서 프리 차지가 필요한 배터리 셀(20)의 전압 레벨을 정확하게 측정할 수 있도록 해 준다. 특히 보호회로 모듈(10)에 포함된 IC 소자(80)는 아날로그 IC이므로 전압 센싱 와이어(40)를 통해 센싱된 배터리 셀(20)의 충전 레벨을 충전장치 측으로 전송할 수 없다는 점, 그리고 PACK+ 단자(90)와 PACK- 단자(110) 사이의 전압에 의해 배터리 셀(20)의 충전 레벨을 추정할 수 있지만 그러기 위해서는 스위칭 소자부(30)의 양단 전압을 센싱할 수 있는 와이어를 별도로 설치하여 스위칭 소자부(30)를 통한 전압 강하분을 이용하여 PACK+ 단자(90)와 PACK- 단자(110) 사이에서 측정한 전압 값을 보정해 주어야 한다는 번거로움이 있다는 점을 감안할 때, 상기 충전 레벨 센싱 와이어(70)는 기존의 회로 구성을 크게 변경하지 않고도 손쉽게 배터리 셀(20)의 충전 레벨을 정확하게 측정할 수 있도록 해 주는 유용한 구성임을 알 수 있다. 또한 배터리 셀(20)이 과충전 또는 과방전되거나 센스 저항(R1)을 통해 과전류가 흐르는 경우 스위칭 소자부(30)가 동작되어 보호회로가 오픈되는데, 이러한 경우에도 충전 전압 레벨 센싱 와이어(70)와 PACK+ 단자(90)를 이용하면 배터리 셀(20)의 전압 레벨을 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 휴대기기용 배터리에 포함된 보호회로 모듈을 도시한 회로 구성도이다. 도 2에 도시된 보호회로 모듈(10)은 전반적인 회로 구성이 도 1에 도시된 바와 상당히 유사하다. 다만, 충전 레벨 센싱 와이어(70)가 ID 단자(100)에 접속되어 있지 않고, 신규로 마련한 Vcell 단자(120)에 접속되어 있는 것이 특징이다. 따라서 충전장치 측에서 Vcell 단자(120)와 PACK+ 단자(90) 간의 전압차를 센싱하면, 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 정확하게 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구성을 보인 블록 다이어그램이다. 제1실시예에 따른 배터리 충전장치는 도 1에 도시된 보호회로 모듈을 포함하는 휴대기기용 배터리의 충전에 사용된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 충전 장치(200)는 종래의 휴대기기용 배터리에 채용된 일반적인 회로 구성을 채용하되, 충전장치(200)에 장착되는 배터리 측의 ID 단자(100)를 이용하여 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 측정하여 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 프리 차지가 필요한 저 전압 상태에 있으면 프리 차지를 선행한 후 정전압/정전류 모드에서 본 충전을 진행하는 것을 특징으로 한다. 본 실시예에서는, 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 0 ~ 2.2V의 범위 내에 있을 때 저 전압 상태라고 가정하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 상기 배터리 충전 장치(200)는, 정류부(210), 변압부(220), 배터리 충전부(230), 게이징 IC(240) 및 마이크로컨트롤러(250)를 포함한다.
상기 정류부(210)는 상용 AC 전원(예: 220V, 60Hz)을 입력받아 직류로 변환하여 출력한다. 그리고 상기 변압부(220)는 정류부(210)로부터 출력된 직류 전류의 전압을 배터리 셀(20)의 충전에 적합하도록 4.3 V 정도로 강압하여 배터리 충전부(230) 측으로 인가한다. 그리고 상기 변압부(220)는 게이징 IC(240)와 마이크로컨트롤러(250)에 동작 전원을 인가한다.
상기 배터리 충전부(230)는 변압된 직류 전류를 입력받아 PACK+ 단자(90)와 PACK- 단자(110)를 통해 배터리 셀(20) 측으로 충전 전력을 공급한다. 상기 배터리 충전부(230)는 후술하는 마이크로컨트롤러(250)의 제어 신호를 입력받아 충전전류 및/또는 충전전압의 크기를 조절하며, 프리 차지 충전 모드와 본 충전 모드라는 2원화된 충전 모드에 따라 충전 전력을 공급한다.
본 충전 모드의 경우, 상기 배터리 충전부(230)는 정전류/정전압 모드에서 충전을 진행한다. 본 충전 모드라 함은 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태가 아닌 경우 진행되는 충전 방식으로서, 충전초기에는 정전류 모드에서 충전을 진행하다가 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 소정 치를 넘어서면 정전압 모드에서 충전을 진행한다. 이러한 정전류/정전압 모드에 의한 충전 기술은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 것이므로, 여기에서 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편 프리 차지 모드의 경우, 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 있을 때 진행되는 충전 방식으로서, 본 충전의 초기 단계에 배터리 셀(20) 측으로 공급되는 충전전류를 I0라 할 때 이 전류보다 작은 크기의 충전전류(I<<I0)를 배터리 셀(20)에 공급한다. 이 때 충전전류의 크기는 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 배터리 셀의 충전 전압 레벨에 비례하여 충전전류의 크기를 단계적으로 상향시킬 수 있다. 이러한 프리 차지가 진행되어 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나면, 본 충전 모드로 전환되어 충전이 진행된다. 한편 프리 차지 모드의 다른 예로, 충전전류(I<<I0)의 크기는 고정하고 배터리 셀(20)의 충전 전압이 점차 상승함에 따라 충전전압의 크기를 단계적으로 상향시킬 수도 있고, 배터리 셀(20)의 충전 전압이 상승함에 따라 충전전류와 충전전압의 크기를 단계적으로 상향시킬 수도 있음은 물론이다. 이러한 프리 차지가 진행되어 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나면, 본 충전 모드로 전환되어 충전이 진행된다. 위와 같이, 저 전압 상태에 있는 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어날 때까지 프리 차지 모드에서 충전을 진행하고 나서 본 충전 모드로 전환하여 충전을 진행하면 저 전압 상태에 있는 배터리 셀(20)에 과도한 충전전류가 인가되어 배터리 셀(20)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 게이징 IC(240)는 상기 ID 단자(100)와 PACK+ 단자(90) 사이의 전압을 센싱하여 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 검지하고 검지된 충전 전압 레벨을 마 이크로컨트롤러(250)로 입력한다. 아울러 ID 단자(100)를 통해 보호회로 모듈(10) 내에 포함된 배터리 식별 저항(R2)의 저항값을 센싱하여 센싱된 저항값을 마이크로컨트롤러(250)로 입력한다.
상기 마이크로컨트롤러(250)는 게이징 IC(240)로부터 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 입력되면 배터리 셀(20)의 충전 상태를 판단하여 배터리 셀(20)이 저 전압 상태에 있으면 배터리 충전부(230)를 제어하여 1차로 프리 차지 모드에서 충전을 선행한 후 2차로 본 충전을 진행한다. 한편 배터리 셀(20)의 충전 상태가 저 전압 상태가 아니면 배터리 충전부(230)를 제어하여 곧 바로 본 충전 모드에서 충전을 진행한다.
이러한 충전 모드 제어 이외에도 상기 마이크로컨트롤러(250)는 게이징 IC(240)로부터 배터리 보호회로 모듈 내에 포함된 배터리 식별 저항(R2)의 저항값을 입력받아 미리 저장된 레퍼런스 저항값과 대비하여 배터리의 종류를 판별하고, 판별된 배터리의 종류에 따라 충전전류와 충전전압의 크기를 다르게 조절할 수 있다. 예를 들어 3개의 레퍼런스 저항값에 따라 충전전압과 충전전류를 각각 5V/1A, 5.2V/800mA, 4.6V/800mA로 각각 정해둔 후, 센싱된 배터리 식별 저항(R2)의 저항값이 어느 레퍼런스 저항값에 해당되는지 판별하여 판별된 저항값에 해당하는 충전전압과 충전전류에 의해 충전이 진행될 수 있도록 배터리 충전부(230)를 제어한다. 한편 센싱된 배터리 식별 저항(R2)의 저항값이 레퍼런스로 저장하고 있는 어느 저항값에도 해당하지 않으면 충전장치에 장착된 배터리가 규격 배터리가 아닌 것으로 판단하여 충전을 진행하지 않을 수 있다. 한편 마이크로컨트롤러(250)가 배터리 식 별 저항(R2) 값을 입력 받아 수행하는 일련의 프로세스는 생략되어도 무방할 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 충전 장치(300)의 구성을 보인 블록 다이어그램이다. 제2실시예에 따른 배터리 충전장치(300)는 도 2에 도시된 보호회로 모듈을 포함하는 휴대기기용 배터리의 충전에 사용된다. 도 4에 도시된 배터리 충전장치는 게이징 IC(240)가 Vcell 단자(120)와 PACK+ 단자(90)를 통해 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 센싱한다는 점을 제외하면, 나머지 구성은 상술한 제1실시예에 따른 배터리 충전 장치(200)와 동일하다. 따라서 마이크로컨트롤러(250)는 게이징 IC(240)로부터 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 입력받아 전압 레벨이 저 전압 상태에 있는 경우는 프리 차지 모드를 거쳐 본 충전을 진행하고 전압 레벨이 저 전압 상태에 있지 않은 경우는 곧 바로 본 충전을 진행하여 배터리 충전을 진행한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대기기용 배터리 충전장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다. 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 충전 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, S10 단계에서, 마이크로컨트롤러(250)는 충전장치의 충전단자에 배터리가 접속되었는지 판별한다. 이러한 접속의 판별은 게이징 IC(240)로부터 배터리 식별 저항(R2)의 저항값이 센싱되는지의 여부에 의해 이루어지는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 다음, 마이크로컨트롤러(250)는 S20 단계에서 센싱된 배터 리 식별 저항값과 일치하는 레퍼런스 저항값이 있는지를 검사하여 충전단자에 접속된 배터리가 규격 배터리인지 검사한다. 이 때 배터리가 규격 배터리가 아닌 것으로 판명되면, 후속 제어 프로세스를 더 이상 진행하지 않는다. 따라서 배터리의 충전이 이루어지지 않는다. 이어서, 규격 배터리로 판정된 배터리에 대해서는, S30 단계에서 ID 단자(100) 또는 Vcell 단자(120)를 이용하여 게이지 IC(240)가 센싱한 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 입력받아 전압 레벨이 저 전압 상태에 있는지 판별한다. 만약 저 전압 상태에 있으면 프리 차지가 필요한 경우이고 저 전압 상태에 있지 않으면 프리 차지가 필요하지 않은 경우이다. S30 단계에서의 판단 결과, 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 있으면, S40 단계로 프로세스를 이행하여 프리 차지 모드에서 충전을 진행한다. 프리 차지 모드에 의한 충전 방식에 대해서는 이미 상술하였다. 프리 차지 모드에 의한 충전이 진행되는 동안 마이크로컨트롤러(250)는 게이징 IC(240)로부터 IC가 센싱한 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 입력받는다. 따라서 S50 단계에서 마이크로컨트롤러(250)는 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 저 저압 상태를 벗어났는지 검사하여 프리 차지가 종료되었는지 판별한다. 이 때 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나지 않았으면 S40 단계로 프로세스를 이행하여 프리 차지 모드에 의한 충전을 계속하고, 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어났으면 프로세스를 S60 단계로 이행하여 본 충전 모드에 의한 충전을 진행한다. 즉 정전류/정전압 모드에서 배터리 셀(20)의 충전을 진행한다. 본 충전 모드에 의해 충전이 진행되는 동안, 마이 크로컨트롤러(250)는 S70 단계에서 게이징 IC(240)로부터 입력되는 배터리 셀(20)의 충전 전압 레벨을 지속적으로 모니터링하여 충전 전압 레벨이 만충전 상태에 이르렀는지 검사한다. 이 때 만충전 상태에 이르렀다고 판단되면 충전 절차를 종료하고, 만 충전 상태에 이르지 않았다고 판단되면 프로세스를 S60 단계로 이행하여 본 충전 모드에 의한 배터리 셀(20)의 충전을 지속하게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 경박단소화가 요구되는 휴대기기용 배터리에서 보호회로 모듈의 설계 내용을 크게 변경하지 않고도 프리 차지 모드에 의한 충전을 용이하게 구현할 수 있다. 또한 프리 차지 모드에 의한 충전의 실질적 구현은 충전장치 측에서 구현하므로, 배터리 제조사의 입장에서는 프리 차지 기능을 도입하기 위해 보호회로 모듈을 대폭으로 변경해야 하는 번거로움이 없다. 나아가 배터리 셀이 저 전압 상태에 놓이게 되는 경우 보호회로 모듈의 보호 동작이 작동하여 배터리 보호회로가 오픈된다고 하더라도 ID 단자 또는 Vcell 단자를 통하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 지속적으로 모니터링하는 것이 가능하므로, 만충전 상태에서 0V까지 연속적 으로 배터리 전압 레벨을 확인함으로써 효과적인 충전 프로파일을 적용할 수 있다. 특히 저 전압 상태에 있는 배터리의 경우 본 충전 모드에 의해 갑작스럽게 큰 충전 전류가 인가될 경우 배터리 셀이 손상되는 문제가 발생될 수 있지만, 본 발명에 의해 프리 차지 모드에 의한 충전이 선행될 경우 배터리 충전 시 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 충방전이 가능한 2차 배터리 셀;
    배터리 전류의 흐름 경로 상에 배치된 센스 저항;
    배터리 전류의 흐름을 선택적으로 개폐하는 스위칭 소자부;
    상기 배터리 셀의 양단 전압과 상기 센스 저항을 통하여 흐르는 전류를 모니터링하여 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 되거나, 한계 이상의 전류가 흐르는 경우 상기 스위칭 소자부를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 IC 소자;
    상기 배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자;
    상기 스위칭 소자부를 통해 상기 배터리 셀의 타 단자와 연결된 제2단자; 및
    상기 배터리 셀의 어느 한 쪽 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자;를 포함하고, 상기 제3단자와 상기 제1단자를 통해 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 측정하는 배터리 충전장치와 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 레벨 센싱 라인과 상기 제3단자 사이에 직렬 연결된 배터리 식별 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리.
  3. 충방전이 가능한 2차 배터리 셀; 배터리 전류의 흐름 경로 상에 배치된 센스 저항; 배터리 전류의 흐름을 선택적으로 개폐하는 스위칭 소자부; 상기 배터리 셀의 양단 전압과 상기 센스 저항을 통하여 흐르는 전류를 모니터링하여 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 되거나, 한계 이상의 전류가 흐르는 경우 상기 스위칭 소자부를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 IC 소자; 상기 배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자; 상기 스위칭 소자부를 통해 상기 배터리 셀의 타 단자와 연결된 제2단자; 및 상기 배터리 셀의 어느 한 쪽 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자;를 포함하는 배터리에 접속하여, 상기 제3단자와 상기 제1단자를 통하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 0V부터 만충 전압까지 측정이 가능한 휴대기기용 배터리를 충전하는 장치에 있어서,
    상용 교류 전류를 인가받아 직류로 변환하는 정류부;
    정류부로부터 출력되는 직류 전류의 전압 레벨을 충전 전압 레벨로 강압하는 변압부;
    상기 제1단자 및 제2단자에 강압된 충전전압을 인가하여 배터리 셀에 충전전류를 인가하는 배터리 충전부;
    상기 제3단자와 제1단자 또는 제3단자와 제2단자 사이의 전압을 측정하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 센싱하는 게이징 IC; 및
    상기 게이징 IC에 의해 센싱된 충전 전압 레벨을 입력받아, 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 있으면 프리 차지 모드에 의한 충전이 미리 선행된 후 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전이 이루어지도록 상기 배터리 충전부를 제어하는 마이크로컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는, 상기 프리 차지 모드에 의한 충전 진행시 본 충전시 인가되는 초기 충전전류의 크기보다 작은 크기의 충전전류가 배터리 셀에 인가되도록 상기 배터리 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 프리 차지 모드에 의한 충전이 진행되어 게이징 IC로부터 입력되는 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 상승함에 따라, 충전전압의 크기는 고정하고 충전전류의 크기를 단계적으로 상향시키는 방식, 충전전류의 크기는 일정하게 고정하고 충전전압의 크기를 단계적으로 상향시키는 방식 또는 충전전류와 충전전압을 단계적으로 상향시키는 방식 중 어느 한 방식을 적용하여 배터리 제어부를 제어함으로써 프리 차지를 진행하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 게이징 IC로부터 입력되는 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나면 본 충전 모드로 이행하는 것을 특징으로 하는 휴 대기기용 배터리 충전장치.
  7. 제1항에 따른 휴대기기용 배터리를 충전하는 방법에 있어서,
    배터리 셀의 일 단자와 연결된 제1단자와 상기 배터리 셀의 타 단자와 직접적으로 연결된 충전 레벨 센싱 라인에 접속된 제3단자를 통하여 배터리 셀의 충전 전압 레벨을 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 충전 전압 레벨이 저 전압 상태에 속하는지 판단하는 단계; 및
    저 전압 상태에 속하면 프리 차지 모드에서 배터리 셀을 충전한 후 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전에 의해 배터리 셀을 충전하고, 저 전압 상태에 속하지 않으면 프리 차지 모드를 거치지 않고 정전류/정전압 모드에 의한 본 충전에 의해 곧 바로 배터리 셀을 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프리 차지 모드에 의한 충전 진행시 본 충전시 인가되는 초기 충전전류의 크기보다 작은 크기의 충전전류가 배터리 셀에 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프리 차지 모드에 의한 충전이 진행되어 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 상승함에 따라, 충전전압의 크기는 고정하고 충전전류의 크기를 단계적으로 상향시 키는 방식, 충전전류의 크기는 일정하게 고정하고 충전전압의 크기를 단계적으로 상향시키는 방식 또는 충전전류와 충전전압을 단계적으로 상향시키는 방식 중 어느 한 방식을 적용하여 프리 차지를 진행하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    프리 차지 모드에 의한 충전을 통해 배터리 셀의 충전 전압 레벨이 저 전압 상태를 벗어나면 본 충전 모드로 이행하는 것을 특징으로 하는 휴대기기용 배터리 충전 제어 방법.
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