KR101254863B1 - 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예는 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 급속 충전 시간을 단축하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 한 실시예는 적어도 하나의 배터리 셀, 상기 배터리 셀과 충전기 사이에 연결되어 상기 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 배터리 셀을 급속 충전하는 전류 증폭부, 상기 배터리 셀과 상기 충전기 사이에 연결되어 상기 충전기로부터의 전류를 펄스로 변환하여 상기 배터리 셀을 펄스 충전하는 펄스 충전부로 이루어진 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 방법을 제공한다.

Description

급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 충전 방법{BATTERY PACK HAVING BOOSTING CHARGE FUNCTION AND CHARGING METHOD THEREOF}
본 발명의 한 실시예는 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 충전 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 일단 한번 방전해 버리면 다시 쓸 수 없는 전지를 1차 전지라 하고, 방전되면 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있는 전지를 2차 전지라고 한다.
근래에, 피처폰(feature phone), 스마트폰(smart phone), PDA폰, 디지털 카메라 등과 같은 휴대기기의 보급의 확산됨에 따라 2차 전지의 수요가 급증하고 있다. 이러한 휴대기기에 사용되는 2차 전지는 안정성이 높고 두께가 얇아 휴대하기 편리한 특성이 요구되는 한편, 빠른 시간에 충전될 수 있으며 충전하는 동안에 충분히 만충전이 될 수 있어 짧은 시간의 충전으로 오래 유지될 수 있는 특성이 요구된다.
이러한 휴대기기에 사용되는 2차 전지의 충전방법으로 일반적으로 사용되는 방법은 정전류(constant current mode) - 정전압(constant voltage mode) 충전방법(이하 CC-CV 충전방법이라 함)이 있다. 이러한 CC-CV충전방법은, 2차 전지를 충전함에 있어서 일정한 정전류로 충전을 수행한 후, 만충전 전위에 가까운 전압에 이르렀을 때, 정전압으로 충전하는 방법이다.
현재, 이와 같은 CC-CV 충전방법에 비해서 보다 더 정확한 만충전이 가능하고 또한 더 빠른 충전속도로 충전이 가능한 다양한 충전 방법이 연구되고 있다.
더욱이, 소비전력이 큰 다양한 휴대기기의 보급이 급속도로 확산되면서 전지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 따라서 보다 안정적이면서, 빠른 시간에 만충전이 가능한 보다 개선된 충전 방법 및 충전 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 한 실시예는 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩은 기존의 휴대폰 충전기, 컴퓨터 USB 전원 또는 자동차의 시거잭 전원(이하 '충전기'로 칭함)에서 공급되는 충전 전류를 배터리 팩 스스로 증폭하여 충전한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면 적어도 하나의 배터리 셀, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 전류 증폭부를 포함하는 배터리 팩을 충전하는 방법에 있어서, 배터리 셀 전압을 제1전압과 비교하는 단계; 상기 배터리 셀 전압을 상기 제1전압보다 큰 제2전압과 비교하는 단계; 및 상기 배터리 셀 전압이 상기 제1전압과 상기 제2전압 사이에 있을 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 전류 증폭부가 상기 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 셀의 전압을 비교하는 단계는, 상기 제1전압이 3.0V 내지 4.2V이고, 상기 제2전압이 4.1V 내지 4.25V일 수 있다.
상기 전류의 증가는 110% 내지 130%로 상기 전류를 증가시켜 이루어질 수 있다.
상기 전류 증폭부의 제어 단계는 제어부로부터 상기 전류 증폭부로 제어 신호를 제공하여 이루어질 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 온도가 상기 기준 온도를 초과하면, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 충전을 정지할 수 있다.
상기 배터리 셀의 전압이 상기 제2전압보다 크면, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 펄스 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 펄스 충전하는 단계는 상기 충전기로부터의 전압을 펄스 타입 전압으로 변환하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 상기 펄스 타입 전압을 공급할 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압이 상기 제1전압보다 작으면, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 예비 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀; 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급하는 전류 증폭부를 포함한다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 상기 충전기로부터의 전압을 펄스 타입 전압으로 변환하도록 하는 펄스 충전부를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀을 예비 충전하기 위한 예비 충전부를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 센싱하기 위한 전압 감지부; 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 센싱하기 위한 온도 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압에 따라 상기 전류 증폭부에 제어 신호를 공급하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 증폭부는 110% 내지 130%로 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급되는 전류를 증폭하도록 할 수 있다.
상기 전류 증폭부는 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 제1전압일 때 동작하도록 하고, 상기 펄스 충전부는 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 제1전압보다 높은 제2전압일 때 동작하도록 할 수 있다. 상기 제1전압은 3.0V 내지 4.2V이고, 상기 제2전압은 4.1V 내지 4.25V일 수 있다.
상기 전류 증폭부는 제어 신호를 수신하기 위한 제어 전극, 접지 전원에 연결된 제1전극, 및 제2전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q21; 상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제어전극, 상기 충전기에 연결된 제1전극, 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q22; 및 상기 제1트랜지스터의 제어 전극 및 제2전극 사이에 연결된 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 전류 증폭부는 노이즈 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 증폭부는 상기 충전기에 연결된 제1전극, 제2전극, 및 제어 신호를 수신하는 제어 전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q31; 상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제1전극, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극, 및 제어 전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q32; 및 상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 입력 단자, 상기 제2트랜지스터의 제어 전극에 연결된 출력 단자로 이루어진 전압 레귤레이터를 포함할 수 있다.
상기 전류 증폭부는 상기 충전기에 연결된 제1전극, 제2전극, 및 제어 신호를 수신하기 위한 제어 전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q41; 상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제1전극, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극, 및 제어 전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q42; 및 상기 제2트랜지스터의 제어 전극에 연결된 입력 단자, 상기 제2트랜지스터의 제2전극에 연결된 출력 단자로 이루어진 전압 레귤레이터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 및 그 방법은 전류 증폭 - 펄스 충전 방식을 이용함으로써, 배터리 팩의 충전 시간이 상당히 단축된다. 일례로, 기존에는 충전 시간이 대략 3 ~ 4시간 걸렸으나, 본 발명의 한 실시예에 따르면 충전 시간이 대략 1.5시간 이내로 걸린다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 및 그 방법은 초기 충전시 소량의 전류를 배터리 셀에 공급하여 배터리 셀이 충전되도록 하고, 이어서 배터리 셀의 전압을 감지하며, 이어서 배터리 셀의 전압이 상승하면 이상이 없는 것으로 판단하여 전류 증폭 - 펄스 충전 방식으로 충전하고, 배터리 셀의 전압이 상승하지 않으면 배터리 셀이 내부 미세 쇼트나 만방전된 것으로 판단하여 충전이 정지되도록 함으로써, 배터리 팩의 안전성이 향상된다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩 및 그 방법은 배터리 팩의 충전중 배터리 셀의 온도를 감지하여, 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하면 충전을 정지하거나 충전 전류가 감소되도록 하여, 배터리 팩의 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 일례를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 다른례를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 다른례를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 예비 충전부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 펄스 충전부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 개략 순서도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 다른 개략 순서도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전중의 전류, 셀 전압, 용량 및 충전 시간 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩(100)은 적어도 하나의 배터리 셀(110), 상기 배터리 셀(110)과 충전기(190) 사이에 연결되어 상기 충전기(190)로부터의 전류를 증폭하여 상기 배터리 셀(110)을 급속 충전하는 전류 증폭부(120), 상기 배터리 셀(110)과 상기 충전기(190) 사이에 연결되어 상기 충전기(190)로부터의 전압을 낮추어 상기 배터리 셀(110)을 예비 충전하는 예비 충전부(130), 상기 배터리 셀(110)과 상기 충전기(190) 사이에 연결되어 상기 충전기(190)로부터의 전압을 펄스 형태로 변환하여 상기 배터리 셀(110)을 펄스 충전하는 펄스 충전부(140)를 포함한다.
이외에도 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 전압 감지부(150) 및 온도 감지부(160)를 포함할 수 있다. 더불어, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 상기 전압 감지부(150) 및 상기 온도 감지부(160)의 신호를 입력 신호로 하여 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 전류 증폭부(120), 상기 예비 충전부(130) 및 상기 펄스 충전부(140)를 제어하는 제어부(170)를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)를 포함하며, 상기 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)가 외부의 충전기(190) 또는 부하(미도시)에 연결된다.
상기 배터리 셀(110)은 셀 양극 단자(B+) 및 셀 음극 단자(B-)를 갖는 재충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 일례로, 상기 배터리 셀(110)은 리튬이온전지, 리튬폴리머전지, 리튬이온폴리머전지 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 배터리 셀(110)은 원통형 전지, 각형 전지, 파우치 전지 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 전류 증폭부(120)는 상기 팩 양극 단자(P+)와 셀 양극 단자(B+) 사이에 연결된다. 이러한 전류 증폭부(120)는 상기 제어부(170)의 제어 신호 Tb에 의해 동작하며, 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전류를 증폭하여 배터리 셀(110)에 공급한다. 여기서, 상기 제어부(170)는 기본적으로 상기 전압 감지부(150)로부터 감지한 배터리 셀(110)의 전압이 예를 들면 대략 3.0~4.2V 사이에 있다고 판단될 경우, 상기 전류 증폭부(120)를 동작시키기 위한 제어 신호 Tb를 상기 전류 증폭부(120)에 출력한다. 더불어, 상기 전류 증폭부(120)는 충전기(190)로부터 공급되는 전압은 증폭하지 않고, 전류만을 증폭하여 상기 배터리 셀(110)에 공급한다. 상기 전류 증폭부(120)는 예를 들면 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전류를 대략 110~130%, 바람직하게는 대략 125% 증폭하여 상기 배터리 셀(110)에 공급한다. 상기 전류 증폭률이 대략 110% 미만일 경우에는 배터리 셀(110)의 충전 시간이 기존에 비해 크게 단축되지 않는다. 여기서, 기존에는 배터리 셀(110)의 만충전 시간이 대략 3~4시간정도 걸렸다. 또한, 상기 전류 증폭률이 대략 130%를 초과하면 배터리 셀(110)이 열화될 수 있다. 즉, 배터리 셀(110)의 수명이 단축될 수 있다. 한편, 상기 전류 증폭부(120)와 배터리 셀(110) 사이에는 노이즈 필터(121)가 더 연결될 수 있다. 이러한 노이즈 필터(121)는 상기 전류 증폭부(120)로부터 발생된 각종 전기적 노이즈를 필터링하는 역할을 한다.
상기 예비 충전부(130)는 상기 팩 양극 단자(P+)와 셀 양극 단자(B+) 사이에 연결된다. 이러한 예비 충전부(130)는 상기 제어부(170)의 제어 신호 M1g에 의해 동작하며, 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전압을 낮추어 배터리 셀(110)에 공급한다. 여기서, 상기 제어부(170)는 기본적으로 상기 전압 감지부(150)로부터 감지된 배터리 셀(110)의 전압이 예를 들면, 대략 3.0V 미만이라고 판단될 경우, 상기 예비 충전부(130)를 동작시키기 위한 제어 신호 M1g를 상기 예비 충전부(130)에 출력한다. 상기 예비 충전부(130)는 예를 들면 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전압의 대략 10~40%의 전압을 상기 배터리 셀(110)에 공급한다. 예를 들어, 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전압이 대략 4.2V라면, 상기 예비 충전부(130)는 대략 4.2*(1/10)V 내지 4.2*(4/10)V의 전압을 상기 배터리 셀(110)에 공급한다. 상기 예비 충전 전압이 10% 미만일 경우에는 예비 충전 시간이 너무 오래 걸린다. 또한, 상기 예비 충전전압이 40%를 초과할 경우에는 배터리 셀(110)이 열화될 수 있다.
한편, 상기 제어부(170)는 예비 충전시 미리 정해진 시간이 경과하여도, 상기 배터리 셀(110)의 전압이 3.0V를 초과하지 않으면, 배터리 셀(110)이 내부 미세 쇼트나 만방전된 것으로 판단하여, 배터리 셀(110)의 충전을 정지시킨다.
상기 펄스 충전부(140)는 상기 팩 양극 단자(P+)와 셀 양극 단자(B+) 사이에 연결된다. 이러한 펄스 충전부(140)는 상기 제어부(170)의 제어 신호 M2g에 의해 동작하며, 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전압을 펄스 형태로 변환하여 상기 배터리 셀(110)에 공급한다. 여기서, 상기 제어부(170)는 기본적으로 상기 전압 감지부(150)로부터 감지된 배터리 셀(110)의 전압이 예를 들면, 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V를 초과한다고 판단될 경우, 상기 펄스 충전부(140)를 동작시키기 위한 제어 신호 M2g를 출력한다. 상기 전압이 4.1V 미만일 경우 배터리 셀(110)의 만충전 시간이 너무 오래 걸린다. 또한, 상기 전압이 4.25V를 초과할 경우에는 배터리 셀(110)이 열화될 수 있다. 여기서, 상기 전류 증폭부(120)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0~4.2V일 경우 동작하고, 상기 펄스 충전부(140)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 4.1~4.25V일 경우 동작함으로써, 배터리 셀(110)의 전압에 상호 중첩되는 범위가 존재하는 것처럼 보인다. 그러나, 실질적으로 배터리 팩의 제조시에는 상기 중첩되는 범위가 제거된다. 일례로, 상기 전류 증폭부(120)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0~4.1V일 경우 동작하고, 상기 펄스 충전부(140)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 4.1V를 초과할 경우 동작한다. 다른 예로, 상기 전류 증폭부(120)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0~4.2V일 경우 동작하고, 상기 펄스 충전부(140)는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 4.2V를 초과할 경우 동작한다. 이러한 배터리 셀(110)의 전압 범위는 배터리 팩의 용량이나 용도에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 여기서 그 전압 범위를 한정하는 것은 아니다.
상기 전압 감지부(150)는 상기 배터리 셀(110)에 병렬로 연결되어, 상기 배터리 셀(110)의 전압을 감지한다. 더불어, 이러한 전압 감지부(150)는 감지된 배터리 셀(110)의 아날로그 전압값을 디지털 전압값으로 변환하여 제어부(170)에 제공한다.
상기 온도 감지부(160)는 상기 배터리 셀(110)에 밀착되거나 또는 주변에 설치되어, 상기 배터리 셀(110)의 온도를 감지한다. 더불어, 이러한 온도 감지부(160)는 감지된 배터리 셀(110)의 아날로그 온도값을 디지털 온도값으로 변환하여 제어부(170)에 제공한다.
상기 제어부(170)는 상기 전압 감지부(150) 및 상기 온도 감지부(160)의 신호를 입력 신호로 하여 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 전류 증폭부(120), 상기 예비 충전부(130) 및 상기 펄스 충전부(140)에 각각 제어 신호를 출력한다. 예를 들면, 상기 제어부(170)는 상기 전압 감지부(150)로부터 감지한 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0~4.2V 이면, 제어 신호 Tb를 상기 전류 증폭부(120)에 출력함으로써, 상기 전류 증폭부(120)가 충전기(190)로부터의 전류를 증폭하여 상기 배터리 셀(110)에 공급하도록 한다. 또한, 상기 제어부(170)는 상기 전압 감지부(150)로부터 감지한 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0V 미만이면, 제어 신호 M1g를 상기 예비 충전부(130)에 출력함으로써, 상기 예비 충전부(130)가 충전기(190)로부터의 전압을 낮추어 상기 배터리 셀(110)에 공급하도록 한다. 또한, 상기 제어부(170)는 상기 전압 감지부(150)로부터 감지한 배터리 셀(110)의 전압이 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V를 초과하면, 제어 신호 M2g를 상기 펄스 충전부(140)에 출력함으로써, 상기 펄스 충전부(140)가 충전기(190)로부터의 전압을 펄스 형태로 변환하여 상기 배터리 셀(110)에 공급하도록 한다. 또한, 상기 제어부(170)는 상기 온도 감지부(160)로부터 감지한 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃를 초과하면, 배터리 셀의 충전을 정지한다. 즉, 상기 제어부(170)는 상기 전류 증폭부(120), 예비 충전부(130) 또는 펄스 충전부(140)의 동작을 정지시킴으로써, 배터리 셀(110)의 온도가 더 이상 증가하지 않도록 한다. 물론, 상기 제어부(170)는 배터리 셀(110)의 온도가 증가함에 따라 전류 증폭율을 낮추거나, 예비 충전 전압을 낮추거나, 또는 펄스폭을 작게 함으로써, 배터리 셀(110)의 온도 증가 현상을 억제할 수도 있다.
상기 충전기(190)는 팩 양극 단자(P+) 및 팩 음극 단자(P-)에 병렬로 연결되어, 상기 배터리 셀(110)에 충전 전압 및 전류를 공급한다. 상기 충전기(190)는 예를 들면 대략 4.2V, 600~800mA의 출력 전압 및 전류를 공급하는 휴대폰 충전기(190)(표준 충전기) 또는 대략 5V, 500mA의 출력 전압 및 전류를 갖는 컴퓨터 USB 전원일 수 있다. 여기서, 상기 휴대폰 충전기(190) 및 컴퓨터 USB 전원의 출력 전압 및 전류는 국제적으로 통일되어 있다. 더불어, 상기 충전기(190)는 12V, 500mA의 출력 전압 및 전류를 가지는 자동차의 시거잭 전원일 수도 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 일례를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전류 증폭부(120a)는 제1저항(R21), 제1트랜지스터(Q21), 제1캐패시터(C21), 제2저항(R22) 및 제2트랜지스터(Q22)를 포함한다.
상기 제1저항(R21)은 제1트랜지스터(Q21)와 제어부(170) 사이에 연결된다. 즉, 제1저항(R21)의 제1전극은 제어부(170)에 연결되고, 제1저항(R21)의 제2전극은 제1트랜지스터(Q21)에 연결된다. 따라서, 상기 제1저항(R21)을 통하여 제어부(170)의 제어 신호 Tb가 제1트랜지스터(Q21)에 인가된다.
상기 제1트랜지스터(Q21)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제1트랜지스터(Q21)의 제어 전극에 상기 제1저항(R21)의 제2전극이 연결된다. 상기 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극에 제1캐패시터(C21) 및 제2트랜지스터(Q22)가 연결된다. 상기 제1트랜지스터(Q21)의 제2전극에 제2저항(R22)이 연결된다. 여기서, 상기 제1트랜지스터(Q21)는 NPN 파워 트랜지스터일 수 있다.
상기 제1캐패시터(C21)는 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극과 제어 전극 사이에 연결된다. 즉, 상기 제1캐패시터(C21)의 제1전극이 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극에 연결되고, 상기 제1캐패시터(C21)의 제2전극이 제1트랜지스터(Q21)의 제어 전극에 연결된다.
상기 제2저항(R22)은 제1트랜지스터(Q21)의 제2전극과 접지 사이에 연결된다. 즉, 상기 제2저항(R22)의 제1전극이 상기 제1트랜지스터(Q21)의 제2전극에 연결되고, 상기 제2저항(R22)의 제2전극이 접지된다.
상기 제2트랜지스터(Q22)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제어 전극에 상기 제1캐패시터(C21)의 제1전극 및 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극이 연결된다. 또한, 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제1전극에 팩 양극 단자(P+)가 연결된다. 따라서, 충전기(190)로부터의 전류가 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제1전극에 공급된다. 또한, 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제2전극에 셀 양극 단자(B+)가 전기적으로 연결된다. 따라서, 배터리 셀(110)은 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제2전극을 통하여 증폭된 전류를 공급받는다. 여기서, 상기 제2트랜지스터(Q22)는 PNP 파워 트랜지스터일 수 있다.
한편, 노이즈 필터(121)는 실질적으로 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제2전극과 셀 양극 단자(B+) 사이에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 노이즈 필터(121)는 인덕터(L)일 수 있다.
이와 같이 하여, 전류 증폭부(120a)는 충전기(190)로부터의 전류를 부스트(boost)하여 배터리 셀(110)로 공급하는 대략 파워 트랜지스터 캐스케이드 쌍(cascaded pair of power transistors) 형태일 수 있다.
이러한 전류 증폭부(120a)의 동작을 설명한다.
먼저 제어부(170)가 대략 0.7V 이상의 제어 신호 Tb를 제1저항(R21)에 공급한다. 그러면, 제1저항(R21), 제1트랜지스터(Q21)의 제어 전극 및 제2전극, 그리고 제2저항(R22)을 통하여 전류 Ibe(current from base to emitter)가 흐른다.
상기 제1트랜지스터(Q21) 및 제2트랜지스터(Q22)는 파워 트랜지스터이므로, 게인(gain)이 대략 50배 정도된다. 즉, 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극으로부터 제2전극을 통하여 흐르는 전류 Ice는 상기 전류 Ibe의 50배 정도 일 수 있다.
여기서, 제1트랜지스터(Q21)의 제1전극 및 제2전극을 통하여 흐르는 전류 Ice는 제2트랜지스터(Q22)의 제어 전극으로부터 공급된 것이다. 또한, 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제어 전극을 통하여 흐르는 전류에 의해 상기 제2트랜지스터(Q22)의 제1전극 및 제2전극을 통하여 흐르는 전류 역시 대략 50배 정도 증폭된다.
이와 같이 하여 결국 팩 양극 단자(P+)를 통하여 공급되는 충전 전류가 제2트랜지스터(Q22)에 의해 증폭되어 셀 양극 단자(B+)에 공급된다. 일례로, 충전기(190)로부터 공급되는 대략 500mA의 전류는 대략 1A 내지 1.5A의 전류로 증폭되어 배터리 셀(110)에 공급될 수 있다. 이와 같이 하여, 전류 증폭부(120a)는 제1트랜지스터(Q21) 및 제2트랜지스터(Q22)의 게인이 적절히 조절되어, 상술한 바와 같이 충전기(190)로부터 공급되는 전류가 대략 110~130% 정도 증폭되어 상기 배터리 셀(110)에 공급될 수 있다.
더불어, 이와 같이 증폭된 전류에 있을 수 있는 전기적 노이즈는 상기 제2트랜지스터(Q22)와 셀 양극 단자(B+)에 직렬로 연결된 노이즈 필터(121)에 의해 필터링된다.
또한, 이러한 전류 증폭부(120a)는 상기 충전기(190)가 통상의 휴대폰 충전기 및 컴퓨터 USB 전원일 경우 적절하다. 즉, 상기 전류 증폭부(120a)에 의해 팩 양극 단자(P+)를 통하여 공급되는 전압과 셀 양극 단자(B+)에 공급되는 전압이 비슷하고, 전류는 증폭되기 때문이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 다른례를 도시한 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 전류 증폭부(120b)는 제1트랜지스터(Q31), 정전압 레귤레이터(VR), 제2트랜지스터(Q32) 및 다이오드(D31)를 포함한다.
상기 제1트랜지스터(Q31)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제1트랜지스터(Q31)의 제어 전극은 제어부(170)에 연결되며, 따라서 제어부(170)로부터 제어 신호 Tb를 공급받는다. 상기 제1트랜지스터(Q31)의 제1전극은 팩 양극 단자(P+)에 연결되고, 상기 제1트랜지스터(Q31)의 제2전극은 정전압 레귤레이터(VR) 및 제2트랜지스터(Q32)에 연결된다.
상기 정전압 레귤레이터(VR)는 입력 단자(I), 출력 단자(O) 및 그라운드 단자(G)를 포함한다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 입력 단자(I)는 제1트랜지스터(Q31)의 제2전극 및 제2트랜지스터(Q32)에 연결된다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 출력 단자(O)는 상기 제2트랜지스터(Q32)에 연결된다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 그라운드 단자(G)는 다이오드(D31)에 연결된다.
상기 제2트랜지스터(Q32)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제어 전극은 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 출력 단자(O)에 연결된다. 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제1전극은 상기 제1트랜지스터(Q31)의 제2전극 및 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 입력 단자(I)에 연결된다. 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제2전극은 셀 양극 단자(B+)에 연결된다.
상기 다이오드(D31)는 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 그라운드 단자(G)와 접지 사이에 연결된다. 즉, 상기 다이오드(D31)의 제1전극이 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 그라운드 단자(G)에 연결되고, 상기 다이오드(D31)의 제2전극이 상기 접지에 연결된다. 상기 다이오드(D31)는 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제어 전극과 제2전극 사이의 전압 저하 현상을 보상하는 역할을 한다.
한편, 노이즈 필터(121)는 실질적으로 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제2전극과 셀 양극 단자(B+) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 노이즈 필터(121)는 인덕터(L)일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 다른 전류 증폭부(120b)는 제어부(170)가 제어 신호 Tb를 제1트랜지스터(Q31)의 제어 전극에 공급하면, 제1트랜지스터(Q31)가 턴온됨으로써 동작한다. 이와 같이 제1트랜지스터(Q31)가 턴온되면, 팩 양극 단자(P+)로부터의 전원이 정전압 레귤레이터(VR)의 입력 단자(I) 및 제2트랜지스터(Q32)의 제1전극에 각각 공급된다.
주지된 바와 같이 정전압 레귤레이터(VR)는 그라운드 단자(G)와 출력 단자(O) 사이의 전압이 항상 일정한 특징을 갖는다. 따라서, 결국 상기 제2트랜지스터(Q32)의 제2전극을 통하여 셀 양극 단자(B+)에 공급되는 전류가 증폭된다. 즉, 팩 양극 단자(P+)로부터의 전류가 증폭되어 셀 양극 단자(B+)에 공급된다. 다르게 설명하면, 충전기(190)로부터의 전류가 증폭되어 배터리 셀(110)에 공급된다.
이러한 전류 증폭부(120b)는 상기 충전기(190)가 자동차용 시거잭 전원일 경우 적절하다. 즉, 상기 전류 증폭부(120b)는 팩 양극 단자(P+)를 통하여 공급되는 전압이 셀 양극 단자(B+)에 공급되는 전압보다 높기 때문이다. 다르게 설명하면, 통상적으로 정전압 레귤레이터(VR)는 입력 단자에 입력되는 전압이 출력 단자를 통하여 출력되는 전압보다 높아야 하기 때문이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 전류 증폭부 및 노이즈 필터의 다른례를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 전류 증폭부(120c)는 제1트랜지스터(Q41), 제2트랜지스터(Q42), 저항(R41) 및 정전압 레귤레이터(VR)를 포함한다.
상기 제1트랜지스터(Q41)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제1트랜지스터(Q41)의 제어 전극은 제어부(170)에 연결되며, 따라서 제어부(170)로부터 제어 신호 Tb를 공급받는다. 상기 제1트랜지스터(Q41)의 제1전극은 팩 양극 단자(P+)에 연결되고, 상기 제1트랜지스터(Q41)의 제2전극은 제2트랜지스터(Q42) 및 저항(R41)에 연결된다.
제2트랜지스터(Q42)는 제어 전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제어 전극은 저항(R41) 및 정전압 레귤레이터(VR)에 연결되고, 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제1전극은 상기 제1트랜지스터(Q41)의 제2전극 및 저항(R41)에 연결되며, 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제2전극은 정전압 레귤레이터(VR) 및 셀 양극 단자(B+)에 연결된다.
상기 저항(R41)은 제1트랜지스터(Q41), 제2트랜지스터(Q42) 및 정전압 레귤레이터(VR) 사이에 연결된다. 즉, 상기 저항(R41)의 제1전극은 상기 제1트랜지스터(Q41)의 제2전극 및 제2트랜지스터(Q42)의 제1전극에 연결되고, 상기 저항(R41)의 제2전극은 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제어 전극 및 정전압 레귤레이터(VR)의 입력 단자(I)에 연결된다.
상기 정전압 레귤레이터(VR)는 입력 단자(I), 출력 단자(O) 및 그라운드 단자(G)를 포함한다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 입력 단자(I)는 상기 저항(R41)의 제2전극 및 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제어 전극에 연결된다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 출력 단자(O)는 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제2전극 및 셀 양극 단자(B+)에 연결된다. 상기 정전압 레귤레이터(VR)의 그라운드 단자(G)는 접지된다.
노이즈 필터(121)는 실질적으로 상기 제2트랜지스터(Q42)의 제2전극과 셀 양극 단자(B+) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 노이즈 필터(121)는 인덕터(L)일 수 있다.
실질적으로, 도 3에 도시된 전류 증폭부(120b)는 NPN형의 제2트랜지스터(Q32)를 이용하기 때문에 정전압 레귤레이터(VR)의 출력 전압이 원래의 출력 전압보다 낮아진다. 그러나, 도 4에 도시된 전류 증폭부(120c)는 PNP형의 제2트랜지스터(Q42)(파워 트랜지스터)를 이용함으로써 정전압 레귤레이터(VR)의 원래 출력 전압을 유지할 수 있다.
여기서, 도 4에 도시된 전류 증폭부(120c)의 동작은 도 3에 도시된 것과 거의 같으므로 생략한다.
더불어, 이러한 전류 증폭부(120c) 역시 상기 충전기(190)가 자동차용 시거잭 전원일 경우 적절하다. 즉, 상기 전류 증폭부(120c)는 팩 양극 단자(P+)를 통하여 공급되는 전압이 셀 양극 단자(B+)에 공급되는 전압보다 높기 때문이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 예비 충전부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예비 충전부(130)는 저항(R1) 및 트랜지스터(M1)를 포함한다. 상기 저항(R1)의 제1전극이 팩 양극 단자(P+)에 연결되고, 상기 저항(R1)의 제2전극이 트랜지스터(M1)에 연결된다. 상기 트랜지스터(M1)는 제어전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제어전극은 제어부(170)로부터 제어 신호 M1g를 인가받는다. 상기 트랜지스터(M1)의 제1전극은 상기 저항(R1)의 제2전극에 연결된다. 상기 트랜지스터(M1)의 제2전극은 셀 양극 단자(B+)에 연결된다. 여기서, 상기 트랜지스터(M1)는 바디 다이오드를 갖는 P채널 MOSFET일 수 있다.
이와 같이 하여, 상기 예비 충전부(130)는 제어부(170)가 제어 신호 M1g를 상기 트랜지스터(M1)의 제어전극에 인가하면 동작한다. 이때, 상기 저항(R1)에 일정 전압이 인가되므로, 그만큼 팩 양극 단자(P+)로부터 공급되는 전압이 낮추어져 셀 양극 단자(B+)에 공급된다. 즉, 충전기(190)로부터 공급되는 전압이 낮추어져 배터리 셀(110)에 공급된다.
이와 같이 하여, 상기 예비 충전부(130)는 상기 충전기(190)로부터 공급되는 전압의 대략 10~40%의 전압을 상기 배터리 셀(110)에 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 중에서 펄스 충전부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 펄스 충전부(140)는 트랜지스터(M2)를 포함한다. 상기 트랜지스터(M2)는 제어전극, 제1전극 및 제2전극을 포함한다. 상기 제어전극은 제어부(170)로부터 제어 신호 M2g를 인가받는다. 상기 제1전극은 팩 양극 단자(P+)에 연결된다. 상기 제2전극은 셀 양극 단자(B+)에 연결된다. 여기서, 상기 트랜지스터(M2)는 바디다이오드를 갖는 P채널 MOSFET일 수 있다.
이와 같이 하여, 펄스 충전부(140)는 제어부(170)가 제어 신호 M2g를 상기 트랜지스터(M1)의 제어전극에 인가하면 동작한다. 여기서, 상기 제어 신호 M2g는 대략 3ms 내지 3s 간격으로 공급됨으로써, 팩 양극 단자(P+)로부터 공급되는 전압이 펄스 형태로 변환되어 셀 양극 단자(B+)에 공급된다. 즉, 충전기(190)로부터 공급되는 전압이 펄스 형태로 변환되어 배터리 셀(110)에 공급된다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 개략 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은 충전기에서 공급되는 전류를 증폭하여 충전하는 전류 증폭 충전 단계(S11) 및 충전기에서 공급되는 전압을 펄스 형태로 변환하여 충전하는 펄스 충전 단계(S12)를 포함한다. 여기서, 상기 충전기는 국제 표준인 휴대폰 충전기, 컴퓨터 USB 전원 또는 자동차의 시거잭 전원일 수 있다.
상기 전류 증폭 충전 단계(S11)는, 충전기에서 공급되는 전류를 대략 110~130%, 바람직하게는 125% 증폭하여 배터리 셀에 공급함으로써, 증폭된 전류에 의해 배터리 셀이 충전되도록 하여 이루어진다.
상기 펄스 충전 단계(S12)는, 상기 충전기에서 공급되는 직류 전압을 펄스 형태로 변환하여 배터리 셀에 공급함으로써, 펄스 형태의 전압으로 배터리 셀이 충전되도록 하여 이루어진다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 다른 개략 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은 배터리 셀 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S21), 배터리 셀 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S22), 충전기에서 공급되는 전류를 증폭하여 충전하는 단계(S23), 배터리 셀 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S24) 및 펄스 충전 단계(S25)를 포함한다.
상기 배터리 셀 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S21)는, 배터리 셀의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하여 이루어진다. 즉, 배터리 셀의 전압이 대략 3.0V를 초과하는지 판단하여 이루어진다.
상기 배터리 셀 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S22)는, 배터리 셀의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하여 이루어진다. 즉, 배터리 셀의 전압이 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V를 초과하는지 판단하여 이루어진다.
상기 충전기에서 공급되는 전류를 증폭하여 충전하는 단계(S23)는, 배터리 셀의 전압이 대략 3.0V ~ 4.2V의 범위에 있으면, 충전기에서 공급되는 전류를 증폭하여 배터리 셀을 충전함으로써 이루어진다.
상기 배터리 셀 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S24)는, 배터리 셀의 전압이 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V를 초과하는지 판단하여 이루어진다.
상기 펄스 충전 단계(S25)는, 배터리 셀의 전압이 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V를 초과하면, 상기 충전기에서 공급되는 직류 전압을 펄스 형태로 변환하여 배터리 셀을 충전함으로써 이루어진다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 도시한 순서도이다. 또한, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전중의 전류, 셀 전압, 용량 및 충전 시간 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 1, 도 9 및 도 10을 동시에 참조하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 설명한다. 여기서, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법의 제어 주체는 도 1에 도시된 제어부(170)임을 밝혀둔다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은 배터리 셀의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S31), 배터리 셀의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S32), 전류 증폭 충전 단계(S33), 배터리 셀의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S35) 및 펄스 충전 단계(S36)를 포함한다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계(S34)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은 예비 충전 단계(S37) 및 배터리 셀의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S38)를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법을 좀 더 구체적으로 설명한다.
상기 배터리 셀의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S31)는, 제어부(170)가 전압 감지부(150)를 이용하여 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하여 이루어진다. 여기서, 상기 제1전압은 대략 3.0V로 설정될 수 있으나, 이러한 수치로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압을 초과하면, 제어부(170)는 다음 단계(S32)를 수행한다. 또한, 상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압 이하이면 제어부(170)는 다음 단계(S37)를 수행한다. 상기 단계(S37)에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
상기 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S32)는, 제어부(170)가 전압 감지부(150)를 이용하여 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하여 이루어진다. 여기서, 상기 제2전압은 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V로 설정될 수 있으나, 이러한 수치로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하면, 제어부(170)는 다음 단계(S36)를 수행한다. 상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압 이하이면, 제어부(170)는 다음 단계(S33)를 수행한다. 단계(S36)에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
상기 전류 증폭 충전 단계(S33)는, 제어부(170)가 전류 증폭부(120)에 제어 신호 Tb를 공급함으로써, 전류 증폭부(120)가 동작하도록 하여 이루어진다. 상기 전류 증폭부(120)는 팩 양극 단자(P+)로부터 공급되는 전류를 대략 110~130%, 바람직하게는 125% 증가시켜 셀 양극 단자(B+)에 공급한다. 즉, 상기 전류 증폭부(120)는 충전기(190)로부터 공급되는 오리지널(original) 충전 전류를 대략 110~130%, 바람직하게는 125% 증가시켜 배터리 셀(110)에 공급한다. 여기서, 상기 전류 증폭율이 대략 110% 미만일 경우에는, 배터리 셀(110)의 충전 시간이 상대적으로 오래 걸린다. 또한, 상기 전류 증폭율이 대략 130%를 초과할 경우에는, 배터리 셀(110)의 열화가 빨리 진행되어, 배터리 셀(110)의 수명이 단축될 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 충전기(190)로부터 공급되는 전류가 대략 1A라고 가정하면, 상기 전류 증폭부(120)에 의해 전류가 대략 1.1~1.3A까지 증폭된다. 이와 같은 증폭 전류에 의한 충전 시간은 배터리 셀(110)의 용량마다 차이가 있기는 하지만, 통상의 휴대폰 등에 사용되는 배터리 셀(110)의 경우 대략 1시간 정도 소요되며, 이때 배터리 셀(110)은 실질적으로 대략 93~96% 정도의 용량까지 충전된다. 여기서, 종래와 같은 통상의 정전류 - 정전압 충전 방식은 대략 1시간 정도의 충전에 의해, 배터리 셀(110)이 대략 83~86% 정도의 용량까지 충전된다. 따라서, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 기존과 같은 시간 대비 대략 10% 정도의 용량이 더 충전된다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 전류 증폭부(120)에 의해 증폭된 전류는 시간이 경과함에 따라 서서히 감소한다. 이는 배터리 셀(110)의 전압이 증가하기 때문에 발생하는 현상이며, 전류 증폭부(120)의 회로를 좀 더 정밀하게 설계하여, 증폭된 전류가 시간 경과에 관계없이 항상 일정하게 출력되도록 할 수도 있다.
한편, 상기 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계(S34)는, 제어부(170)가 온도 감지부(160)를 이용하여 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃를 초과하는지 판단하여 이루어진다. 상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃를 초과하면, 제어부(170)는 배터리 셀(110)의 안전을 위하여 충전을 정지한다. 더불어, 상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃ 이하이면, 제어부(170)는 다음 단계(S35)를 수행한다.
더불어, 이러한 단계(S34)는 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법중 어느 단계에서 수행되어도 좋으며, 여기에 설명된 바와 같이 단계(S33)와 단계(S35) 사이에서 반드시 수행되어야 하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 한 실시예에서는 일단 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃를 초과하면, 어느 단계에서라도 제어부(170)가 전류 증폭부(120), 예비 충전부(130) 및 펄스 충전부(140)의 동작을 정지시켜 배터리 셀(110)의 안전성을 확보한다. 더불어, 좀 더 복잡한 알고리즘을 이용하여, 상기 배터리 셀(110)의 온도가 대략 55~60℃를 초과할 경우, 충전을 정지하지 않고 전류 증폭율을 낮추거나, 예비 충전 전압을 낮추거나, 또는 펄스 충전 폭을 좁혀, 배터리 셀(110)의 안전성을 확보할 수도 있다.
배터리 셀의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하는 단계(S35)는, 제어부(170)가 전압 감지부(150)를 이용하여 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하는지 판단하여 이루어진다. 여기서, 상기 제2전압은 대략 4.1~4.25V, 바람직하게는 4.2V로 설정될 수 있으나, 이러한 수치로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하면 제어부(170)는 단계(S36)를 수행하고, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압 이하이면 제어부(170)는 단계(S33)를 다시 수행한다. 즉, 제어부(170)는 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압에 도달할 때까지, 충전기(190)로부터의 전류를 증폭하여 배터리 셀(110)을 충전한다. 여기서, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압에 도달할때까지 대략 1시간 정도가 소요됨은 이미 설명한바 있다.
더불어, 상기 판단 결과, 배터리 셀(110)의 전압이 제2전압을 초과하면, 당연히 제어부(170)는 제어 신호 Tb의 출력을 정지함으로써, 전류 증폭부(120)의 동작이 정지되도록 한다.
상기 펄스 충전 단계(S36)는, 제어부(170)가 펄스 충전부(140)에 제어 신호 M2g를 공급함으로써, 펄스 충전부(140)가 동작하도록 하여 이루어진다. 펄스 충전부(140)는 상술한 바와 같이 팩 양극 단자(P+)로부터 공급되는 전압을 펄스 형태로 변환하여 셀 양극 단자(B+)로 공급한다. 즉, 상기 펄스 충전부(140)는 충전기(190)로부터 공급되는 직류 전압을 펄스 형태로 변환하여 배터리 셀(110)에 공급한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 펄스 충전부(140)는 충전기(190)로부터 공급되는 전압을 대략 3ms~3s 간격의 펄스 신호 형태로 변환하여 배터리 셀(110)에 공급한다. 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 펄스 충전부(140)는 충전기(190)로부터의 전압을 대략 3ms~3s동안 펄스 신호 형태로 변환하여 배터리 셀(110)에 공급하고, 이어서 충전기(190)로부터의 전압을 3ms~3s동안 배터리 셀(110)에 공급하지 않는다. 상기 펄스 충전부(140)는 이러한 동작을 대략 0.4~0.6시간동안 반복하고, 정지한다. 즉, 상기 시간 이후에 제어부(170)는 제어 신호 M2g의 출력을 정지함으로써, 상기 펄스 충전부(140)의 동작이 정지된다.
한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 방법은, 제어부(170)가 상기 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S31)에서, 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압 이하로 판단되면, 예비 충전 단계(S37)를 수행한다.
즉, 제어부(170)는 예비 충전부(130)에 제어 신호 M1g를 공급함으로써, 예비 충전부(130)가 동작하도록 한다. 예비 충전부(130)는 상술한 바와 같이 팩 양극 단자(P+)로부터 공급되는 전압의 대략 10~40%의 전압을 셀 양극 단자(B+)로 공급한다. 즉, 예비 충전부(130)는 충전기(190)로부터 공급되는 전압의 대략 10~40%의 전압을 배터리 셀(110)에 공급한다. 상기 예비 충전 전압이 10% 미만일 경우에는 예비 충전 시간이 너무 오래 걸린다. 또한, 상기 예비 충전전압이 40%를 초과할 경우에는 배터리 셀(110)이 열화될 수 있다.
더불어, 제어부(170)는 일정 시간동안 배터리 셀(110)을 예비 충전한 후, 전압 감지부(150)를 이용하여 배터리 셀(110)의 전압이 제1전압을 초과하는지 판단하는 단계(S38)를 수행한다. 상기 판단 결과, 상기 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0V를 초과하면, 상기 제어부(170)는 단계(S32)를 수행한다. 그러나, 상기 판단 결과, 상기 배터리 셀(110)의 전압이 여전히 3.0V 이하라면, 상기 제어부(170)는 배터리 셀(110)이 내부 미세 쇼트나 만방전된 것으로 판단하여, 배터리 셀(110)의 충전을 정지한다. 더불어, 제어부(170)는 상기 예비 충전 단계(S37)의 종료시 제어 신호 M1g의 출력을 정지함으로써, 예비 충전부(130)의 동작이 정지되도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명의 한 실시예에 따른 급속 충전 기능을 갖는 배터리 팩
110; 배터리 셀 120; 전류 증폭부
121; 노이즈 필터 130; 예비 충전부
140; 펄스 충전부 150; 전압 감지부
160; 온도 감지부 170; 제어부
P+; 팩 양극 단자 P-; 팩 음극 단자
B+; 셀 양극 단자 B-; 셀 음극 단자
190; 충전기

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  9. 적어도 하나의 배터리 셀; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급하는 전류 증폭부를 포함하고,
    상기 전류 증폭부는
    제어 신호를 수신하기 위한 제어 전극, 접지 전원에 연결된 제1전극, 및 제2전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q21;
    상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제어전극, 상기 충전기에 연결된 제1전극, 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q22; 및
    상기 제1트랜지스터의 제어 전극 및 제2전극 사이에 연결된 캐패시터를 포함함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 상기 충전기로부터의 전압을 펄스 타입 전압으로 변환하도록 하는 펄스 충전부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 예비 충전하기 위한 예비 충전부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 센싱하기 위한 전압 감지부; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 온도를 센싱하기 위한 온도 감지부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압에 따라 상기 전류 증폭부에 제어 신호를 공급하는 제어부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전류 증폭부는
    110% 내지 130%로 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급되는 전류를 증폭하도록 함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전류 증폭부는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀이 제1전압일 때 동작하도록 하고,
    상기 펄스 충전부는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 제1전압보다 높은 제2전압일 때 동작하도록 함을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1전압은 3.0V 내지 4.2V이고,
    상기 제2전압은 4.1V 내지 4.25V인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 삭제
  18. 제9항에 있어서,
    상기 전류 증폭부는 노이즈 필터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 적어도 하나의 배터리 셀; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급하는 전류 증폭부를 포함하고,
    상기 전류 증폭부는
    상기 충전기에 연결된 제1전극, 제2전극, 및 제어 신호를 수신하는 제어 전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q31;
    상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제1전극, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극, 및 제어 전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q32; 및
    상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 입력 단자, 상기 제2트랜지스터의 제어 전극에 연결된 출력 단자로 이루어진 전압 레귤레이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 적어도 하나의 배터리 셀; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되고, 충전기로부터의 전류를 증폭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 공급하는 전류 증폭부를 포함하고,
    상기 전류 증폭부는
    상기 충전기에 연결된 제1전극, 제2전극, 및 제어 신호를 수신하기 위한 제어 전극으로 이루어진 제1트랜지스터 Q41;
    상기 제1트랜지스터의 제2전극에 연결된 제1전극, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결된 제2전극, 및 제어 전극으로 이루어진 제2트랜지스터 Q42; 및
    상기 제2트랜지스터의 제어 전극에 연결된 입력 단자, 상기 제2트랜지스터의 제2전극에 연결된 출력 단자로 이루어진 전압 레귤레이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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