KR102351768B1

KR102351768B1 - 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법

Info

Publication number: KR102351768B1
Application number: KR1020200053945A
Authority: KR
Inventors: 유효열; 강재봉
Original assignee: (주)그린파워
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2022-01-17
Also published as: KR102351768B9; KR20210135820A

Abstract

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 복수의 배터리셀이 직렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 충전 스위치를 포함하는 충전 스위치부와, 복수의 배터리셀이 병렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 병렬 스위치를 포함하는 병렬 스위치부와, 충전 전원단과 기준 전위를 통하여 복수의 배터리셀에 충전 전류 및 충전 전압을 공급하는 충전 전원부를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 충전 스위치부는, 정전류 충전 모드에서 복수의 배터리셀이 직렬 연결되도록 제어되고, 병렬 스위치부는, 정전압 충전 모드에서 복수의 배터리셀이 병렬 연결되도록 제어될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은, 배터리셀 간의 충전 밸런싱을 고효율로 수행할 뿐 아니라 정전류 및 정전압 충전 동작을 간단하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법{Serial-Parallel convertible battery charging apparatus and method thereof}

본 발명은 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리셀이 직렬 연결된 상태에서 정전류 충전을 완료한 후에 병렬 연결로 전환하여 정전압 충전을 수행하도록 제어함으로써, 배터리셀 간의 충전 밸런싱을 고효율로 수행할 뿐 아니라 정전류 및 정전압 충전을 간단하게 제어할 수 있는 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 2차전지는 휴대용 전자기기부터 전기자동차, 에너지 저장장치, 등 다양하게 사용이 되고 있으며 최근 전기자동차의 폭발적인 성장으로 그 수요가 급증하고 있고 자원 고갈 및 화석연료로 인한 지구 환경 파괴 등의 문제를 극복하기 위해 향후에는 그 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. 배터리가 대용량화 되면서 단위 배터리 셀도 100A 이상의 대용량 배터리셀이 개발 보급 되고 있다.

2차전지의 제조 과정을 살펴보면, 2차전지의 제조 과정은 크게 전극생성 과정, 조립 과정 및 활성화(formation) 과정으로 구성된다. 전극 생성 과정은 2차전지의 양극과 음극을 생성하는 과정이고, 조립 과정은 전극과 분리막을 쌓은 후 말아서 알루미늄 시트로 포장하는 과정이고, 활성화 과정은 2차전지를 충방전함으로써 2차전지 내부의 화학물질을 활성화(formation)하여 2차전지를 실제로 사용 가능하게 만드는 과정이다. 이러한 과정들 중에서 활성화 과정은 시간이 가장 많이 소요되는 과정이다.

현재는 각 2차전지 배터리셀을 따로따로 충방전장치를 붙여서 활성화 하는 방법을 채택하고 있어서 2차전지의 생산성을 높이기 위해서 수많은 활성화 장비를 사용해야 하고 각 배터리셀마다 케이블이 따로 연결되어야 하기 때문에 많은 공간을 차지하는 문제점을 가지고 있다. 특히 100A 이상의 대용량 배터리셀 활성화를 위해서는 굵은 케이블이 연결되어야 하기 때문에 공간문제와 고원가 문제는 심각한 상황이다.

이런 문제점을 개선하기 위해서 다수의 배터리셀을 직렬로 연결한 상태에서 하나의 충방전장치로 충방전을 하는 방식들이 연구되고 있다. 이 경우에 많은 배터리셀을 직렬로 연결하여 한꺼번에 충방전을 수행함으로서 활성화 장비의 원가와, 케이블 하네스와 공간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 배터리셀들의 용량 편차로 인한 배터리셀 간의 충전 밸런싱이 어려운 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해서 종래에는 각 배터리셀에 저항과 스위치로 구성된 방전회로를 달아주어 배터리셀 간의 밸런싱을 수행하는 방법이 있는데 이것은 저항에 의한 전력손실과 열이 발생되는 단점이 있다. 또한, 각 배터리셀에 직렬로 연결된 충전 스위치와, 충전 스위치와 배터리셀 사이를 단락시키는 바이패스 스위치를 달아서 각 배터리셀의 충전 시간과 바이패스 시간을 조절함으로서 배터리셀을 밸런싱하는 방법도 제시되었지만 정전압 충전 모드에서 제어가 어려운 문제가 있어서 아직 실용화되지 못하고 있다.

따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리셀이 직렬 연결된 상태에서 정전류 충전을 완료한 후에 병렬 연결로 전환하여 정전압 충전을 수행하도록 제어함으로써, 배터리셀 간의 충전 밸런싱을 고효율로 수행할 뿐 아니라 정전류 및 정전압 충전을 간단하게 제어할 수 있는 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 제1 및 제2 전극 단자를 구비하는 복수의 배터리셀이 착탈 가능하게 결합되는 착탈부; 상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 충전 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리셀이 직렬 연결되도록 상기 복수의 충전 스위치의 스위칭이 제어되는 충전 스위치부; 복수의 병렬 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 병렬 스위치의 스위칭이 제어되는 병렬 스위치부; 및 충전 전원단과 기준 전위를 통하여 상기 복수의 배터리셀에 충전 전류 및 충전 전압을 공급하는 충전 전원부; 상기 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 각각이 상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 배터리셀의 셀전압에 따라 상기 충전 전류가 대응되는 배터리셀을 우회하도록 복수의 바이패스 스위치의 스위칭이 제어되는 바이패스 스위치부를 포함하고, 정전류 충전 모드에서 상기 충전 스위치부는, 상기 배터리셀이 직렬 연결되도록 제어되고, 정전압 충전 모드에서 상기 병렬 스위치부는, 상기 배터리셀이 병렬 연결되도록 제어되고, 상기 정전류 충전 모드에서 상기 복수의 충전 스위치는 상기 복수의 배터리셀이 직렬 연결되어 상기 충전 전류에 충전되도록 스위칭이 제어되되, 상기 전압 센싱부에서 센싱된 셀전압이 기설정된 목표 전압에 도달하면, 상기 충전 전류가 해당 배터리셀을 우회하도록 해당 배터리셀에 대응되는 상기 충전 스위치 및 상기 바이패스 스위치의 스위칭이 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 각각이 상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 전원 스위치를 포함하고, 상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 배터리셀에 상기 충전 전류 및 충전 전압을 병렬적으로 공급하도록 상기 복수의 전원 스위치의 스위칭이 제어되는 전원 스위치부를 더 포함할 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 복수의 충전 스위치 각각은, 제1 단자; 및 대응되는 배터리셀의 상기 제1 전극 단자에 연결되는 제2 단자를 포함하고, 상기 복수의 바이패스 스위치 각각은, 상기 충전 스위치의 제1 단자 및 상기 배터리셀의 제2 전극 단자 사이에 병렬 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 복수의 병렬 스위치 각각은, 상기 직렬 연결된 배터리셀의 제2 전극 단자 중에서 상기 충전 스위치를 통하여 다른 배터리셀의 제1 전극 단자에 전기적으로 연결되는 제2 전극 단자에 연결되는 제1 단자; 및 서로 공통 연결되어 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 연결되는 제2 단자를 포함하고, 상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 병렬 스위치는 상기 복수의 배터리셀의 제2 전극 단자가 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 전기적으로 공통 연결되도록 스위칭이 제어될 수 있다. 직렬로 연결된 모든 배터리셀이 충전전압에 도달하면 각 배터리의 제1 단자와 제2 단자를 모두 각각 연결하여 모든 배터리를 병렬 연결하도록 병렬연결 스위치를 제어한다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 복수의 전원 스위치 각각은, 서로 공통 연결되어 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 연결되는 제1 단자; 및 상기 직렬 연결된 배터리셀의 제1 전극 단자와 충전 스위치의 제2 단자 사이에 연결되는 제2 단자를 포함하고, 상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 전원 스위치는 상기 복수의 배터리셀의 제1 전극 단자가 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 전기적으로 공통 연결되도록 스위칭이 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 전원 스위치는, 턴온 시에 소정 방향의 전류에 대해서 도통되는 단방향 스위치이고, 상기 정전압 충전 모드에서 셀전압이 낮은 배터리셀에 대응되는 전원 스위치부터 먼저 도통될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 충전 스위치는, 소정 방향의 전류에 대해서 도통되거나, 상기 소정 방향의 전류에 대해서 도통하도록 스위칭이 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 충전 스위치는, 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 충전 스위치는, 직렬 연결되는 2개의 트랜지스터가 백투백(back-to-back)으로 연결되는 구조일 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 배터리셀의 제1 전극 단자의 전위가 제2 전극 단자의 전위보다 높고, 상기 복수의 병렬 스위치의 제2 단자는 상기 기준 전위에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전원 스위치의 제1 단자는 상기 충전 전원단에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 배터리셀의 제2 전극 단자의 전위가 제1 전극 단자의 전위보다 높고, 상기 복수의 병렬 스위치의 제2 단자는 상기 충전 전원단에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전원 스위치의 제1 단자는 상기 기준 전위에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치는, 상기 충전 전원부는, 상기 정전류 충전 모드에서 전류원으로 동작하고, 상기 정전압 충전 모드에서 전압원으로 동작할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전방법은, 복수의 배터리셀을 직렬 연결하는 단계; 상기 직렬 연결된 배터리셀로 정전류의 충전 전류를 제공하는 정전류 충전 단계; 상기 복수의 배터리셀의 셀전압이 기설정된 목표 전압으로 모두 충전되면 상기 복수의 배터리셀 각각을 병렬 연결로 전환하는 단계; 및 상기 복수의 배터리셀로 정전압의 충전 전압을 제공하는 정전압 충전 단계를 포함하고, 상기 정전류 충전 단계는, 상기 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 센싱하는 단계; 및 상기 셀전압이 상기 기설정된 목표 전압으로 충전된 것으로 판단되면, 상기 충전 전류가 해당 배터리셀을 우회하도록 바이패스시키는 단계를 포함하고, 상기 정전압 충전 단계는 상기 복수의 배터리셀 각각을 병렬 연결로 전환하는 단계 이 후에 수행되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전방법은, 상기 정전압 충전 단계는, 상기 병렬 연결된 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 비교하는 단계; 및 상기 비교된 셀전압에 따라 낮은 셀전압의 배터리셀에 상기 충전 전류를 우선적으로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법은, 배터리셀이 직렬 연결된 상태에서 정전류 충전을 완료한 후에 병렬 연결로 전환하여 정전압 충전을 수행하도록 제어함으로써, 배터리셀 간의 충전 밸런싱을 고효율로 수행할 뿐 아니라 정전류 및 정전압 충전을 간단하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치의 예시적인 회로를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 전원 스위치의 예시적인 구현예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 전원 스위치에 적용된 다이오드의 등가적인 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 충전 스위치의 예시적인 구현예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치가 정전류 충전 모드로 배터리셀을 충전할 때 충전 전류의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.
도 7은 정전류 충전 모드에서 바이패스되는 충전 전류의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치가 정전압 충전 모드로 배터리셀을 충전할 때 충전 전류의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.
도 9는 배터리셀이 충전되는 동안 충전 전압과 충전 전류의 변화를 도시한 동작 파형이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.

도 1은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)는, 제1 및 제2 전극 단자를 구비하는 복수의 배터리셀(800)이 착탈 가능하게 결합되는 착탈부(700)와, 복수의 배터리셀(800)이 직렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 충전 스위치를 포함하는 충전 스위치부(200)와, 복수의 배터리셀(800)이 병렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 병렬 스위치를 포함하는 병렬 스위치부(500)와, 충전 전원단(910)과 기준 전위(920)를 통하여 복수의 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 공급하는 충전 전원부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 충전 스위치부(200)는, 정전류 충전 모드에서 복수의 배터리셀(800)이 직렬 연결되도록 제어되고, 병렬 스위치부(500)는, 정전압 충전 모드에서 복수의 배터리셀(800)이 병렬 연결되도록 제어될 수 있다.

또한, 도 1에 따르면, 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)는, 정전압 충전 모드에서 복수의 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 병렬적으로 공급하도록 스위칭이 제어되는 복수의 전원 스위치를 포함하는 전원 스위치부(300)와, 복수의 배터리셀(800) 각각의 셀전압을 센싱하는 전압 센싱부(600)와, 배터리셀(800)의 셀전압에 따라 충전 전류(Ich)가 배터리셀(800)을 우회하도록 스위칭이 제어되는 복수의 바이패스 스위치를 포함하는 바이패스 스위치부(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

착탈부(700)는, 충전을 위하여 배터리셀(800)을 충전장치에 장착시키는 구성요소로서, 충전이 완료되거나 충전을 요하는 배터리셀(800)을 수시로 교체할 수 있도록 착탈이 가능한 구조인 것을 특징으로 한다. 여기에서 배터리셀(800)은 소용량의 단위 배터리셀일 수도 있으나 복수의 단위 배터리셀이 결합된 대용량의 배터리 모듈일 수 있으며 이하에서는 이를 배터리셀(800)로 통칭하기로 한다.

충전 전원부(100)는, 배터리셀(800)을 충전하기 위하여 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 공급하는 구성요소로서, 충전이 시작되는 초기에는 정전압 충전 모드로 동작하여 배터리셀(800)에 정전류를 공급하고, 각각의 배터리셀(800)이 목표 전압까지 충전되면 만충전 전압값을 제공하여 배터리셀(800)의 셀전압이 만충전 전압으로 유지될 수 있도록 한다. 따라서, 충전 전원부(100)는 정전류 충전 모드 시에는 전류원으로, 정전압 충전 모드에서는 전압원으로 동작할 수 있다.

여기에서 목표 전압은 배터리셀(800)을 충전시키고자 하는 최종 전압값으로서 만충전 전압과 혼용되어 사용될 수 있으며 정전압 충전 모드에서 충전 전원부(100)가 제공하는 정전압 V_CV(Constant Voltage)와 동일한 전압으로 볼 수 있다. 또한, 정전류 충전 모드에서 충전 전원부(100)가 제공하는 정전류는 I_CC(Constant current)로 표기된다.

충전 스위치부(200)는, 복수의 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich)를 공급 또는 차단할 수 있도록 배터리셀(800) 각각에 직렬 연결되는 복수의 충전 스위치를 포함하여 구성된다. 충전을 개시하면, 충전 스위치는 턴온되어 복수의 배터리셀(800)은 서로 직렬 연결된다. 이러한 구성으로 인하여 충전 전원부(100)에서 공급되는 충전 전류(Ich)는 직렬 연결된 배터리셀(800)에 모두 공급되며 정전류 충전 모드로 충전이 개시된다. 또한, 정전류 충전 모드 중에 배터리셀(800)의 셀전압이 소정의 목표 전압에 도달하면 해당 배터리셀(800)에 대응되는 충전 스위치는 충전 전류(Ich)를 차단하여 해당 배터리셀(800)이 과충전되는 것을 방지하도록 제어될 수 있다.

전압 센싱부(600)는, 복수의 배터리셀(800)을 구성하는 배터리셀(800) 각각의 셀전압을 센싱하는 구성요소로서, 전압을 센싱하여 전압 정보를 얻는 수단은 공지된 구조로 다양하게 구성될 수 있다. 이 구성요소를 통하여 본 발명의 배터리 충전장치는 셀전압 정보를 획득할 수 있고 그 정보를 이용하여 배터리셀(800) 각각이 목표 전압으로 균일하게 충전되도록 제어할 수 있다.

바이패스 스위치부(400)는, 정전류 충전 모드 중에 전압 센싱부(600)를 통하여 배터리셀(800)의 셀전압이 소정의 목표 전압에 도달한 것으로 감지되어 해당 배터리셀에 대응되는 충전 스위치가 충전 전류(Ich)를 차단하면, 충전 전류(Ich)가 해당 배터리셀을 우회하도록 제어되는 구성요소이다. 이로 인하여 목표 전압으로 충전된 배터리셀은 충전이 중단되어 과충전되는 것이 방지되고 나머지 배터리셀들은 정전류 충전을 계속 할 수 있다.

병렬 스위치부(500)는, 직렬 충전 과정을 통하여 모든 배터리셀(800)이 목표 전압까지 충전되면, 배터리셀들의 직렬 상태를 해제하고 병렬 연결로 전환시키도록 복수의 병렬 스위치를 포함하여 구성된다. 직렬 충전이 완료된 복수의 배터리셀(800)이 충전 전원단(910) 및 기준 전위(920) 사이에 병렬로 연결되기 위하여, 병렬 스위치부(500)는 배터리셀(800)의 제1 전극 단자 또는 제2 전극 단자가 충전 전원단(910) 또는 기준 전위(920)에 공통 연결되도록 구성될 수 있다.

전원 스위치부(300)는, 직렬 충전 과정을 통하여 모든 배터리셀(800)이 목표 전압까지 충전되면, 모든 배터리셀(800)의 직렬 상태를 해제하고 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 병렬적으로 공급하도록 구성된 복수의 전원 스위치를 포함하여 구성된다. 직렬 충전이 완료된 복수의 배터리셀(800)은 상술한 바와 같이 병렬 스위치부(500)에 의하여 배터리셀(800)의 제1 전극 단자 또는 제2 전극 단자 중 어느 하나의 전극 단자가 충전 전원단(910) 또는 기준 전위(920) 중 어느 하나에 공통 연결되고, 전원 스위치부(300)는 배터리셀(800)의 나머지 전극 단자가 충전 전원단(910) 또는 기준 전위(920) 중 나머지 단자에 공통 연결되도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 정전류 충전이 완료된 후 정전압 충전 또는 병렬 충전 모드에서 모든 배터리셀(800)은 병렬 스위치부(500)와 전원 스위치부(300)에 의하여 병렬 연결로 전환된다.

이하에서는, 구체적인 회로 구성으로 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)의 구성 및 동작 원리를 설명한다. 아래에서 제시된 회로 및 관련 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위는 기술적인 특징을 구현하기 위하여 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)의 예시적인 회로를 도시한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)는, 복수의 배터리셀이 직렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 충전 스위치를 포함하는 충전 스위치부(200)와, 배터리셀의 셀전압에 따라 충전 전류(Ich)가 배터리셀을 우회하도록 스위칭이 제어되는 복수의 바이패스 스위치를 포함하는 바이패스 스위치부(400)와, 복수의 배터리셀이 병렬 연결되도록 스위칭이 제어되는 복수의 병렬 스위치를 포함하는 병렬 스위치부(500)와, 정전압 충전 모드에서 복수의 배터리셀에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 병렬적으로 공급하도록 스위칭이 제어되는 복수의 전원 스위치를 포함하는 전원 스위치부(300)와, 충전 전원단(910)과 기준 전위(920)를 통하여 복수의 배터리셀에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 공급하는 충전 전원부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2에서는 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)가 충전하는 배터리셀의 개수가 3개인 경우로 도시되어 있으나, 본 발명의 배터리 충전장치가 충전할 수 있는 배터리셀의 개수는 한정되는 것이 아니다. 다만, 설명의 편의를 위하여 이하에서는 배터리셀이 3개인 경우를 예시하여 본 발명의 구조 및 작동을 설명하기로 한다.

도 2에 따르면, 충전 스위치부(200)의 제1 내지 제3 충전 스위치(C1~C3) 각각은 배터리셀들(BC1~BC3)의 제1 전극 단자에 직렬로 연결될 수 있다. 좀더 구체적으로, 복수의 충전 스위치들(C1~C3)은, 제1 단자와, 충전 스위치들(C1~C3) 각각이 대응되는 배터리셀들(BC1~BC3)의 제1 전극 단자에 연결되는 제2 단자를 포함할 수 있다. 도면에서는 충전 스위치들(C1~C3)의 일단이 연결되는 배터리셀들(BC1~BC3)의 제1 전극 단자가 양극 단자인 경우를 예시하고 있으나, 제1 전극 단자가 배터리셀들(BC1~BC3)의 음극 단자인 경우도 가능하다. 다시 말하면, 본 발명의 충전 스위치들(C1~C3)은 대응되는 배터리셀들(BC1~BC3) 각각에 충전 전류(Ich)을 공급하거나 차단하도록 제어될 수 있다면 그 결합방법은 어느 하나로 한정되지 않는다.

바이패스 스위치부(400)의 바이패스 스위치들(B1~B3) 각각은, 직렬 연결되는 충전 스위치와 배터리셀 사이, 즉 충전 스위치들(C1~C3)의 제1 단자 및 배터리셀들(BC1~BC3)의 제2 전극 단자 사이에 각각 병렬 연결되어 구성될 수 있다.

정전류 충전 모드에서 복수의 충전 스위치들(C1~C3)은 복수의 배터리셀들(BC1~BC3)이 직렬 연결되도록 턴온되어 충전 전류(Ich)가 배터리셀들(BC1~BC3)에 공급된다. 정전류 충전이 진행되는 동안 전압 센싱부(미도시)에서는 배터리셀들(BC1~BC3)의 셀전압(V1~V3)을 센싱하여 해당 셀의 전압 정보를 획득할 수 있다. 센싱된 셀전압(V1~V3)이 기설정된 목표 전압에 도달하면, 바이패스 스위치들(B1~B3)은 충전 전류(Ich)가 해당 배터리셀을 우회하도록 스위칭이 제어될 수 있다. 이러한 동작으로 인하여 배터리셀들(BC1~BC3) 중에서 목표 전압으로 충전된 배터리셀은 충전이 중단되어 과충전되는 것이 방지되고 나머지 배터리셀들(BC1~BC3)은 목표 전압에 도달할 때까지 정전류 충전을 계속 할 수 있다.

병렬 스위치부(500)의 제1 및 제2 병렬 스위치(P1, P2) 각각은, 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 제1 단자는 직렬 연결된 배터리셀들(BC1~BC3)의 제2 전극 단자 중에서 충전 스위치를 통하여 다른 배터리셀의 제1 전극 단자에 전기적으로 연결되는 제2 전극 단자에 연결될 수 있다. 또한, 병렬 스위치들(P1, P2)의 제2 단자는 서로 공통 연결되어 충전 전원단(910) 또는 기준 전위(920)에 연결될 수 있다. 도 2에서는 병렬 스위치들(P1, P2)의 제2 단자가 기준 전위(920)에 공통 연결된 구성이 예시적으로 도시되어 있으나, 그 연결 지점이 기준 전위(920)에 한정되는 것은 아니며 충전 전원단(910) 측으로 설정하는 것도 가능하다.

직렬 연결된 배터리셀 중에서 제3 배터리셀(BC3)은 제2 전극 단자가 이미 기준 전위(920)에 접속된 구성이므로 병렬 구성 시에 제3 배터리셀(BC3)의 제2 전극 단자를 기준 전위(920)에 접속하기 위한 병렬 스위치는 생략할 수 있다. 따라서 도 2처럼 3개의 배터리셀을 예를 드는 경우에는 병렬 스위치부(500)의 병렬 스위치는 2개로 구성될 수 있다. 또한, 도 2의 구성에서 제2 병렬 스위치(P2)는 제3 바이패스 스위치(B3)와 병렬 결합된 구성이므로 제2 병렬 스위치(P2)와 제3 바이패스 스위치(B3)는 하나의 스위치로 구성하여 병렬 스위치 기능과 바이패스 스위치 기능을 모두 수행하도록 스위칭을 제어하는 것도 가능하다.

도 2에서는 병렬 스위치들(P1, P2)의 제1 단자가 연결되는 배터리셀들(BC1~BC3)의 제2 전극 단자가 음극 단자인 경우를 예시하고 있으나, 제2 전극 단자가 배터리셀들(BC1~BC3)의 양극 단자인 경우도 가능하다. 다시 말하면, 도 2의 경우와 같이 배터리셀의 제1 전극 단자의 전위가 제2 전극 단자의 전위보다 높다면, 복수의 병렬 스위치들(P1, P2)의 제2 단자는 기준 전위(920)에 전기적으로 연결되고, 도 2와 달리 배터리셀의 제2 전극 단자의 전위가 제1 전극 단자의 전위보다 높다면, 복수의 병렬 스위치들(P1, P2)의 제2 단자는 충전 전원단(910)에 전기적으로 연결되는 형태로 구성할 수도 있다. 결국, 본 발명의 병렬 스위치들(P1, P2)은 정전압 충전 모드에서 배터리셀들(BC1~BC3)을 충전 전원부(100)에 대하여 병렬 구조로 연결할 수 있다면 그 결합방법은 어느 하나로 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형이 가능하다.

도 2에 따르면, 전원 스위치부(300)의 제1 내지 제3 전원 스위치(S1~S3) 각각은, 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 제1 단자는 서로 공통 연결되어 충전 전원단(910) 또는 기준 전위(920)에 연결될 수 있다. 또한, 전원 스위치들(S1~S3)의 제2 단자는 직렬 연결된 배터리셀의 제1 전극 단자와 충전 스위치의 제2 단자 사이에 연결될 수 있다. 도 2에서는 전원 스위치들(S1~S3)의 제1 단자가 충전 전원단(910)에 공통 연결된 구성이 예시적으로 도시되어 있으나, 그 연결 지점이 충전 전원단(910)으로 한정되는 것은 아니며 기준 전위(920) 측으로 설정하는 것도 가능하다.

도 2에서는 전원 스위치들(S1~S3)의 제2 단자가 연결되는 배터리셀들(BC1~BC3)의 제1 전극 단자가 양극 단자인 경우를 예시하고 있으나, 제1 전극 단자가 배터리셀들(BC1~BC3)의 음극 단자인 경우도 가능하다. 다시 말하면, 도 2의 경우와 같이 배터리셀의 제1 전극 단자의 전위가 제2 전극 단자의 전위보다 높다면, 복수의 전원 스위치들(S1~S3)의 제1 단자는 충전 전원단(910)에 전기적으로 공통 연결되고, 도 2와 달리 배터리셀의 제2 전극 단자의 전위가 제1 전극 단자의 전위보다 높다면, 복수의 전원 스위치들(S1~S3)의 제1 단자는 기준 전위(920)에 전기적으로 공통 연결되는 형태로 구성할 수도 있다. 결국, 본 발명의 전원 스위치들(S1~S3)은 정전압 충전 모드에서 배터리셀들(BC1~BC3)에 병렬적으로 충전 전류(Ich) 또는 충전 전압(Vch)을 제공할 수 있다면 그 결합방법은 어느 하나로 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형하는 것이 가능하다.

또한, 도 2의 구성에서 제1 전원 스위치(S1)는 제1 충전 스위치(C1)와 병렬 결합된 구성이므로 제1 전원 스위치(S1)와 제1 충전 스위치(C1)는 하나의 스위치로 구성하여 전원 스위치 기능과 충전 스위치 기능을 모두 수행하도록 스위칭을 제어하는 것도 가능하다.

도 2에 따르면, 본 발명의 충전 전원부(100)는, 충전 전원단(910)과 기준 전위(920)를 통하여 복수의 배터리셀에 충전 전류(Ich) 및 충전 전압(Vch)을 공급할 수 있다. 충전 전원부(100)는 정전류 충전 모드에서 정전류를 배터리셀들(BC1~BC3)에 공급하기 위하여 전류원으로 동작할 수 있고, 정전압 충전 모드에서는 정전압으로 배터리셀들(BC1~BC3)의 전압을 유지하기 위하여 전압원으로 동작하도록 제어될 수 있다.

이상에서는 충전 스위치들(C1~C3), 바이패스 스위치들(B1~B3), 병렬 스위치들(P1, P2) 및 전원 스위치들(S1~S3) 각각이 하나의 스위치 소자로 표현되어 있으나, 실제 회로에서는 각 스위치 소자들이 하나 또는 그 이상의 소자들이 결합된 형태로 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 전원 스위치의 예시적인 구현예를 도시한 도면이다.

도 3에 따르면, 본 발명의 전원 스위치들(S1~S3)은 스위치 소자로서 트랜지스터(320)와 다이오드(310)가 직렬 결합한 형태를 갖는 단방향 스위치로 구성될 수 있다. 이러한 단방향 스위치는 트랜지스터(320)가 턴온될 때 다이오드(310)의 순방향 전류에 대해서만 전원 스위치들(S1~S3)이 도통하여 대응되는 배터리셀에 전류가 공급될 수 있고, 트랜지스터(320)가 턴온되었더라도 역방향 전류에 대해서는 전류의 흐름이 차단된다.

이와 같이 전원 스위치들(S1~S3)을 단방향성으로 구성하는 이유는 정전류 충전 모드가 완료되어 정전압 충전 모드에서 배터리셀들(BC1~BC3)이 병렬로 결합할 때, 셀전압이 높은 셀에서 낮은 셀로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서이다. 정전류 충전 모드에서 먼저 목표 전압에 도달한 배터리셀은 나머지 배터리셀이 목표 전압에 도달하여 정전압 충전 모드로 넘어가기까지 충전 전류(Ich)가 차단되는 기간이 길어짐으로써 자연방전 등에 의하여 셀전압에 편차가 발생할 수 있다.

따라서, 전원 스위치들(S1~S3)은 정전압 충전 모드에서 배터리셀들(BC1~BC3)이 병렬 연결될 때 셀전압이 높은 셀에서 낮은 셀로 전류가 흐르는 것을 방지하고 셀전압이 가장 낮은 배터리셀에 대응되는 전원 스위치부터 먼저 도통하여 충전 전류(Ich)가 공급되고 결국에는 모든 배터리셀이 정전압 충전에서 동일한 만충전 전압을 갖도록 제어될 수 있다.

정전압 충전 모드에서 충전 전원부(100)에서 제공되는 충전 전압(Vch)과 실제 배터리셀에 전달되는 전압과의 편차를 최소화하기 위하여 도 2의 전원 스위치에 포함된 다이오드(310)의 순방향 전압을 줄여줄 필요가 있고 이상적으로는 다이오드(310)의 순방향 전압이 0V인 것이 바람직하다.

도 4는 도 3의 전원 스위치에 적용된 다이오드(310)의 등가적인 회로 구성을 도시한 회로도이다.

도 4를 참조하면, 전원 스위치에 적용된 다이오드(310)는 순방향 전압 강하를 최소화하도록 증폭기(311)와 트랜지스터(312)를 이용하여 등가적으로 구현될 수 있다. 이 회로에 따르면 증폭기(311)는 애노드(A)와 캐소드(K)의 전압차를 증폭하여 트랜지스터(312)의 게이트 전압을 제어하므로 애노드(A)와 캐소드(K) 간의 전압차가 최소화되어 도 4의 등가 다이오드(310)는 순방향에 대해서만 도통되고 순방향 전압이 0V에 가까운 이상적 다이오드로 볼 수 있다.

도 5는 본 발명의 충전 스위치의 예시적인 구현예를 도시한 도면이다.

본 발명의 충전 스위치들(C1~C3)은, 소정 방향의 전류에 대해서 도통되거나, 소정 방향의 전류에 대해서 도통하도록 스위칭이 제어될 수 있다.

충전 스위치들(C1~C3)은 소정 방향의 전류에 대해서 도통되기 위하여 도 5(a)에 도시된 바와 같이 하나의 다이오드(210)로 구현될 수 있다. 충전 스위치들(C1~C3)이 다이오드(210)로 구성되면, 충전 전원부(100)로부터 충전 전류(Ich)가 공급될 때 충전 스위치들(C1~C3)은 도통되어 배터리셀들(BC1~BC3)은 직렬 연결되어 충전을 개시할 수 있다. 또한, 배터리셀들(BC1~BC3) 중 어느 하나의 셀전압이, 예를 들어 제1 배터리셀(BC1)의 셀전압(V1)이 목표 전압에 도달하면, 제1 바이패스 스위치(B1)가 턴온되면 제1 충전 스위치(C1)를 구성하는 다이오드(210)에는 역방향 전압이 인가되어 충전 전류(Ich)의 공급이 차단되고 충전 전류(Ich)는 제1 바이패스 스위치(B1)를 통하여 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하게 된다.

다만, 충전 스위치들(C1~C3)이 다이오드(210)로 구성될 경우에는 배터리셀의 오삽에 대응하지 못하는 문제가 있다. 다시 말하여 착탈부(700)에 결합되는 배터리셀이 잘못된 극성으로 장착이 되는 경우에는 충전 스위치가 이를 차단하지 못하여 심각한 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 충전 스위치들(C1~C3)은, 소정 방향의 전류에 대해서만 도통하도록 스위칭이 제어되기 위하여, 도 5(b) 또는 도 5(c)와 같이 트랜지스터(220)를 포함하여 구성될 수도 있다. 다시 말하면 충전 스위치들(C1~C3)은, 배터리셀이 정상적인 극성으로 장착이 되었을 때만 순방향 전류에 대해서 도통하도록 스위칭이 제어되는 트랜지스터(220)를 다이오드(210)에 더 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 충전 스위치들(C1~C3)은, 도 5(c)와 같이 직렬 연결되는 2개의 트랜지스터(220)가 백투백(back-to-back)으로 연결되는 구조로 형성하여 소정 방향의 전류에 대해서만 도통하도록 스위칭을 제어할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)가 정전류 충전 모드로 배터리셀을 충전할 때 충전 전류(Ich)의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.

이하에서는 동작 설명의 편의를 위하여, 배터리셀들(BC1~BC3)은 3개이고, 배터리셀의 셀전압들(V1~V3)은 배터리셀의 용량 및 충전 초기 전압 등의 이유때문에 제1 셀전압(V1), 제2 셀전압(V2) 및 제3 셀전압(V3)의 순서로 목표 전압에 도달한다고 가정한다.

도 6에 따르면, 충전 초기에 충전 스위치들(C1~C3)은 모두 턴온되어 배터리셀들(BC1~BC3)이 직렬로 연결된다. 이때, 충전 스위치들(C1~C3)을 제외한, 바이패스 스위치들(B1~B3), 병렬 스위치들(P1, P2) 및 전원 스위치들(S1~S3)은 모두 턴오프가 되도록 제어된다. 정전류 충전 모드에서, 충전 전원부(100)에서 공급되는 충전 전류(Ich)는 배터리셀들(BC1~BC3)을 경유하여 배터리셀들(BC1~BC3)을 정전류 충전 모드로 충전시킨다. 이때, 충전 전원단(910) 전압, 즉 직렬 연결된 배터리셀들(BC1~BC3)의 전체 충전 전압(Vch)은 각 배터리셀의 셀전압의 합인 V1+V2+V3가 된다.

앞에서 가정한 바와 같이, 정전류 충전 모드로 충전하는 중에 제1 셀전압(V1)이 먼저 목표 전압으로 충전되면, 제1 배터리셀(BC1)의 충전은 차단되고 충전 전류(Ich)는 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하여 제2 배터리셀(BC2)로 공급된다.

도 7(a)는 정전류 충전 모드에서 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하는 충전 전류(Ich)의 흐름을 도시한 전류 흐름도이고, 도 7(b)는 추가적으로 제2 배터리셀(BC2)을 바이패스하는 충전 전류(Ich)의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.

도 7(a)에 따르면, 제1 셀전압(V1)이 먼저 목표 전압으로 충전되면, 제1 충전 스위치(C1)는 차단되고, 제1 바이패스 스위치(B1)는 턴온된다. 이로 인하여 제1 배터리셀(BC1)의 충전은 차단되고 충전 전류(Ich)는 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하여 제2 배터리셀(BC2)로 공급된다. 따라서, 제1 배터리셀(BC1)의 셀전압은 목표 전압인 상태로 충전이 중단되고 나머지 제2 배터리셀(BC2) 및 제3 배터리셀(BC3)에 대해서는 정전류 충전이 계속된다. 이때, 제1 바이패스 스위치(B1)에 의하여 제1 충전 스위치(C1)의 제1 단자 및 제1 배터리셀(BC1)의 제2 단자 사이가 단락되므로, 충전 전압(Vch)은 제1 셀전압(V1) 만큼 감소하여 V2+V3가 된다.

이후 충전이 계속되면, 제2 셀전압(V2)이 목표 전압으로 충전되고 제2 바이패스 스위치(B2)는 턴온된다.

도 7(b)에 따르면, 제2 셀전압(V2)이 목표 전압에 도달한 후에 제2 충전 스위치(C2)는 차단되고, 제2 바이패스 스위치(B2)는 턴온된다. 이로 인하여 제2 배터리셀(BC2)의 충전은 차단되고 충전 전류(Ich)는 제2 배터리셀(BC2)을 바이패스하여 제3 배터리셀(BC3)로 공급된다. 따라서, 제1 배터리셀(BC1) 및 제2 배터리셀(BC2)의 셀전압은 목표 전압인 상태로 충전이 중단되고 나머지 제3 배터리셀(BC3)에 대해서는 정전류 충전이 계속된다. 이때, 제1 바이패스 스위치(B1) 및 제2 바이패스 스위치(B2)가 단락되었으므로 충전 전압(Vch)은 초기 전압에서 제1 셀전압(V1) 및 제2 셀전압(V2) 만큼 감소하여 V3가 된다.

이후에 마지막 남은 제3 배터리셀(BC3)도 목표 전압까지 충전이 되면 정전류 충전 모드는 종료되고 정전압 충전 모드가 개시될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)가 정전압 충전 모드로 배터리셀을 충전할 때 충전 전류(Ich)의 흐름을 도시한 전류 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 정전압 충전 모드에서는 배터리셀들(BC1~BC3)을 병렬 모드로 충전하기 위하여 충전 스위치들(C1~C3)과 바이패스 스위치들(B1~B3)은 모두 턴오프되고, 병렬 스위치들(P1, P2)과 전원 스위치들(S1~S3)이 턴온되도록 제어된다. 도 8의 충전 전류(Ich)를 보면, 병렬 모드에서 충전 전류(Ich)가 배터리셀에 병렬적으로 동시에 공급될 수도 있으나, 병렬 모드로 전환 시의 셀전압의 크기에 따라 정전압 충전 모드의 초기에는 셀전압이 낮은 일부의 배터리셀부터 충전 전류(Ich)가 우선적으로 공급될 수도 있다.

앞에서 설명한 바와 같이, 정전류 충전 모드에서는 먼저 목표 전압에 도달한 배터리셀 순서로 충전이 차단되어 다음 정전압 충전 모드 전까지 해당 배터리셀은 개방 상태에 있게 된다. 따라서, 먼저 목표 전압에 도달한 배터리셀의 셀전압은 나머지 배터리셀이 목표 전압에 도달하여 정전압 충전 모드로 넘어가기까지 개방 상태가 길어짐으로써 자연방전 등에 의하여 셀전압에 편차가 발생할 수 있다. 또한, 배터리셀의 용량 또는 내부 저항의 편차로 인하여 정전압 충전 모드로 넘어갈 때 배터리셀들(BC1~BC3)의 셀전압이 달라질 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전원 스위치들(S1~S3)은, 정전압 충전 모드에서 배터리셀들(BC1~BC3)이 병렬 연결될 때 셀전압이 높은 셀에서 낮은 셀로 전류가 흐르는 것을 방지하도록 단방향 스위치 구조를 가질 수 있다. 따라서, 전원 스위치들(S1~S3)은, 셀전압이 가장 낮은 배터리셀에 대응되는 전원 스위치부터 먼저 도통하여 충전 전류(Ich)가 공급되고 결국에는 모든 배터리셀이 정전압 충전에서 동일한 만충전 전압을 갖도록 제어될 수 있다.

또한, 병렬 모드로 전환 시의 셀전압들(V1~V3)과 정전압 충전 모드의 만충전 전압 간의 편차가 소정의 범위를 벗어날 경우에는 충전 전류(Ich)의 과도한 증가를 방지하기 위하여 충전 전원부(100)는 소정의 구간 동안 정전류 충전 모드를 더 연장하여 제어될 수 있다. 이후에 셀전압들(V1~V3)이 만충전 전압에 소정의 범위 이내로 근접하도록 충전되면 충전 전원부(100)는 정전압 충전 모드로 변경되도록 제어될 수 있다.

도 9는 배터리셀(800)이 충전되는 동안 충전 전압(Vch)과 충전 전류(Ich)의 변화를 도시한 동작 파형이다.

여기에서, 배터리셀들(BC1~BC3)의 셀전압은 정전류 충전 중에 제1 셀전압(V1), 제2 셀전압(V2) 및 제3 셀전압(V3)의 순서로 목표 전압에 도달하고, 이때 충전 전류(Ich)의 흐름은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같다고 가정하고 설명한다.

<구간 0~t1>

이 구간은 정전류 충전 구간으로서, 전류의 흐름은 도 6에 도시된 바와 같이 충전 전류(Ich)가 모든 배터리셀들(BC1~BC3)을 경유하여 흐르며, 모든 배터리셀들(BC1~BC3)이 충전되는 구간이다. 따라서, 이 구간에서의 충전 전압(Vch)은 제1 내지 제3 셀전압(V3)의 합과 같고, 충전 전류(Ich)는 정전류인 I_CC와 같다. 이 구간의 마지막인 t1 시점에 제1 배터리셀(BC1)은 목표 전압으로 충전된다.

<구간 t1~t2>

이 구간은 정전류 충전 구간으로서, t1 시점에 제1 셀전압(V1)이 먼저 목표 전압으로 충전되어 충전 전류(Ich)가 도 7(a)에 도시된 것처럼 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하여 흐르고, 나머지 제2 배터리셀(BC2) 및 제3 배터리셀(BC3)은 계속하여 충전되는 구간이다. 제1 배터리셀(BC1)을 바이패스하기 위하여 제1 바이패스 스위치(B1)는 단락되므로 t1 시점에서 충전 전압(Vch)은 V1=V_CV 만큼 감소하여 제2 셀전압(V2) 및 제3 셀전압(V3)의 합과 같아지고, 충전 전류(Ich)는 정전류인 I_CC와 같다. 이 구간의 마지막인 t2 시점에 제2 배터리셀(BC2)은 목표 전압으로 충전된다.

<구간 t2~t3>

이 구간은 정전류 충전 구간으로서, t2 시점에 제2 셀전압(V2)도 목표 전압으로 충전되어 충전 전류(Ich)가 도 7(b)에 도시된 것처럼 제1 배터리셀(BC1)과 제2 배터리셀(BC2)을 바이패스하여 흐르고, 나머지 제3 배터리셀(BC3)은 계속하여 충전되는 구간이다. 제1 배터리셀(BC1)과 제2 배터리셀(BC2)을 바이패스하기 위하여 제2 바이패스 스위치(B2)도 추가적으로 단락되므로 t2 시점에서 충전 전압(Vch)은 V2=V_CV 만큼 추가적으로 감소하여 제3 셀전압(V3)과 같아지고, 충전 전류(Ich)는 정전류인 I_CC와 같다. 이 구간의 마지막인 t3 시점에 제3 배터리셀(BC3)도 목표 전압으로 충전된다.

<구간 t3~>

이 구간은 정전압 충전 구간으로서, t3 시점에 제3 셀전압(V3)도 목표 전압으로 충전되어 배터리셀들(BC1~BC3)은 기존의 직렬 연결에서 도 8에 도시된 병렬 연결 구조로 전환된다. 이 구간에서 충전 전원부(100)에 병렬 연결된 배터리셀들(BC1~BC3)은 만충전 전압 V_CV를 유지하고 충전 전류(Ich)는 I_CC에서 서서히 감소한다. 다만, 이 구간의 초기에는 앞에서 설명한 바와 같이 배터리셀들(BC1~BC3)의 셀전압에 편차가 있을 수 있으므로 셀전압 간의 편차가 해소된 후에 셀전압은 만충전 전압 V_CV에 도달할 수도 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치(10)의 구성과 동작을 설명하였다.

이를 기초로 한 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전방법은, 복수의 배터리셀(800)을 직렬 연결하는 단계와, 직렬 연결된 배터리셀(800)로 정전류의 충전 전류(Ich)를 제공하는 정전류 충전 단계와, 복수의 배터리셀(800)의 셀전압이 기설정된 목표 전압으로 모두 충전되면 복수의 배터리셀(800) 각각을 병렬 연결로 전환하는 단계와, 복수의 배터리셀(800)로 정전압의 충전 전압을 제공하는 정전압 충전 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기에서 정전류 충전 단계는, 복수의 배터리셀(800) 각각의 셀전압을 센싱하는 단계와, 셀전압이 기설정된 목표 전압으로 충전된 것으로 판단되면, 충전 전류(Ich)가 해당 배터리셀(800)을 바이패스시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기에서 정전압 충전 단계는, 병렬 연결된 복수의 배터리셀(800) 각각의 셀전압을 비교하는 단계와, 비교된 셀전압에 따라 낮은 셀전압의 배터리셀(800)에 충전 전류(Ich)를 우선적으로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상술한 구성을 통하여 본 발명에 따른 직병렬 전환형 배터리 충전장치 및 방법은, 배터리셀이 직렬 연결된 상태에서 정전류 충전을 하고 이를 완료한 후에 병렬 연결로 전환하여 정전압 충전을 수행하도록 제어함으로써, 배터리셀 간의 충전 밸런싱을 고효율로 수행할 뿐 아니라 정전류 및 정전압 충전 동작을 간단하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예를 기초로 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서도 본 발명이 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 직병렬 전환형 배터리 충전장치 100: 충전 전원부
200: 충전 스위치부 210, 310: 다이오드
220, 312, 320: 트랜지스터 300: 전원 스위치부
311: 증폭기 400: 바이패스 스위치부
500: 병렬 스위치부 600: 전압 센싱부
700: 착탈부 800: 배터리셀
910: 충전 전원단 920: 기준 전위
Vch: 충전 전압 Ich: 충전 전류
S1~S3: 제1 내지 제3 전원 스위치
C1~C3: 제1 내지 제3 충전 스위치
BC1~BC3: 제1 내지 제3 배터리셀
P1, P2: 제1 및 제2 병렬 스위치
B1~B3: 제1 내지 제3 바이패스 스위치

Claims

제1 및 제2 전극 단자를 구비하는 복수의 배터리셀이 착탈 가능하게 결합되는 착탈부;
상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 충전 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리셀이 직렬 연결되도록 상기 복수의 충전 스위치의 스위칭이 제어되는 충전 스위치부;
복수의 병렬 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리셀이 병렬 연결되도록 상기 복수의 병렬 스위치의 스위칭이 제어되는 병렬 스위치부; 및
충전 전원단과 기준 전위를 통하여 상기 복수의 배터리셀에 충전 전류 및 충전 전압을 공급하는 충전 전원부;
상기 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및
각각이 상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 바이패스 스위치를 포함하고, 상기 배터리셀의 셀전압에 따라 상기 충전 전류가 대응되는 배터리셀을 우회하도록 복수의 바이패스 스위치의 스위칭이 제어되는 바이패스 스위치부를 포함하고,
정전류 충전 모드에서 상기 충전 스위치부는, 상기 배터리셀이 직렬 연결되도록 제어되고,
정전압 충전 모드에서 상기 병렬 스위치부는, 상기 배터리셀이 병렬 연결되도록 제어되고,
상기 정전류 충전 모드에서 상기 복수의 충전 스위치는 상기 복수의 배터리셀이 직렬 연결되어 상기 충전 전류에 충전되도록 스위칭이 제어되되, 상기 전압 센싱부에서 센싱된 셀전압이 기설정된 목표 전압에 도달하면, 상기 충전 전류가 해당 배터리셀을 우회하도록 해당 배터리셀에 대응되는 상기 충전 스위치 및 상기 바이패스 스위치의 스위칭이 제어되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제1항에 있어서,
각각이 상기 복수의 배터리셀 각각에 대응되는 복수의 전원 스위치를 포함하고, 상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 배터리셀에 상기 충전 전류 및 충전 전압을 병렬적으로 공급하도록 상기 복수의 전원 스위치의 스위칭이 제어되는 전원 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
삭제
제2항에 있어서,
상기 복수의 충전 스위치 각각은,
제1 단자; 및
대응되는 배터리셀의 상기 제1 전극 단자에 연결되는 제2 단자를 포함하고,
상기 복수의 바이패스 스위치 각각은, 상기 충전 스위치의 제1 단자 및 상기 배터리셀의 제2 전극 단자 사이에 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제4항에 있어서,
상기 복수의 병렬 스위치 각각은,
상기 직렬 연결된 배터리셀의 제2 전극 단자 중에서 상기 충전 스위치를 통하여 다른 배터리셀의 제1 전극 단자에 전기적으로 연결되는 제2 전극 단자에 연결되는 제1 단자; 및
서로 공통 연결되어 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 연결되는 제2 단자를 포함하고,
상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 병렬 스위치는 상기 복수의 배터리셀의 제2 전극 단자가 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 전기적으로 공통 연결되도록 스위칭이 제어되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제5항에 있어서,
상기 복수의 전원 스위치 각각은,
서로 공통 연결되어 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 연결되는 제1 단자; 및
상기 직렬 연결된 배터리셀의 제1 전극 단자와 충전 스위치의 제2 단자 사이에 연결되는 제2 단자를 포함하고,
상기 정전압 충전 모드에서 상기 복수의 전원 스위치는 상기 복수의 배터리셀의 제1 전극 단자가 상기 충전 전원단 또는 기준 전위에 전기적으로 공통 연결되도록 스위칭이 제어되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제6항에 있어서,
상기 전원 스위치는, 턴온 시에 소정 방향의 전류에 대해서 도통되는 단방향 스위치이고, 상기 정전압 충전 모드에서 셀전압이 낮은 배터리셀에 대응되는 전원 스위치부터 먼저 도통되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제4항에 있어서,
상기 충전 스위치는, 소정 방향의 전류에 대해서 도통되거나, 상기 소정 방향의 전류에 대해서 도통하도록 스위칭이 제어되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제8항에 있어서,
상기 충전 스위치는, 다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제8항에 있어서,
상기 충전 스위치는, 직렬 연결되는 2개의 트랜지스터가 백투백(back-to-back)으로 연결되는 구조인 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제6항에 있어서,
상기 배터리셀의 제1 전극 단자의 전위가 제2 전극 단자의 전위보다 높고,
상기 복수의 병렬 스위치의 제2 단자는 상기 기준 전위에 전기적으로 연결되고,
상기 복수의 전원 스위치의 제1 단자는 상기 충전 전원단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제6항에 있어서,
상기 배터리셀의 제2 전극 단자의 전위가 제1 전극 단자의 전위보다 높고,
상기 복수의 병렬 스위치의 제2 단자는 상기 충전 전원단에 전기적으로 연결되고,
상기 복수의 전원 스위치의 제1 단자는 상기 기준 전위에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
제1항에 있어서,
상기 충전 전원부는, 상기 정전류 충전 모드에서 전류원으로 동작하고, 상기 정전압 충전 모드에서 전압원으로 동작하는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전장치.
복수의 배터리셀을 직렬 연결하는 단계;
상기 직렬 연결된 배터리셀로 정전류의 충전 전류를 제공하는 정전류 충전 단계;
상기 복수의 배터리셀의 셀전압이 기설정된 목표 전압으로 모두 충전되면 상기 복수의 배터리셀 각각을 병렬 연결로 전환하는 단계; 및
상기 복수의 배터리셀로 정전압의 충전 전압을 제공하는 정전압 충전 단계를 포함하고,
상기 정전류 충전 단계는,
상기 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 센싱하는 단계; 및
상기 셀전압이 상기 기설정된 목표 전압으로 충전된 것으로 판단되면, 상기 충전 전류가 해당 배터리셀을 우회하도록 바이패스시키는 단계를 포함하고,
상기 정전압 충전 단계는 상기 복수의 배터리셀 각각을 병렬 연결로 전환하는 단계 이 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전방법.
삭제
제14항에 있어서,
상기 정전압 충전 단계는,
상기 병렬 연결된 복수의 배터리셀 각각의 셀전압을 비교하는 단계; 및
상기 비교된 셀전압에 따라 낮은 셀전압의 배터리셀에 상기 충전 전류를 우선적으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 전환형 배터리 충전방법