KR19990047588A - 리튬전지의 충전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 충전을 중단하기 위한 것으로, 이러한 본 발명은 DC/DC 컨버터에서 입력된 전류의 DC/DC 변환을 수행하고, 충전 콘트롤러에서 DC/DC 컨버터에서 입력된 전류를 조정하여 리튬전지의 충전을 제어하며, 전압제어수에서 충전 콘트롤러의 전압을 제어하는 일정전압으로 충전이 수행되게 하고, 전류제어부에서 충전 콘트롤러의 전류를 제어하여 일정전류로 충전이 수행되게 하며, 리튬전지는 충전 콘트롤러의 제어에 따라 충전되고, 완전충전 검출부는 리튬전지의 완전 충전 여부를 검출하여 리튬전지가 완전 충전되면 상기 충전 콘트롤러의 충전동작을 중지시킴으로써, 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 리튬전지로의 전원을 차단하여 충전을 중단할 수 있게 되는 것이다.

Description

리튬전지의 충전장치

본 발명은 리튬(Lithium)-이온 전지(Battery)의 충전에 관한 것으로, 특히 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 충전을 중단하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 리튬전지는 휴대용 정보기기와 이동용 직류전원, 백업용 전원 등으로 사용할 수 있는 충전가능한 전지이다.

이러한 리튬전지를 충전하기 위한 종래의 리튬전지 충전장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 입력된 전류를 DC/DC(Direct Current/Direct Current, 직류/직류) 변환시키는 DC/DC 컨버터(1)와; 상기 DC/DC 컨버터(1)에서 입력된 전류를 조정하여 리튬전지(4)의 충전을 제어하는 충전 콘트롤러(2)와; 상기 충전 콘트롤러(2)의 전압을 제어하는 전압제어부(3)와; 상기 충전 콘트롤러(2)의 제어에 따라 충전되는 리튬전지(4)로 구성되었다.

이와 같이 구성된 종래의 리튬전지 충전장치는 일정 전압 및 일정 전류 방법을 사용하여 충전하였다. 즉, DC/DC로 변환된 전류를 충전 콘트롤러(2)에서 적절히 제어하여 리튬전지(4)를 충전시키고, 전압제어부(3)는 충전 콘트롤러(2)의 전압을 검출하여 4.2볼트(V, Volt)의 일정 전압으로 충전이 이루어지도록 동작하였다. 이때의 충전 전압은 4.2V로 유지하고, 전류는 1C(1.35암페어(A, Ampere)) 이하로 유지하게 된다.

그러나 리튬전지를 빨리 충전하기 위해서는 짧은 시간에 많은 전류를 흘려주면 되는데, 리튬전지의 손상 때문에 지금까지는 1C 이하로만 충전하게 되어, 완전 충전을 할 때 까지 3시간 정도 걸리는 단점이 있었다.

또한 리튬전지가 완전 충전된 다음에도 계속 충전 콘트롤러가 리튬전지를 충전시키게 되어 리튬전지가 과도한 충전으로 손상을 입을 수 있는 문제점이 있었다.

그리고 수소-이온 전지와 니켈-카드뮴 전지에서는 빠른 충전이 가능했다. 이는 수소-이론 전지나 니켈-카드뮴 전지의 경우는 1C(= 1.35A) 이상의 전류를 공급하여도 전지에 손상이 갈 위험성이 적을 뿐만 아니라, 완전 충전의 시점 을 비교적 쉽게 검출해 낼 수 있었기 때문에 가능했다. 그러나 리튬-이온 전지의 경우에는 전지의 손상과 충전되었을 경우 전지가 손상을 입기 쉬울 뿐만 아니라 완전 충전을 검출하기도 매우 까다로운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 충전을 중단할 수 있는 리튬전지의 충전장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 리튬전지의 충전장치는,

입력된 전류의 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 컨버터와; 상기 DC/DC 컨버터에서 입력된 전류를 조정하여 리튬전지의 충전을 제어하는 충전 콘트롤러와; 상기 충전 콘트롤러의 전압을 제어하는 일정전압으로 충전이 수행되게 하는 전압제어부와; 상기 충전 콘트롤러의 전류를 제어하여 일정전류로 충전이 수행되게 하는 전류제어부와; 상기 충전 콘트롤러의 제어에 따라 충전되는 리튬전지와; 상기 리튬전지의 완전 충전 여부를 검출하여 상기 리튬전지가 완전 충전되면 상기 충전 콘트롤러의 충전동작을 중지시키는 완전충전 검출부로 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 종래 리튬전지 충전장치의 블록구성도,

도 2는 본 발명에 의한 리튬전지 충전장치의 블록구성도,

도 3은 도2에서 리튬전지 충전장치의 상세회로도,

도 4는 도3에서 충전-전압 상관관계를 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: DC/DC 컨버터 20: 충전 콘트롤러

30: 전압 제어부 40: 전류 제어부

50: 리튬 전지 60: 완전 충전 검출부

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 리튬전지의 충전장치의 기술적 사상에 따른 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 의한 리튬전지 충전장치의 블록구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 입력된 전류의 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 컨버터(10)와; 상기 DC/DC 컨버터(10)에서 입력된 전류를 조정하여 리튬전지(50)의 충전을 제어하는 충전 콘트롤러(20)와; 상기 충전 콘트롤러(20)의 전압을 제어하는 일정전압으로 충전이 수행되게 하는 전압제어부(30)와; 상기 충전 콘트롤러(20)의 전류를 제어하여 일정전류로 충전이 수행되게 하는 전류제어부(40)와; 상기 충전 콘트롤러(20)의 제어에 따라 충전되는 리튬전지(50)와; 상기 리튬전지(50)의 완전 충전 여부를 검출하여 상기 리튬전지(50)가 완전 충전되면 상기 충전 콘트롤러(20)의 충전동작을 중지시키는 완전충전 검출부(60)로 구성된다.

상기에서 전류제어부(40)는, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 충전 콘트롤러(20)의 전류를 검색하는 제5 저항(R5)과; 상기 제5 저항(R5)에서 검색된 상기 충전 콘트롤러(20)의 전류에 따라 충전전류 제어신호를 출력하는 충전전류 제어부(TR2)와; 상기 제2 충전전류 제어부(TR2)의 제어신호를 충전전원(C1)(C2)으로 공급하여 충전이 지속되게 하는 제6 저항(R6)으로 구성된다.

상기에서 충전전류 제어부(TR2)의 충전전류(C1)(C2) 제어는, 상기 충전 콘트롤러(20)의 전류가 미리 정해진 한계 전류 이하이면 상기 제6 저항(R6)을 동작시켜 충전이 지속되도록 하고, 상기 충전 콘트롤러(20)의 전류가 미리 정해진 한계 전류를 초과하면 상기 충전 콘트롤러(20)에 전류과다 신호를 전송하여 한계를 초과한 전류가 상기 충전 콘트롤러(20)에서 상기 리튬전지(50)로 흐르는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 완전충전 검출부(60)는, 상기 리튬전지(50)의 완전충전 여부를 검출하는 제7 및 제8 저항(R7)(R8)과; 상기 제7 및 제8 저항(R7)(R8)에서 검출된 상기 리튬전지(50)의 완전충전 여부에 따라 충전중지 제어신호를 출력하는 충전중지 제어부(TR3)와; 상기 충전중지 제어부(TR3)의 제어신호를 상기 충전전원(C1)(C2)으로 공급하여 충전이 지속되게 하는 제9 저항(R9)으로 구성된다.

상기에서 충전중지 제어부(TR3)의 충전중지 제어는, 상기 리튬전지(50)가 완전충전되지 않으면 상기 제9 저항(R9)으로 제어신호를 전송하여 상기 충전전원(C1)(C2)이 충전을 지속하도록 하고, 상기 리튬전지(50)가 완전충전되면 상기 충전 콘트롤러(20)에 충전중지 신호를 전송하여 충전이 중지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서 C1과 C2는 상기 리튬전지(50)에 전원을 공급하는 제1 및 제2 충전전원이고, TR1은 상기 DC/DC 컨버터(10)를 상기 충전 콘트롤러(20)에 연결시키는 트랜지스터이며, R1 - R4는 제1 내지 제4 저항이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 리튬전지의 충전장치의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 충전에 대한 셋 포인트(Set Point) 전압은 매우 중요한 요수 중의 하니이다. 그래서 정확도 1%로 셋 포인트 전압을 8.4V로 정한다. 그래서 리튬전지(50)가 셋 포인트 전압을 유지할 수 있을 만큼의 전류만을 공급해야 한다.

그리고 충전 콘트롤러(LP2954A)(20)는 일정한 DC 전압을 공급하면 충전 콘트롤러(20)의 Vout을 통하여 일정한 전압을 출력하게 되고, 이를 전압제어부(30)의 제2 내지 제4 저항에 의해서 셋 포인트 전압을 만들어 내게 된다. 이는 전지의 용량이 1350mAh를 직렬로 연결하여 사용하기 때문에 최대 공급 가능한 전류는 보통의 충전회로의 경우 1C에 해당하는 1.35A를 넘어서는 안된다. 그래서 본 발명에서는 2C에 해당하는 2.7A의 전류를 공급함으로써 충전시간을 반으로 줄일 수 있게 된다. 셋 포인트 전압인 8.4V는 다음의 수학식1에 의해 도출된다.

Vout = VREF × {1 + (R2 + R3) / R4}

= 1.2V × {1 + (450K + 150K) / 100K}

= 1.2V × (1 + 6.0)

= 8.4V

여기서 VREF는 1.2V로써 충전 콘트롤러(20)인 LP2954A의 칩 내부에 이미 설정되어 있는 값이다.

또한 2.7A의 전류를 공급하기 위해 트랜지스터(TR1)를 D45H5 패스 트랜지스터(Pass Transistor)를 사용한다. 그리고 충전 콘트롤러(20)는 트랜지스터의 베이스 단을 드라이브하는 전류를 줄이는 것(Current Sink)로써 사용된다.

이에 따라 제1 저항(R1)을 통해 충전 콘트롤러(20)로 흐르는 전류는 트랜지스터(TR1)의 베이스 단에 로우로 작용하게 되어 턴-온(Turn-On)시키고, 트랜지스터(TR1)이 턴-온됨으로써 충전 콘트롤러(20)의 Vout이 수학식1에 의하여 출력전압이 나오게 되고, 이 전압에 의해서 리튬전지(50)는 충전되기 시작한다. 셋 포인트 전압(8.4V)에서 조정된 출력을 유지하기 위하여 전압제어부(30)는 제어하게 된다.

초기 충전시는 셋 포인트 전압에 미치지 못하게 되어 많은 전류가 리튬전지(50)로 흐르게 된다. 그러다가 리튬전지(50)가 셀 포인트 전압에 도달했을 때부터는 셋 포인트 전압을 유지하면서 전류의 양은 점차 줄어들게 된다.

또한 전류가 증가하여 저항에 의해 전압이 발생하게 되고, 과전류가 흐르게 되면 전압이 발생되어 충전전류 제어부(TR2)의 베이스 단을 턴-온(Turn-On)시키는 전압까지 올라가게 되면, 충전전류 제어부(TR2)는 턴-온되고, 따라서 리튬전지(50)로 공급되는 전압은 접지되어 리튬전지(50)로의 전원공급이 끊기게 된다.

그리고 충전을 계속 진행하면서 제7 및 제8 저항(R7)(R8)에 의해 전압 드럽(Voltage Drop)이 되어 충전중지 제어부(TR3)의 베이스 단에 계속 공급되는데, 리튬전지(50)의 전압이 완전 충전되었을 때의 전압이 제7 및 제8 저항(R7)(R8)에 의해 드럽되어 충전중지 제어부(TR3)의 베이스단을 턴-온시키는 전압까지 올라가게 되면 충전중지 제어부(TR3)는 턴-온되고, 따라서 리튬전지(50)로 공급되는 전압은 접지되어 리튬전지(50)의 전원 공급이 끊기게 되는 것이다.

이처럼 일정-전압(C-V, Constant-voltage) 충전은 전지(배터리)에 고정된 전압을 가하고, 그 셋 포인트 전압에서 리튬전지(50)가 유지될 수 있을 만큼의 전류만을 공급해야 한다. 그러나 만약 리튬전지(50)가 깊은 방전이 되었다면, 리튬전지(50)의 터미널(Terminal) wjsdkq은 일정-전압 충전에서 셋 포인트 전압 이하로 떨어질 것이다. 이때 충전 콘트롤러(20)는 리튬전지(50)의 전압을 셋 포인트 전압으로 맞추기 위하여 최대의 전류를 리튬전지(50)로 공급하게 될 것이다. 이것은 리튬전지(50)로 공급되는 전류가 리튬전지(50)에 손상을 입지 않게 제한하는 역할을 하게 된다.

이와 같이 리튬전지(50)에 공급되어지는 전형적인 일정-전압 충전에 대한 단면이 도4에 도시되어 있다.

그래서 충전의 전체 ⅔가 전류의 "2C" 레이트(Rate)(이것은 전류한계 동안 충전되는 것을 말한다)에서 전달되는 것을 볼 수 있다.(도4a)

그리고 리튬전지(50)의 전압이 전류한계 단계 동안 8.V 이하이고, 이는 충전 콘트롤러(20)가 최대 전류를 공급하게 하는 원인이 된다.(도4b)

이에 따라 리튬-이온 전지(50)의 충전효율은 거의 100%가 되고, 이것은 전류한계 단계의 시간간격이 약 40분인 것에 따른다.(도4c)

리튬전지(50)의 전압이 셋 포인트에 도달했을 때 충전 콘트롤러(20)는 일정-전압을 유지하기에 위한 시점에서 전류를 감소하기 시작한다. 그래서 일정-전압 단계 동안 마지막 충전의 ⅓이 리튬전지(50)로 전달되게 된다.

여기서 충전 전류는 계속적으로 감소하게 된다. 이러한 감소는 리튬전지(50)의 ESR(Equivalent Series Resistance)에 의한 것이다. 각종 수소전지나 리튬전지 등의 배터리는 일정-전압 충전에 영향을 미치는 ESR을 갖고 있다. 그리고 VBAT(Battery Terminal Voltage)는 충전기에 의해 감지된 전압으로, 충전된 전지는 ESR을 통한 전압 강화로 더 높은 VBAT가 표시되게 된다.

이와 같이 동작하여 본 발명은 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 충전을 중단하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 리튬전지의 충전장치는 전류를 2C 이상 공급하여 충전시간을 줄이고 전지의 손상을 방지하며 완전 충전 상태를 감지하여 완전 충전이 완료된 시점에서 리튬전지로의 전원을 차단하여 충전을 중단할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (5)

1. 입력된 전류의 DC/DC 변환을 수행하는 직류/직류 컨버터와;

   상기 직류/직류 컨버터에서 입력된 전류를 조정하여 리튬전지의 충전을 제어하는 충전 콘트롤러와;

   상기 충전 콘트롤러의 전압을 제어하는 일정전압으로 충전이 수행되게 하는 전압제어부와;

   상기 충전 콘트롤러의 전류를 제어하여 일정전류로 충전이 수행되게 하는 전류제어부와;

   상기 충전 콘트롤러의 제어에 따라 충전되는 리튬전지와;

   상기 리튬전지의 완전 충전 여부를 검출하여 상기 리튬전지가 완전 충전되면 상기 충전 콘트롤러의 충전동작을 중지시키는 완전충전 검출부로 구성된 것을 특징으로 하는 리튬전지의 충전장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전류제어부는,

   상기 충전 콘트롤러의 전류를 검색하는 제5 저항과;

   상기 제5 저항에서 검색된 상기 충전 콘트롤러의 전류에 따라 충전전류 제어신호를 출력하는 충전전류 제어부와;

   상기 제2 충전전류 제어부의 제어신호를 충전전원으로 공급하여 충전이 지속되게 하는 제6 저항로 구성된 것을 특징으로 하는 리튬전지의 충전장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 충전전류 제어부의 충전전류 제어는,

   상기 충전 콘트롤러의 전류가 미리 정해진 한계 전류 이하이면 상기 제6 저항을 동작시켜 충전이 지속되도록 하고, 상기 충전 콘트롤러의 전류가 미리 정해진 한계 전류를 초과하면 상기 충전 콘트롤러에 전류과다 신호를 전송하여 한계를 초과한 전류가 상기 충전 콘트롤러에서 상기 리튬전지로 흐르는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 리튬전지의 충전장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 완전충전 검출부는,

   상기 리튬전지의 완전충전 여부를 검출하는 제7 및 제8 저항과;

   상기 제7 및 제8 저항에서 검출된 상기 리튬전지의 완전충전 여부에 따라 충전중지 제어신호를 출력하는 충전중지 제어부와;

   상기 충전중지 제어부의 제어신호를 상기 충전전원으로 공급하여 충전이 지속되게 하는 제9 저항로 구성된 것을 특징으로 하는 리튬전지의 충전장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 충전중지 제어부의 충전중지 제어는,

   상기 리튬전지가 완전충전되지 않으면 상기 제9 저항으로 제어신호를 전송하여 상기 충전전원이 충전을 지속하도록 하고, 상기 리튬전지가 완전충전되면 상기 충전 콘트롤러에 충전중지 신호를 전송하여 충전이 중지되도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬전지의 충전장치.