KR20010038161A - 리듐이온 2차전지 충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가정용 상용전원(AC110-220V)과 차량용 전원(DC12V)을 사용할 수 있는 충전기를 일체형으로 구현함으로써 충전기의 부품 공용화에 따르는 가격 절감의 효과 및 소비자가 가정용 및 차량용 충전기를 휴대하기 편리하게 하는 리듐이온 2차전지 충전기에 관한 것으로서,

가정용 상용전원의 크기를 변경시키는 트랜스포머와, 상기 가정용 상용전원의 주파수를 높이는 발진회로와, 상기 가정용 상용전원을 직류로 변경시키는 정류부와, 상기 트랜스포머의 2차측에서 가정용 상용전원에 대응하는 직류전원을 제1 다이오드를 통해 입력받고 차량용 전원을 제2 다이오드를 통해 입력받아 선택적으로 2차전지로 인가하는 다이오드부와, 2차전지에 흐르는 전류를 전압으로 환산하는 출력전류 센싱저항과, 상기 출력전류 센싱저항의 전위와 기준전압과 비교하여 만충전을 감지하는 비교기와, 2차전지의 입력단에 연결되어 전원의 공급여부를 결정하는 스위칭소자와, 상기 비교기의 출력신호에 따라 스위칭소자의 온/오프를 제어하는 PWM 제어부를 포함하므로써, 상용전원을 차량용 전원으로 하기 위하여 포워드 컨버터 방식으로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

리듐이온 2차전지 충전기 { Charger for secondary battery of Li-ion }

본 발명은 리듐이온 2차전지 충전기에 관한 것으로서 특히, 가정용 또는 차량용 전원을 이용하여 충전을 수행할 수 있는 리듐이온 2차전지 충전기에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 가정용 충전기의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 1을 참조하면, 플라이 백 컨버터 방식에 의하여 2차측의 전원을 제어하는 방식으로 구성 되어 있는데, 상용 교류전원(AC110-220)을 인가하게 되면 트랜스포머(1)의 스위칭 듀티에 따라 2차측의 권선 출력전압(Va)을 제어하여 전지의 충전 방식에 따라 마이컴(2)이 제어하도록 하는 구조를 가지고 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 가정용 충전기의 동작을 살펴보면, 전압센싱부(3) 및 전류센싱부(4)의 오차 증폭부는 출력전압과 기준전압의 차이 또는, 출력전류 센싱저항(5)에 의하여 발생하는 전위와 기준전압의 차이가 입력되어 오차의 양이 증폭된다. 이때, 발생하는 전위에 따라 포토 커플러(6)의 발광부에 전류의 변화를 가져와 이 변화된 전류의 양에 따라서 발광량을 변화시킨다.

그 결과, 상기 포토 커플러(6)의 수광부의 전류의 양도 변화하며, 이 변화된 전류의 양을 PWM 제어부(7)의 입력단에서 전압으로 환산하여, 기준전압과의 차이에 따른 오차의 양을 증폭하고, 기준 톱니파와 오차 증폭기에서 증폭된 양을 비교하여 PWM 제어부(7)의 출력을 "H 또는 L"로 일정한 주파수의 값을 가지는 펄스신호를 출력하게 된다.

상기 펄스신호는 주파수는 일정하지만 듀티비가 다르기 때문에 출력단에 연결된 제1 스위칭소자(8)를 "ON 또는 OFF"시간을 조절하여 구동하게 되어 있다. 또한, 이 듀티비의 제어에 의하여 트랜스포머(1)의 2차측 출력이 정하여 진다.

도 1의 리듐이온 2차전지를 충전하기 위하여, 전지전압이 CELL수*4.1V 이하 일 경우에는 정전류에 의하여서 충전을 하고, 전지전압이 그 이상이 되었을 경우에는 정전압을 유지하여 출력전류 센싱저항(5)에 의하여 일정 이하의 전류의 양이 되면 제2 스위칭소자(9)를 "OFF"시켜 전지에 흐르는 전류를 차단한다.

결국, 상기 마이컴(2)의 제어방법은, 전지의 전압을 측정한 후 도 2의 충전 그래프에 따라 CELL수 * 4.1 이상이 되었을 경우에 전류센싱부(4)의 동작을 정지모드로 하고, 그 이하의 경우에는 전압센싱부(3)의 동작을 정지모드로 한다.

그리고, 정전압을 유지한 상태에서 출력전류 센싱저항(5)의 전압레벨이 전류로 환산하여 도 2의 Icut 레벨 이하가 되면 충전을 종료하기 위하여 제2 스위칭소자(9)를 "OFF"시켜 전지에 흐르는 전류를 차단한다.

한편, 도 3은 종래 기술에 의한 차량용 충전기의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 차량용 충전기는 차량용 직류전원(DC12V)을 입력으로 하여 마이컴(12)이 건전지의 충전상태를 점검하여 충전의 종료시점을 파악하고 기타 충전에 필요한 사항은 점검하도록 하고 있다. 도 3의 동작은 도 1의 2차측에서 DC로 변화된 전압을 제어하는 방식과 같고, 12V 직류전원을 PWM 제어부(17)를 통하여 출력을 제어하고 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 종래 기술이 적용된 가정용 충전기의 구조는, 상용전원(AC110-220V)에 국한되어 있고, 만약에 차량용 전원(DC12V)을 채용하기 위하여는 DC12V 전용의 차량용 충전기를 새롭게 구성을 하여야 하는 문제점이 발생한다.

또한, 도 3에서와 같이 스위칭소자(18), PWM 제어부(17), 전압센싱부(13) 및 전류센싱부(14)의 상태를 제어하기 위한 마이컴(12)이 기본적으로 추가되어 도 1에서 사용되는 것과 같은 것을 다시 사용하기 때문에 중복 사용이 되는 문제점이 발생한다.

또한, 트랜스포머(1)의 1차측에 연결되는 PWM 제어부(7)가 고압용을 사용하고, 마이컴에 의하여 충전제어를 하는 경우에는 과대사양으로 인해 가격이 상승하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 가정용 상용전원(AC110-220)과 차량용 전원(DC12V)을 사용할 수 있는 충전기를 일체형으로 구현함으로써 충전기의 부품 공용화에 따르는 가격 절감의 효과 및 소비자가 가정용 및 차량용 충전기를 휴대하기 편리하게 하는 리듐이온 2차전지 충전기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 1차측을 간소화하여 부품의 수를 줄이고, 2차측에서 차량용 전원(DC 12V) 범위의 전압을 이용하여 충전을 하여 최소한의 하드웨어를 사용함으로써 제품의 가격을 낮출 수 있는 리듐이온 2차전지 충전기를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 가정용 충전기의 구성을 나타내는 회로도,

도 2는 리듐이온 건전지의 충전시 전압,전류 특성곡선을 나타내는 도면,

도 3은 종래 기술에 의한 차량용 충전기의 구성을 나타내는 회로도,

도 4는 본 발명에 의한 충전기의 구성을 나타내는 회로도,

도 5는 본 발명에서 전원공급부의 다른 실시예를 나타내는 회로도,

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞

21 : 발진회로 22 : 스위칭소자

23 : 비교기 24 : 출력전류 센싱저항

25 : 다이오드부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 가정용 상용전원의 크기를 변경시키는 트랜스포머와, 상기 가정용 상용전원의 주파수를 높이는 발진회로와, 상기 가정용 상용전원을 직류로 변경시키는 정류부와, 상기 트랜스포머의 2차측에서 가정용 상용전원에 대응하는 직류전원을 제1 다이오드를 통해 입력받고 차량용 전원을 제2 다이오드를 통해 입력받아 선택적으로 2차전지로 인가하는 다이오드부와, 2차전지에 흐르는 전류를 전압으로 환산하는 출력전류 센싱저항과, 상기 출력전류 센싱저항의 전위와 기준전압과 비교하여 만충전을 감지하는 비교기와, 2차전지의 입력단에 연결되어 전원의 공급여부를 결정하는 스위칭소자와, 상기 비교기의 출력신호에 따라 스위칭소자의 온/오프를 제어하는 PWM 제어부를 포함하므로써, 상용전원을 차량용 전원으로 하기 위하여 포워드 컨버터 방식으로 구성된 리듐이온 2차전지 충전기를 제공한다.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 전원공급부는 저전력용 충전기에 적용이 가능하도록 트랜스포머의 1차측으로 상용전원이 직접 입력되도록 연결하고, 트랜스포머의 2차측에 정류부를 연결하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 리듐이온 2차전지 충전기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 충전기의 구성을 나타내는 회로도이다.

도 4를 참조하면, 상용전원을 차량용 전원으로 하기 위하여 포워드 컨버터 방식을 채용하였다. 하지만 2차측에서 피드백 받지 않고 1차측에서 일정한 펄스폭으로 스위칭소자를 온/오프 할 수 있도록 발진회로(21)를 구성하였다. 상기 발진회로(21)에서는 주파수를 높이기 때문에 트랜스포머의 크기가 줄고, 주파수가 20㎑ 이상일 경우에는 트랜스포머에서 발생하는 소음을 줄일 수 있게 된다.

결국, 도 4의 구조는 상용전원 또는 차량용 전원을 입력받아 PWM 제어 또는 선형 정전압 제어가 이루어질 수 있도록 하며, 정전압과 정전류 제어를 충전전용 모듈을 이용하여 스위칭소자(22)를 온/오프하면 원하는 전위의 출력을 낼 수 있다.

그리고, 만충전을 감지하기 위하여 비교기(23)를 삽입하여 출력전류 센싱저항(24)에 흐르는 전류를 전압으로 환산한 전위와 기준전압과 비교하여서 Icut 전류에 해당하는 전압 이하이면 스위칭소자(22)를 오프하도록 구성되어 있다.

또한, 두 전원이 동시에 입력이 되는 경우에도 다이오드부(25)에 의하여 다이오드부(25) 전의 전위가 높은 것이 도통하게 되어 2차측의 입력이 선택된다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같은 전원공급부(A)에서 입력전원이 인가되면 일정한 스위칭에 의하여 출력을 보내게 되는데 2차측의 출력을 피이드 백을 받지 않기 때문에 2차측에서 큰 영향을 주지 않게 된다. 또한, 상기 발진회로(21)의 주파수를 가변하여 트랜스포머 크기를 줄일 수 있는 여지를 제공하고 있다.

또한, 본 발명에서는 출력을 피이드 백 받지 않고 제어를 하기 때문에 출력의 부하에 따르는 전압의 범위가 가변될 수 있지만 충전부(B)의 선형제어 모듈 또는 PWM제어 모듈을 이용하여 2차측의 전원이 최대부하와, 최저부하에 따른 전위가 변동하더라도 일정 범위 내에 있으면 전지에 인가되는 전압을 안정되게 인가할 수가 있다.

한편, 도 2에서 충전특성 그래프를 보면 충전이 안된 리듐이온 전지를 충전할 경우 초기에는 정전류 모드로 충전을 하고, 셀 수 * 4.1V 가 되는 지점에서 정전압 모드로 충전을 하는데 이 시점에서는 충전 전류가 서서히 감소하는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 만 충전에 가까워 올수록 전지의 내부 저항이 증가하여 전류가 감소하기 때문이다. 이러한 특성을 이용하여 충전 전류가 Icut 이하로 감소하면 충전을 중단시킨다. 이때 출력전류 센싱저항(24)에 Icut 만큼의 전류가 흐르고 있다면, Icut *Rsens =Vsens 양의 전압과 비교하여 기준전압 이하이면 스위칭소자(22)를 "오프"하여 전지에 인가되는 전류를 차단한다.

본 발명의 다른 실시에에 따르면, 전원공급부는 도 5에 도시된 바와 같이 트랜스포머의 출력단에 정류회로를 연결하여 구현될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 리듐이온 2차전지 충전기는 기존에 상용전원과 차량용 전원을 사용한 충전기가 서로 분리되어 있는 것을 통합함으로써 재료비의 절감과 휴대의 편리성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래 기술에서 사용되었던 고압용 PWM 제어모듈과 포토 커플러를 없애고 공통적으로 사용하는 부품을 최소화함으로써 제품의 가격을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 가정용 상용전원의 크기를 변경시키는 트랜스포머와, 상기 가정용 상용전원의 주파수를 높이는 발진회로와, 상기 가정용 상용전원을 직류로 변경시키는 정류부와, 상기 트랜스포머의 2차측에서 가정용 상용전원에 대응하는 직류전원을 제1 다이오드를 통해 입력받고 차량용 전원을 제2 다이오드를 통해 입력받아 선택적으로 2차전지로 인가하는 다이오드부와, 2차전지에 흐르는 전류를 전압으로 환산하는 출력전류 센싱저항과, 상기 출력전류 센싱저항의 전위와 기준전압과 비교하여 만충전을 감지하는 비교기와, 2차전지의 입력단에 연결되어 전원의 공급여부를 결정하는 스위칭소자와, 상기 비교기의 출력신호에 따라 스위칭소자의 온/오프를 제어하는 PWM 제어부를 포함하므로써, 상용전원을 차량용 전원으로 하기 위하여 포워드 컨버터 방식으로 구성된 것을 특징으로 하는 리듐이온 2차전지 충전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원공급부는 저전력용 충전기에 적용이 가능하도록 트랜스포머의 1차측으로 상용전원이 직접 입력되도록 연결하고, 트랜스포머의 2차측에 정류부를 연결하는 것을 특징으로 하는 리듐이온 2차전지 충전기.