KR20010066695A - 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로 - Google Patents

리튬-이온 배터리의 과충전검출회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 높은 가연성을 가진 리튬-이온 배터리의 충전상태를 정확하게 감지함으로써 과충전으로 인한 화재, 발열을 방지하여 리튬-이온 배터리의 사용기간을 연장시킬 수 있으며, 또한 충전장치에 내장되어 사용될 수 있는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로에 관한 것이다.
본 발명의 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로는, 리튬-이온 배터리 충전시에 과충전상태를 감지하고 전원공급을 차단하기 위한 장치에 있어서, 정전류/정전압회로로부터 리튬-이온 배터리로 유입되는 충전전류(IB)를 감지하고, 이것을 출력전압(VO1)으로 변조하여 출력하는 전류감지부와, 상기 전류감지부로부터 출력되는 전압을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 충전상태를 감지하여 정전류/정전압회로의 전압공급을 제어하는 신호를 출력하는 전압비교부로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

리튬-이온 배터리의 과충전검출회로{The circuit for detecting over-charge of Li-Ion battery}
본 발명은 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 높은 가연성을 가진 리튬-이온 배터리의 충전상태를 정확하게 감지함으로써 과충전으로 인한 화재, 발열을 방지하여 리튬-이온 배터리의 사용기간을 연장시킬 수 있으며, 또한 충전장치에 내장되어 사용될 수 있는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로에 관한 것이다.
휴대폰, 워크맨, MP3 플레이어 등과 같은 휴대용 장치는 전원공급의 안정성과 지속성을 위하여 다양한 배터리가 사용되고 있으며, 그것들 중의 하나가 리튬-이온 배터리이다. 상기 리튬-이온 배터리는 내부에 액체로 된 전해액을 포함하고 있다. 이 전해액은 유기성물질로서 휘발유보다 더 잘타는 특성을 가지고 있기 때문에 리튬-이온 배터리의 충전시에 과전류로 인한 화재나 폭발의 위험성이 상존하고 있다. 또한 과충전되는 경우에는 전해액의 특성이 저하되어서 사용기간이 현저하게 단축되는 등의 문제점이 발생된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 충전장치내부에 과전류를 검출하는 회로를 내장하여서 과전류, 과충전에 의한 위험을 회피하고 있다.
도 1 및 도 2는 종래 사용되는 충전장치의 구성예들이다. 도 1은 마이컴을 이용하여 구성한 것이며, 도 2는 전용 IC를 이용하여 구성한 것을 나타낸다.
리튬-이온 배터리(40)를 충전하기 위한 충전장치는, 정전류(CC: Continuous Current) 및 정전압(CV: Continuous Voltage)을 공급하기 위한 정전류/정전압회로(10)를 구비하여 리튬-이온 배터리(40)에 전압을 공급한다.
상기의 회로들은 리튬-이온 배터리(40)의 (-)극에 연결된 센싱저항(RSNS) 양단의 전위차를 검출하고, 검출된 전위차를 역산하는 간접적인 방법을 통하여 리튬-이온 배터리(40)에 충전되는 전류의 양(IB)를 측정하여 충전만료시점을 결정하는 방식을 사용하고 있다. 마이컴(30)과 충전전용IC(50)의 내부에는 A/D변환기를 포함하고 있다. 과전류 또는 과전압이 감지되면, 제어신호를 출력하여 정전류/정전압회로(10)로부터의 전압공급을 차단한다.
도 3은 상기와 같은 충전장치를 이용하여 충전하는 경우에 있어서, 리튬-이온 배터리(40)의 충전곡선을 나타내는 그라프이다. 실선으로 표시된 부분은 전류, 점선으로 표시된 부분을 전압을 표시한다.
퀄리피케이션(Qualification) 구간은 리튬-이온 배터리(40)의 이상 유무를 확인하고, 충전시작시 발생될 수 있는 서지전압 등으로 인한 리튬-이온 배터리(40)의 손상을 방지하기 위한 예비충전구간이다. 이 구간에서 일정시간 동안 예비충전을 행한 뒤에 리튬-이온 배터리 전압이 프로그램된 전압에 이르지 못하면 리튬-이온 배터리가 손상된 것으로 판단하여 충전수행을 중지한다.
페이즈 1(Phase 1) 구간은 리튬-이온 배터리에 충전하는 전류의 양을 일정하게 유지하는 정전류(CC) 모드로서 실질적으로 리튬-이온 배터리를 충전하는 구간이다. 이 구간동안 급속충전을 수행하여 IMAX의 전류를 흘려준다. IMAX는 약 1A정도이며, 이것은 충전사양에 따라서 변경될 수 있는 값이다. 이에 따라서 리튬-이온 배터리의 전압은 점차 상승한다. 이러한 충전상태로 리튬-이온 배터리의 만충전용량의 70% 까지 충전한 후에 정전압(CV) 모드로 전환되어서 충전한다.
페이즈 2(Phase 2) 구간은 리튬-이온 배터리에 일정한 전압을 가하면서 충전하는 정전압모드(CV) 구간이다. 충전이 진행됨에 따라서 충전전류의 양을 점차 감소시키면서 충전하고, 충전전류가 IMIN이 되면 충전을 종료한다.
상기와 같이 종래에는 충전종료시점을 검출하기 위하여, 센싱저항(RSNS)을 리튬-이온 배터리(40)의 (-)단과 그라운드단에 삽입한 후에, 센싱저항(RSNS)의 양단전위차를 검출하여 충전되는 전류를 간접적으로 검출하고, 이것을 이용하여 충전종료시점을 결정하였다.
그러나, 상기와 같은 간접방식으로는 리튬-이온 배터리에 충전되는 전류의 양을 정확하게 측정할 수 없으므로 충전상태가 만충전에 못 미치거나 충전량을 초과한 시점에서 충전이 종료되는 경우가 발생된다.
따라서 충전종료시점이 만충전에 못 미칠 경우에는 일회 충전으로 사용할 수 있는 사용시간이 단축되는 문제점이 발생된다. 또한 만충전을 초과한 상태에서는 배터리의 사용기간을 단축시키거나 화재, 또는 발열에 의한 위험한 상태를 초래할 수 있는 문제점이 있었던 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 리튬-이온 배터리의 충전상태를 정확하게 감지함으로써 과충전으로 인한 화재, 발열을 방지하여 리튬-이온 배터리의 사용기간을 연장시킬 수 있으며, 충전장치에 내장되어 사용될 수 있는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로는, 리튬-이온 배터리 충전시에 과충전상태를 감지하고 전원공급을 차단하기 위한 장치에 있어서, 정전류/정전압회로로부터 리튬-이온 배터리로 유입되는 충전전류(IB)를 감지하고, 이것을 출력전압(VO1)으로 변조하여 출력하는 전류감지부와, 상기 전류감지부로부터 출력되는 전압을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 충전상태를 감지하여 정전류/정전압회로의 전압공급을 제어하는 신호를 출력하는 전압비교부로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1은 종래 사용되는 충전회로의 일실시예의 블럭도,
도 2는 종래 사용되는 충전회로의 다른 실시예의 블럭도,
도 3은 리튬-이온 배터리의 충전상태를 나타내는 그라프,
도 4는 본 발명에 의한 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로의 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 정전류/정전압회로 20: 충전전류센싱부
30: 마이컴 40: 배터리
50: 충전전용 IC 60: 전압비교부
70: 전류감지부 U1,U2: 비교기
RSNS: 센싱저항 Q1: 트랜지스터
R1,R2: 저항
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래 사용되는 리튬-이온 배터리 충전기의 기능 중에서 특히 충전종료를 위하여 전류를 센싱하여 충전을 종료하는 기능을 구현하기 위한 것으로서, 리튬-이온 배터리에 유입되는 충전전류(IB)에 의한 센싱저항(RSNS) 양단의 전위차를 검출하여 역산함으로써 보다 정확한 충전전류(IB)를 구할 수 있다. 따라서 종래의 것에 비하여 충전율을 높이면서 안전하게 충전을 종료한다. 상기와 같은 본 발명은 크게 전류감지부와 전압비교부로 구성되어 있다.
도 4는 본 발명의 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로의 회로도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 전류감지부(70)와 전압비교부(60)로 구성됨을 알 수 있다. 상기 전류감지부(70)는 정전류/정전압회로(10)로부터 리튬-이온 배터리(40)로 유입되는 충전전류(IB)를 감지하고, 이것을 전압으로 변조하여 출력하는 역할을 한다.
전압비교부(60)는 상기 전류감지부(70)로부터 출력되는 전압값을 미리 설정된 기준전압(VREF)과 비교한 후에 충전상태를 지속할 것인가 아닌가를 결정한다. 기준전압은 충전이 안정적으로 유지될 수 있도록 최적의 값을 설정하여야 하며, 충전되는 배터리의 기종에 따라서 변경된다. 따라서 이 기준전압(VREF)을 변경시킴으로서 다양한 충전용 배터리에 본 발명의 회로를 적용할 수 있다.
전류감지부(70)는 센싱저항(RSNS)과, 비교기(U1)와, 트랜지스터(Q1)와, 저항(R1,R2)로 구성되어 있으며, 각 소자들의 연결상태는 다음과 같다.
리튬-이온 배터리(40)의 (+)극과 정전류/정전압회로(10)의 출력단 사이에 연결된 센싱저항(RSNS)과, 일측단자가 상기 센싱저항(RSNS)과 정전류/정전압회로(10) 사이에 연결되고 타측단자가 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결된 저항(R1)과, (-)입력이 상기 센싱저항(RSNS)과 리튬-이온 배터리의 (+)단자 사이에 연결되고 (+)입력이 상기 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결되며 출력단이 상기트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고 기준단자가 리튬-이온 배터리(40)의 (-)단자에 연결된 비교기(U1)와, 일측단자가 상기 트랜지스터(Q1)의 이미터에 연결되고 타측단자가 접지된 저항(R2)으로 구성된다.
또한 전압비교부(60)는, (+)입력이 상기 트랜지스터(Q1)의 이미터와 저항(R2)의 사이에 연결되고, (-)에는 기준전압(VREF)이 입력되며, 출력이 상기 정전류/정전압회로(10)에 연결되는 비교기(U2)로 구성되어 있다.
전류감지부(70)의 작동상태는 다음과 같다.
전류감지부(70)는 센싱저항(RSNS)을 통하여 리튬-이온 배터리(40)에 충전되는 충전전류(IB)를 감지한다. 감지된 충전전류(IB)를 이용하여 센싱저항(RSNS)의 양단의 전위차를 검출하고 이것을 이용하여 출력전압(VO1)을 산출한다. 이러한 출력전압은 비교기(U1)에서 각각의 데이터(충전전류(IB), 공급전압(Vcc))를 이용하여 산출된다.
실제로 비교기(U1)에서의 출력은 트랜지스터(Q1)에 의하여 처리된 후에 출력전압(VO1)으로 나타난다. 출력전압(VO1)은 다음의 식 : 출력전압(VO1)=(1V * IB)/1A에 의하여 산출된다. 또한 상기 전류감지부(70)에서 VCC는 VB의 전위에 2V를 더한 값보다 커야 하며, 이것을 식으로 표시하면, (Vcc≥VB+ 2V)를 만족하여야 한다.
트랜지스터(Q1)의 이미터 단자의 전압값, 즉 출력전압(VO1)은 전압비교부(60)를 구성하는 비교기(U2)의 (+)단으로 입력된다. 전압비교부(60)의 비교기(U2)는 출력전압(VO1)과 (-)단에 연결된 기준전압(VREF)을 비교한다.
비교기(U2)에서의 비교결과, 출력되는 신호는 하이(HIGH) 또는 로우(LOW)가된다. 이 출력신호는 충전회로를 차단하기 위한 제어신호로서, 하이상태는 충전을 지속하고, 로우상태는 충전을 중지하는 신호 또는 그 반대로 설정할 수 있다. 제어신호는, 도시된 바와 같이, 정전류/정전압회로(10)에 입력된다. 상기 전압비교부(60)의 비교기(U2)는 Comparator 또는 OP AMP를 이용하여 구현할 수 있으며, OP AMP를 사용하는 경우에는 필요에 따라서 반전, 비반전 회로를 구성한다.
본 발명에서 설명된 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로(전류감지부(70)와 전압비교부(60))를 도 4에 도시된 것과 같이 정전류/정전압회로(10)와 같이 구성함으로서 충전장치를 구성할 수 있음은 명백하다. 또한 충전전용 IC나 마이컴을 이용한 회로에도 역시 적용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 리튬-이온 배터리의 충전상태를 정확하게 감지함으로써 과충전으로 인한 화재, 발열을 방지하여 리튬-이온 배터리의 사용기간을 연장시킬 수 있으며, 또한 정전류/정전압회로를 더 구비하여 충전장치로 사용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 리튬-이온 배터리 충전시에 과충전상태를 감지하고 전원공급을 차단하기 위한 장치에 있어서,
    정전류/정전압회로로부터 리튬-이온 배터리로 유입되는 충전전류(IB)를 감지하고, 이것을 출력전압(VO1)으로 변조하여 출력하는 전류감지부와, 상기 전류감지부로부터 출력되는 전압을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 충전상태를 감지하여 정전류/정전압회로의 전압공급을 제어하는 신호를 출력하는 전압비교부로 구성됨을 특징으로 하는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류감지부가,
    리튬-이온 배터리의 (+)극과 정전류/정전압회로의 출력단 사이에 연결된 센싱저항(RSNS)과, 일측단자가 상기 센싱저항(RSNS)과 정전류/정전압회로 사이에 연결되고 타측단자가 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결된 저항(R1)과, (-)입력이 상기 센싱저항(RSNS)과 리튬-이온 배터리의 (+)단자 사이에 연결되고 (+)입력이 상기 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 연결되며 출력단이 상기트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고 기준단자가 리튬-이온 배터리의 (-)단자에 연결된 비교기(U1)와, 일측단자가 상기트랜지스터(Q1)의 이미터에 연결되고 타측단자가 접지된 저항(R2)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압비교부가,
    또한 전압비교부는, (+)입력이 상기 트랜지스터(Q1)의 이미터와 저항(R2)의 사이에 연결되고, (-)에는 기준전압(VREF)이 입력되며, 출력이 상기 정전류/정전압회로에 연결되는 비교기(U2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압비교부가 OP AMP로 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류감지부의 비교기(U1)의 출력전압(VO1)이,
    출력전압(VO1)=(1V * IB)/1A 에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 리튬-이온 배터리의 과충전검출회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7436385B2 (en) 2003-07-08 2008-10-14 Lg Display Co., Ltd. Analog buffer and driving method thereof, liquid crystal display apparatus using the same and driving method thereof
KR20110049521A (ko) * 2009-11-05 2011-05-12 엘지이노텍 주식회사 발광 다이오드 구동 장치

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US7436385B2 (en) 2003-07-08 2008-10-14 Lg Display Co., Ltd. Analog buffer and driving method thereof, liquid crystal display apparatus using the same and driving method thereof
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