KR20020027019A

KR20020027019A - 충전장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020027019A
Application number: KR1020000058175A
Authority: KR
Inventors: 김광헌; 허민호; 안재영; 강신영; 박영수
Original assignee: 김광헌
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2002-04-13

Abstract

본 발명은 충전장치 및 방법에 관한 것으로, 각 셀 별로 단자전압을 검출하여 이를 통해 각 셀 별 충전상태를 체크하고 체크결과 충전이 완료된 셀부터 선택적으로 충전을 종료시킴으로써, 모든 셀들을 균등하게 충전시켜 과충전이나 과방전이 방지하고 이를 통해 셀의 사용수명을 연장시킬 수 있게 한 것이다. 이러한, 본 발명은, 모든 셀들이 균등하게 충전되므로, 각 셀들간의 잔존용량의 차이가 감소되어 방전시의 출력효율이 향상됨은 물론, 출력시의 전류 및 전압이 보다 안정화되어 부하에 신뢰성있게 전원을 공급할 수 있다.

Description

충전장치 및 방법 {Apparatus and method for charging cells}

본 발명은 충전장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잔존용량의 차이 없이 복수의 셀들을 균등하게 충전할 수 있는 충전장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 큰 부하를 구동하는 장치에 사용되는 셀(Cell, 전지)은 대용량을 필요로 하나, 대용량의 전지를 단일 모듈로 제작하기는 어렵기 때문에, 대개 소용량의 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하고 있다.

현재까지 개발된 통상의 충전장치는, 전체 셀들의 충전 중지 전압을 설정하여 충전시에 셀들의 전압이 충전 중지 전압에 도달되면 일제히 모든 셀들에 대한 충전을 중지하도록 되어 있다.

그런데, 상기한 종래의 충전장치에서와 같이, 소용량의 셀들을 직렬 또는 병렬로 복수개 연결하여 충전을 일률적으로 하게 되면, 그 충방전횟수가 증가될수록 각 셀들간에 잔존용량(State Of Charge; "SOC")이 불균등해짐에 따라 셀 간에 과충전이나 과방전이 발생하며, 이로 인해 셀의 수명이 단축되고 충전효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 셀별로 개개의 충전상태에 따라 충전시간을 각기 다르게 조절함으로서, 모든 셀을 균등하게 충전시켜 과충전이나 과방전을 방지할 수 있는 충전장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전장치의 개략적인 블록구성도,

도 2는 도 1에 도시된 셀모듈의 개략적인 블록구성도,

도 3은 도 2에 도시된 제어부의 동작과정을 설명하기 위한 플로우챠트,

도 4는 본 발명에 따라 복수의 셀을 선택적으로 컷-오프시키며 충전하는 상태를 예시한 도면,

도 5의 (a)는 종래의 충전장치에 의해 충전할 때 각 셀들의 잔존용량변화를 나타낸 그래프,

도 5의 (b)는 본 발명의 충전장치에 의해 충전할 때 각 셀들의 잔존용량변화를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 충전기 200: 셀모듈

210-1∼210-n: 셀 220-1∼220-n: 절환부

230-1∼230-n: 전압검출부 240: 제어부

300: 방전기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충전장치는, 충전시에 상기 복수의 셀을 도통시키고 각 셀을 선택적으로 컷-오프시키는 복수의 절환부와, 각 셀의 단자전압을 검출하는 전압검출부와, 상기 절환부를 제어하여 각 셀을 충전 또는 방전시키고 충전시에 상기 전압검출부를 통해 각 셀의 단자전압을 검출하여 전압변화율이 "0"인 셀부터 선택적으로 컷-오프시키는 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충전방법은, 충전 시에 각 셀들로 충전전압을 인가하는 충전스텝과, 각 셀의 단자전압을 검출하여 그 변화율을 체크하는 전압검출스텝과, 상기 전압검출스텝에서 단자전압변화율이 0인 셀이 있는 경우 해당 셀을 선택적으로 컷-오프하여 충전을 중단시키고 상기 전압검출스텝으로 되돌아가는 선택적 셀 컷-오프스텝과, 상기 선택적 셀 컷-오프스텝에서 모든 셀이 컷-오프되면 충전을 중단하는 스텝으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전장치의 개략적인 블록구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명의 충전장치는, 충전기(100)와 셀모듈(200)과 방전기(300)로 구성된다.

상기 충전기(100)는 충전시에 미리 설정된 값에 따라 충전전류 및 전압을 조절하는 것으로, 일예로, 스위칭소자를 이용한 쵸핑(Chopping)을 통해 충전전류 및 전압을 조절할 수 있다.

상기 셀모듈(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상호 직렬로 연결된 복수개의셀(210-1∼210-n)과 복수개의 절환부(220-1∼220-n)와 전압검출부(230-1∼230-n) 및 제어부(240)로 구성된다.

도 2에 있어서, 상기 절환부(220-1∼220-n)는 제어부(240)로부터 인가되는 게이트제어신호(S1-1∼S1-n)에 따라 직렬로 연결된 각 셀들(210-1∼210-n)을 충전시키는 방향으로 도통시키는 충전용 스위칭소자(Q1-1∼Q1-n)와, 제어부(240)로부터 인가되는 게이트제어신호(S2-1∼S2-n)에 따라 직렬로 연결된 각 셀들(210-1∼210-n)을 방전시키는 방향으로 도통시키는 방전용 스위칭소자(Q2-1∼Q2-n) 및, 충전시에 제어부(240)로부터 선택적으로 인가되는 게이트제어신호(S3-1∼S3-n)에 따라 각각의 셀로 인가되는 충전전류를 선택적으로 바이패스하는 컷-오프용 스위칭소자(Q3-1∼Q3-n)로 구성된다.

상기 전압검출부(230-1∼230-n)는 각 셀의 단자전압을 검출하여 이를 제어부(240)로 입력한다.

상기 제어부(240)는 소정의 제어수단으로부터 입력되는 충전신호 또는 방전신호에 따라 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n) 또는 방전용 스위칭소자들(Q2-1∼Q2-n)의 스위칭동작을 제어한다. 여기서, 상기 제어수단은, 충전기(100) 및 방전기(300)일 수 있으며, 또는 전체 충전장치의 동작을 제어하는 도시생략된 메인프로세서나 키조작부 등이 될 수 있다.

또한, 제어부(240)는 충전시에 각 전압검출부(230-1∼230-n)를 통해 각 셀의 단자전압(Vt1∼Vt2)을 소정의 단위시간마다 반복적으로 검출하여 단자전압변화율()을 산출하고 단자전압변화율()이 "0"인 셀의 컷-오프용 스위칭소자를 동작시켜 해당 셀의 충전을 중단시킨다.

상기 방전기(300)는 셀모듈(200)에 충전되어 있는 전류를 부하로 인가하는 장치로, 셀모듈(200)로부터 방전되는 전압의 리플을 제거하고 서지 또는 돌입전류를 방지하기 위한 안정회로와 출력전압을 검출하여 검출된 출력전압에 따라 셀모듈로부터 출력되는 전류치를 조절하는 전류조절회로 등을 더 포함할 수 있다.

이제 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

초기상태에서, 셀모듈(200)의 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)과 방전용 스위칭소자들(Q2-1∼Q2-n) 및 컷-오프용 스위칭소자(Q3-1∼Q3-n)들은 모두 턴오프되어 있으며, 각 전압검출부(230-1∼230-n)으로부터 각 셀(210-1∼210-n)의 단자전압이 검출되어 검출된 단자전압값(Vt1∼Vt2)들이 제어부(240)로 입력된다.

이때, 충전기(100)로부터 충전전류가 셀모듈(200)로 인가되고 소정의 제어수단(일예로, 충전기 또는 도시생략된 메인프로세서 또는 키조작 등)으로부터 충전신호가 셀모듈(200)의 제어부(240)로 입력되면, 제어부(240)는 모든 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)을 턴온시키기 위한 게이트제어신호(S1-1∼S1-n)을 출력한다.

상기 제어부(240)로부터 출력되는 게이트제어신호(S1-1∼S1-n)에 의해 모든 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)이 턴온되고, 충전기(100)로부터 인가되는 충전전류가 첫 번째 셀(210-1)로부터 마지막 번째의 셀(210-n)방향으로 도통되어 각 셀들(210-1∼210-n)이 충전된다(S10).

이와 동시에 제어부(210)는 내장된 타이머를 구동하여 시간을계수하며(S20), 계수된 시간을 소정의 설정시간()과 비교하여(S30), 비교결과 현재까지 계수된 시간이 설정시간()이하이면 상기 스텝(S20)으로 되돌아가 계속 시간을 계수한다.

만약, 상기 스텝(S30)에서 현재까지 계수된 시간이 설정시간()을 초과하면, 제어부(240)는 각 전압검출부들(230-1∼230-n)을 통해 각 셀들의 단자전압을 검출하여 이를 통해 각 셀들(210-1∼210-n)의 잔존용량을 검출한다(S40).

여기서, 부연하여 설명하면, 셀의 잔존용량은 대개 셀의 단자전압과 밀접한 관계를 가지고 있으므로, 셀의 단자전압별 잔존용량을 실험하여 이때 구해진 실험값을 테이블로 정리하고 각 셀의 단자전압을 상기 테이블에 대입하여 각 셀의 잔존용량을 검출한다. 상기 테이블은 제어부(240)의 내부 메모리나 별도의 롬테이블 등에 저장될 수 있다.

다음, 제어부(240)는 상기 스텝(S40)에서 검출된 각 셀들(210-1∼210-n)간의 잔존용량의 차이를 산출하여 산출된 잔존용량의 차이가 설정비율(Rs; 예를 들면, 5% 정도)의 이내인지를 판단하여(S50), 판단결과 각 셀들(210-1∼210-n)간의 잔존용량의 차이가 설정비율(Rs)을 초과하면 상기 스텝(S40)으로 되돌아가 다시 각 셀들(210-1∼210-n)의 잔존용량을 검출한다.

만약, 상기 스텝(S50)에서 각 셀들(210-1∼210-n)간의 잔존용량의 차이가 설정비율(Rs)의 이내이면 제어부(240)는 각 전압검출부들(230-1∼230-n)을 통해 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압을 소정시간단위로 검출한다(S60).

즉, 충전초기에는 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압이 불안정한 상태를 나타내므로, 소정의 설정시간()까지는 각 셀들(210-1∼210-n)을 일률적으로 충전하다가, 각 셀들(210-1∼210-n)간의 잔존용량의 차이가 설정비율(Rs)의 이내이면 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압이 안정된 상태를 보이는 시점이므로 이때 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압을 검출하여 충전상태를 판단하는 것이다.

제어부(240)는 상기 스텝(S60)에서 소정시간단위로 검출되는 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압에 대한 변화율()을 각각 산출하여, 산출된 각 셀들의 단자전압변화율()이 "0"(Zero)인 셀이 있는지를 판단하여(S70), 단자전압변화율()이 "0"인 셀인 하나도 없으면 상기 스텝으로 되돌아가 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압을 다시 검출한다.

만약, 상기 스텝(S70)에서의 판단결과 단자전압변화율()이 "0"인 셀이 있으면, 제어부(240)는 단자전압변화율()이 "0"인 셀의 컷오프용 스위칭소자로 해당 셀을 컷-오프시키기 위한 게이트제어신호를 출력한다.

상기 제어부(240)로부터 게이트제어신호가 인가된 셀의 컷오프용 스위칭소자는 턴온되며, 컷오프용 스위칭소자가 턴온된 셀은 충전전류가 턴온된 컷오프용 스위칭소자를 통해 바이패스되므로 전류가 흐르지 않게 되어 충전이 중단된다(S80).

여기서, 제어부(240)는 각 셀들을 컷-오프시킬때마다 컷-오프되는 셀을 체크하고, 모든 셀이 컷-오프되었는지의 여부를 판단하며(S90), 판단결과 모든 셀이 커-오프되지 않았으면 각 셀들(210-1∼210-n)의 단자전압을 검출하는 상기 스텝(S60)으로 되돌아간다.

만약, 상기 스텝(S90)에서의 판단결과 모든 셀들이 컷오프되었으면, 제어부(240)는 모든 셀모듈(200)의 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)과 방전용 스위칭소자들(Q2-1∼Q2-n) 및 컷-오프용 스위칭소자(Q3-1∼Q3-n)들을 모두 턴오프시킴으로써, 충전을 종료한다.

참고적으로, 모든 셀이 컷-오프되는 시점에서부터 제어부(240)의 충전종료제어에 의해 모든 셀모듈(200)의 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)과 방전용 스위칭소자들(Q2-1∼Q2-n) 및 컷-오프용 스위칭소자(Q3-1∼Q3-n)들을 모두 턴오프시키기 까지의 매우 짧은 시간동안 셀모듈(200)의 내부가 회로적으로는 단락(Short)되나, 충전기(100)가 출력전류를 조절하도록 되어 있고 충전기(100)의 출력단에는 저항소자가 설치되는 것이 통상적이므로, 실질적으로 단락현상은 발생되지 않는다.

단락이 염려스러운 경우에는 제어부(240)가 마지막으로 컷-오프되는 셀의 컷-오프용 스위칭소자를 턴온시키지 않고, 모든 셀모듈(200)의 충전용 스위칭소자들(Q1-1∼Q1-n)과 방전용 스위칭소자들(Q2-1∼Q2-n) 및 컷-오프용 스위칭소자(Q3-1∼Q3-n)들을 모두 턴오프시키는 충전종료제어를 수행하도록 알고리즘을 구성함으로써, 단락현상의 발생을 완벽하게 방지할 수 있다.

대개 다수의 셀을 충전하는 충전장치에서는, 셀의 손상을 방지하고 사용수명을 연장시키기 위해 각 셀들을 높은 전류로 1회충전한 다음 차츰 충전전류치를 낮추어 수회(일예로, 4∼5회정도) 반복적으로 충전하는 계단식충전방법을 많이 사용하는데, 이와 같이 계단식충전방식으로 충전을 수행할 때에는, 각 충전스텝별로 충전전류치와 충전전압은 낮추면서 상기한 제어스텝(S10∼S90)을 매 충전스텝마다 반복적으로 수행하게 된다(도 4 참조).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 각 셀 별로 충전상태에 따라 충전이 완료된 셀부터 선택적으로 충전을 종료하므로 모든 셀들이 균등하게 충전되어 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 각 셀들간의 잔존용량(SOC)의 차이가 시간의 경과에 따라 감소하다 소정 시점부터 그 차이가 없어지게 된다. 참고로, 도 5의 (a)는 종래의 충전장치에 의해 충전할 때 각 셀들의 잔존용량변화를 나타낸 그래프로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 종래의 충전장치는 모든 셀들을 일률적인 시간으로 충전하기 때문에, 각 셀들간의 잔존용량(SOC)의 차이가 충전시간이 경과될수록 오히려 커지는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는, 각 셀들을 직렬로 연결한 경우만을 예로 들어 설명하였으나, 이는 본 발명의 실시가능한 구성예 중 하나의 경우만을 예시한 것일뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 각 셀들을 병렬로 연결한 경우에도 본 발명은 용이하게 적용될 수 있음을 명심해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 각 셀 별로 충전상태에 따라 충전이 완료된 셀부터 선택적으로 충전을 종료하므로 모든 셀들이 균등하게 충전되어 과충전이나 과방전이 방지되어, 셀의 사용수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 모든 셀들을 균등하게 충전함으로써, 각 셀들간의 잔존용량의 차이가 감소되어 방전시의 출력효율이 향상됨은 물론, 출력시의 전류 및 전압이 보다 안정화되어 부하에 신뢰성있게 전원을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims

복수의 셀을 충전시키는 충전장치에 있어서,

충전시에 상기 복수의 셀을 도통시키고 각 셀을 선택적으로 컷-오프시키는 복수의 절환부와,

각 셀의 단자전압을 검출하는 전압검출부와,

상기 절환부를 제어하여 각 셀을 충전 또는 방전시키고 충전시에 상기 전압검출부를 통해 각 셀의 단자전압을 검출하여 전압변화율이 "0"인 셀부터 선택적으로 컷-오프시키는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 충전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 절환부는, 상기 제어부로부터의 제어신호에 따라 해당 셀로 충전전류를 도통시키는 충전용 스위칭소자 및, 상기 제어부로부터의 제어신호에 따라 충전전류가 해당 셀로 도통되지 않게 바이패스시키는 컷오프용 스위칭소자로 구성된 것을 특징으로 하는 충전장치.
제 2 항에 있어서, 상기 절환부는, 상기 제어부로부터의 제어신호에 따라 해당 셀의 충전전류를 방전단자로 도통시키는 방전용 스위칭소자를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 충전장치.
복수의 셀을 충전시키는 충전방법에 있어서,

충전 시에 각 셀들로 충전전압을 인가하는 충전스텝과,

각 셀의 단자전압을 검출하여 그 변화율을 체크하는 전압검출스텝과,

상기 전압검출스텝에서 단자전압변화율이 0인 셀이 있는 경우 해당 셀을 선택적으로 컷-오프하여 충전을 중단시키고 상기 전압검출스텝으로 되돌아가는 선택적 셀 컷-오프스텝과,

상기 선택적 셀 컷-오프스텝에서 모든 셀이 컷-오프되면 충전을 중단하는 스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하는 충전방법.
제 4 항에 있어서, 상기 전압검출스텝 이전에, 충전을 시작한 시점으로부터 시간을 계수하는 시간계수스텝과,

계수된 시간이 설정시간을 초과하면 각 셀들의 단자전압을 검출하여 이를 통해 각 셀들의 잔존용량을 검출하는 잔존용량검출스텝과,

검출된 각 셀들의 잔존용량의 차이가 소정의 설정비율을 초과하면 상기 잔존용량검출스텝으로 되돌아가고 잔존용량의 차이가 설정비율의 이내이면 상기 전압검출스텝으로 진행하는 스텝을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전방법.
제 5 항에 있어서, 상기 잔존용량검출스텝에서는, 검출된 각 셀의 단자전압을 셀의 단자전압별 잔존용량에 대한 실험값이 기록된 테이블에 대입하여 잔존용량을 구하는 것을 특징으로 하는 충전방법.