KR20050064259A

KR20050064259A - 2차 전지의 충전방법 및 충전장치

Info

Publication number: KR20050064259A
Application number: KR1020030095613A
Authority: KR
Inventors: 조규웅
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-06-29
Also published as: US7504803B2; KR100542215B1; CN1658427A; CN100377419C; US20050134231A1; JP2005185098A

Abstract

본 발명은 보다 안정적이며 확실한 급속충전 및 만충전이 가능한 2차 전지의 충전방법 및 충전장치를 제공한다.

본 발명에 따른 2차 전지 충전방법은, 정전류를 소정 시간동안 인가하여 전지를 충전한 후, 전지의 단자간의 전압값에 기초하여 정전류를 인가 또는 차단함으로써 정전류펄스를 인가하여 충전한다.

본 발명에 따르면, 정전류 및 측정된 단자간의 전압에 기초하여 결정된 펄스폭 및 주파수를 갖는 정전류펄스를 인가하여 충전함으로써 2차 전지의 급속충전 및 만충전을 효과적으로 달성할 수 있으며 보다 안정적으로 충전할 수 있다. 또한, 전지내에서 예측하지 못한 전압강하 등이 발생하는 경우에도, 측정된 단자간의 전압에 기초하여 결정된 펄스폭 및 주파수를 갖는 동적 정전류펄스를 인가하여 충전함으로써 미리 설정된 특정 펄스폭과 주파수를 갖는 정적 정전류펄스에 의한 충전시 발생할 수 있는 오류를 막을 수 있다.

Description

2차 전지의 충전방법 및 충전장치{Charging method of rechargeable batteries and device therefor}

본 발명은 재충전이 가능한 2차 전지의 충전방법 및 충전장치에 관한 것으로, 특히 정전류(constant current) 및 정전류펄스(constant current pulse)를 이용하여 2차 전지를 충전하는 충전방법 및 충전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 일단 한번 방전해 버리면 다시 쓸 수 없는 건전지 등을 1차 전지라 하고, 방전되면 다시 재충전하여 계속 사용할 수 있는 축전지를 2차 전지라고 한다.

근래에, 휴대폰, 휴대용 음향기기, 디지털 카메라 등과 같은 휴대기기의 보급의 확산됨에 따라 2차 전지의 수요가 급증하고 있다. 이러한 휴대기기에 사용되는 2차 전지는 안정성이 높고 두께가 얇아 휴대하기 편리한 특성이 요구되는 한편, 빠른 시간에 충전될 수 있으며 충전하는 동안에 충분히 만충전이 될 수 있어 짧은 시간의 충전으로 오래 유지될 수 있는 특성이 요구된다.

이러한 휴대기기에 사용되는 충전지의 충전방법으로 일반적으로 사용되는 방법은 정전류(constant current mode)-정전압(constant voltage mode) 충전방법(이하 CC-CV 충전방법이라 함)이 있다. 이 CC-CV충전방법은, 이차전지를 충전함에 있어서 일정한 정전류로 충전을 수행한 후, 만충전 전위에 가까운 일정한 전압에 이르렀을 때 정전압으로 충전하는 방법이다.

이와 같은 CC-CV 충전방법에 비해서 보다 더 정확한 만충전이 가능하고 또한 더 빠른 충전속도로 충전이 가능한 충전방법이 연구되고 있다.

이러한 충전방법으로, 미국특허공개 제4,736,150호에는, 0.1 ∼10 Hertz의 주파수범위의 펄스전류를 1㎳∼9s 간격으로 인가하여 충전하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법을 이용하여 충전하면 특정 진폭과 주파수의 전류를 사용하여 충전을 수행하기 때문에 전지의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점이 있으나 처음부터 펄스전류를 인가하여 충전하므로 충전시간이 길다는 단점이 있다.

또한, 미국특허공개 제3,938,019호에는, 전지의 충전전압이 일정 전압이 될 때까지 정전류(constant current)를 인가하고 일정 전압이 충전된 후에는 정전류펄스(constant current pulse)를 인가하여 충전하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 미국특허공개 제4,736,150호에 개시된 방법에 비하여 충전시간을 단축시킬 수 있으며 비교적 만충전이 가능하다.

그러나, 소비전력이 큰 다양한 휴대기기의 보급이 급속도로 확산되면서 전지에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 따라서 보다 안정적이면서, 빠른 시간에 만충전이 가능한 보다 개선된 충전방법 및 충전장치가 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 보다 안정적이며 확실한 급속충전 및 만충전이 가능한 2차 전지의 충전방법 및 충전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 첫 번째 특징에 따른 전지 충전방법은,

a) 정전류를 인가하여 상기 전지를 충전하는 단계; 및

b) 상기 전지의 단자간의 전압값에 기초하여 정전류를 인가 또는 차단함으로써 정전류펄스를 인가하여 충전하는 단계를 포함한다.

상기 a) 단계 후에,

c) 일정한 펄스폭의 정전류펄스를 특정 시간동안 인가하여 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 b) 단계 후에,

d) 일정한 펄스폭의 정전류펄스를 특정 시간동안 인가하여 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 b) 단계는,

상기 전지의 단자간의 전압이 제1전압이면 상기 정전류 인가를 차단하는 단계; 및

상기 전지의 단자간의 전압이 상기 제1전압보다 낮은 제2전압이면 상기 정전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 두 번째 특징에 따른 정전류를 인가하여 2차 전지를 충전하는 충전장치는,

상기 전지의 단자간의 전압을 검출하는 전압검출부;

상기 정전류의 인가 또는 차단을 제어하는 스위칭소자; 및

상기 전압검출부에 검출된 전압에 기초하여 상기 스위칭소자를 제어함으로써 전지의 충전을 제어하는 충전제어부

를 포함한다.

상기 충전제어부는, 상기 전압검출부에서 검출된 상기 단자간의 전압이 제1전압이면 상기 스위칭소자를 오프되고, 상기 단자간 전압이 제1전압보다 낮은 제2전압이면 상기 스위칭소자를 온되도록 제어할 수 있다.

또한 충전장치는 만중전상태를 검출하는 만충전검출부를 더 포함하고,

상기 충전제어부가 상기 만충전검출부에서 검출된 만충전신호를 수신할 때까지 충전제어를 수행할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전방법에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전방법으로서, 시간에 따라 충전되는 전지전압의 상태를 보여주는 그래프이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 따른 충전방법은, 전지전압이 특정 전압(V1)이 될 때까지 정전류를 인가하는 정전류 구간 및 전지전압이 특정 전압(V1)이 된 후에 정전류펄스를 인가하는 정전류펄스구간을 포함한다.

먼저, 전지의 단자간 전압이 V1이 될 때까지 정전류를 인가하여 충전한다. 다음에, 전지의 단자간 전압이 V1이 되면, 만충전이 될 때까지 정전류펄스를 인가하여 충전한다. 구체적으로, 전지의 단자간 전압을 검출하여 V1이 되면 스위칭소자를 턴오프(turn-off)시키고, 전지의 단자간 전압이 V1로 검출되면 스위칭소자를 턴온(turn-on)시킴으로써 생성된 정전류펄스를 이용하여 충전한다. 즉, 단자간의 검출된 전압에 따라서 펄스폭이 변하는 동적 정전류펄스(dynamic constant current pulse)를 인가하여 충전하는 것이다.

이와 같은 동적 정전류펄스를 인가하는 정전류펄스 구간을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 2의 (a)는 도 1에서 A부분을 확대하여 도시한 도면이고, (b)는 A부분에서 인가되는 충전전류의 파형을 도시한 도면이다.

도 2의 (a)에서와 같이, 전지의 단자간의 전압이 V2가 되면 스위치소자를 턴오프하고 다시 V1이 되면 턴온하는 과정을 주기적으로 반복한다. 즉, 도 2의 (b)와 같은 충전전류가 인가된다. 이때 스위치소자를 턴온한 후에 다시 단자간의 전압이 V2가 되는 데 걸리는 시간(Ton)은 1주기보다 3주기기에서 더 짧고 단자간의 전압이 V2에서 V1로 떨어지는 데 걸리는 시간(Toff)는 1주기보다 3주기가 더 길어진다. 즉 충전이 진행되어 만충전에 가까워 질 수록 단자간의 전압이 V1에서 V2로 빠르게 충전되고, 스위칭소자가 오프되더라도 V2에서 V1으로 단자간 전압이 낮아지는 데는 많은 시간이 걸리게 되어 보다 확실하고 효과적으로 만충전을 이룰 수 있다.

표 1은 종래의 CC-CV 충전방법에 의한 경우 충전에 소요되는 시간을 보여주는 표이고, 표 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 충전방법에 의한 경우 충전에 소요되는 시간을 보여주는 표이다.

조건	CC	CV	계
시간(분)	60	75	135

조건	정전류구간	정전류펄스구간	계
시간(분)	67.9	42.1	110

이와 같이, CC-CV 충전방법에 의하면 전지를 충분히 충전하기 위하여 135분의 시간이 소요되는데 반하여, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 110분의 시간이 소요된다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 충전시간을 충분히 감소시켜 급속충전을 달성할 수 있다.

다음은, 도 3을 참고로 하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 충전방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충전방법으로서, 시간에 따라 충전되는 전지전압의 상태를 보여주는 그래프이다.

제2 실시예는, 전지의 단자간의 전압이 V1이 되면 정전류펄스를 인가하는 정전류펄스구간이 시작되며, 정전류펄스구간은 정적 정전류펄스구간(t1) 및 동적 정전류펄스구간(t2)을 포함한다는 점이 제1 실시예와 다르다.

제1 실시예와의 차이점을 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4의 (a)는 제2 실시예의 특징부분인 도 3에서 B부분을 확대하여 도시한 도면이고, (b)는 B부분에서 인가되는 충전전류의 파형을 도시한 도면이다.

도 4에서와 같이, 정적 정전류펄스구간(t1)은 전지의 단자간 전압이 V1이 되면, 특정 시간 동안 전지의 단자간 전압에 관계없이 일정한 시간간격으로 스위치를 턴오프함으로써 펄스폭이 일정한 정적 정전류펄스(static constant current pulse)를 인가하는 구간이다.

다음 동적 정전류펄스구간(t2)은 정적 정전류펄스구간이 종료된 후에, 제1실시예와 동일하게 전지의 단자간에서 검출된 전압에 따라 스위치를 온오프함으로써 동적 정전류펄스를 인가하는 구간이다.

표 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 충전시간을 보여주는 표로서, 정전 정전류펄스에 대한 조건을 달리하면서 충전시간을 측정한 것이다.

번호	정전류(분)	정적 정전류펄스		t2(분)	계(분)
번호	정전류(분)	on/off(㎳)	t1(분)	t2(분)	계(분)
1	57.8	500/125	17.8	33.4	109
2	59.0	375/125	18.0	32.0	109
3	56.7	250/125	19.5	30.8	107
4	56.5	125/125	39.6	14.9	111

1번에서는 500㎳동안 온되고 125㎳동안 오프되는 정적 정전류펄스가 인가되는 경우 충전시간을 측정한 것이다.

마찬가지로, 2번 내지 4번은 각각 375,250, 125㎳ 동안 온되고, 125㎳동안 오프되는 정적 정전류펄스가 인가되는 경우 각각의 충전시간을 측정한 것이다.

표 3에서와 같이, 제1 실시예에서의 충전시간(110분 표 2참조)보다 감소시킬 수 있어 급속충전을 실현할 수 있다.

이와 같이, 정전류펄스구간이 정적 정전류펄스를 인가하는 정적 정전류펄스구간과 동적 정전류펄스를 인가하는 동적 정전류펄스구간을 포함함으로써 충전시간을 보다 단축시킬 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 충전방법에 대하여 도 5를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 제3실시예에 따른 충전방법으로, 시간에 따라 충전되는 전지전압의 상태를 보여주는 그래프이다.

제3 실시예는, 동적 정전류펄스구간(t2)을 먼저 수행하고 그 다음에 정적 정전류펄스구간(t1)을 수행한다는 점이 제2 실시예와 다르다.

표 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 충전시간을 보여주는 표로서, 정전 정전류펄스에 대한 조건을 달리하면서 충전시간을 측정한 것이다.

번호	정전류(분)	t2(분)	정적 정전류펄스		계(분)
번호	정전류(분)	t2(분)	on/off(㎳)	t1(분)	계(분)
1	57.8	33.4	500/125	17.8	109
2	59.0	32.0	375/125	18.0	109
3	56.7	30.8	250/125	19.5	107
4	56.5	14.9	125/125	39.6	111

표 4에서와 알 수 있는 바와 같이, 제3 실시예에서는 제2 실시예와 유사한 결과가 관찰될 수 있다. 즉, 제1 실시예에서의 충전시간(110분 표 2참조)보다 감소시킬 수 있어 급속충전을 실현할 수 있다.

이와 같이 전지의 단자간의 전압을 주기적으로 측정하면서 측정된 전압에 의해 스위치소자를 제어하여 펄스충전이 이루어지게 함으로써 전지의 충전을 보다 빠르고 효과적으로 수행할 수 있다.

다음은, 본 발명의 충전방법을 수행할 수 있는 충전장치에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 충전장치의 구성을 보여주는 도면이다.

도 6에서와 같이, 충전장치(100)는 전지의 단자간의 전압을 검출하는 전압검출부(110), 전지의 만충전을 검출하는 만충전검출부(130), 스위칭소자(140), 전압검출부(110)로부터 신호를 수신하여 스위칭소자(140)를 제어함으로써 전지의 충전을 제어하는 충전제어부(120) 및 전지를 충전하는 충전부(150)를 포함한다.

전압검출부(110)는 전지의 단자간의 전압을 검출하여 충전제어부(120)로 그 신호를 전달한다.

충전제어부(120)는 전압검출부(110)에서 검출한 전지 단자간의 전압에 기초하여 단자간의 전압 V2가 될 때까지 정전류를 인가하여 충전도록 충전부(150)를 제어한다.

다음에, 전압검출부(110)에서 검출된 전지의 단자간 전압이 V2가 되면, 충전부(120)에 인가되는 정전류가 온오프되도록 스위칭소자(140)를 제어한다. 구체적으로, 충전제어부(120)는, 단자전압이 V2가 되면 스위칭소자(140)를 턴오프되게 하고, 단자전압이 V1이 되면 스위칭소자(140)를 턴온되게 하여 충전부(150)에 인가되는 전류가 정전류펄스가 되도록 한다.

이와 같이 정전류펄스를 인가하여 충전하여 만충전검출부(130)으로부터 만충전상태 신호를 수신하면, 충전제어부(120)는 충전을 종료하게 된다.

이와 같은 중전장치(100)에 의해 2차 전지는 빠른 시간에 확실하고 효과적으로 만충전될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

본 발명에 따르면, 정전류 및 측정된 단자간의 전압에 기초하여 결정된 펄스폭 및 주파수를 갖는 정전류펄스를 인가하여 충전함으로써 2차 전지의 급속충전 및 만충전을 효과적으로 달성할 수 있으며 보다 안정적으로 충전할 수 있다.

또한, 전지내에서 예측하지 못한 전압강하 등이 발생하는 경우에도, 측정된 단자간의 전압에 기초하여 결정된 펄스폭 및 주파수를 갖는 동적 정전류펄스를 인가하여 충전함으로써 미리 설정된 특정 펄스폭과 주파수를 갖는 정적 정전류펄스에 의한 충전시 발생할 수 있는 오류를 막을 수 있다.

도 2는 도 1에서 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 충전장치의 구성을 보여주는 도면이다.

Claims

2차 전지를 충전하는 충전방법에 있어서,

a) 정전류를 인가하여 상기 전지를 충전하는 단계; 및

b) 상기 전지의 단자간의 전압값에 기초하여 정전류를 인가 또는 차단함으로써 정전류펄스를 인가하여 충전하는 단계

를 포함하는 충전방법.
제1항에 있어서, 상기 a) 단계 후에,

c) 일정한 펄스폭의 정전류펄스를 특정 시간동안 인가하여 충전하는 단계를 더 포함하는 충전방법.
제1항에 있어서, 상기 b) 단계 후에,

d) 일정한 펄스폭의 정전류펄스를 특정 시간동안 인가하여 충전하는 단계를 더 포함하는 충전방법.
제1항 내지 제3항에 있어서,

상기 b) 단계는,

상기 전지의 단자간의 전압이 제1전압이면 상기 정전류 인가를 차단하는 단계; 및

상기 전지의 단자간의 전압이 상기 제1전압보다 낮은 제2전압이면 상기 정전류를 인가하는 단계를 포함하는 충전방법.
정전류를 인가하여 2차 전지를 충전하는 충전장치에 있어서,

상기 전지의 단자간의 전압을 검출하는 전압검출부;

상기 정전류의 인가 또는 차단을 제어하는 스위칭소자; 및

상기 전압검출부에 검출된 전압에 기초하여 상기 스위칭소자를 제어함으로써 전지의 충전을 제어하는 충전제어부

를 포함하는 충전장치.
제5항에 있어서,

상기 충전제어부는, 상기 전압검출부에서 검출된 상기 단자간의 전압이 제1전압이면 상기 스위칭소자를 오프되고, 상기 단자간 전압이 제1전압보다 낮은 제2전압이면 상기 스위칭소자를 온되도록 제어하는 충전장치.
제5항에 있어서,

만중전상태를 검출하는 만충전검출부를 더 포함하고,

상기 충전제어부는 상기 만충전검출부에서 검출된 만충전신호를 수신할 때까지 충전제어를 수행하는 중전장치.