KR20060078967A

KR20060078967A - 직렬 연결된 2차 조합전지의 밸런스 충전 제어 방법

Info

Publication number: KR20060078967A
Application number: KR1020040118225A
Authority: KR
Inventors: 이응조; 고현석; 주훈
Original assignee: 주식회사 엠피에스
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2004-12-31
Publication date: 2006-07-05

Abstract

본 발명은 전지팩의 충전 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개 이상의 직렬로 연결되어 있는 2차 전지를 충전할 때에 전지팩 내부에서 각각의 전지에 대해 전압을 실시간으로 모니터링하고 있다가, 충전 전류가 상한 전압에 도달한 전지 쪽으로 가지 못하도록 바이패스 시킨 상태로 충전을 유지하는 밸런스 충전 방법을 사용함으로써 상한 전압에 도달한 전지는 과충전이 되는 것을 방지하고, 상한 전압에 도달하지 못한 전지는 계속해서 충전하여 마지막 전지까지 만충전 할 수 있는 효과를 얻을 수 있어 충방전 싸이클이 여러 회 반복해도 용량 감소가 없는 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법에 관한 것이다.

또한, 장기간 방치한 2차 전지팩에서 흔히 발생하는 자가 방전에 따른 전지 간 용량 차이도 상기와 같은 밸런스 충전 제어 방법에 의해 충전하면, 자가 방전한 용량만큼 보상 받게 되므로 전지팩 용량이 감소됐던 부분을 회복하게 되는 효과를 가진다.

2차 전지팩, 충전, 모니터링, 국부 저항, 밸런스

Description

2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법 {Balance Charging Control Method of 2nd-Series Battery Pack}

도 1a 내지 도 1b는 종래의 충전 제어 방법에 대해 도시한 회로도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 2차 직렬 전지팩의 대략적인 구성도 및 물리적, 전기적 회로를 도시한 회로도이다.

도 3a 내지 도 3e는 4개의 전지가 직렬로 연결되었을 경우를 예로 들어 본 발명에 따른 2차 직렬 밸런스 충전 제어 방법을 설명하기 위한 대략적인 회로를 도시한 회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 전지 모듈 12 : 전지

14 : 국부 저항 20 : 모니터링 모듈

30 : 스위치 모듈 32, 34 : 스위치 소자

40 : 제어 모듈

본 발명은 전지팩의 충전 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 전지를 충전 할 때에 각각의 전지에 대해 전압을 실시간으로 모니터링하고 있다가 충전 전류가 상한 전압에 도달한 전지 쪽으로 가지 못하도록 바이패스 시킨 상태로 충전을 유지하는 밸런스 충전 방법을 사용함으로써 상한 전압에 도달한 전지는 과충전이 되는 것을 방지하고, 충방전 싸이클이 여러 회 반복해도 용량 감소가 없는 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전지는 전기화학 반응을 이용한 장치로, 동일한 양, 음극 활물질을 이용하여 동일 구조로 제작된 동일 용량을 갖는 전지라고 할지라도 충전 시 전지 내부에서 전기화학 반응 차이를 보이게 되므로 전지 각각의 특성이 조금씩 상이하게 나타난다.

전지의 여러 가지 특성 중 직렬 충전에서 고려해야 될 사항은, 각각의 전지에 대한 전압과 전압 상승 속도이다. 상기에서 전압은 자기 방전의 정도를 유추할 수 있다. 직렬로 연결된 전지를 일정한 전류로 충전하였을 때, 전압 상승 속도가 상이하기 때문에 일정 전압에 먼저 도달한 전지가 있는 반면에, 일정 전압에 아직 도달하지 못한 전지가 발생하게 된다. 또한, 전압 상승 속도가 같다고 하더라도 장기간 방치해 두었을 때 자가 방전에 의한 용량 감소의 차이를 보이므로 직렬 충전을 하게 되면 자가 방전이 적은 전지부터 일정 전압에 먼저 도달하게 된다.

또한, 전압 상승 속도가 같고, 자가 방전률이 같다고 하더라도 충방전 횟수가 많아지게 되면 양, 음극 활물질이 노화되는 과정에서 전지의 특성이 처음과 다르게 나타나기 때문에 직렬 충전 시 일정 전압에 도달하는데 전지간의 편차를 갖는다.

전지를 단위 전지로만 사용한다면, 충전기에서 설정된 상한 전압 이상이 되지 못하도록 제어하기 때문에 상기의 전지간의 편차는 문제가 되지 않는다. 그러나, 2차 직렬 전지팩의 충전일 경우, 전지간의 편차를 무시하고 직렬로 연결된 전지팩을 충전기의 상한 전압(Upper Voltage)(한개 전지의 상한 전압*직렬 전지 수)에 맞춰 충전을 하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

즉, 예를 들어, 전지의 동작 전압이 2.5 V에서4.0 V까지 되는 전지가 있다고 하고, 이 전지 5개를 직렬로 연결하여 정전류로 충전한다고 하면, 충전기의 상한 전압은 4.0 V*5 = 20.0 V가 된다. 그런데 전지의 편차 때문에 1개의 전지가 4.0 V에 도달하고 나머지 전지들이 4.0 V에 도달하지 않았다면 충전기는 전지팩 전압이 20.0 V이하이므로 계속해서 충전 전류를 방출한다. 결과적으로 먼저 4.0 V에 도달한 전지는 4.0 V를 넘어서기 시작하고 나머지 전지들과의 합이 20.0 V가 될 때까지 과충전 하게 된다. 이 전지는 과충전된 만큼 전지의 용량과 수명이 감소되게 되고 나머지 전지는 100 % 충전되지 못하고 용량이 미달된 상태로 남게 된다.

이하, 도면을 참조하여 일반적인 2차 직렬 전지팩의 충전 방법에 대해 설명하고자 한다.

도 1a는 종래의 모니터링을 제어하는 방식으로 충전하는 방법에 대해 도시한 회로도이고, 도 1b는 종래의 모니터링에 국부저항을 더 사용하여 충전을 제어하는 방법에 대해 도시한 회로도이다.

도 1a를 참조하면, 전지가 과방전 되는 것을 방지하고자 종래의 제어 방법에서는 전지팩 내부에 전지 모듈(10)의 각각의 전지(12) 전압을 모니터링 하는 모니터링 모듈(20)을 두어 직렬 충전 도중 하나의 전지가 상한 전압을 초과하면 충전 전류를 차단하여 전지를 보호할 수 있도록 하였다.

하지만, 상기와 같은 방법은, 첫째, 과충전으로 인하여 전지 수명이 감소되지 않지만 100% 충전을 할 수 없다는 단점과, 둘째, 방전 시에 만충전 되지 못한 전지가 먼저 하한 전압에 도달하고, 다시 충전 시에 만충전 되었던 전지가 상한 전압에 먼저 도달하는 과정이 반복적으로 누적됨으로써 전지팩의 용량이 충방전 싸이클을 반복하면 할수록 감소하게 된다는 단점을 가지고 있었다.

이에 대한 보완 방법으로 제시된 것이, 도 1b와 같이, 국부 저항(14)을 사용하여 충전 전류의 일부를 열로 방출하는 방법이었다. 하지만, 상기와 같은 방식으로 사용되는 전지(12)는 일반적으로 용량이 800 mAh이하이고, 이 때, 충전 전류 0.5 C(400 mA)로 충전하다가 상한 전압에 도달한 전지(12)가 발생하면, 국부 저항(14) 쪽으로 100 mA를 흘려 에너지를 열로 방출 시키는 방식으로 4 개 이상의 직렬 전지 개수를 초과하여 사용하면, 상기 국부 저항을 통해 발생한 열이 제어회로의 소자들에게 열충격을 주어 4 개 이하의 직렬 전지 즉, 소용량 전지에서만 사용이 가능하다는 한계점을 가지고 있었다.

또한, 상기의 방식은 충전 전류를 차단하는 것이 아니라 충전 전류의 일부를 소모하는 방식으로 전압 상승 기울기가 바뀌는 정도만큼의 효과 밖에 얻을 수 없어 에너지 효율이 떨어지는 문제점을 안고 있었다. 즉, 다시 말해서, 만약 대용량 전지에서 이 방식으로 충전 밸런스를 한다면, 과충전 되는 것을 방지하고자 충전 전류의 25%를 국부 저항을 통해 방출해야 한다. 만약, 6500 mAh의 전지를 0.5C(3250 mA)로 충전한다면 800 mA를 국부 저항 쪽으로 돌려야 하는데 실험 결과 기울기의 정도가 거의 차이가 없으며 1개의 전지에서 0.8 cal/sec의 열이 발생하는 문제가 있다.

모든 2차 전지는 에너지 저장, 방출이 가역적으로 전환 되는 전압범위인 상한 전압과 하한 전압 사이에서 사용하여야 한다. 만약, 상기 상한이나 하한 전압을 넘어서 사용하면, 전기화학 반응에 의해 양, 음극 활물질이 비가역적으로 전환되는 부분이 발생하여 전지의 용량과 수명이 감소하거나 전기화학 반응열에 의해 전지가 위험해진다. 따라서 전지를 과충전 시킨다는 것은 정도에 따라 전지의 용량과 수명을 감소시키거나 전지를 사용할 수 없게 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 2개 이상의 직렬로 연결되어 있는 2차 전지를 충전 할 때에 전지팩 내부에서 각각의 전지에 대해 전압을 실시간으로 모니터링하고 있다가 충전 전류가 상한 전압에 도달한 전지 쪽으로 가지 못하도록 옆으로 돌려서 바이패스 시킨 상태로 충전을 유지하는 밸런스 충전 방법을 사용함으로써 상한 전압에 도달한 전지는 과충전이 되는 것을 방지하고, 상한 전압에 도달하지 못한 전지는 계속해서 충전하여 마지막 한 개의 전지까지 100% 만충전 할 수 있는 효과를 얻을 수 있어 충방전 싸이클이 여러 회 반복한다고 할지라도 용량 감소가 없는 2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법을 제공함을 목적으로 가진다.

그리고 상기와 같은 시스템을 이용하여, 장기간 방치한 2차 전지팩에서 흔히 발생하는 자가 방전에 따른 전지 간 용량 차이도 상기와 같은 밸런스 충전 제어 방법에 의해 충전하면, 자가 방전한 용량만큼 보상 받게 되므로 전지팩 용량이 감소됐던 부분을 회복할 수 있는 목적도 달성할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법을 설명하고, 또한 상기 과정들을 달성하기 위한 2차 직렬 전지팩의 내부 구성 모듈을 제안한다.

2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어를 위하여 본 발명은, 2개 이상의 전지모듈이 직렬연결로 이루어진 2차 전지팩에 충전전류를 흘리는 제 1단계와; 모니터링 모듈이 각각의 전지 모듈의 충전 전압을 실시간으로 모니터링 하는 제 2단계와; 제어 모듈은 상기의 모니터링 결과를 입력받아 이로부터 각각의 전지 모듈이 상한(Upper) 전압에 도달하는 순간 스위치 모듈을 동작시켜 전류가 전지 모듈을 바이패 스 하도록 하는 제 3단계와; 모든 전지 모듈이 상한 전압에 도달하여 바이패스 상태가 되면, 스위치 모듈을 동작시켜 모든 전류를 전지 모듈 쪽으로 흐르게 하여 정전압 모드로 전환하는 제 4단계를 구비한다.

또한, 상기 각 단계들을 제어하기 위하여 2차 직렬 전지팩은, 2개 이상의 전지의 직렬연결로 구성된 전지 모듈과; 각 전지 모듈의 충전 전압이 상한 전압에 도달하는 지를 모니터링 하여 그 값을 제어 모듈로 전송하는 모니터링 모듈과; 제어 모듈로부터 제어 신호를 수신하여, 이에 따라 스위치를 온오프 시켜 각 전지 모듈을 바이패스 시키는 스위치 모듈과; 상기 각 모듈을 제어하며, 상기 모니터링 모듈로부터 입력되는 값을 연산하여 스위치 모듈을 동작 시키는 신호를 생성하는 제어 모듈을 구비한다.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명에 따른 2차 직렬 전지팩의 밸런스의 대략적인 구성도이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 2차 직렬 전지팩은 2개 이상의 전지(12)의 직렬연결로 구성된 전지 모듈(10)과, 각 전지(12)의 충전 전압이 상한 전압에 도달하는 지를 모니터링 하여 그 값을 제어 모듈(40)로 전송하는 모니터링 모듈(20)과, 제어 모듈(40)로부터 제어 신호를 수신하여, 이에 따라 스위치 소자(32, 34)를 온오프 시켜 각 전지 모듈(10)을 바이패스 시킬 수 있도록 하는 스위치 제어 모듈(30)과, 상기 각 모듈을 제어하며, 상기 모니터링 모듈(20)로부터 입력되는 값을 연산하여 스위치 모듈(30)을 동작 시키는 신호를 생성하는 제어 모듈(40)로 구성되어 있다.

상기의 모니터링 모듈(20)이 각 전지의 충전 전압을 모니터링 하여 이에 대한 결과값을 제어 모듈(40)로 전송하면, 제어 모듈은 상기 전송 받은 결과값으로부터 스위치 모듈(30)의 어떤 소자를 동작시켜 어떤 전지를 바이패스 할 것인지를 결정하여 해당하는 신호를 생성하고, 이를 스위치 모듈(30)에 전송하여 스위치 소자를 온오프함으로써 2차 직렬 충전팩의 밸런스 충전을 가능하도록 한다.

계속하여, 도 2b는 상기의 각 구성을 회로로 표현한 대략적인 회로도이다.

도 2b를 참조하면, 상기 스위치 모듈(30)은 두 개의 MOSFET(32, 34)으로 구성되어 있으며. 각각의 MOSFET(32, 34)은 제어 모듈(40)로부터 전송되는 신호로부터 온오프를 수행할 수 있다. 본 발명에서의 상기 스위치 모듈(30)은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)뿐만 아니라 바이폴라 트랜지스터(BJT), 포토 커플러(Photo-Coupler) 등의 다른 반도체 소자나 릴레이(Relay) 등의 다양한 스위치 소자로 구성될 수 있다.

도 3은 4개의 전지가 직렬로 연결되었을 경우를 예로 들어 본 발명에 따른 2차 직렬 밸런스 충전 제어 방법을 설명하기 위한 대략적인 회로를 도시한 회로도이다.

먼저, 도면을 설명하기에 앞서, 도 3a 내지 도 3e는 쉬운 설명을 위해 상기 도 2b에서 전지 모듈(10)과 스위치 모듈(30) 만을 간략하게 도시한 회로도이며, 본 발명의 제어 방법을 설명하고자 4개의 전지가 직렬로 연결되었을 때를 예로 들어 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 밸런스 충전 제어 회로는 각각의 전지 모듈(10)의 전지(12)에 대해 충전 전압을 실시간으로 도 3a와 같이 모니터링하고 있다. 이 때, 예를 들어, 두 번째 전지(12)(②)의 충전 전압이 상한 전압(Upper Voltage)에 도달했다고 판단되면, 제어 모듈(40)은 충전 전류가 전지 쪽으로 흐르지 못하도록 도 3b와 같이 스위치 모듈(30)을 동작시켜서 전류가 해당 전지(12)(②)를 거치지 않고 바로 다음 전지로 바이패스(Bypass) 되도록 한다.

계속하여 다른 전지(①, ③, ④)들을 모니터링 하다가, 네 번째 전지(12)(④)의 충전 전압이 상한 전압에 도달했다고 판단되면, 제어 모듈(40)은 도 3c처럼 스위치 모듈(120)을 동작시켜 전류가 해당 전지(12)(④)를 거치지 않고 바로 다음 전지로 바이패스 되도록 한다.

마찬가지로, 나머지 전지(①, ③)들도 모니터링 하다가, 충전 전압이 상한 전압에 도달했다고 판단되면, 도 3d와 같이 스위치 모듈(120)을 동작시켜 전류가 해당 전지(12)(①, ③)를 거치지 않고 바로 다음 전지로 바이패스 되도록 한다.

상기와 같은 방법으로 4개의 전지(12)가 직렬 충전을 하고 있을 때, 이 중 하나의 전지가 상한 전압에 도달하면, 스위치 모듈(30)을 이용하여 이 전지(12)에 대해 충전 전류를 바이패스 시켜 더 이상 과충전이 되지 못하게 하고, 나머지 n-1개의 전지(12)는 직렬 충전이 계속되도록 유지한다. 또다시, n-1개의 전지(12) 중 에 상한 전압에 도달한 전지(12)가 있으면, 전류를 바이패스 시켜 n-2개의 전지(12)를 충전한다. 이와 같은 방법으로, 마지막 남은 전지(12)까지 상한 전압에 도달하게 되면, 스위치 모듈(30)을 이용하여 도 3e와 같이 바이패스 되었던 모든 전류를 전지(12) 쪽으로 흐르게 하여 정전압 모드로 전환하거나, 더 이상 충전되지 못하도록 충전 전류를 차단하는 충전 종료 모드로 전환함으로써 상기의 전지의 과충전을 방지하고, 충방전 싸이클이 여러 회 반복해도 용량 감소가 없는 직렬 전지팩의 밸런스 충전을 종료할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 두 개 이상의 직렬로 연결되어 있는 2차 전지를 충전 할 때에 전지팩 내부에서 실시간으로 각각의 전지에 대해 전압을 실시간으로 모니터링하고 있다가 충전 전류가 상한 전압에 도달한 전지 쪽으로 가지 못하도록 옆으로 돌려서 바이패스 시킨 상태로 충전을 유지하는 밸런스 충전 방법을 사용함으로써 상한 전압에 도달한 전지는 과충전이 되는 것을 방지하고, 상한 전압에 도달하지 못한 전지는 계속해서 충전하여 마지막 한 개의 전지까지 100% 만충전 할 수 있는 효과를 얻을 수 있어 충방전 싸이클이 여러 회 반복한다고 할지라도 용량 감소가 없도록 직렬 전지팩을 충전 시키는 데에 도움을 줄 수 있다.

또한 상기와 같은 시스템을 이용하여, 장기간 방치한 2차 전지팩에서 흔히 발생하는 자가 방전에 따른 전지 간 용량 차이도 상기와 같은 밸런스 충전 제어 방법에 의해 충전하면, 자가 방전한 용량만큼 보상 받게 되므로 전지팩 용량이 감소됐던 부분을 회복할 수 있다는 효과를 거둘 수가 있다.

Claims

재충전하여 쓸 수 있도록 2개 이상의 전지 모듈이 직렬연결로 이루어진 2차 직렬 전지팩을 충전하는 방법에 있어서,

2개 이상의 전지모듈이 직렬연결로 이루어진 2차 전지팩에 충전전류를 흘리는 제 1단계;

모니터링 모듈이 각각의 전지 모듈의 충전 전압을 실시간으로 모니터링 하는 제 2단계;

제어 모듈은 상기의 모니터링 결과를 입력받아 이로부터 각각의 전지 모듈이 상한(Upper) 전압에 도달하는 순간 스위치 모듈을 동작시켜 전류가 전지 모듈을 바이패스 하도록 하는 제 3단계;

모든 전지 모듈이 상한 전압에 도달하여 바이패스 상태가 되면, 스위치 모듈을 동작시켜 모든 전류를 전지 모듈 쪽으로 흐르게 하여 정전압 모드로 전환하는 제 4단계

로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 제 4단계에서

마지막 남은 전지까지 상한 전압에 도달하게 되면, 각 전지 모듈이 충전되지 못하도록 스위치 모듈을 동작시켜 충전 전류를 차단하는 충전 종료 모드로 전환하 는 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩의 밸런스 충전 제어 방법.
재충전하여 쓸 수 있는 2차 직렬 전지팩에 있어서,

2개 이상의 전지의 직렬연결로 구성된 전지 모듈과;

각 전지 모듈의 충전 전압이 상한 전압에 도달하는 지를 모니터링 하여 그 값을 제어 모듈로 전송하는 모니터링 모듈과;

제어 모듈로부터 제어 신호를 수신하여, 이에 따라 스위치를 온오프 시켜 각 전지 모듈을 바이패스 시키는 스위치 모듈과;

상기 각 모듈을 제어하며, 상기 모니터링 모듈로부터 입력되는 값을 연산하여 스위치 모듈을 동작 시키는 신호를 생성하는 제어 모듈

를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩.
청구항 3에 있어서, 상기 스위치 모듈은

두개의 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩.
청구항 3에 있어서, 상기 제어모듈은

모든 전지 모듈이 상한 전압에 도달하여 바이패스 상태가 되면, 스위치 모듈 을 동작시켜 모든 전류를 전지 모듈 쪽으로 흐르게 하여 정전압 모드로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩.
청구항 3에 있어서, 상기 제어모듈은

마지막 남은 전지까지 상한 전압에 도달하게 되면, 각 전지 모듈이 충전되지 못하도록 스위치 모듈을 동작시켜 충전 전류를 차단하는 충전 종료 모드로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 직렬 전지팩.